БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
кафедра ЭТТ
РЕФЕРАТ на тему:
«
Классификация физико-химических методов обработки и очистки.
Плазменные методы удаления материала с поверхности твердого тела»
МИНСК, 2008
В соответствии с применяемыми средствами очистку делят на жидкостную и сухую.
Жидкостная очистка выполняется органическими - растворителями; разнообразными составами, содержащими щелочи, кислоты, пероксид, и другие реактивы, водой.
Подобрать жидкое средство, одновременно удаляющее все возможные поверхностные загрязнения, весьма сложно, поэтому жидкостная очистка включает ряд последовательных операций.
Нерастворимые в воде органические жировые загрязнения делают поверхность гидрофобной, т. е. плохо смачиваемой водой и большинством растворов. Для равномерной очистки поверхность подложек (пластин) необходимо перевести в гидрофильное, т. е. хорошо смачиваемое водой, состояние. Операция удаления жировых за-
Рисунок 1 Классификация методов очистки и травления пластин и подложек
грязнений, сопровождаемая переводом поверхности из гидрофобного состояния в гидрофильное, называется обезжириванием. Обезжиривание — первая операция при жидкостной очистке.
Сухая очистка применяется на этапе формирования элементов и межэлементных соединений микросхем и, как правило, выполняется непосредственно перед проведением ответственных технологических процессов (напыление пленок, литография) или совмещена, т. е. проводится в одном оборудовании, с последующей обработкой (например, с получением термического оксида, с эпитаксиальным наращиванием полупроводниковых слоев).
Методы сухой очистки исключают необходимость применения дорогостоящих и опасных в работе жидких реактивов, а также проблемы межоперационного хранения пластин и подложек и очистки сточных вод, которые являются немаловажными при использовании жидких средств очистки.
Кроме того, процессы сухой очистки более управляемы и легче поддаются автоматизации.
С точки зрения механизма процессов все методы очистки можно условно разделить на физические и химические (см. рисунок 1). При физических методах загрязнения удаляются простым растворением, отжигом, обработкой поверхности ускоренными до больших энергий ионами инертных газов.
В тех случаях, когда загрязнения нельзя удалить физическими методами, применяют химические методы, при которых загрязнения удаляют: их замещением легко удаляемыми веществами, переводом в легко растворимые комплексные соединения или травлением пластин (подложек).
Травление сопровождается удалением поверхностного слоя вместе с имеющимися на поверхности загрязнениями.
На рисунке 1 мы выделили травление, чтобы подчеркнуть, что в технологии микросхем (как будет ясно далее) травление не всегда имеет целью очистку.
Оно применяется для размерной обработки, удаления слоя с нарушенной механическими обработками • структурой, локального удаления слоев различных материалов при формировании топологии микросхем, выявления поверхностных дефектов полупроводников и др.
Плазменные методы удаления материала с поверхности твердого тела. Сущность и классификация методов обработки поверхности
Плазмохимическое травление, как и ионное, проводят в вакуумных установках и также используют плазму газового разряда. Плазмохимическое травление (в отличие от чисто физического распыления при ионном травлении) имеет химическую природу. Оно основано на использовании обладающих большой реакционной способностью химически активных частиц, получаемых в плазме газового разряда.
Процесс плазмохимического травления можно разделить на ряд этапов: доставка плазмообразующего газа, пара или смеси в камеру вакуумной установки; образование химически активных частиц в газовом разряде; доставка их к обрабатываемой поверхности; химические реакции с образованием легко летучих соединений; десорбция и удаление образующихся летучих соединений через откачную - систему вакуумной установки.
Плазмообразующие газы выбирают исходя из свойств обрабатываемого материала. Для травления кремния и некоторых металлов применяют галогеносодержащие молекулярные газы, так как именно в их плазме образуются необходимые химически активные частицы, переводящие поверхностные слои в летучие соединения.
Для разбавления и обеспечения требуемых параметров травления в плазму дополнительно вводят аргон, кислород, азот. Наиболее часто для травления кремния и его соединений применяют смесь фреона-14 CF4 с (2 ... 8)% кислорода. Присутствие кислорода повышает скорость травления и качество очистки. Фреон-14 относительно инертен, при любых температурах он не взаимодействует с кремнием.
