дисс.МАГИСТРА. Оптимизация процесса плазмохимического травления монокристаллического кварца
 Скачать 1.74 Mb.
|
|
1.2.3 Травление кварца. Классическим методом обработки кварцевых пластин является жидкостное травление в HF. Главным плюсами жидкостного травления являются: очень высокая селективность травления маски к травлению материала и низкая стоимость оборудования. Однако в связи с развитием микроэлектронной промышленности и уменьшением проектной нормы жидкостное травление не способно обеспечить необходимую разрешающую способность и вертикальность стенок (Рисунок 1.16). [6,9] Рисунок 1.16. Сравнение жидкостного и плазмохимического травления кварца. а - жидкостное, b - плазмохимическое. [15] Кварц травиться фторосодержащими газами, такими как SF 6 ,CHF 3 , CF 4 и C 4 F 8 . Радикалы фтора, образованные в плазме, вступают в реакцию в кварцем и образуют четырехфтористый кремний SiF 4 , который при температурах выше 359 К является летучим. [9] 4F * + SiO 2 SiF 4 + O 2 Добавки в газовую смесь водорода, аргона или гелия увеличивают стабильность плазмы и улучшают селективность процесса. Так же добавки в газовую смесь до 20% кислорода O 2 приводит к увеличению скорости травления. Добавление кислорода предотвращает рекомбинацию с атомами фтора, и тем самым увеличивая концентрацию химически активных частиц в плазме. Этот же механизм приводит и к подавлению полимеризации 31 ненасыщенных продуктов распада исходных молекул на стенках реактора и поверхности обрабатываемого материала. Пассивация боковых стенок может быть увеличена путем окисления или азотирования без бомбардировки поверхности материала, путем добавления небольшого количества кислорода или азота в плазму. [16] Ионная бомбардировка разрушает пассивацию или защитные пленки образованные на дне структуры, что приводит к направленному и вертикальному травлению. В [5] указывается, что типичными скоростями для травления кварца являются: 1. Плазменное травление 5 – 10 нм/мин при использовании CHF 3 2. РИПТ – 20 – 40 нм/мин 3. РИЛТ – 100 – 150 нм/мин 4. Магнетронное РИПТ 600 – 1000 нм/мин 32 1.3 Планирование экспериментов посредством метода Тагучи Метод Тагучи приводит к уменьшению варьирований в процессе через «робастное» (надежное) планирование эксперимента. Общая цель метода - произвести высококачественный продукт при низкой стоимости для производителя. Метод Тагучи был разработан японцем доктором Геничи Тагучи (Dr. Genichi Taguchi). Был разработан метод планирования экспериментов для изучения того, как различные параметры влияют на отклонение рабочих характеристик процесса, чтобы определить то, насколько хорошо процесс функционирует. Планирование эксперимента, предложенное Тагучи, приводит к применению ортогональных массивов для организации параметров, влияющих на процесс и уровней изменения параметров. В отличие от факториального плана, вместо обязательной проверки всех возможных комбинаций, метод Тагучи проверяет пары комбинаций. Это позволяет для набора необходимых данных определить, какие факторы имеют наибольшее влияние на качество продукта при минимальном количестве экспериментов, что соответственно экономит время и ресурсы. [17] В методе Тагучи результаты экспериментов анализируются, чтобы достичь одной или нескольких целей: 1. Более точное определение рабочей характеристики процесса, таких как температура, скорость потока, давление и т.д. Так же метод позволяет отталкиваться от поставленной задачи, вида минимизации или максимизации рабочей характеристики. 2. Определение параметров проектирования, влияющих на процесс. 3. Создать ортогональные матрицы для проведения эксперимента, показывающие число и условия для каждого эксперимента. 4. Провести эксперименты, с параметрами полученными в матрице, чтобы собрать данные о влиянии на рабочую характеристику. 33 5. Провести анализ данных, чтобы определить влияние различных параметров на рабочую характеристику. 