дисс.МАГИСТРА. Оптимизация процесса плазмохимического травления монокристаллического кварца
 Скачать 1.74 Mb.
|
|
Министерство образования и науки РФ ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого» Институт металлургии, машиностроения и транспорта Кафедра физико-химии и технологии микросистемной техники Диссертация допущена к защите Зав. кафедрой ________ Александров С.Е. "___"_________ 2016 г. ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени МАГИСТРА Тема: «Оптимизация процесса плазмохимического травления монокристаллического кварца» Направление 22.04.01 Материаловедение и технологии материалов Магистерская программа: 22.04.01_01 «Материаловедение наноматериалов и компонентов электронной техники» Выполнил студент гр. 63313/10 (подпись) Янкевич Г.А. Руководитель, д.х.н., проф. (подпись) Александров С.Е. Куратор, асп. (подпись) Осипов. А.А. Консультанты: по вопросам охраны труда к.т.н., проф (подпись) Терентьев О.Н. Санкт-Петербург 2016 2 Оглавление Введение ................................................................................................................... 4 1. Теоретическая часть ............................................................................................ 7 1.1 Плазменные процессы травления и обработки кварца. ............................. 7 1.1.1 Плазма: основные понятия и свойства. .................................................... 7 1.1.2 Основные виды электрического разряда в плазме. ................................ 9 1.1.2.1 Тлеющий разряд постоянного тока ................................................. 10 1.1.2.2 Барьерный разряд .............................................................................. 12 1.1.2.3 Коронный разряд ............................................................................... 13 1.1.2.4 Искровой разряд ................................................................................ 14 1.1.2.5 Дуговой разряд .................................................................................. 15 1.1.2.6 Периодические разряды. Плазма ВЧ и СВЧ разрядов. ................. 17 1.2 Кварц и его свойства ................................................................................... 23 1.2.1 Кварцевый резонатор .............................................................................. 25 1.2.2 Получение монокристаллического кварца. ........................................... 27 1.2.3 Травление кварца. .................................................................................... 30 1.3 Планирование экспериментов посредством метода Тагучи ................... 32 1.3.1 Определение ортогональной матрицы ................................................... 33 1.3.2 Достоинства и недостатки метода .......................................................... 35 1.3.3 Анализ экспериментальных данных ...................................................... 36 1.3.4 Выбор матрицы экспериментов для опытов по оптимизации процесса плазмохимического травления монокристаллов кварца. .............................. 40 Выводы из теоретической части .......................................................................... 43 2. Методическая часть .......................................................................................... 44 2.1 Установка плазмохимического травления на основе источника ВЧ индуктивно связанной плазмы ......................................................................... 44 2.2 Методика проведения эксперимента. ....................................................... 49 3. Практическая часть ........................................................................................... 51 3.1 Результаты экспериментов ......................................................................... 51 3.2 Влияние напряжения смещения ................................................................ 56 3.3 Влияние положения подложкодержателя ................................................ 57 3 3.4 Влияние мощности генератора .................................................................. 57 3.5 Влияние расхода кислорода. ...................................................................... 59 3.6 Сквозное травление монокристаллического кварца ............................... 60 3.7 Травление на глубину 30 мкм .................................................................... 61 4. Охрана труда ...................................................................................................... 63 Заключение ............................................................................................................ 79 Список использованных источников .................................................................. 