Автореферат (Разработка технологии скоростного глубокого плазмохимического травления монокристаллического кварца, карбида кремния и ниобата лития при малой мощности), страница 2

Отдельные результаты5докладывались на научных конференциях: XI Научно-технической конференциимолодых специалистов по радиоэлектронике (Санкт-Петербург, 2018), IVМеждународной молодежной научной конференции «Молодежь в науке: Новыеаргументы» (Липецк, 2018), 20-ой Международной конференции «Materials,Methods and Technologies» (Елените, Болгария, 2018), XIV Международнойнаучной-практической конференции «International Innovation Research» (Пенза,2018) и 15th International Conference on the Physics of Non-Crystalline Solids (СенМало, Франция, 2018).Публикации. Результаты работы отражены в 9 публикациях, в том числе в 4статьях в ведущих рецензируемых российских и зарубежных периодическихизданиях, входящих в перечень ВАК РФ, и докладывались на трехмеждународных и одной российской конференциях.Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пятиглав, заключения и списка цитируемой литературы. Полный объем диссертациисоставляет 146 страницы, включая 95 рисунков, 37 таблиц и список цитируемойлитературы из 173 наименований.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении показана актуальность темы исследования, сформулированыцели и задачи диссертационной работы, раскрывается ее практическая значимостьи научная новизна, а также изложены основные положения, выносимые назащиту.Первая глава носит обзорный характер. В ней кратко рассмотренаклассификация методов травления с использованием низкотемпературнойгазоразрядной плазмы.

Описаны особенности плазмохимического травления(ПХТ) в установках с индуктивно-связанной плазмой (ИСП). Даетсяхарактеристика основных физико-химических свойств и областей применениямонокристаллического кварца (SiO2), карбида кремния (SiC) и ниобата лития(LiNbO3) в различных отраслях промышленности. Рассматривается современноесостояние проблемы формирования глубоких структур в SiO2, SiC, LiNbO3.Показано, что процессы термостимулированного травления мало изучены,особенно в области повышенных температур (100-400 °С).

Выявлено, чтомаксимальные скорости травления при использовании ВЧ источников питаниямощностью до 1 кВт в установках с индуктивно связанной плазмой, непревышают 1 мкм/мин для SiO2, SiC и 0,25 мкм/мин для LiNbO3, и являютсянедостаточными для использования в современном микроэлектронномпроизводстве. Результаты аналитического обзора литературных данныхсвидетельствуют о том, что в настоящее время отсутствуют сведения,достаточныедлясозданиятехнологиивысокоскростногоглубокогонаправленного ПХТ SiO2, SiC, LiNbO3 при малых ВЧ мощностях, и позволилиобоснованно сформулировать цель работы и поставить задачи исследования.Вторая глава посвящена описанию конструкции экспериментальнойустановки для плазмохимического травления различных материалов,моделированию конструкции держателя подложки с интегрированным в нее6нагревательным элементом, содержит сведения о методах подготовки образцов иметодике проведения процессов плазмохимического травления, а также овыбранном методе научного планирования экспериментов и использованныхметодиках исследования результатов травления.Внешний вид установки и 3-D модель реактора показаны на рис.

1. Рабочаячастота плазмогенератора составляла 6,78 МГц. В качестве источника ВЧмощности (W) был использован генератор ГТВЭ-1000. Для создания наподложкодержателе отрицательного потенциала смещенияв конструкцииреактора была предусмотрена возможность подачи на столик ВЧ напряжения(Uсм) от отдельного генератора (генератор Плазма-125И, f = 13,56 МГц).Рис. 1. Внешний вид установки ПХТ (a) и изображение 3-D модели реактора установкиплазмохимического травления (б): 1 – разрядная камера; 2 – реакционная камера; 3 – фланецзагрузки-выгрузки рабочих образцов; 4 – фланец стыковки с вакуумной, откачной системой; 5 –подложкодержатель; 6 – охлаждаемый индуктор; 7 – канал подачи рабочей, газовой смеси; 8 –экран Фарадея; 9 – электромагнитный экран индуктора; 10 – съемный колпак; 11 – смотровойфланец.Для изучения термостимулированного процесса ПХТ был разработан иизготовлен держатель подложки с интегрированным в него нагревательнымэлементом.

Выбор конструкции подложкодержателя, материалов для егоизготовления и нагревательного элемента осуществлялся на основе результатовматематического моделирования температурных полей в конструкции,представленной на рис. 2-а. Результаты модельных расчетов показали, что длятого, чтобы иметь возможность управлять температурой поверхностиподложкодержателя в диапазоне 293-673 К, материал нагревательного элементадолжен быть пригодным к длительной эксплуатации при температурах не менее1073 К в атмосфере воздуха (рис. 2-б), при этом равномерность температурыповерхности столика зависит от температуры нагревательного элемента.В качестве образцов для травления использовались пластинымонокристаллического кварца (z-срез), карбида кремния политипа 6Н с7ориентацией (0001) и ниобата лития (XY – 128°-срез).

