СПОСОБ ПЛАЗМЕННОГО ТРАВЛЕНИЯ АЛЮМИНИЯ Советский патент 1996 года по МПК H01L21/306 

Изобретение относится к электронной технике и, в частности, к технологии изготовления приборов твердотельной электроники и может быть использовано в электронной, радиотехнической промышленности при создании интегральных схем или при обработке пластин, на которых нанесена алюминиевая пленка, а также при обработке поверхности алюминиевых деталей.

Цель изобретения повышение скорости и равномерности травления.

Поставленная цель достигается тем, что в способе плазменного травления алюминия, включающем предварительное вакуумирование реакционного объема, напуск рабочего газа, создание плазменного разряда и перемещение объекта травления, плазменный разряд создают периодически импульсами постоянного тока, подводят к нему электромагнитные колебания СВЧ-диапазона с плотностью потока мощности W=W_o ^{2 1 g P o}/^H, где W_o - плотность потока мощности при атмосферном давлении P_o 10. Па. Р - текущее давление, и перемещают разряд циклически в прямом и обратном направлении относительно объекта травления, при этом разряд создают в хлорсодержащей среде при давлении Р=(10⁴-10⁵) Па и расходах газа 10-400 см³, а предварительное вакуумирование осуществляют соответственно до давления (10³-10⁴) Па.

Сущность способа заключается в том, что под действием энергии сверхвысокочастотного поля разряд, созданный импульсами постоянного тока, перемещается относительно поверхности объекта травления, при этом предлагается для увеличения равномерности травления создавать импульсный разряд с одной стороны объекта, а энергию СВЧ-поля подводить с противоположной, затем - наоборот, т. е. разряд будет перемещаться в прямом и обратном направлении относительно объекта травления.

Роль электромагнитного поля заключается не только в том, что под его воздействием разряд движется к источнику электромагнитной энергии, но и в том, что он частично восполняет своей энергией потери энергии заряженных частиц в разряде. Использование импульсного разряда объясняется тем, что с его помощью можно получить высокую степень ионизации плазмы, на 3-4 порядка превышающую степень ионизации в стационарных разрядах. Таким образом, первым существенным отличительным признаком предлагаемого способа является использование для травления импульсного разряда и СВЧ электромагнитного поля во взаимосвязи, т. е. импульсный разряд перемещается под действием СВЧэлектромагнитного поля относительно поверхности обрабатываемого объекта.

Относительно энергетических параметров импульсного разряда можно отметить следующее. Напряженность поля определяется исходя из закона Пашена, а зная определенные геометрические размеры разрядного устройства и межэлектродного зазора, можно установить величину напряжения на электродах, что является инженерной задачей.

Длительность импульса и его энергия не имеют существенного значения, но желательно, чтобы импульсный разряд по длительности импульсов был не менее (10^- 4-10^- 5)c. Верхний предел длительности импульсов определяется емкостями конденсаторов и постоянной времени разрядно-зарядной цепи. Время зажигания импульсных разрядов должно быть синхронизировано, при этом скважность импульсов определяется из геометрических размеров разрядного СВЧ-устройства (его длины). Скважность импульсов должна быть не менее 100, что дает возможность использовать большие емкости конденсаторов и получать большие энергии в импульсе. Величина энергии, запасенная для получения импульсного разряда, сможет находиться в пределах (1-100) Дж, при этом величина энергии несущественно влияет на скорость травления. Длина волноводного тракта, по которому перемещается разряд, должна быть в пределах 500-1000.

Вторым существенным отличительным признаком является перемещение разряда относительно поверхности объекта травления. Импульсный разряд локализован в разрядном промежутке, поэтому поверхность, обрабатываемая одним импульсным разрядом, невелика, концентрация активных частиц быстро убывает при удалении от разрядного промежутка.

Использование одного стационарного СВЧ-разряда хотя и приводит к увеличению скорости травления по сравнению с ВЧ-разрядом, но не дает значительного ее увеличения, поскольку степень ионизации плазмы значительно меньше (на 2-3 порядка), чем в импульсном разряде.

СВЧ-мощность, подводимая к импульсному разряду, должна быть не менее пороговой и не больше мощности пробоя газа. Для поддержания разряда необходима мощность меньше, чем пробойная, и большая, чем пороговая, которая определяет перемещение разряда. Поэтому необходимо выбрать мощность W_o, которая достаточна для поддержания стационарного СВЧ-раз ряда и превышает пороговую мощность. В зависимости от конкретных условий диапазон мощности колеблется и может составлять (W/2^oC2W). Плотность энергии изменяется в зависимости от используемого давления. Для хлорсодержащих газов при атмосферном давлении величину уровня СВЧ мощности выбирают W_o=(75-100) Вт/см². Тогда для остального диапазона давлений можно рекомендовать следующую зависимость
W=W_o2^{2 1 g P o / P}.

