Диссертация (1143771), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Основные свойства карбида кремния [14, 19, 20]Основные свойства SiCТемпература плавления2730 °СПлотность3210 кг/м3Твердость9-9.5 по шкале МоосаКоэффициент теплового расширения4.0⋅10-6 К-1Молярная масса40.0962 г/мольЭлектропроводностьПолупроводникШирина запрещенной зоны2.36-3.23 эВЭнергия связи313 кДж/мольНапряжение пробоя2-6 мВ/смПодвижность электронов370-800 см2/В·сТеплопроводность370-500 Вт/м·КТеплоемкость712 Дж/кг·КПрименение подложек из карбида кремния выдвигает особые требования киспользуемым технологическим процессам и оборудованию.
На текущий моментвремени наиболее перспективной технологией травления карбида кремния сцелью формирования рельефа на его поверхности является ПХТ, как правило,осуществляемое при пониженном давлении [31, 32]. Особенно актуальнымиявляются задачи по разработке высокоскоростного формирования сквозныхотверстий в пластинах карбида кремния, требующихся при создании рядаприборов и изделий микросистемной техники [31-34]. Например, глубокиеотверстия в подложках SiC, сформированных с обратной стороны (практическидо активной области прибора), предназначаются для формирования заземляющихконтактов в результате заполнения их металлом [31, 32], вследствие чего процесс16ПХТSiCдолженудовлетворятьтребованиямпоминимизациидефектообразования по всей поверхности профиля травления.Известно, что при формировании глубоких отверстий в подложках,изготовленных из SiC, имеет место дефектообразование и боковой подтрав наповерхности дна окон травления [35, 36].
При этом типичные скорости травлениямогут варьироваться от 350 до более 1мкм/мин. К настоящему временинаилучшие, с точки зрения величины скорости травления, результаты былиполучены при использовании плазмохимического травления в газовых смесях наоснове гексафтрорида серы (SF6) с добавками O2 и/или Ar (1–2 мкм/мин [31, 32,37]). В свою очередь, при травлении карбида кремния в хлоросодержащей плазмеобразуются очень гладкие поверхности профиля травления (RMS = 0.3 нм,RMS – RootMeanSquare), но процесс характеризуется невысокими скоростями –280 нм/мин [33]. Следует отметить, что максимально высокие скорости травлениякарбида кремния во фторосодержащих плазмах были достигнуты при величинахмощности, поглощаемой в ВЧ разряде индуктивно-связанной плазмы (ИСП),порядка 2000–2500 Вт.
Травление SiC при относительно низких (менее 1000 Вт)значениях ВЧ мощности, поглощаемой в разряде ИСП, происходит существенномедленнее. Например, в работе [34] приведены следующие значения скоростейтравления: 350 нм/мин (750 Вт), 500 нм/мин (950 Вт). В работе [38] сообщалось одостижении скорости травления ∼500 нм/мин (1000 Вт). Аналогичное значениебыло получено в [39], где мощность ВЧ разряда также составляла 1000 Вт.Наконец, значительный прогресс в направлении увеличения скорости травлениякарбидакремния принизкихмощностяхВЧ разряда(1000Вт) былпродемонстрирован в [32], где авторам удалось достичь скоростей порядка 1мкм/мин.
Очевидно, что с точки зрения совершенствования данных технологий вплане снижения энергозатрат, большой интерес представляет разработкапроцессов, реализуемых при низких значениях ВЧ мощности разряда ИСП, нообеспечивающих сопоставимые величины скоростей травления при минимальномразвитии различных морфологических дефектов.17Вработе[32]авторыизучилизависимостьскороститравлениямонокристаллического карбида кремния от температуры подложкодержателя(рис.
1.4). Как видно из этого рисунка, скорость травления линейно возрастает от530 нм/мин до 830 нм/мин в диапазоне температур от 5 °С до 40 °С, затем падаетдо 750 нм/мин при температуре 50 °С. Значение мощности источника индуктивносвязанной плазмы в данном эксперименте составляло 1000 Вт.Рис. 1.4. График зависимости скорости травления SiC от температуры подложкодержателя [32].Согласно данным, приведенным в работах [33, 39, 40-44], скоростьтравления карбида кремния линейно зависит от мощности ВЧ источника,напряжения смещения и имеет сложный характер зависимости от давления(рис.
1.5) в реакционной камере и процентного содержания кислорода в газовойсмеси SF6/O2 (рис. 1.3.4).Рис. 1.5. График зависимости скорости травления SiC от давления в реакционной камере [41].18Авторам работы [41] удалось достичь рекордных скоростей травленияпорядка 2 мкм/мин, однако стоит отметить, что травление проводилось в системеИСП, укомплектованной системой многополюсного магнитного поля, что взначительной степени увеличивает плотность плазмы и соответственно скоростьтравления, причем такое значение скорости было достигнуто при мощности ВЧисточника 1800 Вт. Как видно из графика, представленного на рис. 1.5, приотносительно малой мощности (1000 Вт), скорость травления растет с 500 нм/миндо 1100 нм/мин с понижением давления от 50 мТорр до 10 мТорр.Рис. 1.6. График зависимости скорости травления SiC от процентного содержания кислорода вобщей газовой смеси SF6/O2 [40].Максимальное значение скорости травления карбида кремния достигаетсяпри процентном содержании кислорода 25% (рис.
