Микроэлектроника, 2023, T. 52, № 5, стр. 347-353

1. ВВЕДЕНИЕ

Современная электроника предъявляет очень высокие требования к интегральным микросхемам по надежности, быстродействию, информационной емкости и другим параметрам. Поэтому основными тенденциями развития микро- и наноэлектроники являются повышение степени интеграции и информационной емкости интегральных микросхем с одновременным уменьшением стоимости бита информации. Для достижения вышеуказанных требований в данной технологии при проведении “сухого” травления металлов и полупроводниковых материалов стали применяться плазмохимические и ионохимические процессы. Одним из газов, который может применяться при использовании этих процессов является дифтордихлорметан (CCl₂F₂). Дифтордихлорметан инертен в химическом отношении, не горит на воздухе, невзрывоопасен даже при контакте с открытым пламенем и лишен большинства недостатков присущим другим хлорсодержащим газам, таким как хлор [1, 2]. Дифтордихлорметан в условиях плазмы может легко диссоциировать на химически активные радикалы Cl и F, что в свою очередь позволяет использовать его при плазменном травлении кремния и германия [3, 4] и ряда других материалов (GaAs, GaP, InP), обеспечивая технологически приемлемые скорости взаимодействия [5–7], а также удовлетворяя требованиям по разрешению, анизотропии и селективности для большинства известных маскирующих покрытий. Однако широкое применение данного газа в технологических целях невозможно без предварительного глубокого изучения электрофизических и спектральных свойств плазмы для создания наиболее благоприятных и оптимальных технологических режимов обработки. Проработка этого вопроса и явилась целью настоящей работы.

2. МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Эксперименты по исследованию свойств плазмы дифтордихлорметана проводились в стандартной плазмохимической установке с реактором проточного типа (радиус r = 1.4 см, длина зоны разряда l = 36 см). Электроды из анодированного алюминия располагались в боковых отростках реактора. Плазма возбуждалась при помощи высоковольтного трансформатора НОМ 6000/100. Первичная обмотка трансформатора питалась от ЛАТРа, что позволяло плавно изменять выходное напряжение. Для сглаживания пульсации напряжения, питающего плазму, выход высоковольтного трансформатора был соединен с диодным мостом и конденсатором. Сила тока в цепи разряда измерялась миллиамперметром М340 электромагнитной системы. Откачка плазмохимической установки осуществлялась при помощи форвакуумного насоса ВН-461 (предельное остаточное давление ~2 × 10^–2 Па). Контроль давления остаточных газов осуществлялся с помощью манометрического термопарного датчика ПМТ-2, соединенного с вакуумметром ВТ-2. Давление рабочего газа в разрядной трубке измерялось U – образным манометром, рабочей жидкостью которого служило силиконовое масло (ρ = 1.04 г/см³). Расход газа измеряли масляным капиллярным реометром, предварительно откалиброванным по дифтордихлорметану с помощью бюретки известного объема.

В качестве внешних параметров плазмы выступали ток разряда (i = 10–35 мА), давление газа (p = 40–200 Па) и расход газа (q = 2 см³/с при н. у.). Дифтордихлорметан набирали в хлорвиниловую емкость, предварительно откаченную до предельного остаточного давления порядка 1 Па, из металлического баллона с жиженным газом с маркой “чистый”, содержание основного газа не менее 99.5%. Контроль примесей компонентов атмосферного воздуха в основном газе осуществлялся с помощью метода оптической эмиссионной спектроскопии, по наличию или отсутствию полос излучения N₂, OH и CO в спектрах излучения. Спектральные измерения плазмы дифтордихлорметана осуществлялась с помощью оптоволоконных ПЗС-спектрометров AvaSpec-2048-2 и AvaSpec-3648. Рабочий диапазон длин волн составлял 200–1000 нм. Отбор излучения для анализа проводился через кварцевое окно в торцевой части реактора. При расшифровке спектров излучения использовались справочники [8, 9].

Для определения температуры газа (T) был использован расчетный метод, основанный на решении уравнения теплового баланса реактора в условиях естественного охлаждения [10], с использованием экспериментальных данных по температуре наружной стенки. Величина температуры наружной стенки определялась с помощью хромель-копелевой термопары. Зондовая диагностика обеспечивала данные по осевой напряженности электрического поля в зоне положительного столба разряда (E). При определении приведенной напряженности поля E⁄N проводилось усреднение температуры предположении о заданном (Бесселевском) профиле радиального распределения этого параметра. Допустимость такого подхода была показана в работе [11].

