2
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ........................................................5
ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ФОРМИРОВАНИЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ ГАЗОРАЗРЯДНЫМ ПРИБОРОМ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ТИПА............................................14
1.1. Анализ приборов, формирующих низкотемпературную плазму газового разряда высоковольтного типа...............................14
1.2. Исследование особенностей низкотемпературной плазмы газового
разряда высоковольтного типа..................................19
Выводы........................................................28
ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТРАВЛЕНИЯ ДИФРАКЦИОННОГО МИКРОРЕЛЬЕФА В ПЛАЗМЕ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ТИПА............................................. 29
2.1. Анализ частиц плазмы, взаимодействующих с поверхностью обрабатываемого материала...........................................30
2.2. Исследование механизмов плазмохимического и ионно-химического травления поверхности.........................................35
2.3. Модель травления. Основные выражения.....................40
2.4. Алгоритм и программное обеспечение для расчета скорости травления...........................................................46
Выводы........................................................55
3
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ПРОЦЕССА АНИЗОТРОПНОГО ТРАВЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДИОКСИДА КРЕМНИЯ В ПЛАЗМЕ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ТИПА.................................................56
3.1. Методика подготовки образцов для проведения эксперимента по травлению дифракционного микрорельефа в плазме газового разряда высоковольтного типа.................................................57
3.2. Исследование и оценка достоверности результатов эксперимента и моделирования..................................................61
3.3. Экспериментальные исследования зависимости скорости травления от процентного содержания кислорода и других физических параметров плазмы.........................................................67
3.4. Анализ качества травления.................................77
Выводы.........................................................84
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА ФОРМИРОВАНИЯ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ МАСКИ МИКРОРЕЛЬЕФА ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ ОБЛУЧЕНИИ СТРУКТУРЫ АЛЮМИНИЙ-КРЕМНИЙ ЧАСТИЦАМИ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ТИПА...........................................................86
4.1. Исследование эффекта увлечения атомов кремния «вакансиями», возникающими в расплаве алюминия при облучении его поверхности частицами газового разряда высоковольтного типа.....................87
4.2. Аналитическое описание процесса растворения кремния в расплаве алюминия.......................................................94
4.2.1. Консервативная разностная схема для уравнений диффузии 99
4.2.2. Результаты разностного решения смешанной задачи............................................................100
4
4.2.3. Анализ полученных численных
тов.................................................
результа-
102
4.3. Анализ экспериментальных данных............................104
4.4. Методики формирования дифракционного микрорельефа..........107
4.4.1. Методика формирования дифракционного микрорельефа методом млазмохимического травления в плазме ГРВТ.......................107
4.4.2. Методика формирования дифракционного микрорельефа методом ионно-химического травления в плазме ГРВТ.......................109
4.4.3. Методика формирования дифракционного микрорельефа на основе
применения каталитической маски, формируемой в плазме ГРВТ 110
Выводы.........................................................111
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................112
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
114
*
5
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы. Формирование дифракционного микрорельефа [1] осуществляется методами фотолитографии [2], на основе применения бихромированного желатина [3] и жидких фотополимеризую-щихся композиций [4], послойного наращивания фоторезиста [5], прямой абляции лазерным излучением [6], прямой лазерной записи с применением круговой записывающей лазерной системы [7], вакуумно-плазменного травления в высокочастотной (ВЧ) и сверхвысокочастотной (СВЧ) плазме [8,9]. Развитие дифракционной оптики требует резкого повышения качества и точности параметров микрорельефа дифракционных оптических элементов (ДОЭ) [10], в частности снижения отклонения от вертикали стенок профиля микрорельефа [1], формирования с высокой равномерностью прецизионного дифракционного микрорельефа на широкоапертурных пластинах. Возникают задачи увеличения аспектного отношения канавок формируемого дифракционного микрорельефа [10,11,12].
Выполнение поставленных требований возможно при использовании в процессе изготовления микрорельефа оптических элементов методов сухого травления. Технологическим инструментом в этом случае является низкотемпературная плазма, представляющая собой широкоформатный плазменный поток с равномерным и однородным распределением частиц по его сечению. Движение частиц в потоке такой плазмы должно осуществляться в направлении нормали к поверхности обработки, то есть иметь анизотропный характер. В настоящее время методы сухого травления широко применяются для решения различного рода задач как совре-
менной оптики [1-22], так и микроэлектроники [23,24]. В качестве активного компонента в этих методах используется низкотемпературная плазма, формируемая тлеющим, ВЧ, СВЧ и магнетронным разрядами [24,25].
Генерация широкоформатных потоков плазмы тлеющим разрядом осуществляется источниками с полым катодом и анодом [26-31]. Однако в этом случае возникает проблема обеспечения подавления неустойчивости в разряде, приводящей к нарушению его однородности. В работах [26,27] эта задача решается путем использования в качестве плазменного катода системы разрядов с микрополыми катодами, что позволяет создавать устойчивые тлеющие разряды больших объема и площади. Однородность плазмы достигается применением систем с магнитным полем или комбинированным магнитным и электростатическим удержанием быстрых электронов в широкоапертурном полом катоде и генерацией эмитирующей ионы плазмы в анодной полости [28,29].
