ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ, 2008, том 42, № 5, с. 446-450
-- ПЛАЗМОХИМИЯ
УДК 621.382:537.525
МЕХАНИЗМ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОИГЛ НА ПОВЕРХНОСТИ КРЕМНИЯ ВО ФТОРСОДЕРЖАЩЕЙ ПЛАЗМЕ В ЦИКЛИЧЕСКОМ ТРАВЛЕНИЕ/ОСАЖДЕНИЕ ПРОЦЕССЕ
© 2008 г. И. И. Амиров, А. С. Шумилов
Ярославский филиал Физико-технологического института Российской академии наук 150007, Ярославль, ул. Университетская, 21 E-mail: ildamirov@yandex.ru Поступила в редакцию 10.12.2007 г.
Представлен механизм формирования микроигл на поверхности Si в плазме SFg/C^ в циклическом, двухстадийном травление/осаждение процессе. Методом растровой электронной спектроскопии показано, что ядром формирования микроигл являются нанообразования углеродных нанони-тей. Они образуются на поверхности Si при ионно-стимулированном травлении фторуглеродной полимерной пленки. C увеличением числа циклов травление/осаждение длина нитей увеличивается, и с определенного цикла из них образуется каркас фторуглеродной микромаски, необходимой для формирования микроигл. Имитационное моделирование формирования микроигл гибридным кле-точно-струнным методом представления профиля и Монте-Карло метода представления потока частиц показало удовлетворительное согласие с экспериментом и с предложенным механизмом.
Массивы микроигл или микроконусов на поверхности 81 обладают эмиссионными [1, 2], ан-тиотражающими [3, 4] и другими функциональными свойствами [5-7], представляющими значительный интерес для создания различных устройств и приборов микросистемой техники. Такие структуры образуются на поверхности пластины 81 при ее травлении во фторосодержащей плазме в циклическом, двухстадийном травление/осаждение (Т/О) процессе в плазме 8Р6/С4Р8, 8Р^О2 и закономерности их формирования интенсивно исследуются [8-10]. Было показано, что в плазме 8Р6/С4Р8 причиной возникновения микроигл и столбчатых структур являются остатки травления фторуглеродной пленки (ФУП). Они образуются на поверхности 81 в результате неполного стравливания ФУП на стадии ионно-стимулированного травления в плазме 8Р6. Интенсивная ионная бомбардировка является фактором, стимулирующим образование на поверхности 81 углеродсодержа-щих остатков. Методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии было обнаружено высокое содержание в таких остатках углерода. На стадии травления они являлись микромаской для формирования 81 микроигл. Однако механизм их образования, включающий стадии зарождения и роста фторуглеродной микромаски, оставался неясным.
Целью работы было исследование механизма формирования микроигл на поверхности 81 в плазме С4Р8/8Р6 в циклическом Т/О-процессе. Имитационное компьютерное моделирование формирования микроигл применялось для подтверждения
правильности представления механизма образования микроигл.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Эксперименты проводили в реакторе плотной плазмы 8Р6/С4Р8 ВЧ индукционного разряда, подробно описанном ранее [11]. Плазмохимический реактор состоит из разрядной и реакционной камер. Разряд зажигали в разрядной камере с помощью ВЧ-генератора (/ = 13.56 МГц, W = 1 кВт). Из разрядной камеры плазма распространялась в реакционную металлическую камеру, находящуюся в магнитном поле катушки. В реакционной камере был расположен плоский водоохлаждаемый ВЧ-электрод, на который устанавливали плоскую алюминиевую пластину - держатель образцов. Термостатирование пластины осуществлялась путем подачи под пластину гелия, который служил теплопроводящим агентом. Для задания необходимого отрицательного потенциала смещения на электрод на него от отдельного ВЧ-генератора (/ = 13.56 МГц, W = 600 Вт) подавали определенную мощность ВЧ-смещения. Величина отрицательного потенциала смещения определяла среднюю энергию бомбардирующих поверхность ионов. Откачку газов осуществляли турбомолеку-лярным насосом (400 л/с). Эксперименты проводили при давлении 1-5 Па и ВЧ-мощности, подаваемой на индуктор, равной 700 Вт. Суммарный расход газов не превышал 140 нсм3/мин.
Образцами служили пластинки полированного монокристаллического 81 (100) с нанесенным сло-
Рис. 1. Вид микроигл в промежутке (й = 14 мкм) между глубокими канавками и столбиками (на рисунке слева и справа, й = 1 мкм), сформированными в плазме C4Fg/SF6 в циклическом процессе в режиме высо-коаспектного травления.
ем Cr (d = 0.1 мкм). В слое металла обычным фотолитографическим методом был сформирован тестовый рисунок маски. Он представлял собой систему полос и квадратов шириной 1.0-5 мкм, разделенными 14 мкм промежутками. Размер образцов составлял 20 х 20 мм. Для обеспечения хорошего теплового контакта они устанавливались на алюминиевом держателе через вакуумную смазку. Изображение образующихся на поверхности Si микроструктур получали с помощью растрового электронного микроскопа LEO 430.
Параметры процесса на стадии травления были следующими: Q(SF6) = 100 нсм3/мин, Q(C4F8) = = 10 нсм3/мин, -исм = 100 В, p = 4.5 Па. Параметры процесса на стадии пассивации: Q(C4F8) = = 40 нсм3/мин, Q(SF6) = 5 нсм3/мин, -исм = 5-80 В, p = 1.2 Па. Длительность стадии травления равнялась 4 с, а осаждения 7 с.
