WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |

На правах рукописи

ВЕТОШКИН ВЛАДИМИР МИХАЙЛОВИЧ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВАКУУМНО-ПЛАЗМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ КВАРЦА 01.04.01- «Приборы и методы экспериментальной физики»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ижевск – 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО “Удмуртский государственный университет”

Научный консультант: кандидат физико-математических наук, доцент Крылов Петр Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Баянкин Владимир Яковлевич кандидат физико-математических наук Когай Владимир Янсунович

Ведущая организация: ГОУ ВПО “Ижевский государственный технический университет”

Защита состоится 28 декабря 2009 г. в 17:00 в ауд. 2 на заседании диссертационного совета ДМ 212.275.03 в Удмуртском государственном университете по адресу: 426034, Ижевск, ул. Университетская, 1.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу:

426034, Ижевск, ул. Университетская, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Удмуртского государственного университета, с авторефератом – на сайте УдГУ http:/v4.udsu.ru/science/abstract.

Автореферат разослан ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.ф.-м.н., доцент Крылов П.Н.

2

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В производстве микросхем в настоящее время широко используются процессы, происходящие в низкотемпературной плазме, например, для очистки поверхности подложек, травления рабочих слоев, удаления резиста. Плазменные технологии позволяют увеличить разрешающую способность литографии, повысить производительность труда, автоматизировать производство микросхем. Хотя физические явления, происходящие в плазме и на поверхности подложек, до конца не исследованы, они весьма перспективны для изготовления различных изделий.

В частности низкотемпературную неравновесную плазму перспективно применять для травления кварца, который широко используется в качестве материала чувствительного элемента твердотельного волнового гироскопа, корпусов специализированных микросхем, подложек для ГИС СВЧ и устройств на поверхностных акустических волнах. Плазменное травление кварца можно применять как для удаления «трещиноватого» слоя, возникающего при его механической обработке, так и для его высокоточной размерной обработки.

Состояние поверхности оказывает заметное влияние на различные физические свойства конденсированных слоев. Развивающееся в последнее время направление нанотехнологии ужесточает требования к шероховатости поверхности. Наличие микрошероховатостей на границах наноструктур является немаловажным фактором при создании приборов, основанных на квантовых процессах. Шероховатости уменьшают коэффициент отражения оптических элементов, оказывают деструктивную роль в рентгеновских телескопах, зонных пластинках, зеркалах, используемых для работы с синхротронным излучением. Одним из методов уменьшения шероховатости является ионно-плазменная обработка подложек.

При реактивном ионно-плазменном травлении используются высокотоксичные газы и жидкости, поэтому задача утилизации продуктов реакции также требует своего решения.

Целью настоящей работы является разработка экспериментальной установки для проведения ионно-лучевой и ионно-плазменной обработки материалов и анализ влияния физико-химических процессов в низкотемпературной плазме аргона, кислорода, фтор - и хлорсодержащих газов на поверхность кварца.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Разработка оборудования и приборов, обеспечивающих высокоскоростное размерное травление, ионно-лучевую и ионноплазменную полировку кварца.

2. Разработка устройства утилизации хлорсодержащих газов, переводящего хлорсодержащие газы в неактивные соединения с низким давлением насыщенных паров.

3. Исследовать возможности использования твердотельного источника фтора для ионно-лучевого травления кварца.

4. Определить режимы ионно-лучевых и ионно-плазменных процессов травления и полировки кварца.

Научная новизна работы 1. Впервые разработана конструкция и схема расположения катодного и анодного узлов, обеспечивающие высокие скорости ионного и реактивно-ионного травления различных материалов. Определены оптимальные режимы травления кварца.

2. Впервые предложено устройство для утилизации хлорсодержащих газов и (или) изменения состава рабочего газа.

3. Определены оптимальные режимы процессов реактивного ионнолучевого травления кварца в различных хлорсодержащих газах.

4. Впервые исследованы возможности использования твердотельного источника фтора для ионно-лучевого травления кварца.

5. Определены оптимальные режимы ионно-лучевых и ионно-плазменных процессов полировки кварца.

Практическая ценность работы Результаты диссертационной работы могут быть использованы при разработке процессов изготовления изделий из плавленого кварца, а также при финишной обработке подложек. Разработанные конструкции и устройства могут быть использованы в лабораторных устройствах, в технологических процессах изготовления изделий микромеханики и микроэлектроники.

