eng
Выпуск #1/2018
С.Одиноков, Г.Сагателян, К.Бугорков, Е.Дроздова
Закономерности и особенности двухстороннего плазмохимического травления деталей из оптического стекла
Закономерности и особенности двухстороннего плазмохимического травления деталей из оптического стекла
Просмотры: 3626
Рассмотрено одновременное формирование функционального рельефа на обеих рабочих поверхностях оптических плоскопараллельных пластин при изготовлении дифракционных и голограммных оптических элементов. Исследованы технологические возможности плазмохимического травления стекла с размещением заготовки в объеме плазмы и применением установки диодного типа с вынесенным планарным индуктором. Показано, что ограничивающим качество травления фактором является отвод продуктов химических реакций от обрабатываемой поверхности.
УДК 533.924, 621.7-4, 621.9, 67.02, 681.7.026.5; ВАК 05.16.08; DOI: 10.22184/1993-8578.2018.80.1.50.62
УДК 533.924, 621.7-4, 621.9, 67.02, 681.7.026.5; ВАК 05.16.08; DOI: 10.22184/1993-8578.2018.80.1.50.62
Теги: functional relief inductively coupled plasma optical glass plasma-chemical etching the performance of the etching индуктивно связанная плазма оптическое стекло плазмохимическое травление производительность травления функциональный рельеф
Рассмотрено одновременное формирование функционального рельефа на обеих рабочих поверхностях оптических плоскопараллельных пластин при изготовлении дифракционных и голограммных оптических элементов. Исследованы технологические возможности плазмохимического травления стекла с размещением заготовки в объеме плазмы и применением установки диодного типа с вынесенным планарным индуктором. Показано, что ограничивающим качество травления фактором является отвод продуктов химических реакций от обрабатываемой поверхности. Для боросиликатного оптического стекла достигнута скорость травления 100 нм/мин.
Плазмохимическое травление (ПХТ) стекла получило широкое распространение в оптической промышленности при изготовлении дифракционных или голограммных оптических элементов (ДОЭ / ГОЭ) [1]. Максимальная высота рельефа (глубина впадин) оптических деталей составляет 1–2 мкм. Считается, что для дифракционных оптических элементов нужен рельеф с вертикальными стенками, получаемый анизотропным травлением. Тем не менее наклонные боковые стенки рельефа создают дополнительные возможности формирования изображения [2].
В настоящее время появились конструкции ДОЭ / ГОЭ, содержащие функциональный рельеф на обеих рабочих плоскостях плоскопараллельной пластины [3]. При изготовлении таких деталей целесообразно заменить две операции одностороннего ПХТ на одну операцию двухстороннего ПХТ. Такой вид травления возможен, если обрабатываемую заготовку поместить непосредственно в плазму, образованную высокочастотным разрядом [4]. Соответствующие установки, как заявляют их изготовители, например, компания Diener electronic, обеспечивают возможность ПХТ кварца, хотя и предназначены в основном для таких операций как снятие остатков фоторезиста или удаление тонкопленочных покрытий. К рассматриваемому классу оборудования относится и установка RIE-300 производства фирмы Torr International. Конструктивно она содержит вынесенный за пределы рабочей камеры планарный индуктор в виде плоской спиральной антенны, формирующей высокочастотную диодную систему.
Целью данной работы являлось выявление технологических возможностей ПХТ силикатных стекол при контактировании плазмы с обеими сторонами заготовки и определение путей совершенствования соответствующей технологической операции.
АНАЛИЗ СТАДИЙ ПХТ
Теория ПХТ [4] рассматривает сухое травление как последовательность химических реакций. Основными стадиями 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 таких частиц к поверхности обрабатываемого материала, их взаимодействие с поверхностью обрабатываемого материала, а также отвод продуктов взаимодействия от поверхности обрабатываемого материала.
На эффективность доставки молекул рабочего газа в зону плазмы газового разряда влияет взаимное расположение обрабатываемых поверхностей образца и точки ввода газов в рабочую камеру (см. рисунок). Кроме того, доставке молекул рабочего газа препятствуют зауженные области в рабочей камере, образуемые держателем образца, позиционирующим приспособлением и полкой-носителем.
Переход молекул рабочего газа в газовом разряде в энергетические и химически активные частицы происходит благодаря тому, что спиральная антенна, являющаяся катушкой индуктивности, запускает вдоль оси z в плазму электромагнитную волну, которая затухает по экспоненте. Глубину проникновения электрического поля в плазму обычно характеризуют величиной, обратной коэффициенту затухания этой волны δ. В свою очередь, величина δ определяется мнимой частью комплексной диэлектрической проницаемости плазмы.
Оценочные расчеты, методика которых приводится в специализированной литературе [5], проводили применительно к установке RIE-300. Было принято, что на антенну подается напряжение с частотой f = 13,56 МГц, в качестве химически активного газа используется элегаз SF6, а давление в рабочей камере составляет p = 10–100 Па [4]. По результатам расчетов частота столкновений электронов с нейтральными частицами составила νm = 1010 с–1 в то время как круговая частота напряжения, подаваемого на антенну, ω = 108 с–1. Оказывается, что νm >> ω, то есть мы имеем дело со случаем плазмы высокого давления. Далее, оценив круговую частоту осцилляций плазмы величиной ωpe = 2πfpe = 6 · 1010 Гц, получили ориентировочно глубину проникновения электрического поля в плазму δ = 7 см. Эта величина примерно равна размеру (длине L, указанной на рисунке) рабочей камеры. Условие δ ≈ L соответствует плазме низкой плотности.
