Плазменное травление

Плазменное травление — это технологический процесс удаления материала с поверхности подложки (обычно полупроводниковой пластины) с использованием химически активной плазмы, применяемый в микроэлектронике, микросистемной технике и производстве микроэлектромеханических систем (МЭМС) для формирования рельефа, создания изолирующих слоёв, канавок, отверстий и других элементов топологии интегральных схем.

Принцип действия

Плазменное травление основано на комбинации физических и химических механизмов. В вакуумной камере при пониженном давлении (обычно 0,1–10 Па) создаётся электрический разряд (часто высокочастотный, ВЧ) в газовой среде, содержащей реакционноспособные вещества (например, фторсодержащие газы, хлор, кислород, фторуглероды). Под действием электрического поля молекулы газа диссоциируют, ионизируются и образуют плазму — смесь электронов, ионов, радикалов и нейтральных частиц.

Химически активные радикалы (например, атомарный фтор F*) вступают в реакцию с материалом подложки (кремний, диоксид кремния, алюминий, фоторезист), образуя летучие продукты (например, SiF₄, CO₂, H₂O), которые удаляются вакуумной системой. Параллельно ионы, ускоренные электрическим полем в прикатодной области (так называемом слое пространственного заряда), бомбардируют поверхность, разрушая химические связи и ускоряя реакцию, а также обеспечивая анизотропию процесса (преимущественное травление в вертикальном направлении).

Классификация

По механизму воздействия

• Изотропное (химическое) травление — преобладает химическая реакция радикалов с материалом. Процесс идёт во всех направлениях с одинаковой скоростью, что приводит к подтравливанию под маску и образованию закруглённых профилей. Используется для удаления слоёв без сохранения строгой геометрии.
• Анизотропное (ионно-химическое) травление — сочетает химическое воздействие радикалов и физическую бомбардировку ионами. Ионы, движущиеся преимущественно перпендикулярно поверхности, обеспечивают высокую скорость травления в вертикальном направлении и минимальное боковое подтравливание. Позволяет получать стенки с углом, близким к 90°.
• Ионно-лучевое травление (ИЛТ) — чисто физический процесс, при котором материал удаляется за счёт распыления ионами инертного газа (например, аргона). Обеспечивает высокую анизотропию, но низкую селективность (отношение скорости травления материала к скорости травления маски) и может вызывать радиационные повреждения.

По типу плазмы

• Высокочастотное (ВЧ) плазменное травление — наиболее распространённый метод. Разряд возбуждается на частотах 13,56 МГц или 2,45 ГГц. Позволяет независимо регулировать энергию ионов (через мощность смещения) и плотность плазмы (через мощность источника).
• Микроволновое плазменное травление — использует СВЧ-излучение для создания плазмы высокой плотности при низком давлении. Обеспечивает высокую скорость травления и низкое повреждение подложки.
• Индуктивно связанная плазма (ICP) — разряд возбуждается индукционной катушкой, что позволяет создавать плазму высокой плотности при низком напряжении смещения. Широко применяется в современной микроэлектронике.

По типу используемых газов

• Фторсодержащие газы (CF₄, SF₆, CHF₃, C₄F₈) — для травления кремния, диоксида кремния, нитрида кремния. Фтор образует летучие фториды.
• Хлорсодержащие газы (Cl₂, BCl₃, HCl) — для травления алюминия, титана, нитрида титана, поликремния. Хлор образует летучие хлориды.
• Кислородсодержащие газы (O₂, O₂/CF₄) — для удаления органических материалов (фоторезистов, полимеров) — так называемое «золение» (ashing).
• Бромсодержащие газы (HBr) — для травления кремния и поликремния с высокой анизотропией.

Оборудование

Основным элементом установки плазменного травления является реактор — вакуумная камера с системой подачи газов, источником плазмы (ВЧ-генератор, СВЧ-генератор, ICP-катушка), системой создания и поддержания вакуума (турбомолекулярный насос, форвакуумный насос), системой охлаждения подложки (обычно с помощью гелия) и системой контроля процесса (датчики давления, температуры, оптическая эмиссионная спектроскопия для контроля окончания травления).

Различают несколько типов реакторов:

• Планарные (диодные) реакторы — подложка размещается на электроде, к которому подаётся ВЧ-напряжение. Простой и дешёвый тип, но с ограниченной однородностью.
• Реакторы с индуктивно связанной плазмой (ICP) — обеспечивают высокую плотность плазмы и независимый контроль энергии ионов. Наиболее распространены в современном производстве.
• Реакторы с электронно-циклотронным резонансом (ЭЦР) — используют микроволновое излучение и магнитное поле для создания плазмы высокой плотности. Применяются для травления с высокой анизотропией и низким повреждением.
• Реакторы с удалённой плазмой — плазма создаётся в отдельной камере, а затем активные радикалы подаются в камеру травления. Используется для процессов, требующих минимального ионного повреждения (например, удаление фоторезиста).

