ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΚΑΙ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΜΙΚΡΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΟΜΩΝ ΜΕ ΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΠΛΑΣΜΑΤΟΣ

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΤΜΗΜΑ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΩΝ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΩΝ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥ ΩΝ «ΜΙΚΡΟΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΝΑΝΟ ΙΑΤΑΞΕΙΣ» ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΚΑΙ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΜΙΚΡΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΟΜΩΝ ΜΕ ΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΠΛΑΣΜΑΤΟΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Ι. ΠΑΠΑΣΗΜΑΚΗΣ ΑΘΗΝΑ, ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ 2005

2 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η παρούσα διπλωµατική εργασία εκπονήθηκε στο Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής του ΕΚΕΦΕ ηµόκριτος στα πλαίσια του ιατµηµατικού Μεταπτυχιακού Προγράµµατος Μικροσυστήµατα και Νανοδιατάξεις της Σχολής Εφαρµοσµένων Μαθηµατικών και Φυσικών Επιστηµών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου. Θα ήθελα να ευχαριστήσω όλους όσοι συνέβαλαν µε τον έναν ή άλλο τρόπο στην εκπόνηση αυτής της εργασίας. Ευχαριστώ του επιβλέποντές µου ρ. Ευάγγελο Γογγολίδη και ρ. Αγγελική Τσερέπη για τη σηµαντική βοήθεια και καθοδήγηση που µου παρείχαν. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω το ρ. Γιώργο Κόκκορη για την άριστη συνεργασία και την πολύτιµη συµβολή του στην ολοκλήρωση της παρούσας εργασίας µε την αφιέρωση σηµαντικού χρόνου δουλειάς σε αυτήν. Ευχαριστώ τους υποψήφιους διδάκτορες Πηνελόπη Μπαγιάτη και Νίκο Βούρδα για τη βοήθειά τους στη διεκπεραίωση των πειραµάτων στο εργαστήριο πλάσµατος καθώς και το τεχνικό προσωπικό του Ινστιτούτου Μικροηλεκτρονικής για τη βοήθεια που µου παρείχε όποτε αυτό απαιτήθηκε.

3 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η διεργασία Bosch ή αλλιώς διεργασία παλµικής εναλλαγής τροφοδοσίας αερίων πλάσµατος χρησιµοποιείται ευρύτατα στην κατασκευή µικροηλεκτροµηχανικών συστηµάτων (microelectromechanical systems, MEMS). Πρόκειται για µια τεχνική ανισοτροπικής εγχάραξης δοµών Si µε πλάσµα µε εναλλαγή δύο αερίων (SF6 και C4F8) που στηρίζεται στην εναπόθεση φιλµ πολυµερούς (CxFy)n στα πλευρικά τοιχώµατα των εγχαρασσόµενων δοµών Si ώστε να επιτευχθούν ανισοτροπικά προφίλ. Στη διπλωµατική αυτή εργασία πραγµατοποιήθηκε µελέτη για τη βελτιστοποίηση της διεργασίας Bosch. Η µελέτη επικεντρώθηκε στη βελτίωση της ανισοτροπίας της εγχάραξης και την κατασκευή δοµών µε υψηλό λόγο ασυµµετρίας (high aspect ratio structures, HARS) και συνίσταται σε πειραµατική και θεωρητική διερεύνηση. Ο έλεγχος του σχήµατος των εγχαρασσόµενων δοµών και υψηλός λόγος ασυµµετρίας αποτελούν σηµαντικές απαιτήσεις στην κατασκευή των MEMS. Στα πλαίσια της πειραµατικής διερεύνησης πραγµατοποιήθηκε σειρά πειραµάτων εγχάραξης µε τη διεργασία Bosch σε διαφορετικές συνθήκες και δοµές. Από την πραγµατοποιηθείσα σειρά πειραµάτων ο µέγιστος λόγος ασυµµετρίας που επιτεύχθηκε ήταν 18.3 για δοµή ονοµαστικής διάστασης 3 µm µετά από συνολικό χρόνο εγχάραξης 20 min µε τις εξής συνθήκες : Πίεση : 5.25 Pa, Τάση υποστρώµατος : - 55 V, Θερµοκρασία : 15 o C, Ροή C4F8 : 106 sccm, Ροή SF6 : 172 sccm, ιάρκεια κύκλου εναπόθεσης : 3 sec, ιάρκεια κύκλου εγχάραξης : 7 sec. Οι δοµές που προέκυψαν από εγχάραξη µε τη διεργασία Bosch παρουσίαζαν µη ικανοποιητική ανισοτροπία καθώς τα πλάγια τοιχώµατα εµφάνιζαν ελαφριά κύρτωση (bowing). Η θεωρητική διερεύνηση περιλαµβάνει την ανάπτυξη µοντέλου απόθεσης πολυµερούς σε πλάσµα C4F8 και µοντέλων εγχάραξης Si και εγχάραξης πολυµερούς σε πλάσµα SF6. Τα µοντέλα αυτά ενσωµατώθηκαν σε υπάρχον πλαίσιο προσοµοίωσης εξέλιξης τοπογραφίας κατά την εγχάραξη δοµών ( ιαδακτορική ιατριβή Γ. Κόκκορη) και βελτιώθηκαν µέσα από τη σύγκριση των αποτελεσµάτων της προσοµοίωσης µε τα πειραµατικά. Τα αποτελέσµατα της θεωρητικής και πειραµατικής µελέτης έδειξαν ότι καθοριστικό ρόλο στο σχήµα του προφίλ παίζει το µέγεθος των κυµατισµών (ripples) του πλάγιου τοιχώµατος, καθώς η αύξησή του οδηγούσε σε θετική κλίση του πλάγιου τοιχώµατος και αντίστοιχα η µείωσή του σε αρνητική κλίση. Έτσι ο έλεγχος του µεγέθους των ripples µπορεί να οδηγήσει στον έλεγχο του προφίλ και την κατασκευή δοµών µε κάθετα τοιχώµατα και µεγάλο λόγο ασυµµετρίας.

