Ионно-плазменные (сухие) методы травления

 

Повышение степени миниатюризации микросистем привело к необходимости формирования на поверхности пластин элементов с субмикронными размерами. Методы жидкостного травления

не обеспечивают требуемого для этих целей разрешения. Это послужило стимулом к развитию различных ионно-плазменных методов. Под термином «ионно-плазменное травление» принято понимать процесс контролируемого удаления материала с поверхности обрабатываемой пластины под воздействием ионов низкотемпературной плазмы в среде инертных газов или в среде, содержа-

щей активные газы.

Все многообразие ионно-плазменных методов разделяют на три группы: ионное, плазмохимическое и ионно-химическое травление. При ионном травлении для удаления поверхностного слоя материала используется кинетическая энергия бомбардирующих поверхность ионов инертных газов. Иногда этот процесс называют физическим распылением поверхности. Ионы, бомбардирующие поверхность мишени (пластины), передают поверхностным атомам свою кинетическую энергию, в результате чего поверхностные атомы выбиваются с поверхности. Скорость распыления при этом обычно невысока (0,1 − 1 нм/с) и зависит от массы ионов газа (обычно используют Ar), энергии ионов, рода распыляемого материала, давления газа в газоразрядной камере и других технологических параметров.

Данный способ отличается высокой анизотропией: травление идет преимущественно в том направлении, в котором ионы бомбардируют поверхность пластины. Если травление осуществляется через маску, то размеры вытравленных областей практически совпадают с размерами окон в маске. Это существенное преимущество перед жидкостным травлением, в котором заметную роль

играет боковое подтравливание. Однако ионное травление практически не обладает избирательностью. Поэтому использовать его для локального травления (травление через маску) весьма затруднительно, поскольку наряду с пластиной будет распыляться и маска, сформированная на поверхности методом фотолитографии. Поэтому ионное травление применяется в основном для очистки поверхности от загрязнений.

Более универсальным является плазмохимическое травление. В данном методе газовый разряд возбуждается в химически активных газах, что приводит к образованию химически активных частиц (ионов и радикалов). Химически активные частицы, взаимодействуя с поверхностью, образуют летучие соединения, которые с помощью системы откачки удаляются из зоны реакции. В отличие от ионного травления данный метод отличается высокой избирательностью (селективностью) травления. Его можно применять для масок толщиной 0,1 − 0,3 мкм, так как эффект физического распыления практически отсутствует (энергия ионов не превышает 100 эВ). Однако анизотропия травления значительно хуже, чем при ионном травлении. Скорость травления примерно равна 2− 10 нм/с.

Номенклатура используемых газов для плазмохимического травления довольно широка. Например, для травления кремния используют смеси фторсодержащих или хлорсодержащих газов с кислородом, водородом или азотом. Галогены использовать нельзя, так как они разрушают практически все конструкционные материалы в промышленных установках для плазмохимического травления. Рассмотрим в качестве примера плазмохимическое травление кремния четырехфтористым углеродом. При столкновениях ускоренных электронов с нейтральными молекулами CF4 возникает газовый разряд и образуются химически активные частицы F*и CF3*, а также ионы F⁻ и CF3⁺ в соответствии с реакциями: CF₄ + е- → CF3* + F* + е^-, CF4 + е^- →CF3⁺+ F* + 2е^-, CF4 + е ^- → CF3* + F⁻. Экспериментально установлено, что преобладающей из всех трех реакций является 1-я реакция. Химически активные частицы F* и CF3* осаждаются на поверхность кремния, причем частицы CF3* могут диссоциировать с образованием F* и углерода, а могут и не диссоциировать. Образование углерода на поверхности является нежелательным побочным явлением, поскольку это приводит к загрязнению поверхности кремниевой пластины. Химически активные частицы F* взаимодействуют с кремнием: 4F* + Si → SiF4. Образующиеся в результате этих реакций соединения SiF4 десорбируются и удаляются системой откачки. Параллельно с этим идет реакция4F* + С → СF4. Продукт реакции CF4 также десорбируется и удаляется.

Существенную роль играет добавление в четырехфтористый углерод кислорода, молекулы которого в камере ионизируются и вступают во взаимодействие с поверхностью кремниевой пластины, окисляя ее. Как отмечалось выше, часть химически активных частиц CF3* не диссоциирует на частицы F* и углерод. При воздействии CF3* на окисленную поверхность кремния присутствие

кислорода препятствует образованию свободного углерода на поверхности за счет образования летучих соединений СО и СО2. Наличие молекул кислорода в газовой фазе при плазмохимическом травлении кремния еще в большей степени способствует очистке поверхности от следов углерода, увеличивая тем самым скорость травления.