В случае плазмы высокого давления и низкой плотности лимитирующим фактором является минимальный ток и, соответственно, минимальная мощность, подаваемая на антенну для возбуждения индуктивно связанной плазмы. Для рассматриваемой установки RIE-300 ограничением, а следовательно, и лимитирующим условием перехода молекул рабочего газа в химически активные частицы, является подаваемая на антенну максимальная мощность Wmax = 300 Вт.
Химически активными частицами служат атомы фтора, которые образуются в условиях плазмы при распаде молекул элегаза SF6 на радикалы SF5, SF4, SF2, молекулы F2 и атомы F [5], причем в плазме молекулы фтора F2 также распадаются на атомы. Механизм доставки образовавшихся атомов фтора к обрабатываемой поверхности и отвод от нее продуктов взаимодействия определяется соотношением между размерами камеры и длиной свободного пробега молекул, которая зависит от давления в вакуумной камере и компонентов газовой смеси. Расчет по рекомендуемым формулам [5] показывает, что для указанного выше диапазона давлений, характерного для установок рассматриваемого типа, длина свободного пробега составляет λ = 0,05–0,5 мм. Эта величина намного меньше размеров камеры, следовательно, доставка химически активных частиц к обрабатываемой поверхности и отвод от нее продуктов взаимодействия происходят по механизму диффузии.
Взаимодействие энергетических и химически активных частиц с поверхностью оптического стекла включает в себя удаление обрабатываемого материала при протекании химической реакции с образованием тетрафторида кремния:
4F(газ) + SiO2(тв) → SiF4(газ) + O2(газ). (1)
Однако оптическое стекло (за исключением плавленого кварца) содержит в своем составе не только диоксид кремния, но и множество других соединений, например, оксиды бора, натрия, калия и т.д. Кроме того, воздействию химически активных частиц подвергается не только собственно стекло, но и материал маски, применяемой для создания требуемого рисунка на обрабатываемой поверхности.
Особенности ПХТ оптического стекла требуют проведения экспериментальных исследований для установления на их основе факторов, ограничивающих производительность процесса и качество обработанной поверхности.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Для проведения экспериментальных исследований применяли установку RIE-300 производства фирмы Torr International (см. рисунок).
Подвергаемые ПХТ образцы размером 10 Ч 10 мм были вырезаны из одного группового образца, изготовленного из заготовки фотошаблона для интегральных микросхем толщиной 2,5 мм с хромовым маскирующим покрытием. Образцы содержали полученный методом электронно-лучевой литографии рисунок – рандомизированный набор оптически прозрачных (хром протравлен до стекла) и непрозрачных (хром не тронут) участков равной площади.
Каждый опыт представлял собой технологическую операцию, состоящую из пяти переходов: первый и пятый переходы – кислородная очистка продолжительностью 5 мин; второй и четвертый переходы – собственно ПХТ продолжительностью tпр; третий переход – кислородная очистка продолжительностью tко.
В качестве выходного параметра рассматривалась производительность процесса, которую оценивали по глубине стравленного обрабатываемого материала (силикатного стекла), определяемой на профилографе-профилометре Form Talysurf PGI 420 со снятием профилограммы поверхности образца до и после опыта. Под производительностью процесса (q, нм/мин) понимали частное от деления глубины (H, нм) стравленного в данном опыте стекла на величину 2tпр, мин.
Рассматривались следующие факторы эксперимента:
• расстояние l от образца до диэлектрического окна, контактирующего со спиральной антенной установки RIE-300;
• продолжительность кислородной очистки tко;
• продолжительность каждого из переходов собственно ПХТ tпр (продолжительности этих двух переходов приняли равными друг другу).
Были приняты следующие диапазоны изменения факторов: l = 12–2 мм; tко = 2–6 мин; tпр = 5–15 мин.
Постоянными величинами, характеризующими условия эксперимента, были мощность излучаемой антенной электромагнитной волны W = 200 Вт, а также расходы газов. При кислородной очистке расход кислорода составлял CO2 = 50 см3/мин, расход аргона – CAr = 50 см3/мин. При переходе ПХТ расход элегаза составлял CSF6 = 100 см3/мин, расход кислорода – CO2 = 40 см3/мин, расход аргона – CAr = 35 см3/мин. В рабочей камере формировались следующие величины давления вакуума: при кислородной очистке pко = 65 Па; при собственно ПХТ pпр = 57 Па.
Был реализован полный факторный эксперимент 23. Кодированные значения факторов определяли по формулам:
, (2)
где l – расстояние от образца до диэлектрического окна, мм; tко – продолжительность кислородной очистки, мин; tпр – продолжительность перехода ПХТ, мин.
Матрица планирования и результаты эксперимента приведены в следующем разделе.