4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 : ΕΙΣΑΓΩΓΗ Σελίδα 1.1 Μικροµηχανική Πυριτίου Λιθογραφία Εγχάραξη Περιγραφή της διεργασίας Bosch Σκοπός 7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 : ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑΣ 2.1 Σηµαντικά προβλήµατα στην ξηρή εγχάραξη υψηλού λόγου ασυµµετρίας για µικροηλεκτροµηχανικά συστήµατα Φαινόµενα που παρουσιάζονται κατά τη διάρκεια ξηρής εγχάραξης υψηλού λόγου ασυµµετρίας Microloading Εγχάραξη εξαρτώµενη από το λόγο ασυµµετρίας (aspect ratio dependent etching ARDE) ή RIE lag Φαινόµενο φόρτισης Microtrenching Κύρτωση των τοιχωµάτων (bowing) Μελέτη της διεργασίας Bosch προτεινόµενες βελτιώσεις Ανισοτροπία και έλεγχος του προφίλ Βελτίωση του προφίλ της δοµής ρυθµίζοντας το λόγο ιόντων ριζών Βελτίωση του προφίλ για µεγάλα βάθη (> 300 µm) Μεταβολή παραµέτρων - Parameter Ramping Εγχάραξη µε χρήση του parameter ramping Αποφυγή του underetching µε σύγχρονη βελτίωση της ανισοτροπίας Στενά αυλάκια δίπλα σε παχιές δοµές Μέθοδος τριών παλµών Συµπεράσµατα Παρατηρήσεις 27 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Α. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΙΑΤΑΞΕΙΣ KAI ΙΑΓΝΩΣΤΙΚΕΣ MEΘΟ ΟΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΥ ΠΛΑΣΜΑΤΟΣ ΚΑΙ ΟΜΩΝ Α.1 Αντιδραστήρας πλάσµατος 28 Α.2 Hλεκτρονικό µικροσκόπιο σάρωσης (SEM) 29 Α.3 Ελλειψοµετρία 29 Α.4 Προφιλόµετρο ακίδας 31 Α.5 Ion flux probe 31 Α.6 Φασµατοσκοπία οπτικής εκποµπής 32

5 Β. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΑΕΡΙΑΣ ΦΑΣΗΣ ΜΕΤΡΗΣΗ ΡΥΘΜΩΝ ΕΓΧΑΡΑΞΗΣ & ΕΝΑΠΟΘΕΣΗΣ Β.1 Μέτρηση ροής ατόµων φθορίου 34 Β.2 Μέτρηση ιοντικής ροής 35 Β.3 Μέτρηση ρυθµού απόθεσης πολυµερούς 36 Β.4 Μέτρηση ρυθµού εγχάραξης πολυµερούς 37 Β.5 Μέτρηση ρυθµού εγχάραξης Si σε πλάσµα SF6 38 Γ. ΕΓΧΑΡΑΞΗ ΟΜΩΝ ΜΕ ΤΗ ΙΕΡΓΑΣΙΑ BOSCH : ΜΕΛΕΤΗ ΤΟΥ ΠΡΟΦΙΛ ΚΑΙ ΤΟΥ ΛΟΓΟΥ ΑΣΥΜΜΕΤΡΙΑΣ 40 Παρατηρήσεις - Συµπεράσµατα 47 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 : ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΗΣ ΙΕΡΓΑΣΙΑΣ BOSCH ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΚΑΙ ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΗ ΣΕ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ Ε ΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ 4.1 Προσοµοίωση της διεργασίας Bosch Μοντέλα επιφανειακών διεργασιών για τη διεργασία Bosch ιερεύνηση περιοριστικών παραγόντων Εφαρµογές αποτελέσµατα Λεπτοµερής προσοµοίωση της διεργασίας Bosch Επίδραση παραµέτρων στο προφίλ της κατασκευαζόµενης δοµής Σύγκριση µοντέλου προσοµοίωσης µε πειραµατικά δεδοµένα Προσεγγιστική ταχεία προσοµοίωση της διεργασίας Bosch ιαφοροποίηση από τη Λεπτοµερή προσοµοίωση της διεργασίας Bosch Εφαρµογή της νέας προσέγγισης σύγκριση µε πειραµατικά δεδοµένα 59 Παρατηρήσεις - Συµπεράσµατα 62 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ PARAMETER RAMPING 5.1 Ανάλυση πειραµατικών δεδοµένων Σύνδεση του µεγέθους των ripples µε το bowing Μεταβολή παραµέτρων για την αποφυγή του bowing (parameter ramping) οµή µε εµφάνιση bowing οµή µε θετική κλίση 73 Παρατηρήσεις - Συµπεράσµατα 76

6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο : ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1. 1 Μικροµηχανική Πυριτίου H τεχνολογία µικροσυστηµάτων (micro systems technology-mst) αποτελεί σήµερα µία σηµαντική και πολύ γρήγορα αναπτυσσόµενη τεχνολογία. Με τον όρο µικροσυστήµατα ή αλλιώς µικροηλεκτροµηχανικά συστήµατα (microelectromechanical systems MEMS) αναφερόµαστε σε τρισδιάστατες δοµές και συσκευές µε διαστάσεις της τάξης των µικροµέτρων. Ειδικότερα πρόκειται για συστήµατα που συνδυάζουν µικροσκοπικά στοιχεία ανίχνευσης, επεξεργασίας ή/και ενεργοποίησης κατασκευασµένα πάνω σε υπόστρωµα πυριτίου µε τεχνικές αντίστοιχες αυτών που εφαρµόζονται στην κατασκευή ολοκληρωµένων κυκλωµάτων ( Η περισσότερο ανεπτυγµένη τεχνική κατασκευής µικροσυστηµάτων είναι η µικροµηχανική πυριτίου και αυτό γιατί το πυρίτιο είναι το βασικό υλικό που χρησιµοποιείται ως υπόστρωµα στη µικροηλεκτρονική για την κατασκευή ολοκληρωµένων κυκλωµάτων. Το δυναµικό της τεχνολογίας αυτής ποικίλλει από συσκευές που βρίσκονται σήµερα σε σχεδόν όλα τα αυτοκίνητα (αισθητήρες πίεσης και επιταχυνσιόµετρα) µέχρι αισθητήρες για ροή, θερµοκρασία, δύναµη, θέση, µαγνητικά πεδία, χηµικά, φως, υπέρυθρη ακτινοβολία κλπ. Η µικροµηχανική πυριτίου µπορεί να διαχωριστεί σε µικροµηχανική όγκου και µικροµηχανική επιφανείας. H µικροµηχανική όγκου γενικά αναφέρεται σε δοµές που κατασκευάζονται µε χρήση βαθιάς ανισοτροπικής εγχάραξης [Emo H. Klaassen et al. (1995)]. Σε αυτές τις συσκευές, ένα τµήµα του ίδιου του υποστρώµατος είναι συνήθως ένα ενεργό µηχανικό στοιχείο της µικροµηχανικής συσκευής. Παραδείγµατα συσκευών µικροµηχανικής όγκου είναι οι παραδοσιακοί αισθητήρες πίεσης και επιτάχυνσης καθώς και οι περισσότερες µικροαντλίες και µικροβαλβίδες. Το πάχος των συσκευών αυτών κυµαίνεται µεταξύ των 100 έως 600 µm. Χρησιµοποιείται επίσης ευρέως για τη δηµιουργία µεµβρανών, δοκών, τρυπών και αυλακιών. Η διεργασία ξεκινάει µε την εναπόθεση στο πυρίτιο ενός υλικού που δεν εγχαράσσεται (etch stop). Στη συνέχεια κάνουµε χρήση λιθογραφίας για να σχηµατοποιήσουµε το υλικό αυτό και να επιτρέψουµε την αποµάκρυνση των ανεπιθύµητων τµηµάτων του. Τέλος εγχαράσσουµε το πυρίτιο είτε µε υγρή είτε µε ξηρή εγχάραξη. Η µικροµηχανική επιφανείας συνήθως αναφέρεται σε δοµές που κατασκευάζονται µε εναπόθεση ή ανάπτυξη λεπτών στρωµάτων φιλµ πάνω στην επιφάνεια του υποστρώµατος πυριτίου [Emo H. Klaassen et al. (1995)]. Παραδείγµατα συσκευών µικροµηχανικής επιφανείας είναι οι µικροκινητήρες, επιταχυνσιόµετρα βασισµένα σε πολυκρυσταλλικό πυρίτιο (polysilicon), µικροκαθρέφτες κ.ά. Σε αυτές τις συσκευές το υπόστρωµα λειτουργεί µόνο ως φορέας της µικροµηχανικής συσκευής. Το τυπικό πάχος τους είναι µερικά µικρόµετρα. 1

