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

ОглавлениеВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………5ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР ………………………………………..91.1Физико-химическиеосновыпроцессовплазмохимическоготравления …………………………………………………………………1.2Основные типы оборудования, используемого для глубокогоплазмохимического травления материалов электронной техники ….1.3912Основные закономерности процессов плазмохимического травленияподложек из карбида кремния, монокристаллического кварца иниобата лития ……………………………………………………………141.3.1 Карбид кремния и особенности его плазмохимического травления …141.3.2 Монокристаллический кварц и особенности его плазмохимическоготравления …………………………………………………………………1.3.3 Монокристаллическийниобатлитияиособенностиегоплазмохимического травления ……………………………………….....1.42130Выводы из аналитического обзора литературы и постановка задачиисследования ……………………………………………………………..38ГЛАВА 2.

МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА ………………..402.1Разработкаисозданиеэкспериментальнойустановкидляплазмохимического травления ………………………………………….402.1.1 Математическое моделирование характера температурных полей вподложкодержателе ……………………………………………………..2.1.2 Конструированиеиизготовлениеподложкодержателя47длятермостимулированных процессов плазмохимического травлениямонокристаллического кварца, карбида кремния и ниобата лития ….2.2Методика подготовки и проведения процессов плазмохимическоготравления …………………………………………………………………2.35357Научное планирование эксперимента на основе матричного методаTaguchi ……………………………………………………………………5922.4Методика исследования поверхностей травления подложек ………...ГЛАВА3.ИССЛЕДОВАНИЕЗАКОНОМЕРНОСТЕЙТРАВЛЕНИЯПРОЦЕССАФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГОМОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГОКВАРЦАВГАЗОРАЗРЯДНОЙ ФТОРОСОДЕРЖАЩЕЙ ПЛАЗМЕ …………………..3.1монокристаллическогокварцаснаибольшимискоростями ……………………………………………………………….63Исследование влияния основных технологических параметровпроцесса травления на скорость травления кварца …………………...3.363Определение газовой смеси, обеспечивающей плазмохимическоетравление3.262Разработкаосновпроцессаглубокогоскоростногоплазмохимического травления SiO2 ……………………………………ГЛАВА4.ИССЛЕДОВАНИЕЗАКОНОМЕРНОСТЕЙПРОЦЕССА6678ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГОТРАВЛЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КАРБИДА КРЕМНИЯ ВГАЗОРАЗРЯДНОЙ ФТОРОСОДЕРЖАЩЕЙ ПЛАЗМЕ …………………..4.188Определение газовой смеси, обеспечивающей плазмохимическоетравление монокристаллического карбида кремния с наибольшимискоростями ……………………………………………………………….4.2Исследование влияния основных технологических параметровпроцесса травления на скорость травления SiC …..…………………...4.38890Разработка основ и оптимизация процесса глубокого скоростногоплазмохимического травления SiC ……………………………………..

104ГЛАВА5.ИССЛЕДОВАНИЕЗАКОНОМЕРНОСТЕЙПРОЦЕССАФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГОТРАВЛЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО НИОБАТА ЛИТИЯ ВГАЗОРАЗРЯДНОЙ ФТОРОСОДЕРЖАЩЕЙ ПЛАЗМЕ ………………….. 1125.1Определение газовой смеси, обеспечивающей плазмохимическоетравление монокристаллического ниобата лития с наибольшимискоростями ……………………………………………………………….11235.2Исследование влияния основных технологических параметровпроцесса травления на скорость травления ниобата лития …..………5.3Разработкаосновпроцессаглубокого116скоростногоплазмохимического травления LiNbO3 ………………………………...126ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ………………………………….

135СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ……………………………………………………... 1374ВВЕДЕНИЕВысокопроизводительныеипрецизионныетехнологииполученияповерхностных структур с высоким аспектным отношением играют ключевуюроль в производстве различных приборов электронной техники. Жидкостныеметоды обработки и травления материалов электронной техники не могут бытьиспользованы при формировании глубокого вертикального рельефа поверхностиили при сквозном размерном травлении в силу низких скоростей и изотропногохарактера травления. Вышеперечисленные проблемы частично или полностьюрешаются с помощью плазмохимических методов травления, основанных наиспользовании низкотемпературной плазмы.

В настоящее время технологиясухогоплазмохимическогоизотропногоитравленияанизотропного(ПХТ)травленияактивноширокогоприменяетсяспектрадляматериаловмикроэлектроники, а также плазмохимической очистки с минимальнымиповреждениями поверхности в результате ионной бомбардировки. Основупроцесса ПХТ составляют химические реакции и физические процессывзаимодействия высокореакционных или энергетических частиц плазмы споверхностью обрабатываемого материала. ПХТ обеспечивает высокий уровеньрешения многих технологических задач по созданию изделий с субмикроннымиструктурами.На данный момент для получения структур с высоким аспектнымотношением используется широкий спектр установок с удаленной плазмой,отличительной особенностью которых является возможность независимойрегулировки энергии и плотности потока ионов.

