Оборудование для процессов травления твердотельных структур

Получение элементов с субмикронными размерами требует селективного удаления отдельных участков будущей микросхемы с помощью процесса травления. Широко используемое жидкостное химическое травление обладает высокой селективностью и скоростью, однако наличие подтравливания не позволяет получить требуемое разрешение. Для технологических процессов изготовления СБИС наиболее перспективными являются методы сухого травления, которые подразделяются на ионное травление (ИТ), плазмохимическое травление (ПХТ) и ионно-химическое травление (ИХТ). На рис.14 приведена классификация процессов ионно-плазменного травления.

Рисунок13.1 - . Классификация процессов ионно-плазменного травления

При ИТ для удаления материала используется кинетическая энергия ионов инертных газов, т.е. процесс физического разбиения ИТ подразделяется на ионно-плазменное травление при котором образцы помещаются на отрицательный электрод разрядного устройства и подвергается бомбардировке ионами, вытягиваемые из плазмы, и ионно-лучевое травление в котором образцы мишенью, бомбардируемой ионами, вытягиваемыми из автономного ионного источника (АИИ).

В ИХТ используется как кинетическая энергия ионов химически активных газов так и энергия их химических реакций с атомами или молекулами материала.

При ПХТ для удаления материала используется энергия химических реакций между ионами и радикалами активного газа и атомами (или молекулами) обрабатываемого вещества с образованием летучих стабильных соединений. В зависимости от среды, в которую помещаются образцы, ПХТ подразделяется на:

- плазменное травление: образцы помещаются в плазму химически активных газов;

- радикальное травление: образцы помещаются в вакуумную камеру, отделенную от химически активной плазмы перфорированными металлическими экранами или электрическими или магнитными полями, а травление осуществляется незаряженными химически активными частицами (свободными атомами и радикалами), поступившими из плазмы.

Наибольший интерес представляет плазмохимическое травление, т.к. оно обладает селективностью, равномерностью, и скоростью, сравнимыми с жидкостным химическим травлением, но оно не требует очистки поверхностей после обработки, позволяет одновременно травить подложки и удалять фоторезистивные маски, а также может использоваться для любых материалов.

Системы ионно-плазменного травления по способу возбуждения и поддержания плазмы подразделяются на системы с самостоятельными разрядами ВЧ и СВЧ тока и системы с искусственным поддержанием разряда с помощью термоэлектронной эмиссии, ВЧ, СВЧ электромагнитных полей.

Ионно-плазменные системы травления можно разделить по числу электрода на двухэлектродные (диодные), трехэлектродные (триодные), а также безэлектродные, в которых генерация плазмы осуществляется электромагнитными полями высокой и сверхвысокой частоты.

Системы с автономными ионными источниками могут быть как с фокусировкой так и без фокусировки ионного пучка, как с компенсацией так и без компенсации объемного заряда ионного пучка.

Диодные ВЧ системы

Диодная ВЧ системы содержит два электрода: заземленный анод, и мишень на которую подается ВЧ напряжение от генератора и помещаются обрабатываемые образцы (рис. 13.2).

В такой системе возможность травления любых материалов сочетается с простой конструкции и большой площадью мишени (до 1200 см²) на которой обеспечивается равномерная ионная бомбардировка. Давление в рабочей камере поддерживается 1,33×10^-1 – 13,3 Па. Максимальная ВЧ мощность составляет 0,8 – 2,0 кВт и может регулироваться. ВЧ генераторы, используемые в промышленности, работают на частотах 1,76; 5,28; и 13,56 МГц. Напряжение между электродами составляет 0,8 – 4 кВ.

Рисунок 13.2 - Структурная схема автоматической установки плазмо-химического травления с диодной ВЧ системой

1- электроды, 2- натекатели, 3- блок управления ВЧ источником питания, 4- источник газа, 5, 8- механический и диффузионный насосы, 6- блок управления последовательностью операций, 7- вентиль, 9- подложки, 10- регулятор давления; 11- рабочая камера

Характеристической особенностью систем с ВЧ разрядом является необходимость согласования ВЧ генератора с распылительной камерой, полное сопротивление которой может меняться в широких пределах. Для осуществления согласования необходим индикатор, в качестве которого удобнее всего использовать измеритель ВЧ мощности, передаваемой из генератора в камеру. В диодных системах мишень выполняет двойную функцию: с одной стороны она является источником поддержания разряда, а с другой стороны – местом травления образцов. Поэтому в диодных системах нельзя независимо регулировать энергию ионов и их ток, проводить травление ионами низких энергий до 300 эВ, регулировать угол падения ионов. Применение диодных систем на постоянном токе ограничено, т.к. они позволяют травить только проводящие материалы.

Триодные системы

Триодная система ИТ состоит из трех независимо управляемых электродов: термокатода, анода и мишени, на которой размещаются обрабатываемые образцы (рис.13.3). После откачки рабочей камеры до давления 10^-4 Па катод разогревается до температуры, достаточной для достижения высокой плотности тока термоэлектронной эмиссии. Затем в камеру напускается инертный газ до давления 0,066-0,66 Па и подается напряжение между термокатодом и анодом порядка 500 В, что приводит к зажиганию дугового разряда.

На мишень может подаваться как постоянное отрицательное напряжение при травлении проводящих образцов, так и ВЧ напряжение при травлении диэлектрических образцов. В триодных системах процессы образовании плазмы и

Рисунок 13.3 - Схема триодной системы ИТ

1- термокатод, 2, 3 - экраны; 4- анод; 5- мишень; 6, 7 и 8- источники питания

травления разделены, что позволяет управлять энергией ионов с помощью напряжения на мишени, однако нельзя регулировать их угол падения. Если в диодных системах и системах с АИИ максимальная плотность ионного тока на мишени составляет 1-5 мА /см², то в триодных системах 15-20 мА/см². Это позволяет получать высокие скорости ИТ материалов – порядка 5-10 нм/c. В триодных системах трудно получить однородную плазму из-за малого размера термокатода по сравнению с холодным катодом в диодных системах, что приводит к неравномерности травления образцов по поверхности мишени. Кроме того, наличие накаленного термокатода не позволяет использовать при травлении материалов активные газы.