дисс.МАГИСТРА. Оптимизация процесса плазмохимического травления монокристаллического кварца
 Скачать 1.74 Mb.
|
|
2.2 Методика проведения эксперимента. Эксперименты проводились на установке плазмохимического травления, с источником индуктивно связанной плазмы. Условия экспериментов были выбраны согласно плану экспериментов, который был получен по методу Тагучи, а так же исходя из опыта работа на данной установке и проанализированной литературы. В результате был разработан план экспериментов, представленный в таблице 2.1. Таблица 2.1. 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 6 650 -150 0,032 25 7 750 -50 0,107 25 8 750 -100 0,032 30 9 750 -150 0,0676 20 В качестве образцов использовались пластины из монокристаллического кварца (z-срез), толщиной 370 мкм, с металлической маской, выполненной из Cr-Ni пленки толщиной 7 мкм, в которой были созданы окна размером 3 10 мм. Каждый эксперимент проводился по три раза с разными подложками. Процесс длился 30 минут в каждом опыте.[19] Давление в системе оставалось фиксированным на протяжении всего процесса и ровнялось 0,7 Па. 50 После процесса откачки производилась очистка поверхности подложки и реактора с помощью аргоновой плазме на протяжении 10 минут (расход аргона – 1,305 л/ч, давление в реакторе – 0,7 Па, мощность источника – 750 Вт, напряжение смещения – -25 В).[19] Измерение скорости травления кварца производилось, исходя из глубины области травления, которая оценивалась по изображениям, полученным с помощью растрового электронного микроскопа Supra 55VP, фирмы Carl Zeiss с точностью ±4 нм. 2.3 Контрольный эксперимент После проведения серии экспериментов согласно составленному плану и обработки полученных данных по методу Тагучи, необходимо провести контрольные эксперименты, для тестирования оптимальных параметров полученных по методу Тагучи: 1. Сквозное травление пластины монокристаллического кварца. 2. Травление окна на глубину 30 мкм. 51 3. Практическая часть 3 .1 Результаты экспериментов После проведения серии экспериментов, описанных в методической части, согласно разработанному плану, образцы были изучены на растровом электронном микроскопе Supra 55VP. Поскольку нужно было определить глубину травления, все образцы наблюдались при наклоненном столе с образцом, под углом 45 °. Соответственно для расчета глубины травления значения, указанные на рисунках, делились на cos 45 °= 2/2. Ниже приведены несколько примеров получаемых фотографий с описаниями. На рисунке 3.1 приведена микрофотография первого образца во втором эксперименте. Из этой фотографии можно сделать вывод, что глубина стравленного слоя равна 6,96 мкм за 30 минут процесса, это означает что скорость травления (V тр ) составила 232 нм/мин. Так же на фотографии можно наблюдать Ni-Cr маску (светлая полоса в левой части фотографии). Нужно отметить хорошую морфологию поверхности получаемого кварца, а так же гладкие и вертикальные стенки вытравленной области. На рисунке 3.2 приведена микрофотография первого образца девятого эксперимента. При исследовании данного образца металлическая маска была удалена. Видно, что глубина травления увеличилась и скорость составила 363,9 нм/мин. Возрастание скорости травления вызвано увеличенной мощностью генератора, а так же с большим напряжением смещения подаваемым на подложкодержатель. Так же стоит отметить «воронки», которые образуются на поверхности материала – это места концентрации заряда, которые приводят к усиленной «бомбардировке» данного участка, что в свою очередь приводит к большему вытравливанию данного участка. Большое количество таких зарядов приводит к сильному ухудшению равномерности поверхности и значительному увеличению шероховатости, как, например, в опыте номер 8 (Рисунок 3.3). 52 Рисунок 3.1 .Микрофотография кромок окон, протравленных в монокристаллическом кварце, во втором эксперименте. Опыт №4 53 Рисунок 3.2. Микрофотография кромок окон, протравленных в монокристаллическом кварце, в девятом эксперименте. Опыт №25 Рисунок 3.3. Микрофотография вытравленной поверхности, монокристаллического кварца, в третьем эксперименте. Опыт №8 После проведения серии опытов и регистрации данных на электронном микроскопе, данные были обработаны и сведены в таблице 3.1. 