Во второй серии экспериментальных исследований обрабатываемые поверхности образцов располагали на расстоянии 6 мм от окна по центру спирали антенны и оценивали влияние на процесс ПХТ двух факторов:
• расположения подвергаемой травлению поверхности "вверх" или "вниз" по отношению к антенне и травящему газу;
• количества травящего газа, которое фиксировалось на двух уровнях, соответствовавших обильной и уменьшенной в два раза подачи газов.
Операция ПХТ в этой серии состояла из девяти чередующихся переходов – пяти переходов кислородной очистки и четырех переходов собственно травления продолжительностью 10 мин каждый. Переходы кислородной очистки производили с подачей на антенну мощности WКО = 200 Вт, а переходы травления – с подачей мощности WПХТ = 250 Вт. Кислородную очистку производили при следующих скоростях расхода газов: кислорода – qO2 = 50 см3/мин; аргона – qAr = 50 см3/мин. При этом формировалось давление pКО = 62–67 Па.
Переходы собственно травления производили при двух вариантах подачи газов: обильной и уменьшенной. Обильной подаче соответствовали следующие скорости расхода газов: аргона – qAr = 40 см3/мин; кислорода – qO2 = 35 см3/мин; элегаза – qSF6 = 100 см3/мин. При этом формировалось давление pПХТ = 57–60 Па. Уменьшенной подаче соответствовали скорости расхода газов: аргона – qAr = 20 см3/мин; кислорода – qO2 = 17 см3/мин; элегаза – qSF6 = 50 см3/мин. При этом формировалось давление pПХТ = 28–30 Па.
Неизменный состав газовой смеси поддерживался за счет обеспечения следующего соотношения между скоростями расхода газов, образующих травящую смесь: на 100 частей элегаза приходилось 40 частей аргона и 35 частей кислорода.
После ПХТ образцы подвергали ультразвуковой очистке с применением раствора Allstrip компании OHARA Optical Glass. Затем в кипящей серной кислоте удаляли остатки хромовой маски. Результаты профилографических исследований представлены в следующем разделе.
В целях выявления процессов, протекающих при травлении стекла в рассмотренных условиях, проводили оптико-микроскопическое исследование подвергнутых травлению поверхностей образцов с использованием оптического микроскопа Axio Imager Vario Z2 производства фирмы Carl Zeiss. Также выполнялось микрофотографирование образцов после ПХТ, ультразвуковой отмывки и кислотного травления.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Матрица планирования и результаты эксперимента первой стадии исследований приведены в табл.1. Результаты профилографирования образцов во второй серии экспериментальных исследований представлены в табл.2.
На основании результатов экспериментальных исследований, приведенных в табл.1, по стандартным формулам рассчитали коэффициенты регрессии и получили следующее уравнение регрессии:
q = 8,1 – 1,1x1 + 0,575x2 – 0,275x3 – 0,525x1x2 +
+ 0,175x1x3 + 0,6x2x3 – 0,35x1x2x3 . (3)
Данные, приведенные в табл.2, показывают, 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 в два раза. Одновременно в два раза повышается и давление pПХТ в рабочей камере.
Оптико-микроскопические исследования показали, что при глубинах травления h = 2–3 мкм происходит искажение конфигурации некоторых элементов рисунка. Заметно, что это искажение вызвано "подтравливанием" обрабатываемого материала (силикатного стекла) под краями хромовой маски, то есть травление происходит не только в вертикальном направлении перпендикулярно обрабатываемой поверхности, но и параллельно ей, что свидетельствует об изотропном характере процесса.
Данный факт должен быть учтен при разработке ДОЭ / ГОЭ: контуры участков рисунка, образующих "острова", должны быть расширены на величину, соответствующую требуемой глубине травления.
Оптико-микроскопические исследования также показали наличие существенного обратного переосаждения обрабатываемого материала – оптического стекла в виде оптически прозрачных "капель", имеющихся как на хромовой маске, так и на свободных от нее участках стекла. После удаления остатков хромовой маски кислотным травлением эти "капли" остаются только на свободных от нее участках стекла.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Проведем анализ полученных коэффициентов регрессии в уравнении (3).
Численное значение коэффициента b0 = 8,1 оказалось весьма близко к величине q = 8,2 нм/мин, полученной при реализации опыта в центре плана эксперимента, то есть погрешности эксперимента не велики, и все коэффициенты регрессии являются значимыми.
Численное значение коэффициента b1 = –1,1 указывает на то, что скорость съема обрабатываемого материала увеличивается при приближении образца к антенне – источнику плазмы. Это может быть объяснено неравномерностью распределения энергии в плазме [5].
Численные значения коэффициентов b2 = 0,575
и b3 = –0,275 указывают на то, что скорость съема обрабатываемого материала возрастает с увеличением времени, затрачиваемого на кислородную очистку образца между двумя переходами собственно ПХТ, и снижается с увеличением продолжительности перехода ПХТ. Процесс ПХТ включает в себя не только удаление стекла под действием химически активных частиц за счет образования тетрафторида кремния по реакции (1), но и появление на обрабатываемой поверхности стекла пленки (так называемой "высадки") в результате протекания газотранспортных реакций полимеризации типа
2nSF6 → 3[… – SF4 – …]n . (4)
Пленка 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) + 6O2(газ) → 4SO3(газ) + 6F2(газ). (5)
Очевидно, что увеличение продолжительности кислородной очистки обеспечивает более полное удаление пленки полимера, которая препятствует доступу к обрабатываемой поверхности химически активных частиц, а увеличение продолжительности перехода собственно ПХТ приводит к пассивации поверхности.