Положения, выносимые на защиту 1. Конструкция электрода с кольцевым выступом, обеспечивающим напуск рабочего газа непосредственно в зону эрозии, увеличивает скорость травления в 4-5 раз и позволяет получать углубления до мкм с резко обозначенным профилем.

2. Расположение цилиндрического магнетрона на реакторе и напуск газа через него позволяют изменять состав реактивного рабочего газа.

Использование цилиндрического магнетрона при расположении его между реактором и высоковакуумным насосом позволяет утилизировать хлорсодержащие газы и защищать средства откачки. Наиболее эффективно (95-98%) утилизация хлорсодержащего газа происходит при использовании мишени из молибдена.

3. Максимальная скорость реактивного ионно-лучевого травления плавленого кварца в SiCl4 определяется давлением рабочего газа и ускоряющим напряжением, а в CCl4 - еще и концентрацией кислорода в смеси рабочего газа.

4. Использование твердотельного источника фтора при ионно-лучевом травлении кварца дает увеличение скорости в 1,7 – 2,8 раза.

5. Определены режимы ионно-плазменной обработки, обеспечивающие уменьшение шероховатости кварца.

Личный вклад автора Диссертация является самостоятельной работой, обобщившей результаты, полученные лично автором. Постановка задач исследований, определение методов решения и анализ результатов исследований выполнены совместно с научным руководителем и соавторами опубликованных работ.

Апробация работы Основные положения диссертационной работы обсуждались и докладывались на:

• Всесоюзном постоянном научно-техническом семинаре «Низкотемпературные технологические процессы в электронике», Ижевск, 1990;

• Первом Всесоюзном постоянном семинаре «Низкотемпературное легирование полупроводников и многослойных структур микроэлектроники», Устинов, 1987;

• Всесоюзной научной конференции по микроэлектронике, Тбилиси, 1987;

• Научной конференции с международным участием «75 лет высшему образованию в Удмуртии», Ижевск, 2006;

• XVIII Международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью», Москва, 2007.

Публикации Общее число публикаций – 15. Из них 7 статей, в том числе 6 статей в рецензируемых журналах, 1 авторское свидетельство, 7 публикаций в материалах научно-технических конференций. Список работ приводится в конце автореферата.

Структура и объем диссертации Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав с краткими выводами по каждой главе, заключения, списка цитируемой литературы и приложений. Она включает 138 страниц машинописного текста, 42 рисунка, 10 таблиц и библиографию из 84 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается краткое обоснование актуальности исследования, формулируются цель и задачи диссертации, изложены новизна работы, ее научная и практическая значимость, основные положения, выносимые на защиту, приведены данные об апробации работы, указан личный вклад автора, описана структура диссертации.

В первой главе проанализированы основные физико-химические процессы в низкотемпературной газоразрядной плазме. Приведен обзор литературных данных по использованию плазменных процессов травления кварца. Дан обзор рабочих реагентов, используемых в процессах реактивного травления. Описано оборудование для плазменного травления и влияние вакуумно-технических параметров на травление материалов.

Проведен сравнительный анализ различных методов плазменного травления и обоснован выбор реактивного ионно-плазменного (РИПТ) и реактивного ионно-лучевого травления (РИЛТ), при которых удаление материала происходит как за счёт физического распыления ускоренными ионами химически активных газов, так и в результате реакций между химически активными частицами и поверхностными атомами подвергаемого травлению материала. Показана перспективность использования разновидности РИПТ ВЧ - магнетронного травления, как максимально полно обеспечивающего высокие скорости, селективность и анизотропность.

Проанализировано влияние газовых добавок (особенно O2) на процесс травления материалов.

Описаны особенности методов вакуумно-плазменного травления кварца.

Для травления SiO2 используют фторсодержащие газы CF4, SF6, CHF3. В плазме они разлагаются с образованием радикалов фтора F*, вступающих в реакцию с кварцем с образованием четырёхфтористого кремния SiF4. В конце главы дано описание известных методов и устройств для травления кварца.

Во второй главе описана разработанная установка ионно-плазменного травления микроструктур со сканируемым ВЧ - магнетроном (рис.1).

