Скоростное травление кварца и плазмохимический реактор для его реализации

     Кварц, как плавленный, так и монокристаллический, обладающий выраженным пьезоеффектом очень важный материал для создания изделий микромеханики и электроники. Важным качеством этого материала является сочетание высокой термостабильности с низким коэффициентом термического расширения Плазмохимическое травление кварца, с присушим этому методу высоким разрешением, отсутствием анизотропии скоростей травления по кристаллическим осям — перспективный процесс для создания приборов MEMS нового поколения, кварцевых резонаторов оригинальной конструкции полупроницаемых мембран и т.д.

    Скоростное травление кварца и плазмохимический реактор для его реализации

     

    Е.В.Берлин. В.Ю.Григорьев, С.С. Мушинский*, Д.И. Сидоров**

    ООО «Лаборатория вакуумных технологий», *Пермский государственный национальный исследовательский университет, **Пермский национальный исследовательский политехнический университет

    Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

    Достигнуты скорости полирующего травления кварца до 6 мкм/мин. Новая конструкция плазмохимического реактора позволила реализовать такой процесс в смеси SF6 с кислородом при давлении 0,5 Па. Однородность травления на диаметре 200 мм ±2%.

    Специальная конструкция реактора с использованием магнитной изоляции стенок в сочетании с осевым магнитным полем позволила получить плотности ионного тока в процессе до 20 мА/см2  при низком автосмещении. Конструкция реактора была опробована на установке Ника-2010, после чего была создана шлюзовая плазмохимическая установка оригинальной конструкции Ника-2011. Была использована новая система измерения распределения плотности ионного тока, позволяющая в режиме реального времени проверить равномерность обработки пластины и «настроить» параметры реактора под этот процесс.

    High rate silica etching process and plasmachemical reactor for its implementation. E.V. Berlin, V.U. Grigoriev, S.S. Mushinsky, D.I. Sidorov. A polishing etching rate of silica as high as 6 μm/min has been achieved. A plasmachemical reactor of a novel design allowed to implement such a process in  SF6+O2 mixture at a pressure of 0.5 Pa. An etching uniformity at 200 mm diameter was not worse than ±2%. The reactor's design that combined multipole magnetic wall isolation with axial magnetic field allowed to achieve ion current density as high as 20 mA/cm2 at low bias voltage. The design was tested in Nika-2010 machine and a specialized plasmachemical unit called Nika-2011 had been developed. The ion current density distribution had been measured and adjusted.

    Кварц, как плавленный, так и монокристаллический, обладающий выраженным пьезоеффектом очень важный материал для создания изделий микромеханики и электроники. Важным качеством этого материала является сочетание высокой термостабильности с низким коэффициентом термического расширения

    Плазмохимическое травление кварца, с присушим этому методу высоким разрешением, отсутствием анизотропии скоростей травления по кристаллическим осям — перспективный процесс для создания приборов MEMS нового поколения, кварцевых резонаторов оригинальной конструкции полупроницаемых мембран и т.д. Развитие этих конструкций сдерживала низкая производительность процесса плазмохимического травления кварца, согласно известным публикациям и паспортным характеристикам установок ведущих мировых производителей, от 0.5 до 1 мкм/мин [1, 2].

    При необходимости протравливать рельеф глубиной до 500 мкм и более, такая скорость травления существенно влияет на производительность установок и делает многие конструкции приборов из кварца не реализуемыми.

    Создание реакторов высокоплотной плазмы с независимым регулированием плотности плазмы и энергии ионов в широком диапазоне давлений позволило достичь вышеуказанных скоростей травления. При этом мощность ВЧ-генераторов, генерирующих плазму, постоянно росла, что в конце концов привело к «клинчевому» состоянию развития — дальнейший рост ВЧ-мощности сопровождался ростом  электромагнитных потерь и ростом диодной составляющей индукционного разряда.

    Это в свою очередь влияет на технологические параметры процесса, приводя к насыщению зависимости скорости травления от мощности, вкладываемой в разряд.

    Появились работы, где подводилась теоретическая база под принципиальную невозможность плазмохимического травления кварца со скоростями порядка 1 мкм/мин и более.[4, 5]

    Перспективным направлением нам представилось движение в сторону повышения КПД индукционного разряда за счет увеличения коэффициента связи индуктора (антенны) с плазмой и снижение потерь заряженных частиц в реакторе с помощью комбинированной магнитной изоляции стенок реактора.

    Для реализации увеличения коэффициента связи был разработан Радиочастотный плазменный генератор (далее РПГ-250) представляющий из себя водоохлаждаемую плоскую спираль, размещенную в металлическом корпусе [3] (рис. 1).

    Рис.1 Внешний вид РПГ 250

    Подвод ВЧ-мощности производится по коаксиальному вводу. Особенностью конструкции устройства стал минимальный зазор между витками спирали и возбуждаемой плазмой.