7 Στη µικροµηχανική επιφανείας χρησιµοποιούµε δύο διαφορετικά υλικά, ένα δοµικό υλικό (συνήθως πολυκρυσταλλικό πυρίτιο - polysilicon) και ένα sacrificial υλικό (συνήθως οξείδιο). Αυτά εναποτίθενται και µετά από ένα βήµα λιθογραφίας εγχαράσσονται µε ξηρή εγχάραξη [W. Rangelow (2001)]. Στη συνέχεια το sacrificial υλικό εγχαράσσεται µε υγρή εγχάραξη για να απελευθερώσει τη δοµή. Στα Σχήµατα 1.1 και 1.2 δίνεται ένα παράδειγµα µικροµηχανικής όγκου και ένα επιφανείας αντίστοιχα. Σχήµα 1.1 : Μικροµηχανική όγκου : i. ισκίδιο πυριτίου, ii. Οξείδωση για δηµιουργία λεπτού στρώµατος SiO2 πάχους 0,5 µm, σχηµατοποίηση επιφάνειας µε λιθογραφία, iii. Επιλεκτική αποµάκρυνση του οξειδίου και εγχάραξη της εκτεθειµένης επιφάνειας πυριτίου iv. Τελική δοµή - πλάγια όψη, v. Κάτοψη, vi. ιαγώνια όψη ( Σχήµα 1.2 : Μικροµηχανική επιφανείας : α) Εναπόθεση στρώµατος οξειδίου, εναπόθεση στρώµατος polysilicon και σχηµατοποίηση µε χρήση εγχάραξης σε δοκό µε τµήµα πρόσδεσης, β) Υγρή εγχάραξη για αποµάκρυνση του στρώµατος οξειδίου κάτω από τη δοκό και απελευθέρωση αυτής. ( 2

8 1.2 Λιθογραφία Η τεχνολογία των µικροσυστηµάτων βασίζεται στη σχηµατοποίηση υποστρωµάτων σε µεγάλο βάθος που γίνεται µε τις διεργασίες της λιθογραφίας και της εγχάραξης. Αυτές επιτρέπουν τη µεταφορά του επιθυµητού σχήµατος και την τελική κατασκευή των µικροηλεκτροµηχανικών συστηµάτων. Η βασική λιθογραφική διαδικασία παρουσιάζεται στο Σχήµα 1.3. Το σχ. (a) δείχνει ένα λεπτό φιλµ οξειδίου (SiO2) πάνω σε υπόστρωµα πυριτίου που επιθυµούµε να σχηµατοποιήσουµε. Πάνω σε αυτό επιστρώνουµε ένα φωτοευαίσθητο υλικό (photoresist), το οποίο σχηµατίζει ένα λεπτό στρώµα στην επιφάνεια (σχ. b). Στη συνέχεια το φωτοευαίσθητο εκτίθεται επιλεκτικά σε φως µέσω µίας µάσκας η οποία περιέχει την πληροφορία της δοµής που θέλουµε να κατασκευάσουµε (σχ. c). Το φωτοευαίσθητο που εκτίθεται στο φως υπόκειται σε χηµικές αλλαγές. Τέλος το φωτοευαίσθητο εµφανίζεται σε κατάλληλο εµφανιστή (developer), κάτι που ολοκληρώνει τη µεταφορά του σχήµατος από τη µάσκα στο φωτοευαίσθητο υλικό (σχ.d). Υπάρχουν δύο είδη photoresist, θετικού τύπου και αρνητικού τύπου. Στην περίπτωση του θετικού τύπου µε την εµφάνιση αποµακρύνονται οι περιοχές του photoresist που έχουν εκτεθεί στο φως, ενώ στην περίπτωση του αρνητικού τύπου συµβαίνει το αντίθετο. Ακολουθεί η αποµάκρυνση του οξειδίου (εγχάραξη) στα σηµεία που επιτρέπει το photoresist (σχ. e) και τέλος η αποµάκρυνση του photoresist (σχ. f), που ολοκληρώνει τη µεταφορά του σχήµατος από τη µάσκα στο φιλµ οξειδίου. Σχ. 1.3 : Βασική λιθογραφική διαδικασία 3