1.3.1 Определение ортогональной матрицы Влияние различных параметров на рабочую характеристику можно проанализировать, используя экспериментальный план, разработанный Тагучи. Определив параметры, влияющие на контролируемый процесс, необходимо определить уровни, на которых следует варьировать параметры. Определение, какой уровень переменной необходим для досконального понимания процесса, включает минимум, максимум и текущее значение параметра. Если разница между минимумом и максимумом значения параметра большая, проверяемые значения могут быть далеки друг от друга или можно проверять больше значений. Если разница между параметрами мала, можно проверять меньше значений или проверяемые значения могут быть близки друг к другу. Зная число параметров и число уровней, можно выбрать правильную ортогональную матрицу. Используя таблицу селектора матриц, представленную ниже (Таблица 1.1 Селектор матриц.), можно найти имя подходящей матрицы, взглянув на строки и столбцы, соответствующие числу уровней и числу параметров. Когда определено имя (нижний индекс показывает число экспериментов, которые необходимо выполнить), можно найти необходимую матрицу. Например, если мы имеем три параметра (напряжение, температура, давление) и два уровня (высокий и низкий), то, как можно видеть, подходящей матрицей является L4. [17] 34 Таблица 1.1 Селектор матриц. Число параметров Чи сло ур ов ней 2 3 4 5 6 7 8 9 2 L4 L4 L8 L8 L8 L8 L12 L12 3 L9 L9 L9 L18 L18 L18 L18 L27 4 L’16 L’16 L’16 L’16 L’32 L’32 L’32 L’32 5 L25 L25 L25 L25 L25 L25 L50 L50 35 1.3.2 Достоинства и недостатки метода Достоинства метода Тагучи в том, что метод является достаточно простым для применения ко многим инженерным ситуациям, что делает его незаменимым инструментом в работе. Метод используется для быстрого определения проблем производственного процесса из уже существующих данных. Так же существенным плюсом является, то, что метод позволяет проанализировать большое количество факторов без проведения большого числа экспериментов. После проведения анализа выявляются наиболее влияющие факторы с которыми в дальнейшем можно проводить эксперименты, а параметры, имеющие малое влияние, можно проигнорировать. Главный недостаток метода Тагучи в том, что полученные результаты только относительные и точно не показывают, какой параметр имеет наибольшее влияние на значение рабочей характеристики. Также ортогональные матрицы не проверяют все возможные комбинации, этот метод не следует использовать со всеми отношениями между всеми переменными, которые необходимы. Другое ограничение состоит в том, что метод Тагучи автономный, и поэтому не подходит для динамически изменяемого процесса такого, как изучение путем моделирования. Более того, так как метод Тагучи имеет дело с проектируемым качеством, а не с улучшением качества, он более эффективен на ранних этапах разработки процесса. 36 1.3.3 Анализ экспериментальных данных После того, как определен план эксперимента и выполнены опыты, измеренную рабочую характеристику из каждого опыта можно использовать для анализа относительного влияния различных параметров. Для демонстрации процедуры анализа данных возьмем следующую матрицу L9, но принципы можно перенести на любой тип матрицы. [17] В этой матрице видно, что можно использовать любое количество повторений наблюдений (опытов). T i,j представляет собой различные опыты, где i = номер эксперимента, а j = номер опыта. Следует отметить, что метод Тагучи позволяет для использования матрицы шумов, включающей внешние факторы, влияющие на процесс, другой результат, нежели повторные опыты. Таблица 1.2. Матрица экспериментов L9[17] № Пар. 1 Пар. 2 Пар. 3 Пар. 4 T 1 T 2 … T N 1 1 1 1 1 T 1,1 T 1,2 … T 1,N 2 1 2 2 2 T 2,1 T 2,2 … T 2,N 3 1 3 3 3 T 3,1 T 3,2 … T 3,N 4 2 1 2 3 T 4,1 T 4,2 … T 4,N 5 2 2 3 1 T 5,1 T 5,2 … T 5,N 6 2 3 1 2 T 6,1 T 6,2 … T 6,N 7 3 1 3 2 T 7,1 T 7,2 … T 7,N 8 3 2 1 3 T 8,1 T 8,2 … T 8,N 9 3 3 2 1 T 9,1 T 9,2 … T 9,N Чтобы определить влияние каждой переменной на результат, необходимо вычислить отношение сигнал-шум или число SN. Вычисление SN для первого эксперимента в матрице вверху показано ниже для случая конкретной величины рабочей характеристики. В уравнениях ниже y i – 37 среднее значение, а s i – отклонение. y i – значение рабочей характеристики для данного эксперимента. , (1) , (2) , (3) , где i = номер эксперимента u = номер опыта N i = число опытов для i-го эксперимента Для случая минимизации рабочих характеристик следует вычислить следующее отношение SN: , (4) Для случая максимизации рабочих характеристик следует вычислить следующее отношение SN: , (5) После вычисления отношения SN для каждого эксперимента вычисляется среднее SN для каждого фактора и уровня. Сделать это можно как показано ниже для параметра 3 (P3, параметр 3) в матрице: 38 Таблица 1.3. Матрица экспериментов L9 Экспери- мент № Параметр 1 Параметр 2 Параметр 3 Параметр 4 S n 1 1 1 1 1 S n1 2 1 2 2 2 S n2 3 1 3 3 3 S n3 4 2 1 2 3 S n4 5 2 2 3 1 S n5 6 2 3 1 2 S n6 7 3 1 3 2 S n7 8 3 2 1 3 S n8 9 3 3 2 1 S n9 , (6) , (7) , (8) После того, как значения SN вычислены для каждого фактора и уровня, они сводятся в таблицу (Таблица 1.4. Таблица значений SN) и вычисляется размах R (R = максимальное SN – минимальное SN) для каждого параметра и вносится в таблицу. Чем больше значение R для параметра, тем большее влияние переменная имеет на процесс. Это из-за того, что одинаковое изменение сигнала приводит к большему эффекту на измеренное изменение выхода. 