Электрофизические параметры плазмы в смесях HBr-Ar и HBr-He переменного состава Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 537.525

А.А. Смирнов, А.М. Ефремов, В.И. Светцов

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПЛАЗМЫ В СМЕСЯХ НВг-Аг И НВг-Не

ПЕРЕМЕННОГО СОСТАВА

(Ивановский государственный химико-технологический университет) e-mail: [email protected]

Проведено модельное исследование влияния начального состава смесей НВг-Аг и НВг-Не на стационарные параметры плазмы тлеющего разряда постоянного тока (р=30-120 Па, ip= 20 мА). Получены расчетные данные по энергетическим распределениям электронов, интегральным характеристикам электронного газа и концентрациям заряженных частиц.

Ключевые слова: НВг, плазма, моделирование, скорость, концентрация

ВВЕДЕНИЕ

Низкотемпературная газоразрядная плазма бинарных смесей галогенводородов HX (X=Cl, Br, I) с благородными газами находит применение при проведении процессов «сухого» травления функциональных слоев интегральных микросхем в технологии микро- и наноэлектроники [1]. Например, плазмообразующие смеси на основе НВг обеспечивают более высокую анизотропию травления моно- и поликристаллического кремния, а также более высокую селективность процесса по отношению к SÍO2, SÍ3N4 и органическим фоторезистам, по сравнению с традиционно используемыми хлор- и фторсодержащими газами [2, 3]. Тем не менее, достоинства многих бинарных систем, в том числе смесей НВг с аргоном или гелием, не используются в полной мере из-за слабой изученности механизмов физико-химических процессов, формирующих стационарный состав и параметры плазмы.

Ранее было показано, что добавка благородного газа к химически активному газу (например, к С12 [4], ВС13 [5] или НС1 [6]) не ограничивается ролью инертного разбавителя, а оказывает влияние на кинетику плазмохимических процессов через изменение электрофизических параметров плазмы. Целью данной работы являлся модельный анализ этих вопросов применительно к плазме НВг-Аг и НВг-Не в условиях тлеющего разряда постоянного тока.

МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Моделирование плазмы проводилось в шестикомпонентном (HBr/H/Br/H2/Br2/X, где Х=Аг или Не) приближении по нейтральным невозбужденным частицам для цилиндрического проточного плазмохимического реактора [7] при общем давлении смеси р= 30-120 Па и токе раз-

ряда 1р = 20 мА. Алгоритм моделирования базировался на совместном решении стационарного кинетического уравнения Больцмана (без учета электрон-электронных соударений и ударов второго рода), уравнений химической кинетики для нейтральных и заряженных частиц, а также уравнением электропроводности плазмы с учетом условия квазинейтральности. Выходными параметрами служили стационарные значения приведенной напряженности электрического поля Е/Ы (Е -напряженность электрического поля на оси разрядной трубки, Ы=р/квТ - общая концентрация частиц при данной температуре газа I), функция распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ), интегральные характеристики электронного газа (средняя энергия *~, скорость дрейфа иЕ, приведенные коэффициент диффузии ИЫ и подвижность иЫ). константы скоростей элементарных процессов, а также средние по объему плазмы концентрации частиц и их потоки на поверхность. Наборы сечений для процессов под действием электронного удара брали из работ [8, 9]. Подробное описание самосогласованного алгоритма и кинетическая схема процессов приведены в наших работах [7, 10].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Увеличение содержания благородного газа в смеси с НВг приводит к монотонному снижению Е/Ы (рис. 1), при этом диапазон изменения Е/Ы увеличивается с ростом давления газа (2.4*10~15-1.5*10"15) В*см2 или в 1.6 раза при р = 30 Па и 1.8*1015- 0.8*1015 В*см2 или в 2.2 раза при р = 120 Па в смеси НВг-Аг). Это связано со снижением частоты гибели электронов в процессе диссоциативного прилипания к молекулам НВг, а также с увеличением вклада этого процесса в общую скорость гибели электронов в области высоких дав-

лений. Характер изменения ФРЭЭ (рис. 2а) не согласуется с изменением /•.' N и сопровождается увеличением средней энергии электронов (•= 5.8-6.9 эВ и 5.8-10.0 эВ при р= 30 Па и 090% Аг или Не, соответственно). Аналогичным образом изменяются и константы скоростей процессов под действием электронного удара, пороговые энергии которых превышают т или соизмеримы с ней. Причина этого заключается в том, что процессы возбуждения и ионизации Аг и Не имеют высокие пороговые энергии, но низкие абсолютные величины сечений в области максимума ФРЭЭ. Поэтому увеличение содержания Аг или Не в смеси с НВг сопровождается неаддитивным перераспределением каналов потери энергии электронами в неупругих соударениях (рис. 26 -пример для НВг-Аг при р= 30 Па), при этом вплоть до 85% Аг или Не средняя часть ФРЭЭ формируется процессами взаимодействия электронов с молекулами НВг. Подобные эффекты неоднократно отмечались для систем СЬ-Аг и С1г-Не, где имеют место аналогичные различия пороговых энергий и сечений элементарных процессов для компонентов смеси [4, 11]. Низкие потери энергии на ионизацию позволяют пренебречь зависимостью ФРЭЭ от баланса процессов образования и гибели электронов в плазме.

