Коэффициент распыления при плоской мишени можно выразить следующим образом.
(7)
где So, S - коэффициенты распыления для случаев
полубесконечной мишени и бесконечных сред;
Sr - коэффициент самораспыления бесконечной мишени;
Ro - коэффициент обратного рассеяния ионов для полубесконечной
среды
Коэффициент распыления при бесконечных средах Sдается выражением.
S = lFo (E,, 0) (8)
где Fo(E,, 0) - функция плотности поглощенной энергии, которая зависит,
в основном, от типа иона, энергии и направления его
падения, и из параметров мишени в неё входят только Zr, Mr
и N- заряд атома мишени, его масса и плотность атомов на
единицу объема.
d(coso/P(Eo,o) (9)
где dEo/dx - средняя энергия, теряемая частицей на единице пути;
P(Eo,o) - вероятность отрыва атома от поверхности;
Гm - некая функция, определяемая видом функции сечения
столкновения;
o - угол вылета атомов с поверхности твердого тела.
Из вышеприведенного следует, что зависит от всех характеристик материала мишени и практически не зависит от параметров бомбардирующего иона.
Анализ уравнений (7 - 9) позволяет теоретически обосновать основные факторы, определяющие вид и величину вектора скорости процесса распыления.
К таким факторам следует отнести:
- энергию бомбардирующих частиц;
- состав бомбардирующих частиц;
- угол атаки;
- природу (массу, поверхностный потенциал и т.д.) бомбардирующего
иона и атома мишени.
К сожалению, точного решения уравнения (7 - 9) на сегодняшний день нет. Поэтому масштаб воздействия перечисленных факторов на вектор (или угловую зависимость) скорости физического распыления теоретически установить невозможно. Такая задача в настоящее время решается только экспериментально для каждого отдельного случая. Однако, максимально возможный диапазон изменения таких праметров процесса как Rпм, А, 
можно оценить из имеющихся экспериментальных результатов. Такая оценка позволяет с достаточной степенью точности оценить возможности метода. Селективность травления SiO2относительно фоторезиста KTFR= Rпм - 1 и относительно электронного резиста РММ - 0,5. Максимально возможная селективность, если в качестве маски использовать пленки Al2O3или -С:Н, составляет 5 - 7. Такая же ситуация и для кремния. Для GaAsможно теоретически, используя маски Al2O3, получить селективность Rпм20 -22. Это, видимо, на сегодняшний день для ионов аргона наилучший показатель селективности. Отношение максимальной скорости травления к минимальной колеблется в пределах 1 - 10.
С точки зрения технолога, управление вектором скорости процесса массоотбора означает точное определение всех значимых параметров процесса и масштабов их воздействия. В связи с тем, что в микроэлектронике, в основном, используют симметричные формы, для простоты можно провести анализ для двухмерного случая.
Тогда вектор скорости удобнее всего представить в виде графической или аналитической зависимости скорости процесса массоотбора от угла между нормалью к поверхности и траекторией движения бомбардирующей частицы (м).
На рис. 5 и 6 показана графическая зависимость скорости распыления от угла атаки.
Рис. 5. Зависимость приведенной
скорости распыления
гипотетических резистов
от угла падения пучка ионов.
| 
Рис. 6. Зависимость проведенных
скоростей Vx(для резистов 1-4, на
рис. 5 соответственно 1-4) и Vy
(cоответственно 5, 6, 3, 3) от
приведенного времени процесса.
|
Однако, рельеф поверхности усложняет взаимодействие пучка с твердым телом, так как распыленное вещество может частично конденсироваться на боковых стенках поверхности, На рис. 5 показана ситуация, когда ионный пучок распыляет поверхность материала при наличии вертикальных стенок [1].
Поток вещества на стенку выражается как
F(L)= 
(10)
или 
где Fo - плотность потока распыленного материала на единицу
площади и единицу телесного угла в направлении.
Оценка по формуле (10) на ЭВМ потока вещества, попадаемого на стенку, к потоку удаляемого вещества наглядно показывает, что при отношении глубины канавки к ширине d/ Lм = 2 около 50 % распыленного вещества оседает на боковой стенке поверхности (рис. 6). Как известно, процессы переосаждения приводят к неконтролируемому развитию рельефа, а если исходное вещество многокомпонентное, то и к неконтролируемому изменению химического состава. Поэтому теоретически можно определить пределы применимости процессов физического распыления следующим образом:
- травление структур с соотношением глубины dк ширине Lне более 1 (d/ L);
- травление материалов, не имеющих летучих компонентов (Cu, FeNi);
- обработка поверхности с целью залечивания микропор.
Элементарный расчет по формуле, в предположении, что A=, показывает такой же порядок ограничения по глубине рельефа из-за ограничения по селективности (Rпм).
Рис. 7. Двухмерная модель для определения потока распыленного
вещества на стенку.
Рис. 8. Влияние геометрического размера элемента поверхности (Lм) на
величину обратного потока на стенку распыляемого материала:
1) d= 0,2 мкм; 2) d= 0,4 мкм; 3) d= 0,8 мкм; 4) d= 1 мкм.
4. Анализ процессов химического распыления
Рассмотрим подробнее механизм химического распыления, стимулированного ионной бомбардировкой.
Скорость травления может выражаться следующей формулой:
(11)
где КР = К1 / К2 - отношение стехиометрических коэффициентов
где е, i - cечения взаимодействия электронов и ионов с адсорбированными
молекулами;
- среднее время жизни молекулы на поверхности;
ji, je - плотность тока ионов и электронов;
qe, qi - заряд электронов и ионов;
Vр - скорость физического распыления.
