Диссертация (1143771), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Удалось достичь скоростей травления карбида кремнияболее 1 мкм/мин. Данная технология внедрена на одном из ведущих предприятийотрасли – АО «Светлана–Электронприбор» и применена при изготовлениимощных СВЧ транзисторов.4.Разработана технология глубокого высокоскоростного направленногоплазмохимическоготравлениямонокристаллическогониобаталития,обеспечивающая скорости травления более 450 нм/мин. Данный процессопробован в технологическом цикле обработки ниобата лития в АО «НПП «Радарммс».
Предложенная технология является ключевой для создания разнообразныхструктур в монокристаллическом ниобате лития, необходимых для производстваразличных высокоточных датчиков, например, датчиков давления.8ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР1.1Физико-химические основы процессов плазмохимического травленияОдной из важнейших задач при создании изделий микроэлектроникиявляется получение трехмерных структур на поверхности подложек с высокимаспектным отношением, для решения которой наиболее часто используетсяплазменное травление (ПТ) [1].К основным преимуществам плазмохимического травления (ПХТ) посравнению с жидкостным травлением можно отнести высокую направленностьпроцесса, отсутствие ограничений на размеры вытравливаемого объекта,возможность полной автоматизации процесса, а также экономичность иминимальное количество отходов, требующих утилизации.
Процессы ПХТпроисходят при достаточно низких температурах и давлениях, что способствуетповышению качества выпускаемых интегральных схем (ИС). Однако требованияк плазмохимическим технологиям по количеству допустимых дефектов,селективности, равномерности травления и т.д., становятся все более жесткими,что приводит к усложнению оборудования и процессов и, как следствие, ктрудностям в их практической реализации [1-4].Низкотемпературная газоразрядная плазма (НГП) – это слабоионизованныйгаз при давлениях 10-2–103 Па со степенью ионизации порядка 10-6–10-4(концентрация электронов 1015–1018 м-3), в котором электроны имеют среднююэнергию 1–10 эВ (температуру порядка 104–105 К), а средняя энергия ионов,атомов, молекул – на два порядка меньше. Низкотемпературная газоразряднаяплазма может создаваться с помощью разрядов, возбуждаемых постояннымэлектрическим полем, в низкочастотных (102–103 Гц), высокочастотных (ВЧ)(105–108 Гц), сверхвысокочастотных (СВЧ) (109–1011 Гц) разрядах, а такжеэлектромагнитных полях оптического диапазона частот (1013–1015 Гц).
[3, 5-7].Травление с использованием низкотемпературной газоразрядной плазмы помеханизмуфизико-химическоговзаимодействиясповерхностьюобрабатываемого материала можно разделить на три основных вида (рис. 1.1).9Рис. 1.1. Классификация травления с использованием низкотемпературнойгазоразрядной плазмы по механизму физико-химического взаимодействия с поверхностьюобрабатываемого материала [2, 3, 5, 8].При плазменном (ПТ) и реактивном ионно-плазменном травлении (РИПТ)механизм физико-химического взаимодействия с поверхностью обрабатываемогоматериала один и тот же. Принято считать, что при ПТ энергия ионов составляетменее 100 эВ, а при РИПТ – более 100 эВ.
Следовательно, при плазменномтравлении наибольший вклад в травление материала вносит химическаясоставляющая процесса, а при реактивном ионно-плазменном – физическаясоставляющая [2, 3, 5, 8].Преобразование молекул газа-реагента при плазмохимическом травлении вэнергетические и химически активные частицы в основном осуществляется засчет следующих процессов:- неупругие столкновения с высокоэнергетичными электронами;- поглощение квантов излучения в УФ и видимой областях спектра;- неупругие столкновения с тяжелыми частицами;- гетерогенные реакции на поверхности травления [2, 9].10В образовании химически активных частиц и ионов в низкотемпературнойгазоразрядной плазме кроме электронов могут принимать участие возбужденныемолекулы, атомы и радикалы, находящиеся в метастабильных возбужденныхсостояниях.
