Обработка подложек в плазме химически активных газов с подачей отрицательного потенциала на подложку обеспечивает высокие скорости удаления поверхностных слоев материала, однако при этом могут произойти радиационные повреждения кристаллической решетки. Поэтому такой способ в основном используется для плазмохимического травления.
Плазменные процессы можно разделить на две группы:
1) процессы, в которых используется «холодная» плазма (температура в реакторе 400—600 К). Такая плазма применяется для травления, очистки поверхности и нанесения различных пленок при сравнительно низких температурах;
2) процессы, в которых используется «низкотемпературная» плазма (7^20000 К). Такая плазма применяется для получения специальных порошков, используемых для ХМП, тугоплавких соединений и покрытий.
Ниже рассматривается применение «холодной» плазмы для травления поверхности полупроводников и других материалов.
При плазмохимическом травлении в реакторе происходят одновременно два процесса: распыление материала подложки за счет бомбардировки активными частицами и химическое взаимодействие активированных частиц с материалом обрабатываемой поверхности; химические реакции взаимодействия с материалом полупроводника в плазме протекают с относительно большой скоростью (до 20—30 мкм/ч), так как создаются условия для быстрого удаления продуктов реакции из активной зоны. Этим обусловливается отсутствие на поверхности нарушенных слоев, которые имеют место, например, при ионной бомбардировке. Для плазмохимического травления применяют следующие плазмообразующие газообразные соединения и смеси: СР4, СР4 + О2, ССЬРг, СРгНС1, НС1 + О2, СР6. При использовании высокочастотной плазмы, содержащей СР4 или СР6, можно достичь скоростей травления 0,3— 0,5 мкм/мин.
Скорость травления зависит от конструкции реактора, способа возбуждения плазмы, мощности установки, чистоты, состава газа и концентрации химических реагентов у поверхности, плотности обрабатываемого вещества и кристаллографического направления поверхности полупроводника. В качестве примера на рис. 3.10 к 3.11 приведены зависимости изменения количества удаленного кремния от времени травления при различном составе плазмообразующего газа и от ориентации поверхности подложки. Из рисунков видно, что скорость травления 81 выше в плазмообразующем газе, содержащем кислород, и выше для плоскости {100} по сравнению с плоскостью {111}. Зависимость скорости травления от времени описывается уравнением
V = Аехр(аУх),
где А и а — константы скорости, зависящие от физических параметров обрабатываемой поверхности и условий проведения процесса; т — время травления.
Равномерность травления поверхности подложки полупроводника зависит в основном от конструкции реактора, системы возбуждения плазмы и подачи реакционной смеси. Механизм травления достаточно сложен. В плазменном разряде происходит разложение соединений фтора с образованием фтор-радикала по еле дующим схемам.
Активный фтор взаимодействует с кремнием с образованием летучих соединений по реакции
51 + 4Р->-$1 Р4.
Возбуждение плазмы фторосодержащих соединений при травлении полупроводников производят при выбранных частотах 5,26; 13,56 МГц и др. Такие повышенные частоты позволяют получать в объеме реактора значительное количество активных комплексов и не иметь частиц с большой длиной свободного пробега и большой линейной скоростью. Тем самым исключается ударная ионизация и вероятность возникновения нарушенного слоя.
Исследовано состояние поверхности подложек из кремния и глубина нарушенного слоя в зависимости от скорости ионно-плазменного травления и энергии падающих ионов. Плотность ионного тока составила около 2,5 мА/см2, энергия падающих ионов от 300 до 2000 эВ. Скорость плазмохимического травления на порядок и больше превышала скорость распылепия. С увеличением скорости травления нарушенный слой удалялся быстрее, чем дефекты переходили в глубь пластины. Электронографические исследования подложек, обработанных при энергии падающих частиц до 400 эВ и скорости ионно-плазменного травления в СР* 0,2 мкм/мин,-показали, что поверхность сохраняет моно-кристаллическую структуру. С увеличением энергии бомбардирующих частиц при, той же скорости травления на поверхности появлялась поликристаллическая структура. При энергии частиц больше 1400 эВ поверхность $1 становилась аморфной. С увеличением энергии падающих частиц атомы углерода, присутствующие в кремнии, не удаляются с продуктами реакции, а диффундируют под действием соударений на определенную глубину и создают устойчивые химические соединения с кремнием. Изменяя соотношение скорости травления и энергии падающих частиц, можно получать различную степень совершенства обрабатываемой поверхности. Для определения скорости и глубины травления подложки полупроводника ионным лучом используют следующие уравнения:
V = 3,75 • 1028,
Ь=3,75-10285нт,
где 5 — коэффициент объемного распыления материала (для 88
кремния 5Г= 1.15-10 м/нон); / — плотность ионного тока, Л/см2; т — время травления, мин.
Для плазмохимического травления такие уравнения приобретают более сложный вид. хроническая вертеброгенная люмбалгия
В последнее время появились работы по очистке и полировке поверхности полупроводниковых пластин факелом высокочастотной индукционной плазмы низкого давления [84]. Рабочая установка в этом случае состоит из высокочастотного плазмотрона, вакуумной камеры, системы откачки, системы питания рабочим газом н высокочастотного генератора типа Л3-13. В разрядную камеру подается поток газа пониженного давления и с помощью генератора плазма возбуждается. Плазменная струя направляется на подложки, находящиеся в вакуумной камере. Рекомендуется следующий режим обработки: расход газа 0,006 г/с, давление в рабочей камере 2,6 Па, мощность, затрачиваемая на создание плазмы, 2 кВт. В процессе такого травления происходит удаление остаточного от механической обработки нарушенного слоя.
Одной из основных проблем, возникающих при использовании плазмохимической технологии обработки пластин в производстве полупроводниковых приборов, является возникновение индуцированных электрических зарядов, вызванных внедрением ионов и электронов при контакте пластин с плазмой. Индуцированный высокочастотной плазмой заряд, накапливаясь на поверхности раздела 51—5Юг, может изменять характеристики структур, ухудшая их. Как Правило, наблюдается снижение пробивного напряжения р—переходов и увеличение токов утечки.