CC BY
84
Машиностроение к компьютерные технологии
Сетевое научное издание
http://www.technomagelpub.ru
Ссылка на статью:
// Машиностроение и компьютерные технологии. 2017. № 11. С. 44-63.
Представлена в редакцию: 15.10.2017
© НП «НЭИКОН»
УДК 621.794.4
Возможности плазмохимического травления стекла по диодной схеме
Бугорков КН.1'*, Сагателян Г.Р.2 *МД:ш85@уапс1е?ци
1 Филиал ФГУП "ЦЭНКИ" - "НИИ Прикладной механики имени
В.И.Кузнецова", Москва, Россия 2МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия
Аналитически исследованы этапы плазмохимического травления (ПХТ) силикатного стекла через хромовую маску при использовании диодной системы с вынесенным планарным индуктором. Показано, что лимитирующим по качеству подвергнутой ПХТ поверхности является этап отвода продуктов травления, а по производительности - этап формирования химически активных частиц (ХАЧ). Экспериментально исследовано влияние расположения образца в плазме и рабочего давления в камере на скорость травления и качество обработанной поверхности. Установлено что, глубина травления поверхности, направленной "вниз", на 5-10% больше глубины травления поверхности, направленной "вверх". Также установлено, что увеличение подачи газов в два раза приводит к увеличению глубины травления также в два раза. На травленой поверхности обнаружены участки с зеленым и коричневым налетом, который, наиболее вероятно, является эффектом обратного осаждения маски в виде соединений ОТ3, ОТ4. Скорость травления силикатного стекла по исследованной схеме составила 45 - 90 нм/мин.
Ключевые слова: плазмохимическое травление, оптическое стекло, диодная система, хромовая маска
Введение
Изделия современного приборостроения предусматривают применение в качестве чувствительных элементов датчиков деталей, изготовленных из таких материалов, как монокристаллический кремний или кварцевое стекло, и имеющих функциональный рельеф на номинально плоских поверхностях [1]. Для деталей из кварцевого стекла такой рельеф в настоящее время получают методом жидкостного травления плавиковой кислотой [2]. При этом в качестве материала маски используют материал, близкий по составу к сургучу. Плавиковая кислота (ИБ) - чрезвычайно опасный материал, обладающий способностью производить отложенные по времени тяжелые повреждения биотканей, не предваряемых болезненными ощущениями. Поэтому работать с плавиковой кислотой все-
гда было опасно из-за ее высокой токсичности, приводящей, порой, к трагическим последствиям. Современные нормы безопасности относят фтороводородную кислоту ко второму классу опасности.
Работа с плавиковой кислотой требует соблюдения высоких норм безопасности труда, правил личной гигиены и охраны окружающей среды. В связи с этим её применение в настоящее время всячески ограничивается, а взамен жидкостного применяют процессы плазменного травления [3]. Плазмохимическое травление стекла получило широкое распространение в оптической промышленности при изготовлении дифракционных или голо-граммных оптических элементов [4]. Отличие требований к микрорельефам оптических и приборных деталей заключается в том, что, если для оптических деталей высота рельефа (глубина впадин) составляет максимально 1 - 2 мкм, то, например, на кварцевой пластине маятникового акселерометра предусматривается получение выступов - столбиков высотой 20 - 30 мкм и лунок - впадин глубиной 220 - 230 мкм [5].
Рельефы рассматриваемых разновидностей деталей отличаются также требованиями к конфигурации боковых стенок - если для дифракционных оптических элементов нужен рельеф с вертикальными стенками, создаваемый анизотропным травлением, то стенки выступов и впадин на плоских поверхностях пластин акселерометров должны иметь форму радиусов скруглений, создаваемую изотропным травлением. Такая разновидность травления имеет место в том случае, когда обрабатываемую заготовку помещают непосредственно в плазму, образованную высокочастотным разрядом [6]. Соответствующие установки, как заявляют их изготовители, например, компания Diener electronic GmbH + Co. KG обеспечивают возможность плазмохимического травления (ПХТ) кварца [7], хотя и предназначены в основном для выполнения таких операций как снятие остатков фоторезиста или удаление тонкоплёночных покрытий.
К рассматриваемому классу оборудования относится и установка RIE-300 производства фирмы Torr International, Inc. (рис. 1). Проведённые на этой установке предварительные экспериментальные исследования по ПХТ оптического стекла описаны в работе [8]. По результатам этих исследований рекомендовано размещать подвергаемые ПХТ образцы в непосредственной близости от источника плазмы, а также выработана рациональная структура операции ПХТ, состоящей из чередующихся переходов собственно травления и переходов кислородной очистки.
Целью данной работы являлось определение путей совершенствования технологической операции ПХТ силикатных стёкол, выполняемой на установках с вынесенным пла-нарным индуктором, формирующим высокочастотную диодную систему.
Для достижения этой цели были исследованы возможности повышения производительности процесса плазмохимического травления и качества образуемого при этом микрорельефа на основе изучения особенностей формирования обработанной поверхности с учётом многочисленных явлений, присущих этому процессу. Решаемая задача заключалась в установлении явлений, лимитирующих производительность процесса и качество травленной поверхности на различных стадиях протекания технологической операции.