Коэффициент b23 = 0,6 указывает на то, что к повышению средней производительности ПХТ приводят одновременные увеличение или уменьшение продолжительностей переходов кислородной очистки и ПХТ.
Значения (с учетом знаков) коэффициентов регрессии b12 , b13 и b123 указывают на интенсификацию всех процессов, сопровождающих обработку образца в плазме, образованной как инертными, так и химически активными газами, при увеличении напряженности высокочастотного электромагнитного поля.
Оценивая результаты этой серии экспериментов в целом, следует указать на то, что достигнутая производительность q = 10 нм/мин при ПХТ силикатного стекла на установке RIE 300 относительно низка, и примерно в пять раз меньше производительности, достигаемой на установке Caroline 15 PE [2], что объясняется принципиально различными схемами травления в этом оборудовании. По результатам серии экспериментальных исследований была разработана структура операции ПХТ, состоящая из чередующихся переходов кислородной очистки и собственно ПХТ. Одновременно, на переходах собственно ПХТ подаваемая на антенну мощность была увеличена до 250 Вт. С применением этого режима была реализована вторая серия экспериментов, результаты которой представлены в табл.2.
Предварительная оценка результатов, представленных в табл.2, показывает, что достигнуты скорости ПХТ в диапазоне q = 90–95 нм/мин, превышающие производительность травления на установке Caroline 15 PE [2] в два раза.
Наличие переосаждения обрабатываемого материала в виде обратной конденсации, а также участков, покрытых зеленым или коричневым налетом (соединения CrF3 и CrF4), свидетельствует о затрудненности отвода продуктов взаимодействия от обрабатываемой поверхности, что обусловлено механизмом диффузии, то есть случайного блуждания продуктов взаимодействия вблизи поверхности образца, которая в подобных случаях является катализатором процессов конденсации.
Отрицательная роль налета заключается в том, что он, экранируя обрабатываемую поверхность, препятствует проникновению к ней атомов и ионов фтора, и тем самым замедляет или полностью останавливает процесс травления. Очевидно, что в нашем случае качество обработанной поверхности ограничивает стадия отвода продуктов взаимодействия от поверхности обрабатываемого материала.
Результаты профилографических исследований глубины образовавшегося микрорельефа (табл.2) показывают, что расположение обрабатываемой поверхности "вниз" приводит к повышению производительности на 5–10%. Это объясняется сокращением пути, проходимого химически активными частицами от их источника (см. рисунок) до обрабатываемой поверхности по сравнению с ее расположением "вверх". Поскольку химически активные частицы доставляются 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 повышению 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.
Режим травления следует подбирать таким образом, чтобы достигалось наилучшее качество травленной поверхности при приемлемой скорости травления.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы относительно основных закономерностей и особенностей ПХТ силикатных стекол на установках с вынесенным планарным индуктором:
• Анализ стадии перехода молекул рабочего газа в химически активные частицы показал, что в рассматриваемых условиях формируется плазма высокого давления и низкой плотности. Поэтому лимитирующим фактором является минимальная мощность, которую следует подавать на антенну для возбуждения индуктивно связанной плазмы. Экспериментально установлено, что для кислородной очистки достаточно мощности WКО = 200 Вт, а протекание процесса ПХТ обеспечивается при мощности WПХТ = 250 Вт.
• Повышению производительности ПХТ стекла на установках рассматриваемого типа способствует приближение обрабатываемой заготовки к плоскости спиральной антенны, а также использование многоступенчатых операций, чередующих переходы собственно ПХТ с продолжительными переходами кислородной очистки.
• Показано, что доставка химически активных частиц к поверхности обрабатываемого материала осуществляется по механизму диффузии, причем увеличение расхода газовой смеси приводит к пропорциональному увеличению давления в рабочей камере. При расходах газа q = 80–180 см3/мин давление в рабочей камере составляет p = 25–60 Па.
• Экспериментально установлено, что скорость травления силикатного стекла прямо пропорциональна концентрации химически активных частиц у обрабатываемой поверхности и при высоких концентрациях составляет γ = 90–95 нм/мин. Эта скорость травления вполне достаточна для изготовления деталей дифракционной оптики из оптического стекла, содержащих на обеих сторонах пластины рельеф глубиной 300–1 500 нм.
• В рассмотренных условиях отвод продуктов взаимодействия газовой смеси с кварцевым стеклом и материалом маски затруднен, что приводит к обратному осаждению и формированию матовости на травленной поверхности. Поэтому необходим подбор эмпирическими методами режима ПХТ, обеспечивающего баланс между производительностью процесса (ее приемлемой величиной) и качеством поверхности (добиваясь его максимума).
REFERENCES
1. Diffraction computer optics / Ed. by Soifer V.A. Moscow: Fizmatlit, 2007. 736 pp. (In Russian).
2. Odinokov S.B., Sagatelyan G.R., Kovalyov M.S. Calculation, design and manufacturing of diffraction and hologram optical elements: a tutorial. Moscow: BMSTU, 2014. 121 p. (In Russian).
