Ионно-плазменная обработка металлов

№ 1359

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Кафедра технологии материалов электроники

Г.Д. Кузнецов
А.Р. Кушхов

Ионноплазменная
обработка материалов

Курс лекций

Рекомендовано редакционноиздательским
советом университета

Москва   Издательский Дом МИСиС
2008

УДК 621.315.592 
 
К89 

Р е ц е н з е н т  
д-р физ.мат. наук, проф. В.В. Гераськин 

Кузнецов Г.Д., Кушхов А.Р. 
К89  
Ионно-плазменная обработка материалов: Курс лекций. – 
М.: Изд. Дом МИСиС, 2008. – 180 с. 

В курсе лекций рассматриваются основные ионно-плазменные процессы 
в технологии микро- и наноэлектроники. Приводится классификация процессов травления и осаждения тонких пленок материалов электронной техники 
и гетероструктур на их основе. Рассматриваются особенности селективного и 
анизотропного травления наноразмерных слоистых материалов при различных способах вакуум-плазменных процессов. Обсуждаются проблемы получения химически чистой поверхности подложек, а также возможные случаи 
повреждения и изменения шероховатости приповерхностного слоя. Анализируются возможности ионного синтеза и кристаллизации пленок при различных условиях ионного воздействия на поверхность обрабатываемого материала. Приводятся примеры использования ионно-плазменных процессов для 
создания элементов микро- и наноэлектроники. 
Курс лекций подготовлен по рекомендации горно-металлургической секции РАЕН. 
Содержание соответствует государственному образовательному стандарту по направлению «Электроника и микроэлектроника». 
Предназначено для студентов (бакалавров и магистров), обучающихся по 
направлениям 210100 «Электроника и микроэлектроника», 210600 «Нанотехнология». 

© Государственный технологический  
университет «Московский институт 
стали и сплавов» (МИСиС), 2008 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Тема 1. Вакуум-плазменные процессы травления материалов....................... 4 
1.1. Основы и классификация процессов ионно-плазменной технологии ..... 4 
1.2. Выбор рабочей среды для вакуум-плазменных процессов..................... 11 
1.3. Особенности плазмохимического и ионно-химического травления 
материалов........................................................................................................... 18 
1.4. Селективность процессов плазмо- и ионно-химического травления .... 30 
1.5. Анизотропия процессов ПХТ и ИХТ ........................................................ 39 
1.6. Ионно-плазменная очистка поверхности материалов ............................. 48 
1.7. Ионно-лучевое травление........................................................................... 53 
1.8. Плазменное травление ................................................................................ 63 
1.9. Реактивное ионно-плазменное травление................................................. 71 
1.10. Радиационно-стимулируемое травление (РСТ)...................................... 81 
1.11. Фотонно-стимулированное травление .................................................... 84 
1.12. Электронно-стимулированное травление ............................................... 87 
1.13. Высокочастотное травление материалов ................................................ 90 
1.14. Повреждения поверхности материалов при ПХТ и ИХТ...................... 93 
1.15. Особенности переноса изображения с маски на рабочий материал  
при ионном травлении ....................................................................................... 96 
Тема 2. Вакуум-плазменное нанесение тонких пленок ................................. 120 
2.1. Характеристика и этапы процесса ионно-плазменного нанесения  
слоев................................................................................................................... 120 
2.2. Реактивное ионно-лучевое нанесение материалов ................................ 125 
2.3. Энергетические особенности ионно-стимулируемого нанесения  
пленок ................................................................................................................ 128 
2.4. Структурообразование в пленках при ионно-плазменном нанесении 
пленок ................................................................................................................ 134 
Тема 3. Ионный синтез и ионная кристаллизация........................................ 139 
3.1. Радиационно-стимулированная диффузия ............................................. 139 
3.2. Ионно-активируемый синтез тонких пленок.......................................... 144 
3.3. Особенности имплантации ионов для синтеза соединений.................. 150 
3.4. Характеристика ионно-плазменных методов синтеза соединений...... 155 
3.5. Влияние параметров ионно-лучевого синтеза на формирование  
скрытых слоев CoSi2 в кремнии...................................................................... 160 
Тема 4. Возможности ионно-плазменных процессов для создания 
элементов микро- и наноэлектроники ........................................................... 171 
4.1. Получение слоисто-однородных структур ............................................. 171 
4.2. Получение гетероструктур с внутренней топологией  
(танталовая технология)................................................................................... 174 
Заключение........................................................................................................ 179 
Библиографический список............................................................................. 179 

