научная статья по теме ОБЗОР СПЕКТРОВ ИЗЛУЧЕНИЯ ПЛАЗМЫ ХЛОРА, ХЛОРОВОДОРОДА, АРГОНА И ВОДОРОДА Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ОБЗОР СПЕКТРОВ ИЗЛУЧЕНИЯ ПЛАЗМЫ ХЛОРА, ХЛОРОВОДОРОДА, АРГОНА И ВОДОРОДА»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 44, № 3, с. 202-206

= ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

УДК 537.525

ОБЗОР СПЕКТРОВ ИЗЛУЧЕНИЯ ПЛАЗМЫ ХЛОРА, ХЛОРОВОДОРОДА, АРГОНА И ВОДОРОДА

© 2015 г. А. В. Дунаев

Ивановский государственный химико-технологический университет E-mail: dunaev-80@mail.ru Поступила в редакцию 29.09.2014 г.

Изучены обзорные спектры излучения плазмообразующих газов хлора, хлороводорода, аргона и водорода, а также спектральный состав данных газов в присутствии полупроводниковой пластины ар-сенида галлия. Выбраны контрольные линии и полосы для спектрального контроля скорости процесса травления по интенсивности излучения линий и полос продуктов травления. Сделано предположение, что связь между интенсивностью излучения продуктов травления GaAs и скоростью травления в плазме хлора, хлороводорода и их смесей с аргоном и водородом описывается прямо пропорциональной зависимостью, что указывает на возможность контроля процесса травления спектральным методом в реальном времени.

DOI: 10.7868/S0544126915030023

ВВЕДЕНИЕ

Неравновесная низкотемпературная плазма хлора и хлороводорода применяется в технологии современной электроники для очистки и "сухого" травления поверхности полупроводниковых пластин и функциональных слоев интегральных микросхем. Одним из основных процессов здесь является формирование топологического рельефа на поверхности GaAs. Большое внимание специалистов в области плазмохимического травления (ПТ) уделяется галогеноводородам, в том числе — HCl. Достоинствами HCl являются низкие (по сравнению с плазмой С12) степени диссоциации [1], обеспечивающие преимущество в анизотропии и селективности процесса, а также лучшую равномерность и чистоту обработки поверхности, достигаемые за счет химических реакций атомов водорода [2].

На практике в качестве плазмообразующей травящей среды редко используют только хлорсо-держащие газы. Обычно это многокомпонентные смеси [3, 4]. В технологии широкое распространение получили как смеси хлорсодержащих газов друг с другом, так и их смеси с инертными (He, Ar) и молекулярными (O2, H2) газами. В частности инертные газы могут выступать как в качестве просто газов-разбавителей, так и источников ионов для ионной бомбардировки поверхности в целях дополнительной ионной стимуляции десорбции продуктов взаимодействия.

В настоящее время, одним из самых распространенных методов исследования гетерогенных плазменных процессов является эмиссионный спектральный анализ. Исследование возможностей этого метода применительно к ПТ GaAs в

среде C12 и HCl и их смесей с аргоном и водородом являлось целью настоящей работы.

МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Для экспериментального исследования в условиях тлеющего разряда постоянного тока использовался цилиндрический проточный плазмохими-ческий реактор (внутренний диаметр d = 3.4 см, длина зоны разряда l = 40 см). В качестве внешних параметров разряда выступали ток разряда (i = = 10—60 мА), давление (p = 20—100 Па) и расход (q = 2—8 см3/с при нормальных условиях) плазмо-образующего газа. Хлор получали термическим разложением хлорной меди в вакууме [5]. Для получения HCl был использован химический метод, основанный на реакции между хлористым натрием и серной кислотой [6]. В качестве компонента газовой смеси в работе использовался аргон и водород. Аргон брали из баллонов с маркой "чистый" (МРТУ 51-77-66), содержание основного газа не менее 99.985%. Для получения водорода использовался метод, в основе которого лежит химическая реакция между Zn и HCl, реакция проводилась в аппарате Кипа [6]. Измерение давления и расхода газа проводили U-образным масляным манометром и капиллярным реометром соответственно. Подвергаемые травлению образцы представляли собой фрагменты полированных пластин GaAs (толщина 400 мкм).