9 1.3 Εγχάραξη Η εγχάραξη διακρίνεται σε υγρή και ξηρή εγχάραξη. Όλα τα γνωστά σχήµατα µπορούν να υλοποιηθούν και µε υγρή και µε ξηρή εγχάραξη. Η πρώτη κάνει χρήση υγρών χηµικών εγχαρακτών ενώ η δεύτερη χρησιµοποιεί είδη εγχάραξης σε αέρια φάση που παράγονται σε πλάσµα. Μερικά από τα θέµατα που είναι σηµαντικά στην εγχάραξη είναι η επιλεκτικότητα όσον αφορά τη µάσκα και το υποκείµενο στρώµα, δηλαδή ο λόγος των ταχυτήτων εγχάραξης υλικού ως προς τη µάσκα ή υποκείµενο στρώµα, η κατευθυντικότητα (ανισοτροπική έναντι ισοτροπικής εγχάραξης) για έλεγχο του προφίλ, η διάβρωση της µάσκας, το undercutting, η οµοιοµορφία και οι βλάβες στα υποκείµενα στρώµατα [Plummer et al. (2000)]. Στην υγρή εγχάραξη κυριαρχούν οι χηµικές αντιδράσεις. Αυτό οδηγεί σε πολύ επιλεκτική αλλά ισοτροπική εγχάραξη. Στην ξηρή ή εγχάραξη µε πλάσµα, δύο τύποι ειδών είναι σηµαντικά για τη διαδικασία της εγχάραξης : ενεργά ουδέτερα χηµικά είδη (όπως ελεύθερες ρίζες) και ιόντα [Plummer et al. (2000)]. Τα πρώτα εγχαράσσουν µε χηµικές διαδικασίες ισοτροπικά ή σχεδόν ισοτροπικά και µπορούν να είναι πολύ επιλεκτικά, ενώ τα δεύτερα εγχαράσσουν µε περισσότερο φυσικές διαδικασίες και η εγχάραξη είναι πολύ κατευθυντική δηλαδή πολύ ανισοτροπική, αλλά όχι πολύ επιλεκτική. Οι τρεις κύριοι µηχανισµοί που παρατηρούνται στην εγχάραξη µε πλάσµα είναι η χηµική εγχάραξη (που εµπεριέχει τα ουδέτερα χηµικά είδη), η φυσική εγχάραξη (που εµπεριέχει τα ιόντα) και η υποβοηθούµενη από ιόντα εγχάραξη - ιονοβολή - (που εµπεριέχει και τα δύο µε συνεργιστική δράση). Η υποβοηθούµενη από ιόντα εγχάραξη µπορεί να συµβεί είτε από ιόντα που ενισχύουν την χηµική εγχάραξη είτε µε την αποµάκρυνση παρεµποδιστών. Με αυτόν τον τρόπο µπορεί να επιτευχθεί κατευθυντική εγχάραξη και συγχρόνως επιλεκτική. Σχ. 1.4 : Προφίλ εγχάραξης για διαφορετικούς βαθµούς ανισοτροπίας : (a) καθαρά ισοτροπική εγχάραξη, (b) µερικά ανισοτροπική εγχάραξη και (c) εντελώς ανισοτροπική εγχάραξη Το κύριο πλεονέκτηµα της ξηρής εγχάραξης είναι η αυξηµένη δυνατότητα για έλεγχο του σχήµατος των εγχαρασσόµενων δοµών. Η υγρή εγχάραξη γενικά δεν εµφανίζει κατεύθυνση προτίµησης, είναι ισοτροπική. Η ξηρή εγχάραξη εµφανίζει κατεύθυνση προτίµησης (αυτή των ιόντων), είναι ανισοτροπική. Η 4

10 ξηρή εγχάραξη µπορεί να είναι πλήρως ανισοτροπική. Τότε είναι δυνατή η πιστή µεταφορά του σχήµατος του υπερκείµενου προστατευτικού στρώµατος. Τα τοιχώµατα είναι κάθετα, καθώς η εγχάραξη δεν προχωρά κάτω από αυτό το προστατευτικό στρώµα όπως συµβαίνει µε την υγρή. Η ανισοτροπία είναι συνήθως το ζητούµενο στις διεργασίες κατασκευής δοµών [G. Kokkoris (2005)]. 1.4 Περιγραφή της διεργασίας Bosch Μία κατηγορία της ξηρής εγχάραξης είναι η εγχάραξη µε ενεργά ιόντα (reactive ion etching RIE) κατά την οποία το υπόστρωµα τοποθετείται µέσα σε έναν αντιδραστήρα στον οποίο εισάγονται διάφορα αέρια. Με τη χρήση µιας πηγής ισχύος RF παράγεται πλάσµα και τα µόρια των αερίων διασπώνται σε ιόντα και σε ρίζες ουδετέρων. Τα ιόντα επιταχύνονται προς την επιφάνεια του υποστρώµατος και σε συνέργεια µε τα ουδέτερα αντιδρούν µε αυτήν και δηµιουργούν κάποιο αέριο προϊόν. Αυτό είναι το χηµικό κοµµάτι της εγχάραξης µε ενεργά ιόντα. Υπάρχει επίσης και το φυσικό κοµµάτι κατά το οποίο, εφόσον τα ιόντα έχουν αρκετή ενέργεια, µπορούν να εκτοπίσουν άτοµα του εγχαρασσόµενου υλικού χωρίς χηµική αντίδραση. Μεταβάλλοντας την ισορροπία µεταξύ της χηµικής και φυσικής εγχάραξης, ρυθµίζοντας κατάλληλα τις διάφορες παραµέτρους, µπορούµε να επιδράσουµε στην ανισοτροπία της εγχάραξης. Μία ειδική υποκατηγορία της εγχάραξης µε ενεργά ιόντα είναι η βαθιά εγχάραξη µε ενεργά ιόντα (deep reactive ion etching - DRIE). Με αυτή τη διαδικασία µπορούν να επιτευχθούν βάθη εγχάραξης εκατοντάδων µικροµέτρων µε σχεδόν κάθετα τοιχώµατα καθώς και δοµές υψηλού λόγου ασυµµετρίας (high aspect ratio structures - HARS), κάτι που συνήθως είναι και το ζητούµενο στην κατασκευή των MEMS. Ως λόγος ασυµµετρίας ορίζεται ο λόγος του βάθους προς το πλάτος της δοµής. Η τεχνολογία της κατηγορίας αυτής βασίζεται κυρίως στην αποκαλούµενη Bosch process, τεχνική που κατοχύρωσε µε ευρεσιτεχνία η Robert Bosch Gmbh και στηρίζεται στην εναπόθεση φιλµ παρεµποδιστών στα πλευρικά τοιχώµατα των εγχαρασσόµενων δοµών Si ώστε να επιτευχθούν ανισοτροπικά προφίλ. Αυτή η προσέγγιση χρησιµοποιεί έναν κύκλο εγχάραξης µε ροή SF6 και στη συνέχεια γυρνάει σε έναν κύκλο παθητικοποίησης των τοιχωµάτων µε χρήση C4F8 (Σχήµα 1.5). To C4F8 εναποθέτει ένα πολυµερικό φιλµ (CxFy)n σε όλες τις δοµές του υποστρώµατος. Κατά τη διάρκεια του επόµενου κύκλου εγχάραξης, το φιλµ παθητικοποίησης αποµακρύνεται κυρίως από τον πυθµένα των δοµών εξαιτίας της κατευθυντικής ιονοβολής, ενώ συγχρόνως εµποδίζει την εγχάραξη των τοιχωµάτων [Kuo-Shen Chen et al. (2002)]. Πιο συγκεκριµένα, κατά τη διάρκεια του βήµατος εναπόθεσης οι εκτιθέµενες επιφάνειες δηλ. ο πυθµένας και τα τοιχώµατα καλύπτονται οµοιόµορφα µε πολυµερές. Αυτό το στρώµα πολυµερούς στις άκρες και τις επιφάνειες της µάσκας δηµιουργεί ένα πολύ αποτελεσµατικό προσωρινό προστατευτικό φιλµ 5

