Навигация по таблицам
- Таблица 1: Основные параметры плазмохимического травления материалов
- Таблица 2: Газовые смеси для травления различных материалов
- Таблица 3: Селективность травления материалов
- Таблица 4: Типичные режимы процесса Bosch для глубокого травления кремния
Основные параметры плазмохимического травления материалов
| Материал | Рабочий газ | Давление, Па | ВЧ мощность, Вт | Скорость травления, нм/мин | Температура, °C |
|---|---|---|---|---|---|
| Кремний (Si) | SF6 + O2 | 1-10 | 800-2700 | 300-500 | 20-100 |
| Диоксид кремния (SiO2) | CF4 + CHF3 | 2-20 | 200-1000 | 50-200 | 20-150 |
| Нитрид кремния (Si3N4) | CF4 + O2 | 5-50 | 300-800 | 40-150 | 100-300 |
| Алюминий (Al) | Cl2 + BCl3 | 1-5 | 400-1200 | 200-800 | 60-120 |
| Вольфрам (W) | SF6 + CF4 | 2-15 | 600-1500 | 30-100 | 80-200 |
| Медь (Cu) | Cl2 + Ar | 1-8 | 300-900 | 150-600 | 25-80 |
Газовые смеси для травления различных материалов
| Материал | Основной газ | Добавки | Соотношение | Механизм травления | Анизотропия |
|---|---|---|---|---|---|
| Кремний | SF6 | O2, C4F8 | 100:10:20 | Химическое + физическое | Высокая |
| SiO2 термический | CF4 | CHF3, H2 | 80:20:5 | Химическое | Средняя |
| SiO2 осажденный | CF4 | O2 | 90:10 | Химическое | Низкая |
| Si3N4 | CF4 | O2, CHF3 | 70:15:15 | Химическое | Средняя |
| Алюминий | Cl2 | BCl3, Ar | 50:30:20 | Химическое + физическое | Высокая |
| Полиимид | O2 | CF4, N2 | 80:10:10 | Химическое окисление | Низкая |
Селективность травления материалов
| Материал 1 | Материал 2 | Газовая смесь | Селективность (1:2) | Применение |
|---|---|---|---|---|
| Кремний | SiO2 | SF6 + C4F8 | 100:1 | Глубокое травление |
| SiO2 | Кремний | CF4 + CHF3 | 20:1 | Вскрытие контактов |
| Si3N4 | SiO2 | CF4 + O2 | 8:1 | Селективное удаление нитрида |
| Алюминий | Фоторезист | Cl2 + BCl3 | 15:1 | Травление металлизации |
| Вольфрам | SiO2 | SF6 + CF4 | 50:1 | Планаризация вольфрама |
| Фоторезист | SiO2 | O2 | 1000:1 | Удаление резиста |
Типичные режимы процесса Bosch для глубокого травления кремния
| Параметр | Стандартный режим | Высокоскоростной | Ультрабыстрый | Единицы |
|---|---|---|---|---|
| ICP мощность | 800 | 2700 | 2700 | Вт |
| CCP мощность | 8 | 10 | 10 | Вт |
| Поток SF6 | 130 | 500 | 500 | sccm |
| Время травления | 7 | 1.6 | 0.2 | с |
| Поток C4F8 | 100 | 25 | 40 | sccm |
| Время пассивации | 5 | 4 | 5 | с |
| Скорость травления | 3 | 9 | 8 | мкм/мин |
| Селективность Si:Резист | 40:1 | 120:1 | 300:1 | - |
Оглавление статьи
- Введение в плазмохимическое травление
- Физико-химические принципы процесса
- Оборудование и технологические параметры
- Травление различных материалов
- Преимущества и ограничения метода
- Применение в микроэлектронике и МЭМС
- Современные тенденции и перспективы развития
- Часто задаваемые вопросы
Введение в плазмохимическое травление
Плазмохимическое травление представляет собой передовой технологический процесс удаления материала с поверхности подложки, основанный на совместном действии химически активных частиц плазмы и физического распыления ионами. Этот метод стал фундаментальной технологией в производстве полупроводниковых приборов, микроэлектромеханических систем и наноструктур.
В отличие от традиционного жидкостного травления, плазмохимический процесс обеспечивает высокую точность, анизотропию и возможность обработки широкого спектра материалов в контролируемых условиях. Технология позволяет создавать структуры с вертикальными стенками, минимальным боковым подтравливанием и высокой селективностью к маскирующим слоям.
Физико-химические принципы процесса
Механизм плазмохимического травления включает несколько взаимосвязанных этапов. Первоначально плазмообразующий газ поступает в реакционную камеру, где под действием высокочастотного электрического поля происходит ионизация и диссоциация молекул с образованием химически активных частиц: атомов, радикалов и ионов.
Ключевые процессы включают доставку активных частиц к обрабатываемой поверхности, адсорбцию реагентов, химические реакции с образованием летучих соединений и десорбцию продуктов реакции. Скорость процесса определяется наиболее медленной стадией, которой обычно является химическая реакция на поверхности или десорбция продуктов.