3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В ходе проведения экспериментов было установлено, что увеличение давления газа при постоянстве тока разряда приводит к увеличению осевой напряженности электрического поля (например, E = 41.92–87.41 В/см при p = 40–200 Па и i = 20 мА (табл. 1)) и, как следствие сопровождается линейным ростом удельной мощности, вкладываемой в плазму W = iE/πr² (рис. 1, например, W = 0.136–0.283 В/см при p = 40–200 Па и i = 20 мА). Аналогичное изменение величины W имеет место и при увеличении тока разряда в условиях неизменного давления газа, которое обеспечивает E ≈ const. Поэтому в обоих случаях температуры газа увеличиваются, следуя росту величины удельной мощности, вкладываемой в плазму дифтордихлорметана (рис. 2). Линейный характер зависимости хорошо согласуется с имеющимися в литературе данными для других газов [11, 12]. А относительно высокие абсолютные значения температуры (например, T = 447–632 К при p = 40–200 Па и i = 20 мА) представляются достаточно разумными (в пределах погрешности определения) для реактора малого диаметра при относительно высокой плотности тока.

Рис. 1.

Зависимость удельной мощности, вкладываемой в разряд, от давления газа дифтордихлорметана (1 – i =10 мА, 2 – 15 мА, 3 – 20 мА, 4 – 25 мА, 5 – 30 мА, 6 – 35 мА).

Рис. 2.

Зависимости температуры газа T от давления газа дифтордихлорметана (1 – i =10 мА, 2 – 15 мА, 3 – 20 мА, 4 – 25 мА, 5 – 30 мА, 6 – 35 мА).

На рис. 3 показано влияние тока разряда (p = = const) и давления газа (i = const) на величину приведенной напряженности электрического поля E/N в плазме дифтордихлорметана (например, E/N = 6.41 × 10^–15–3.78 × 10^–15 В см² при p = 40–200 Па и i = 20 мА и E/N = 2.85 × 10^–15–7.40 × × 10^–15 В см² при i = 10–35 мА и p = 100 Па, рис. 3). Из данных зависимостей (рис. 3) видно, что в диапазоне давлений до 100 Па при постоянном значении тока разряда увеличение давления газа вызывает резкое падение величины приведенной напряженности электрического поля E/N. В области давлений выше 100 Па наблюдается более плавное уменьшение величины приведенной напряженности электрического поля. Такой характер зависимости является типичным для электроотрицательных [11, 12]. В качестве наиболее вероятного объяснения замедления падения параметра E/N в области давлений выше 100 Па может служить появление дополнительного канала гибели электронов, эффективность которого увеличивается с ростом давления газа. В качестве возможных механизмов здесь следует рассматривать диссоциативное прилипание электронов к молекулам CCl₂F₂, Cl₂ и F₂, которые образуются в процессах объемной и гетерогенной рекомбинации атомов. Также известно, что смещение зависимостей в сторону увеличения приведенной напряженности поля с увеличением силы тока обусловлено с одной стороны тем, что при росте плотности тока увеличивается напряжeнность поля, а с другой стороне, как мы уже говорили, при этом происходит увеличение температуры газа, что приводит к падению концентрации исходных частиц (табл. 2).

Рис. 3.

Зависимость приведенной напряженности электрического поля от давления газа дифтордихлорметана (1 – i = 10 мА, 2 – 15 мА, 3 – 20 мА, 4 – 25 мА, 5 – 30 мА, 6 – 35 мА).

Эксперименты показали, что излучение плазмы дифтордихлорметана представлено как атомарными, так и молекулярными компонентами (рис. 4). В спектрах излучения были обнаружены две группы линий атомарного хлора (менее интенсивные в сине-зеленой части спектра 430–460 нм, (наиболее интенсивная 452 нм), обусловленные возбуждением состояния 5p, ε_th = 11.8–11.9 эВ, и более интенсивные в красной области 700–950 нм, связанные с излучательной дезактивацией состояния 4p, ε_th ∼ 10.4 эВ) [11, 13]. Излучение атомарного фтора представлено группой слабоинтенсивных линий в диапазоне 610–710 нм (наиболее интенсивная 614 нм). Излучение атомарного углерода зафиксировано не было. Излучение молекулярных компонентов представлено полосами CF (206, 209 нм), CF₂ (263, 266, 267, 271, 296, 315 нм), F₂ (388 нм), CCl (277 и 278 нм), Cl₂ (256 и 200 нм) и С₂ системы Свана (465–570 нм).