1.6), после чего идет спад дополной остановки процесса травления.Стоит отметить, что на сегодняшний день одной из серьезных проблем приглубоком травлении 6H-SiC, является возникновение специфических дефектов(так называемых «пилларов» (рис. 1.7)), представляющих собой вертикальновозвышающиеся над поверхностью травления структуры (столбики). Механизмыобразования пилларов были изучены в работах [15, 32, 36, 37, 45, 46]. Былопоказано, что их появление может быть связано с самоорганизацией нелетучихчастиц (рис. 1.8), возникающих в процессе травления, или с образованиемсоединений SiOx, SiFxOy или CFx, скорость травления которых существенно ниже19скорости травления SiC в SF6/O2 плазме, или с несовершенством кристаллическойструктуры карбида кремния (рис.
1.9).Рис. 1.7. Микрофотографии пилларов на дне окон травления SiC [37].Рис. 1.8. Микрофотография дна окна травления SiC с эффектом микромаскирования [45].Рис. 1.9. Механизм образования пилларов во время процесса травления SiC [36].Результаты выполненного анализа имеющихся литературных данныхпоказывают, что формирование глубоких структур на подложках карбида20кремния является актуальной задачей [31, 32, 36, 37]. Основной проблемой, скоторой сталкиваются исследователи, является возникновение дефектов на дневытравливаемых окон. Авторы работ [15, 32, 36, 37, 45, 46] изучили механизмыдефектообразования и предложили возможные пути решения данной проблемы[33], которые, однако, приводят к снижению производительности процесса(снижение скорости травления).
Падение скорости травления обычно пытаютсяпредотвратитьповышениеммощностиВЧисточникаилиувеличениемнапряжением смещения, подаваемого на подложку, что ведет к значительномуудорожанию как оборудования, так и получаемого изделия. Следует отметить, чтоявно в недостаточной степени изучен вопрос создания глубоких (более 150 мкм)бездефектных структур на подложках SiC с высокими скоростями (более700 нм/мин) [47]. Типичные глубины вытравливаемых объектов лежат вдиапазоне 20–100 мкм [41, 48, 49].Результаты аналитического обзора литературы свидетельствуют о том, чтоданные о термостимулированных процессах плазмохимического травления SiC вшироком диапазоне температур (100-350 °С) отсутствуют. В связи с этим особыйинтереспредставляетизучениетермостимулированногопроцессаплазмохимического травления монокристаллического карбида кремния с цельюопределения характера влияния температуры на скорость травления и качествообрабатываемой поверхности, установление возможности его использования дляполучения глубоких и гладких структур на основе SiC при использованииисточника индуктивно связанной плазмы с малой ВЧ мощностью (менее 1000 Вт).1.3.2 Монокристаллический кварц и особенности его плазмохимическоготравленияДиоксид кремния SiO2 является единственным устойчивым оксидомкремния и образует множество полиморфных модификаций, которые, согласнодиаграмме Феннера [50], подразделяются на главные модификации (кварц,тридимит и кристобалит), каждая из которых имеет несколько разновидностей –модификаций второго порядка.
К модификациям второго порядка относятся α- и21β-кварц, α-, β- и γ-тридимит, α- и β- кристобалит. Во всех разнообразных формахSiO2 (включая кварцевое стекло) каждый атом кремния тетраэдрически окруженатомами кислорода, а каждый атом кислорода связан с двумя атомами кремния[51, 52]. Широко распространенной в природе модификаций SiO2 является αкварц (устойчив при атмосферном давлении при температурах ниже 573 °С [50]),поэтому именно эту модификацию принято называть просто кварцем.
Отсутствиеплоскостей и центра симметрии у кристаллов α-кварца является причинойналичия у него пьезоэлектрических и пироэлектрических свойств.Кварц и кварцевое стекло нашли широкое применение в различныхотраслях электроники и оптики, поскольку обладают высокой термической,механической и химической стойкостью, широкой спектральной областьюпрозрачности, низкой удельной электрической проводимостью и т.д., (некоторыесвойства кварца приведены в таблице 1.2). Так, например, они используются вкачествематериалачувствительногоэлементатвердотельныхволновыхгироскопов, при изготовлении дифракционных и голограммных оптическихэлементов,корпусовспециализированныхинтегральныхсхем,подложекгибридных интегральных схем СВЧ диапазона, кварцевых генераторов, а такжеразнообразных микроэлектромеханических устройств [12, 13, 53-62].
Кроме того,кварц широко используется в стекольной и керамической промышленности,служит сырьем при производстве огнеупорных материалов и при полученииособо чистого кремния, а также используется в ювелирной промышленности вкачестве поделочного камня.Кристаллы кварца имеют вид шестигранной призмы, ограниченной сверху иснизу двумя шестигранными пирамидами (рис. 1.10). В таком кристаллевыделяют оси трех типов – механические, электрические и оптические. Ось,соединяющую точки в вершинах пирамид, называют оптической осью Z.
Ось,проходящую по диагонали через противоположные углы шестиугольника вплоскости, перпендикулярной оси Z, называют электрической осью X, а ось,расположенную перпендикулярно граням кристалла – механической осьюY.Помимо прямых срезов (срезов, перпендикулярных осям X и Y) можно получить22множество разнообразных косых срезов, вращая плоскость среза вокруг однойили более осей (см.
рис. 1.10). В электроникепри создании кварцевыхрезонаторов применяются пластины различных срезов (ST, AT, Z, X и др.) [63],вырезанные из искусственно выращенного кристалла, при этом резонанснаячастота конечного изделия зависит от геометрических размеров пластины, видасреза (его ориентации) и режимов колебаний.Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