Рис. 1.Установка плазмохимического травления ЫЕ-300: а - внешний вид; б - рабочая камера
1. Теоретическое определение лимитирующих стадий ПХТ
Вообще теория плазмохимического травления [3] рассматривает сухое травление как некую последовательность стадий протекания химических реакций. Основными стадиями процессов сухого травления являются:
- доставка молекул рабочего газа в зону плазмы газового разряда;
- переход молекул рабочего газа в газовом разряде в энергетические и химически активные частицы;
- доставка энергетических и химически активных частиц к поверхности обрабатываемого материала;
- взаимодействие энергетических и химически активных частиц с поверхностью обрабатываемого материала;
- отвод продуктов взаимодействия от поверхности обрабатываемого материала.
Скорость гетерогенных многостадийных процессов определяется лимитирующей
стадией. Следовательно, для нахождения закономерностей процесса ПХТ надо выявить лимитирующую стадию и определить, какие параметры влияют на её скорость. Рассмотрим указанные стадии поочерёдно применительно к установкам рассматриваемого класса.
Доставка молекул рабочего газа в зону плазмы газового разряда иллюстрируется надписью «Подача газов» на рис. 1, а. Можно видеть, что взаимное расположение обрабатываемой поверхности образца и точки ввода газов в рабочую камеру не оптимально: свежие порции рабочего газа скорее попадают в зону выхода из рабочей камеры, чем к обрабатываемой поверхности образца. Кроме того, к обрабатываемой поверхности молекулы рабочего газа должны попадать через зауженные области в
рабочей камере, образуемые носителем образца. Обычно подобные проблемы решают применением при подводе газов к обрабатываемой детали конструкций типа «душ» (коллектор с отверстиями для ввода рабочего газа) [9], максимально приближая точки входа газа к обрабатываемой поверхности. Это самостоятельное направление совершенствования операции ПХТ конструкторскими методами нами в данной работе не рассматривается.
Переход молекул рабочего газа в газовом разряде в энергетические и химически активные частицы, исходя из принятых нами условий выполнения ПХТ [8], будем рассматривать применительно к элегазу SF6. Следует отметить, что, поскольку в конструкции рассматриваемой установки отсутствуют элементы, обеспечивающие ускорение заряженных частиц, например, за счет создания автосмещения [10], то рассматривать будем только образование химически активных частиц.
Основной химически активной частицей при ПХТ соединения SiO2 являются атомы фтора, которые образуются в условиях плазмы, т.е. за счет распада молекул элегаза вследствие ударов по ним электронов по следующим схемам [11]:
г" + SFв ^ + F + г"; г" + SF6 ^ + 2F + е~;
е~ + SF ^ SF2 + F + 2F + е" (1)
и т.д.
Образующиеся молекулы фтора F2 в условиях плазмы также распадаются на атомы.
Катушка индуктивности запускает электромагнитную волну в плазму вдоль оси г. В плазме волна затухает по экспоненте, записываемой для комплексной напряжённости электрического поля в виде:
Е - Ео е - (2)
где 5 - величина, обратная коэффициенту затухания, которую обычно отождествляют с глубиной проникновения электрического поля в плазму.
Эту величину определяют по формуле [12]:
5- (3)
с 1т(кр )
где: с - скорость света в вакууме;
с - круговая частота переменного напряжения, подаваемого на антенну.
кр - диэлектрическая постоянная плазмы, определяемая по формуле
2 2
! Сре Сре
кр - 1 ~ Р.-.. \ «--(4)
2 >
р с(с- ]Ут) с2(1 - А)
с
Здесь сре - круговая частота осцилляций плазмы;
ут - частота столкновений электронов с нейтральными частицами плазмы;
] - мнимая единица.
Частота осцилляций плазмы может быть определена по применяемой на практике формуле [13]:
/ре = 9000- уШ, Гц (5)
где п0 - плотность электронов в плазме, см-3.
На основании теоретических и экспериментальных исследований [14] можно принять, что п0 = 1012 см-3. Тогда круговую частоту осцилляций плазмы можно оценить величиной Шре = 61010 Гц.
Частоту столкновений электронов с нейтральными частицами при определённых оговорках [11] рассчитывают по формуле:
Иш = Ш 'С V (6)
где: п% - плотность (количество в единице объёма) частиц газа в плазме, см-3; с- площадь поперечного сечения нейтральной частицы газа; уе - средняя скорость электронов. Исходя из того, что плазмохимическое травление производят при давлениях р = 10 -100 Па [3], на основании применения числа Авогадро имеем щ = 1016 см-3. Принимая поперечное сечение молекулы 8Б6 равным 1 нм, получаем, что расчётная площадь попереч-
14 2
ного сечения составляет с = 10- см . Для рассматриваемой разновидности плазмы средняя скорость электронов составляет уе = 10 см/с [11]. Подставляя эти значения в формулу (6), получаем, что частота столкновений электронов с нейтральными частицами составляет ит = 1010 с-1.
Далее полученную величину ит следует сравнить с круговой частотой ш переменно-
лт—' 8 1
го напряжения, подаваемого на антенну. При/ = 13,56 МГц получаем ш = 10 с- . Следовательно, мы имеем дело со случаем, когда ит>>с.
В этом случае можно пренебречь единицей в скобках выражения (4). Раскрывая для
1/2
этого случая скобки и подставляя мнимую часть величины кр в формулу (3), получаем:
Срг V с
5 = 42—л Ит (7)
Подставляя в формулу (7) найденные ранее величины, имеем ориентировочно 5 = 7
см. Эта величина примерно равна размеру (длине I, указанной на рис. 1, б) рабочей каме-
ры.