81 4 Введение В производстве микросхем в настоящее время широко применяются процессы, с использованием низкотемпературной неравновесной плазме. Такие процессы применяются для очистки поверхности подложек, травления рабочих слоев, удаления резиста. Применение плазменных технологий позволяет достичь малых размеров элементов, которые невозможно получить с применением жидкостных методов обработки материалов. Хотя физические явления, происходящие в плазме и на поверхности подложек, до конца не исследованы, они весьма перспективны для изготовления различных изделий электронной техники. Жидкостное травление для кремния и диоксида кремния или газообразное травление в XeF 2 для кремния и парах HF для диоксида кремния широко применимо в технологии производства изделий электронной техники, однако его применение возможно только когда технологически допустимо изотропное травление материала. Химического травления, будь то жидкостным или газовым, может иметь очень высокую селективность, т.е. отношение скоростей травления материала к травлению маски. Изотропность травления является главным минусом данной методики, так как в технологии часто необходимо получение небольших по размеру, но глубоких отверстий [1]. При уровне проектных норм, используемых в настоящее время в микроэлектронной промышленности, только процессы травления с использованием низкотемпературной газоразрядной плазмы удовлетворяют производству конкурентоспособных интегральных схем. Процессы травления с использование низкотемпературной плазмы, часто называемые «сухим» травлением, имеют несколько существенных преимуществ по сравнению с обычным жидкостным травлением материалов электронной техники. К ним в первую очередь относятся: 5 1. возможность осуществления высоко направленного, даже строго вертикального, травления канавок в создаваемых структурах; 2. возможность встраивания в полностью автоматизированные производственные линии; 3. отсутствие ограничений на минимально возможное значение проектной нормы в отличие от жидкостного травления (минимальная проектная норма определяется технологией масок, а не технологией плазмохимического травления); 4. процессы плазмохимического травления требуют существенно меньших количеств специальных газообразных реагентов по сравнению с жидкостным травлением; 5. процессы плазмохимического травления являются «чистыми процессами», в результате осуществления которых образуется минимальное количество токсичных или вредных для окружающей среды побочных продуктов, что является ощутимой проблемой при осуществлении процессов жидкостного травления, требующих специальной утилизации большого количества жидких отходов. В тоже время процессы травления с использованием низкотемпературной плазмы характеризуются и некоторыми существенными недостатками: 1. плазмохимические процессы травления требуют использования дорогостоящего вакуумного оборудования, которое должно быть изготовлено из химически инертных материалов, стойких к воздействию агрессивной плазменной среды; 2. трудности возникли после того, как величина проектной нормы в микроэлектронной промышленности уменьшилась ниже одного микрометра. Это привело к необходимости перехода от диапазона средних рабочих давлений в камере (10-150 Па), которые относительно легко реализовывались в промышленных установках, к 6 существенно более низким давлениям (ниже 1 Па), что требует использования более сложного и дорого вакуумного оборудования, а также увеличивает время вакуумирования технологической камеры. Только плазменные технологии способны обеспечить анизотропность травления материала, а так же значительно повысить разрешающую способность. Методом реактивного ионного травления (RIE) с использованием плазмы основанной на фторосодержащих газах является широко используемым методом для травления глубоких структур в кремнии, оксиде кремния и стекле. Плазменное травление позволяет использовать как химические, так и физические процессы для удаления твердого материала. С точки зрения скорости травления, химические, физические и плазменные методы травления являются схожими по значениям. Именно анизотропный характер плазменного травления преодолевает многие ограничения, возникающих при использовании жидкостных методах травления материалов. Эти полезные свойства были использованы во всех областях микротехнологии, таких как микроэлектроника, микро-электро-механические системы (MEMS) и микро-фотоники. [2] 7 1. Теоретическая часть 1.1 Плазменные процессы травления и обработки кварца. 