Создание однородного широкоформатного потока плазмы в источниках ВЧ, СВЧ и магнетронного разрядов представляет собой также сложную задачу [32-35]. Так, например, с уменьшением давления газа в рабочей камере увеличивается влияние неоднородности магнитного поля соленоида, создающего условия электронного циклотронного резонанса (ЭЦР) СВЧ газового разряда [36] на параметры формируемой плазмы, что приводит в свою очередь к неоднородности обработки пластин большого диаметра. Авторы работ [37-40] предлагают повысить однородность плазмы путем изменения геометрии и конструктивных параметров источников ВЧ и СВЧ разрядов. Ими отмечено, что радиальная локализация
участка с максимальной плотностью плазмы имеет
тенденцию смещения от центра с уменьшением высоты плазменной камеры и повышением давления, т.е. область вакуумной камеры, в которой возбуждается разряд, влияет на однородность образующей плазмы. Минимизация влияния на однородность плазмы перечисленных факторов осуществляется путем расширения плазменной камеры, применения направляющих камер специальной геометрической формы [35], одновременного использования для возбуждения ВЧ поля двух катушек - планарной и вертикальной [34], применения специально разработанных кольцевых антенн и конструкций магнитных систем [32,33]. Улучшение однородности плазмы при этом связано с увеличением конструктивной сложности, энергоемкости источников плазмы данного типа и не устраняет для всех рассмотренных разрядов, формирующих плазму, общих для них недостатков:
- явление уменьшения скорости травления с увеличением относительных размеров поверхности [41,42];
- влияние материала, геометрии и свойств поверхности подложки на параметры газовых разрядов [43,44];
- загрязнение поверхности обработки малоактивными или неактивными частицами плазмы [45,46,47], изменяющее характеристики ее травления;
- проявление эффекта полимеризации при травлении во фторуглеродных газах [48,49];
- зависимость параметров заряженных частиц от режимов работы газоразрядного устройства.
Приведенные недостатки усложняют технологический
процесс травления материалов, делают трудоемким процесс определения значений параметров оптимальных режимов, затрудняют получение широкоформатных потоков плазмы, обеспечивающих равномерное травление по всей поверхности подложки независимо от ее размеров, и в итоге повышают себестоимость конечного продута. В связи с этим возникает потребность в газоразрядных приборах, формирующих потоки плазмы. При взаимодействии потоков плазмы с поверхностью обрабатываемого материала в область травления должны поступать только отрицательно заряженные частицы фторуглеродных газов, улучшающих анизотропию травления подложки и исключающих процесс аккумулирования на ней продуктов разряда [50]. Плазма (потоки плазмы) также должна быть направленной и генерируемой за пределами электродов газоразрядного устройства. Заряженные и химически активные частицы в ней не должны взаимодействовать с боковыми стенками рабочей камеры (локализация плазмы), параметры заряженных частиц зависеть от режимов работы газоразрядного устройства и должны иметь равномерное распределение по сечению плазменного потока. Такими свойствами, как следует из ряда публикаций [51,52,53,54“], обладает плазма газового разряда высоковольтного типа (ГРВТ), которая, как следует из [52,54*,55,56,57,58*,59*,60*], успешно используется для пайки элементов полупроводниковых приборов, сварки, в лазерной технике, для очистки поверхности материалов. Однако в современной литературе отсутствуют описание результатов теоретических и
4 - здесь и далее звездочкой отмечены ссылки на работы автора
практических исследований механизмов и особенностей
процесса формирования оптического микрорельефа на диоксиде кремния в плазме ГРВТ и, как следствие, методы, решающие такую задачу.
Нель и задачи работы. Целью настоящей работы является создание методов формирования оптического микрорельефа на диоксиде кремния в низкотемпературной плазме газового разряда высоковольтного типа.
В соответствии с поставленной целью определены и основные задачи диссертации, а именно:
1.Разработка методов оценивания скорости плазмохимического и ионно-химического травления диоксида кремния в плазме газового разряда высоковольтного типа, связывающих величину скорости травления с физическими параметрами газоразрядного прибора;
2. Разработка алгоритмических и программных средств моделирования процесса травления материала в плазме газового разряда высоковольтного типа и создание на этой основе методов травления дифракционного микрорельефа в такой плазме;
3. Экспериментальное исследование зависимости скорости травления в плазме ГРВТ актуальных для дифракционной оптики материалов (диоксида кремния и кремния) от физических факторов;
4. Разработка и экспериментальное исследование метода формирования дифракционного микрорельефа с применением каталитической маски на поверхности подложки путем облучения ее частицами ГРВТ;
5. Создание высокоэффективных методов формирования оптического микрорельефа на диоксиде кремния с периодами зон 12 мкм и более в
плазме газового разряда высоковольтного типа.
Научная новизна. При выполнении настоящей диссертационной работы впервые:
1. Разработаны методы получения оптического микрорельефа на диоксиде кремния широкоформатным (до 78 мм) потоком плазмы газового разряда высоковольтного типа;
2. Предложены методы оценивания скорости плазмохимического и ионно-химического травления диоксида кремния в плазме газового разряда высоковольтного типа;
3. Экспериментально и теоретически исследованы зависимости скорости травления диоксида кремния от физических параметров плазмы;
4. Разработаны методы плазмохимического и ионно-химического травления диоксида кремния в плазме газового разряда высоковольтного типа, позволяющие формировать оптический микрорельеф с периодами зон более 12 мкм;
5. Разработан и экспериментально исследован метод формирования дифракционного микрорельефа в плазме с применением каталитической маски на поверхности подложки путем облучения ее частицами ГРВТ, с периодами зон, удовлетворяющих условию И«Ь, где И - толщина каталитической маски, Ь - ширина штриха маски;
6. Обнаружен эффект экстракции химически неактивных частиц плазмы из области травления материала подложки.
Практическая ценность результатов работы определяется следующим:
- определены величины скорости травления диоксида кремния в плазме газового разряда высоковольтного типа для соответствующих зна-
- Київ+380960830922