Имитационное моделирование формирования микроигл осуществляли гибридным клеточно-струнным методом моделирования профиля глубокой канавки и Монте-Карло методе моделирования потоков частиц на основе моделей травления Si атомами фтора и ионно-стимулированных процессов травления ФУП в плазме SF6 и ее осаждения в плазме C4F8. Подробное описание модели приведено в работе [12]. Алгоритмы метода были запрограммированы в программном комплексе EDPS (Etch-Deposition Profile Simulator) для 2 1/2-мерного имитационного моделирования травления глубоких Si канавок в циклическом травление/пассивация процессе в плазме SF6/C4F8.
' г ГШ
шщ щ
(б)
*
_
300 нм
Рис. 2. Вид "шапочек" из ФУП, образующихся при длительной (120 с) последней стадии осаждения (а) и образований из нанонитей на вершинах игл (б).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Как было показано в [10], быстрое образование микроигл на открытой поверхности Si происходит при условии сильной пассивации в плазме C4F8 и высокоэнергетической ионной бомбардировки на стадии травления в плазме SF6. При таких условиях реализуется высокоанизотропное травление узких (1 мкм) глубоких канавок и столбиковых структур, а в широких (14 мкм) канавках возникают высокие иглы (рис. 1), высота которых была сравнима с глубиной вытравленной канавки шириной 1 мкм. Это свидетельствовало, что образование микроигл началось уже после нескольких циклов травление/пассивация. На вершинах микроигл видны утолщения, которые, очевидно, являются микромаской при их формировании. Они обнаружились при увеличении заключительной стадии осаждения до 30 с. Если длительность стадии осаждения увеличить до 120 с, то на вершинах игл видны уже "шапочки" из ФУП микронных размеров (рис. 2а). Анализ поверхности после окончания стадии травления
позволил обнаружить образования из нанонитей на вершине только высоких микроигл (рис. 26). Эти нанонити являются ядром образования каркаса микромаски. Таким образом, удалось обнаружить, что микромаска на вершине микроигл образуется из нитевидных образований. Исходя из данных работы [10], можно предположить, что они представляют собой углеродные или С-81-ни-ти. Их сцепление с поверхностью 81 происходит через образование 81-С-связей. Скорость осаждения фторуглеродных радикалов на нанонити и, следовательно, скорость образования ФУП микромаски гораздо выше скорости осаждения ФУП на поверхности 81. Это обусловлено тем, что в плазме С4Р8 на вершине игл из-за зарядки нитей и их взаимному отталкиванию образуются шаровидные образования из нанонитей. Осаждение на них тяжелых СхРу радикалов происходит с высокой скоростью. Вытянутость ФУП микромасок (рис. 2а) на вершинах микроигл, очевидно, объясняется их взаимным отталкиванием. Скорость осаждения можно определить, исходя из размеров ФУП микромаски, которые определяются размерами игл или микростолбчатых структур у их основания. Как следует из рис. 1, они равняются 1.5-2 мкм. Исходя из длительности стадии осаждения, равной 7 с, скорость осаждения ФУП была >200 нм/с. Такая скорость образования ФУП микромаски более чем в 30 раз превышала скорость осаждения ФУП на поверхность 81.
Исходя из полученных результатов, можно предложить следующий механизм возникновения микромаски и микроигл в циклическом Т/О-про-цессе. Процесс начинается со стадии осаждения ФУП в плазме С4Р8. Обычно пленка неоднородна по толщине. Причиной неоднородности может являться сетчатая природа ФУП [13]. Места неоднородности можно рассматривать как узлы сетки. На стадии ее травления в плазме 8Р6 интенсивная ионная бомбардировка сдирает "шубу" из слабосвязанных СдР^-радикалов, оставляя каркас из преимущественно С-С-связей. Более того, как следует из экспериментальных данных [10], ионная бомбардировка ускоряет образование нано-размерных углеродных нанонитей (С-С-связей). В результате такой бомбардировки на поверхности 81 остаются связанные с ней через 81-С-связи узлы нанонитей. Они являются ядром образования сначала наномаски. С увеличением циклов Т/О происходит ускоренный рост длины нитей. С определенной их длины образовывается микромаска и возникают микроиглы. Превращение наномаски в микромаску происходит очень быстро, так как при осаждении фторуглеродных радикалов на нанонити происходит их зарядка. В результате чего нити отталкиваются и, как обсуждалось ранее, на вершине иглы образуется "шапочка" ФУП микромаски. В плазме 8Р6 ее травление происходит медленнее, чем травление ФУП. С каждым циклом
Т/О размеры микромаски увеличиваются, но такое увеличение продолжается до определенного значения, которое зависит от плотности микроигл. С дальнейшим увеличением числа циклов иглы растут уже вверх, причем их высота линейно увеличивается во времени [10]. Таким образом, показаны три стадии формирования микроигл - это зарождение, стадия роста и образования микромаски, и стадия стационарного роста микроигл.
На рис. 3 приведены результаты имитационного моделирования формирования микроигл на дне канавки шириной 860 нм. Моделирование начиналось со стадии образования микромаски, которую, в
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.