Давление, плотность мощности и частота

Давление газа, плотность мощности и частота прикладываемого электрического поля - независимые параметры, но на практике индивидуальное влияние каждого из них на процесс травления иногда трудно объяснить или предсказать. Однако являются очевидными несколько общих тенденций.

Понижение давления и (или) частоты и повышение плотности мощности приводят к увеличению средней энергии электронов и энергии падающих на подвергаемую травлению поверхность ионов. Повышение плотности мощности вызывает также повышение плотности радикалов и ионов в плазме. Таким образом, в процессах ионно-стимулируемого травления путем уменьшения давления и частоты или увеличения мощности можно повысить степень анизотропии скорости травления.

Как правило, с увеличением мощности скорость травления монотонно возрастает, хотя темп приращения замедляется. Почти вся прикладываемая мощность в конечном счете рассеивается в виде тепла, поэтому при обеспечении очень большой плотности мощности электрического поля необходимо предусматривать охлаждение подложек во избежание нежелательных последствий нагрева, таких, как плавление и подгорание фоторезиста или потеря селективности травления. В последние годы исследователи проявляют большой интерес к сверхскоростному травлению в реакторах, рассчитанных на индивидуальную обработку пластин. Такие системы работают при относительно высоком давлении и очень большой плотности мощности (несколько Вт/см²).

Несмотря на малое число публикаций, посвященных исследованию зависимости скорости травления от частоты прикладываемого напряжения, ясно, что основным параметром, управляемым частотой, является энергия ионов. Это подтверждают и результаты исследования анизотропии скорости травления. Рабочие частоты лежат в интервале от 10 кГц до 30 МГц.

Скорость потока

Скорость потока рабочего газа определяет максимально возможный приток к подложке реакционноспособных компонент. В действительности приток зависит от равновесия между процессами генерации и рекомбинации в плазме активных элементов, что обсуждалось выше. Один из механизмов потерь травящих компонент - унос их вязким газовым потоком. Скорость потерь обратно пропорциональна продолжительности пребывания t_r, определяемой как

t_r=0,175Vp/F,

p (Па) - давление, V и F - объем плазмы и скорость газового потока соответственно. Продолжительность пребывания - мера средней продолжительности нахождения молекулы в плазме.

При обычных условиях протекания процесса скорость потока рабочего газа оказывает незначительное воздействие на скорость травления. Это влияние проявляется при экстремальных условиях, когда либо скорость потока настолько мала, что скорость травления лимитируется доставкой травителя к подложке, либо скорость травления столь велика, что унос газовым потоком становится доминирующим механизмом потерь активных компонент. Возможность реализации последней ситуации зависит от скорости откачки, вязкости рабочего газа и вида материалов, находящихся внутри реактора. Если время жизни активных компонент мало (вследствие проявления других механизмов потерь), влиянием скорости газового потока можно пренебречь. Такая ситуация типична, когда в роли активной компоненты выступает атомарный хлор. Влияние скорости потока на скорость травления может проявиться при использовании травящих компонент с более длительным временем жизни, например атомов фтора. Продолжительность пребывания травящих компонент в плазме обратно пропорционально зависит от скорости потока.

Температура

Температурная зависимость скорости реактивного травления определяется главным образом влиянием температуры на скорость протекания химических реакций. Температура влияет также и на селективность, так как величина энергии активации зависит от вида материала. Для обеспечения однородных и воспроизводимых скоростей травления необходимо контролировать температуру подложки. Основной причиной нагрева теплоизолированных подложек является их разогрев плазмой. Кроме того, заметный вклад в повышение температуры может вносить тепло, выделяемое в результате протекания экзотермических реакций травления.

Загрузочный эффект

При реактивном травлении иногда наблюдается уменьшение скорости травления при увеличении суммарной площади поверхности, подвергаемой травлению. Это явление известно как загрузочный эффект, происходящий в тех случаях, когда активные компоненты быстро вступают в реакцию с подвергаемым травлению материалом, но обладают длительным временем жизни в отсутствие этого материала. В этом случае доминирующим механизмом потерь активных компонент является само травление, поэтому, чем больше площадь подвергаемой травлению поверхности, тем выше скорость потерь. Скорость образования активных компонент определяется рабочими характеристиками процесса (давлением, мощностью, частотой и т. д.) и почти не зависит от количества подвергаемого травлению материала в реакторе. Таким образом, средняя концентрация активных компонент, равная разности скоростей образования и потерь, уменьшается с увеличением площади поверхности, подвергаемой травлению.