Таким образом, мы имеем режим ит >> ш (это соответствует плазме высокого давле-
ния) и 5 ~ I (что соответствует плазме низкой плотности). В этом случае лимитирующим
фактором является минимальный ток и, соответственно, минимальная мощность, пода-
ваемая на антенну, для возбуждения индуктивно связанной плазмы. Пороговое значение
этой величины может быть определено экспериментально. Здесь же следует отметить, что
для рассматриваемой установки ШЕ-300 ограничением, а, следовательно, и лимитирую-
щим по процессу перехода молекул рабочего газа в химически активные частицы условием является максимальная мощность, подаваемая на антенну Wmлx = 300 Вт.
Доставка химически активных частиц к поверхности обрабатываемого материала осуществляется по механзму, сущность которого определяется соотношением между размерами камеры (её радиусом Я, показанным на рис. 1, а) и длиной X свободного пробега молекул, которую принято определять по формуле [13]:
Х = —. (8)
п8а
На практике вместо формулы (8) пользуются формулой
Х = см (9)
2,44р
где р - давление в рабочей камере, Па.
Для указанного выше диапазона давлений, характеризующего плазмохимическое травление, на основании формулы (9) имеем X = 0,04 - 0,4 мм. Для столь малых длин свободного пробега молекул доставка химически активных частиц происходит по механизму диффузии.
Уравнение диффузии для химически активных частиц имеет следующий вид:
дп
--БУ2 п - О - Ь, (10)
дt
где: п - концентрация химически активных частиц, см-3; Б - коэффициент диффузии, см /с; V2 - оператор Лапласа;
^ 3 1
G и Ь - скорости потоков истока и стока частиц в рабочей камере, см- с- . Коэффициент амбиполярной диффузии Б определяется по формуле
В - , (11)
Му, V 7
где: к - постоянная Больцмана, Дж/К; Ге - температура электронов, К; М - масса химически активной частицы, кг; у - частота столкновений ионов в плазме.
Для практических целей вместо формулы (11) коэффициент диффузии можно вычислять через длину свободного пробега X по формуле [12]:
П 71 02
В = ~ХУг . (12)
Решениями уравнения (10) являются ниспадающие экспоненты зависимости концентрации химически активных частиц п от расстояния до их источника. При этом с увеличением времени I экспоненты становятся всё более «пологими». Экспоненты выходят из расположенной на оси ординат точки, соответствующей концентрации химически активных частиц непосредственно у их источника. Эта величина формируется сочетанием дав-
ления в рабочей камере, которое, в свою очередь, определяется скоростями потоков истока и стока, и концентрацией химически активного газа в подаваемой газовой смеси.
Таким образом, лимитирующим параметром при доставке химически активных частиц является создание вблизи обрабатываемой поверхности такой концентрации химически активных частиц, которая достаточна для протекания плазмохимического процесса с достаточной для практических целей скоростью травления.
Взаимодействие энергетических и химически активных частиц с поверхностью обрабатываемого материала применительно к кварцевому (в частности, боросиликатному) стеклу происходит по следующей схеме. Имеющиеся на поверхности соединения натрия, калия, бора, взаимодействуя с атомами фтора, образуют нелетучие фториды, которые, накапливаются на обрабатываемой поверхности и препятствуют взаимодействию атомов фтора с двуокисью кремния (твёрдая фаза - тв). Удаляемые при вакуумировании рабочей камеры летучие продукты образуются в результате протекания основной реакции, которая заключается в следующем:
4F(газ) + Siü2 (тв) ^ SiF4 (газ) + ü2 (газ) (13)
При отсутствии бомбардировки ионами травление должно продвигаться равномерно по всем направлениям, т.е. происходить изотропно, поскольку атомы травителя поступают к точке реакции без какого-либо влияния направления прибытия. Именно такое травление (изотропное) и необходимо для формирования пологих, скруглённых стенок выступов и впадин.
Лимитирующим при взаимодействии химически активных частиц с поверхностью кварцевого стекла является процесс полимеризации фторсодержащего газа в результате газотранспортной реакции на обрабатываемой поверхности, которая протекает под действием ультрафиолетового излучения и прочих воздействий, характерных для плазмы. Применительно к элегазу полимеризация может протекать по следующей схеме:
2nSF полимеризаия > 3[••• - SF - -L . (14)
Образующийся полимер представляет собой высаживаемую на обрабатываемой поверхности плёнку, препятствующую протеканию реакции (13). Плёнка полимера, высаживаемого из элегаза, имеет рыхлую структуру и может быть разрушена кислородом, присутствующим во вводимой в рабочую камеру газовой смеси. Возможная реакция деструкции высаженного полимера:
3----SF4----(тв) + 6ü2 (газ) ^ 4Sü3 (газ) + 6F2 (газ) . (15)
Отвод продуктов взаимодействия от поверхности обрабатываемого материала, по аналогии с доставкой химически активных частиц к обрабатываемой поверхности, происходит по механизму диффузии. Из выражения (12) видно, что коэффициент диффузии D сильно зависит от длины свободного пробега молекул Я, которая для рассматриваемого нами варианта плазмохимического травления мала. Таким образом, отвод продуктов взаимодействия газовой смеси с кварцевым стеклом, а именно соединений SiF4 и SO3 за-
труднён. Также затруднён отвод продуктов взаимодействия с газовой смесью материала маски.