54 Таблица 3.1. Результаты экспериментов № эксперимента № опыта Мощность, Вт Смещение, В Расход кислорода, л/ч Положение стола,см H тр, мкм V тр, нм/мин H тр ср, мкм V ср, нм/мин I 1 550 -50 0,032 20 2,85 95,0 3,42 113,9 2 550 -50 0,032 20 3,91 130,2 3 550 -50 0,032 20 3,49 116,4 II 4 550 -100 0,0676 25 6,96 232,0 7,10 236,7 5 550 -100 0,0676 25 7,25 241,7 6 550 -100 0,0676 25 7,09 236,5 III 7 550 -150 0,107 30 10,78 359,5 11,01 367,0 8 550 -150 0,107 30 10,52 350,5 9 550 -150 0,107 30 11,73 391,0 IV 10 650 -50 0,0676 30 7,41 247,0 7,05 235,1 11 650 -50 0,0676 30 6,87 229,0 12 650 -50 0,0676 30 6,88 229,4 V 13 650 -100 0,107 20 7,62 254,0 8,05 268,4 14 650 -100 0,107 20 7,99 266,2 15 650 -100 0,107 20 8,55 284,9 55 № эксперимента № опыта Мощность, Вт Смещение, В Расход кислорода, л/ч Положение стола,см H тр, мкм V тр, нм/мин H тр ср, мкм V ср, нм/мин VI 16 650 -150 0,032 25 11,49 382,9 12,10 403,3 17 650 -150 0,032 25 12,27 409,0 18 650 -150 0,032 25 12,54 418,1 VII 19 750 -50 0,107 25 4,85 161,7 5,17 172,3 20 750 -50 0,107 25 5,25 175,1 21 750 -50 0,107 25 5,40 180,1 VIII 22 750 -100 0,032 30 12,06 402,0 12,23 407,7 23 750 -100 0,032 30 11,93 397,6 24 750 -100 0,032 30 12,70 423,4 XI 25 750 -150 0,0676 20 10,92 363,9 10,97 365,6 26 750 -150 0,0676 20 10,62 354,1 27 750 -150 0,0676 20 11,36 378,8 56 Далее с помощью программного пакета Minitab 17 данные были обработаны с помощью матричного метода Тагучи для определения степени влияния каждого из 4 параметров (Мощность генератора, напряжение смещения, расход кислорода и положение подложкодержателя относительно нижней границы камеры) на скорость травления монокристаллического кварца. После обработки данных выводится гистограмма (Рисунок 3.4), показывающая степень влияние параметров на скорость травления. Рисунок 3.4. Гистограмма влияния параметров на скорость травления кварца. 3.2 Влияние напряжения смещения Как видно из полученной гистограммы самое сильное влияние на скорость травления оказывает напряжение смещения. Все эксперименты с малыми значениями напряжения смещения (-50 В) дали маленькие скорости травления материала – в экспериментах I, IV и VII скорости травления составили 114, 235 и 172 нм/с. Очевидно, что в случае больших значений напряжения смещения, повышение скорости травления связано с увеличением вклада физической составляющей процесса травления. Физическая составляющая заключается в ионном распылении подложки, за счет роста энергии ионов и улучшения направленности их движения в направлении подложки Отметим, что в экспериментах IV и VII скорости 0 50 100 150 200 250 Мощность Смещение Расход O2 Положение стола 57 были выше вследствие более высокого положения подложкодержателя относительно нижней части реактора. 3.3 Влияние положения подложкодержателя Второй фактор по степени влияния на скорость травления это положение подложкодержателя относительно нижней части реактора. Чем ближе к области генерации плазмы – тем быстрее происходит процесс травления. Это связанно с химически-активными частицами, которые генерируются в плазме, так как время жизни радикалов мало, соответственно чем ближе к области генерации плазмы тем больше таких частиц попадает на поверхность подложки. К примеру, в экспериментах I и IV скорости составили 114 и 235 нм/мин, однако напряжение смещения в этих случаях было минимально и равнялось -50В. Это связанно с более высоким положением подложкодержателя и большей мощностью в IV эксперименте. 3.4 Влияние мощности генератора Третьим фактором по степени влияния на скорость травления является мощность ВЧ генератора, и по оказываемому воздействию примерно равно положению подложкодержателя. Объяснить эти зависимости позволяет выражение для скорости генерации химически активных частиц G ХАЧ : , (10) где n г и n э – концентрация молекул газа и электронов соответственно, k – постоянная Больцмана, T э , m э , l э , Е э – температура, масса, средняя длина свободного пробега и энергия электронов, Е дис – энергия диссоциации молекул газа, с г – константа, зависящая от рода газа. Поскольку с повышением ВЧ – мощности разряда растут T э и n э скорость травления также увеличивается. 58 При сравнении экспериментов IX и III (Рисунок 3.5) видно, что мощность отличается на 200 Вт, при этом скорости почти равны и составляют 366 и 367 нм/мин. Это связано с более высоким положением подложкодержателя и большим расходом кислорода. А Б Рисунок 3.5.