Наиболее широкие возможности открывает метод ионно-химического травления, называемый также реактивным ионным травлением. В нем для удаления поверхностного слоя материала используется как кинетическая энергия ионов химически активных газов, так и энергия их химических реакций с атомами или молекулами объекта травления. Обработка поверхности объекта в этом случае ведется ионами химически активных газов с энергией до 500 эВ, а также химически активными нейтральными атомами и радикалами. Скорость травления примерно равна 0,3 − 3 нм/с.

При возникновении газового разряда в химически активном газе наряду с химически активными частицами образуются также ионы газа. Как уже отмечалось выше, при анализе реакций в газоразрядной плазме преобладают химически активные частицы. Их доля обычно составляет десятки процентов, а доля ионов не превышает единиц процентов. Поэтому основную роль при ион но-химическом травлении играют нейтральные химически активные частицы, физическое распыление материала ионами играет второстепенную роль. При этом эффекты физического распыления и химического взаимодействия не аддитивны: физическое распыление активизирует химические реакции, а химические реакции, ослабляя связи поверхностных атомов, способствуют физическому распылению.

Метод ионно-химического травления отличается высокой анизотропией, что позволяет обеспечивать высокое разрешение при осуществлении фотолитографии, и удовлетворительной селективностью, существенно превышающей аналогичный показатель для чисто ионного травления.

В таблице приведем сравнительный анализ основных характеристик жидкостных и ионно-плазменных методов травления по скорости травления, анизотропии (отношение скоростей травления по нормали к поверхности и в тангенциальном направлении), а также по селективности травления. В таблице не представлены значения скорости жидкостного травления, поскольку они могут изменяться в очень широком интервале в зависимости от используемого травителя, материала объекта травления, технологических режимов и так далее. Из приведенных данных видно, что жидкостное травление обладает минимальными свойствами анизотропии, то есть материал травится примерно с одинаковой скоростью во всех направлениях (если не учитывать зависимость скорости травления от кристаллографического направления). Максимальная анизотропия (а значит, и максимально возможная разрешающая способность) присуща ионному

травлению, однако оно обладает слабой избирательностью (селективностью). По совокупности свойств наиболее предпочтительными являются методы плазмохимического и ионно-химического травления.

Разработаны несколько сухих методов, включающих физическое и химическое травление или их сочетание и обеспечивающих как изотропное, так и анизотропное травление, Основным преимуществом всех сухих способов по сравнению с мокрыми являются более широкие возможности варьирования профиля травления и отсутствие эффектов поверхностного натяжения жидкой фазы, вызывающих слипание. Наиболее распространенным в МЭМС технологии сухим методом является реактивное ионное травление (Reactive Ione Etching, RIE), сочетающее изотропное химическое травление с анизотропным физическим травлением. Ионы, образующиеся при формировании высокочастотной плазмы в газовой фазе, химически взаимодействуют с вытравливаемой поверхность и одновременно выбивают атомы из нее за счет физического (механического) воздействия. Заданный профиль бокового подтравливания обеспечивается регулированием как химических, так и физических процессов.

Революцию в МЭМС технологии, в том числе в изготовлении инерционных датчиков, произвел процесс глубокого ионного травления (Deep Reactive Ione Etching, DRIE), позволяющий вытравливать глубокие канавки с высоким характеристическим отношение и вертикальными стенками и получать подвешенные балки, геометрические параметры которых подавляют нежелательные моды колебаний, и электроды с большими областями перекрывания и малым расстоянием между ними. Эта технология базируется на BOSH-процессе, разработанном фирмой BOSH в конце 1980-х годов, и заключается в многократных циклах пассивирования стенок и травления дна канавок или углублений в камере с индуктивно-связанной плазмой (ICP) (Рис.1.4).

В последние годы использование глубокого ионного травления позволило ликвидировать ряд проблем, возникающих при травлении пластин SOI (кремний на изоляторе), в частности подтравливание кремния у поверхности оксида кремния). Минимизации этого эффекта добились уменьшением количества (диссипации) зарядов на поверхности SiO₂ моуляцией во времени высокочастотного напряжения, создающего плазму.

 

а) б) в)

Типичный цикл BOSH-процесса глубокого ионного травления: плазма C₄F₈ создает пассивирующий полимерный слой (а); ускоренные вертикально ионы удаляют этот слой с основания углубления (б); плазма SF₆ вытравливает освобожденное место (в)

 

Образование подтрава кремния вблизи поверхности оксида кремния (а) и вид вытравленных методом DRIE углублений на поверхности кремниевой пластины с минимизаций подтравливания.