Можно заключить, что из общетеоретических соображений все этапы процесса плазмохимического травления в рассматриваемых условиях являются в той или иной степени лимитирующими. Поэтому заключение о том, какая из стадий является лимитирующей в наибольшей степени, можно сделать лишь на основе экспериментальных исследований.
2. Экспериментальное определение лимитирующих стадий ПХТ
На рис. 2 представлена наладка установки RIE-300 производства фирмы Torr International, Inc. (США) для проведения экспериментальных исследований.
Подвергаемый обработке образец 1 закрепляли на изготовленной из фторопласта подставке 2, которую, в свою очередь, устанавливали на диэлектрической полочке 3, вводимой через соответствующее окно в полость вакуумной камеры 4. Плазма 5 создавалась высокочастотным (f = 13,56 МГц) напряжением, подаваемым на выполненную в виде спирали антенну 6, расположенную снаружи. При этом электромагнитное поле вводилось в рабочую камеру через диэлектрическое (кварцевое) окно 7. Удаление обрабатываемого материала при ПХТ происходило через имеющуюся на образце маску 8.
Рис. 2. Наладка установки плазмохимического травления RIE-300
Образцы имели размер 10х20х2,5 мм и были изготовлены из заготовок фотошаблонов (ФШ) интегральных микросхем (ИМС), которые, в свою очередь, представляли собой основание из боросиликатного стекла с нанесённым на него хромовым покрытием толщиной 50 нм. Таким образом, плазмохимическому травлению подвергали боросиликатное стекло через хромовую маску. Обрабатываемые поверхности образцов располагали на расстоянии 6 мм от окна по центру спирали антенны. С
Операция ПХТ состояла из девяти чередующихся переходов - пяти переходов кислородной очистки и четырёх переходов собственно травления продолжительностью 10 мин каждый. Переходы кислородной очистки производили с подачей на антенну мощности ЖКО = 200 Вт, а переходы травления - с подачей мощности Жпхт = 250 Вт. Кислород-
ную очистку производили при скоростях расхода газов: кислорода - qO2 = 50 см3/мин; аргона - дА = 50 см3/мин. При этом формировалось давление рКО = 62 - 67 Па.
Переходы собственно травления производили при двух вариантах скоростей расхода газов - при обильной и уменьшенной подаче газов. Обильной подаче соответствовали
3 3
скорости расхода газов: аргона - qAr = 40 см /мин; кислорода - qO2 = 35 см /мин; элегаза -
3 ^
qsF6 = 100 см /мин. При этом формировалось давление рпхт = 57 - 60 Па. Уменьшенной подаче соответствовали скорости расхода газов: аргона - qAr = 20 см /мин; кислорода - gO2
3 3
= 17 см /мин; элегаза - qSF6 = 50 см /мин. При этом формировалось давлениерпхт = 28 - 30 Па.
Можно видеть, что состав газовой смеси оставался неизменным и поддерживался за счёт обеспечения следующего соотношения между скоростями расхода газов, образующих травящую смесь: на 100 частей элегаза приходилось 40 частей аргона и 35 частей кислорода.
Оценивали влияние на процесс ПХТ двух факторов:
1) Расположение подвергаемой травлению поверхности по отношению к антенне и травящему газу. Расположение «вверх» соответствует обращённости обрабатываемой поверхности к антенне таким образом, что сам образец является как бы «донышком» системы «травящий газ - образец». Расположение «вниз» соответствует обращённости обрабатываемой поверхности в сторону, противоположную антенне таким образом, что сам образец является как бы «крышей» системы «травящий газ - образец»;
2) Количество травящего газа. Этот фактор фиксировался на двух уровнях, соответствовавших обильной и уменьшенной в два раза скорости подачи газов.
После ПХТ образцы подвергали ультразвуковой очистке с применением раствора Allstrip компании «OHARA Optical Glass». Затем удаляли остатки хромовой маски в кипящей серной кислоте. Измеряли глубину полученного микрорельефа при помощи про-филографа-профилометра Form Talysurf PGI 420 [15]. Результаты профилографических исследований представлены в Табл. 1.
Из рассмотрения данных, приведённых в табл.1, видно, что при расположении образцов поверхностью травления «вниз» глубина травления стекла оказывается на 5 - 10% больше, чем при расположении «вверх». Также можно видеть, что увеличение подачи травильной смеси в два раза приводит к увеличению глубины травления также в два раза. Одновременно в два раза повышается и давление в рПХТ рабочей камере.
Таблица 1. Результаты измерений глубины рельефа при варьировании расположением подвергаемой ПХТ
поверхности и объёмом подаваемого газа
№ эксперимента Расположение поверхности Подача газа Измеренная глубина рельефа H, мкм
1 вверх обильная 3,65 ± 0,04
2 вверх уменьшенная 1,61 ± 0,03
3 вниз обильная 3,84 ± 0,06
4 вниз уменьшенная 1,89 ± 0,03
В целях выявления протекающих процессов при травлении стекла в рассмотренных условиях проводили оптико-микроскопическое исследование подвергнутых травлению поверхностей образцов. Использовали оптический микроскоп Axio Imager Vario Z2 производства фирмы Carl Zeiss. Производили микрофотографирование образцов после ПХТ, после ультразвуковой отмывки и после кислотного травления.