Третьим существенным признаком является движение разряда сначала в одном направлении относительно объекта травления, затем в обратном. Этот отличительный признак определяет возможность повышения равномерности травления, так как при перемещении разряда только в одном направлении неизбежны потери заряженных частиц и уменьшение их плотности на пути следования, что приводит к изменению скорости травления.

Если применять предлагаемый способ в области давлений (10^- 5 - 10²) Па, при которой производят обработку в настоящее время реактивным ионно-лучевым, ионно-плазменным или плазмохимическим методом, можно добиться значительного повышения скорости и равномерности травления. В предлагаемом изобретении предлагается диапазон рабочих давлений (10⁴-10⁵) Па, на три-четыре порядка превышающий существующие.

Четвертым существенным признаком является область рабочих давлений, близких к атмосферному. При использовании такой области давлений сокращается длительность откачки, т. е. время для получения предварительного разряжения и тем самым повышается производительность способа. Повышение давления в объеме позволяет получить большое число ионизованных частиц, т. е. получить более реакционноспособную плазму, что способствует увеличению скорости травления алюминия.

При уменьшении давления ниже 10⁴ Па происходит постепенное уменьшение скорости травления, хотя она во всех диапазонах, остается выше чем в способе реактивного ионно-плазменного или ионно-лучевого травления.

При повышении давлении выше 10⁵ Па также происходит уменьшение скорости травления и увеличивается нагрев обрабатываемых объектов, а также необходимо увеличивать мощность импульсного источника.

Расход рабочего газа, проходящего через зону разряда, зависит от давления в реакторе, его геометрических размеров и скорости откачки насосов (их производительности). Любой расход газа, при котором устанавливается рабочее давление и существует поток газа, обеспечивает преимущества предлагаемого способа. Объясняется это тем, что происходит индивидуальная обработка предметов, а движущийся разряд действует как поршень, перемещающий свежие порции газа. Кроме того, обработка ведется при высоких давлениях, значительно больших чем в используемых традиционных методах. Однако существуют пределы расходов газа, когда обработка становится неэффективной или приближается к эффективности уже известных методов, что объясняется недостатком химических реагентов. Поэтому при средних давлениях (в области 10⁴ Па) предлагается низкий диапазон расхода газа принять равным 10 см³ /с, тогда скорость травления алюминия будет находиться в пределах (0,4-0,6) мкм/мин, а при снижении до 3 см³/с скорость травления уменьшается до 1,2 мкм/мин. При больших расходах газа, (более 150 см³/с) скорости травления могут быть высокими только при больших мощностях, подводимых к разряду. При низких мощностях разряд будет неустойчивым или совсем не будет загораться. Превышение расхода газа свыше 400 см³/с является неэкономичным, так как требуется значительно увеличивать удельную СВЧ мощность и КПД использования энергии становится настолько малым, что использование таких режимов невыгодно. Кроме того уменьшается и скорость травления.

Предлагаемый способ реализован следующим образом.

Сосуд или реакционный объем, представляющий собой отрезок волновода с открытым реактором, в котором устанавливают подложки или другие объекты для обработки, вакуумируют, т. е. обеспечивают воздух до давления (10³-10⁴) Па. Затем напускают рабочий газ хлор и устанавливают рабочее давление (10⁴-10⁵) Па. За счет включения импульсного источника создается импульсный разряд. Он создается импульсами постоянного тока, при этом к разряду одновременно подводится СВЧ-энергия электромагнитного поля. Допустим, создается разряд слева от подложки, тогда энергия СВЧ-колебаний подводится справа, и разряд перемещается слева направо. Затем создается импульсный разряд справа от пластин и СВЧ-энергия подводится слева и разряд перемещается справа налево, т. е. к источнику СВЧ-энергии. Затем циклы повторяются многократно, и, таким образом, в предлагаемом способе разряд перемещается относительно объекта обработки не как обычно, когда подложки перемещаются относительно разряда. Практическую реализацию способа можно рассматривать на приведенных примерах.

П р и м е р 1. Травление алюминия при рабочем давлении 5000 Па.