    Для снижения потерь заряженных частиц на стенки реактора применялась комбинированная магнитная изоляция из постоянных магнитов и электромагнитных катушек. Система из постоянных магнитов создавала короткозамкнутые магнитные поля вдоль цилиндрической стенки реактора, а электромагнитные катушки — однородное осевое магнитное поле. Комбинация этих полей позволила повысить эффективность системы до соотношения 80 эВ на ион, и существенно снизить побочные эффекты от использования высокочастотных генераторов большой мощности.

    Для проверки концепции такого реактора совместно с РПГ-250 была создана лабораторная плазмохимическая установка, схема которой и внешний вид приведены на рис. 2.

    Рис.2. Лабораторная плазмохимическая установка

    За сорок минут удалось протравить пьезокварц на глубину 160 мкм через алюминиевую маску толщиной 2.5 мкм. Травление полирующее. Водоохлаждаемый ВЧ стол , на котором лежали образцы имел диаметр 200 мм. мощность ВЧ на стол составляла 500 Ватт, мощность в антенне — 800 Ватт, давление смеси 0.5 Па, соотношение расходов элегаз — кислород 6:1.

    Для совмещения в одной технологической установке процессов плазмостимулированного осаждения SiO2 и последующего травления осаждённого слоя через металлическую маску была разработана универсальная плазмохимическая установка Ника-2010 на базе УВН-71 (рис. 3).

    На этой установке было удобно также промакетировать геометрию специализированного плазмохимического реактора для скоростного травления кварца, поскольку не было необходимости выполнять камеру реактора герметично. Основные соотношения размеров реактора и величин магнитных полей были получены и проверены плазмохимическим травлением кварца в смеси SF6 с кислородом. На этой установке были получены скорости травления кварца до 5 мкм/мин, но отсутствие шлюзовой загрузки подложек и надлежащих откачных средств не позволяют производить такие процессы в серийном режиме.

    Рис. 3. Плазмохимическая установка Ника-2010: общий вид (слева) и схема внутрикамерной оснастки (справа). 1 — колпак камеры; 2 — плита; 3 — радиочастотный плазменный генератор РПГ-250; 4 — стол высокочастотный; 5 — охлаждаемый экран; 6 — система магнитной изоляции; 7 — магнитные катушки; 8 — дроссельная заслонка.

    Когда основные зависимости геометрии реактора стали ясны, пришло время создать специализированный плазмохимический реактор для решения задачи скоростного травления кварца. Была спроектирована и изготовлена шлюзовая плазмохимическая установка Ника-2011 для травления изделий диаметром до 200 мм. Внешний вид представлен на Рис 4.

    Рис. 4. Внешний вид плазмохимической установки с реактором высокоплотной плазмы Ника-2011

    Для проверки  однородности ионного тока в плоскости стола травления был разработан специальный электрод — измеритель распределения плотности ионного тока, имеющий 11 калиброванных зондов, распределенных по диаметру диска с равномерным шагом, на которые подавалось напряжение, заведомо выше напряжения насыщения по зондовой характеристике (-80 В). Внешний вид представлен на Рис. 5.

    Рис.5 Внешний вид стола с системой электродов для измерения равномерности плотности ионного тока в режиме реального времени

    Измерения производились в режиме реального времени, с графическим выводом на дисплей установки, с одновременной фиксацией всех параметров процесса. Одна из этих картинок приведена на Рис. 6.

    Рис. 6 Картина распределения плотности ионного тока по диаметру стола. Цветная полоса соответствует разбросу плотности ионного тока ± 5%

    Очевидно, что достигнутая равномерность травления может считаться достаточной для большинства возможных применений этого реактора.

    По завершении отладки реактора была проведена серия экспериментов по травлению кварца марки С1-5. Соотношение газов аналогичное предыдущему. Давление и мощности те же.

    Достигнутая скорость травления составила 6 мкм/мин (180 мкм за 30 минут).

    Таким образом можно констатировать, что создан плазмохимический реактор со скоростями травления, пригодными для применения в технологиях, где требуется глубокое анизотропное травление кварца с высокими скоростями.

    Литература

    1. Дудин С.В. Исследования и разработка технологических систем на базе ВЧ индукционного разряда для реактивного ионно-плазменного травления микро- и наноструктур. – Физическая инженерия поверхности. – Т.7, №3, 2009. – С. 171 – 194.
    2. Берлин Е., Двинин С., Морозовский Н., Сейдман Л. Реактивное ионно-плазменное травление и осаждение: установка Каролина 15. – Электроника: Наука, Технология, Бизнес. - № 8, 2005. – С. 78 -80.
    3. Патент РФ №119936 на полезную модель от 24 апреля 2012 г.
    4. Киреев В.Ю., Данилин Б.С., Кузнецов В.И. Плазмохимическое и ионно-химическое травление микроструктур // М., Радио и связь, 1983. 126 с.
    5. Волков А.В., Казанский Н.Л., Колпаков В.А. Расчет скорости плазмохимического травления кварца. – Компьютерная оптика. – Вып. 21, 2001. – С. 121 – 125.