Рис 1. Структурная схема вакуумного агрегата:

1 - реакционная камера, 2 - высоковакуумный затвор, 3 - регулятор потока высоковакуумной магистрали, 4 - азотная ловушка, 5 - водяная ловушка, 6 - паромасляный насос, 7 - вакуумный клапан, 8 - регулятор потока, 9 - форвакуумный насос, 10 - натекатель рабочего газа, 11 -анод, 12 - подложка, 13 - катод, 14 - привод сканирования магнетрона, 15 - магнетрон, 16 - камера магнетрона, 17 - высоковакуумный затвор, 18 - высоковакуумные клапаны Ду 56, 19 - шлюзовая камера, 20 - подложкодержатель, 21 - ручной манипулятор, 22 - насос АВР Использование магнетронной системы позволяет расширить диапазон рабочих давлений, увеличить скорость травления, улучшить анизотропность (отношение вертикальной и горизонтальной составляющих скоростей травления). Равномерность травления обеспечивается возвратнопоступательным движением магнетронного узла, собранного из постоянных феррит - бариевых магнитов. Максимальный диаметр обрабатываемых подложек 100 мм. Между паромасляным и форвакуумным насосом установлен дополнительный двухроторный насос (22) АВР-50. Это позволило сократить время форвакуумной откачки, проводить переключение на высоковакуумную откачку при более низком давлении, что повышает ресурс работы паромасляного насоса и сокращает время выхода на предельный вакуум. Использование двухроторного насоса дает возможность расширить диапазон рабочих давлений в режиме форвакуумной откачки с 5133 Па до 0,5-133 Па.

Для обеспечения шлюзовой загрузки пластин в рабочую камеру был подобран и установлен затвор (17), а также спроектирована и изготовлена шлюзовая камера (19). Загрузка осуществляется ручным манипулятором (21).

Откачка шлюзовой камеры до давления 1 Па проводится форвакуумным насосом 2НВР-5ДМ (9) через пневматический клапан (18). Для более полного использования форвакуумного насоса была установлена дополнительная магистраль с пневматическим клапаном (18) между насосом 2НВР-5ДМ и паромасляным насосом (6). Это позволяет длительное время эксплуатировать установку в режиме форвакуумной откачки рабочей камеры химостойким насосом (9) и агрегатом АВР-50, не переключая их на подкачку паромасляного насоса.

Наличие регулятора потока рабочего газа в высоковакуумной магистрали (3) позволяет менять рабочее давление в рабочей камере при фиксированном расходе рабочего газа в режиме высоковакуумной откачки. Аналогично регулятор потока рабочего газа в форвакуумной магистрали (8) позволяет менять рабочее давление в рабочей камере при фиксированном расходе рабочего газа в режиме форвакуумной откачки.

Для возбуждения высокочастотной плазмы в рабочей камере используется генератор ВЧ на частоте 13.56 МГц с регулируемой выходной мощностью от 0.1 до 1 кВт. Согласование ВЧ - генератора с нагрузкой обеспечивается устройством в виде П-образного LC - контура с раздельной регулировкой всех его элементов.

Система оптического контроля окончания процесса травления (рис. 2) установливается на рабочей камере (3) рядом с камерой магнетрона (4). В крышке камеры (2) размещены анод (1) и два оптических окна (5). Через первое к подложке (8) направляется луч лазера (6), отражается от нее и выходит через второе окно. Над вторым окном расположен регистрирующий фотоприемник (7) сигнал с которого поступает на самописец.

Рис.2. Система оптического контроля:1 - анод, 2 - крышка камеры, 3 - камера, 4 - камера магнетрона, 5 - кварцевые окна, 6 - лазер, 7 - фотоприемник, 8 – подложка Описана модернизированная установка УРМ 3.279.029 для проведения процессов ионно-плазменного и ионно-лучевого травления и обработки кварца, вакуумная камера которой изображена на рис. 3. Внутри вакуумной камеры (1) горизонтально расположены 5 подложкодержателей (2), которые с помощью двигателя и планетарного механизма (карусели) (5) могут подводиться к источнику ионов и магнетрону. На этих подложкодержателях размещались образцы на расстоянии 40-130 мм от источника.

Источник ионов (3) и магнетрон (6) вакуумно-плотно пристыковывались к вакуумной камере, снабженной двухступенчатой системой откачки на базе форвакуумного и паромасляного насосов производительностью 16 л/с и л/с соответственно. Предельный вакуум в камере 1·10-3 Па. В ходе работы камера (1) откачивалась до давления 2·10-3 Па перед травлением в смесях с кислородом и до давления 5·10-3 Па перед травлением в чистых газах. Вместо магнетрона (6) возможна установка ВЧ-электрода.

Pages:     || 2 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»