Устанавливаем для обработки три пластины диаметром 100 мм. Откачиваемым объем, в котором производится обработка до давления на порядок меньше, чем рабочее, до 300 Па. Затем вводим в рабочий объем хлор и устанавливаем рабочее давление 5000 Па. Сначала зажигаем, например, импульсный разряд слева от объекта обработки и одновременно подводим СВЧ энергию справа. Под действием СВЧ-поля разряд перемещается слева направо и обрабатывает подложки. При подходе к месту ввода электромагнитной энергии разряд останавливаем путем отключения СВЧ энергии, и он потухает. Синхронно включаем импульсное напряжение справа от подложки и зажигаем разряд, одновременно слева подводится СВЧ-энергия. Разряд перемещается справа налево, останавливаем его у места ввода электромагнитной энергии. Затем циклы повторяются. Скорость травления алюминия по такому способу и в указанном диапазоне составляет 1,2 мкм/мин. Предварительная откачка до 500 Па составляет 100 с. По окончании процесса травления отключаются импульсные источники и СВЧ генераторы, перекрывается напуск рабочего газа, отключаются средства откачки и развакуумируется объем.

П р и м е р 2. Травление алюминия при давлении 10⁴Па. Последовательность операций та же, что и в примере 1. Предварительная откачка осуществляется до давления 500 Па, напуск хлора до давления 10 Па. Скорость травления алюминия достигала при таком давлении 2,5 мкм/мин. Время откачки составляет всего 1,5 с что в 3 раза меньше, чем при плазмохимическом травлении и в 4-5 раз меньше, чем при реактивном.

П р и м е р 3. Травление алюминия при атмосферном давлении 10⁵ Па. Откачку осуществляют до давления 5 10³ Па. Затем связь объема с откачными средствами перекрывается, создается продув напуска хлора с аргоном (или азотом) в соотношении 10:1 Последовательность работы такая же как и в первом примере. Таким образом в случае работы при атмосферном давлении можно обойтись без вакуумных насосов, предварительно перед травлением пропустив через реакционный объем инертный или рабочий газ. Скорость травления алюминия достигала 2.2 мкм/мин. В этом случае не стоит проблема защиты вакуумных средств от хлора.

П р и м е р 4. При увеличении давления выше атмосферного (до избыточного, например 10⁴ Па) скорость травления алюминия уменьшается и составляет 1,6 мкм/мин. Значительно увеличивается температура газа в разряде и нагрев подложки.

П р и м е р 5. При уменьшении давления ниже 10 Па скорость травления алюминия уменьшается плавно. При давлении 1000 Па скорость травления алюминия составляет 0,9 мкм/мин, и она выше, чем при реактивных методах травления.

П р и м е р 6. При давлении 100 Па скорость травления алюминия составляет 0,2 мкм/мин, меньше, чем при реактивном методе травления. Таким образом, из приведенных примеров видно, что с помощью предлагаемого способа можно добиться значительного повышения скорости и равномерности травления (см. таблицу). ТТТ1 ТТТ2

Использование: электронная техника, создание интегральных схем, обработка объектов с нанесенными на них пленками, обработка массивных алюминиевых деталей. Цель: увеличение скорости и равномерности травления. Сущность изобретения: под действием энергии сверхвысокочастотного поля разряд, созданный импульсами постоянного тока, перемещается относительно поверхности объекта травления, при этом импульсный разряд создают с одной стороны объекта, а энергию СВЧ-поля подводят с противоположной, затем - наоборот. Таким образом разряд перемещается в прямом и обратном направлении относительно объекта травления. Травление происходит при атмосферном давлении или близком к нему. 1 табл.

Способ плазменного травления алюминия, включающий предварительное вакуумирование реакционного объема, напуск рабочего газа, возбуждение разряда и обработку подложек при взаимном перемещении подложек и области разряда, отличающийся тем, что, с целью повышения скорости при одновременном повышении равномерности травления, предварительное вакуумирование осуществляют до давления 10³-10⁴ Па, в качестве рабочего газа используют хлорсодержащий газ, разряд возбуждают импульсами постоянного тока при давлении 10⁴-10⁵ Па и расходах рабочего газа 10-400 см³/с, а в процессе обработки область разряда перемещают относительно подложек путем воздействия электромагнитным излучением СВЧ-диапазона с плотностью мощности
W=W_o•2^2lg(Po/P),
где W_o=(75-100) Вт/см²;
Р_o атмосферное давление, Па;
Р рабочее давление, Па.