Сравнение микрофотографий стенок получаемых окон. Эксперименты III и IX. А – IX, Б – III. 59 3.5 Влияние расхода кислорода. Самое слабое влияние, в заданных пределах, на скорость травления оказывает увеличение расхода кислорода. Однако согласно проанализированной литературе добавление кислорода увеличивает скорость травления, а так же улучшает качество получаемой поверхности. [20] Это заметно в сравнении экспериментов VI и VII (Рисунок 3.6 Рисунок ), где расходы были 0,032 и 0,107 л/ч соответственно. А Б Рисунок 3.6. Сравнение микрофотографий стенок получаемых окон. Эксперименты VI и VII. А – VI, Б – VII. 60 3.6 Сквозное травление монокристаллического кварца Сквозное травление кварца является важнейшей операцией в производстве различных устройств микроэлектронной промышленности. Исходя из проведенного исследования процесса плазмохимического травления монокристаллического кварца, был сделан вывод, что оптимальным является режим: 1. Напряжение смещение: -150 В 2. Расстояние от подложкодержателя до нижней границы разрядной камеры: 30 см 3. Мощность генератора: 750 Вт 4. Расход кислорода: 0,107 л/ч Был проведен контрольный эксперимент. Целью эксперимента было сквозное травление монокристаллического кварца толщиной 370 мкм (Рисунок 3.7). Поскольку напряжение смещения является самым влиятельным, было решено увеличить напряжение до -180 В. Стоит учитывать, что в процессе сквозного травления по мере углубления окна скорость травления падает. Это происходит из-за того, что усложняется доставка реагентов до обрабатываемой поверхности, а так же осложняется процесс отвода продуктов реакции из реакционной области. Как уже отмечалось выше, толщина подложки монокристаллического кварца составляла 370 мкм. Время процесса составило 16 часов, что означает, что скорость травления составляла 375 нм/мин 61 Рисунок 3.7. Микрофотография кромки окна после процесса сквозного травления. 3.7 Травление на глубину 30 мкм В производстве кварцевых резонаторов широко применяются кварцевые пластины с окнами глубиной 30 мкм. Как было указано в 3.6, оптимальными параметрами являются: 1. Напряжение смещение: -180 В 2. Расстояние от подложкодержателя до нижней границы разрядной камеры: 30 см 3. Мощность генератора: 750 Вт 4. Расход кислорода: 0,107 л/ч Был проведен процесс травления монокристаллического кварца на глубину 30 мкм с указанными параметрами (Рисунок 3.8). Время процесса составило 60 минут, за это время глубина вытравленного окна составила 29,75 мкм, что означает, что скорость травления составила 495 нм/мин. На рисунке 3.8 приведены микрофотографии кромок вытравленного окна. 62 Рисунок 3.8. Микрофотографии окна в контрольном эксперименте по вытравливанию окна глубиной 30 мкм. 63 4. Охрана труда 4.1 Введение Проблема охраны труда и окружающей среды является очень важной на всех предприятиях электронной промышленности. При разработке новых технологий и запуске нового оборудования в первую очередь должны решаться задачи обеспечения безопасности работы персонала и охраны окружающей среды от вредных выбросов. С этой целью на стадии проектирования должны быть выявлены все факторы, которые могут нанести вред здоровью людей или окружающей среде, и проведена работа по исключению или предупреждению случаев производственного травматизма, профессиональных заболеваний и т.п. Вместе с тем, разработка мероприятий по созданию безопасных условий труда работников электронной промышленности невозможна без знаний причин процессов возникновения основных вредных и опасных факторов производства микроэлектронной продукции. Современный инженер электронной техники наряду с высокой профессиональной подготовкой должен владеть знаниями в области безопасности производственных процессов, поскольку первое условие научно-организованного труда состоит в обеспечении безопасности людей. В этой главе будет проведен анализ всех вредных и опасных факторов на оригинальной установке плазмохимического травления (ОПХТ) монокристаллического кварца с целью обеспечения производственно- экологической безопасности. 