2.5 -

2.0

1.5

1.0

0.5

1 ^ 2,

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Доля Х=Аг, Не в смеси НВг/Х Рис. 1 Приведенная напряженность электрического поля в смесях HBr-Ar (1, 3) и НВг-Не (2, 4) при Р= 30 Па (1, 2) и 120 Па (3,4)

Fig. 1. Reduced electric field strength in HBr-Ar (1, 3) и HBr-He (2, 4) gas mixtures at P = 30 Pa (1, 2) and 120 Pa (3, 4)

Расчеты показали, что характер зависимости концентрации электронов п,, от состава смеси зависит от доминирующего механизма гибели электронов при данном давлении газа. Так, у нижней границы исследованного диапазона давлений, существенный рост т в смеси НВг-Не обуславливает двукратное увеличение эффективного коэффициента диффузии электронов (De = 1.2*106-

10-1 г.

HBr

50% Ar

■ 90% Ar

■ 50% He

■ 90% He

XI

m

10 -

5

10

15

20

Энергия электронов, эВ б

0,1

л

S

m «

I

0,01

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Доля Аг в смеси НВг/Аг Рис. 2. Энергетическое распределение электронов в плазме смесей НВг-Аг и НВг-Не при Р = 30 Па (а) и доли энергии, расходуемые электронами в неупругих процессах в плазме смеси НВг-Аг при Р = 30 Па (б). На рис. б): 1-ионизация НВг, 2-возбуждение НВг*(аЗП), 3-возбувдение НВг*(А1П), 4-возбуждение HBr*(t32+), 5-возбуждение HBrV=l, 6-возбуждение Аг, 7-ионизация Аг Fig. 2. Electron energy distribution functions in HBr-Ar and HBr-He plasmas at P = 30 Pa (a) and electron energy fraction spent for inelastic processes in the HBr-Ar plasma at P = 30 Pa (b). In Fig.

b): 1-HBr ionization, 2-НВг*(а3П) excitation, З-НВг^А'П) excitation, 4-HBr*(t3Z+) excitation, 5-HBr V=1 excitation, 6-Ar excitation, 7-Ar ionization

2.4*106 см2/с при p = 30 Па и 0-90% He) и частоты их диффузионной гибели, что в сочетании со слабым ростом суммарной скорости ионизации обеспечивает снижение пе в диапазоне 2.7,109-2.1,109 см"3 (рис. 3, кр. 2). В области/>>50-60 Па величина пс определяется балансом частот ионизации и диссоциативного прилипания, поэтому рост содержания Не в смеси НВг-Не сопровождается снижением частоты гибели электронов и ростом пе (например, 2.М09-2.6'109 см-3 при 0-90% Не и • = 120 Па - рис. 3, кр. 4). Аналогичная ситуация наблюдается и для смеси НВг-Аг в области высоких давлений (рис. 3, кр. 3). В области низких давлений, при изменении содержания Аг в смеси величина De снижается (1.2»106-8.8»105 см2/с при р = 30 Па

0

и 0-90% Аг) из-за конкуренции роста коэффициента свободной диффузии при увеличении средней энергии электронов и изменения режима диффузии от свободного к амбиполярному. Поэтому имеет место рост концентрации электронов в плазме (рис. 3, кр. 1).

Характер изменения концентрации отрицательных ионов при разбавлении НВг аргоном или гелием определяется изменением скорости их генерации в процессе диссоциативного прилипания (например, п . =2.3,1011-6.1,101° см"3 при р =

30 Па и 4.4,1011-1.7,1011 см-3 при р = 120 Па). Не-

смотря на высокие значения констант скоростей диссоциативного прилипания для HBrv>o (например, 2.3x10"9 см3/с для HBrv=i и 2.1*10"9 см3/с для HC1V=2 при р = 30 Па), реальный вклад HBrv>o в общую скорость этого процесса не превышает 3% в чистом НВг и лишь незначительно увеличивается с ростом доли благородного газа в смеси. Это связано с низкой заселенностью колебательных уровней V>() из-за высоких скоростей релаксации HBrv=i и низкой эффективной колебательной температуры (7,= 550-680 К при р = 30 Па и 0-90% Ar или Не). Качественно подобные результаты наблюдались в работе [7] для плазмы HCl. Отно-

