Введение к работе
Актуальность темы. Процессы размерного структурирования поверхности полупроводниковых пластин и функциональных слоев различной природы являются неотъемлемой частью технологии интегральных микросхем (ИМС). При переходе к наноразмерному диапазону элементов ИМС основная роль в формировании технологического рельефа поверхности отводится процессам «сухого» (плазменного) травления, которые обеспечивают лучшую (по сравнению с жидкостными технологиями) анизотропию процесса, высокую селективность по отношению к органическим маскам и чистоту.
В последнее время в процессах плазмохимического травления металлов (Al, Cu) и полупроводников (Si, GaAs, InP) находит применение неравновесная низкотемпературная плазма галогенводородов HX (X = Cl, Br, I). Преимуществами HCl перед другими хлорсодержащими газами (BCl3, Cl2, фреоны CFxCly) являются отсутствие полимеризационных явлений, низкие концентрации атомов хлора, обеспечивающие анизотропный профиль травления, а также дополнительные эффекты, достигаемые за счет химических реакций атомов водорода. Еще одной особенностью современной технологии плазменного травления является использование двухкомпонентных газовых смесей, в которых галоген- содержащий газ совмещается с инертной (Ar, He) или молекулярной (H2, O2, N2) добавкой. Достоинством таких систем является то, что начальный состав смеси представляет эффективный инструмент регулирования параметров плазмы и концентраций активных частиц. В предшествующих работах было показано, что Ar и He в смесях Cl2, BCl3 и HCl не являются инертными разбавителями, а влияют на кинетику плазмохимических процессов через изменение средней энергии и концентрации электронов в плазме. На этом фоне, исследования влияния добавок молекулярных газов на электрофизические параметры и концентрации активных частиц плазмы HCl крайне малочисленны, при этом системы HCl-N2 и HCl-O2 вообще не изучались. Отсутствие информации по механизмам физико-химических процессов, формирующих стационарные параметры и состав плазмы в смесях HCl с N2 и O2, обуславливает трудности в разработке и оптимизации технологических процессов на их основе.
Важным направлением развития современной плазмохимической технологии является разработка невозмущающих оптико-спектральных методов контроля состава плазмы. Исследования по данному вопросу как для плазмы чистого HCl, так и для смесей HCl-N2, O2 также отсутствуют.
Цель работы. Выявление кинетических закономерностей и механизмов физико-химических процессов, формирующих стационарные параметры и состав плазмы смесей HCl-N2 и HCl-O2. Анализ взаимосвязей между концентрациями и интенсивностями излучения нейтральных частиц. Работа выполнялась по следующим направлениям:
1) Экспериментальное исследование электрофизических параметров (температура газа, приведенная напряженность электрического поля) и спектров излучения плазмы.
-
Компиляция наборов реакций, сечений и констант скоростей, обеспечивающих корректное описание стационарных параметров и состава плазмы в исследуемых системах.
-
Моделирование плазмы: расчеты энергетических распределений электронов, интегральных характеристик электронного газа, констант скоростей элементарных процессов, концентраций нейтральных и заряженных частиц, плотностей их потоков на поверхность, ограничивающую объем плазмы.
Научная новизна работы. В ходе выполнения работы получены следующие новые результаты:
-
-
Впервые сформированы кинетические схемы (наборы реакций, сечений и констант скоростей), обеспечивающие корректное описание электрофизических параметров и состава плазмы смесей HCl-N2 и HCl-O2.
-
Впервые проведено исследование электрофизических параметров плазмы смесей HCl-N2 и HCl-O2. Установлено, что увеличение доли N2 в смеси HCl- N2 вызывает заметную деформацию ФРЭЭ, при этом отсутствие корреляции между E/N и средней энергией электронов обусловлено неаддитивным изменением потерь энергии в неупругих соударениях. Найдено, что в смеси HCl-O2 эти эффекты выражены значительно слабее в силу близости потерь энергии электронов в процессах колебательного и электронного возбуждения исходных молекул.