39 Таблица 1.4. Таблица значений SN Уровень Параметр 1 Параметр 2 Параметр 3 Параметр 4 1 SN P1,1 SN P2,1 SN P3,1 SN P4,1 2 SN P1,2 SN P2,2 SN P3,2 SN P4,2 3 SN P1,3 SN P2,3 SN P3,3 SN P4,3 Δ R P1 R P2 R P3 R P4 Ранг … … … … 40 1.3.4 Выбор матрицы экспериментов для опытов по оптимизации процесса плазмохимического травления монокристаллического кварца. Результаты предварительных экспериментов свидетельствовали о монотонном характере влияния технологических параметров на скорость травления, что позволило применить методику научного планирования эксперимента, основанную на матричном методе Тагучи, Для выбора подходящей матрицы экспериментов надо определить какое количество параметров можно варьировать в установке плазмохимического травления. Так же надо определить рабочие условия (состояния) и их количество для каждого параметра. Таких параметров 4: 1) Положение подложкодержателя. 1. 20 см от нижней границы разрядной камеры. 2. 25 см от нижней границы разрядной камеры. 3. 30 см от нижней границы разрядной камеры. 2) Напряжение смещения (Bias) 1. -50 В 2. -100 В 3. -150 В 3) Расход кислорода в газовой смеси при постоянном давлении 1. 0,032 л/ч 2. 0,0676 л/ч 3. 0,107 л/ч 4) Мощность источника 1. 550 Вт 2. 650 Вт 3. 750 Вт 41 Исходя из количества параметров, с помощью селектора матриц, выбирается матрица экспериментов - это матрица L9 (Таблица 1.5. Матрица экспериментов L9.). Таблица 1.5. Матрица экспериментов L9.[17] Эксперимент № Параметр 1 Параметр 2 Параметр 3 Параметр 4 1 1 1 1 1 2 1 2 2 2 3 1 3 3 3 4 2 1 2 3 5 2 2 3 1 6 2 3 1 2 7 3 1 3 2 8 3 2 1 3 9 3 3 2 1 Эта система позволяет проверить все 4 переменных, не проводя 81 опыта. В результате получается готовый план экспериментов, представленный в Таблица 1.6. Таблица 1.6. Матрица экспериментов № Мощность генератора, Вт Напряжение смещения, В Расход кислорода, л/ч Положение стола, см 1 550 -50 0,032 20 2 550 -100 0,0676 25 3 550 -150 0,107 30 4 650 -50 0,0676 30 5 650 -100 0,107 20 42 6 650 -150 0,032 25 7 750 -50 0,107 25 8 750 -100 0,032 30 9 750 -150 0,0676 20 Давление при проведении процесса является постоянным P=0,7 Па. Необходимо рассчитать расходы газов. Для это высчитывается расход SF 6 при 6,5 В заданных на РРГ. Верхний предел регулирования расхода газа Q впN2 осуществляется по азоту (N 2 ).Подбор параметров для других газов по верхнему пределу регулирования Q впгаз осуществляется по формуле: Q впN2 = Q впгаз / К газ, (9) где К газ это стандартный коэффициент. К газSF6 =0,26 , для К газО2 =1 Таким образом было посчитано, что при 6,5 В, расход SF 6 равен 0,6084 л/ч. Далее необходимо было рассчитать расход кислорода для получения 5%, 10% и 15% содержания кислорода в газовой смеси. В Таблица 1.7. Таблица данных расходов газа приведены данные задаваемые на РРГ. Таблица 1.7. Таблица данных расходов газа Процент, % Расход, л/ч Напряжение на РРГ, В 5 0,032 0,356 10 0,0676 0,751 15 0,107 1,189 43 Выводы из теоретической части На основе проанализированных источников было решено проводить серию экспериментов на установке плазмохимического травления c источником индукционно связанной плазмы. В качестве рабочих газов использовались SF 6 , O 2 и Ar. Был выбрана методика планирования экспериментов для выявления, какой из факторов (положение подложкодержателя, мощность источника, процент содержания кислорода и напряжение смещения) сильнее всего влияет на скорость травления монокристаллического кварца. Согласно выбранному методу был разработан план экспериментов, базой послужила матрица L9 из 4 параметров, в каждом из которых имеется 3 уровня. Таким образом, имеется возможность после проведения серии экспериментов проранжировать факторы по степени их влияния на скорость травления монокристаллического кварца. 