Диссертация (Разработка технологии формирования фоторезистивных пленок прецизионной толщины с минимальной шероховатостью поверхности плазмохимическим травлением), страница 2

В работе использованы:- атомно-силовая микроскопия (АСМ);- растровая электронная микроскопия;- различные математические методы обработки АСМ – изображений дляпостроения гистограмм распределения высот и определения геометрическиххарактеристик неровностей;- лазерная эллипсометрия;- оптическая эмиссионная спектроскопия в видимой и УФ областяхспектра.Положения, выносимые на защиту:В ходе диссертационных исследований получены новые научныерезультаты, совокупность которых, позволяет сформулировать следующиенаучные положения, выносимые на защиту.1.Длядостижениянаименьшейшероховатостиповерхностиплазмохимическое травление фоторезистивных «жертвенных» слоев должноосуществляться в условиях, обеспечивающих минимизацию бомбардировкиобрабатываемой поверхности высокоэнергетичными ионами.102. Процесс плазмохимического травления, осуществляемый в установке судаленной плазмой, позволяет обеспечить как небольшие значения скоростейтравления (несколько десятых нм/с), позволяющие с высокой точностью"подгонять" жертвенные слои до требуемой толщины, так и низкие значенияшероховатости поверхности (0,1-0,2 нм).3.

Режимы термообработки в исследованных диапазонах температур наоказывают существенного влияния на шероховатость поверхности слоевизученных фоторезистивных композиций ФП 4-04В и ФП 91-20, однако слоифоторезиста ФП 4-04В, подвергнутые двухступенчатой термообработке при 90°С в течение 30 минут и при 120 °С в течение 30 минут, характеризовалисьнаименьшими значениями шероховатости поверхности;4. Изменения в скорости травления фоторезистивных слоев приварьированиитехнологическимипараметрамипроцессакоррелируютссоответствующими изменениями относительных интенсивностей эмиссионныхлиний атомарного кислорода, что указывает на его определяющую роль впроцессе травления фоторезистивных материалов.11ГЛАВА I. ПРОБЛЕМА ПРЕЦИЗИОННОГО ЖЕРТВЕННОГО СЛОЯ ВТЕХНОЛОГИИ МИКРОСИСТЕМ1.1.

МИКРОСИСТЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА МЕМБРАННОГО ТИПАПринципизменениязазорамеждудвумяплоскопараллельнымиэлектродами за счет перемещения одного из них под действием различныхспециально создаваемых сил находится в основе работы большинствамикросистемных устройств мембранного типа таких, как микрореле [1],[2],переменныеконденсаторыпреобразователимикрозеркала[3],[4],[5],[6]напряжения[9],[10],микромикро[7],[8],генераторы[11],[12],микроактюаторы [13],[14], микропозиционные сенсоры [15] и др. [16],[17].Механическиемикропереключателипредставляютинтересввидунезначительного потребления энергии, хорошей развязке по входам/выходамлиний передачи высокочастотного сигнала, малым резистивным потерям ибольшойкоммутируемойМикроэлектромеханическиеконструкции,помощности(МЭМ)принципувВЧипереключателидействияСВЧтрактах.различаютсяисполнительногопомеханизма(электростатические, пьезоэлектрические, магнитные), а также по типуиспользуемого контакта (резистивные и с емкостной связью) [18].

Особыйинтерес для ВЧ и СВЧ техники представляют электростатические МЭМпереключатели (рисунок 1.1), так как применение традиционной технологииизготовления полупроводниковых приборов позволяет обеспечить их серийноепроизводство. Принцип действия переключателя состоит в следующем: приподачепостоянногонапряжениямеждумембранойиуправляющимиэлектродами мембрана притягивается к электродам за счет электростатическихсил, занимая при этом положение, показанное на рисунке 1.1 б.

В этомположении мембрана притягивается к диэлектрическому слою, а послеотключения напряжения возвращается в исходное положение.12Рисунок 1.1 Общая схема электростатически управляемой МСВеличина зазора между электродами имеет первостепенное значение,поскольку определяет электромеханические характеристики микроустройствтакие, как величина электростатических сил, вызывающих перемещениемикроактюатора, напряжение срабатывания и др.

Кроме того, важную роль длясоздания многих устройств, например, электромеханических переменныхконденсаторов и высокочастотных переключателей, играет и электрическаяемкость такой конструкции, которую традиционно рассчитывали, используяприближение плоского конденсатора [18], в некоторых моделях учитывалисьнелинейные механические эффекты, неидеальность параметров конденсатора ипаразитные электрические эффекты. При этом поверхность электродовсчиталась атомно-гладкой, а эффектом шероховатости пренебрегали.Для рассматриваемой структуры (рисунок 1.1, 1.2) применяют формулыдля расчета емкости плоского конденсатора. Емкость системы с учетомдиэлектрического слоя между мембраной и нижним электродом можнозаписать следующим образом:tCu   0W  g 0  dr1 ,(1)13где ω – ширина мембраны, W – ширина нижнего электрода, а g0 – зазор междумембраной электродом, td - толщина диэлектрического слоя, а εr –относительная диэлектрическая проницаемость.