Соответствующие микрофотографии приведены в Табл. 2 и 3.
Можно видеть, что после ПХТ травлённая поверхность загрязнена. Ультразвуковая очистка убирает это загрязнение лишь частично, а в результате жидкостного кислотного травления загрязнения с поверхности удаляются полностью, и происходит полное удаление остатков хромовой маски. При этом хромовая маска (по крайней мере частично) сохраняется как после ПХТ, так и после ультразвуковой очистки.
Кроме того, можно видеть, что в результате плазмохимического травления происходит искажение конфигурации некоторых элементов рисунка. Заметно, что это искажение заключается в «подтравливании» обрабатываемого материала (силикатного стекла) под краями хромовой маски. Т.е. травление стекла происходит не только в вертикальном направлении перпендикулярно обрабатываемой поверхности, но и параллельно ей.
Таблица 2. Микрофотографии поверхностей образцов при расположении подвергаемых ПХТ поверхностей
«Вверх»
Увеличение 1500х
Таблица 3. Микрофотографии поверхностей образцов при расположении подвергаемых ПХТ поверхностей
«Вниз»
3. Анализ результатов экспериментальных работ
Анализ результатов, представленных в табл. 2 и 3 указывает на наличие выраженного и существенного обратного переосаждения образующихся в результате протекания химических реакций веществ.
Рассмотрим вначале обратное переосаждение обрабатываемого материала - оптического стекла. На фотографиях - это оптически прозрачные «капли», имеющиеся как на хромовой маске, так и на свободных от маски участках стекла. Понятно, что после удаления остатков хромовой маски кислотным травлением эти «капли» остаются лишь на участках стекла, бывших свободными от неё.
Столь существенное обратное переосаждение обрабатываемого материала обусловлено скорее всего затруднённостью процесса удаления продуктов химических реакций от обрабатываемой поверхности образца.
Очевидно, что в нашем случае лимитирующей по качеству обработанной поверхности является стадия отвода продуктов взаимодействия от поверхности обрабатываемого материала. Так же очевидно, что параметром, влияющим на скорость отвода продуктов взаимодействия от обрабатываемой поверхности, является давление в рабочей камере. Действительно, при проведении опытов с обильной подачей газовой смеси давление в камере составляло р = 58 Па. При проведении опытов с уменьшенной ровно в два раза скоростью подачи газов давление в рабочей камере уменьшалось также ровно в два раза (что само по себе информативно) и составляло р = 29 Па.
Указанные величины рабочего давления р не считаются чрезмерно высокими. При ПХТ или ПТ применяют давление в пределах от р = 10 Па до р = 1 кПа [3, 9]. Обычно рекомендуют величину р = 100 Па. Наличие переосаждения обрабатываемого материала в виде обратной конденсации при давлениях в пределах рекомендуемого диапазона свидетельствует о необеспеченности отвода продуктов взаимодействия от обрабатываемой поверхности.
Можно предположить следующую схему обратной высадки в виде конденсата обработанного материала. Известно [2], что сам процесс ПХТ оптического стекла соединениями фтора заключается в образованиии летучего соединения SiF4. При затруднённости отвода этого продукта взаимодействия от обрабатываемой поверхности, а также в связи с наличием в подаваемой газовой смеси кислорода вполне возможно протекание реакции по следующей схеме:
SiF4 + O2 ^ SiO2| + F2.
Энергетическая сомнительность этой реакции компенсируется тем фактом, что молекулы кислорода в условиях плазмы активируются с приобретением дополнительных энергетических уровней [3]. Кроме того молекулы кислорода распадаются на атомы, которые в условиях плазмы также активируются, приобретая неспаренные электроны. Атомы кислорода также подвергаются ионизации. Кроме всего прочего, сами молекулы SiF4 претерпевают столкновения непосредственно у обрабатываемой поверхности. Не все из этих столкновений могут быть упругими.
Необходимо отметить, что из всего множества химических элементов, входящих в состав оптических стёкол, лишь кремний даёт с фтором летучее соединение. Фториды натрия, калия, кальция, бора и других элементов, входящих в состав стеклообразующих компонент, не являются летучими. Их отвод от обрабатываемой поверхности также проблематичен.
Из рассмотрения представленных оптических микрофотографий очевидно, что на поверхности обработанных образцов помимо имеющих капельную форму оптически прозрачных элементов конденсата переосаждённого обрабатываемого материала имеются также участки, покрытые зелёным или коричневым налётом. По всей видимости - это результат обратного осаждения материала маски - хрома. Известно [16], что хром реагирует со фтором, образуя фторид хрома (III) (трифторид хрома), имеющий формулу CrF3. Это соединение представляет собой зелёное твёрдое кристаллическое вещество. Коричневый цвет имеет соединение хрома со фтором, описываемое формулой CrF4 [17].
Таким образом, можно умозаключить, что хмически активные частицы взаимодействуют не только с обрабатываемым материалом, но и с материалом маски -хромом. Это, в частности, указывает на необходимость поиска заменителя хрома в качестве материала маски. Материал - заменитель должен обладыть большей химической стойкостью к фтору.
