Исследования и разработка технологических систем на базе ВЧ индукционного разряда для реактивного ионно-плазменного травления микро- и наноструктур

В обзоре обобщаются результаты экспериментальных исследований ВЧ индукционного разряда, полученные в течение последних лет, представлены математические модели разряда, позволяющие повысить эффективность разработки нового плазменного технологического оборудования. Особое внимание уделяетя однородност...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2009
Автор:	Дудин, С.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України 2009
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/7983
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Исследования и разработка технологических систем на базе ВЧ индукционного разряда для реактивного ионно-плазменного травления микро- и наноструктур / С.В. Дудин // Физическая инженерия поверхности. — 2009. — Т. 7, № 3. — С. 171-194. — Бібліогр.: 44 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-7983
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-79832010-04-26T12:01:22Z Исследования и разработка технологических систем на базе ВЧ индукционного разряда для реактивного ионно-плазменного травления микро- и наноструктур Дудин, С.В. В обзоре обобщаются результаты экспериментальных исследований ВЧ индукционного разряда, полученные в течение последних лет, представлены математические модели разряда, позволяющие повысить эффективность разработки нового плазменного технологического оборудования. Особое внимание уделяетя однородности потока ионов из плазмы на обрабатываемую поверхность. Кроме того, описана конструкция плазмохимического реактора, основанного на ВЧ индукционном разряде, и изложены результаты разработки современных технологических процессов травления наноструктур с его помощью. У огляді узагальнюються результати експериментальних досліджень ВЧ індукційного розряду, одержані протягом останніх років, представлені математичні моделі розряду, що дозволяють підвищити ефективність розробки нового плазмового технологічного обладнання. Особлива увага приділяється однорідності потоку іонів із плазми на оброблювану поверхню. Крім того, описана конструкція плазмохімічного реактора, заснованого на ВЧ індукційному розряді, і викладені результати розробки сучасних технологічних процесів травління наноструктур із його допомогою. In the review results of experimental researches of RF ICP, carried out for the last few years are summarized, mathematical models of the discharge are presented, allowing to increase efficiency of development of the new plasma process equipment. Special attention is paid to homogeneity of ion current from the plasma to the processed surface. Besides the construction of plasma-chemical reactor based on RF ICP is described, and results of development of modern technological processes of nanostructure etching are presented. 2009 Article Исследования и разработка технологических систем на базе ВЧ индукционного разряда для реактивного ионно-плазменного травления микро- и наноструктур / С.В. Дудин // Физическая инженерия поверхности. — 2009. — Т. 7, № 3. — С. 171-194. — Бібліогр.: 44 назв. — рос. 1999-8074 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/7983 533.924 ru Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	В обзоре обобщаются результаты экспериментальных исследований ВЧ индукционного разряда, полученные в течение последних лет, представлены математические модели разряда, позволяющие повысить эффективность разработки нового плазменного технологического оборудования. Особое внимание уделяетя однородности потока ионов из плазмы на обрабатываемую поверхность. Кроме того, описана конструкция плазмохимического реактора, основанного на ВЧ индукционном разряде, и изложены результаты разработки современных технологических процессов травления наноструктур с его помощью.
format	Article
author	Дудин, С.В.
spellingShingle	Дудин, С.В. Исследования и разработка технологических систем на базе ВЧ индукционного разряда для реактивного ионно-плазменного травления микро- и наноструктур
author_facet	Дудин, С.В.
author_sort	Дудин, С.В.
title	Исследования и разработка технологических систем на базе ВЧ индукционного разряда для реактивного ионно-плазменного травления микро- и наноструктур
title_short	Исследования и разработка технологических систем на базе ВЧ индукционного разряда для реактивного ионно-плазменного травления микро- и наноструктур
title_full	Исследования и разработка технологических систем на базе ВЧ индукционного разряда для реактивного ионно-плазменного травления микро- и наноструктур
title_fullStr	Исследования и разработка технологических систем на базе ВЧ индукционного разряда для реактивного ионно-плазменного травления микро- и наноструктур
title_full_unstemmed	Исследования и разработка технологических систем на базе ВЧ индукционного разряда для реактивного ионно-плазменного травления микро- и наноструктур
title_sort	исследования и разработка технологических систем на базе вч индукционного разряда для реактивного ионно-плазменного травления микро- и наноструктур
publisher	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
publishDate	2009
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/7983
citation_txt	Исследования и разработка технологических систем на базе ВЧ индукционного разряда для реактивного ионно-плазменного травления микро- и наноструктур / С.В. Дудин // Физическая инженерия поверхности. — 2009. — Т. 7, № 3. — С. 171-194. — Бібліогр.: 44 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT dudinsv issledovaniâirazrabotkatehnologičeskihsistemnabazevčindukcionnogorazrâdadlâreaktivnogoionnoplazmennogotravleniâmikroinanostruktur
first_indexed	2025-07-02T10:44:55Z
last_indexed	2025-07-02T10:44:55Z
_version_	1836531681859731456
fulltext	ФІП ФИП PSE, 2009, т. 7, № 3, vol. 7, No. 3 171 ВВЕДЕНИЕ За последние 15 лет ВЧ разряд индукцион- ного типа (ВЧИР) получил широкое рас- пространение в разнообразных технологи- ческих применениях и стал одних из основ- ных инструментов технологии микро- и наноэлектроники. На его основе созданы ре- акторы плазмохимического травления, ис- точники плазмы, активаторы реактивных га- зов и т.п. [1 – 6]. Обладая относительной про- стотой технической реализации этот тип раз- ряда позволяет создавать однородную плазму высокой плотности в больших объемах, де- монстрируя при этом прекрасную масштаби- руемость. При помощи дополнительного ВЧ смещения поток ионов из плазмы ВЧ индук- ционного разряда (ВЧИР) может быть легко ускорен в направлении обрабатываемой по- верхности, причем достигается непосредст- венное управление энергией ионов, начиная от 20 эВ и до сотен эВ. Поскольку ВЧИР яв- ляется безэлектродным, на его основе можно создавать устройства, работающие с хими- чески активными и агрессивными газами, до- стигая при этом высокой химической чистоты обработки. Вот далеко неполный перечень достоинств ВЧИР, обеспечивших его повсе- местное применение. История индукционного разряда насчи- тывает почти столько же лет, что и изобрете- ние электричества: первое сообщение Хит- торфа о “безэлектродном кольцевом разряде” относится к 1884 году. Но только в 1970-х го- дах с изобретением индукционных плазмо- тронов атмосферного давления ВЧИР нашел широкое технологическое применение. В УДК 533.924 ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА БАЗЕ ВЧ ИНДУКЦИОННОГО РАЗРЯДА ДЛЯ РЕАКТИВНОГО ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО ТРАВЛЕНИЯ МИКРО- И НАНОСТРУКТУР С.В. Дудин Харьковский национальный университет имени В.Н.Каразина, Украина Поступила в редакцию 25.08.2009 В обзоре обобщаются результаты экспериментальных исследований ВЧ индукционного раз- ряда, полученные в течение последних лет, представлены математические модели разряда, позволяющие повысить эффективность разработки нового плазменного технологического обо- рудования. Особое внимание уделяетя однородности потока ионов из плазмы на обрабаты- ваемую поверхность. Кроме того, описана конструкция плазмохимического реактора, осно- ванного на ВЧ индукционном разряде, и изложены результаты разработки современных тех- нологических процессов травления наноструктур с его помощью. Ключевые слова: ВЧ индукционный разряд, плазмохимический реактор, плазменное травле- ние. У огляді узагальнюються результати експериментальних досліджень ВЧ індукційного розряду, одержані протягом останніх років, представлені математичні моделі розряду, що дозволяють підвищити ефективність розробки нового плазмового технологічного обладнання. Особлива увага приділяється однорідності потоку іонів із плазми на оброблювану поверхню. Крім того, описана конструкція плазмохімічного реактора, заснованого на ВЧ індукційному розряді, і викладені результати розробки сучасних технологічних процесів травління наноструктур із його допомогою. Ключові слова: ВЧ індукційний розряд, плазмохімічний реактор, плазмове травління. In the review results of experimental researches of RF ICP, carried out for the last few years are sum- marized, mathematical models of the discharge are presented, allowing to increase efficiency of development of the new plasma process equipment. Special attention is paid to homogeneity of ion current from the plasma to the processed surface. Besides the construction of plasma-chemical reac- tor based on RF ICP is described, and results of development of modern technological processes of nanostructure etching are presented. Keywords: RF inductive discharge, ICP, plasma-chemical reactor, plasma etching. ФІП ФИП PSE, 2009, т. 7, № 3, vol. 7, No. 3172 ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА БАЗЕ ВЧ ИНДУКЦИОННОГО РАЗРЯДА ДЛЯ РЕАКТИВНОГО ... конце 1980-х возник повышенный интерес к индукционным разрядам низкого давления в связи с растущими потребностями микро- электроники при производстве элементов субмикронных размеров. К 2000 г плазмен- ный реакторы, основанные на ВЧИР стали де- факто стандартом в ионно-плазменном трав- лении при производстве микроэлектронных устройств. В западной литературе начало “эры” ин- дукционного разряда обычно связывают с первыми патентами 1990 г [7]. Например, в обзоре [6] было сказано, что первые системы для плазменной обработки на базе ВЧИ разряда были разработаны в Японии и США в конце 80-х – начале 90-х годов 20 века и приведены ссылки на патенты, заявки на ко- торые были поданы в 1989 г. В то же время, в Отраслевой научно-исследовательской лабо- ратории диагностики плазменных техноло- гических процессов (ОНИЛ ДПТП) Харь- ковского государственного университета (сейчас Харьковский национальный уни- верситет имени В.