11 από την εγχάραξη. Το στρώµα πολυµερούς που σχηµατίζεται στον πυθµένα κατά τη διάρκεια του βήµατος εναπόθεσης, διαλύεται γρήγορα κατά τη διάρκεια του ακόλουθου βήµατος εγχάραξης, καθώς το πολυµερές αποµακρύνεται µε τη βοήθεια των ιόντων και η χηµική αντίδραση των ενεργών ειδών του πλάσµατος µε το πυρίτιο στον πυθµένα µπορεί να συνεχιστεί. Τα τοιχώµατα των δοµών που εγχαράσσονται παραµένουν προστατευµένα κατά τη διάρκεια του βήµατος εγχάραξης από το πολυµερές που είχε εναποτεθεί στα προηγούµενα βήµατα. Η εναλλαγή κύκλων εγχάραξης και παθητικοποίησης δηµιουργεί κυµατισµούς (ripples) στα τοιχώµατα των εγχαρασσόµενων δοµών. Το µέγεθος των κυµατιστών αυτών, όντας συνάρτηση των συνθηκών λειτουργίας, µπορεί να ελεγχθεί ως ένα βαθµό [Kuo-Shen Chen et al. (2002)]. Η ισορροπία µεταξύ της εγχάραξης και της παθητικοποίησης καθορίζει τα τελικά αποτελέσµατα της διαδικασίας και αυτή η ισορροπία µπορεί να ελεγχθεί µέσω ενός µεγάλου αριθµού παραµέτρων όπως : διάρκεια κύκλου εγχάραξης, ρυθµός ροής SF6, ισχύς πηνίου κατά τη διάρκεια του κύκλου εγχάραξης, πίεση κατά τη διάρκεια του κύκλου εγχάραξης, θερµοκρασία υποστρώµατος, απόσταση υποστρώµατος από την πηγή πλάσµατος, διάρκεια κύκλου παθητικοποίησης, ισχύς πηνίου κατά τη διάρκεια του κύκλου παθητικοποίησης, πίεση κατά τη διάρκεια του κύκλου παθητικοποίησης κλπ. [A.M. Hynes et al. (1999)]. Σχ. 1.5 : ιεργασία Bosch i) Μάσκα µε το επιθυµητό σχήµα πάνω σε δισκίδιο πυριτίου, ii) Κύκλος εγχάραξης πυριτίου, iii) Εναπόθεση φιλµ φθοράναθρακα, iv) Κύκλος εγχάραξης πυριτίου [Kuo-Shen Chen et al. (2002)] Για την κατασκευή διαφόρων εφαρµογών MEMS αρκετά από τα παρακάτω θέµατα απαιτούν βελτιστοποίηση : κατασκευή δοµών µε µεγάλο λόγο ασυµµετρίας (high aspect ratio structures HARS), ρυθµός εγχάραξης πυριτίου, γωνία του προφίλ, έλεγχος της κρίσιµης διάστασης (critical dimension CD), τραχύτητα τοιχωµάτων και επιλεκτικότητα ως προς τη µάσκα. Η φύση της διεργασίας Bosch, συγκεκριµένα ο µεγάλος αριθµός των παραµέτρων της διαδικασίας, της δίνει την προσαρµοστικότητα που απαιτείται για να καλύψει τον µεγάλο αριθµό απαιτήσεων της βιοµηχανίας MEMS, από 6

12 τον καλό έλεγχο της κρίσιµης διάστασης και τα λεία τοιχώµατα έως τον υψηλό ρυθµό εγχάραξης και την υψηλή επιλεκτικότητα [A.M. Hynes et al. (1999)]. 1.5 Σκοπός Στην παρούσα διπλωµατική εργασία πραγµατοποιήθηκε προσοµοίωση και πειραµατική µελέτη βελτιστοποίησης της διεργασίας Bosch µε σκοπό α) αύξηση του λόγου ασυµµετρίας των κατασκευαζόµενων δοµών και κατασκευή δοµών µεγάλου λόγου ασυµµετρίας (HARS) και β) τoν καλύτερο έλεγχο του προφίλ. Για την επίτευξη αυτού του στόχου εκτός από την πειραµατική πραγµατοποιήθηκε και θεωρητική µελέτη µε χρήση µοντέλου προσοµοίωσης που αναπτύχθηκε από τον Κόκκορη Γεώργιο στα πλαίσια της ιδακτορικής του ιατριβής. Σε συνεργασία πάντα µε τον Γιώργο Κόκκορη το µοντέλο προσαρµόστηκε στον αντιδραστήρα µας και εφαρµόστηκε ειδικά για τη διεργασία Bosch. Η διάρθρωση της υπόλοιπης εργασίας έχει ως εξής : στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται µια θεωρητική επισκόπηση της διεργασίας Bosch, παρουσιάζονται τα προβλήµατα που αντιµετωπίζονται κατά την εφαρµογή της και τρόποι αντιµετώπισής τους, και αναφέρονται οι υπάρχουσες εργασίες και προτάσεις βελτιστοποίησής της. Στο πρώτο µέρος του τρίτου κεφαλαίου παρουσιάζονται οι πειραµατικές διατάξεις και οι διαγνωστικές µέθοδοι που χρησιµοποιήθηκαν στα πλαίσια της παρούσας εργασίας ενώ στο δεύτερο µέρος γίνεται αναλυτική περιγραφή των πειραµάτων που πραγµατοποιήθηκαν και παρουσιάζονται το σκεπτικό, η πορεία και τα επιµέρους αποτελέσµατα. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται το µοντέλο που χρησιµοποιήθηκε για την προσοµοίωση της διεργασίας Bosch, οι προσαρµογές αυτού στα αντίστοιχα πειραµατικά δεδοµένα, η σύγκριση των αποτελεσµάτων της προσοµοίωσης µε τα πειραµατικά αποτελέσµατα, καθώς και τα συµπεράσµατα που προέκυψαν από την εφαρµογή του µοντέλου. 7

