Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора
физико-математических наук: 05.27.01. – Твердотельная электроника,
радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на
квантовых эффектах. — Ярославский филиал Учреждения Российской
академии наук Физико-технологического института РАН. — Москва,
2010. — 43 с.
Целью работы являлось разработка физических основ
плазменного микро- и наноструктурирования поверхности на основе
исследований механизмов формирования высокоаспектных
микро-наноструктур в многостадийных травление/осаждение процессах в
неравновесной химически активной плазме.
Научная новизна и достоверность полученных результатов
В диссертационной работе впервые получены следующие новые результаты:
Исследованы параметры химически активной плазмы Ar, O2 ВЧ индукционного разряда низкого давления в неоднородном магнитном поле с использованием зондового метода и метода измерения и контроля потока ионов падающих на поверхность на основе измерений постоянного потенциала смещения и ВЧ мощности, подаваемой на подложку с позиции использования данного типа реактора в микро- и нанотехнологии. Показано, что при определенной конфигурации и напряженности магнитного поля достигается высокая плотность и однородность ионного потока на подложку.
Предложен метод управления ионным и радикальным составом фторуглеродной плазмы путем изменения коэффициентов рождения и гибели радикалов на терморегулируемых стенках внутреннего экрана реактора. Показано, что в реакторе с горячими стенками повышается селективность травления SiO2/Si более чем в два раза.
Методом лазерной термометрии определены коэффициенты передачи энергии ионов поверхности Si, SiO2, Si3N4 в плазме инертных и химически активных газов. На основании данных коэффициента передачи энергии ионов (Еi<100 эВ) атомам поверхности был сделан вывод, что влияние отраженных частиц на формирование профиля травления структур незначительно.
На основе метода ячеек и метода Монте-Карло представления потока ионов и радикалов плазмы плазме, моделей ионно-стимулированного, радикального травления и осаждения фторуглеродной полимерной пленки разработан новый подход к моделирования формирования ВА МН структур в плазменных процессах микро-и наноструктурирования поверхности.
Исследованы ионно-инициированые процессы травления полимерных пленок на основе новолака, ПММА, полиимида, плазмополимеризованных пленок в кислородсодержащей плазме низкого давления. Разработан «сухой» метод формирования субмикронных структур в полимерной пленке с использованием концепции трехслойного резиста. Представлен критерий реализации
анизотропного травления полимерной пленки в кислородсодержащей плазме;
Исследованы процессы травления SiO2, Si во фторуглеродной плазме CHF3, CHF3/H2, С4F8, C4F8/Ar, C4F8/SF6, на основе которых разработаны критерии реализации селективного и анизотропного травления высокоаспектных Si, SiO2 МН структур во фторуглеродной плазме. Представлены механизмы и проведено моделированию процессов ионно-стимулированного травления и осаждения фторуглеродной пленки;
Разработан комбинированный осаждение/травление метод формирования НМ канавок с размерами меньше, чем их размеры в маске. Показана принципиальная возможность реализации формирования наноструктур в слое SiO2 c использованием такого метода;
Разработаны методы формирования Si микроструктур со сверхвысоким аспектным отношением (A>50) в двухстадийных, циклических процессах травление/пассивация в плазме C4F8/SF6. Выявлены основные эффекты формирования и проведено моделирование формирования таких структур;
Достоверность экспериментальных результатов исследования обеспечивается использованием независимых диагностических методик. Они подтверждаются сравнением полученных данных с результатами других экспериментальных исследований проводимых в России и за рубежом, а также численными оценками. Это свидетельствует, что полученные результаты является обоснованными и достоверными.
Научно-практическая ценность результатов работы заключается в что в ней представлены новый подход к формированию высокоаспектных микро- и наноструктур на поверхности материалов в том числе с использованием многостадийных процессов плазменного травления/осаждения. С его помощью можно формировать МН структуры с размерами элементов меньшими, чем размеры маски. Метод может быть использованы при формировании НМ структур не только на поверхности Si и SiO2, но также и на других материалах.
Во-вторых, показана принципиальная возможность управления ионным и радикальным составом фторуглеродной плазмы в реакторе, варьируя скорость рождения и гибели радикалов путем изменения температуры стенки внутреннего экрана в реакторе, нагреваемого плазмой. В реакторе с горячими стенками увеличилась селективность травления SiO2 по отношению к Si, фоторезисту и не происходит осаждения фторуглеродной пленки на стенках реактора.