Для травления кремния в плазме SF6 основная реакция: Si + 4F → SiF4
При потоке F-радикалов 10^16 см^-2·с^-1 и коэффициенте прилипания 0.3:
Скорость = (10^16 × 0.3 × 28) / (5×10^22) = 168 нм/мин
Активные частицы в плазме
В фторсодержащей плазме основными травящими частицами являются атомы фтора и радикалы CF3, CF2, CF. Атомы фтора обладают высокой реакционной способностью и обеспечивают изотропное травление, в то время как ионы CF3+ способствуют анизотропному процессу за счет направленной бомбардировки.
Энергия ионов в плазмохимическом травлении обычно не превышает 100 эВ, что значительно меньше порога распыления большинства материалов. Это обеспечивает преимущественно химический механизм удаления материала с высокой селективностью.
Оборудование и технологические параметры
Современные установки плазмохимического травления включают реакционную камеру с системой откачки, генератор высокочастотного напряжения, систему подачи газов и контроля параметров процесса. Наиболее распространены реакторы с индуктивно-связанной плазмой (ICP), обеспечивающие высокую плотность плазмы при относительно низких давлениях.
Ключевые технологические параметры включают состав газовой смеси, давление в камере, мощность высокочастотного разряда, температуру подложки и время процесса. Оптимизация этих параметров позволяет достичь требуемой скорости травления, селективности и качества профиля структур.
Системы контроля процесса
Современные установки оснащены системами оптического мониторинга окончания процесса, позволяющими в реальном времени отслеживать изменение интенсивности характеристических линий плазмы. Это обеспечивает точный контроль глубины травления и предотвращает перетравливание подложки.
Травление различных материалов
Каждый материал требует индивидуального подбора газовой смеси и режимов травления. Кремний эффективно травится в фторсодержащей плазме с образованием летучего тетрафторида кремния. Для достижения высокой анизотропии используется процесс Bosch с циклическим чередованием стадий травления и пассивации.
Особенности травления диэлектриков
Диоксид кремния требует более агрессивных условий травления из-за прочности связей Si-O. Термически выращенный оксид травится медленнее осажденного из газовой фазы. Добавление водорода в газовую смесь улучшает селективность к кремниевой подложке за счет образования полимерных защитных пленок.
Нитрид кремния характеризуется еще большей химической стойкостью. Эффективное травление достигается при добавлении кислорода, способствующего образованию летучих соединений азота. Скорость травления нитрида обычно в 3-5 раз меньше скорости травления кремния.
Металлизация и многослойные структуры
Травление металлов осуществляется в хлорсодержащей плазме. Алюминий эффективно травится в смеси хлора и трихлорида бора при температуре 60-120°C. Вольфрам требует применения фторсодержащих газов при повышенных температурах до 200°C.
Преимущества и ограничения метода
Плазмохимическое травление обладает рядом существенных преимуществ перед альтернативными методами. Высокая анизотропия позволяет создавать структуры с отношением глубины к ширине более 20:1. Процесс является сухим и экологически безопасным, исключает использование токсичных жидких реагентов.
Возможность точного контроля параметров обеспечивает воспроизводимость результатов и высокое качество обработки. Совместимость с групповой обработкой пластин повышает производительность технологического процесса.
Ограничения и проблемы
Основные ограничения связаны с селективностью травления некоторых материалов, возможностью зарядки диэлектрических поверхностей и нагревом подложки в процессе обработки. Образование полимерных отложений может снижать скорость травления и качество профиля структур.
Высокая стоимость оборудования и эксплуатационных материалов ограничивает применение технологии в некоторых областях. Требуется квалифицированный персонал для настройки и обслуживания сложного технологического оборудования.
Применение в микроэлектронике и МЭМС
В микроэлектронике плазмохимическое травление используется для создания изоляционных канавок, вскрытия контактных окон, формирования межсоединений и удаления фоторезиста. Технология является основой для производства современных интегральных схем с топологическими нормами менее 10 нм.
В области МЭМС плазмохимическое травление позволяет создавать трехмерные микроструктуры: подвижные элементы датчиков, микроканалы для микрофлюидных устройств, мембраны микрофонов и акселерометров. Процесс обеспечивает формирование структур с аспектным отношением до 50:1.
Специализированные применения
В производстве солнечных элементов технология используется для текстурирования поверхности кремниевых пластин с целью снижения отражения света. В оптоэлектронике плазмохимическое травление применяется для формирования волноводов, дифракционных решеток и фотонных кристаллов.
Для травления канавки глубиной 10 мкм в кремнии со скоростью 300 нм/мин:
Время = 10000 нм / 300 нм/мин = 33.3 мин
С учетом неравномерности (±10%) реальное время составит 35-37 мин.
Современные тенденции и перспективы развития
Развитие технологии плазмохимического травления направлено на повышение селективности, увеличение скорости обработки и улучшение контроля профиля структур. Активно разрабатываются новые газовые химии для травления перспективных материалов: нитрида галлия, карбида кремния, графена и двумерных материалов.
Внедрение систем искусственного интеллекта для автоматической оптимизации параметров процесса позволяет повысить воспроизводимость и качество обработки. Развитие атомно-слоевого травления обеспечивает контроль процесса на уровне отдельных атомных слоев.
Экологические аспекты
Увеличивается внимание к экологическим аспектам технологии. Разрабатываются системы утилизации отходящих газов, снижения потребления фторсодержащих реагентов и повышения энергоэффективности оборудования. Перспективным направлением является использование экологически безопасных газовых смесей.