сительная концентрация nB

пг увеличивается с

(например, 3.7»1015-2.0»1015 см"2

снижением коэффициентов диффузии ионов £>+. В области р > 50-60 Па при увеличении доли благородного газа в смеси имеет место интенсификация ионной бомбардировки поверхности, контактирующей с плазмой (например, Г+= 1.2»1015-2.9х 1015 см Ч1 при 0-90% Аг и 1.2»1015-4.0»1015 см Ч1 при 0-90% Не и р = 120 Па). Причиной этого является рост £>+ из-за изменения электрофизических параметров плазмы, а также изменения эффективной массы и размера доминирующего иона.

80

60

40

20

0

2

0,0

1,0

-

пени разбавления НВг благородным газом (рис. 3). Несколько более высокие значения и . /п.в сме-

Вг е

си НВг-Не (17.7 против 16.8 при р = 30 Па и 40.4 против 30.5 при р = 120 Па и 90% Не и Аг, соответственно) связаны с различиями в концентрациях электронов.

Суммарная концентрация положительных ионов возрастает с ростом давления газа (2.3*10 -4.4*1011 см-3, 6.5'1010-1.7'10п см-3 и 4.0»Ю10-1.5*1011 см"3 в чистых НВг, Аг и Не, соответственно, прир = 30-120 Па), но снижается с ростом доли благородного газа в смеси с НВг при р =сош1 (например, п+= 2.3'10п-6.5'1010 см"3 при 0-90% Аг и 2.3'10п-3.9'1010 см"3 при 0-90% Не кр = 30 Па). Такое поведение определяется изменением эффективной частоты гибели ионов при ион-ионной рекомбинации и диффузии на стенку разрядной трубки. Суммарная плотность потока положительных ионов 1 + -ставе смеси снижается с ростом давления газа

•с"1 при 50% Аг и

4.1,1015-2.0,1015 cm"V при 50% Не и р = 30-120 Па), так как увеличение п+ компенсируется резким 11.

0,2 0,4 0,6 0,8

Доля Х=Аг, Не в смеси НВг/Х

Рис. 3. Концентрация электронов при Р = 30 Па (1, 2) и 120 Па (3, 4) и относительная концентрация отрицательных ионов при Р = 30 Па (5, 6) в плазме смесей HBr-Ar (1, 3, 5) и НВг-Не (2, 4, 6)

Fig. 3. Electron density at P = 30 Pa(1, 2) and 120 Pa (3, 4) and the relative density of negative ions atP = 30 Pa (5, 6) in HBr-Ar (1,3,5) and HBr-He (2, 4, 6) plasmas

Работа выполнена при финансовой поддержке Федерального агентства по науке и инновациям.

ЛИТЕРАТУРА

1. Плазменная технология в производстве СБИС / Под ред. Айнспрука Н., Брауна Д. М.: Мир. 1987. 420 с.

2. Layadi N, Colonell J.I., Lee J. // Bell Labs Tech. Journal. 1999. V.4.P. 155.

3. Desvoivres L., Vallier L., Joubert O. // J. Vac. Sci. Technol. B. 2000. V. 18. P. 156.

Fuller N.C.M., Donnelly V.M., Herman I.P. // J. Vac. Sci. Technol. A. 2002. V. 20. P. 170.

Kim M., Min N.-K., Yun S. J., Lee H. W., Efremov A., Kwon K.-H. // J. Vac. Sci. Technol. A. 2008. V. 26. P. 344. Efremov A. M., Svettsov V. I., Lemehov S.S. // Proc. Int. Conf. "Micro- and nanoelectronics-2009". Moscow-Zvenigorod. 05-09.2009. P2-36.

Ефремов A.M., Пивоварёнок С. А., Светцов В.И. //

Микроэлектроника. 2009. Т. 38. №3. С. 163. Смирнов А.А., Ефремов А.М., Светцов В.И. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2009. Т. 52. Вып. 11. С. 48. Morgan W. L. http://www.kinema.com/download.htm Smirnov A., Efremov A., Svettsov V., Islyaykin A. // Proceedings of SPIE. 2010. V. 7521. 752108. Efremov A., Min N.-K., Choi B.-G., Baek K.-H., Kwon K.-H. // J. Electrochem. Soc. 2008. V.155. P. D777.

4.

9.

10.

Кафедра технологии приборов и материалов электронной техники

5

4

3