Разработанные методы формирования высокоаспектных МН структур на поверхности Si, SiO2, полимерных пленок в высокоплотной плазме могут быть использованы при разработке плазменных процессов травления в технологии микро-и наноэлектроники и микро- и наносистемной техники.
Научная новизна и достоверность полученных результатов
В диссертационной работе впервые получены следующие новые результаты:
Исследованы параметры химически активной плазмы Ar, O2 ВЧ индукционного разряда низкого давления в неоднородном магнитном поле с использованием зондового метода и метода измерения и контроля потока ионов падающих на поверхность на основе измерений постоянного потенциала смещения и ВЧ мощности, подаваемой на подложку с позиции использования данного типа реактора в микро- и нанотехнологии. Показано, что при определенной конфигурации и напряженности магнитного поля достигается высокая плотность и однородность ионного потока на подложку.
Предложен метод управления ионным и радикальным составом фторуглеродной плазмы путем изменения коэффициентов рождения и гибели радикалов на терморегулируемых стенках внутреннего экрана реактора. Показано, что в реакторе с горячими стенками повышается селективность травления SiO2/Si более чем в два раза.
Методом лазерной термометрии определены коэффициенты передачи энергии ионов поверхности Si, SiO2, Si3N4 в плазме инертных и химически активных газов. На основании данных коэффициента передачи энергии ионов (Еi<100 эВ) атомам поверхности был сделан вывод, что влияние отраженных частиц на формирование профиля травления структур незначительно.
На основе метода ячеек и метода Монте-Карло представления потока ионов и радикалов плазмы плазме, моделей ионно-стимулированного, радикального травления и осаждения фторуглеродной полимерной пленки разработан новый подход к моделирования формирования ВА МН структур в плазменных процессах микро-и наноструктурирования поверхности.
Исследованы ионно-инициированые процессы травления полимерных пленок на основе новолака, ПММА, полиимида, плазмополимеризованных пленок в кислородсодержащей плазме низкого давления. Разработан «сухой» метод формирования субмикронных структур в полимерной пленке с использованием концепции трехслойного резиста. Представлен критерий реализации
анизотропного травления полимерной пленки в кислородсодержащей плазме;
Исследованы процессы травления SiO2, Si во фторуглеродной плазме CHF3, CHF3/H2, С4F8, C4F8/Ar, C4F8/SF6, на основе которых разработаны критерии реализации селективного и анизотропного травления высокоаспектных Si, SiO2 МН структур во фторуглеродной плазме. Представлены механизмы и проведено моделированию процессов ионно-стимулированного травления и осаждения фторуглеродной пленки;
Разработан комбинированный осаждение/травление метод формирования НМ канавок с размерами меньше, чем их размеры в маске. Показана принципиальная возможность реализации формирования наноструктур в слое SiO2 c использованием такого метода;
Разработаны методы формирования Si микроструктур со сверхвысоким аспектным отношением (A>50) в двухстадийных, циклических процессах травление/пассивация в плазме C4F8/SF6. Выявлены основные эффекты формирования и проведено моделирование формирования таких структур;
Достоверность экспериментальных результатов исследования обеспечивается использованием независимых диагностических методик. Они подтверждаются сравнением полученных данных с результатами других экспериментальных исследований проводимых в России и за рубежом, а также численными оценками. Это свидетельствует, что полученные результаты является обоснованными и достоверными.
Научно-практическая ценность результатов работы заключается в что в ней представлены новый подход к формированию высокоаспектных микро- и наноструктур на поверхности материалов в том числе с использованием многостадийных процессов плазменного травления/осаждения. С его помощью можно формировать МН структуры с размерами элементов меньшими, чем размеры маски. Метод может быть использованы при формировании НМ структур не только на поверхности Si и SiO2, но также и на других материалах.
Во-вторых, показана принципиальная возможность управления ионным и радикальным составом фторуглеродной плазмы в реакторе, варьируя скорость рождения и гибели радикалов путем изменения температуры стенки внутреннего экрана в реакторе, нагреваемого плазмой. В реакторе с горячими стенками увеличилась селективность травления SiO2 по отношению к Si, фоторезисту и не происходит осаждения фторуглеродной пленки на стенках реактора.
Разработанные методы формирования высокоаспектных МН структур на поверхности Si, SiO2, полимерных пленок в высокоплотной плазме могут быть использованы при разработке плазменных процессов травления в технологии микро-и наноэлектроники и микро- и наносистемной техники.