Автореферат (Разработка технологии скоростного глубокого плазмохимического травления монокристаллического кварца, карбида кремния и ниобата лития при малой мощности)

На правах рукописиОсипов Артём АрменаковичРАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СКОРОСТНОГО ГЛУБОКОГОПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО ТРАВЛЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГОКВАРЦА, КАРБИДА КРЕМНИЯ И НИОБАТА ЛИТИЯ ПРИ МАЛОЙМОЩНОСТИСпециальность 05.27.06 – Технология и оборудование для производстваполупроводников, материалов и приборов электронной техникиАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукСанкт-Петербург – 2019Работа выполнена на кафедре «Физико-химия и технологии микросистемнойтехники» Федерального государственного автономного образовательногоучреждения высшего образования «Санкт-Петербургский политехническийуниверситет Петра Великого».Научный руководитель: Александров Сергей Евгеньевич, д.х.н., профессор,заведующий кафедрой «Физико-химия и технологии микросистемной техники»института металлургии, машиностроения и транспорта, Федеральногогосударственного автономного образовательногоучреждения высшегообразования «Санкт-Петербургский политехнический университет ПетраВеликого».Официальные оппоненты:Киреев Валерий Юрьевич, д.т.н., с.н.с., профессор кафедры «Проектирования иконструирования интегральных микросхем» Федерального государственногоавтономного образовательного учреждения высшего образования «Национальныйисследовательский университет «Московский институт электронной техники», г.Москва, г.

Зеленоград.Гудовских Александр Сергеевич, д.т.н., в.н.с. лаборатории возобновляемыхисточников энергии Федерального государственного бюджетного учреждениявысшего образования и науки «Санкт-Петербургский национальныйисследовательский Академический университет Российской академии наук»(Академический университет), г. Санкт-Петербург.Ведущая организация:Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-техническийинститут им.

А.Ф. Иоффе Российской академии наук , г. Санкт-Петербург.52 на заседанииЗащита состоится «16» мая 2019 г. в «____17:00 » часов в ауд. _____диссертационного совета Д 212.229.02, созданного на базе ФГАОУ ВО «СанктПетербургский политехнический университет Петра Великого» по адресу:195251, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29.С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГАОУ ВО«Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого»:http://www.spbstu.ru.Автореферат разослан «___» ________2019 г.Ученый секретарьдиссертационного советак.х.н.Семенча Александр ВячеславовичОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность диссертационной работы. Высокопроизводительные ипрецизионные технологии получения поверхностных структур с высокимаспектным отношением играют ключевую роль в производстве различныхприборов электронной техники.

Жидкостные методы травления материалов немогут быть использованы для формировании глубоких областей с вертикальнымистенками в силу низких скоростей и изотропного характера травления. Подобныезадачи могут успешно решаться с помощью плазмохимических методовтравления, основанных на использовании низкотемпературной плазмы и широкоприменяемых в микроэлектронной промышленности.В настоящее время для создания поверхностных структур с высокимаспектным отношением применяется широкой спектр установок с удаленнойплазмой, характерной особенностью которых является разделение в пространствереакционной камеры областей генерации плазмы и размещения обрабатываемыхподложек, что обеспечивает возможность независимой регулировки энергии иплотности потока ионов.