В плазме химически активные частицы образуются в результате взаимодействия молекул газа с ускоренными электронами, которые в отличие от тяжелых частиц обладают существенно большими энергиями. В плазме фреона-14 с кислородом образование химически активных частиц — возбужденного атома фтора F*, положительно заряженного радикала CF3
+
, атомарного кислорода О — сопровождается реакциями
 (1)
Травление кремния и его соединений сопровождается реакциями:
 (2)
Тетрафторид кремния SiF4 — летучее соединение, легко удаляемое из рабочей камеры установки откачкой. На поверхности кремниевых пластин возможно образование углерода:
Si + CF3
+
=> C + 3F* + Si + e. (3)
Присутствие в плазме кислорода способствует очистке поверхности от углерода за счет его оксидирования до СО или СО2
. Кислород также способствует повышению концентрации возбужденных атомов фтора в результате образования радикалов COF* и их диссоциации:
COF* => F* + CO . (4)
Это увеличивает скорость травления кремния. Атомарный кислород также очищает поверхность от органических загрязнений.
При плазмохимическом травлении физическое распыление практически отсутствует, так как энергия ионов не превышает 100 эВ. В зависимости от конструкции установок различают плазменное и радикальное плазмохимическое травление.
Плазменное травление осуществляют непосредственно в плазме газового травления, т.е. с участием всех химически активных частиц, как с большим (F* — 0,1 ... 1 с), так и с малым, временем жизни ('CF+з — около 10 мкс). В камерах диодного типа (Рисунок 2) пластины кремния помещают на нижнем медленно вращающемся электроде (0,1 об/с). Пластины электрически, изолированы от электрода, чтобы исключить ионную бомбардировку.
Радикальное плазм о химическое травление проводят в области вакуумной камеры отделенной от плазмы газового разряда перфорированным металлическим экраном (Рисунок 3) или магнитными электрическими полями. ВЧ-плазма возбуждается между цилиндрическими поверхностями рабочей камеры и экрана.
Травление осуществляется только нейтральными химически активными атомами О или радикалами F* с большим временем жизни, проникающими из плазмы в зону расположения пластин. Заряженные частицы плазмы не могут попасть к поверхности пластин через отверстия цилиндрического экрана.
В зоне, свободной от заряженных частиц, возбужденные атомы фтора и атомарный кислород, многократно соударяясь с молекулами рабочего газа, движутся разупорядоченно, что обеспечивает высокую однородность травления от пластины к пластине и по площади каждой пластины.
Так как возбужденные атомы и свободные радикалы отличаются высокой реакционной способностью, то эффективность травления существенно повышается.
По сравнению с ионным травлением при одинаковых параметрах разряда скорость возрастаег более чем на порядок. Благодаря электрической активации газов илазмохимическое травление проводится при существенно меньших температурах 100... 300 °С по сравнению с обычным газовым травлением. Плазмохимическое травление из-за химического механизма обладает высокой избирательностью относительно раз-
Рисунок 2. Схема вакуумной камеры диодного типа для плазмохимического травления непосредственно в плазме:
1 — подача рабочего газа; 2— вакуумная камера; 3 — электрод Рисунок 10.2.1. Схема вакуумной камеры диодного типа для плазмохимического травления непосредственно в плазме:
Рисунок 3. Схема вакуумной камеры для радикального плазмохимического травления:
1 — кварцевая камера; 2— перфорированный цилиндр; 3 — кассета с пластинами (подложками); 4 — ВЧ-индуктор; 5—подача рабочего газа; 6 — откачной патрубок
личных материалов (например, F+ травит кремний значительно быстрее, чем диоксид кремния).
Благодаря невысокой энергии частиц, поступающих на обрабатываемую поверхность, радиационные дефекты незначительны.
Химический механизм травления обусловливает наличие бою вой скорости травления, что является недостатком при локальной обработке. К недостаткам плазмохимического травления можно также отнести: ограниченное количество соединений для получения в плазме химически активных частиц, обеспечивающих образование летучих веществ; сложность химических реакций, протекающих в плазме и на обрабатываемой поверхности; большое число взаимосвязанных технологических и конструктивных параметров. Последние трудности преодолеваются по мере изучения и освоения процессов.
Реактивное ионное травление. Реактивное ионное (называемое также ионно-химическим) травление по механизму процесса является комбинированным методом.