Толщина пластин SiO2 иLiNbO3 равнялась 370 мкм, а в случае SiC составляла 100 и 400 мкм.бРис. 2. Визуализация температурных полей, полученных в результате моделирования (а),зависимость температуры в центральной части внешней поверхности подложкодержателя оттемпературы нагревательного элемента (б).Планирование экспериментов по оптимизации параметров процесса ПХТпроводилось с использованием метода Тагучи. Метод основан на использованииэкономного ортогонального плана многофакторного эксперимента взамен планаполного факторного эксперимента для решения задачи по выявлению степенивлияния варьируемых технологических параметров (факторов) на выходныехарактеристики процесса.Анализ образцов после процесса ПХТ осуществлялся методами растровойэлектронной микроскопии высокого разрешения (Supra 55 VP CarlZeiss)(определение глубины и оценка скорости травления), рентгеновскойфотоэлектронной спектроскопии («Нанофаб 25» фирмы SPECS) (анализ составаповерхности после травления), атомно-силовой микроскопии (Solver-Pro NTMDT) (изучение морфологии поверхности образцов после ПХТ).В третье главе представлены результаты исследования физико-химическихзакономерностей процесса ПХТ кварца.

Определены характер и степень влиянияосновных технологических параметров процессана скорость травлениямонокристаллического кварца, а также представлены результаты опробованиятехнологии глубокого направленного высокоскоростного ПХТ SiO2.Полученные экспериментальные данные позволили предположить, что приПХТ SiO2 с водоохлаждаемым подложкодержателем травление происходит какблагодаря химическим реакциям, так и ионному распылению подложки, причемфизическая составляющая процесса играет большую роль.

Об этомсвидетельствует слабая зависимость скорости травления SiO2 от содержаниякислорода в травящей газовой смеси (рис. 3-а), сильная зависимость Vтр(Uсм) (рис.3-б) и характер влияния на профиль стенок областей травления расстояния отподложкодержателя до нижнего края разрядной камеры (рис.

3-в).Результаты исследования термостимулированного процесса травлениямонокристаллического кварца показали, что увеличение температуры подложки в8диапазоне от 323 К до 448 К приводит к постепенному возрастанию ролихимической составляющей процесса (резкое увеличение скорости травления с 0,4мкм/мин до 1,7 мкм/мин (рис. 4-а)). Тем не менее, роль ионной бомбардировкиостается решающей, на что указывает более вертикальный профиль стенокобластей травления (рис. 4-б). При дальнейшем увеличении температурыподложкодержателя ПХТ SiO2 происходит в основном за счет химическоготравления, что приводит к размытию стенок областей травления и снижению Vтр(рис. 4).Рис.

3. Зависимости скорости травления SiO2 от напряжения смещения (а), процентногосодержания кислорода в травящей смеси (б). Микрофотографии профиля травления SiO2 (в),полученные после экспериментов по изучению скорости травления в зависимости отрасстояния подложкодержателя до нижнего края разрядной камеры (h) (А – коэффициентанизотропии).Рис. 4. Зависимость скорости травления SiO2 от температуры подложкодержателя (а),микрофотографии профиля окон травления (б).9Для ранжирования технологических параметров процесса по степенивлияниянаскоростьтравления,необходимогодлясозданиявысокопроизводительного процесса глубокого травления SiO2, осуществленонаучное планирование эксперимента по матричному методу Taguchi.Варьируемыми факторами были следующие:• напряжение смещения, подаваемого на подложкодержатель (Uсм);• значение ВЧ мощности, поглощаемой в разряде (W);• расход кислорода (2 );• положение подложкодержателя относительно разрядной камеры (h).Вышеуказанные факторы фиксировались на трех уровнях значений (Табл.

1)Таблица 1. Значения технологических параметров в экспериментах, спланированных спомощью метода Taguchi , мл/мин h,см№W, ВтUсм, ВVтр.ср, нм/мин1550-501,6151142550-1003,4102373550-1505,453674650-503,452355650-1005,4152686650-1501,6104037750-505,4101728750-1001,654089750-1503,415366Значения расхода SF6, времени травления и рабочего давления в камере вовсех опытах были фиксированы и составляли 10,15 мл/мин, 30 минут и 0,7 Па,соответственно. Результаты ранжирования факторов показаны на рис. 5. Видно,что наиболее сильное влияние на скорость травления оказывает напряжениесмещения. Повышение скорости травления при росте напряжения смещениясвязано с увеличением интенсивности ионного распыления подложки за счетповышенияэнергии ионов и улучшениянаправленности их движения в направленииподложки.Результаты контрольного эксперимента поглубокому (370 мкм) травлению кварца слинейными размерами окон 3×10 ммприиспользовании охлаждаемого пьедестала (рис.

6-а)показали, что при значениях технологическихпараметров, представленных в таблице 2, скоростьтравлениясоставила402нм/мин.ВРис. 5. Распределениятермостимулированном процессе (T = 448 K), притехнологических параметровтравлении щелевых структур шириной 160 и 75по степени их влияния намкм на глубину 40 мкм (рис. 6-б), с использованиемскорость травления SiO2.ВЧ источника ИСП малой мощности (< 1000 Вт) ипри относительно низких значениях напряжения10смещения (-100 В), была достигнута скорость травления около 1 мкм/мин приселективности травления кварца к материалу маски порядка 50.