Н. Каразина) еще с начала 80-х годов проводились систематические фундаментальные и прикладные исследо- вания ВЧИ разряда и способов формирования интенсивных низкоэнергетичных потоков ионов, результатом которых явилась разра- ботка серии плазменных технологических систем на базе ВЧИР с диаметром разрядной камеры от 50 до 300 мм для осуществления процессов плазмохимического, реактивного ионно-плазменного и ионно-лучевого трав- ления [8 – 10], а заявки на соответствующие патенты были поданы еще в 1987-89 гг [11 – 13]. Таким образом, эти работы во многом опередили время, однако информационная изолированность Советского Союза привела к тому, что они были неизвестны в мире. В тот период были разработаны и изготовлены экспериментальные специализированные ус- тановки “Контур-02”, “Контур-04”, “Каш- тан-5”, “Контур-05” и “Контур-06”, и прове- ден цикл работ по апробации и технологи- ческому обеспечению этих установок для производства элементов оптоэлектроники, быстродействующих микроэлектронных приборов, финишной полировки лазерной оптики, плазменного проявления многослой- ного кремнийорганического резиста, размер- ного травления кремния и т. д. Поскольку, после развала СССР отечест- венная микроэлектронная промышленность, которая была основным заказчиком этих ра- бот, оказалась в глубоком кризисе, в 90-е годы интенсивность прикладных работ в ОНИЛ ДПТП снизилась, однако деятельность в об- ласти ВЧИ плазменных устройств не пре- кратилась. В эти годы был проведен ряд фун- даментальных исследовательских работ [14 – 23], выполнение которых позволило выйти на более высокий уровень понимания фи- зических процессов в ВЧ индукционном раз- ряде и перейти от эмпирического подхода при конструировании плазменных технологичес- ких устройств к осознанному, обоснованному выбору параметров их элементов. Наиболее полно результаты описанных ра- бот в области ВЧИР вплоть до начала 2000-х годов отражены в обзорах [18, 24]. Однако, активная деятельность в этом направлении продолжается и по сей день, и с момента пуб- ликации этих работ получено много новых результатов, что и явилось побудительным мотивом для написания настоящей статьи. В последние годы вектор научной активности сместился в направлении разработки мате- матических моделей разряда, пригодных для моделирования реальных технологических устройств в процессе их разработки, изуче- ния импеданса плазмы, исследования факто- ров, влияющих на однородность плазменной обработки, и, наконец, выполнения хоздого- ворных работ в рамках межотраслевой научно-технической программы “Программа развития наиболее конкурентоспособных направлений микроэлектроники в Украине”, что позволило выйти на новый виток разра- ботки современных плазменных технологи- ческих устройств и технологий. Ниже пред- ставлены основные результаты этих работ, включая не вошедшие в другие публикации. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ МЕТОДИК Описанные в данном разделе эксперимента- льные исследования были выполнены в Лабо- ратории диагностики плазменных технологи- ческих процессов кафедры физических тех- нологий физико-технического факультета ФІП ФИП PSE, 2009, т. 7, № 3, vol. 7, No. 3 173 С.В. ДУДИН ХНУ имени В.Н.Каразина в процессе раз- работки универсального модуля для плазмо- химического и реактивного ионно-плазмен- ного травления. Это устройство является раз- витием конструкций плазменных реакторов, описанных в [9 – 13]. Принципиальная схема и фотография плазменного реактора изображены на рис. 1. Газоразрядная камера с металлическими стенками имеет радиус R = 7 см и высоту L = 6 см. Крышка камеры из термостойкого стекла и медный индуктор охлаждается пото- ком воздуха с помощью вентилятора, распо- ложенного на крышке камеры. В нижней час- ти камеры находится электрод-подложкодер- жатель из нержавеющей стали (диаметр ра- бочей области – 100мм), на котором во время травления располагается обрабатываемая полупроводниковая пластина. Высокочастот- ная энергия вводится в плазму при помощи трехвиткового индуктора, который через со- гласующее устройство подключен к ВЧ гене- ратору с рабочей частотой 13,56 МГц. Подво- димая ВЧ мощность может меняться в диапа- зоне 50 – 500 Вт. ВЧ мощность на охлаждае- мый проточной водой подложкодержатель подается от того же генератора, что и на ин- дуктор, при этом используется дополнитель- ное согласующее устройство с переменной индуктивностью, что позволяет плавно регу- лировать ВЧ смещение на подложкодержа- тель. Рабочий объем откачивается турбомоле- кулярным насосом до остаточного давления порядка 10–5 Торр. Рабочее давление нахо- дится в пределах от 2·10–4 до 5 Торр. Посадоч- ное место реактора рассчитано на сопряже- ние со стандартным высоковакуумным пос- том. В данной работе в качестве вакуумной системы использовался вакуумный пост, укомплектованный турбомолекулярным на- сосом 01АВ-1500 и дополненный блоком пи- тания Lenze 8200 Vector, адаптированным для работы в условиях ВЧ помех. Необходимость использования нового блока была обуслов- лена невозможностью работы штатного бло- ка питания БП-267 совместно с ВЧ генера- тором. Даже небольшой уровень ВЧ помех приводил к немедленному выходу блока из строя. Применение блока Lenze 8200 Vector позволило полностью решить эту проблему. Помимо устойчивости к высокочастотным помехам, данный блок питания позволил зна- чительно уменьшить время выхода насоса на рабочий режим: с 15 – 20 минут на штатном блоке питания до 3 – 4 минут при использо- вании блока Lenze 8200 Vector. Дополните- льным полезным свойством этого блока пи- тания является возможность принудительной Рис. 1. Принципиальная схема и фотография плазмо- химического реактора. ФІП ФИП PSE, 2009, т. 7, № 3, vol. 7, No. 3174 ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА БАЗЕ ВЧ ИНДУКЦИОННОГО РАЗРЯДА ДЛЯ РЕАКТИВНОГО ... остановки ротора турбомолекулярного на- соса. При этом кинетическая энергия ротора выделяется в тормозном резисторе. Время полной остановки насоса составляет не более 3 минут. Описанная система откачки обеспе- чивает время достижения остаточного давле- ния 10–4 Тор не более 10 минут, 10–5 Тор – около 30 минут. Измерения радиальных профилей плот- ности тока ионов на обрабатываемую поверх- ность проводились с помощью подвижного плоского зонда размерами 1×1 см с 5 мм ох- ранным кольцом из слюды для предотвраще- ния краевых эффектов. Также были проведе- ны измерения радиальных параметров плаз- мы с помощью подвижного ленгмюровского цилиндрического зонда диаметром 0,2 мм и длинной 2 мм. Подвижный ленгмюровский зонд перемещался в плоскости на расстоянии 40 мм от подложкодержателя. Измерение и обработка зондовых характе- ристик проводились при помощи универсаль- ного измерителя параметров газоразрядной плазмы “Плазмометр” [25, 26], разработанно- го в лаборатории диагностики плазменных технологических процессов ХНУ и предна- значенного для автоматизированного изме- рения ключевых стационарных параметров лабораторной и технологической газоразряд- ной плазмы и их пространственных распре- делений. Измеряемыми параметрами были: потенциал плазмы, плавающий потенциал, плотность электронов и положительных ионов, температура и энергетический спектр электронов. Прибор работал под управлени- ем компьютера, оснащенного сервисным про- граммным обеспечением, позволяющим пол- ностью автоматизировать процесс измерения и обработки информации. В основу Плазмо- метра положен метод ленгмюровского зонда с комбинированной электронной и численной обработкой зондового сигнала зонда. Данны- ми, снимаемыми с зонда электронным кон- троллером, являются ВАХ и зависимости производных зондового тока от потенциала зонда, измеряемые по усовершенствованной модуляционной методике, позволяющей дос- тичь высокой чувствительности (вплоть до 3 ÷ 4 порядков по амплитуде) при измерении высокоэнергетичного “хвоста” функции рас- пределения электронов по энергии даже в не- стационарной плазме. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ОПЕРАТИВНОГО КОНТРОЛЯ ПРОЦЕССА ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО ТРАВЛЕНИЯ В РЕАКТОРЕ НА БАЗЕ ВЧ ИНДУКЦИОННОГО РАЗРЯДА Высокое, повторяемое качество продукции мо- гут гарантировать только устройства, в которых технологический процесс полностью автома- тизирован. При этом одним из ключевых фак- торов в достижении стабильного качества яв- ляется оперативный контроль параметров технологического процесса и его подробное протоколирование. Решение этой задачи в ус- тановках плазмохимического травления на базе ВЧ разрядов требует разработки специ- альных измерительных устройств, а также обычно осложнено высоким уровнем высо- кочастотных помех. Для работы с описанным плазменным ре- актором была специально разработана авто- матизированная система мониторинга техно- логического процесса плазмохимического травления в реакторе на базе ВЧ индукцион- ного разряда, позволяющая в условиях ин- тенсивных ВЧ помех измерять основные па- раметры процесса, отображать на экране ком- пьютера их текущие значения и временные зависимости, а также записывать протокол технологического процесса [27]. Блок-схема ВЧ питания и подключения из- мерительной системы показана на рис. 2. Вы- сокочастотная мощность подводится к реак- тору от ВЧ генератора ГТВЭ-1000 (частота 13,56 МГц, мощность 0-1000 Вт) при помощи согласующего устройства (СУ), которое обес- печивает согласование фиксированного ве- щественного выходного сопротивления гене- ратора с переменным комплексным импедан- сом плазменной нагрузки. Данное согласую- щее устройство одновременно обеспечивает ВЧ питанием как индуктор, создающий плаз- му в объеме реактора, так и электрод-подлож- кодержатель, что обеспечивает ускорение ионов плазмы в направлении обрабатывае- мой поверхности. Помимо давления газа и мощности ВЧ ге- нератора, которые измеряются стандартными промышленными измерительными прибора- ФІП ФИП PSE, 2009, т. 7, № 3, vol. 7, No. 3 175 С.