13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο : ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑΣ 2.1 Σηµαντικά προβλήµατα στην ξηρή εγχάραξη υψηλού λόγου ασυµµετρίας για µικροηλεκτροµηχανικά συστήµατα Η ξηρή εγχάραξη υψηλού λόγου ασυµµετρίας είναι µία διαδικασία «κλειδί» στην κατασκευή µοντέρνων µικροηλεκτροµηχανικών συστηµάτων. Συχνά ηµιτελής κατανόηση των πολλών από τις φυσικές και χηµικές διαδικασίες που λαµβάνουν χώρα στο πλάσµα και επηρεάζουν την απόδοση των προϊόντων εγχάραξης οδηγεί σε δυσκολίες στην εφαρµογή της τεχνολογίας πλάσµατος. Σηµαντικές παράµετροι στην ξηρή εγχάραξη υψηλού λόγου ασυµµετρίας, που εξαρτώνται από το ρυθµό εγχάραξης και τις χαρακτηριστικές διαστάσεις, έχουν ερευνηθεί εντατικά την τελευταία δεκαετία. Παρακάτω παρουσιάζονται τα σηµαντικότερα θέµατα προβλήµατα που αντιµετωπίζονται κατά την εγχάραξη υψηλού λόγου ασυµµετρίας Φαινόµενα που παρουσιάζονται κατά τη διάρκεια ξηρής εγχάραξης υψηλού λόγου ασυµµετρίας Όταν προσπαθούµε να δηµιουργήσουµε δοµές µε υψηλό λόγο ασυµµετρίας παρουσιάζονται ποικίλα φαινόµενα, τα περισσότερα από τα οποία δεν παρατηρούνται συνήθως όταν εγχαράσσουµε δοµές µε µικρό λόγο ασυµµετρίας (<3:1). Μάλιστα, αυξανοµένου του λόγου ασυµµετρίας, τα φαινόµενα αυτά γίνονται όλο και πιο σηµαντικά. Τα πιο σηµαντικά από αυτά παρουσιάζονται στο Σχήµα 2.1 και µπορούν να χωριστούν σε τρεις οµάδες [Ivo W. Rangelow (2003)] : α) Φαινόµενα που οφείλονται στη γωνιακή διασπορά των ιόντων και των ουδετέρων εξαιτίας αλληλεπιδράσεων των ιόντων και των ουδετέρων µε τα τοιχώµατα και εξαιτίας της εξάρτησης της απόδοσης της εγχάραξης από τη γωνία πρόσπτωσης των ιόντων. Η αριστερή στήλη του Σχήµατος 2.1 δείχνει τα φαινόµενα που ανήκουν σε αυτήν την οµάδα. β) Το φαινόµενο σκίασης ηλεκτρονίων που προκαλείται από ανοµοιόµορφη φόρτιση των εγχαρασσόµενων δοµών : τα υψηλότερα τµήµατα των δοµών και τα τοιχώµατα φορτίζονται τοπικά και µπορούν να εκτρέψουν τα ιόντα που κινούνται προς τον πυθµένα και να µειώσουν τον αριθµό των ειδών εγχάραξης που φτάνουν τον πυθµένα. Αυτό οδηγεί σε πτυχώσεις στα άκρα του πυθµένα (microtrenching), κύρτωση των τοιχωµάτων (bowing) και notching. H µεσαία στήλη του Σχήµατος 2.1 παρουσιάζει τα φαινόµενα αυτής της οµάδας. γ) Μεταφορά και ελάττωση συγκέντρωσης των αντιδρώντων εγχάραξης και παρεµπόδισης κάτω από συνθήκες υψηλής πιθανότητας αντίδρασης στο βάθος των δοµών. H δεξιά στήλη του Σχήµατος 2.1 παρουσιάζει τα φαινόµενα αυτής της οµάδας. 8

14 Σχήµα 2.1 : Φαινόµενα που παρουσιάζονται κατά την εγχάραξη δοµών υψηλού ασυµµετρίας λόγου Παρακάτω περιγράφονται τα κύρια φαινόµενα και τα πιο κρίσιµα θέµατα της εγχάραξης πυριτίου µε υψηλό λόγο ασυµµετρίας για MEMS Microloading Στην εγχάραξη µε πλάσµα, ο όρος loading effect περιγράφει την εξάρτηση του ρυθµού εγχάραξης ενός υλικού από την επιφάνειά του που εκτίθεται στο πλάσµα. Microloading είναι το φαινόµενο κατά το οποίο δοµές σε περιοχές µε υψηλή πυκνότητα σχήµατος εγχαράσσονται µε µικρότερο ρυθµό από αυτόν που εγχαράσσονται δοµές (του ιδίου µεγέθους) σε περιοχές χαµηλής πυκνότητας. Το φαινόµενο αυτό εξηγείται από τη µείωση της συγκέντρωσης των εγχαρακτών κοντά στην επιφάνεια µε την υψηλή πυκνότητα καθώς καταναλώνονται περισσότερα είδη εγχάραξης από αυτά που παράγονται από το πλάσµα. Το microloading καθορίζεται ως η µεταβολή του ρυθµού εγχάραξης µε την πυκνότητα σχήµατος, και υπολογίζεται ως [Ivo W. Rangelow (2003)] : Microload(%) = 100 (ρυθµός εγχάραξης περιοχών υψηλής πυκνότητας/ ρυθµός εγχάραξης περιοχών χαµηλής πυκνότητας)*100 Για να µειώσουµε ή να αποφύγουµε αυτό το φαινόµενο η διαδικασία πρέπει να πραγµατοποιηθεί µε περίσσεια παροχής εγχαρακτών στην επιφάνεια. Σε 9