Применение

Микроэлектроника

Плазменное травление является ключевым процессом в производстве интегральных схем (ИС). Оно используется для:

• Формирования транзисторных структур (затворов, стоков, истоков) в КМОП-технологии.
• Создания контактных окон и канавок (контактов) в диэлектрических слоях.
• Травления металлических слоёв (алюминий, медь) для создания межсоединений.
• Формирования изолирующих структур (STI — shallow trench isolation).

Микросистемная техника (МЭМС)

В производстве МЭМС (микроакселерометры, микрогироскопы, микрозеркала, датчики давления) плазменное травление используется для создания глубоких канавок и структур с высоким аспектным отношением (глубина/ширина). Для этого применяется процесс глубокого реактивного ионного травления (DRIE), например, метод Bosch, который чередует фазы травления (SF₆) и пассивации (C₄F₈) для формирования вертикальных стенок.

Оптоэлектроника

Плазменное травление применяется для изготовления светодиодов, лазерных диодов, фотоприёмников, волноводов и других оптических компонентов. Оно позволяет формировать рельефные структуры (например, дифракционные решётки) с высокой точностью.

Другие области

• Производство солнечных элементов — для текстурирования поверхности кремния (уменьшение отражения) и формирования контактов.
• Микрофлюидика — для создания микроканалов и камер в биомедицинских устройствах.
• Нанотехнологии — для изготовления наноразмерных структур (нанопроволоки, наноотверстия).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая анизотропия — возможность формирования вертикальных стенок и структур с высоким аспектным отношением.
• Высокая селективность — возможность избирательного травления одного материала по отношению к другому (например, кремний по отношению к диоксиду кремния).
• Низкая температура процесса — травление проводится при комнатной или слегка повышенной температуре (обычно 20–100 °C), что минимизирует термические напряжения и деградацию материалов.
• Совместимость с фотолитографией — плазменное травление позволяет точно воспроизводить рисунок фоторезистивной маски.
• Автоматизация и управляемость — процесс легко контролируется и воспроизводится.

Недостатки

• Радиационные повреждения — бомбардировка ионами и воздействие ультрафиолетового излучения плазмы могут вызывать дефекты в полупроводниковых материалах (например, образование ловушек, изменение проводимости).
• Сложность и стоимость оборудования — установки плазменного травления требуют высокого вакуума, точного контроля газовых потоков и ВЧ-мощности, что увеличивает их стоимость.
• Ограниченная селективность — при травлении некоторых материалов (например, меди) селективность по отношению к маске может быть низкой.
• Проблемы с равномерностью — на больших пластинах (300 мм и более) могут возникать градиенты скорости травления.
• Побочные эффекты — образование полимерных отложений, загрязнение поверхности, необходимость дополнительных процессов очистки.

История

Первые работы по плазменному травлению относятся к 1960-м годам, когда были разработаны методы удаления фоторезиста в кислородной плазме. В 1970-х годах началось применение плазменного травления для формирования структур в кремнии и диоксиде кремния. В 1980-х годах, с развитием КМОП-технологии, плазменное травление стало основным методом создания транзисторных структур. В 1990-х годах был разработан процесс DRIE (метод Bosch), который позволил создавать глубокие структуры для МЭМС. В 2000-х годах, с переходом на технологии с проектными нормами менее 100 нм, плазменное травление столкнулось с новыми вызовами, связанными с необходимостью контроля критических размеров и минимизации повреждений. Современные установки плазменного травления оснащаются системами in-situ контроля (оптическая эмиссионная спектроскопия, интерферометрия) и позволяют достигать точности травления на уровне единиц нанометров.

Интересные факты

• Плазменное травление является одним из самых «грязных» процессов в микроэлектронике с точки зрения образования побочных продуктов (фториды, хлориды, полимеры), которые требуют тщательной утилизации.
• В процессе DRIE (метод Bosch) используется чередование травления и пассивации, что позволяет формировать стенки с углом, близким к 90°, при глубине травления до нескольких сотен микрометров.
• Для травления меди (которая используется в современных медных межсоединениях) применяются специальные процессы, так как медь не образует летучих соединений при обычных условиях.

Источники

• С. А. Гаврилов, А. В. Гаврилов, «Плазменные процессы в микроэлектронике», 2015.
• М. А. Лившиц, «Технология плазменного травления в микроэлектронике», 2008.
• J. W. Coburn, H. F. Winters, «Plasma etching — A discussion of mechanisms», Journal of Vacuum Science and Technology, 1979.
• S. M. Sze, «VLSI Technology», 2nd edition, 1988.
• K. Nojiri, «Dry Etching Technology for Semiconductors», 2015.