Рис. 4.

Обзорный спектр излучения плазмы дифтордихлорметана в диапазоне 200–1000 нм при p = 100 Па, i = 25 мА.

При анализе данного спектра излучения было определено, что наиболее интенсивными, стабильно проявляющимися и свободными от перекрывания с соседними максимумами являются линии Cl 725.4 нм (ε_th = 10.6 эВ), Cl 837.6 нм (ε_th = 10.4 эВ) и полоса Cl₂ 256 нм (ε_th = 7.1 эВ). Высокие значения энергий возбуждения указанных выше излучающих состояний позволяют рассматривать возбуждение атомов и молекул электронным ударом как основной механизм заселения верхних состояний [14]. Кроме этого, низкие времена жизни соответствующих возбужденных состояний позволяют рассматривать излучательную дезактивацию как основной механизм данного процесса. Поэтому можно полагать, что для всех указанных линий и полос заселенность возбужденного состояния и интенсивность излучения (I) пропорциональны скорости возбуждения R = kn_eN, где k – константа скорости возбуждения, n_e – концентрация электронов, N – концентрация частиц в основном состоянии. Исходя из выше сказанного, выбранные излучающие состояния могут быть использованы для контроля состава плазмы и кинетики плазмохимических процессов.

На графике зависимости интенсивности излучения от тока разряда (рис. 5а) с ростом тока наблюдается линейное увеличение интенсивности излучения всех рассматриваемых линий и полос, что соответствует механизму прямого возбуждения излучающих состояний при электронном ударе и свидетельствует об отсутствии вторичных процессов. Изменение давления газа в интервале 40–200 Па вызывает линейное увеличение интенсивности излучения всех линий и полос (рис. 5б), однако интенсивность линии Cl 837.56 и 725.67 нм возрастают значительно быстрее, чем интенсивность полосы Cl₂ 256.4.

Рис. 5.

Зависимость интенсивностей излучения от тока разряда (а, при p = 100 Па) и давления газа (б, при i = 25 мА).

Влияние электрофизических параметров плазмы на интенсивность излучения линий или полос определяется изменением концентраций частиц и коэффициента скорости процесса. Так, при увеличении тока разряда приведенная напряженность электрического поля, а, следовательно, доля быстрых электронов в функции распределения электронов по энергиям и коэффициент скорости возбуждения несколько уменьшаются [15], а концентрация тяжелых частиц растет, что приводит к пропорциональности интенсивности излучения концентрации электронов, т. е. току разряда. При увеличении давления газа имеет место увеличение интенсивности излучения всех рассматриваемых атомарных и молекулярных компонентов. Данный факт можно объяснить тем, что с увеличение давления газа одновременно увеличиваются общая концентрация частиц, и в частности, концентрации излучающих частиц, а также концентрация электронов. Поведение последней можно объяснить тем, что при уменьшении параметра E/N снижается концентрация положительных ионов, что непосредственно влияет на рост величины n_e. В тоже время происходит уменьшение коэффициента скорости возбуждения из-за падения приведенной напряженности электрического поля и доли быстрых электронов в функции распределения электронов по энергиям. Из выше сказанного можно сделать вывод, что уменьшение коэффициента скорости возбуждения полностью компенсируется произведение n_eN, что и вызывает увеличение интенсивности излучения с ростом давления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, согласно приведенным выше данным можно заключить следующее:

1. Рост температуры газа с увеличением давления газа обусловлен ростом удельной мощности, вкладываемой в разряд. Приведенная напряженность электрического поля E/N в плазме CF₂Cl₂ заметно уменьшается с ростом давления газа при постоянстве тока разряда. В качестве основного механизма, обуславливающего снижение E/N, следует рассматривать диссоциативное прилипание электронов к молекулам CCl₂F₂, Cl₂ и F₂, которые образуются в процессах объемной и гетерогенной рекомбинации атомов.

2. Излучение плазмы CF₂Cl₂ представлено как атомарными, так и молекулярными компонентами. Наиболее интенсивными, стабильно проявляющимися и свободными от перекрывания с соседними максимумами являются линии Cl 725.67 нм, Cl 837.56 нм и полоса Cl₂ 256.4 нм. Указанные максимумы могут быть использованы для контроля состава плазмы и кинетики плазмохимических процессов.