В подавляющем большинствеслучаев проблема достижения высоких скоростей травления, удовлетворяющихтехническим требованиям промышленности, в преимущественно импортируемомоборудовании решается за счет использования достаточно мощных (с мощностьюболее 1500 Вт) высокочастотных (ВЧ) генераторов для создания газорязряднойплазмы. Использование ВЧ генераторов повышенной мощности ведет кувеличению стоимости как собственно оборудования, так и конечного изделия.5Решениезадачиимпортозамещениядиктуетнеобходимостьразработкиотечественных установок ПХТ, которые по своим техническим характеристикамбыли бы конкурентоспособны или даже превосходили зарубежные аналоги. Вчастности,весьмаперспективнымпредставляетсяразработкаустановокплазмохимического травления с ВЧ источниками пониженной мощности (менее1000 Вт) и реализация на таком оборудовании технологий плазмохимическоготравления, не уступающих по производительности технологиям, реализованнымна импортном мощном оборудовании, а также удовлетворяющим всемтехническим требованиям предприятий, применяющим такие процессы.В настоящее время установки и технологии плазмохимического травленияуспешно применяются для прецизионного травления кремния с высокимискоростями.

Однако для травления подложек из монокристаллического кварца(SiO2), карбида кремния (SiC) и ниобата лития (LiNbO3), которые находят всеболее широкое применение в микроэлектронике и микросистемной технике, этипроцессы используются ограниченно в силу недостаточной изученности ихосновных физико-химических закономерностей.Цель работы состояла в получении новых знаний об основных физикохимическихзакономерностяхпроцессовплазмохимическоготравлениямонокристаллического кварца, карбида кремния и ниобата лития на установке синдуктивносвязаннойплазмой(ИСП),оснащеннойВЧгенераторомспониженной мощностью (менее 1000 Вт), и разработке на этой основе технологийглубокого направленного высокоскоростного травления подложек из указанныхматериалов.В связи с этим, в ходе выполнения работы было необходимо решитьследующие задачи:1.Разработать и создать универсальную плазмохимическую установку длятравления монокристаллического кварца, карбида кремния и ниобата лития систочником высокоплотной (~1012 см-3) индуктивно связанной плазмы (ИСП) снезависимой регулировкой энергии и плотности потока ионов, поступающих к6поверхности обрабатываемого материала, а также возможностью нагрева иподдержания необходимой температуры подложки в диапазоне от 20 до 400 °C.2.Изучить физико-химические закономерности процессов плазмохимическоготравления монокристаллического кварца, карбида кремния и ниобата лития.3.Изучить особенности термостимулированных процессов травления дляоценкивозможностиповышенияскороститравленияиуменьшенияшероховатости поверхности получаемых структур.4.Разработать технологии высокоскоростного направленного глубокого(сквозного) 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.Наоснованиирезультатовчисленногомоделированияразработанаоптимальная конструкция оригинального подложкодержателя с возможностьюрегулирования и термостатирования его поверхности.4.Получены новые знания о влиянии термостимуляции на процессыплазмохимического травления SiO2, SiC, LiNbO3 и определены оптимальныезначения технологических параметров, обеспечивающие высокоскоростноетравление при использовании ВЧ источника малой мощности.5.На основе результатов экспериментального исследования разработанымодельные представления об особенностях образования дефектов на поверхностикарбида кремния и ниобата лития, позволившие предложить методы ихустранения.Практическая ценность работы заключается в том, что:71.Разработан и создан прототип промышленной универсальной установкиплазмохимического травления различных материалов электронной техники систочником высокоплотной (~1012 см-3) индуктивно связанной плазмы свозможностью независимой регулировки энергии и плотности потока ионов,поступающих к поверхности обрабатываемого материала, с возможностьюнагрева и поддержания необходимой температуры подложки в диапазоне от 20 до400 °C.2.Разработанатехнологияглубокого(сквозного)высокоскоростногонаправленного плазмохимического травления монокристаллического кварца.Достигнутые скорости травления находятся в диапазоне 1.1-1.7 мкм/мин ипозволяют получать структуры с различным значением аспектного отношения.Технология успешно апробирована при изготовлении кварцевого камертонногочувствительного элемента прецизионного датчика давления, производящегося наАО «НПП «Радар ммс».3.Разработанатехнологияглубокого(сквозного)высокоскоростногонаправленного плазмохимического травления монокристаллического карбидакремния с использованием ВЧ источника индуктивно связанной плазмы малоймощности (1000 Вт).