Диссертация (1143771), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Значения технологических параметров в экспериментах по изучению зависимостискорости травления кварца от температуры подложкодержателяW,ВтUсм, ВP, Паh, смQ, %T, K750-1000.75525323750-1000.75525373750-1000.75525448750-1000.75525523750-1000.75525598752000aln(Vтр)Vтр, нм/мин1500100050003004005003,63,43,232,82,62,42,221,8b373 К1,560022,5323 К33,51/T ·103T, КРис. 3.10. а – зависимость скорости травления SiO2 от температуры подложкодержателя;b – зависимость скорости травления SiO2 от температуры подложкодержателя в аррениусовыхкоординатах.Полученные результаты представлены на рис.
3.10. Как видно из графика(рис. 3.10(а)), скорость травления монокристаллического кварца являетсянемонотоннойфункциейтемпературыподложкодержателя.Постепенноеувеличение температуры приводит, сначала, к резкому росту скорости травления,которая достигает своего максимума в области T =плавному еепонижению.Следуетотметить,450 К, а затем к болеечтозначениятемператур,отложенных по оси абсцисс, измерялись термопарой, расположенной внутристолика (см.
описание конструкции столика в разделе 2.2.4), а не на его внешнейповерхности. Таким образом, полученный результат следует рассматривать каккачественный, а не строго количественный, характеризующий общую тенденциюизмененияскороститравлениявзависимостиоттемпературыподложкодержателя.Как было показано в работе [156], причиной первоначального увеличенияскорости травления с ростом температуры при неизменности значений прочихтехнологических параметров является увеличение десорбции продуктов реакцийтравления (молекул SiF4), а постепенное снижение скорости травления при болеевысоких температурах может быть объяснено уменьшением хемосорбциихимически активных частиц плазмы на поверхности SiO2.Как видно из графика (рис. 3.10(b)) в диапазоне температур от 323 К до373 К характер зависимости скорости травления кварца от температуры является76линейным, таким образом, энергия активация пропорциональна тангенсу угланаклона на данном участке [157].tg = − tg = = − · tg (3.4)(3.5).Результаты расчетов показали, что в диапазоне температур от 323 до 373 К,кажущаяся энергия активации составила 22.2 кДж/моль.
На участке в диапазонетемператур 373–448 К, наблюдается излом, вероятно, происходит смена стадий,определяющих скорость процесса травления.Кроме того, было обнаружено, что увеличение температуры вышезначения, соответствующего максимальной скорости травления (448 К),отрицательно сказывается и на качестве профиля травления. Микрофотографиипрофилей травления, представленные на рис. 3.11, свидетельствуют о том, чтопри T = 523 K имеет место размытие границ вытравливаемой области. При T =448 К, такого эффекта не наблюдается – здесь имеет место гораздо менеевыраженное отрицательное отклонение от вертикали. Вероятно, данный эффектсвязан с тем, что при повышении температуры растет скорость протеканияхимических реакций на поверхности обрабатываемого материала, вследствие чегоосновнойвкладвпроцессплазменноготравлениявноситхимическаясоставляющая процесса, что ведет к изотропному характеру травлениямонокристаллического кварца.15.11 µm17.76 µmРис.
3.11. Микрофотографии профиля окна травления: а – Т = 523 К, b – T = 448 K.77Проанализировав полученные результаты, можно сделать предположениео том, что при ПХТ монокристаллического кварца с водоохлаждаемымподложкодержателем,реакциям,такитравлениеионномупроисходитраспылениюкакблагодаряподложки,причемхимическимфизическаясоставляющая процесса играет большую роль. Об этом свидетельствует слабаязависимость скорости травления SiO2 от добавки кислорода в травящую газовуюсмесь, сильная зависимость Vтр(Uсм) и характер влияния на профиль травлениярасстояния от подложкодержателя до нижнего края разрядной камеры (см.рис.
3.6).Анализ термостимулированного процесса плазмохимического травлениямонокристаллического кварца показал, что увеличение температуры подложки вдиапазоне температур от 323 К до 448 К приводит к постепенному возрастаниюроли химической составляющей процесса (резкое увеличение скорости травленияс 0.4 мкм/миндо 1.7 мкм/мин). Тем не менее, роль ионной бомбардировкиостается решающей, на что указывает более вертикальный профиль травления(рис.
3.11(b)). При дальнейшем увеличении температуры подложкодержателяПХТ SiO2 происходит в основном за счет химического травления. Наблюдаетсяразмытие границ профиля травления (рис. 3.11(а)), а также идет снижение Vтр.3.3Разработка основ процесса глубокого скоростного плазмохимическоготравления SiO2В предыдущем разделе были приведены результаты экспериментальногоисследования влияния отдельных технологических параметров на скоростьтравления монокристаллического кварца в смеси SF6/O2. Однако разработкавысокоэффективного (высокоскоростного) процесса ПХТ подразумевает выбороптимальногосочетаниявсех,доступныхдляуправленияоператором,технологических параметров и невозможна за счет варьирования только одного изних.
В этой связи важным становится вопрос о ранжировании технологическихпараметров по степени значимости их влияния на параметры процесса ПХТ, вчастности,наскоростьтравления.Преследуяцельюсоздание78высокопроизводительногопроцессаглубокогосквозноготравлениямонокристаллического кварца, такое ранжирование было выполнено с помощьюнаучного планирования эксперимента по матричному методу Taguchi [152].Варьируемыми факторами были следующие:• напряжение смещения, подаваемого на подложкодержатель (Uсм);• значение ВЧ мощности, поглощаемой в разряде, используемом длясоздания плазмы (W);• расход кислорода (2 );• положение подложкодержателя относительно разрядной камеры (h).Общий план работы включал в себя 9 экспериментов, каждый из которыхсостоял из трех опытов (см.