Выражение (1) справедливо вслучае, когда величина шероховатости поверхности много меньше ширинызазора между мембраной и электродом.Cd  0 r Ag0,(2)где А – площадь контакта.Рисунок 1.2 Схематичное изображение МЭМС-переключателяСтруктуры с максимальным соотношением емкостей в нижнем и верхнемположении мембраны относятся к наиболее привлекательным. Максимальныхзначений этого соотношения можно достичь несколькими способами:- используя диэлектрический материал с высокой диэлектрическойпостоянной (между 30 и 120) [19];14- формируя очень тонкий диэлектрический слой (см.

ур. (1) и (2));- уменьшая шероховатость диэлектрического слоя и обратной сторонымембраны.В технологии осаждения бездефектных качественных диэлектрическихслоевоксидаилинитридакремния,какправило,используютсявысокотемпературные технологические процессы химического осаждения изгазовой фазы, что может привести к деградации уже сформированныхэлементов конструкции. Поэтому третий способ, основанный на улучшенииморфологиимембраныи,особенно,уменьшениишероховатостиееповерхности, является наиболее перспективным и актуальным.Когда мембрана опускается вниз, только некоторая область ее нижнейчасти может контактировать с диэлектрическим слоем вследствие неидеальнойплоскостности и гладкости мембраны. На рис.

1.3 показано как влияет наемкость в нижнем положении (Cd) доля контактирующей площади мембраны(p) и среднее значение ширины воздушного зазора в неконтактирующейобласти (d) (рис. 1.4). Для получения максимальной емкости необходимо,чтобы доля p была как можно больше. Помимо планарности мембраны навеличинуpсущественноевлияниеоказываетишероховатостьдиэлектрического слоя.Рисунок 1.3 Влияние отношения площади контакта (p) и зазора (d) наемкость в нижнем положении (Cd) [20]15Рисунок 1.4 Схематичное изображение контактных условий, когдамембрана находится в нижнем положении [20]Шероховатостьповерхности–этосовокупностьнеровностей,образующих рельеф поверхности, а характеристикой шероховатости являетсясредняя арифметическая величина неровностей на некоторой базовой линии,которая имеет форму номинального профиля, проведенноготак, чтосреднеквадратическое отклонение профиля от этой линии было минимальным(подробнее см.

гл.2). В работе [21] количественно учитывали влияниешероховатости на емкостные характеристики электростатически управляемойМС. Авторы не обсуждали влияние шероховатости на реальную площадьконтакта, а предположили, что доля контактирующей области составляет 0,5. Вэтом предположении было рассчитано, что при шероховатости поверхности в10 нм происходит уменьшение емкости в нижнем положении мембраны на 65%. Согласно их расчетам, для получения оптимального соотношения емкостейнеобходимообеспечитьшероховатостьповерхностейвструктуресмембранным исполнительным элементом менее 4 нм.В работе [22] также обсуждали влияние шероховатости на емкость, приэтом для упрощения расчетов предполагая, что неровности на поверхностиимеют форму треугольников (рисунок 1.5).В модельных расчетах значение емкости рассчитывали следующимобразом.

Для случая h >B(мембрана в верхнем положении (положение «off»)2(рисунок 1.1), В – максимальный зазор)16  ri h  d i  B2   A,C (h)  ri 0 ln  r  ri2  h  d i  B2  r(3)где B2  B1   ri  r  2(4)Для случая h ≤Bиспользовали следующее выражение2(5)КоэффициентыК0,К1иК2рассчитывали,используяусловие~непрерывности первой и второй производных С(h) и C (h) , следующим образом:(6)Рисунок 1.5 Моделирование поверхности с помощью наклоннойплоскости [22]Однако, описывать неровности с помощью повторяющихся одинаковыхэлементов не вполне корректно, поскольку в реальности их размерыотличаются, а распределение по поверхности не является равномерным.

В этойсвязи для задания эквивалентной шероховатости корректнее применятьстатистические методы.Основываясь на статистическом методе, в работе [22] обсуждали влияниетопографии поверхности на электромеханические характеристики плоскогоМЭМС конденсатора. К сожалению, в работе рассмотрен случай, когда17мембрана не касается нижнего электрода. В статистическом приближениишероховатость поверхности изотропна, а неровности имеют сферическуюформу (рисунок 1.6), то есть представляют собой часть сфер с одинаковымрадиусом R и гауссовым распределением по высоте.Рисунок 1.6 Представление поверхностной топографии с помощьюстатистического приближения.

В пунктирном окошке показана частьсферической неровности, ограниченной радиусами с углом θ [22]В работе [23] авторы предложили для моделирования шероховатостиповерхности использовать модель Гринвуда-Уильямсона [24], статистическиописывающую площадь контакта шероховатых поверхностей.Во всех описанных выше работах принималась во внимание толькошероховатость нижнего электрода, и считали, что верхний характеризуетсяатомно-гладкой нижней поверхностью.