Запись спектров излучения плазмы хлора и хлороводорода осуществлялась с помощью оптоволоконных спектрометров AvaSpec—3648 и AvaSpec—2048—2 с фотоэлектрической системой регистрации сигнала и накоплением данных на ЭВМ. Рабочий диапазон длин волн составлял

10000

Cl2 256.06

В В

о £

о о я <ч S о Я

В

Я

И

8000 -

6000

4000

2000 -

200

400

600 X, нм

800

1000

Рис. 1. Спектр излучения плазмы чистого CI2 приp = 100 Па, ip = 40 мА.

200—1000 нм. При расшифровке спектров использовались справочники [7, 8].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Оптическая эмиссионная спектроскопия — один из основных методов исследования, как состава газовой фазы разряда, так и кинетики плаз-мохимических процессов. Для его использования необходимо точно идентифицировать спектр газовой фазы, поэтому, необходимо проанализированы спектры чистых газов, используемых в процессе плазмохимического травления.

Рассмотрим спектр чистого хлора, который представлен на (рис. 1) в диапазоне длин волн 200—1000 нм. Данный спектр излучения изучен достаточно хорошо [9, 10], поэтому идентификация максимумов излучения не вызвала затруднений. Излучение разряда в чистом С12 в общем случае, представлено молекулярными полосами с максимумами при 256.4 и 307.4 нм, а также двумя группами линий атомарного хлора: в сине-зеленой части спектра (432.3, 436.3, 437.2, 438.0, 439.0 и 452.6 нм, е1Ь = 11.8—11.9 эВ) и в красной области (725.6, 741.4, 754.7 нм с ~ 10.6 эВ и 822.1, 837.6, 858.6 нм с е1Ь ~ 10.4 эВ). Все указанные линии и полосы отчетливо выделяются на зарегистрированном спектре. Для дальнейшего анализа наиболее удобно выделить полосу молекулярного С12 256.4 нм и линии атомарного С1 725.6 нм (4р480 —

4s4P, sth = 10.6 эВ) и Cl 837.6 нм (4p4D0 - 4s4P, s^ = = 10.4 эВ) [11]. Наиболее интенсивными и стабильно проявляющимися во всем диапазоне параметров разряда являются линии Cl 725.6 нм (4p4S0 - 4s4P, sth = 10.6 эВ) и Cl 837.6 нм (4p4D0 -4s4P, sth = 10.4 эВ), причем последняя из них обеспечивается переходом в основное состояние и часто используется в аналитических целях.

Эмиссионные спектры излучения плазмы чистого HCl качественно весьма близки к спектрам излучения плазмы Cl2 (рис. 2). В спектре можно выделить две группы излучающих компонентов -полосы молекул и линии атомов хлора и водорода, которые являются продуктами диссоциации молекул HCl под действием электронного удара. Излучение хлора представлено двумя группами линий атомарного хлора в сине-зеленой части/красной областях спектра и полосами излучения молекул Cl2 с длинами волн 256.4 и 307.4 нм. Излучение водорода представлено в основном атомарными линиями Ha, Hß и HY серии Бальмера с длинами волн 656.3, 486.1 и 434.0 нм соответственно; излучение молекулярного водорода в области 580620 нм достаточно слабое, но можно отчетливо выделить отдельные полосы, например, 613.6 нм. Излучение молекул HCl зафиксировать не удалось, ибо оно располагается в области глубокого ультрафиолета.

