СПОСОБ ЛОКАЛЬНОГО ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО ТРАВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛА Российский патент 1997 года по МПК H01L21/3065 

Изобретение относится к полупроводниковой электронике, в частности к технологии дискретных полупроводниковых приборов.

Известен способ локального травления материала ионным лучом, генерируемым у иглообразного анода и ускоряемого высоким напряжением к коду с центральным отверстием. Пройдя отверстие, ионный луч формируется, затем ускоряется системой дополнительных электродов и направляется на определенный участок материала [1]
Недостатком этого способа является сложность оборудования, формирующего ионный луч.

В другом аналоге предложенного способа используется плазмохимическое травление, которое предусматривает размещение материала между двумя электродами в газовой среде определенного для данного материала состава и инициирование электрического разряда в газе над всей поверхностью материала подачей на электроды разности электрических потенциалов [2] Состав газа выбирается таким, чтобы по крайней мере один из его компонентов, на которые разлагается газ при диссоциации в электрическом разряде, образовывал с материалом химическое соединение с достаточно низкой температурой испарения. Это соединение появляется на поверхности материала при его контакте с областью электрического разряда в таком газе и от нагрева плазмой быстро испаряется, унося с собой частицы травимого материала. Локальность травления в этом способе обеспечивается наложением на материал металлической маски, защищающей часть поверхности материала от контакта с электрическим разрядом и тем самым от травления оно идет только на незащищенных маской местах.

Недостатком этого способа является низкая эффективность использования электроэнергии и плазмообразующего газа, поскольку разряд в газе имеет одинаковую интенсивность как над местом травления, так и над поверхностью маски.

Частично этот недостаток устранен в другом известном способе локального плазмохимического травления, ближайшем по достигаемому к предложенному. В этом способе также размещают материал между двумя электродами в определенной газовой среде и затем возбуждают электрический разряд в газе над всей поверхностью материала приложением к электродам разности электрических потенциалов. Но локальность травления здесь достигается над материалом торцом к нему круглого диэлектрического стержня, диаметр и расстояние которого до материала удовлетворяют определенным условиям, обеспечивающим увеличение в 2 - 10 раз скорости травления материала под торцом стержня по сравнению со скоростью травления остальной поверхности материала за счет концентрации под торцом стержня заряженных частиц из объема электрического разряда в гае [3]
Необходимость выполнения условий на размеры и форму торца стержня ограничивают форму и размеры получаемой фигуры травления она представляет собой круг диаметром до нескольких миллиметров. Невозможность получения фигуры травления произвольной формы и размеров существенно уменьшают применение этого способа.

Технический результат изобретения обеспечение возможности получения фигуры травления произвольной формы и размеров.

Технический результат достигается тем, что в способе локального плазмохимического травления материала, включающем размещение материала между двумя электродами и образование области электрического разряда в газе в промежутке между первым электродом и обращенной к нему поверхностью материала приложения к электродам разности электрических потенциалов, согласно изобретению, травление ведут при давлении газа большем максимального его значения из тех возможных для данного расстояния между первым электродом и материалом, при которых область электрического разряда в газе контактирует со всей обращенной к первому электроду поверхностью материала при сколь угодно малом размере первого электрода, а те размеры первого электрода, которые определяют размеры области электрического разряда в газе, меньше минимальных их значений из тех возможных для данного давления газа и расстояния между первым электродом и материалом, при которых область электрического разряда в газе контактирует со всей обращенной к первому электроду поверхностью материала.

На фиг. 1 6 схематически изображены варианты реализации предложенного способа, отличающиеся размерами и формой электродов. Здесь 1 стенки реакционно-разрядной камеры, 2 нижний заземленный электрод, 3 - обрабатываемый материал, верхний (первый) электрод 4 расположен на расстоянии H от материала 3 и соединен с источником высокого напряжения, 5 границы области электрического разряда в газе.

Локальность плазмохимического травления в предложенном способе обеспечивается малыми размерами области электрического разряда, при которых разряд контактирует лишь с частью поверхности материала 3, обращенной к электроду 4. При этом травление материала может идти и вне площади его контакта с разрядом из-за диффузии химических частиц из области разряда. Но скорость этого травления существенно меньше, чем скорость плазмохимического травления в области разряда и быстро уменьшается с увеличением расстояния от него, и поэтому именно размеры области разряда на поверхности материала 3 определяют с большой точностью размеры области травления. Эта точность характеризуется расстоянием бокового растравливания, которое равно величине ухода края профиля травления на определенной его глубине за пределы разряда. Увеличением давления газа P и уменьшением расстояния H боковое растравливание можно сделать сколь угодно малым.

Условия на размеры электрода 4 и давление газа P в формуле изобретения учитывают то обстоятельство, что при уменьшении P область электрического разряда в газе увеличивает свои размеры, и, начиная с некоторого P P^* при данном H, она контактирует со всей обращенной к электроду 4 поверхностью материала 3 при любых сколь угодно малых размерах электрода 4. Поэтому для данного H локальное плазмохимическое травление возможно только при P>P^*, когда размеры электрода 4 влияют на размеры области разряда на поверхности материала 3 и при достаточно малых размерах электрода 4 область разряда невелика и контактирует c частью поверхности материала 3, обращенной к электроду 4. Отсутствие при этом ограничений на форму электрода 4 и достаточно широкий диапазон возможных его размеров позволяют получить практически любую фигуру травления. Если расстояние H меньше 2 мм, а давление газа больше 10 мм рт.ст. то форма и размеры получаемой фигуры травления с высокой точностью задаются формой и размерами внешнего контура той части поверхности электрода 4, через которую происходит электрический разряд в газе, поскольку при таких режимах травления область разряда в газе под электродом 4 практически не выходит за границы указанного контура, а величина бокового растравливания мала и в начале травления для давления P меньших атмосферного обычно находится в интервале 0,01 1 мм. Такое травление, реализуемое при размерах электрода 4 меньших размера материала 3, показано на фиг. 1.