Тема 1. ВАКУУМ-ПЛАЗМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ 
ТРАВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ 

1.1. Основы и классификация процессов 
ионно-плазменной технологии 

Ионно-плазменная обработка основана на взаимодействии ионов и 
других энергетических частиц, полученных в низкотемпературной 
плазме, с поверхностью твердого тела. Результатом взаимодействия потока частиц в разряженной среде с поверхностью является осажденная 
пленка из части удаленного вещества или преобразованная поверхность. Это дает возможность применять процессы ионно-плазменной 
обработки для нанесения на подложку пленок разнообразных материалов, очистки, полировки поверхности, травления и формирования прецизионных топологических рисунков в производстве полупроводниковых приборов и микросхем, резисторов, конденсаторов, фотошаблонов, 
пьезокварцевых приборов и т.п. Сфера применения ионно-плазменной 
обработки распространяется и на другие области техники, например 
оптику и машиностроение, где она используется для получения полированных поверхностей, упрочнения инструмента, защиты поверхностей 
износо- и коррозионно-стойкими покрытиями и т.п. 
Процессы ионно-плазменной обработки в вакууме обеспечивают 
качественно высокий уровень решения многих технологических задач при производстве изделий электронной техники: травления и нанесения материалов, создания материалов с разнообразными электрофизическими характеристиками. 
Основой, объединяющей рассматриваемые ионно-плазменные 
процессы, является использование низкотемпературной газовой 
плазмы низкого давления в качестве источника активных частиц 
для обработки материалов. Такая плазма представляет собой слабо 
ионизированный газ, состоящий из смеси стабильных и возбужденных атомов и молекул, продуктов диссоциации молекул радикалов, а также электронов, положительно и отрицательно заряженных ионов. 
Степень ионизации газа, определяемая как отношение плотности 
заряженных к суммарной плотности нейтральных и заряженных частиц колеблется в широких пределах (от 10–7 до 10–1) и зависит от способа и устройств для создания плазмы и условий ее поддержания. 
Плазма – электрически квазинейтральная система, в которой отрица

тельно заряженными частицами являются в основном электроны, 
положительно заряженными – ионы газа. Электроны обладают высокой средней энергией Ее = 2·10–19...2·10–18 Дж (1...12 эВ), соответствующей температуре Т = 104...105 К, при этом их плотность пе достигает значений 109...1012 см–3. Атомные и молекулярные частицы имеют тепловые энергии, соответствующие температуре, не превышающей 600 К. При давлениях р = 10–2...102 Па, характерных для низкотемпературной плазмы, используемой в рассматриваемых процессах, 
плотность частиц па достигает значений 1012...1016 см–3. 
Плазма образуется при внешнем энергетическом воздействии на 
газовую среду различного рода газовых разрядов в сильных постоянных и переменных электрических и магнитных полях. Характерная 
частота переменного электрического поля, применяемого для образования плазмы, колеблется в широких пределах (от единиц килогерц до единиц гигагерц). Магнитное поле обеспечивает удержание 
плазмы в заданном пространстве и, увеличивая длину пути движения 
электронов, повышает степень ионизации газа. 
Свободные электроны, образовавшиеся в электрическом разряде 
при ионизации части атомов и молекул, передают энергию электрического поля более тяжелым атомам и молекулам. В упругих и неупругих столкновениях с электронами атомы и молекулы приобретают дополнительную кинетическую энергию. Это увеличение 
энергии незначительно из-за большого различия масс сталкивающихся частиц. Не более одного процента энергии в плазме поглощается в упругих столкновениях электронов с атомами и молекулами. Основную роль в процессах передачи энергии играют неупругие столкновения электронов, приводящие к возбуждению атомов и молекул, их ионизации и диссоциации. Основным процессом 
создания активных частиц плазмы инертных газов является ионизация. При образовании плазмы многоатомного газа основными являются процессы возбуждения и диссоциации. Число образующихся ионов относительно мало. 
Скорость реакции возбуждения, диссоциации и ионизации электронным ударом может быть оценена соотношением 

 
υ = Kpnena, 

где Кр – константа скорости реакции; ne – концентрация электронов в 
среде, na – концентрация частиц (атомов, молекул) в среде. 