Удаление обрабатываемого материала происходит в результате его распыления ускоренными ионами и образования легколетучих соединений при взаимодействии с химически активными частицами плазмы. От плазмохимического травления оно отличается тем, что энергия ионов больше и достаточна для распыления, а от ионного травления — тем, что используется не инертная, а содержащая химически активные частицы плазма.
При этом физическое распыление интенсифицирует химические реакции, а химические реакции, ослабляя межатомные связи на обрабатываемой поверхности, увеличивают скорости распыления.
По аналогии с ионным и плазмохимическим травлением реактивное ионное травление может выполняться при расположении обрабатываемых пластин (подложек) в плазме газового разряда (реактивное ионно-плазменное травление) или в вакууме и подвергаться воздействию пучка ионов, полученных в автономно расположенном источнике (реактивное ионно-лучевое травление).
Для реактивного ионно-плазменного и ионно-лучевого травления применяют те же рабочие газы, что и для плазмохимического травления.
Оборудование для реактивного ионно-плазменного травления аналогично установкам ионно-плазменного травления.
Пластины располагают на электроде, не изолированном от нижнего электрода. Реактивное ионно-лучевое травление выполняют в вакуумных установках, аналогичных установкам для ионно-лучевого травления.
Благодаря химическим реакциям реактивное ионное травление (и плазменное, и лучевое) обладает по сравнению с ионно-лучевым травлением большими скоростями (в 3 ... 15 раз) и избирательностью травления (в 2... 10 раз), а по сравнению с плазмохимическим травлением меньшими скоростью травления (в 2... 3 раза) и боковой составляющей скорости при локальном травлении. Для уменьшения радиационных дефектов обрабатываемых образцов процессы травления проводят в режимах, обеспечивающих превышение скорости удаления слоев за счет химических реакций над скоростями распространения дефектов, образующихся вследствие ионной бомбардировки.
Очистка поверхности газовым травлением
Сущность процесса заключается в химическом взаимодействии обрабатываемого материала с газообраз-ным веществом и образовании при этом легко удаляемых летучих соединений. Загрязнения при газовом травлении удаляются вместе с поверхностным слоем пластин или подложек.
В качестве газов-реагентов для травления кремниевых пластин можно применять галогены, галогеноводороды, соединения серы, пары воды. Небольшие количества этих газов добавляют к газу-носителю (водороду или гелию) и транспортируют в камеру установки.
Травление кремния хлористым водородом широко используется перед выращиванием на пластинах кремниевых слоев
Si (тв.) + 4НС1 (газ) = SiCl4
(газ) + 2Н2
(газ). (5)
Пары хлористого водорода доставляются водородом в реакционную камеру установки эпитаксиального наращивания, где расположены кремниевые пластины, нагретые до температуры 1150... ... 1250 °С.
Газовое травление сапфира водородом, в отличие от жидкостного, позволяет получать поверхность подложек, свободную от механически нарушенного слоя и от микропримесей, что очень важно для последующего выращивания на них слоев кремния. Травление сапфира сопровождается химической реакцией
А12
О3
(тв.) + 2Н2
(газ) == А12
О (газ) + Н2
О (газ). (6)
В интервале температур 1200... 1600 °С травление сапфира водородом полирующее.
Газовое травление по сравнению с жидкостным позволяет получать более чистые поверхности. Во многих случаях газовое травление имеет ограниченное применение из-за высоких температур обработки и необходимости использования особо чистых газов. Однако в тех случаях, когда газовое травление совместимо с последующим процессом (например, с выращиванием на кремниевых пластинах кремниевых слоев), его применение целесообразно.
ЛИТЕРАТУРА
1. Черняев В.Н. Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров. Учебник для ВУЗов - М; Радио и связь, 2007 - 464 с: ил.
2. Технология СБИС. В 2 кн. Пер. с англ./Под ред. С.Зи,- М.: Мир, 2006.-786 с.
3. Готра З.Ю. Технология микроэлектронных устройств. Справочник. - М.: Радио и связь, 2001.-528 с.
4. Достанко А.П., н.: Выш.шк., 2000.-238 с.
5. Таруи Я. Основы технологииБаранов В.В., Шаталов В.В. Пленочные токопроводящие системы СБИС.-М СБИС Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 2000-480 с.
|