Локальное травление материала 3 возможно и в том случае, когда размеры той части поверхности электрода 4, через которую происходит разряд в газе, превышают размеры материала 3, если материал 3 является диэлектриком, а размеры той части поверхности электрода 2, через которую протекает высокочастотный ток, меньше размеров материала 3. В этом случае, показанном на фиг. 2, при P>P^* область электрического разряда у поверхности материала 3 будет расположена преимущественно над указанной частью поверхности электрода 2, малые размеры которой обеспечивают локальность травления.

Как электрод 4, так и электрод 2 могут иметь несколько отдельных участков поверхности, через которые происходит разряд в газе, если на поверхностях, обращенных к материалу 3, они имеют выступы, показанные на фиг. 3 5. Это позволяет осуществлять одновременное плазмохимическое травление нескольких областей на поверхности материалов 3 возбуждением областей электрического разряда у каждого выступа электрода. Следует также отметить возможность травления материала 3 сразу с двух его сторон, если электрический разряд в газе возбуждать в обоих промежутках между материалом 3 и электродами 2 и 4. Такое травление показано на фиг. 6.

Определить величину P^* при данном H и малых размерах электрода 4 можно визуально, регистрируя при разных P границы области свечения электрического разряда в газе. Подобным же образом, регистрируя границы свечения разряда при разных размерах электрода 4 и заданных H и P, можно определить минимальные значения его размеров, при которых разряд контактирует со всей поверхностью материала 3, обращенной к электроду 4. Эти параметры можно определить и путем травления тестового материала, регистрируя границы области плазмохимического травления на его поверхности при разных значениях исследуемых параметров. Однако практическая реализация изобретения не требует обязательного определения этих параметров, поскольку для локальности травления размеры поверхности, через которую происходит разряд в газе, по крайней мере одного из электродов неизбежно меньше размеров материала 3, и поэтому достаточно для данных размеров этой поверхности определить лишь то давление газа P, при котором область электрического разряда будет в необходимой степени локализованна на поверхности материала 3, что несложно. Очевидно, что при этом размеры электрода 4 и полученное значение давления газа P будут удовлетворять условиям формулы изображения.

Дополнительным преимуществом предложенного способа в вариантах, показанных на фиг. 1, 3 и 5, является высокая эффективность использования электроэнергии и плазмообразующего газа, поскольку разряд образуется в малом объеме непосредственно над местом травления. Это позволяет без дополнительных затрат электроэнергии на 4 6 порядков увеличить мощность, выделяемую в единице объема разряда, и тем самым увеличить на несколько порядков скорость травления материала.

Пример. Травление канавки в кремниевой подложке диаметром 50 мм осуществлялось в кварцевой цилиндрической камере вертикального типа диаметром 110 мм и высотой 200 мм. Нижний торец камеры был выполнен из алюминия и использовался в качестве электрода, на котором размещался обрабатываемый материал. К верхней металлической крышке камеры крепился алюминиевый держатель второго электрода, представляющего собой никелевую пластинку с размерами 30 х 1,0 х 0,1. Пластинка крепилась так, чтобы ее плоскость была перпендикулярна поверхности кремниевидной подложки, а ее длинный торец располагался параллельно подложке на расстоянии 0,1 мм от нее. На верхний электрод подавалось напряжение 0,3 кВ при частоте 13,56 МГц. Потребляемая мощность была 30 Вт. Травление осуществлялось в среде газа SF₆ при давлении в камере 200 мм рт. ст. За 1,5 мин травления получена канавка 30,2 х 0,3 мм глубиной 0,15 мм.

Использование: полупроводниковая электроника. Способ позволяет производить локальное плазмохимическое травление материала и получать при этом практически любую фигуру травления без использования маски. Сущность изобретения: способ предусматривает размещение материала между двумя электродами и образование области электрического разряда в газе между материалом и первым электродом подачей на электроды высокого напряжения. Локальность травления в предложенном способе обеспечивается тем, что размеры области электрического разряда в газе у поверхности материала малы и поэтому разряд контактирует лишь с частью его поверхности. Для этого, те размеры первого электрода, которые определяют размеры области разряда, должны быть меньшими, а давление газа должно быть большим тех их значений, при которых для данного расстояния между первым электродом и материалом разряд контактирует со всей поверхностью материала. Получаемая фигура травления с большой точностью повторяет форму той части поверхности первого электрода, через которую происходит электрический разряд в газе, если расстояние между первым электродом и материалом меньше 2 мм, а давление газа больше 10 мм рт.ст. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ локального плазмохимического травления материала, включающий размещение материала между двумя электродами и образование области электрического разряда в газе в промежутке между первым электродом и обращенной к нему поверхностью материала приложением к электродам разности электрических потенциалов, отличающийся тем, что травление ведут при давлении газа, большем максимального его значения из тех возможных для данного расстояния между первым электродом и материалом, при которых область электрического разряда в газе контактирует со всей обращенной к первому электроду поверхностью материала при сколь угодно малом размере первого электрода, а те размеры первого электрода, которые определяют размеры области электрического разряда в газе, меньше минимальных их значений из тех возможных для данного давления газа и расстояния между первым электродом и материалом, при которых область электрического разряда в газе контактирует со всей обращенной к первому электроду поверхностью материала. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что форма и размеры внешнего контура той части поверхности первого электрода, через которую происходит разряд в газе, с точностью до величины бокового растравливания повторяют форму и размеры требуемой фигуры травления, а расстояние между первым электродом и материалом меньше 2 мм при давлении газа больше 10 мм рт.ст.