Помимо фторидов хрома образовавшийся на обработанной поверхности образца налёт может содержать также соединения других металлов и неметаллов, входящих в состав силикатного стекла. Отрицательная роль этого налёта заключается в том, что он, экранируя обрабатываемую поверхность, препятствует проникновению к ней атомов и ионов фтора, тем самым замедляя или полностью останавливая процесс травления. Этим обстоятельством обусловлен тот факт, плазмохимическое травление беспримесных материалов (монокристаллический кремний, плавленый кварц) и материалов с примесями (борсиликатное стекло - основа заготовок фотошаблонов интегральных микросхем)
должно производиться по различным технологическим процессам. Такие технологические процессы должны минимизировать образование налёта на обрабатываемой поверхности наилучшим для данного материала образом.
Трифторид хрома имеет ещё одну важную особенность - он разъедает стекло. Этим объясняется наблюдаемое на микрофотографиях наличие на обработанных поверхностях образцов углублений, проявляющихся после удаления остатков маски кислотным травлением. Разъедание стекла продуктами взаимодействия является в целом отрицательным явлением, однако, при необходимости получения глубоких лунок, предусматриваемых конструкцией детали, это явление может играть и положительную роль.
Из рассмотрения результатов профилографических исследований глубины образовавшегося микрорельефа (см. табл. 1) видно, что расположение обрабатываемой поверхности «вниз» приводит к повышению производительности на 5 - 10%. Это объясняется двумя причинами. Первая - переосаждение обрабатываемого материала и материала маски. При расположении обрабатываемой поверхности «вниз» вследствие действия силы тяжести на обрабатываемую поверхность не переосаждается дополнительная часть диспергированых компонент (по сравнению с расположением обрабатываемой поверхности «вверх»).
Вторая причина - удлинение пути, проходимого химически активными частицами от их источника (см.рис. 2) до обрабатываемой поверхности при её расположении «вверх» (по сравнению с расположением обрабатываемой поверхности «вниз»). Поскольку химически активные частицы доставляются к обрабатываемой поверхности по механизму диффузии, то увеличение расстояния от источника приводит к уменьшению их концентрации на обрабатываемой поверхности.
Намного более сильное влияние на производительность травления оказывает расход газов. В исследованном диапазоне увеличение расхода газов в два раза приводило к такому же увеличению (в два раза) скорости травления. Таким образом, стадия взаимодействия химически активных частиц с поверхностью обрабатываемого материала является лимитирующей по производительности процесса. Однако увеличение расхода газов приводит к росту давления в рабочей камере, что препятствует отводу продуктов реакций от обрабатываемой поверхности. Поэтому для улучшения отвода продуктов реакций следует расход газов уменьшать. В то же время, уменьшение давления с выходом за пределы рекомендуемых значений может приводить в условиях имеющейся установки ШБ-300 к неприемлемому снижению скорости травления обрабатываемого материала.
Режим травления следует подбирать таким образом, чтобы достигалась максимальная скорость травления при приемлемом качестве травленной поверхности.
Выводы
На основании проведённых исследований можно выделить следующие пути совершенствования технологии плазмохимического травления силикатных стёкол на установках с вынесенным планарным индуктором:
1. Установлено, что, поскольку заготовка находится непосредственно в плазме газового разряда, то эффективность доставки молекул рабочего газа в зону обрабатываемой поверхности повышается при уменьшении её расстояния до места ввода газовой смеси в рабочую камеру.
2. Анализ перехода молекул рабочего газа в химически активные частицы показал, что в рассматриваемы условиях формируется плазма высокого давления и низкой плотности. Лимитирующим фактором в этом случае является минимальная мощность, которую следует подавать на антенну для возбуждения индуктивно связанной плазмы. Установлено, что кислородная очистка, обеспечивающая удаление полимеризующегося на обрабатываемой поверхности элегаза SF6, обеспечивается при мощности WKO = 200 Вт, а собственно процесс ПХТ при мощности Wuxt = 250 Вт.
3. Показано, что доставка химически активных частиц к поверхности обрабатываемого материала осуществляется по механзму диффузии, причём увеличение
расхода газовой смеси приводит к пропорциональному увеличению давления в рабочей
3 „
камере. При расходах газа q = 80 - 180 см /мин давление в рабочей камере составляет 25 -60 Па.
4. Экспериментально установлено, что скорость травления силикатного стекла прямо пропорциональна концентрации химически активных частиц у обрабатываемой поверхности и при высоких концентрациях составляет у = 90 - 95 нм/мин. Эта скорость травления вполне достаточна для изготовления деталей дифракционной оптики. Можно также рекомендовать данный способ ПХТ для получения выступов высотой h = 25 - 30 мкм на деталях приборов из кварцевого стекла.
5. В рассмотренных условиях отвод продуктов взаимодействия газовой смеси с кварцевым стеклом и материалом маски затруднён, что приводит к обратному осаждению и формированию матовости на травленной поверхности. Поэтому необходим подбор эмпирическими методами режима ПХТ, обеспечивающего баланс между производительностью процесса (добиваясь её максимальности) и качеством поверхности (не повышая её шероховатости сверх установленных границ).
Список литературы
1. Коновалов С.Ф., Пономарев Ю.А., Майоров Д.В., Подчезерцев В.П., Сидоров А.Г. Гибридные микроэлектромеханические гироскопы и акселерометры // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2011. № 10. С. 1-21. Режим доступа: http://technomag.edu.ru/doc/219257.html (дата обращения 11.12.2017).