Эти частицы передают энергию от электронного газа плазмы кактивируемым атомам и молекулам [2, 3].Основные стадии процессов плазменного травления материаловДля процессов «сухого» травления принято выделять несколько основныхстадий:1. Доставка молекул рабочего газа в зону плазмы газового разряда;2. Преобразованиемолекулрабочегогазавгазовомразрядевэнергетические и химически активные частицы;3. Доставка ХАЧ и энергетических частиц к поверхности обрабатываемогоматериала;4.
ВзаимодействиеХАЧиэнергетическихчастицсповерхностьюобрабатываемого материала;5. Отвод продуктов реакций от поверхности обрабатываемого материала[2, 5].Необходимым условием для травления материала с помощью химическиактивных частиц является образование в ходе процесса травления летучих истабильных соединений при температуре процесса (Tпр).
Оценить летучестьпродуктов реакции можно по их температуре кипения (Tкип) при нормальномдавлении.Исходяизэтого,можновыделитьосновныеусловияплазмохимического травления материалов:1.Если Tпр>>Tкип, травление осуществляется, в основном, за счет химическихреакций. Процесс протекает в диффузионной области из-за высоких скоростейхимических реакций.2.Если Tпр≈Tкип, процесс протекает в кинетической области (ограничиваетсяскоростью химический реакции) из-за низкой скорости удаления образующихся, входе травления, продуктов реакции.113.Если Tпр<<Tкип, травление с помощью химически активных частицневозможно, так как в результате травления образуются нелетучие соединения,которые являются маскирующим слоем для обрабатываемого материала [2].1.2Основныетипыоборудования,используемогодляглубокогоплазмохимического травления материалов электронной техникиВ настоящее время наибольшее распространение получили установки,основанные на трех основных принципах создания плазмы: СВЧ устройства,использующие электронный циклотронный резонанс (ЭЦР/ECR), геликоновыеисточники плазмы (HWP) и источники с индуктивно связанной плазмой(ИСП/ICP).
Однако достаточно широко применяются также источники емкостнойсвязанной плазмы (CCP) и поверхностно волновой плазмы (SWP) (рис. 1.2) [2, 5,7, 8].Рис. 1.2. Характеристики различных источников плазмы [10].Основным недостатком установок с емкостной связанной плазмой являетсянизкая плотность создаваемой плазмы (1010 см-3) и относительно высокие12давления (> 5-10 Па), что обуславливает низкие скорости травления, а такжеполучение изотропного профиля вытравливаемой структуры [2, 3, 8].Особенностью установок, основанных на создании поверхностно-волновойплазмы, является возможность регулировки давления в широком диапазоне(1–100 Па), однако, несмотря на это обстоятельство, имеются трудности вполучении глубоких вертикальных структур и создании областей плазмыбольшого объема, что не позволяет обрабатывать подложки больших диаметров[11].Установки, основанные на использовании ECR источников плазмы илиоснащенные геликоновыми источниками плазмы характеризуются высокойплотностью плазмы (1011–1013 см-3) и низкими значениями давления (0.05–10 Па),что позволяет проводить процессы глубокого направленного травления.
Однако,для создания плазмы в данных типах установок необходимо магнитное поле имощные генераторы электрического поля, что существенно их удорожает, а такжеприводит к дополнительным трудностям при создании оборудования такого типа[2, 3].Установки, основанные на применении ВЧ источников индуктивносвязанной плазмы, характеризуются относительно низкими значениями давления(0.1-10Па)во время процесса плазмохимического травления, высокойплотностью создаваемой плазмы (1011–1012 см-3) и высокими значениями среднейэлектронной температуры (1–10 эВ). Одним из главных достоинств установок,укомплектованныхисточникоминдуктивносвязаннойплазмы,являетсявозможность независимой регулировки энергией и плотностью потока ионов,поступающих к поверхности обрабатываемого материала.