В. ДУДИН ми, в данной системе необходимо контроли- ровать еще 4 специфических параметра: - амплитуда ВЧ напряжения на индукторе Uind; - амплитуда ВЧ напряжения на электроде- подложкодержателе UAC; - постоянное напряжение автосмещения на электроде-подложкодержателе UDC; - плотность тока ионов из плазмы ВЧ ин- дукционного разряда ji. Во избежание искажения сигналов и излу- чения высокочастотных помех проводники, которыми измерительная система подклю- чается к ВЧ цепям, должны быть минимально возможной длины. В связи с этим система из- мерения разбита на несколько блоков: дели- тели напряжения и детекторная часть распо- ложены непосредственно на установке мак- симально близко к источникам измеряемых сигналов; затем сигнал (уже в виде постоян- ного напряжения) поступает на плату сопря- жения с компьютером, расположенную на расстоянии нескольких метров от установки. Поскольку в системе присутствуют значи- тельные ВЧ напряжения (до нескольких кило- вольт) и ВЧ токи (десятки ампер), особое вни- мание должно быть уделено защите от вы- сокочастотных помех. Обязательным услови- ем является экранирование детекторных це- пей и ВЧ развязка между ними и платой со- пряжение с компьютером. Для измерение амплитуды ВЧ напряжений на индукторе и потенциальном электроде в работе [27] были разработаны амплитудные детекторы ВЧ напряжения, выполненные по схеме емкостного делителя напряжения с по- следующим выпрямлением сигнала при по- мощи диодно-конденсаторной выпрямитель- ной схемы с удвоением входного напряжения. Следует отметить, что при измерении напря- жения на индукторе возникает следующая специфическая проблема: измеряемой вели- чиной является переменная разность потен- циалов между его выводами, причем ни один из них не подключен к корпусу, на обоих вы- водах присутствует ВЧ напряжение, которое может достигать нескольких киловольт. В то же время, выходной сигнал должен быть при- вязан к “земле”. Для решения этой проблемы в работе [27] была разработана специальная измерительная схема, позволяющая измерять дифференциальное ВЧ напряжение на индук- торе в диапазоне 0,5 – 5 кВ. При измерении постоянного напряжения автосмещения электрода-подложкодержателя основной проблемой является наличие на электроде ВЧ напряжения с амплитудой, пре- вышающей измеряемое постоянное напряже- ние. Для блокирования переменной составля- ющей в [27] применен простейший RC фильтр, который позволяет снизить ампли- туду ВЧ сигнала до уровня десятков милли- вольт. Описанные выше решения обеспечивают возможность подключения системы измере- ния к персональному компьютеру. В работе [27] компьютер был подключен к системе из- мерения с помощью платы согласования PCI- 1710HG производства компании Advantech, которая позволяет оцифровывать с 12-бит- ным разрешением до 16 потенциальных или до 8 дифференциальных сигналов в диапа- зоне напряжения от 10 мВ до 10 В. Входными сигналами для платы сопряжения с компью- тером являются 4 сигнала, приведенных к стандартному уровню напряжения 0 – 5 В: постоянное и переменное напряжение на электроде-подложкодержателе, амплитуда напряжения на выводах индуктора и ток пло- ского зонда. Для повышения помехозащи- щенности все входы включены по дифферен- циальной схеме. Опыт эксплуатации установок с ВЧ разря- дами показывает, что их специфической осо- бенностью является большой уровень высо- Рис. 2. Блок-схема подключения ВЧ питания и изме- рительной системы. 1- индуктор, 2 – электрод-под- ложкодержатель, 3 – плоский зонд, ГВЧ – генератор высокой частоты, СУ – согласующее устройство, СИ – система измерения, ТП – терминальная плата, ПС – плата сопряжения, ПК – персональный компьютер. ФІП ФИП PSE, 2009, т. 7, № 3, vol. 7, No. 3176 ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА БАЗЕ ВЧ ИНДУКЦИОННОГО РАЗРЯДА ДЛЯ РЕАКТИВНОГО ... кочастотных помех, что может являться се- рьезной проблемой при измерениях. Зачас- тую конструирование системы измерения осложняется тем фактом, что корпус реакто- ра, корпус согласующего устройства и общий провод системы измерения оторваны по вы- сокой частоте от “земли” установки. К этому прибегают, чтобы избежать появления “зем- ляных петель”, приводящих к повышению уровня ВЧ помех. Таким образом, измеряе- мые сигналы (напряжение 1 – 5 В) могут быть замаскированы ВЧ наводкой, превышающей по амплитуде полезный сигнал на 1 – 2 поряд- ка. Для подавления этих помех в работе [27] были применены RC фильтры, смонтирован- ные на терминальной плате PCLD-8710 про- изводства компании Advantech. Все 8 фильт- ров имеют идентичную конструкцию и сос- тоят из резистора сопротивлением 750 кОм, включенного последовательно с источником сигнала, и конденсатора емкостью 0,1 мкФ, шунтирующего аналоговые входы на анало- говую “землю” платы. Таким образом посто- янная времени фильтра составляет порядка 0,1 секунды, что позволяет эффективно подавить как ВЧ помехи частотой 13,56 МГц, так и сетевые помехи частотой 50 Гц. Высоко- омные резисторы на всех аналоговых входах выполняют еще и защитную функцию. По- скольку в данной системе присутствуют вы- сокие напряжения (до нескольких кило- вольт), существует потенциальная возмож- ность попадания этого напряжения на входы платы аналогового ввода при сбоях, неисп- равностях и т.п. В этом случае аналоговые входы платы, рассчитанные на максимальное напряжение 10 В, неизбежно выйдут из строя. В выбранной конфигурации системы фильт- ров абсолютно все цепи (включая “земля- ные”) подключаются к плате через высокоом- ные резисторы, благодаря чему, даже при по- падании на вход фильтра напряжения в не- сколько киловольт, входной ток не превысит нескольких миллиампер, что является безо- пасным для выбранной платы. Подключение к измерительной системе компьютера, естественно, требует разработки специального программного обеспечения. В частности, в [27] описано программное обес- печение, обслуживающее измерительную систему технологической установки с реакто- ром ВЧ индукционного типа. Функции про- граммного обеспечения сводятся к масштаби- рованию входных сигналов, построению вре- менных зависимостей и их записи в файл. В течение технологического процесса на экране компьютера в реальном масштабе времени отображаются измеренные значения основ- ных параметров системы, а также их зависи- мость от времени. Система позволяет также записывать протокол технологического про- цесса на жесткий диск компьютера. На рис. 3. в графическом виде представлен запи- санный протокол процесса травления оксида кремния на временной зависимости хорошо видны основные стадии процесса: на 3 секун- де был включен ВЧ генератор, на 20 секунде произошел пробой плазмы, затем следует процесс начального формирования парамет- Рис. 3. Записанный протокол процесса травления оксида кремния. ФІП ФИП PSE, 2009, т. 7, № 3, vol. 7, No. 3 177 С.В. ДУДИН ров разряда в течение 10 – 20 сек, и стабиль- ная фаза процесса травления. Таким образом, применение описанной системы позволяет подробно изучить все ста- дии технологического процесса плазменного травления, включая быстротекущие переход- ные процессы, повысить точность и надеж- ность измерения параметров разряда. Гра- фическое представление временных зависи- мостей параметров разряда позволяет оце- нить стабильность основных технологичес- ких факторов, а запись протокола процесса может быть полезна при анализе результатов травления. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В данном разделе представлены результаты систематических экспериментальных иссле- дований реактора для плазмохимического травления на базе ВЧ индукционного разряда. Проведены измерения интегральных пара- метров разряда (давления, напряжения на ин- дукторе, вводимой ВЧ мощности), зондовые измерения пространственного распределения локальных параметров плазмы (плотность плазмы, температура и функция распределе- ния электронов по энергии) и радиальных профилей плотности тока ионов на обрабаты- ваемую поверхность. Измеренные зависимо- сти существенно отличаются для инертного газа (Ar) и молекулярных (O2, N2, CF4). Прове- дено сравнение полученных результатов с расчетами, выполненными с использованием глобальной пространственно усредненной модели и двумерной гидродинамической мо- дели. ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ПОТОКА ИОНОВ ИЗ ПЛАЗМЫ ВЧ ИНДУКЦИОННОГО РАЗРЯДА НА ОБРАБАТЫВАЕМУЮ ПОВЕРХНОСТЬ Прежде всего, подчеркнем, что плотность то- ка ионов из плазмы на обрабатываемую по- верхность j и ее радиальное распределение являются одними из важнейших характерис- тик плазмохимического реактора с приклад- ной точки зрения, а достижение высокой плотности тока при условии максимальной однородности является одной из основных задач при конструировании плазменных тех- нологических устройств. В связи с этим, при изучении физических и технологических па- раметров описанного реактора особое внима- ние было уделено именно изучению законо- мерностей формирования радиальных про- филей j. При этом измерения проводились с использованием в качестве рабочего газа как аргона, наиболее удобного для эксперимента- льных исследований и моделирования, так и молекулярных химически-активных газов, широко используемых в технологии. Рис. 4. Типичные радиальные профили ионной плот- ности тока j на поверхности подложкодержателя. а) – рабочий газ – аргон, б) – рабочий газ – фреон (CF4). а) б) ФІП ФИП PSE, 2009, т. 7, № 3, vol. 7, No. 3178 ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА БАЗЕ ВЧ ИНДУКЦИОННОГО РАЗРЯДА ДЛЯ РЕАКТИВНОГО ... Типичные радиальные профили плотнос- ти ионного тока насыщения j из плазмы на поверхность подложки представлены на рис. 4 для различных давлений аргона и фреона (CF4) при подводимой ВЧ мощности 100 Вт. Измерения, выполненные при различ- ных значениях ВЧ мощности показали, что в диапазоне мощностей 50 – 500 Вт плотность ионного тока j пропорциональна мощности, а форма радиального профиля j(r) практи- чески не изменяется. Как видно из рис. 4а, при использовании в качестве рабочего газа аргона для давления p < 350 мТорр профиль плотности ионного тока j выпуклый, с максимумом на оси разря- да; для p > 350 мТорр появляется минимум на оси камеры, с максимумами вне оси. В этом диапазоне отношение максимальной плотности тока к плотности тока на оси уве- личивается с давлением. Примечательным яв- ляется немонотонное поведение степени не- однородности ионного тока при изменении давления. При уменьшении давления ниже 10–3 Торр профиль становится более выпук- лым и однородность ухудшается. Наилучшая однородность (±6%) достигается при давле- нии около 2⋅10–3 Торр, а затем, при уве- личении давления однородность снова ухуд- шается (до ±22% при давлении 6⋅10–2 Торр). Дальнейший рост давления приводит к улуч- шению однородности вплоть до ±6%, но при давленях выше 1 Торр однородность ион- ного потока вновь ухудшается вследствие по- явления минимума в центре. Ухудшение однородности ионного потока на обрабатываемую поверхность при высо- ком давлении легко объяснимо, если