44 2. Методическая часть 2.1 Установка плазмохимического травления на основе источника ВЧ индуктивно связанной плазмы В работе использовалась установка плазмохимического травления, с источником индуктивно связанной плазмы. Установка, в которой проводился процесс травления монокристаллического кварца, располагается на кафедре «Физической химии и технологии микросистемной техники» Санкт- Петербургского Политехнического университета «Петра Великого» в лаборатории полупроводниковых материалов. Данная установка является многоцелевой. Имеется возможность проводить травления кварца, кремния, карбида кремния для основ производства интегральных схем и других устройств микроэлектронной техники. Так же на установке имеется возможность очистки поверхности сложных, по рельефу, структур, например алмазных резцов. Общий вид установки, показан на фото (Рисунок 2.1). Условно установку можно разделить на две стойки. На первой стойке (Рисунок обозначен буквой «А») смонтированы генераторы ВЧ сигнала, блок управления подачей газа и измерения давления. На второй стойке (Рисунок обозначен буквой «Б») смонтированы реакторный блок установки, вакуумная арматура, турбомолекулярный насос, газовые магистрали, два согласующих устройства.[18] 45 Рисунок 2.1. Общий вид установки плазмохимического травления. Схема реакторного блока установки показана на рисунке 2.2. Реактор имеет цилиндрическую форму. К верхней части реактора пристыкован плазмогенератор (на Рисунок 2.2 обозначен буквой «А»). Загрузка подложек производилась с помощью двух боковых фланцев (на Рисунок 2.2 один из них обозначен буквой «Б»). Обрабатываемые полупроводниковые подложки (Ø76 мм, возможно также расширение до Ø100 мм) размещаются на установленном в реакторе водоохлаждаемом пьедестале (подложкодержателе) (на Рисунок обозначен буквой «В»), который имеет возможность перемещения вдоль оси реактора. Фланец для подключения вакуумной системы располагался на задней части реакторного блока установки (на Рисунок 2.2 обозначен буквой «Г»). 46 Область генерации плазмы ограничена стенкой, выполненной из алюмооксидной керамики. Инициация и поддержание разряда обеспечивается за счет протекания ВЧ тока по цилиндрическому индуктору, имеющему четыре витка, который размещается вне разрядной области. Для снижения мощности, передаваемой в разряд за счет нежелательной емкостной связи между индуктором и плазмой, используется многощелевой электростатический экран Фарадея, расположенный между стенкой разрядной камеры и индуктором. Частота ВЧ мощности, подводимой к плазмогенератору, составляет 13,56 МГц. При этом формирование постоянного напряжения смещения на подложке, необходимого для ускорения ионов в направлении подложки (т.е. для обеспечения направленности травления), осуществляется за счет подачи на пьедестал ВЧ мощности на частоте 13,56 МГц. Согласование реактивных плазменных нагрузок с ВЧ генераторами производится резонансными согласующими устройствами. [18] Все процессы в установке проводились при пониженном давлении. Рисунок 2.2. Схематичное изображение реактора установки. А – плазмогенератор, Б – боковой фланец реактора, В – подложкодержатель, Г – отверстие для присоеденения системы откачки. 47 Система откачки состоит из насосов трех видов: турбомолекулярного (скорость откачки 300 л/с), двухроторного насосов (бустерный насос, скорость откачки 70л/с) и пластинчато-роторного (форвакуумный насос, скорость откачки 4,7 л/с). Откачка проводится в 3 этапа, поскольку невозможно достичь необходимого низкого давления с помощью одноступенчатой системы откачки включающей в себя только форвакуумный насос. [18,19] 1) На первом этапе форвакуумным насосом, подключенного напрямую к камере реактора, давление с атмосферного доводилось до предельно возможного для данного типа насоса, то есть до ≈ 10 Па. 2) Далее включается бустерный насос (двухроторный насос), имеющий большую мощность, нежели форвакуумный насос. Он подключен между форвакуумным насосом и реакторной камерой. Включение бустерного насоса приводит к дальнейшему понижению давления в камере до 1 Па. 3) На третьем этапе с помощью турбомолекулярного насоса, с одной стороны подключенного к камере реактора, а с другого входа к системе из бустерного и форвакуумномного насосов, давление доводится до ≈ 0,0001 Па. Подача рабочих газов в реактор установки осуществлялась с помощью газораспределительной системы. Для этого в установке имеется три линии подачи газа, подключенные к баллонам с Ar, SF 6 и О 2 . Расходы газов регулировались с помощью регуляторов расхода газов РРГ-10, компании Элточприбор, с погрешностью измерения +/-0,25%. Давление в камере измерялось вакуумметром (Баратрон фирмы MKS Instruments, с точностью измерения ±0,001%), показания которого не зависят от состава газовой среды.[19] 48 Давление в камере регулировалось с помощью заслонки, расположенной между реакторной камерой установки и турбомолекулярным насосом. |