Данные особенностиустановок с ИСП позволяют осуществлять высокоскоростное направленное иглубокое плазмохимическое травление различных материалов электроннойтехники таких, как кремний, германий, кварц, ниобат лития, карбид кремния, атакже полупроводниковых материалов относящиеся к группе AIIIBV [2, 3, 8, 10].131.3Основные закономерности процессов плазмохимического травленияподложек из карбида кремния,монокристаллического кварца и ниобаталитияМонокристаллический кварц, карбид кремния и ниобат лития в настоящеевремя находят широкое применение в различных областях промышленности.Кварц традиционно применяется для выпуска пьезоэлектрических приборовразличного типа, используются в качестве материала чувствительных элементовтвердотельных волновых гироскопов, при изготовлении дифракционных иголографическихоптическихэлементов,корпусовспециализированныхинтегральных схем, подложек гибридных интегральных схем СВЧ диапазона, атакже разнообразных микроэлектромеханических устройств [12, 13].
Карбидкремния также нашел широкое применение в технологиях создания различныхполупроводниковых устройств, таких как транзисторы и интегральные схемыспециального назначения, устройства оптоэлектроники, а также используется вкачестве подложек для эпитаксиального роста полупроводниковых материаловAIIIBV (например, нитрида галлия) [14].
Использование карбида кремнияпозволяетповыситьмаксимальнодопустимыерабочиетемпературыполупроводниковых устройств и значительно увеличить их быстродействие [15,16]. Кристаллы ниобата лития являются основой для создания приборовоптической промышленности. В последние годы на этих кристаллах реализованцелый класс функциональных и цифровых интегрально-оптических схем (ИОС),таких как переключающие матрицы, анализаторы спектра, СВЧ фазовые иамплитудные модуляторы, а также датчики физических величин [17, 18].1.3.1 Карбид кремния и особенности его плазмохимического травленияКарбид кремния является широкозонным полупроводниковым материалом(ширина запрещенной зоны лежит в диапазоне от 2.36 до 3.3 эВ, в зависимости откристаллическоймодификации).ТеплопроводностьSiCпринормальныхусловиях близка к теплопроводности меди, что обеспечивает его использованиедля отвода тепла в приборах, работающих при больших плотностях тока. Высокая14термическая, радиационная и химическая стойкость карбида кремния обусловленавысокой энергией связи между Si и C, что обеспечивает стабильность работыприборов на основе SiC в экстремальных условиях эксплуатации [19-26].Существует множество кристаллических структур SiC, отличающихсямеждусобойтолькопоследовательностьючередованияатомныхслоев:гексагональная (2Н-SiC, 4Н-SiC, 6H-SiC и nH-SiC), ромбоэдрическая (15R, 21R ит.
д.) и кубическая (3С-SiC) (рис. 1.3) [20, 24, 26].Рис. 1.3. Пример кристаллических структур SiC с различным чередованием атомныхслоев [27].Карбид кремния имеет широкий спектр применения в различных областях,таких как высокопрочные композитные материалы, режущие и абразивныематериалыит.д.,нонаибольшийинтереспредставляетсобоймонокристаллический карбид кремния 3С-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC, нашедшийширокое применение в электронной промышленности. Большая шириназапрещенной зоны позволяет использовать приборы на основе SiC в оченьшироком диапазоне температур (до 1000 °С). За счет больших значенийпробивного напряжения достигаются большие удельные мощности, а высокиезначения теплопроводности упрощают теплоотвод.
Благодаря этим свойствамкарбид кремния является перспективным материалом для создания приборовсиловой электроники [20].15Можно выделить три основные группы приборов на основе карбидакремния:• приборы для эксплуатации в условиях высоких температур, радиациии агрессивных сред;• приборы для систем с повышенными значениями напряжений иплотностей токов;• приборы для систем с повышенными значениями показателя«мощность – частота» [20, 28-30].Таблица 1.1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