3. Odinokov S.B., Sagatelyan G.R., Kovalyov M.S. etc. Combined diffraction optical element for the channel of the geometric standard of the angle meter. Patent for utility model RU 161 625 U1 // Bul. No. 12 of 04/17/2016. (In Russian).
4. Galperin V.A., Danilkin E.V., Mochalov A.I. Processes of plasma etching in micro- and nanotechnologies [Electronic resource]: a tutorial / Ed. by Timoshenkova S.P.. 3rd ed. Moscow: BINOM. Laboratory of Knowledge, 2013. 283 p. Access mode: http://znanium.com/bookread2.php?book=539829&spec=1. (Access date: 04.11.2017). (In Russian).
5. Lieberman M.A., Lichtenberg A.J. Principles of plasma discharges and materials processing. Hoboken, New Jersey, John Wiley & Sons, Inc. 2005. 757 p.
Плазмохимическое травление (ПХТ) стекла получило широкое распространение в оптической промышленности при изготовлении дифракционных или голограммных оптических элементов (ДОЭ / ГОЭ) [1]. Максимальная высота рельефа (глубина впадин) оптических деталей составляет 1–2 мкм. Считается, что для дифракционных оптических элементов нужен рельеф с вертикальными стенками, получаемый анизотропным травлением. Тем не менее наклонные боковые стенки рельефа создают дополнительные возможности формирования изображения [2].
В настоящее время появились конструкции ДОЭ / ГОЭ, содержащие функциональный рельеф на обеих рабочих плоскостях плоскопараллельной пластины [3]. При изготовлении таких деталей целесообразно заменить две операции одностороннего ПХТ на одну операцию двухстороннего ПХТ. Такой вид травления возможен, если обрабатываемую заготовку поместить непосредственно в плазму, образованную высокочастотным разрядом [4]. Соответствующие установки, как заявляют их изготовители, например, компания Diener electronic, обеспечивают возможность ПХТ кварца, хотя и предназначены в основном для таких операций как снятие остатков фоторезиста или удаление тонкопленочных покрытий. К рассматриваемому классу оборудования относится и установка RIE-300 производства фирмы Torr International. Конструктивно она содержит вынесенный за пределы рабочей камеры планарный индуктор в виде плоской спиральной антенны, формирующей высокочастотную диодную систему.
Целью данной работы являлось выявление технологических возможностей ПХТ силикатных стекол при контактировании плазмы с обеими сторонами заготовки и определение путей совершенствования соответствующей технологической операции.
АНАЛИЗ СТАДИЙ ПХТ
Теория ПХТ [4] рассматривает сухое травление как последовательность химических реакций. Основными стадиями 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 таких частиц к поверхности обрабатываемого материала, их взаимодействие с поверхностью обрабатываемого материала, а также отвод продуктов взаимодействия от поверхности обрабатываемого материала.
На эффективность доставки молекул рабочего газа в зону плазмы газового разряда влияет взаимное расположение обрабатываемых поверхностей образца и точки ввода газов в рабочую камеру (см. рисунок). Кроме того, доставке молекул рабочего газа препятствуют зауженные области в рабочей камере, образуемые держателем образца, позиционирующим приспособлением и полкой-носителем.
Переход молекул рабочего газа в газовом разряде в энергетические и химически активные частицы происходит благодаря тому, что спиральная антенна, являющаяся катушкой индуктивности, запускает вдоль оси z в плазму электромагнитную волну, которая затухает по экспоненте. Глубину проникновения электрического поля в плазму обычно характеризуют величиной, обратной коэффициенту затухания этой волны δ. В свою очередь, величина δ определяется мнимой частью комплексной диэлектрической проницаемости плазмы.
Оценочные расчеты, методика которых приводится в специализированной литературе [5], проводили применительно к установке RIE-300. Было принято, что на антенну подается напряжение с частотой f = 13,56 МГц, в качестве химически активного газа используется элегаз SF6, а давление в рабочей камере составляет p = 10–100 Па [4]. По результатам расчетов частота столкновений электронов с нейтральными частицами составила νm = 1010 с–1 в то время как круговая частота напряжения, подаваемого на антенну, ω = 108 с–1. Оказывается, что νm >> ω, то есть мы имеем дело со случаем плазмы высокого давления. Далее, оценив круговую частоту осцилляций плазмы величиной ωpe = 2πfpe = 6 · 1010 Гц, получили ориентировочно глубину проникновения электрического поля в плазму δ = 7 см. Эта величина примерно равна размеру (длине L, указанной на рисунке) рабочей камеры. Условие δ ≈ L соответствует плазме низкой плотности.
В случае плазмы высокого давления и низкой плотности лимитирующим фактором является минимальный ток и, соответственно, минимальная мощность, подаваемая на антенну для возбуждения индуктивно связанной плазмы. Для рассматриваемой установки RIE-300 ограничением, а следовательно, и лимитирующим условием перехода молекул рабочего газа в химически активные частицы, является подаваемая на антенну максимальная мощность Wmax = 300 Вт.