принять во внимание тот факт, что вследствие умень- шения электронной теплопроводности при высоких давлениях индукционный разряд вырождается в тор, находящийся в прииндук- торной области. В то же время, аналогичное явление при давлении между 10–3 и 10–2 Торр объяснить сложнее. По-видимому, это связа- но с немаксвелловским характером иониза- ции вблизи индуктора, где есть большое электрическое поле, и колебательная энергия электронов становится соспоставимой с теп- ловой. Дополнительная энергия электронов обусловливает повышение скорости иониза- ции в прииндукторной области, в связи с чем наблюдается подъем плотности тока ионов на периферии подложкодержателя. На рис. 4б показаны аналогичные зависи- мости для фреона. Очевидна более высокая однородность в сравнении с аргоном во всем диапазоне давлений. Неоднородность в луч- шем случае составляет ±4%, в худшем – ±7%. Здесь необходимо отметить, что диапазон давлений, в котором возможно существова- ния разряда для фреона значительно уже, чем для аргона. С учетом этого, поведение радиа- льного профиля ионного тока при использо- вании фреона в качестве рабочего газа качест- венно подобно случаю аргона с некоторыми количественными отличиями. Минимум в центре начинает появляться уже при давле- ниях, превышающих 5⋅10–2 Торр, то есть поч- ти на порядок ниже, чем для аргона. Этот факт, также, как и невозможность горения разряда на фреоне при давлениях выше 2⋅10–1 Торр, тогда как на в аргоновой атмо- сфере индукционный разряд может сущест- вовать при давлениях выше 5 Торр, можно объяснить наличием у молекулярных газов достаточно больших сечений возбуждения молекулярных колебаний при энергиях в еди- ницы электронвольт. Это приводит к тому, что энергия, поглощаемая плазмой от поля индук- тора, расходуется, в основном, на возбужде- ние молекулярных колебаний вблизи индуктора, и количество электронов с энер- гией, достаточной для ионизации, резко со- кращается, особенно в центре разряда. У ар- гона же, напротив, отсутствуют сечения неуп- ругих процессов вплоть до энергии 11,5 эВ, что при температуре электронов около 2 эВ, характерных для высоких давлений, означает возможность передачи энергии теплового движения электронов на значительные рас- стояния без потерь. На рис. 5 представлены зависимости ион- ного тока насыщения плоского зонда j и ам- плитуды ВЧ напряжения на индукторе Uind от давления рабочего газа при ВЧ мощности Р = 200 Вт для различных газов. Очевидно, что эти зависимости принципиально различ- ны для аргона и молекулярных газов. Мы ФІП ФИП PSE, 2009, т. 7, № 3, vol. 7, No. 3 179 С.В. ДУДИН имеем монотонное увеличение j и уменьше- ние Uind с ростом давления для аргона, тогда как для молекулярных газов и при высоком и низком давлениях ионный ток насыщения зонда монотонно уменьшается. Для аргона ионный ток всегда выше, Uind всегда ниже, а область эффективной ионизации – на поря- док выше по шкале давлений. ЗОНДОВЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПЛАЗМЫ ВЧ ИНДУКЦИОННОГО РАЗРЯДА В предыдущем разделе основное внимание было уделено изучению потока ионов из плаз- мы на обрабатываемую поверхность, который является тем “инструментом”, который про- изводит необходимое воздействие на нее. Однако, понимание закономерностей форми- рования этого потока невозможно без пони- мания процессов, происходящих в объеме плазмы. Данный раздел посвящен экспери- ментальному изучению параметров плазмы и их пространственных распределений. Рис. 6 показывает эволюцию функции рас- пределения электронов по энергии (ФРЭЭ) при изменении давления аргона в газораз- рядной камере. Из рисунка видно монотонное уменьшение средней энергии электронов с ростом давления. При давлениях ниже 2 мТорр электронный энергетический спектр становится явно двухтемпературным, при более высоких давлениях, он является макс- велловским с подавленным высокоэнергетич- ным “хвостом”, и при самых высоких давле- ниях его форму подобна распределению Дрю- вестейна. Функцию распределения при низ- ких давлениях можно условно разделить на три части: два экспоненциальных (линейных в логарифмическом масштабе) участка, кото- рым можно поставить в соответствие “макс- велловские” температуры, и быстро спадаю- щий “хвост”, как и при остальных давлениях. Двухтемпературная ФРЭЭ была обнаружена также и в других системах с ВЧ индукцион- ным разрядом низкого давления, в частности в источнике отрицательных ионов BATMAN, разработанном в Институте физики плазмы им. Макса Планка [26]. а) б) Рис. 5. а) зависимости ионного тока насыщения сте- ночного зонда j, от давления рабочего газа при ВЧ мощности Р = 200 Вт для различных газов. б) ампли- туда ВЧ напряжения на индукторе Uind от давления ра- бочего газа при ВЧ мощности Р = 200 Вт для раз- личных газов. Рис. 6. Эволюция функции распределения электронов по энергии (ФРЭЭ) при изменении давления в газораз- рядной камере. ФІП ФИП PSE, 2009, т. 7, № 3, vol. 7, No. 3180 ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА БАЗЕ ВЧ ИНДУКЦИОННОГО РАЗРЯДА ДЛЯ РЕАКТИВНОГО ... На рис. 7 для сравнения приведены энерге- тические спектры электронов для двух давле- ний водорода. Аналогично рис. 6, функция распределения электронов, максвелловская с высокой точностью при средних и высоких давлениях, становится явно двухтемператур- ной при низких давлениях. Рис. 8 показывает зависимости потенциа- ла плазмы ϕpl и электронной температуры Te в центре камеры от давления аргона. При низ- ких давлениях график электронной темпера- туры раздваивается вследствие двухтемпера- турного характера ФРЭЭ. Типичные радиальные профили плотнос- ти плазмы на расстоянии 40 мм от подложко- держателя представлены на рис. 9 для раз- личных давлений аргона. Измерения были выполнены при ВЧ мощности 100 Вт. Было установлено, что для аргона в диапазоне мощ- ностей 50 500 Вт плотность плазмы пропор- циональна мощности, и форма радиального профиля плотности плазмы практически не изменяется. Как видно из рис. 9, для давле- ния p = 2,1⋅10–2 Торр профиль ионной плот- ности плазмы является выпуклым, с макси- мумом в центре, а при p = 610–2 Торр появля- ется провал в центре. При дальнейшем уве- личении давления максимум опять переме- щается в центр, и для давлений больше p = 1,4⋅10–1 Торр профиль становится вогну- тым, с максимумом вблизи индуктора. Отно- сительно высокая однородность плазмы до- стигается при давлении p ≈ 200 мТорр. Оче- видно, что характер эволюции радиального распределения плотности плазмы при изме- нении давления в камере коррелирует с ана- логичной зависимостью для плотности тока ионов на подложкодержатель (рис. 4), с той лишь разницей, что появление минимума плотности плазмы на оси разряда происходит при более низком давлении. Это можно объя- снить тем, что торообразная структура разря- да, уже сформированная при давлениях 2 – 3⋅10–1 Торр, еще не приводит к образованию провала в центре радиального распределения плотности тока, поскольку тор находится на достаточно большом расстоянии над под- ложкодержателем, и у потока ионов, рас- пространяющегося во все стороны от макси- мума плотности плазмы, есть возможность равномеризоваться на пути к обрабатываемой поверхности. На рис. 9 также показаны радиальные рас- пределения температуры электронов при раз- личных давлениях аргона. Видно, что при низких давлениях электронная температура приблизительно постоянна по всему объему камеры, тогда как при высоких давлениях Te имеет максимум в прииндукторной области, в которой происходит ввод ВЧ мощности в плазму. При замене аргона молекулярными газами (N2, O2, CF4) зависимости пространственных Рис. 7. Максвелловское распределение электронов по энергиям, характерное для средних давлений, и двух- температурная ФРЭЭ, типичная для низких давлений. Измерено в источнике отрицательных ионов BATMAN. Рабочий газ – водород. Рис. 8. Потенциал плазмы ϕpl и температура электро- нов Te в центре камеры. При низком давлении график Te раздваивается из-за двухтемпературного характера ФРЭЭ. ФІП ФИП PSE, 2009, т. 7, № 3, vol. 7, No. 3 181 С.В. ДУДИН распределений параметров плазмы от давле- ния нейтрального газа меняется. Экспери- ментальные зависимости электронной темпе- ратуры и плотности от расстояния до оси в плоскости z = 40 мм для различных значений давления СF4 в газоразрядной камере реак- тора представлены на рис. 9 в сравнении с аналогичными зависимостями для аргона. В области низких давлений р < 50мТорр прост- ранственное распределение температуры электронов достаточно однородно. С ростом давления наблюдается рост Te в прииндуктор- ной области. Такое изменение профиля связано с локализацией области нагрева электронов ВЧ полем. Как видно из рис. 9, распределение плотности электронов по ра- диусу гораздо более однородно, чем анало- гичное распределение для аргона в широком диапазоне давлений. Это находится в соот- ветствии с радиальным профилем тока ионов (рис. 4), но для объяснения этого факта необ- ходимы более детальные исследования. По- видимому это связано с электроотрицатель- ностью фтора и фторсодержащих газов, кото- рая приводит к образованию большого коли- чества отрицательных ионов, которые су- щественно меняют картину физических про- цессов в разряде. Зондовые измерения фикси- руют наличие в разряде отрицательных ионов с плотностями, в некоторых случаях превы- шающими плотность электронов в несколько раз, однако для получения детальной коли- чественной информации об этом требуются дополнительные эксперменты. Принципиально разный баланс частиц в разряде с использованием аргона и фреона Рис. 9. Типичные радиальные профили плотности плазмы и температуры электронов на расстоянии 40 мм от подложкодержателя. ВЧ мощность – 100 Вт. ФІП ФИП PSE, 2009, т. 7, № 3, vol. 7, No. 3182 ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА БАЗЕ ВЧ ИНДУКЦИОННОГО РАЗРЯДА ДЛЯ РЕАКТИВНОГО ... подтверждает также рис. 10, на котором пока- заны зависимости электронной плотности ne в центре камеры от давления аргона и СF4. Так же, как и для ионного тока из плазмы, мы видим значительное превышение коли- чества заряженных частиц в аргоновой плаз- ме, что выглядит естественным, учитывая по- вышенные неупругие потери энергии в моле- кулярных газах, что приводит к снижению до- ли мощности, идущей на ионизацию, особен- но при высоких давлениях. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЧИ РАЗРЯДА В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ При конструировании плазменных техноло- гических устройств одним из ключевых фак- торов является формирование пространст- венных распределений заряженных и хими- чески активных частиц в объеме газоразряд- ной камеры. При этом наибольший интерес представляет распределение потоков частиц на обрабатываемую поверхность, а основной задачей, как правило, является достижение высокой однородности этих потоков. Реше- ние этой задачи осложняется тем, что разряд- ная камера в технологических устройствах может иметь достаточно сложную геомет- рию, процессы передачи энергии в плазме, рождения и ухода заряженных частиц сложны и нелинейны, а равномерный ввод энергии в ВЧИ плазму практически невозможен вслед- ствие скинирования поля индуктора, которое имеет вихревую природу. Поэтому точный от- вет на вопрос о пространственных распреде- ления параметров заряженных частиц в кон- кретном устройстве может дать только экспе- риментальное их измерение. Однако, экспе- римент лишь констатирует ситуацию, а разра- ботка новых плазменных устройств предпо- лагает последовательные изменения конст- рукции с постепенным приближением к же- лаемому результату. Таким образом, эмпири- ческий путь разработки конструкции плаз- менного реактора требует изготовления раз- личных вариантов элементов реактора и мо- жет оказаться долгим, трудоемким и дорого- стоящим. Очевидно, что хорошим инструментом для разработки плазменных технологических устройств могут быть математические моде- ли газового разряда, но только при условии, что они позволяют быстрое интерактивное изменение параметров и геометрии системы, а также имеют высокую доказанную досто- верность полученных результатов. Слож- ность задачи не позволяет надеяться на ее аналитическое решение либо установление точных функциональных закономерностей. Наиболее адекватным подходом в данном случае является построение численной дву- мерной (технологические устройства, как правило, имеют вращательную симметрию) компьютерной модели, которая не имеет ог- раничений по конфигурации камеры, ин- дуктора, сложности сечений элементарных процессов в различных газах. В то же время, современный уровень развития физики газо- вого разряда не позволяет создавать матема- тические модели, абсолютно точно описыва- ющие реальные устройства. Поэтому, единст- венно возможным подходом в данном случае являются комплексные теоретические и экс- периментальные исследования. Таким иссле- дованиям пространственных распределений параметров плазмы и однородности потока ионов на обрабатываемую поверхность и по- священ этот раздел. Прежде чем приступать к моделированию систем со сложной геометрией целесообраз- но добиться достоверных (подтверждаемых экспериментально) результатов при модели- ровании простых систем. Такая модель была Рис. 10. Графики зависимости плотности электронов при R = 0, Z = 40 мм от давления газа в камере. Подво- димая ВЧ мощность –100 Вт. ФІП ФИП PSE, 2009, т. 7, № 3, vol. 7, No. 3 183 С.В. ДУДИН описана в статье [28], где исследуется вопрос однородности потока ионов на торец газо- разрядной камеры цилиндрической формы и пространственных распределений парамет- ров плазмы в камере, а также влияние распо- ложения индуктора (на торце или на боковой стенке камеры) на эти распределения. Экспериментальное измерение радиаль- ных распределений плотности ионного тока из ВЧИ плазмы на торец цилиндрической ка- меры длиной 10 см и диаметром 20 см при различных давлениях аргона при расположе- нии индуктора на боковой стенке камеры про- демонстрировало следующие характерные особенности: - рост абсолютного значения j по всему се- чению при снижении давления газа в диа- пазоне 0,1 – 10–3 Торр; - высокая однородность j на 60% радиуса при р ≈ 20 мТорр; - появление максимума j на периферии раз- ряда при р > 20 мТорр, и их относительное увеличение с ростом давления; - появление максимума j в центре разряда при р < 20 мТорр; - при р < 5 мТорр форма профиля j не из- меняется, а изменяется лишь его абсолют- ная величина. Измерения были проведены при ВЧ мощ- ности 250 Вт. Было установлено, что в диапа- зоне мощностей 100 – 700 Вт величина j пропорциональна мощности, а профили j(r) практически не изменялись. Зависимости j в центре разряда (r = 0) от давления демонстри- руют наличие максимума при р = 1 – 2 мТорр, который наблюдался и в других работах [16, 17]. Для описания ВЧИ разряда в [28] была по- строена двумерная математическая модель основанная на численном решении уравне- ний амбиполярной диффузии и теплопере- носа, а также уравнений для электромагнит- ного поля. Результаты расчетов показывают, что при расположении индуктора на боковой стенке камеры в центре камеры образуется провал плотности вследствие амбиполярного ухода заряженных частиц на торцы камеры, тогда как ионизация происходит преимущест- венно в прииндукторной области, где проис- ходит поглощение энергии электрического поля плазмой. При высоких давлениях элект- ронная теплопроводность ограничена стол- кновениями и энергия, передаваемая индук- тором в плазму, не достигает областей, дале- ких от индуктора. В этом случае плазма ин- дукционного разряда существует в виде тора, что и приводит к формированию распределе- ния плотности тока на подложкодержатель с провалом в центре. При низких давлениях, когда электронная теплопроводность велика, энергия от индуктора равномерно распреде- ляется по всей камере, что приводит к фор- мированию распределений с максимумом в центре. В то же время, при расположении ин- дуктора на торце камеры распределения как плотности плазмы, так и плотности тока на торец при любых давлениях имеют максимум на оси камеры. Дальнейшее развитие описанный подход получил в работах [29 – 32], где описана двумерная гидродинамическая модель для интерактивной разработки технологических устройств на базе индуктивного разряда. В этой работе представлено разработанное про- граммное обеспечение для моделирования устройств, содержащих плазму индуктивного газового разряда. Входными данными явля- ются геометрия камеры, вводимая мощность, давление рабочего газа. В результате расчёта получаются напряжение на индукторе, рас- пределение тока ионов по поверхности раз- рядной камеры, установившиеся пространст- венные распределения электрического поля, плотности плазмы, и электронной температу- ры. Распределения искомых величин визуа- лизируются непосредственно после вычис- ления. Результаты счета тщательно сверялись с экспериментальными данными. Рассчитан- ные распределения плотности и температуры плазмы, а также распределения ионного тока на обрабатываемую поверхность являются достаточно реалистичными. Графический интерфейс, скорость расчета и непосредст- венная визуализация результата дают возмож- ность использовать данное обеспечение для интерактивной разработки технологических установок. На рис. 11 показаны примеры расчета про- странственных распределений плотности плазмы при различных давлениях газа. По- ФІП ФИП PSE, 2009, т. 7, № 3, vol. 7, No. 3184 ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА БАЗЕ ВЧ ИНДУКЦИОННОГО РАЗРЯДА ДЛЯ РЕАКТИВНОГО ... казанные распределения показывают транс- формацию формы разряда от торообразной при высоком давлении до “яйцеобразной” при низком. Рассчитанные при помощи опи- санной модели радиальные профили j при различных давлениях аргона показаны на рис. 12. Видна эволюция формы распределе- ния плотности тока от выпуклой до вогнутой. Сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными (рис. 13) по- зволяет сделать вывод о достаточно высокой достоверности модели. Оценить достоверность моделирования позволяет также рис. 14, на котором показаны плотность ионного тока j на поверхность под- ложки в центре камеры (при r = 0), а также плотность электронов Ne и температура “хо- лодной” группы электронов Te в центре каме- ры в зависимости от давления аргона. На ри- сунке экспериментальные результаты пред- ставлены в сравнении с результатами расче- тов при помощи “глобальной” и двумерной гидродинамической модели. Можно выде- лить два диапазона по давлению рабочего га- за в камере: 1) область низкого давления, где средняя длина свободного пробега заряженных частиц сопоставима или больше характе- рного размера плазмы, то есть движение частиц является, главным образом, бес- столкновительным; 2) область высокого давления, где средняя длина свободного пробега меньше харак- терного размера плазмы, движение час- тиц является столкновительным, и спра- ведливо диффузионное приближение. Из рис. 14 также видно, что эти две обла- сти давлений ограничивают диапазон приме- нимости различных математических моде- лей: при низких давлениях справедлива гло- р = 1 Торр р = 0,1 Торр р = 0,01 Торр Рис. 11. Эволюция пространственного распределения плотности плазмы и температуры электронов по резу- льтатам численного моделирования индукционного разряда в ПХТ реакторе при различных давлениях ар- гона. Рис. 12. Рассчитанные радиальные профили j при раз- личных давлениях аргона. Рис. 13. Нормированные рассчитанные радиальные профили j в сравнении с результатами эксперимента. ФІП ФИП PSE, 2009, т. 7, № 3, vol. 7, No. 3 185 С.В. ДУДИН бальная модель (Global model) [1], при более высоких – двумерная гидродинамическая мо- дель (2-D fluid model) [31]. ИССЛЕДОВАНИЯ ИМПЕДАНСА ИНДУКТОРА, СВЯЗАННОГО С ПЛАЗМОЙ Одним из основных элементов любой систе- мы с ВЧИ разрядом является согласующее устройство (СУ). Как правило СУ представ- ляет собой резонансный колебательный П-контур и обеспечивает согласование фик- сированного выходного импеданса (50 или 75 Ом) ВЧ генератора (ГВЧ) с комплексным импедансом плазмы. Электрическая схема СУ относительно проста, и при расчете эле- ментов СУ можно использовать элементар- ные электротехнические законы. Однако, бла- годаря индуктивной связи, импеданс плазмы является составной частью импеданса индук- тора в цепи СУ, который в свою очередь за- висит от параметров плазмы. Соответствен- но, настройка элементов СУ, а так же ампли- туды ВЧ тока и напряжения индуктора за- висят от параметров разряда – давления и сорта рабочего газа, поглощаемой разрядом ВЧ мощности и т.