15 αυτήν την περίπτωση οι περιοριστικοί παράγοντες του ρυθµού εγχάραξης θα είναι η πιθανότητα αντίδρασης και η αποµάκρυνση των προϊόντων από την επιφάνεια. Οι Coburn και Winters [B.E. Volland et al. (2001)] µελέτησαν την επίδραση του ρυθµού αποµάκρυνσης των προϊόντων από την επιφάνεια στο ρυθµό εγχάραξης για στενές κυκλικές οπές και κατέληξαν στο συµπέρασµα ότι είναι αµελητέα. Έτσι, αν έχουµε περίσσεια εγχαρακτών, ο µόνος περιοριστικός παράγοντας είναι η πιθανότητα αντίδρασης η οποία είναι µία σταθερά του χηµικού συστήµατος (δηλ. της επιφάνειας και των εγχαρακτών) και δεν εξαρτάται από την πυκνότητα των δοµών, µε αποτέλεσµα να έχουµε µείωση του φαινοµένου microloading [B.E. Volland et al. (2001)] Εγχάραξη εξαρτώµενη από το λόγο ασυµµετρίας (aspect ratio dependent etching ARDE) ή RIE lag Με τον όρο RIE lag περιγράφουµε το φαινόµενο της µείωσης του ρυθµού εγχάραξης µε την αύξηση του λόγου ασυµµετρίας. Πρόκειται για ένα πολύπλοκο φαινόµενο και έχουν προταθεί διάφοροι µηχανισµοί για να το εξηγήσουν. Αποδίδεται κυρίως σε δύο φαινόµενα, τη σκίαση των ιόντων από τα τοιχώµατα και τη µάσκα και την περιορισµένη µεταφορά των ριζών στον πυθµένα της δοµής. Με αύξηση του λόγου ασυµµετρίας, µεγαλύτερο µέρος των ιόντων που προσπίπτουν σε µη κάθετες διευθύνσεις υπόκεινται σε σκίαση από τα τοιχώµατα και τη µάσκα. Οι M.K. Abachev et al. [B.E. Volland et al. (2001)] έχουν µελετήσει την εξάρτηση της ροής των ριζών από το λόγο ασυµµετρίας. Ένα από τα συµπεράσµατά τους είναι ότι όσο υψηλότερη είναι η πιθανότητα αντίδρασης τόσο περισσότερο µειώνεται ο ρυθµός εγχάραξης µε αύξηση του λόγου ασυµµετρίας. Ένας τρόπος για να ξεπεράσουµε το πρόβληµα του RIE lag είναι η µείωση της θερµοκρασίας ώστε να µειωθεί η θερµική εγχάραξη του πυριτίου από το SF6, η παροχή περίσσειας SF6, και η εφαρµογή υψηλά κατευθυντικής ροής ιόντων ώστε να µειωθεί η σκίαση αυτών από τη µάσκα και τα τοιχώµατα. Με αυτόν τον τρόπο, ο µόνος περιοριστικός παράγοντας του ρυθµού εγχάραξης είναι η ροή των ιόντων, η οποία µπορεί να ρυθµιστεί ώστε να είναι περίπου η ίδια για δοµές και χαµηλού και υψηλού λόγου ασυµµετρίας, µε τη λειτουργία σε χαµηλές πιέσεις και υψηλό DC δυναµικό [B.E. Volland et al. (2001)] Φαινόµενο φόρτισης Κατά την ηλεκτρική εκκένωση σε αντιδραστήρα πλάσµατος στον κύριο όγκο του πλάσµατος παράγονται ουδέτερα είδη, ηλεκτρόνια και ιόντα (στη µεγάλη πλειοψηφία τους θετικά). Στην εγχαρασσόµενη επιφάνεια φτάνουν τα ιόντα που επιταχύνονται από το ηλεκτρικό πεδίο που αναπτύσσεται στην οριακή στοιβάδα. Το πεδίο όµως αυτό είναι εναλλασσόµενο, όπως και η τάση που εφαρµόζεται στα ηλεκτρόδια του αντιδραστήρα. Έτσι, για κάποια διαστήµατα του κύκλου του εναλλασσόµενου πεδίου της οριακής στοιβάδας, φτάνουν και ηλεκτρόνια στην εγχαρασσόµενη επιφάνεια µε κατανοµή κατευθύνσεων που προσεγγίζει την ισοτροπική. Από την άλλη πλευρά, τα ιόντα προσπίπτουν στην εγχαρασσόµενη δοµή µε κατεύθυνση που επιβάλλεται από το πεδίο της 10

16 οριακής στοιβάδας και είναι κατακόρυφη για την πλειοψηφία των ιόντων. Αυτή η διαφορά στις κατανοµές κατευθύνσεων που φτάνουν στην επιφάνεια έχει σαν αποτέλεσµα στη δοµή να φτάνουν τοπικά άνισες ροές ιόντων και ηλεκτρονίων. Η συνέπεια είναι η τοπική φόρτιση της εγχαρασσόµενης επιφάνειας. Αν η εγχαρασσόµενη δοµή είναι αυλάκι µη αγώγιµου υλικού, συσσωρεύεται αρνητικό φορτίο στα πλάγια τοιχώµατα και θετικό φορτίο στη βάση. Πρόκειται για το φαινόµενο φόρτισης [charging, Hwang & Giapis (1997)], το οποίο εξαρτάται από την αγωγιµότητα των υλικών της δοµής που εγχαράσσεται και µπορεί να προκαλέσει σε ιόντα και ηλεκτρόνια απόκλιση από την αρχική τροχιά τους. Εκτός από την απόκλιση στην κατανοµή κατευθύνσεων ιόντων και ηλεκτρονίων, το φαινόµενο της φόρτισης προκαλεί και µεταβολή των αντίστοιχων κατανοµών ενέργειας. Η πολυπλοκότητα του προβλήµατος είναι υψηλή αφού το αναπτυσσόµενο ηλεκτρικό πεδίο επιδρά στις ροές και την ενέργεια ιόντων και ηλεκτρονίων, οι οποίες επιδρούν µε τη σειρά τους στην τοπική φόρτιση και άρα στο πεδίο που αναπτύσσεται Microtrenching Με τον όρο microtrenching περιγράφουµε τη δηµιουργία πτυχώσεων στα άκρα της βάσης αυλακιού πυριτίου, (Σχήµα 2.2). Το microtrenching ξεκινά κατά τη διάρκεια της εγχάραξης και αποδίδεται σε ιόντα που χτυπούν στα τοιχώµατα και φτάνουν στην επιφάνεια του πυριτίου σε µη κάθετη διεύθυνση. Τα ιόντα αυτά έχουν υψηλότερο συντελεστή ιονοβολής από τα ιόντα που προσκρούουν κάθετα και γι αυτό αποµακρύνουν υλικό πιο αποτελεσµατικά. Η ανάκλαση από τα τοιχώµατα δεν είναι το µόνο φαινόµενο που προκαλεί trenching. Μπορεί να δηµιουργηθεί επίσης από ιόντα τα οποία εκτρέπονται προς τα τοιχώµατα από ηλεκτρικά πεδία που δηµιουργούνται από την αρνητικά φορτισµένη µάσκα και τον θετικά φορτισµένο πυθµένα [Ivo W. Rangelow (2003)], (βλέπε 2.1.4). α) β) Σχήµα 2.2 : α) ηµιουργία microtrench, β) Σχηµατική αναπαράσταση αυτού 11