Химически активными частицами служат атомы фтора, которые образуются в условиях плазмы при распаде молекул элегаза SF6 на радикалы SF5, SF4, SF2, молекулы F2 и атомы F [5], причем в плазме молекулы фтора F2 также распадаются на атомы. Механизм доставки образовавшихся атомов фтора к обрабатываемой поверхности и отвод от нее продуктов взаимодействия определяется соотношением между размерами камеры и длиной свободного пробега молекул, которая зависит от давления в вакуумной камере и компонентов газовой смеси. Расчет по рекомендуемым формулам [5] показывает, что для указанного выше диапазона давлений, характерного для установок рассматриваемого типа, длина свободного пробега составляет λ = 0,05–0,5 мм. Эта величина намного меньше размеров камеры, следовательно, доставка химически активных частиц к обрабатываемой поверхности и отвод от нее продуктов взаимодействия происходят по механизму диффузии.
Взаимодействие энергетических и химически активных частиц с поверхностью оптического стекла включает в себя удаление обрабатываемого материала при протекании химической реакции с образованием тетрафторида кремния:
4F(газ) + SiO2(тв) → SiF4(газ) + O2(газ). (1)
Однако оптическое стекло (за исключением плавленого кварца) содержит в своем составе не только диоксид кремния, но и множество других соединений, например, оксиды бора, натрия, калия и т.д. Кроме того, воздействию химически активных частиц подвергается не только собственно стекло, но и материал маски, применяемой для создания требуемого рисунка на обрабатываемой поверхности.
Особенности ПХТ оптического стекла требуют проведения экспериментальных исследований для установления на их основе факторов, ограничивающих производительность процесса и качество обработанной поверхности.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Для проведения экспериментальных исследований применяли установку RIE-300 производства фирмы Torr International (см. рисунок).
Подвергаемые ПХТ образцы размером 10 Ч 10 мм были вырезаны из одного группового образца, изготовленного из заготовки фотошаблона для интегральных микросхем толщиной 2,5 мм с хромовым маскирующим покрытием. Образцы содержали полученный методом электронно-лучевой литографии рисунок – рандомизированный набор оптически прозрачных (хром протравлен до стекла) и непрозрачных (хром не тронут) участков равной площади.
Каждый опыт представлял собой технологическую операцию, состоящую из пяти переходов: первый и пятый переходы – кислородная очистка продолжительностью 5 мин; второй и четвертый переходы – собственно ПХТ продолжительностью tпр; третий переход – кислородная очистка продолжительностью tко.
В качестве выходного параметра рассматривалась производительность процесса, которую оценивали по глубине стравленного обрабатываемого материала (силикатного стекла), определяемой на профилографе-профилометре Form Talysurf PGI 420 со снятием профилограммы поверхности образца до и после опыта. Под производительностью процесса (q, нм/мин) понимали частное от деления глубины (H, нм) стравленного в данном опыте стекла на величину 2tпр, мин.
Рассматривались следующие факторы эксперимента:
• расстояние l от образца до диэлектрического окна, контактирующего со спиральной антенной установки RIE-300;
• продолжительность кислородной очистки tко;
• продолжительность каждого из переходов собственно ПХТ tпр (продолжительности этих двух переходов приняли равными друг другу).
Были приняты следующие диапазоны изменения факторов: l = 12–2 мм; tко = 2–6 мин; tпр = 5–15 мин.
Постоянными величинами, характеризующими условия эксперимента, были мощность излучаемой антенной электромагнитной волны W = 200 Вт, а также расходы газов. При кислородной очистке расход кислорода составлял CO2 = 50 см3/мин, расход аргона – CAr = 50 см3/мин. При переходе ПХТ расход элегаза составлял CSF6 = 100 см3/мин, расход кислорода – CO2 = 40 см3/мин, расход аргона – CAr = 35 см3/мин. В рабочей камере формировались следующие величины давления вакуума: при кислородной очистке pко = 65 Па; при собственно ПХТ pпр = 57 Па.
Был реализован полный факторный эксперимент 23. Кодированные значения факторов определяли по формулам:
, (2)
где l – расстояние от образца до диэлектрического окна, мм; tко – продолжительность кислородной очистки, мин; tпр – продолжительность перехода ПХТ, мин.
Матрица планирования и результаты эксперимента приведены в следующем разделе.
Во второй серии экспериментальных исследований обрабатываемые поверхности образцов располагали на расстоянии 6 мм от окна по центру спирали антенны и оценивали влияние на процесс ПХТ двух факторов:
• расположения подвергаемой травлению поверхности "вверх" или "вниз" по отношению к антенне и травящему газу;
• количества травящего газа, которое фиксировалось на двух уровнях, соответствовавших обильной и уменьшенной в два раза подачи газов.
Операция ПХТ в этой серии состояла из девяти чередующихся переходов – пяти переходов кислородной очистки и четырех переходов собственно травления продолжительностью 10 мин каждый. Переходы кислородной очистки производили с подачей на антенну мощности WКО = 200 Вт, а переходы травления – с подачей мощности WПХТ = 250 Вт. Кислородную очистку производили при следующих скоростях расхода газов: кислорода – qO2 = 50 см3/мин; аргона – qAr = 50 см3/мин. При этом формировалось давление pКО = 62–67 Па.