д. Поэтому расчет ВЧ цепи СУ с плазменной нагрузкой представляет собой достаточно сложную задачу. Решению этой задачи посвящены работы [33, 34], в которых описаны эксперименталь- ные и теоретические исследования импедан- са индуктора в источнике плазмы ВЧ индук- ционного типа. В этих работах представлены результаты измерений напряжения на ин- дукторе, эффективных индуктивности и со- противления, а также получены простые вы- ражения для расчета эффективного импедан- са индуктора, которые хорошо согласуются с экспериментальными результатами. Целью работы [34] было экспериментальное и тео- ретическое исследование возмущения импе- данса индуктора, возбуждающего плазму ВЧИ разряда с невысокой плотностью, при низком давлении рабочего газа. Поскольку эта работа сфокусирована на проблемах раз- работки эффективного СУ, в ней сделан ак- цент не на собственном импедансе плазмы, а на импедансе индуктора, связанного с плаз- мой (далее – эффективный импеданс ин- дуктора). Согласно [34] эффективная индуктивность индуктора Ls = L0 – ∆L (где ∆L – возмущение индуктивности индуктора, обусловленное плазменной нагрузкой), может быть опре- делена как: 2 2 1 2 2 2 11 ( ) p k s x p k C C C RL L C C R Cω ω + ⋅= + − ⋅ + ⋅ , где С1 и С2 – емкости переменных конден- саторов СУ, Ср – емкость проходного конден- сатора, xL – индуктивность подводящих про- водников. Эффективное сопротивление ин- а) б) Рис. 14. а) – зависимость плотности ионного тока j на поверхность подложки в центре камеры (при r = 0) от давления аргона; б) – плотность электронов Ne и температура “холодной” группы электронов Te в центре камеры в зависимости от давления аргона при ВЧ мощности 500 Вт. Экспериментальные результаты представлены жирными линиями. ФІП ФИП PSE, 2009, т. 7, № 3, vol. 7, No. 3186 ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА БАЗЕ ВЧ ИНДУКЦИОННОГО РАЗРЯДА ДЛЯ РЕАКТИВНОГО ... дуктора, обусловленное плазменной нагруз- кой и эквивалентное включению последова- тельно с индуктором резистора Rs можно оп- ределить через подводимую ВЧ мощность: 22 rf s in P R I = ⋅ , где in in s UI Lω = – ток, текущий в цепи индук- тора. Помимо экспериментальных измерений в работе [34] был проведен теоретический ана- лиз взаимосвязи импеданса индуктора с пара- метрами системы и были получены выраже- ния для эффективного импеданса, напряже- ния и тока индуктора: ( ) 2 2 22 R R pl s pl e M R L ω ω ⋅ = + , 0sL L≈ , 0in in sU I R i Lω= ⋅ + , 2 rf in s P I R = , где L0 – индуктивность индуктора, М – вза- имная индуктивность индуктора и плазмен- ного витка Rpl –сопротивление плазменного витка. Особо следует отметить, что в полу- ченных выражениях для эффективного импе- данса индуктора отсутствует индуктивность плазменного витка, что упрощает расчет, по- скольку точное определение геометрической индуктивности сопряжено с определенными трудностями, обусловленными неоднород- ностью плазмы, скин-эффектом и неоднород- ным распределением магнитного поля в плаз- ме, что в свою очередь приводит к зависи- мости этой величины от параметров плазмы. Результаты экспериментальных измерений Uin и расчетов величин Rs и Ls из эксперимен- тальных значений C1, C2 и Uin (Prf = 70 Вт) по- казаны на рис. 15 в сравнении с теоретически- ми результатами. На рис. 15а представлены зависимости напряжения на индукторе от да- вления рабочего газа р при фиксированной мощности, подводимой к плазме Prf = 70 Вт, рассчитанные с использованием представ- ленных выше выражений. Видно практичес- ки полное совпадение экспериментальных и теоретических результатов. На рис. 15(б, в) представлены графики зависимости эффек- тивного сопротивления индуктора и обезраз- меренной величины Ls от давления рабочего газа. Можно отметить хорошее согласие тео- ретических кривых и экспериментальных данных в диапазоне давлений ниже 5⋅10–3 Торр, в котором реализуется бесстолкнови- тельный режим; при более высоких давлени- ях длина свободного пробега ионов стано- вится сопоставимой с размерами разрядной камеры, и бесстолкновительный подход те- ряет свою применимость. АНИЗОТРОПНОЕ ТРАВЛЕНИЕ НАНОРАЗМЕРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Одним из ключевых этапов производства сов- ременных микро- и наноэлектронных компо- нентов является формирование топологичес- кого рисунка в металлических и диэлектри- ческих слоях, нанесенных на поверхность кремниевой пластины, причем характерный размер этих элементов составляет десятки – сотни нанометров. Обычно для этого исполь- зуется технология фотолитографии, в которой рисунок формируются путем травления по- верхности через маску из фоторезиста с пред- варительно сформированным изображением [35]. В настоящее время наибольшее распространение получило плазменное трав- ление в атмосфере галогенсодержащих газов с использованием органических фоторезис- тов. Однако, органические фоторезисты обла- дают рядом недостатков. Они имеют ограни- ченные стойкость к воздействию плазмы и температуры, а минимальные размеры эле- ментов ограничены собственным размером полимерной молекулы. В связи с этим в настоящее время в мире активно ведется поиск неорганических фото- резистов, свободных от этих недостатков. Одним из перспективных направлений яв- ляется использование многослойных струк- тур Bi/In. Так, в работе [36] экспериментально исследован процесс нанесения, экспониро- вания и проявления неорганической двух- слойной маски Bi/In с последующим жид- костным или плазмохимическим травлением. Локальный нагрев маски в атмосфере кисло- рода сфокусированным лазерным лучом до температуры 110 °С, соответствующей точке эвтектики, обеспечивает переход от двух- ФІП ФИП PSE, 2009, т. 7, № 3, vol. 7, No. 3 187 С.В. ДУДИН слойной структуры к однослойному оксид- ному слою. Затем для получения рисунка не- засвеченные участки могут быть удалены по- средством селективного травления. Скорость травления самой маски Bi/In оказалась на два- три порядка ниже скорости травления орга- нической маски. Кроме того, ее термическая устойчивость также выше, чем у полимерного резистного слоя. В результате стало возмож- ным увеличение скорости плазменного трав- ления, уменьшение толщины маскирующего слоя, что особенно актуально при анизотроп- ном глубинном травлении. Однако, размеры элементов, полученных в экспериментальных исследованиях, опи- санных в [36], составляли порядка несколь- ких микрометров. В то же время, наибольший интерес вызывает изучение возможности применения маски из Bi (Bi/In) для травления элементов размером менее 1 мкм, что и было предметом исследований, описанных в [37]. Очевидно, что получение лазерного луча, сфокусированного до таких размеров, и фор- мирование рисунка с субмикронным разре- шением является очень сложной самостоя- тельной задачей, поэтому в настоящей работе была применена другая оригинальная мето- дика формирования наноразмерных элемен- тов из висмута на поверхности кремния. В работе [37] в качестве подложки исполь- зовались пластины монокристаллического кремния, покрытые пленкой SiO2 толщиной 250 нм. Выбор островков висмута в качестве маски обусловлен тем, что указанный ме- талл имеет низкую температуру плавления (271 °С), что позволяет получать наноразмер- ные структуры путем плавления пленок на подложках без значительной термической на- грузки последних. Кроме того, фазовая диа- грамма Bi с Si характеризуется практически полным отсутствием растворимости в твер- дом состоянии с образованием эвтектики, близкой по составу и температуре плавления к чистому висмуту. Методика формирования а) б) в) г) Рис. 15. Электрические характеристики ВЧ цепи индуктора. – экспериментальные результаты; ∆ – теоре- тическая кривая. ФІП ФИП PSE, 2009, т. 7, № 3, vol. 7, No. 3188 ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА БАЗЕ ВЧ ИНДУКЦИОННОГО РАЗРЯДА ДЛЯ РЕАКТИВНОГО ... островков Bi на SiO2 подложке была следую- щей. Из молекулярного пучка, образующего- ся при термическом испарении Bi (99,999%), конденсировалась сплошная пленка. После этого подложка со сплошной пленкой Bi на- гревалась до температуры ∼ 280 °С. При таких условиях на SiO2 подложках формировались металлические островки, имеющие близкую к равновесной форму и огранку. Травление оксида кремния через получен- ную маску проводилось на установке с опи- санным выше реактором плазмохимического и реактивного ионно-плазменного травления, построенном на базе комбинированного ин- дукционно-емкостного разряда. Рабочим га- зом во всех экспериментах был CF4. Выбор режимов травления был обусловлен следую- щими соображениями. Пробные эксперимен- ты показали, что если вводимая в плазму мощность превышает 100 Вт, происходит бы- строе испарение островков висмута вследст- вие перегрева. В то же время, использование более низкой мощности сужает диапазон су- ществования разряда по давлению газа. По- этому во всех экспериментах ВЧ мощность равнялась 100 – 150 Вт. Известно, что трав- ление SiO2 с практически приемлемой ско- ростью требует бомбардировки ионами с энергией не менее 100 эВ, однако рост энер- гии ионов приводит к увеличению энерго- вклада в образец, в связи с чем потенциал подложкодержателя устанавливался на уров- не –120 В, что, с учетом потенциала плазмы, обеспечивало энергию ионов порядка 150 эВ. Травление при разных давлениях показало, что анизотропный профиль травления с вер- тикальными стенками и точной передачей геометрии маски в протравленный слой наблюдается при давлениях в камере ниже 5 мТорр. При более высоких давлениях по- является боковое подтравливание под маской. Анализ результатов показал, что принци- пиальным вопросом в описываемых экспери- ментах являлся теплоотвод от капель висмута в процессе плазменного травления. Посколь- ку травление сопровождается относительно высоким энерговкладом в поверхность, а теплоотвод газом и излучением неэффектив- ны (давление газа не превышало 10–2 Тор, температура не более 300 °С), основным кана- лом отвода энергии от капель являлся поток тепла от капель через кремниевую пластину к охлаждаемому подложкодержателю. В данном случае “узким местом” является кон- такт между частицей и подложкой, площадь которого невелика вследствие плохого смачи- вания, что приводит к их сильному разогреву и испарению. При этом, естественно, первы- ми испаряются самые мелкие капли, затем все более крупные. Экспериментально была уста- новлена максимально допустимая плотность потока энергии на поверхность, составляю- щая примерно 0,5 Вт/см2. Необходимо от- метить, что если время травления не превы- шало 1 минуты, этот предел можно было пре- вышать в 2 – 3 раза без заметного уменьшения размера частиц. На рис. 16 показан результат травления в течение 1,5 мин при мощности 100 Вт (ско- рость травления 100 нм/мин). Сформированы элементы цилиндрической формы с харак- терным размером 100 нм. Хорошо виден ани- зотропный профиль травления с вертикаль- ными стенками и частицы висмута, сохранив- шиеся неизменными после травления. Пло- хое смачивание висмутом оксида кремния приводит к тому, что края маски не прилегают непосредственно к обрабатываемой поверх- ности, что потенциально может приводить к размыванию краев структур и неверной пере- даче геометрии маски. Однако, высокая ани- зотропия травления, достигнутая в описан- ном режиме, позволяет преодолеть этот недо- статок. Рис. 16 демонстрирует хорошее вос- произведение размера маски на протравлен- ной структуре, несмотря на наличие сущест- венного краевого зазора. Таким образом, в работе [37] показана принципиальная возможность формирова- ния элементов структуры размером порядка 100 нм в слое SiO2 при помощи реактивного ионно-плазменного травления с использова- нием наноразмерной островковой маски из висмута. Достигнутая при этом скорость тра- вления 100 – 200 нм/мин с высокой анизотро- пией и хорошим воспроизведением геомет- рии маски иллюстрирует перспективность использования таких масок в современных микро- и наноэлектронных технологиях. ФІП ФИП PSE, 2009, т. 7, № 3, vol. 7, No. 3 189 С.