В подавляющем большинстве случаев достижениевысоких скоростей травления в преимущественно импортируемом оборудованииобеспечивается за счет использования для создания газоразрядной плазмымощных (более 1500 Вт) и дорогостоящих высокочастотных (ВЧ) генераторов.Решение задачи импортозамещения, особенно в области созданиятехнологического оборудования для микроэлектроники, диктует необходимостьразработки отечественных установок плазмохимического травления (ПХТ),которые по своим техническим характеристикам были бы конкурентоспособныили даже превосходили зарубежные аналоги. В этой связи актуальной являетсяразработка установок ПХТ с ВЧ источниками пониженной мощности (менее 1000Вт), обеспечивающих реализацию высокопроизводительных технологийтравления широкого спектра материалов электронной техники.В настоящее время плазмохимическое травление успешно применяется дляпрецизионного травления с высокими скоростями кремния, однако для травленияподложек из монокристаллического кварца (SiO2), карбида кремния (SiC) иниобата лития (LiNbO3), которые находят все большее применение вмикроэлектронике и микросистемной технике, эти процессы используютсяограниченно в силу недостаточной изученности их основных физико-химическихзакономерностей.Цель работы состояла в получении новых знаний об основных физикохимических закономерностях процессов плазмохимического травлениямонокристаллического кварца, карбида кремния и ниобата лития на созданнойустановке с индуктивно связанной плазмой (ИСП) и в разработке на этой базеоснов технологий глубокого направленного высокоскоростного травленияподложек из указанных материалов при малых уровнях поглощаемой ВЧмощности (менее 1000 Вт).Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующиезадачи:31.Разработать и создать универсальную плазмохимическую установку длятравления монокристаллического кварца, карбида кремния и ниобата лития систочником высокоплотной (~1012 см-3) индуктивно связанной плазмы (ИСП),обеспечивающую независимую регулировку энергии и плотности потока ионов,поступающих к поверхности обрабатываемого материала, а также возможностьюнагрева и поддержания необходимой температуры подложек в диапазоне от 20 до400 °C.2.Изучить физико-химические закономерности процессов плазмохимическоготравления монокристаллического кварца, карбида кремния и ниобата лития.3.Изучитьособенноститермостимулированныхпроцессовплазмохимического травления для оценки возможности повышения скороститравления (Vтр) и уменьшения шероховатости травящейся поверхности вполучаемых структурах.4.Разработать основы технологии высокоскоростного направленногоглубокого плазмохимического травления подложек из монокристаллическогокварца, карбида кремния и ниобата лития.Научная новизна работы заключается в следующем:1.Получены новые знания о характере влияния основных технологическихпараметров процесса ПХТ на скорость травления монокристаллического кварца,карбида кремния и ниобата лития и дано физико-химическое обоснованиеэкспериментально обнаруженным закономерностям.2.На основании метода научного планирования эксперимента осуществленоранжирование основных технологических параметров по степени значимости ихвлияния на скорость процессов плазмохимического травления SiO2, SiC и LiNbO3.3.На основании результатов численного моделирования разработанаоригинальная конструкция подложкодержателя с возможностью регулирования итермостатирования его поверхности в температурном диапазоне от 20 до 400 °C.4.Получены новые знания о влиянии термостимуляции на процессыплазмохимического травления SiO2, LiNbO3, SiC и определены технологическиеусловия, обеспечивающие высокоскоростное травление при малых уровняхпоглощаемой ВЧ мощности (менее 1000 Вт).5.На основе результатов экспериментального исследования разработанымодельные представления об особенностях образования дефектов на поверхностикарбида кремния и ниобата лития, позволившие предложить методы ихустранения.Практическая значимость работы заключается в том, что:1.

Разработан и создан прототип промышленной универсальной установкиплазмохимического травления различных материалов электронной техники систочником высокоплотной (~1012 см-3) индуктивно-связанной плазмы,обеспечивающей независимую регулировку энергии и плотности потокаионов, поступающих к поверхности обрабатываемого материала, ивозможность поддержания температуры подложки в диапазоне температур от20 до 400 °C.42. Разработаны основы технологии глубокого высокоскоростного (Vтр > 1мкм/мин)направленногоплазмохимическоготравлениямонокристаллического карбида кремния при уровне поглощаемой в разрядеВЧ мощности менее 1000 Вт.

Данная технология внедрена на одном изведущих предприятий отрасли - АО «Светлана-Электронприбор» и примененапри изготовлении мощных СВЧ транзисторов.3. Разработаны основы технологии глубокого высокоскоростного (Vтр = 1,1-1,7мкм/мин)направленногоплазмохимическоготравлениямонокристаллического кварца. Технология успешно применена приизготовлениикварцевогокамертонногочувствительногоэлементапрецизионного датчика давления, производящегося на АО «НПП «Радар ммс».4. Разработаны основы технологии глубокого высокоскоростного направленногоплазмохимического травления монокристаллического ниобата лития,обеспечивающая скорости травления более 450 нм/мин.

Данный процесс былуспешно испытан в технологическом цикле обработки ниобата лития в АО«НПП «Радар ммс».На защиту выносятся:1.Концепцияпрототипапромышленнойуниверсальнойустановкиплазмохимического травления различных материалов электронной техники систочником высокоплотной (~1012 см-3) индуктивно связанной плазмы,обеспечивающей возможность независимой регулировки энергии и плотностипотока ионов, поступающих к поверхности обрабатываемого материала, а такженагрев и поддержание необходимой температуры подложки в диапазоне от 20 до400 °C.2.Результатыэкспериментальногоисследованияпроцессовплазмохимического травления монокристаллического кварца, карбида кремния иниобата лития и полученные представления об их основных физико-химическихзакономерностях.3.Результаты ранжирования основных технологических параметров постепени значимости их влияния на скорость процессов плазмохимическоготравления SiO2, SiC, LiNbO3.4.Результаты численного моделирования температурных полей вподложкодержателе, позволившие совместно с результатами экспериментовразработать основы технологии глубокого высокоскоростного направленногоплазмохимического травления вышеуказанных материалов.Достоверность результатов работы обусловлена использованиемсовременного экспериментального оборудования для анализа результатовтравления, воспроизводимостью полученных результатов и успешной апробациейразработанных процессов на ряде предприятий.Апробация работы.

Работа была апробирована в ходе разработки прототипапромышленной установки плазмохимического травления различных материалов всотрудничестве с АО "Светлана-Электронприбор". Разработанная технологияглубокого высокоскоростного направленного ПХТ SiC внедрена на АО"Светлана-Электронприбор" (г. Санкт-Петербург, Россия).