Согласно формуле (11) можно сделать вывод: суммарная зависимость скорости от угла будет суперпозицией угловых зависимостей при химическом и физическом распылении. Угловая зависимость скорости химического распыления согласно выражению имеет косинусную зависимость.
Это положение нами было проверено экспериментально при травлении пленок -С:Н в аргоне и кислороде (рис. 9).
Из рис. 9 видно, что при распылении пленок -С:Н в аргоне угловая зависимость соответствует процессу физического распыления, а при химическом распылении в кислороде получается косинусная зависимость.
Рис. 9. Угловая зависимость скорости травления пленок -С:Н
в аргоне (1) и кислороде (2): 1- ИЛТ (Аr); 2- РИЛТ (О2).
Рис. 10. Влияние геометрии рельефа на время образования монослоя на его
поверхности: tо 310-2 для азота при Т = 353 К и Р = 10-3 тор
с toN2 < toCxFy
Нормирующий множитель для скорости травления на рис. 9 взят в виде 1 / Vр, где Vр- нормальная скорость роста пленки -С:Н.
Дальнейший анализ формулы (11) показывает, что скорость травления может лимитироваться тремя процессами:
1) подводом и отводом компонентов в зоне и из зоны реакции соответственно;
2) химическим взаимодействием;
3) сорбцией и десорбцией исходных молекул и продуктов реакции с поверхности, на которой идет процесс химического распыления.
Клаудинг показал, что при малых скоростях десорбции адсорбированных частиц время, необходимое для покрытия молекулами поверхности пор или очень узких каналов, составляет:
(12)
где = 3,513 1022 Ртор(МТ)1/2 - частота ударов молекулы о поверхность;
d - длина отверстия;
a - радиус;
s - площадь сечения молекулы.
Таким образом, скорость подвода и отвода компонентов в зону реакции будет зависеть от размера элемента и глубины травления (Lм, а, d).
Если за начало отсчета принять время образования монослоя (to) на поверхности с размерами канавки а=1 мкм и d=1 мкм и относительно этой точки определить относительное изменение времени образования монослоя to/ t2получается следующая зависимость:
(13)
Таблица 1.
Сравнение различных методов "сухого" или вакуумного травления
| Метод травления | Механизм травления | Энергия пучка или ионов, эВ | Рабочее разряжение, Па | Селек-тивность травления | Предельное разрешение травления, мм | Требования к маске | Получаемый профиль |
| I.Ионный пучок А.Ионно-лучевое травление (ИТ). Б.Реактивное ионно-лучевое травление (РИЛТ) | Физический Химический + физический | 200 - 2000 100 - 500 | 10-2 - 10-3 10-1 - 10-2 | (2 - 10): 1 (5 - 25): 1 | 50 - 100 | Низкая скорость травления ионным пучком. Низкая скорость травления + химическая стойкость | Высокоани-зотропный Анизотропный |
| II. Реактор с паралельными электродами А.ВЧ распыление Б.Реактивное травление | Физический Химический + физический | 500 - 5000 50 - 500 | 10-1 10-1 | (2 - 10): 1 (10 - 50): 1 | 100 - 500 50 - 500 | Низкая скорость травления ионами + высокая термическая стабильность Низкая скорость травления ионами + химическая стойкость | Анизотропный Относительно анизотропный |
| III. Объемный реактор А.Плазменное травление | Химический (свободные радикалы) | 5 - 50 | 103 - 102 | (10 - 100):1 | 500 - 1000 | Химическая стойкость | Почти изотропный |
На рис. 10 приведена графическая зависимость при изменении а от 0,1 до 1 мкм и d-constравной 1 мкм. Видно, что начиная с радиуса 0,3, размера элемента 0,6 (Lм), величина рельефа будет существенно влиять на скорость подвода реагента, а значит на его скорость травления. Если наряду с размерами элементов 1 мкм появляются размеры 0.6, 0.8, то скорости травления этих элементов будут значительно отличаться друг от друга.
Отсюда следует вывод о том, что для формирования разнотолщинной и разномерной геометрии субмикронных размеров с размерами элементов менее 1 мкм необходимо использовать процессы химического распыления, в которых лимитирующая стадия скорости процесса не зависит от рельефа. Такими процессами могут быть химическая реакция и сорбция десорбция.
Основными факторами управления меняющими лимитирующие стадии процесса, являются, видимо, давление реагентов (Р), температура в зоне процесса и параметры ионно-плазменной среды (E, j, состав). Исходя из этого, предъявляются жесткие требования к оборудованию для травления по управлению и контролю за температурой подложки, давлению и составу реагентов и энергии заряженных частиц. Необходимо снижать энергию заряженных частиц, чтобы избежать эффектов перераспыления.
ЛИТЕРАТУРА
1.Черняев В.Н. "Технология производства интегральных микросхем. - М.: Энергия, 1976.
2. Плазменная технология в производстве СБИС /Под ред. Н.Айнспрука и С.Брауна. -М.: Мир, 1987.
3. Технология СБИС/Под.ред.С.ЗИ. -М.: Мир, 1986.
4. Розанов Л.Н. Вакуумная техника. - М.: Высшая школа, 1983.
5. Павловский В.В., Васильев В.И., Гутман Т.Н. Проектирование технологических процессов изготовления РЭА. - М.: Радио и связь, 1982.
6. Тилл У., Лаксси Дж. Интегральные схемы. Материалы, приборы, изготовление. - М.: Мир, 1985.