0

204

ДУНАЕВ

в в

о £

о о

н

<ч S о

н

(U

н

н И

3000

2500

2000

1500

1000

500

Hß 486.1

Cl 837.82

200

400

600 X, нм

800

1000

Рис. 2. Спектр излучения плазмы чистого HCl при p = 100 Па, ip = 40 мА.

4

(U

н.

н

о £

о о

н

5 о

н

В

н И

200

150

100

50

700

800

900

1000

X, нм

Рис. 3. Общий вид спектра излучения плазмы Аг при р =100 Па, 1р =40 мА.

0

0

Спектр чистого водорода представлен линями Бальмеровской серии атома водорода и системой полос молекулярного водорода (система Фулхера). Этот спектр в полной мере проявляется в спектре излучения хлористого водорода.

Спектр аргона (рис. 3) представлен большим количеством очень интенсивных линий в красной и ближней инфракрасной областях спектра. Наиболее удобны для анализа линии с длинами волн 811.76 (3р548 ^ 3р54р, еа = 13.08 эВ) и

25

Cl (4p)

I

20

В

о

15 -

10 -

350

375

400

425

450

650 700 750 800 850 900

X, нм

Рис. 4. Общий вид спектра излучения плазмы HCl при травлении GaAs p = 100 Па, ip = 40 мА.

912.26 (3p54s ^ 3p54p, sth = 12.91 эВ) нм. Обычно используемая в актинометрии линия с длиной волны 750 нм частично перекрывается с одной из линий атомарного хлора, поэтому она не может быть использована для дальнейшего исследования.

В присутствии образца GaAs в реакторе в спектре излучения плазмы появляются максимумы излучения продуктов травления — системы полос GaCl (325.5, 334.7, 341.8, 352.7 нм с sth = 3.70 эВ) и резонансных линий Gа (403.3 и 417.3 нм с sth ~ ~ 3.07 эВ), возбуждающихся прямым электронным ударом с последующим переходом в основное состояние. Проявляются также и линии As 234 и 278 нм (sth = 6.59 и 6.77 эВ соответственно), однако для анализа они не могут быть использованы, т.к. перекрываются широкой полосой молекулярного Cl2.

На рис. 4 изображен общий вид спектра излучения плазмы HCl при травлении арсенида галлия. При помещении в реактор образца GaAs спектр излучения плазмы изменяется за счет появления максимумов излучения продуктов взаимодействия — полос GaCl (330.4, 352.7 нм с sth = = 3.70 эВ) [12]. Резонансные линии Ga (403.3 и 417.3 нм с sth ~ 3.07 эВ), имеющие высокую интенсивность при травлении арсенида галлия в плазме хлора [4], в наших экспериментах менее интенсивны по сравнению с полосами монохлорида галлия, но могут быть использованы для анализа

кинетических закономерностей травления. Можно полагать, что интенсивности излучения полос монохлорида галлия с длинами волн 330.4 и 352.7 нм и резонансных линий галлия (403.3 и 417.3 нм) пропорциональны концентрации соответствующих частиц в газовой фазе, а, следовательно, и скорости плазмохимического травления.

Излучающие компоненты плазмы хлороводорода, аргона, хлора и водорода, арсенида галлия

Частица X, нм Btb эВ

Cl2 256.4 8.17

Cl 725.6 10.63

837.6 8.97

Ga 403.3 3.07

417.3 3.07

GaCl 325.5 341.8 3.70

H 656.3 12.09

H2 613.6

Ar 811.8 912.3 13.08 12.91

5

0

206

ДУНАЕВ

Таким образом, для последующего анализа могут быть отобраны следующие линии и полосы (таблица).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Получены и детально разобраны обзорные спектры излучения плазмообразующих газов Cl2, HCl, Ar, H2, а также спектральный состав данных газов и их смесей в присутствии полупроводниковой пластины арсенида галлия. Выбраны контрольные линии и полосы для дальнейшего спектрального контроля скорости процесса травления полупроводников по интенсив

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Электроника. Радиотехника»