2. Spierings G.A.C.M. Wet chemical etching of silicate glasses in hydrofluoric acid based solutions // J. of Materials Science. 1993. Vol. 28. Iss. 23. Pp. 6261-6273.
DOI: 10.1007/BF01352182
3. Галперин В.А., Данилкин Е.В., Мочалов А.И. Процессы плазменного травления в микро- и нанотехнологиях [Электронный ресурс]: учебное пособие / Под ред. С.П. Тимошенкова. 3-е изд. (эл.). М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015. 286 с. Режим доступа: http://znanium.com/bookread2.php?book=539829&spec=1 (дата обращения 04.11.2017).
4. Одиноков С.Б., Сагателян Г.Р., Ковалёв М.С. Расчет, конструирование и изготовление дифракционных и голограммных оптических элементов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. 121 с.
5. Сагателян Г.Р., Новоселов К.Л., Шишлов А.В., Щукин С.А. Совершенствование технологического процесса изготовления пластины маятникового акселерометра // Естественные и технические науки. 2012. № 6(62). С. 369-375.
6. Ветошкин В.М. Экспериментальная установка для исследования вакуумно-плазменных процессов обработки кварца: дис. ... канд. техн. наук. Ижевск, 2009. 142 с.
7. Low-pressure plasma. Режим доступа: https://www.plasma.com/en/plasmatechnik/low-pressure-plasma/ (дата обращения 26.10.2017).
8. Бугорков К.Н., Сагателян Г.Р. Плазмохимическое травление стекла с применением высокочастотной диодной системы // Естественные и технические науки. 2017.
№ 8(110). С. 87-91.
9. Киреев В.Ю., Данилин Б.С., Кузнецов В.И. Плазмохимическое и ионно-химическое травление микроструктур. М.: Радио и связь, 1983. 126 с.
10. Zhuoxing Luo. RF plasma etching with a DC bias: doct. diss. Lubbock: Texas Tech Univ., 1994. 126 p.
11. Chabert P., Braithwaite N. Physics of radio-frequency plasmas. Camb.: Camb. Univ. Press, Cambridge, 2011. 385 p.
12. Lieberman M.A., Lichtenberg A.J. Principles of plasma discharges and materials processing. 2nd ed. Hoboken: Wiley-Interscience, 2005. 757 p.
13. Lieberman M.A. A mini-course on the principles of plasma discharges. Berk.: Univ. of California, 2003.111 p.
14. Dudin S.V., Zykov A.V., Dahov A.N., Farenik V.I. Experimental research of ICP reactor for plasma-chemical etching // Problems of Atomic Science and Technology. Ser.: Plasma Physics (12). 2006. № 6. Pp. 189-191.
15. Taylor & Hobson: каталог продукции. Режим доступа: http://taylor-hobson.ru/ katalog-produktcii.html?start=9 (дата обращения 26.10.2017).
16. Herbstein F.H., Kapon M., Reisner G.M. Crystal structures of chromium (III) fluoride trihydrate and chromium (III) fluoride pentahydrate. Structural chemistry of hydrated transi-
tion metal fluorides. Thermal decomposition of chromium (III) fluoride nonhydrate // Z. für Kristallographie. 1985. Bd 171. No. 1-4. S. 209-224. DOI: 10.1524/zkri.1985.171.14.209 17. Химическая энциклопедия / Зефиров Н.С. (гл. ред.) и др. Т. 5. М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. 783 с.
Mechanical Engineering & Computer Science
Electronic journal
http://www.technomagelpub.ru
Mechanical Engineering and Computer Science, 2017, no. 11, pp. 44-63.
Received: 15.10.2017
© NP "NEICON"
Diode Circuit-based Glass Plasma-Chemical Etching Capabilities
K.N. Bugorkovl'*, H.R. Saghatelyan2 "manS5@yandexju
:Branch of FSUE "TsENKI" - "Scientific & Research Institute of Applied Mechanics n. a. academician V.I. Kuznetsov", Moscow, Russia 2Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia
Keywords: plasma chemical etching, silicate glass, diode system, chrome mask
The paper discusses technological capabilities to improve a plasma-chemical etching (PCE) rate of the silicate glasses through a chromium mask in the equipment with a planar inductor located outside, which forms a high-frequency diode system. Suggests a case when the inductor in the form of a planar spiral antenna is above the work-piece.
The PCE process stages were analytically studied and the limiting effects of each step that affect the etching rate and the quality of the treated surface were determined. The paper shows that for the type of equipment under consideration the stage of removing etch products from the work-piece is a quality-limiting factor for the PCE-exposed surface while the limiting factor for the etching rate is the stage of formation of chemically active particles (CAP) in plasma.
The comparison of analytical results with the experimental data shows that in the considered case plasma of low density and high pressure is formed. The experimentation was aimed at studying the impact of the surface position under treatment and the working pressure in the chamber on the etching rate and the peculiarities of the etched surface formation. As a treated material, the blanks of the photomasks for integrated circuits made from Cr-covered silicate glass were considered. The electron beam lithography method was used to create a mask for the PCE process.
It was experimentally found that when a treating surface of the work-piece in plasma is "downward" the etching depth is by 5-10% more than the etching depth of the "upward" surface. Another finding was that with raising gas flow the etching depth was twice increased as well.