1.1.1 Плазма: основные понятия и свойства. Плазма – это состояние вещества, характеризующееся высокой степенью ионизации и равенством концентраций положительных и отрицательных зарядов (квазинейтральностью) [3]. В стационарном состоянии плазма существовать может только при наличии средств восполняющих убыль заряженных частиц. Существуют различные виды разряда: 1. Положительный столб тлеющего и дугового разряда 2. Дуговой разряд низкого давления с накаленными электродами 3. Области ВЧ и СВЧ разрядом В общем случае плазма содержит в себе электроны, ионы и нейтральные частицы – атомы и/или молекулы, радикалы, которые находятся как в основном, так и в возбужденном состоянии. Электропроводность плазмы близка к проводникам, а концентрация заряженных частиц достигает 10 17 частиц на см 3 . Все частицы плазмы постоянно находятся во взаимодействие друг с другом – именно поэтому ее нельзя представлять как механическую смесь компонентов. Так же она обладает рядом свойств, которые не присущи отдельным составляющим плазмы. В общем случае различают изотермическую и неизотермическую плазму: 1. Изотермическая плазма - это ионизированный газ при высокой температуре, когда энергии (температуры) всех составляющих плазму частиц равны (T e ≈T i ≈T g ) и все процессы можно считать равновесными. 2. В неизотермической плазме средняя энергия (температура) электронов во много раз превышает энергию ионов и нейтральных частиц T e >> T i ≈ T g при относительно небольшом выделении 8 джоулевой теплоты за счет высокой теплоемкости газа тяжелых частиц и быстрого уноса теплоты из зоны разряда. Неизотермическая плазма поддерживается за счет внешних источников заряженных частиц, к примеру магнитное поле, при этом процессы обмена энергией в плазме являются неравновесными. Это связанно с тем, что электроны забирают энергию приложенного поля, однако в силу своей легкости не способны эффективно перераспределять ее при столкновении с «тяжелыми» частицами. Низкотемпературная газоразрядная плазма (НГП) – это слабоионизированный газ при давлениях от 10 -1 до 10 3 , при средней энергии электронов от 1 до 10 эВ и концентрации электронов 10 9 - 10 12 см -3 . [2,3] К основным параметрам задаваемым при получении НГП относят: тип плазмообразующего газа, давление и расход газа, мощность разряда, геометрия камеры, а так же материалы из которых он изготовлен. Использование плазмы на прктике в основном сосредоточено на производве изделий электронной промышленности, где технологии работают в трех основных направлениях( Рисунок 1.1 ). Рисунок 1.1 Основные области применения процессов с НГП. [3] 1. Осаждение покрытий, плазменное напыление и плазмостимулированное осаждение из газовой фазы. Позволяет 9 наносить тонкие пленки металлов, а так же межэлементные соединения в интегральных схемах. 2. Модификация поверхности с помощью НГП. Процесс позволяющий вносить локальные изменения в свойства обрабатываемой поверхности, к примеру гидрофильность или адгезионные свойства. В основном таким способом обрабатывают полимерные материалы, а плазмообразующим газом являются Ar, O 2 , NO, NH 3 3. Плазменное травление и очистка поверхности материала. Примеры таких процессов – это удаление фоторизиста в кислородной плазме, травление полупроводников фторо- и хлоросодержащих соединениях. 1.1.2 Основные виды электрического разряда в плазме. Все электрические разряды в плазме можно разделить на два вида: самостоятельный и несамостоятельный. Несамостоятельный разряд – это разряд для поддержания которого, кроме энергии внешнего электрического поля, необходим независимый источник заряженных частиц (рентгеновское излучение, радиоактивное излучение, облучение светом, нагрев катода) Самостоятельному разряду для генерации зарядов в разрядном промежутке необходимо только внешнее электрическое поле. Его можно разделить на несколько основных типов: 1. Тлеющий разряд постоянного тока. Характеризуется большим падением катодного потенциала и чередованием темных и светлых полос. 2. Периодические разряды – это разряды которые возбуждаются и поддерживаются переменным электрическим полем (ВЧ и СВЧ) 3. Дуговой разряд, возникают при высоких давлениях и мощного источника питания 4. Искровой разряд, так же высокие давления, но необходим маломощный, высоковольтный источник питания. 10 1.1.2.1 Тлеющий разряд постоянного тока Для данного типа разрядов характерно наличие двух различных областей: меленькой катодной области, в которой происходит большое падение потенциала, и положительного столба, который является собственно плазмой. На Рисунок 1.2 представлено схематичное изображение реактора и основные области тлеющего разряда постоянного тока, а так же распределение потенциала в разрядной области. [3] Рисунок 1.2. Структура тлеющего разряда и распределение потенциала в нем: 1 – астоново темное пространоство; 2 – катодное свечение; 3 – круксово темное пространоство; 4 – тлеющее свечение; 5 – фарадеево темное пространство; 6 – положительный столб; 7 – анодное темное пространство; 8 – анодное свечение Электроны, которые покидают катод из-за бомбардировки тяжелыми положительными ионами, имеют небольшие начальные энергии. Поэтому около катода процессы ионизации и возбуждения малоэффективны, в результате имеется темная область малой толщины. В процессе движения в поле катодного падения потенциала энергия электронов увеличивается, и доходит до энергий необходимых для возбуждения молекул газа, таким образов возникает катодное свечение. Однако с ростом вероятности ионизации увеличение энергии приводит и к уменьшению вероятности возбуждения, именно поэтому после катодного свечения возникает относительно темное круксово пространство. Внешняя граница этого пространства совпадает с границей катодного падения потенциала. [3] 11 Начиная с правой границы области (3), характер движения электронов и ионов резко меняется. В данной области вместо осевого направления, вызванного сильным электрическим полем, частицы начинают двигаться хаотически в области сильно ионизированного газа. На такое беспорядочное движение накладывается диффузионное движение электронов и ионов, что приводит к возникновению небольшого участка тормозящего поля в области (4) тлеющего свечения и (5) фарадеева темного пространства [3]. Потери энергии на ионизацию и отсутствие ускоряющего поля приводят к уменьшению энергии электронного газа. На границе кроксова пространства ионизация отсутствует, но энергия электронов все еще достаточна для возбуждения молекул газа, именно поэтому наблюдается область свечения, это свечение исчезает по мере удаления от катода. В этой области происходит переход в фарадеево темное пространство, область где ионизации почти нет вследствие очень малых значений энергии электронов. В процессе диффузионного движения часть заряженных частиц рекомбинирует на стенках, из-за этого концентрация электронов и ионов в направление анода уменьшается, что вызывает градиент потенциала. Именно этот градиент потенциала сообщает электронам дополнительную скорость, приводящую к появлению ионизации, которая компенсирует рекомбинацию на стенках. Положительный столб разряда образуется за областью фарадеева темного пространства – это область однородной стационарной неравновесной плазмы (6). Главным условием существования и поддержания плазмы является поддержание постоянной во времени концентрации частиц. Баланс числа заряженных частиц определяется балансом энергии, которая поступает в плазму от электрического поля. Компенсация частиц «погибших» на стенках происходит за счет этой энергии, которая ионизирует атому и молекулы газа. Положительный столб в осевом направление может быть однородным или слоистым ( ряд светящихся страт). 12 Широкого технологического применения тлеющий разряд пока что не нашел. На данный момент он применяется в процессе напыления металлических пленок и в некоторых аналитических и спектроскопических приложениях. 1.1.2.2 Барьерный разряд Импульсно-периодический электрический разряд в газе, где один или оба электрода изолированы от плазмы диэлектриками, известный как диэлектрический барьерный разряд (ДБР), был впервые продемонстрирован Вернером фон Зименсом (Wernner von Siemens) в 1957 году. В последнее время ДБР широко применяется для накачки газовых лазеров, поверхностной обработки материалов и в плазменых дисплеях. Интерес к этому виду разряда также вызван его перспективами применения в плазменной медицине, плазмохимии, а также в аэродинамике в качестве источников ионов для создания управляемых газодинамических потоков. Барьерным разрядом называют разряд в узком газовом зазоре между плоскими или коаксиальными электродами, один из которых (или оба) покрыт слоем твердого диэлектрика. Если к электродам приложено переменное напряжение с амплитудой, превышающей пробивное напряжение газового промежутка, то в нем возникает разряд, состоящий из большого числа отдельных искр, дискретных в пространстве и во времени. Разряд продолжается до тех пор, пока мгновенное значение напряжения на электродной системе не достигнет U max . Особенностью барьерного разряда является локальное накопление заряда на поверхности диэлектрического барьера в процессе развития в промежутке каждой отдельной искры. [4] Самое широкое применение данный тип газового разряда получил в озонаторах, устройство для получения озона. Различные типы реакторов озонатора приведены на Рисунок 1.3.В настоящее время озон O 3 является газом, используемым в так называемых озонных технологиях: очистка и подготовка питьевой воды, очистка сточных вод (бытовых и промышленных 13 стоков), отходов газов и др. В зависимости от технологии использования озона производительность озонатора может составлять от долей грамма до десятков килограмм озона в час. Рисунок 1.3. Различные виды озонаторов |