 
Кр = ∫(Ее/2m)0,5 σ(Ee)f(Ee)dEe; 

Ее – энергия электрона; т – масса электрона; σ(Ее) – поперечное сечение реакции; f(Ee) – функция распределения электронов по энергиям, определяемая эмпирически. 
Например, основными процессами, приводящими к образованию 
активных частиц плазмы двухатомного газа (A2) при электронном 
ударе (е–), являются: 
– возбуждение, характеризуемое реакцией е– + А2 → А*2 + е– с образованием метастабильных электронно- и колебательно-возбужденных 
молекул; 
– диссоциация: е– + А2 → е– + 2А• с образованием валентноненасыщенных частиц – радикалов (А•·); 
– диссоциация с захватом электрона e– + A2 → A– + A• и образование отрицательного иона и радикала; 
– ионизация: е– + А2 → А+
2 + 2е–, ведущая к появлению положительных ионов и дополнительных электронов. 
При аналогичных процессах в многоатомных газах, таких как галогеноуглероды, формируется более разнообразный состав частиц. 
Доля мощности, отбираемой из разряда каждым из параллельно 
протекающих процессов, зависит от отношения напряженности электрического поля, разгоняющего электроны, к рабочему давлению 
(Ее/р). Энергия электронов в разряде определяется напряженностью 
электрического поля, т.е. разностью потенциалов на единицу длины 
пути ускорения, и вероятностью того, что электроны получат эту 
энергию. Увеличение давления газа уменьшает длину пути электронов до столкновений с молекулами, и они не успевают разгоняться 
до энергий, определяемых заданной разностью потенциалов. Зависимость доли мощности, отбираемой из разряда на каждый процесс, от 
отношения Ее/р представлена на рис. 1.1. 
При низких энергиях электронов основным механизмом передачи 
энергии молекулам является их колебательное возбуждение. Процессы электронного возбуждения и диссоциации доминируют при 
больших энергиях и характеризуются наличием максимума эффективности при сравнительно низких энергиях. С повышением энергии 
электронов доля отбираемой мощности на возбуждение и диссоциацию уменьшается. Становятся эффективными процессы ионизации, 
требующие бóльших энергий. Процесс ионизации становится превалирующим при значениях Ее/р = (1...1,5)·10–1 В/(см·Па). Основной 
особенностью таких разрядов является то, что энергия электрического поля затрачивается на возбуждение и разрыв внутренних связей 
молекул. 

Рис. 1.1. Зависимость доли мощности 
в электрическом разряде, отбираемой на: 1 – колебательное 
возбуждение молекул; 2 – диссоциацию молекул с захватом 
электрона; 3 – диссоциацию с образованием атомов в стабильном 
состоянии А; 4 – электронное возбуждение молекул; 5 – диссоциацию 
с образованием атомов в возбужденном состоянии А*; 6 – ионизацию 
молекул; 7 – упругие столкновения молекул 

Перевод вещества в состояние плазмы открывает новые возможности его эффективного использования для обработки материалов. 
Диссоциация молекул вещества обеспечивает образование химически высокоактивных продуктов – радикалов, способных энергично 
вступать в гетерогенные химические реакции с материалами. При 
соответствующем выборе исходных веществ на поверхности обрабатываемого материала образуются легко летучие соединения, удаляемые откачкой. Изменением параметров электрического разряда, 
формирующего плазму, вида газа можно управлять составом хими