-
Впервые проведено исследование кинетики процессов образования-гибели заряженных частиц плазмы смесей HCl-N2 и HCl-O2. Показано, что варьирование начального состава смеси HCl-N2 сопровождается более резкими изменениями частот гибели и концентрации электронов. Найдено, что разбавление HCl кислородом вызывает заметное снижение интенсивности ионной бомбардировки поверхности, контактирующей с плазмой.
-
Впервые проведено исследование кинетики процессов образования-гибели нейтральных частиц плазмы смесей HCl-N2 и HCl-O2. Найдено, что разбавление HCl азотом не сопровождается принципиальными изменениями кинетики атомно-молекулярных процессов, при этом имеет место рост степени диссоциации HCl за счет увеличения эффективности диссоциации электронным ударом. Показано, что кинетика образования атомов хлора в смесях HCl-O2 в значительной степени определяется атомно-молекулярными
процессами с участием O( P), O( D) и OH.
-
-
Впервые проведено детальное исследование спектров излучения плазмы HCl, HCl-N2 и HCl-O2. Установлено, что в плазме HCl приведенные интенсивности излучения атомов Cl и H адекватно отражают изменения концентраций этих частиц. Показано, что при варьировании начального состава смеси HCl-O2 измеренные интенсивности излучения атомов удовлетворительно коррелируют с их концентрациями из-за незначительного изменения условий возбуждения.
Защищаемые научные положения:
- Кинетические схемы (наборы реакций, сечений и констант скоростей), обеспечивающие корректное описание электрофизических параметров и состава плазмы смесей HCl-N2 и HCl-O2.
-
Результаты экспериментального исследования и самосогласованного моделирования (ФРЭЭ, интегральные характеристики электронного газа, константы скоростей процессов при электронном ударе, концентрации нейтральных и заряженных частиц) плазмы смесей HCl-N2 и HCl-O2.
-
Анализ влияния начального состава смесей HCl-N2 и HCl-O2 на электрофизические параметры плазмы. Анализ механизмов образования-гибели нейтральных и заряженных частиц.
-
Результаты исследования спектров излучения плазмы HCl, HCl-N2 и HCl-O2. Выявленные взаимосвязи интенсивностей излучения и концентраций атомов.
Практическая значимость работы. Результаты работы могут быть использованы для разработки и оптимизации процессов плазмохимического травления, а также для анализа механизмов и при построении моделей физико- химических процессов в неравновесной низкотемпературной плазме чистого HCl и смесей на его основе.
Личный вклад автора. Работа выполнена на кафедре «Технология приборов и материалов электронной техники» (ТП и МЭТ) ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет». Результаты моделирования плазмы получены лично автором. Автор принимала участие в обсуждении результатов диагностики плазмы, формировании наборов исходных данных для моделирования и в адаптации алгоритмов моделирования плазмы для выбранных объектов исследований. Моделирование плазмы проводилось с использованием ПО, разработанного ранее на кафедре ТП и МЭТ.
Апробация работы. Основные положения и выводы диссертационной работы были представлены и обсуждены на VI Международном симпозиуме по теоретической и прикладной плазмохимии (Иваново, 2011), VI Всероссийской конференции молодых учёных, аспирантов и студентов с международным участием «Менделеев 2012» (Санкт-Петербург, 2012), Международной конференции «Микро- и наноэлектроника 2012» (Москва-Звенигород, 2012). Всего сделано 3 доклада.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, из них 4 статьи в журналах Перечня ВАК, 3 тезисов докладов на конференциях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и списка использованных литературных источников. Общий объем диссертации составляет 117 страниц, включая 64 рисунка и 20 таблиц. Список использованных источников содержит 115 наименований.
Похожие диссертации на Физико-химические процессы в неравновесной низкотемпературной плазме HCl и его смесей с азотом и кислородом
-
-