Переходы собственно травления производили при двух вариантах подачи газов: обильной и уменьшенной. Обильной подаче соответствовали следующие скорости расхода газов: аргона – qAr = 40 см3/мин; кислорода – qO2 = 35 см3/мин; элегаза – qSF6 = 100 см3/мин. При этом формировалось давление pПХТ = 57–60 Па. Уменьшенной подаче соответствовали скорости расхода газов: аргона – qAr = 20 см3/мин; кислорода – qO2 = 17 см3/мин; элегаза – qSF6 = 50 см3/мин. При этом формировалось давление pПХТ = 28–30 Па.
Неизменный состав газовой смеси поддерживался за счет обеспечения следующего соотношения между скоростями расхода газов, образующих травящую смесь: на 100 частей элегаза приходилось 40 частей аргона и 35 частей кислорода.
После ПХТ образцы подвергали ультразвуковой очистке с применением раствора Allstrip компании OHARA Optical Glass. Затем в кипящей серной кислоте удаляли остатки хромовой маски. Результаты профилографических исследований представлены в следующем разделе.
В целях выявления процессов, протекающих при травлении стекла в рассмотренных условиях, проводили оптико-микроскопическое исследование подвергнутых травлению поверхностей образцов с использованием оптического микроскопа Axio Imager Vario Z2 производства фирмы Carl Zeiss. Также выполнялось микрофотографирование образцов после ПХТ, ультразвуковой отмывки и кислотного травления.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Матрица планирования и результаты эксперимента первой стадии исследований приведены в табл.1. Результаты профилографирования образцов во второй серии экспериментальных исследований представлены в табл.2.
На основании результатов экспериментальных исследований, приведенных в табл.1, по стандартным формулам рассчитали коэффициенты регрессии и получили следующее уравнение регрессии:
q = 8,1 – 1,1x1 + 0,575x2 – 0,275x3 – 0,525x1x2 +
+ 0,175x1x3 + 0,6x2x3 – 0,35x1x2x3 . (3)
Данные, приведенные в табл.2, показывают, 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 в два раза. Одновременно в два раза повышается и давление pПХТ в рабочей камере.
Оптико-микроскопические исследования показали, что при глубинах травления h = 2–3 мкм происходит искажение конфигурации некоторых элементов рисунка. Заметно, что это искажение вызвано "подтравливанием" обрабатываемого материала (силикатного стекла) под краями хромовой маски, то есть травление происходит не только в вертикальном направлении перпендикулярно обрабатываемой поверхности, но и параллельно ей, что свидетельствует об изотропном характере процесса.
Данный факт должен быть учтен при разработке ДОЭ / ГОЭ: контуры участков рисунка, образующих "острова", должны быть расширены на величину, соответствующую требуемой глубине травления.
Оптико-микроскопические исследования также показали наличие существенного обратного переосаждения обрабатываемого материала – оптического стекла в виде оптически прозрачных "капель", имеющихся как на хромовой маске, так и на свободных от нее участках стекла. После удаления остатков хромовой маски кислотным травлением эти "капли" остаются только на свободных от нее участках стекла.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Проведем анализ полученных коэффициентов регрессии в уравнении (3).
Численное значение коэффициента b0 = 8,1 оказалось весьма близко к величине q = 8,2 нм/мин, полученной при реализации опыта в центре плана эксперимента, то есть погрешности эксперимента не велики, и все коэффициенты регрессии являются значимыми.
Численное значение коэффициента b1 = –1,1 указывает на то, что скорость съема обрабатываемого материала увеличивается при приближении образца к антенне – источнику плазмы. Это может быть объяснено неравномерностью распределения энергии в плазме [5].
Численные значения коэффициентов b2 = 0,575
и b3 = –0,275 указывают на то, что скорость съема обрабатываемого материала возрастает с увеличением времени, затрачиваемого на кислородную очистку образца между двумя переходами собственно ПХТ, и снижается с увеличением продолжительности перехода ПХТ. Процесс ПХТ включает в себя не только удаление стекла под действием химически активных частиц за счет образования тетрафторида кремния по реакции (1), но и появление на обрабатываемой поверхности стекла пленки (так называемой "высадки") в результате протекания газотранспортных реакций полимеризации типа
2nSF6 → 3[… – SF4 – …]n . (4)
Пленка 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) + 6O2(газ) → 4SO3(газ) + 6F2(газ). (5)
Очевидно, что увеличение продолжительности кислородной очистки обеспечивает более полное удаление пленки полимера, которая препятствует доступу к обрабатываемой поверхности химически активных частиц, а увеличение продолжительности перехода собственно ПХТ приводит к пассивации поверхности.
Коэффициент b23 = 0,6 указывает на то, что к повышению средней производительности ПХТ приводят одновременные увеличение или уменьшение продолжительностей переходов кислородной очистки и ПХТ.
Значения (с учетом знаков) коэффициентов регрессии b12 , b13 и b123 указывают на интенсификацию всех процессов, сопровождающих обработку образца в плазме, образованной как инертными, так и химически активными газами, при увеличении напряженности высокочастотного электромагнитного поля.