В. ДУДИН ПЛАЗМЕННОЕ ТРАВЛЕНИЕ ГЕТЕ- РОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ НИТРИДА ГАЛЛИЯ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ В течение последнего десятилетия полупро- водниковые материалы класса АIIIВV, в част- ности, полупроводники на основе нитридов металлов третьей группы получили широкое распространение и теперь играют одну из основных ролей в широком диапазоне современных полупроводниковых устройств. Это семейство, состоящее из соединений InN, GaN, AlN и их комбинаций, теперь массово применяется в светодиодах, которые испус- кают свет от ультрафиолетового до желтого и в синих лазерах. Кроме широкого примене- ния в оптоэлектронике нитридные полупро- водники также используются в высокочастот- ных, высокотемпературных и мощных мик- роэлектронных устройствах. Однако, как следствие многих из свойств, которые делают нитридные полупроводники привлекательными в вышеупомянутых элек- тронных и оптоэлектронных применениях, они оказались материалами, сложными для травления. Высокая химическая инертность и очень прочные связи в кристаллической решетке являются отличительными призна- ками нитридов элементов третьей группы в сравнении с другими полупроводниками. Энергии связи для GaN, InN и AlN состав- ляют 8,92 эВ/атом, 7,72 эВ/атом и 11,52 эВ/ атом, соответственно. Неудивительно, что условия травления нитридов значительно от- личают их от кремния, арсенида галлия и фосфида индия, полупроводников с хорошо изученными процессами травления. Поэтому для разработки эффективных механизмов травления нитридов необходимы обширные научные исследования. Ниже кратко пред- ставлены некоторые результаты предыдущих исследований. Вследствие ограниченных возможностей жидкостного травления нитридных полупро- водников [38] основные усилия технологов были направлены на разработку методов “су- хого” плазменного травления. Основным ме- тодом, применяемым для “сухого” травления Рис. 16. Микроснимки наноструктуры, формирующейся на SiO2 подложке в результате реактивного ионно- плазменного травления. ФІП ФИП PSE, 2009, т. 7, № 3, vol. 7, No. 3190 ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА БАЗЕ ВЧ ИНДУКЦИОННОГО РАЗРЯДА ДЛЯ РЕАКТИВНОГО ... GaN, является реактивное ионно-плазменное травление (РИПТ). Для образования плазмы используются высокочастотные разряды ем- костного [39], индукционного [40], магне- тронного [41] типов, а также СВЧ разряд с электронно-циклотронным резонансом [39]. Анализ литературы позволяет сделать одно- значный вывод, что для достижения прием- лемых скоростей травления нитрида галлия необходимо использовать разряды с плотной плазмой, в частности, ВЧ разряд индукцион- ного типа. Результаты экспериментов по отработке режимов травления нитрида галлия при по- мощи описанного в настоящей работе реак- тора на основе комбинированного индукци- онно-емкостного разряда представлены в ра- боте [42]. Целью этой работы была разработ- ка технологии травления многослойной гете- роструктуры на основе GaN. Такая задача воз- никает при изготовлении сверхярких белых светодиодов, которые являются одними из на- иболее перспективных источников света в связи с высокими КПД и сроком службы. На сегодняшний день в технологически разви- тых государствах ставится цель замены тра- диционных источников света светодиодами, в связи с чем совершенствование технологии изготовления последних является чрезвы- чайно актуальным. Основными требовани- ями при травлении меза-структур для свето- диодов являются: высокая скорость травле- ния, высокая анизотропия и гладкие стенки профиля травления, возможность травления всех слоев многослойной эпитаксиальной структуры в одном процессе. В работе [42] был проведен анализ на- личие летучих продуктов реакции между тра- вителем и обрабатываемым веществом при использовании различных газов, а также про- анализировано большое количество извест- ных к настоящему времени результатов по травлению нитридов галлия, алюминия и ин- дия. В результате анализа этих результатов были сделаны следующие выводы: - В качестве газа-травителя целесообразно использовать хлор- или метилсодержащие газы; - Для достижения приемлемой скорости травления необходимо использовать раз- ряды с высокой плотностью плазмы (индук- ционный разряд, разряд с ЭЦР), примене- ние ВЧ разряда емкостного типа нецелесо- образно; - Для разрыва достаточно прочной связи в кристаллической решетке нитрида галлия необходима бомбардировка ионами высо- ких энергий (как минимум 200 – 300 эВ); - Для достижения высокой скорости травле- ния рабочее давление должно быть доста- точно низким (1 – 3 мТорр). Выбор рабочего газа в [42] был обусловлен следующими соображениями. Как показал анализ литературных данных, скорость трав- ления при использовании фторсодержащих газов очень низка, поскольку фтор не обра- зует с галлием летучих соединений. Наиболь- шие скорости травления достигаются при использовании хлорсодержащих газов, од- нако в данном случае материалом маски яв- лялся диоксид кремния, который хорошо тра- вится атомами хлора, и получить необходи- мую селективность травления практически невозможно. Кроме того, высокая агрессив- ность хлорсодержащих газов и продуктов ре- акции предъявляет повышенные требования к химической стойкости оборудования и существенно снижает его ресурс. В связи с этим в качестве травителя были выбраны сме- си на основе метана CH4. Согласно литера- турным данным, при использовании метана в ICP с подачей ВЧ потенциала на подложко- держатель достигается скорость травления 50 – 150 нм/мин, что является вполне прием- лемым, поскольку для задачи травления меза- структур светодиодов означает время травле- ния 5 – 10 минут. В описанных в [42] экспериментах по тра- влению GaN давление в камере составляло 3 – 6 мТорр, подводимая ВЧ мощность 150 – 300 Вт, автосмещение подложки – порядка –250 В. Необходимо отметить, что выбранное давление находится в диапазоне наиболее эффективного плазмообразования, т.е. макси- мума зависимости плотности ионного тока из плазмы от давления. Для получения меза-структур сверху на пластинах была нанесена маска из диоксида кремния толщиной 0,15 мкм. Необходимая глубина травления составляет 0,5 мкм. Исход- ными образцами для травления были много- слойные эпитаксиальные структуры, выра- ФІП ФИП PSE, 2009, т. 7, № 3, vol. 7, No. 3 191 С.В. ДУДИН щенные на сапфировых подложках толщиной 430 мкм. Структура содержала следующие основные слои: 1. p-GaN (Mg) – 0,12 мкм, 2. p-AlGaN (Mg) – 0,03 мкм, 3. InGaN/GaN МКЯ, 4. n-GaN (Si) – 3 мкм. Результаты травления в при напряжении смещения образца –240 В и подводимой мощ- ности 150 Вт представлены на рис. 17а. Изо- бражения получены при помощи растрового электронного микроскопа Jeol JSM-840. Ско- рость травления оказалась небольшой и сос- тавила 20 нм/мин (глубина травления порядка 300 нм). Стенки протравленной структуры не вертикальные с углом наклона 60 – 70 граду- сов, что обусловлено, по-видимому, эрозией в течение процесса краев маски, имеющих меньшую толщину, чем основная часть. Для повышения скорости травления была увеличена до 200 Вт ВЧ мощность, вводимая в индукционный разряд, и повышена до 300В величина потенциала автосмещения подлож- ки. Полученные в этом режиме результаты представлены на рис. 17б, где одновременно видны как протравленная ступенька в верх- ней части рис., так и слой непротравленного GaN на сколе пластины в нижней его части. Селективность травления GaN по отноше- нию к SiO2 оказалась порядка 6:1. Скорость травления повысилась до 50 нм/мин. Протравленная была поверхность доста- точно гладкой, без дефектов, несмотря на ин- тенсивную ионную бомбардировку. Таким образом, в работе [42] были отрабо- таны технологические режимы анизотроп- ного травления многослойных структур на базе GaN для нужд современной оптоэлект- роники с использованием комбинированного индукционно-емкостного разряда в смеси ме- тана с водородом, то есть без использования агрессивных соединений, которые содержат хлор и фтор. Получена скорость травления до 100 нм/мин. и селективность относитель- но SiO2 на уровне 6:1, что демонстрирует при- годность данной технологии для использова- ния в производстве белых светодиодов. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Подводя итог описанным в настоящем обзоре работам, проведенным в течение последних лет, можно кратко сформулировать их основ- ные результаты: Комплексное экспериментальное и теоре- тическое изучение физических и радиотехни- ческих характеристик ВЧ индукционного разряда позволило оставить в прошлом эмпи- рический подход и перейти на качественно новый уровень разработки плазменных тех- нологического оборудования. Разработанные математические модели доведены до уровня достоверного численного эксперимента и яв- ляются эффективным инструментом для раз- работки практических устройств. Рис. 17. Результат травления GaN в различных режимах. а) б) ФІП ФИП PSE, 2009, т. 7, № 3, vol. 7, No. 3192 ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА БАЗЕ ВЧ ИНДУКЦИОННОГО РАЗРЯДА ДЛЯ РЕАКТИВНОГО ... Результатом этих исследований явилась разработка модуля для плазмохимического и реактивного ионно-плазменного травления, оптимально сочетающего преимущества ВЧИ разряда, как плазмообразующей ступени, с возможностью управления энергией ионов при помощи подачи ВЧ напряжения на под- ложкодержатель. Модуль совместим с про- мышленными вакуумными технологически- ми системами и может быть использован для их модернизации путем замены морально ус- таревшего плазменного реактора. Современ- ная система автоматизированного измерения и управления, которой оснащен модуль, поз- воляет применять его в самых современных технологиях. Так, например, с помощью этого реактора отработана технология анизотропного трав- ления оксида кремния. Доказана возмож- ность получения элементов с размером менее чем 100 нм в кремнии и оксиде кремния, что отвечает современному мировому уровню. Отработаны также технологические режимы анизотропного травления многослойных структур на базе GaN для нужд современной оптоэлектроники. Получена скорость травле- ния до 100 нм/мин. и селективность относи- тельно SiO2 на уровне 6:1, что демонстрирует пригодность разработанного реактора для использования в производстве белых свето- диодов. Травление проводится без использо- вания агрессивных соединений, которые со- держат хлор и фтор. К сожалению, объем статьи не позволил описать некоторые интересные направления деятельности, например разработка источни- ков ионов на базе ВЧ индукционного разряда [43, 44], однако мы надеемся сделать это в будущем. В заключение хочется выразить уверен- ность, что технологические системы на базе ВЧ разряда индукционного типа, изучению которого посвящена настоящая работа, яв- ляются актуальным и востребованными не только сегодня, но имеют также прекрасные перспективы в будущем, а следовательно ис- следования в этом направлении необходимо продолжать. Данная работа была выполнена по программам Министерства образования и науки Украины (№№ г.р. 0100U003301, 0103U004209, 0106U001574, 0102U005322), при финансовой поддержке Министерства промышленной политики Украины (НИОКР № г.р. 0102U005322). ЛИТЕРАТУРА 1. Lieberman M. A. and Lichtenberg A. J. Princip- les of Plasma Discharges and Materials Proces- sing, 2nd ed. Wiley, New York, 2004. 2. Rius G., Llobet J., Esplandiu M.J., Sole L., Bor- rise X., Perez-Murano F. Microelectronic Engi- neering. – 2009. –Vol. 86. – P. 892. 3. Minoru Sugawara, Barry L. Stansfield, Plasma etching: fundamentals and applications. Oxford University Press, USA, 1998. 4. J. Reece Roth. Industrial Plasma Engineering: Vol. 2: Applications to Nonthermal Plasma Pro- cessing. CRC Press, 2001. 5. Chen F.F., Chang J.P. Lecture notes on Princip- les of plasma processing Kluwer, 2002. – Р. 249. 6. John H Keller. Inductive plasmas for plasma pro- cessing. Plasma Sources Sci. Technol. – 1996 – Vol. 5. – P. 166-172 7. Ogle J S 1990 US Patent 4,948,458 8. Бизюков В.И., Будянский А.М., Покроев А.Г., Фареник В.И. Экспериментальная автомати- ческая установка плазмохимического травле- ния индивидуальной обработки “Контур-02” с реактором комбинированного типа//Меж- отраслевой научно-технический семинар “Физические основы и новые направления плазменной технологии в микроэлектро- нике”. Мат. семинара. – Харьков. – 1989. – С. 99-100. 9. Будянский А.М., Качанов Ю.А., Фареник В.И. Экспериментальная установка ПХТ “Контур- 04” с индукционным возбуждением разряда //Межотраслевой научно-технический семи- нар “Физические основы и новые направле- ния плазменной технологии в микроэлектро- нике”. Мат. семинара. – Харьков. – 1989. – С. 105-106. 10. Будянский А.М., Зыков А.В., Фареник В.И. ВЧ индукционный источник низкоэнерге- тичных ионов//Межотраслевой научно-тех- нический семинар “Физические основы и новые направления плазменной технологии в микроэлектронике”. Мат. семинара. – Харь- ков. – 1991. – С. 26-27. 11. Будянский А.М., Зыков А.В., Фареник В.И. Высокочастотный источник ионов. Патент РФ №1570549 от 27.06.1993 г., Птатент Ук- раины №2426 от 15.02.94 г. ФІП ФИП PSE, 2009, т. 7, № 3, vol. 7, No. 3 193 12. Будянский А.М., Фареник В.И. и др. Уст- ройство для плазмохимического травления материалов. А.С. СССР №1573896 от 22.02.90 г. (Заявка №43516008 приоритет от 28.12.1987 г.). 13. Будянский А.М. и др. Способ плазмохи- мического удаления пленок фоторезиста. А.С. СССР №1653484 от 01.02.91 г. (Заявка №4750949 приоритет от 23.10.1989 г.). 14. Будянский А.М., Зыков А.В. Статические во- льтамперные характеристики ВЧИ разряда// II Межотраслевой научно-технический семи- нар “Физические основы и новые направле- ния плазменной технологии в микроэлект- ронике”. Материалы семинара. – Харьков. – 1991. – С. 22. 15. Budyansky A., Zykov A. Static current-voltage characteristics for radio-frequency induction dis- charge//IEEE ICOP’S 95. – 1995. – P. 146. 16. Дудин С.В., Зыков А.В., Положий К.И. Энер- гетическая оптимизация распылительных систем на базе ВЧ индукционно-емкостного разряда//Письма в ЖТФ. – 1996. – Т. 22, Вып. 19. – С.54-59. 17. Дудин С.В., Зыков А.В., Положий К.И., Фаре- ник В.І. Энергетическая цена иона в комби- нированном индукционно-емкостном ВЧ раз- ряде//Письма в ЖТФ. – 1998. – Т. 24, № 22. – С. 33 39. 18. Маишев Ю., Фареник В., Будянский А., Ду- дин С., Зыков А., Положий К., Данилов Н. Ис- следования высокочастотного индукционного разряда низкого давления для создания ши- рокоаппертурных источников ионов с выс- окой однородностью тока пучка//Труды Фи- зико-технологического института РАН. – 1999. – Т.15. – С. 33 59. 19. Зыков А.В., Положий К.И. Стационарные состояния ВЧ индукционного разряда низкого давления вблизи порога погасания//Письма в ЖТФ. – 2000. – Т. 26, Вып. 11. – С. 68-74. 20. Farenik V., Zykov A., Dudin S., Ushakov A., Polozhiy K. Energetic Optimization of an RF Sputtering System//23rd EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics. Abstracts of Invited and Contributed Papers, Kiev, (Uk- raine). – 1996. – P. 451. 21. Дудин С.В., Зыков А.В. Положий К.И. Энер- гетическая цена иона в комбинированном индукционно-емкостном ВЧ разряде//Мате- риалы международной конференции “Физика плазмы и плазменные технологии”, Минск. – 1997. – Т.4. – С. 728. 22. Дудин С.В., Зыков А.В., Положий К.И. Реак- тивное ионно-плазменное травление TiN в комбинированном ВЧ индукционно-емкост- ном разряде//Труды Украинского вакуумного Общества. – 1997. – Т. 3. – С. 488-491. 23. Zykova A.V., Lyubomirov S.V., Dudin S.V. and Polozhiy K.I.. The synthesis of Multilayer Bio- inert-Bioactive Coatings by Reactive Ion-Beam Synthesis Method (RIBS)//10th International Conference on Surface Modification of Metals by Ion Beams. Gatlinburg. Tennessee. – 1997. – TUamP-16. 24. Фареник В.И. Высокочастотные разряды низ- кого давления в технологии малоэнергоемко- го вакуумно-плазменного травления микрост- руктур//Физическая инженерия поверхности. – 2004. – Т. 2, № 1. – С.117. 25. Дудин С.В., Яцков А.П., Фареник В.И. Обо- рудование для зондовой диагностики и конт- роля плазменных технологических процес- сов. Технология и конструирование в элект- ронной аппаратуре. – 2002. – № 3. – С. 43-50. 26. McNeely P., Dudin S., Christ-Koch S., Fantz U. A Langmuir probe system for high power RF- driven negative ion sources on high potential// Plasma Sources Sci. Technol. – 2009. – Vol.18 . – Р. 014011. 27. Дудин С.В. Автоматизированная система опе- ративного контроля процесса плазмохимиче- ского травления в реакторе на базе ВЧ индук- ционного разряда//Физическая инженерия поверхности.–2008. – Т. 6, № 3-4. – С.155-159. 28. Denysenko I., Dudin S., Zykov A. et al. Ion flux uniformity in inductively coupled plasma sourc- es//Physics of Plasmas. – 2002. – Vol. 9, No. 11. – P. 4767-4775. 29. Gapon A., Dahov A., Dudin S., Zykov A., Azarenkov N. 2D fluid model for interactive development of ICP technological tools. 11th In- tern. conference-school on plasma physics and controlled fusion. Alushta, Ukraine. – 2006. 30. Dudin S., Zykov A., Dahov A., Farenik V. Expe- rimental research of ICP reactor for plasma- chemical etching. 11th Intern. conference-school on plasma physics and controlled fusion. Alushta, Ukraine. – 2006. 31. Gapon A., Dahov A., Dudin S., Zykov A., Azarenkov N. 2D fluid model for interactive de- velopment of ICP technological tools//Problems of Atomic and Technology. – 2006. – No. 6. – P. 186-188. 32. Dudin S., Zykov A., Dahov A., Farenik V. Expe- rimental research ofICP reactor for plasma-che- С.В. ДУДИН ФІП ФИП PSE, 2009, т. 7, № 3, vol. 7, No. 3194 mical eatching//Problems of Atomic and Techno- logy. – 2006. – No. 6. – P. 189-191. 33. Рафальский Д.В., Положий К.И. Влияние скин-эффекта на импеданс ВЧ индукцион- ного разряда//”Вестник Харьковского нацио- нального университета им. В.Н. Каразина”, серия физическая “Ядра, частицы, поля”. – 2007. – № 763, Вып. 1(33). – C. 69-74. 34. Рафальский Д.В., Дудин С.В., Положий К.И. Возмущение импеданса индуктора, взаимо- действующего с плазмой низкой плотности// Физическая инженерия поверхности. 2008. – Т. 6, № 3-4. – С.155-159. 35. Плазменная технология в производстве СБИС/под ред. Н. Айнспрука, Д. Брауна. – Г.: Мир, 1987. – 470 с. 36. Advances in Resist Technology and Processing XXI, edited by John L. Sturtevant, Proceedings of SPIE (Bellingham). – 2004. – Vol. 5376. 37. Крышталь А.П., Дудин С.В., Дахов А.Н., Ко- лендовский М.М. Формирование упорядо- ченных наноразмерных структур на поверх- ности SiO2//Вісник Харківського національ- ного університету імені В.Н. Каразіна. Серія “Фізика”. – 2007. – № 783, Вып. 10. 38. Charles R.Eddy, Etch processing of III-V nitri- des, MRS Internet J. Nitride Semicond. – 1999. – Res. 4S1, G10.5. 39. Gethard Franz, Franz Rinner, Reactive ion etchi- ng of GaN and GaAs: radially uniform process- es for rectangular, smooth sidewalls//J. Vac. Sci. Technol. Jan/Feb 1999. 40. Vartuli C.B., Lee J.W. et al. ICP dry etching of III-V nitrides. OSTI, 1997. 41. Pearton S.J., Vartuli C.B. et al. Plasma chemis- tries for dry etching GaN, AlN, InGaN and InAlN. OSTI, 1996. 42. Дудин С.В. Плазменное травление гетеро- структур на основе нитрида галлия при изго- товлении оптоэлектронных устройств//Фи- зическая инженерия поверхности. – 2006. – Т4, №1-2. – С.117. 43. Дудін С.В., Зиков О.В., Рафальський Д.В. Енергоефективне джерело іонів. Патент Ук- раїни на корисну модель № 42072, МПК (2009) H01J 27/16, опуб. 25.05.2009. 44. Dudin S.V., Rafalskyi D.V. Two modes of ion extraction in single-grid ion source. The Third Central European Symposium on Plasma Chem- istry. Book of Abstracts. Kyiv, Ukraine, 2009.  С.В. Дудин, 2009. Дудин Станислав Валентинович – начальник НИЛ ДПТП с 1997 года, с 2002 – доцент кафедры физических технологий ХНУ имени В.Н. Каразина (по совместительсту). ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА БАЗЕ ВЧ ИНДУКЦИОННОГО РАЗРЯДА ДЛЯ РЕАКТИВНОГО ...

Исследования и разработка технологических систем на базе ВЧ индукционного разряда для реактивного ионно-плазменного травления микро- и наноструктур

Репозитарії

Схожі ресурси