64 4.2 Анализ потенциальных опасностей и вредностей около устанновки плазмохимического травления кварца В производственном помещении размером 15 м 2 осуществляется технологический процесс плазмохимического травления SiO 2 В помещении находится оригинальная установка плазмохимического травления. При работе на данной установке могут возникнуть различные виды опасностей. Для их анализа составим перечень факторов обитаемости. Физические факторы: Электроопасность. (Установка ОПХТ с напряжением питания 380 В, мощностью 1000 Вт) Нерациональное освещение. (Искусственное освещение) Шумы и вибрация. (Механический насос) Пожаровзрывоопасность ( короткое замыкание в сети, в оборудовании, легковоспламеняющиеся жидкости, небрежное обращение с нагревательными приборами, кислородные баллоны) Электромагнитное излучение (Вч-генератор промышленной частоты 13,56 МГц) Химические факторы: Наличие вредных веществ в рабочей зоне. (SF 6 , CF 4 ) Психофизиологические факторы: Нервно-психические перегрузки. Монотонность труда, Статические физические перегрузки (неудобное положение тела, статичность позы ), Повышенная напряженность (значительная длительность сосредоточенного внимания). 65 4.3 Физические факторы 4.3.1 Электроопасность Участок ПХТ относится к помещению без повышенной электроопасности (характеризуется отсутствием признаков повышенной и особой опасности) Проходя через человеческий организм, электрический ток производит термическое, электрическое и биологическое действие. Все это приводит к двум видам поражения: электрическим травмам и электрическим ударам. Наиболее опасны электрические удары. Они приводят к поражению внутренних органов - сердца, легких, нервной системы. Электрические травмы характеризуются наружным поражением органов и являются обычно термическими ожогами кожи. Электробезопасность в соответствии с ГОСТ Р 12.1.019-2009 обеспечивается конструкцией электроустановок; техническими способами и средствами защиты; организационными и техническими мероприятиями. Конструкция электроустановок должна соответствовать условиям их эксплуатации и обеспечивать защиту персонала от соприкосновения с токоведущими и движущимися частями. Ограждение токоведущих частей являются обязательной частью конструкции электрооборудования. Для обеспечения электробезопасности применяют отдельно или в комплексе следующие технические способы и средства: защитное заземление, зануление, защитное отключение, выравнивание потенциалов, малое напряжение, изоляция токоведущих частей; оградительные устройства; блокировка, предупредительная сигнализация, знаки безопасности. В используемой установке электропитание производится от сети переменного трехфазного тока с нулевым проводом напряжением 380 В, частотой 50 Гц, максимальная электрическая мощность, потребляемая установкой не более 8 кВт. Величина тока, протекающего через тело человека, является главным фактором, от которого зависит исход поражения. 66 Чем больше ток, его величина, тем опаснее его действие. Человек начинает испытывать действие тока при его величине 0,6 – 1,5 мА. Этот ток называется пороговым ощутимым. Ток 10 – 15 мА вызывает сильные боли и судороги мышц. Этот ток пороговый не отпускающий. Он является опасным для жизни, т. е. человеку, находящемуся под его воздействием, трудно или невозможно самому освободиться от электродов (ГОСТ 12.1.038-82 CCБТ (Система Стандартов Безопасности Труда)). При величине тока равной 25 – 30 мА действие его распространяется на мышцы грудной клетки. При силе тока 100 мА наступает смерть. Источниками электроопасности на участке являются ВЧ-генератор, блоки управления системой загрузки/выгрузки, линии управления питанием, блоки ЭВМ, согласующие устройства ВЧ-системы, цепи питания напряжения. Защита обслуживающего персонала от поражения электрическим током обеспечивается ограждением всех доступных для прикосновения токоведущих частей кожухами и обшивками, расположением токоведущих частей на недоступном расстоянии, защитными заграждениями, предупредительными надписями. Для защитного заземления установки имеются болты заземления (R заз . = 10 Ом), возле которых нанесен знак. При подаче электрического напряжения на панели управления установки загораются соответствующие сигнальные лампочки. К работе на электроустановке допускаются лица не моложе 18 лет, прошедшие медицинский осмотр, обучение и аттестацию, имеющие соответствующую квалификацию (не ниже техника первой категории), имеющие III квалификационную группу по электробезопасности. |