таблицу 3.8).Таблица 3.8. Значения технологических параметров в экспериментах, спланированных спомощью метода TaguchiO 2 ,№Vтр,Vтр.ср,№ опытаW, ВтUсм, Вh,смэкспериментанм/миннм/минмл/мин1550-501.61595I2550-501.6151301143550-501.6151164550-1003.410232II2375550-1003.4102426550-1003.4102377550-1505.45360III8550-1505.453513679550-1505.4539110650-503.45247IV11650-503.4522923512650-503.4522913650-1005.415254V14650-1005.41526626815650-1005.41528516650-1501.610383VI17650-1501.61040940318650-1501.61041819750-505.410162VII20750-505.41017517221750-505.41018022750-1001.65402VIII23750-1001.6539840824750-1001.6542325750-1503.415364IX26750-1503.41535436627750-1503.415379Погрешность определения скорости травления не превышала ±2.5%79Вышеуказанные факторы фиксировались на трех уровнях значений: Uсм =-50 В, -100 В и -150 В, W = 550 Вт, 650 Вт и 750 Вт, h = 5 см, 10 см и 15 см, O 2 =1.6 мл/мин, 3.4 мл/мини 5.4 мл/мин.
Расход SF6, время травления и рабочеедавление в камере во всех опытах были фиксированы и составляли 10.15 ± 0.03мл/мин, 30 минут и 0.7 Па, соответственно. Ранжирование варьируемых факторовпо принципу наибольшего влияния на скорость травления выполнялось спомощью программы Minitab 17. Во всех экспериментах перед началом травленияповерхность пластин обрабатывалась в аргоновой плазме в течение 10 минут(расход аргона – 21.75 ± 0.05 мл/мин, давление в реакторе – 0.7 Па, ВЧ мощность– 750 Вт, потенциал смещения – -25 В) с целью ее очистки от нежелательныхзагрязнений.Значения скоростей травления монокристаллического кварца, полученныев каждом опыте, а также средние скорости травления в эксперименте (усреднениепроводилось по соответствующим тройкам опытов с одинаковыми величинамитехнологическихпараметров)представленывтаблице3.8.Результатыранжирования факторов показаны на рис. 3.12.
Из рисунка видно, что наиболеесильное влияние на скорость травления оказывает напряжение смещения. Всеэксперименты с малыми значениями величины Uсм (-50 В) дали невысокиескорости травления (I – 114, IV – 235 и VII – 172 нм/мин), тогда как вэкспериментах с наибольшим значением отрицательного потенциала на столике сдержателем подложки (-150 В) наблюдались существенно более высокие значенияVтр.ср (III – 367, VI – 403 и IX – 366 нм/мин).
Очевидно, что в случае большихзначений напряжения смещения, повышение скорости травления связано сувеличениемвкладафизическойсоставляющейпроцессатравления,заключающейся в ионном распылении подложки в результате роста энергииионов и улучшения направленности их движения в направлении подложки.80Рис. 3.12. Гистограмма распределения технологических параметров по степени их влияния наскорость травления z-среза монокристаллического кварца.Вторым по значимости фактором является положение подложкодержателяотносительно нижней части реакционной камеры – чем ближе к разрядной камерерасполагались обрабатываемые пластины кварца, тем быстрее происходилпроцесс травления.
Сильная зависимость скорости травления от величины hсвязана с наличием градиента концентрации ионов в направлении от реакционнойкамеры к подложкодержателю. По мере приближения травящейся поверхности кобласти генерации плазмы количество ионов, достигающих поверхностьматериала, растет, что и приводит к увеличению скорости травления.Как уже отмечалось, увеличение мощности, поглощаемой разрядом,приводиткростуконцентрациихимическиактивныхчастицплазмы,образующихся при диссоциации молекул реагента в результате неупругихстолкновений с высокоэнергетическими электронами. Представленные нарис.
3.12 результаты показывают, что такой способ увеличения Vтр поэффективности занимает только третье место в ряду изученных параметров, хотяи является сопоставимым с параметром h.Наконец, увеличение расхода кислорода оказывает наименьшее влияние наVтр из всех рассмотренных факторов. В то же время, введение кислорода вреакционную газовую смесь оказалось целесообразным с точки зренияшероховатости профиля травления. Влияние расхода кислорода на шероховатостьповерхности профиля травления проиллюстрировано изображениями образцов,81полученных с помощью РЭМ, представленными на рис.
3.13. Как можно видеть,качество профиля существенно лучше в случае высоких значений расходакислорода.Анализ полученных результатов подтверждает предположение о том, чтоприплазмохимическомтравлениимонокристаллическогокварцасводоохлаждаемым подложкодержателем, наибольший вклад в процесс вноситионная бомбардировка обрабатываемой поверхности.Рис. 3.13. Изображения профилей травления, сформированных в экспериментах с различнымизначениями расхода О2 (а – опыт № 3 и b – опыт № 21).После проведения серии экспериментов по ранжированию ряда факторов(Uсм, W, h и O 2 ) был выполнен контрольный эксперимент, цель которогосостояла в тестировании процесса ПХТ для сквозного глубокого травленияпластины монокристаллического кварца (z-срез) толщиной 370 мкм в газовойсмеси SF6/O2. Значения технологических параметров процесса травления вконтрольномэкспериментепредставленывтаблице3.9.Вкачествемаскирующего материала использовалась Cr-Cu-Ni пленка толщиной 7 мкм, вкоторой были созданы окна размером 3×10 мм.Таблица 3.9.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