чески активных частиц (ХАЧ), т.е. управлять их воздействием с материалом. Ионизованная составляющая частиц плазмы – ионы легко 
отбирается и ускоряется электрическим полем до необходимых энергий. Важным фактором, определяющим преимущество использования ионов, является возможность управления их движением, т.е. направленностью их воздействия на материалы. 
Основу ионно-плазменной обработки составляет воздействие на 
материалы «энергетических» активных и неактивных частиц плазмы. 
Понятие «энергетические» подразумевает высокую кинетическую 
или потенциальную энергию частиц. При физическом взаимодействии кинетическая энергия частиц является основной и может превышать тепловую на несколько порядков величины. Частицы приобретают способность при соударении с поверхностью материала физически распылять его. Высокая потенциальная энергия частиц определяется наличием ненасыщенных химических связей. Взаимодействие 
таких частиц с обрабатываемым материалом ведет к формированию 
химических соединений. 
Рассматриваемые процессы ионно-плазменной обработки ограничиваются поверхностью и приповерхностными слоями материалов, 
поскольку кинетическая энергия частиц не превышает нескольких 
кэВ (10–16...10–5 Дж). При таких энергиях толщина поверхностного 
слоя, в котором осуществляется взаимодействие энергетических частиц с материалами, не превышает нескольких нанометров, т.е. ограничена несколькими десятками атомных слоев у поверхности. 
Эффективность протекания процесса физического распыления и 
процесса химического взаимодействия слабо зависит от того, заряжена частица или нет. Определяющим фактором является ее энергия – кинетическая или потенциальная, поскольку уже на расстоянии 
нескольких десятых нанометра вблизи обрабатываемой поверхности 
происходит нейтрализация ионов электронами, вырываемыми из материала электрическим полем ионов. 
В литературе часто одними и теми же терминами называются 
существенно различные процессы, отличающиеся по природе 
взаимодействия частиц плазмы с материалами, а также имеют место случаи различных наименований одних и тех же процессов. 
Необходима систематизация терминологии основных технологических процессов ионно-плазменной обработки. В основу такой 
систематизации могут быть положены различные признаки. Вся 
совокупность физико-химических процессов, составляющих технологический цикл изготовления изделий микроэлектроники, 

классифицируется на основе использования геометрического, 
структурного и физико-химического критериев. 
В то же время все основные процессы ионно-плазменной обработки можно систематизировать по двум основным признакам: природе взаимодействия энергетических частиц плазмы с материалами 
(физическое или химическое взаимодействие) и способу осуществления взаимодействия (ионное или плазменное). Механизм процессов в зоне взаимодействия энергетических частиц с материалами определяет различие по первому признаку. Физическое взаимодействие 
характеризуется обменом энергией и импульсом в упругих столкновениях атомных частиц и приводит к распылению материала с поверхности. Химическое взаимодействие определяется неупругими 
столкновениями с обменом электронами между атомами и приводит 
к химическим превращениям обрабатываемого материала. Физическое распыление ионами характеризуется энергетическим воздействием непосредственно на отдельные атомы. Все энергетические связи атома с другими атомами разрываются, и он может удалиться с 
поверхности. В процессах с химической природой взаимодействия 
энергетическое воздействие направлено в основном на электронные 
связи атома в материале. Ослабление, разрыв и установление новых 
связей может приводить к удалению частиц материала с поверхности 
в виде соединений с атомами энергетических частиц. 
Высокая энергия частиц, участвующих в процессах ионноплазменной обработки, определяет специфичность их взаимодействия с материалами. В этих процессах невозможно полностью разделить кинетику физического и химического взаимодействий. Каждый 
из процессов, физический и химический, несет в себе элементы другого. Тем не менее в реальных процессах ионно-плазменной обработки всегда можно выделить преимущественный механизм, определяющий эффективность их протекания. 
Процесс физического распыления часто сопровождается инициированием радиационно-химических реакций. Бомбардировка ионами 
инертных газов может вызвать диссоциацию сложных по составу 
соединений, изменение химического состава поверхностного слоя, 
стимулированную диффузию, селективную сублимацию, восстановление материала на поверхности из окисленного состояния. Эти эффекты ослабляют или усиливают связи поверхностных атомов, способствуют увеличению или уменьшению распыляемости материалов. 
Если основой взаимодействия является химическая реакция, сопутствующая бомбардировка ионами может изменять скорость ее 