Optical-microscopic examinations of the etched surfaces of work-pieces have shown that there are areas with green or brown coating. Supposedly, this is due to the effect of the reverse deposition of the mask material as in the form of CrF3, CrF4 compounds that reinforce the need to look for a replacement of the chrome mask.
The etching rates of 45-90 nm/min are obtained for the silicate glass, which is close in composition to the optical glass of K8 grade. This allows using the PCE in the equipment with a
planar inductor located outside the chamber and realizing a high-frequency diode circuit to produce diffraction and hologram optical elements with a depth of the surface relief up to 400-500 nm.
References
1. Konovalov S.F., Ponomarev Yu.A., Mayorov D.V., Podchezertsev V.P., Sidorov A.G. Hybrid microelectromechanical gyroscopes and acceleration gages. Nauka i obrazovanie MGTU im. N.E. Baumana [Science and Education of the Bauman MSTU], 2011, no. 10, pp. 1-21. Available at: http://technomag.edu.ru/doc/219257.html, accessed 11.12.2017 (in Russian).
2. Spierings G.A.C.M. Wet chemical etching of silicate glasses in hydrofluoric acid based solutions. J. of Materials Science, 1993, vol. 28, iss. 23, pp. 6261-6273.
DOI: 10.1007/BF01352182
3. Galperin V.A., Danilkin E.V., Mochalov A.I. Protsessy plazmennogo travleniia v mikro- i nanotekhnologiiakh [Elektronnyj resurs]: uchebnoe posobie [Processes of plasma etching in micro- and nanotechnologies [Electronic resource]: a tutorial / Ed. by S.P. Timoshenkova. 3rd ed. (el.). Moscow: BINOM. Laboratoriia znanij Publ., 2015. 286 p. Available at: http://znanium.com/bookread2.php?book=539829&spec=1 , accessed 04.11.2017 (in Russian).
4. Odinokov S.B., Sagatelian G.R., Kovalev M.S. Raschet, konstruirovanie i izgotovlenie difraktsionnykh i gologrammnykh opticheskikh elementov [Calculation, design and production of diffraction and holographic optical elements]. Moscow: Bauman MSTU Publ., 2014. 121 p. (in Russian).
5. Sagatelian G.R., Novoselov K.L., Shishlov A.V., Shchukin S.A. Improvement of the technological process of manufacturing the plate of the pendulum accelerometer. Estestvennye i tekhnicheskie nauki [Natural and Technical Sciences], 2012, no. 6(62), pp. 369-375 (in Russian).
6. Vetoshkin V.M. Eksperimental'naia ustanovka dlia issledovaniia vakuumno- plazmennykh protsessov obrabotki kvartsa. Kand. diss. [Experimental equipment for the investigation of vacuum-plasma quartz processing. Cand. diss.]. Izhevsk, 2009. 142 p. (in Russian).
7. Low-pressure plasma. Available at: https://www.plasma.com/en/plasmatechnik/low-pressure-plasma/ , accessed 26.10.2017.
8. Bugorkov K.N., Sagatelian G.R. Plasma-chemical etching of glass using a high-frequency diode system. Estestvennye i tekhnicheskie nauki [Natural and Technical Sciences], 2017, no. 8(110), pp. 87-91 (in Russian).
9. Kireev V.Yu., Danilin B.S., Kuznetsov V.I. Plazmokhimicheskoe i ionno-khimicheskoe travlenie mikrostruktur [Plasma-chemical and ion-chemical etching of microstructures]. Moscow: Radio i Sviaz' Publ., 1983. 126 p. (in Russian).
10. Zhuoxing Luo. RF plasma etching with a DC bias: doct. diss. Lubbock: Texas Tech Univ., 1994. 126 p.
11. Chabert P., Braithwaite N. Physics of radio-frequency plasmas. Camb.: Camb. Univ. Press, 2011. 385 p.
12. Lieberman M.A., Lichtenberg A.J. Principles of plasma discharges and materials processing. 2nd ed. Hoboken: Wiley-Interscience, 2005. 757 p.
13. Lieberman M.A. A mini-course on the principles of plasma discharges. Berk.: Univ. of California, 2003.111 p.
14. Dudin S.V., Zykov A.V., Dahov A.N., Farenik V.I. Experimental research of ICP reactor for plasma-chemical etching. Problems of Atomic Science and Technology. Ser.: Plasma physics (12), 2006, no. 6, pp. 189-191.
15. Taylor & Hobson: katalog produktsii [Taylor & Hobson: catalogue]. Available at: http://taylor-hobson.ru/katalog-produktcii.html?start=9, accessed 04.11.2017 (in Russian).
16. Herbstein F.H., Kapon M., Reisner G.M. Crystal structures of chromium (III) fluoride trihydrate and chromium (III) fluorine pentahydrate. Structural chemistry of hydrated transition metal fluorides. Thermal decomposition of chromium (III) fluoride nonhydrate. Z.für Kristallographie, 1985, Bd 171, no. 1-4, pp. 209-224. DOI: 10.1524/zkri.1985.171.14.209
17. Khimicheskaiya entsiklopediia [Chemical Encyclopedia] / Zefirov N.S. (chief ed.) et al. Vol. 5. Moscow: Bol'shaia Rossijskaia Entsiklopediia Publ., 1998. 783 p. (in Russian).
