Реактивное ионно- лучевое травление

Дальнейшим развитием процесса ИЛТ материалов яви­лась реализация реактивного ионно-лучевого травления (РИЛТ), когда в качестве плазмообразующей среды в ион­ных источниках используются газы (пары), дающие при диссоциации молекулярные ионы и атомарные фтор, хлор или кислород — CF₄, C₃F₈, C₂F₆, СС1₄, 0₂, ВС1₃, SiF₄ и др.

В данном случае наряду с физическим распылением ма­териала протекают и химические реакции между поверхно­стными атомами и нейтральными частицами ионного пуч­ка, а также частицами, образованными при ударной диссо­циации на поверхности молекулярных ионов, экстрагиро­ванных из пучка, что значительно повышает выход удаляе­мого материала (табл. 7.4).

Экспериментально установлено, что нейтральные ча­стицы (в частности атомарный фтор) присутствуют и в пуч­ке ионов, сформированном в ионном источнике в скрещен­ных ЕхН полях в C₃F₈, независимо от того, взаимодейству­ет пучок с преградой (мишень из Si0₂) или нет. В ионном пучке, сформированном в N₂, присутствуют нейтральные частицы — атомы и молекулы азота. Эти данные убе­дительно свидетельствуют о том, что в случае реактивного ионно-лучевого травления необходимо рассматривать совме­стное воздействие на поверхность заряженных и нейтраль­ных частиц, образующихся при ударной диссоциации на поверхности и транспортируемых вместе с ионами в пучке. Для реактивного ионно-лучевого травления присущи те же стадии, что и для ИЛТ — генерация ионов в автономном источнике, транспортировка пучка к обрабатываемой повер­хности и его взаимодействие с ней.

При транспортировке пучка ионов в вакууме в простран­стве "ионный источник — обрабатываемая подложка" воз­можно протекание процессов перезарядки, приводящих к превращению энергетичных ионов в атомы.

В отличие от процессов ИЛТ при РИЛТ появляется до­полнительная возможность управления скоростью и селек­тивностью травления за счет изменения химического соста­ва ионного пучка путем вариации напряженности магнит­ного поля в источнике, ускоряющего напряжения, плотнос­ти тока и типа плазмообразующей среды. При использова­нии в качестве рабочих сред сложных фторхлоруглеродных соединений ионный пучок содержит, как правило, более простые компоненты — молекулярные ионы — являющиеся продуктами диссоциации исходного газа и атомарные фтор и хлор. Так, например, для CF₄ более 70 % молекулярных ионов в пучке составляют ионы CF₃.

В зависимости от энергии ионов изменяется доля физи­ческого и химического взаимодействия в механизме РИЛТ: при низких энергиях преобладает химическое взаимодей­ствие, а при более высоких — доминирующим становится физическое распыление.

Так, например, для ионов фтора, взаимодействующих с кремнием, вклад физического распыления и химических реакций сравним при энергии порядка 300 эВ, а при > > 1000 эВ химическое взаимодействие практически не ска­зывается. Зависимости коэффициента распыления крем­

ния ионами ШЩ от энергии соответствующих ионов приве­дены на рис. 7.7 [39].

Рис. 7.7. Зависимость коэффициента распыления кремния ионами CF₃⁺ (а, 1), F⁺ (а, 2), CF₂⁺ (б, 3) и CF⁺ (б, 4) и CF₃⁺ (в, 1), Ar⁺ (в, 2) от их энергии.

Процессы РИЛТ могут быть реализованы в таких же сис­темах, что и ИЛТ, но наибольшее распространение получи­ли ионные источники на базе ускорителей с анодным сло­ем, использующих ненакаливаемые катоды. Широкое рас­пространение в последнее время получили ионные источни­ки на базе СВЧ разряда в магнитном поле.

Отличительной особенностью РИТЛ являются более вы­сокие скорости травления материалов по сравнению с про­цессами ИЛТ (см. табл. 7.3 и 7.4), причем скорость трав­ления ограничивается подводимой тепловой мощностью к подложке, поскольку при температурах 373—393 К значи­тельно снижается стойкость органических резистивных ма­сок. Предельная плотность мощности ионного пучка, воздей­ствующего на образец, находящийся на водоохлаждаемом подложкодержателе, ограничивается, как правило, значени­ем 0,5 -10"⁴ Вт/м², а на неохлаждаемом — 0,05 *10~ Вт/м.

Увеличение энергии ионов и плотности ионного тока при­водит к росту скорости травления материалов, причем харак­тер возрастания различен для разных материалов (рис. 7.8).

Рис. 7.8. Зависимость скорости травления Si0₂ (1), Si (2), фоторезиста FBM (3), электронорезиста ПММА (4) и AZ-1350J (5) от ускоряющего напряжения (а) и плотности тока ионного пучка (б): а) ионный пучок экстрагирован из плазмы СВЧ разряда в C₂F₆ при р - 0,28 Па, W - 200 Вт; б) соответственно из плазмы C₄F₈ при р - 0,1 Па, E_И - 1 кэВ

Зависимость скорости травления от угла падения ионов несколько отлична от таковой для процессов ИЛТ — максимум наблюдается при меньших углах падения, а при энер­гиях ионов ниже 0,5 кэВ зависимость практически монотонно убывающая (рис. 7.9).

Рис. 7.9. Скорость травления Si02 в зависимости от угла адения ионов: a) Ar⁺ (1), Хе⁺ (2), источник

"Радикал", р = 0,3 Па, W = 32 Вт; б) CF⁺ при Е_И = 200 эВ (1), Е_И = 400 эВ (2), Еи = 600 эВ (3), Еи = 1000 эВ (4); Аг+ при Е _Аг+ = 600 эВ.

На скорость травления значительное влияние оказывает также сорт активного газа. Особенно заметно это проявля­ется при РИЛТ соединений A ^IB^V. Так, например, скорость травления GaAs при энергии ионов Аг⁺ 0,75 кэВ и плотности тока 10 А/м составляет 5 нм/с, а при использовании СС1₄ — 10 нм/с. Как и при ИЛТ, на скорости РИЛТ в существенной степени сказывается изменение давления остаточных газов, особенно кислорода при травлении А1: рост парциального давления 0₂ в 5 раз (от 1,3 -10~⁴ до 6,5-10~⁴ Па) приводит к уменьшению скорости травления алюминия в 10 раз. Влияние остаточного давления в вакуумной камере на скорость травления наблюдалось и для Si0₂, причем эти эффекты можно объяснить, с одной стороны, адсорбционными процессами, а с другой — влиянием остаточного давления на характер плазмообразования в ионном источнике.

Изменения скорости РИЛТ можно достичь также и пу­тем вариации расстояния "образец — источник ионов", при его уменьшении скорость травления увеличивается, что, ви­димо, обусловлено возрастанием в механизме травления доли нейтральных частиц (прежде всего атомов), экстрагируемых из источника.

При реактивном ионно-лучевом травлении из-за образо­вания летучих продуктов эффекты переосаждения удаляе­мого материала менее заметны, чем при ИЛТ, что позволяет более воспроизводимо получать профили и линейные разме­ры элементов субмикронных размеров.