протекания. Это изменение определяется наряду с удалением материала физическим распылением, созданием активных центров, инициированием процессов диссоциации химически малоактивных частиц плазмы с образованием химически высокоактивных частиц на 
обрабатываемой поверхности. Бомбардировка ионами активирует 
атомы поверхностного слоя при передаче им энергии. Снижается 
энергия активации возможных химических реакций. Выбивание атомов приводит к возникновению ненасыщенных химических связей, 
появление которых способствует протеканию химических реакций 
между компонентами обрабатываемого материала и поступающими 
на его поверхность химически активными частицами плазмы. 
Второй признак систематизации определяется различием технологических характеристик ионно-плазменной обработки при различных 
способах ее осуществления. Если обрабатываемый материал помещен в плазму или находится в непосредственной близости от нее и 
подвергается воздействию всего набора частиц плазмы: возбужденных атомов и молекул, радикалов, положительно и отрицательно заряженных ионов, электронов, а также ультрафиолетовому и тепловому облучению из плазмы, – это плазменная обработка. Природа 
основных «рабочих» частиц плазмы определяет, будет ли механизм 
воздействия на материал физическим или химическим. Если обрабатываемый материал находится вне плазмы и обрабатывается только 
ионами, отбираемыми из плазмы, – это ионная обработка. 
Различным способам ионно-плазменной обработки свойственны 
характерные диапазоны давлений, при которых они осуществляются: 
плазменному – более высокий, ионному – более низкий. B результате 
способ осуществления обработки в большой степени определяет особенности характеристик процессов физически распыленного материала, энергию, моноэнергетичность, зарядовое состояние, направленность движения частиц плазмы и удаленных частиц материала, управляемость составом частиц, обрабатывающих материал, энергию частиц, осаждающихся на подложках при ионно-плазменном нанесении, 
зарядовое состояние поверхности обрабатываемого материала. 
Способ осуществления оказывает влияние на соотношение между 
физическим и химическим механизмами взаимодействия. В табл. 1.1 
систематизированы по признакам природы взаимодействия и способу 
осуществления наиболее распространенные технологические операции, осуществляемые с помощью ионно-плазменных процессов. Процессы нанесения являются многостадийными и включают в качестве 
составной части распыление материалов. Их систематизация проведе

на по этой стадии. Образуется сравнительно небольшая группа процессов, отличающихся по своим характерным признакам. Все известные процессы ионно-плазменной обработки: катодное, магнетронное, 
высокочастотное распыление и нанесение и др. – являются разновидностями (модификациями) приведенных. Эти модификации отличаются лишь техническими средствами осуществления ионно-плазменной 
обработки, а в природе и способу осуществления взаимодействия 
энергетических частиц с материалами ничего не меняется. 

Таблица 1.1 

Систематизация процессов ионно-плазменной обработки 

Природа взаимодействия 
Способ 

обработки 
физическая 
химическая 

Плазменный 
Травление распылением в 
плазме 
Ионно-плазменное нанесение 
Реактивное ионно-плазменное 
нанесение 

Плазмохимическое травление 
Реактивное ионно-плазменное 
травление 

Ионный 
Ионно-лучевое травление 
Нанесение ионно-лучевым 
распылением 
Реактивное ионно-лучевое 
нанесение 

Ионно-химическое травление 

1.2. Выбор рабочей среды 
для вакуум-плазменных процессов 

Характеристика химически активных соединений 
В основе плазмохимического травления (ПХТ) лежат гетерогенные химические реакции, происходящие на границе двух фаз: твердой и газообразной. Реакция протекает между радикалами (т.е. частицами, имеющими неспаренные р-электроны, например фтор, хлор, 
кислород, образующимися в плазме из молекул газа или пара) и активными центрами материала (поверхностными сечениями, имеющими свободную связь). Основную роль при плазмохимическом травлении материалов играют радикалы, а не ионы, что подтверждается 
экспериментальными данными по травлению материалов, помещенных внутрь перфорированного заземленного экрана, вероятность 
проникновения в который заряженных частиц весьма мала. 
Повышение концентрации активных центров на поверхности материалов с помощью ионизирующего излучения (обработка поверхности ионными и электронными пучками, рентгеновскими и гамма