Оценивая результаты этой серии экспериментов в целом, следует указать на то, что достигнутая производительность q = 10 нм/мин при ПХТ силикатного стекла на установке RIE 300 относительно низка, и примерно в пять раз меньше производительности, достигаемой на установке Caroline 15 PE [2], что объясняется принципиально различными схемами травления в этом оборудовании. По результатам серии экспериментальных исследований была разработана структура операции ПХТ, состоящая из чередующихся переходов кислородной очистки и собственно ПХТ. Одновременно, на переходах собственно ПХТ подаваемая на антенну мощность была увеличена до 250 Вт. С применением этого режима была реализована вторая серия экспериментов, результаты которой представлены в табл.2.
Предварительная оценка результатов, представленных в табл.2, показывает, что достигнуты скорости ПХТ в диапазоне q = 90–95 нм/мин, превышающие производительность травления на установке Caroline 15 PE [2] в два раза.
Наличие переосаждения обрабатываемого материала в виде обратной конденсации, а также участков, покрытых зеленым или коричневым налетом (соединения CrF3 и CrF4), свидетельствует о затрудненности отвода продуктов взаимодействия от обрабатываемой поверхности, что обусловлено механизмом диффузии, то есть случайного блуждания продуктов взаимодействия вблизи поверхности образца, которая в подобных случаях является катализатором процессов конденсации.
Отрицательная роль налета заключается в том, что он, экранируя обрабатываемую поверхность, препятствует проникновению к ней атомов и ионов фтора, и тем самым замедляет или полностью останавливает процесс травления. Очевидно, что в нашем случае качество обработанной поверхности ограничивает стадия отвода продуктов взаимодействия от поверхности обрабатываемого материала.
Результаты профилографических исследований глубины образовавшегося микрорельефа (табл.2) показывают, что расположение обрабатываемой поверхности "вниз" приводит к повышению производительности на 5–10%. Это объясняется сокращением пути, проходимого химически активными частицами от их источника (см. рисунок) до обрабатываемой поверхности по сравнению с ее расположением "вверх". Поскольку химически активные частицы доставляются 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 повышению 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.
Режим травления следует подбирать таким образом, чтобы достигалось наилучшее качество травленной поверхности при приемлемой скорости травления.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы относительно основных закономерностей и особенностей ПХТ силикатных стекол на установках с вынесенным планарным индуктором:
• Анализ стадии перехода молекул рабочего газа в химически активные частицы показал, что в рассматриваемых условиях формируется плазма высокого давления и низкой плотности. Поэтому лимитирующим фактором является минимальная мощность, которую следует подавать на антенну для возбуждения индуктивно связанной плазмы. Экспериментально установлено, что для кислородной очистки достаточно мощности WКО = 200 Вт, а протекание процесса ПХТ обеспечивается при мощности WПХТ = 250 Вт.
• Повышению производительности ПХТ стекла на установках рассматриваемого типа способствует приближение обрабатываемой заготовки к плоскости спиральной антенны, а также использование многоступенчатых операций, чередующих переходы собственно ПХТ с продолжительными переходами кислородной очистки.
• Показано, что доставка химически активных частиц к поверхности обрабатываемого материала осуществляется по механизму диффузии, причем увеличение расхода газовой смеси приводит к пропорциональному увеличению давления в рабочей камере. При расходах газа q = 80–180 см3/мин давление в рабочей камере составляет p = 25–60 Па.
• Экспериментально установлено, что скорость травления силикатного стекла прямо пропорциональна концентрации химически активных частиц у обрабатываемой поверхности и при высоких концентрациях составляет γ = 90–95 нм/мин. Эта скорость травления вполне достаточна для изготовления деталей дифракционной оптики из оптического стекла, содержащих на обеих сторонах пластины рельеф глубиной 300–1 500 нм.
• В рассмотренных условиях отвод продуктов взаимодействия газовой смеси с кварцевым стеклом и материалом маски затруднен, что приводит к обратному осаждению и формированию матовости на травленной поверхности. Поэтому необходим подбор эмпирическими методами режима ПХТ, обеспечивающего баланс между производительностью процесса (ее приемлемой величиной) и качеством поверхности (добиваясь его максимума).
REFERENCES
1. Diffraction computer optics / Ed. by Soifer V.A. Moscow: Fizmatlit, 2007. 736 pp. (In Russian).
2. Odinokov S.B., Sagatelyan G.R., Kovalyov M.S. Calculation, design and manufacturing of diffraction and hologram optical elements: a tutorial. Moscow: BMSTU, 2014. 121 p. (In Russian).
3. Odinokov S.B., Sagatelyan G.R., Kovalyov M.S. etc. Combined diffraction optical element for the channel of the geometric standard of the angle meter. Patent for utility model RU 161 625 U1 // Bul. No. 12 of 04/17/2016. (In Russian).
4. Galperin V.A., Danilkin E.V., Mochalov A.I. Processes of plasma etching in micro- and nanotechnologies [Electronic resource]: a tutorial / Ed. by Timoshenkova S.P.. 3rd ed. Moscow: BINOM. Laboratory of Knowledge, 2013. 283 p. Access mode: http://znanium.com/bookread2.php?book=539829&spec=1. (Access date: 04.11.2017). (In Russian).
5. Lieberman M.A., Lichtenberg A.J. Principles of plasma discharges and materials processing. Hoboken, New Jersey, John Wiley & Sons, Inc. 2005. 757 p.
Отзывы читателей