17 2.1.6 Κύρτωση των τοιχωµάτων (bowing) To φαινόµενο κύρτωσης των τοιχωµάτων συνδέεται ισχυρά µε το ARDE. Γενικά το φαινόµενο οφείλεται σε α) ανάκλαση ιόντων µέσα στη δοµή για µικρές γωνίες πρόσπτωσης, β) γωνιακή διασπορά του ιοντικού βοµβαρδισµού εξαιτίας συγκρούσεων ιόντων ουδετέρων, γ) εκτροπή ιόντων από το ηλεκτρικό πεδίο που παράγεται από τη φόρτιση των τοιχωµάτων ή της µάσκας [Ivo W. Rangelow (2003)]. H γνώση της γωνιακής κατανοµής των ιόντων είναι κυρίαρχης σηµασίας, πρώτον γιατί τα διαγώνια προσπίπτοντα ιόντα µπορούν να προκαλέσουν εγχάραξη των τοιχωµάτων και δεύτερον γιατί τα ανακλώµενα ιόντα µπορούν να συνεισφέρουν στο microtrenching του πυθµένα. 12

18 2.2 Μελέτη της διεργασίας Bosch προτεινόµενες βελτιώσεις ιάφορες ερευνητικές οµάδες έχουν µελετήσει την εγχάραξη δοµών υψηλού λόγου ασυµµετρίας µε τη µέθοδο της παλµικής τροφοδοσίας αερίων και έχουν προτείνει τρόπους βελτίωσής της καθώς και λύσεις σε προβλήµατα που παρουσιάζονται κατά την εφαρµογή της. Παρακάτω παρουσιάζονται οι µελέτες αυτές Ανισοτροπία και έλεγχος του προφίλ Το συγκεκριµένο θέµα είναι σηµαντικό για κάθε εφαρµογή και η ικανότητα να ελέγχουµε την κλίση των τοιχωµάτων του αυλακιού είναι ένα από τα σηµαντικότερα χαρακτηριστικά της βαθιάς εγχάραξης πυριτίου. Είναι εφικτό να πάρουµε ανισοτροπικά προφίλ (Σχ. 2.3α), θετικές κλίσεις (Σχ. 2.3β) όπως και αρνητικές (Σχ. 2.3γ) αλλάζοντας τις παραµέτρους εγχάραξης [Kuo-Shen Chen et al. (2002)]. Η ανισοτροπία εξαρτάται ισχυρά από αρκετές µεταβλητές όπως την ισχύ του πηνίου, το δυναµικό αυτοπόλωσης (self bias), τη διάρκεια των κύκλων εγχάραξης και παθητικοποίησης και την πίεση του θαλάµου. Γενικά ο συνδυασµός της ιονοβολής µε τη δηµιουργία και διατήρηση προστατευτικών φιλµ στα τοιχώµατα µας επιτρέπει να πετύχουµε την επιθυµητή ανισοτροπία και τους στόχους επιλεκτικότητας. Αυτό φαίνεται καθαρά, για παράδειγµα, από τη σχέση της διάρκειας του κύκλου εγχάραξης µε αυτή του κύκλου παθητικοποίησης. Ένας πολύ µεγάλος κύκλος εγχάραξης σε σχέση µε τον κύκλο παθητικοποίησης θα οδηγήσει σε αρνητική κλίση επειδή η εγχάραξη συνεχίζεται πολύ µετά την αποµάκρυνση του προστατευτικού φιλµ. Αντίθετα, αν ο κύκλος εγχάραξης είναι πολύ µικρός δεν θα αποµακρύνει πλήρως τα προστατευτικά φιλµ, δηµιουργώντας έτσι τοιχώµατα µε σηµαντική τραχύτητα επιφάνειας και άλλα επιβλαβή φαινόµενα όπως micromasking και δηµιουργία γρασιδιού (grass). Έτσι, ρυθµίσεις που ενισχύουν την εναπόθεση παχιών προστατευτικών φιλµ, όπως υψηλότερη πίεση, ή ρυθµίσεις που ενισχύουν την αποτελεσµατική αποµάκρυνση αυτών των φιλµ, όπως υψηλότερη ισχύς πηνίου ή ηλεκτροδίου, έχουν σηµαντική επίδραση στην ανισοτροπία. Για παράδειγµα, µε υψηλότερη ρύθµιση της πίεσης η µέση ενέργεια των ιόντων µειώνεται, η γωνία πρόσπτωσης των ιόντων αυξάνεται και η ανισοτροπία καταρρέει. Ανάλογα αποτελέσµατα έχουµε µε αύξηση της ροής του SF6 όταν λειτουργούµε µε σταθερή θέση της βαλβίδας αυτόµατου ελέγχου πίεσης (automatic pressure control - APC). Καθώς η ροή αυξάνει, η πίεση ανεβαίνει και η ανισοτροπία καταρρέει. Με υψηλότερη ρύθµιση της ισχύος πηνίου η πυκνότητα ροής ιόντων αυξάνει, η αποµάκρυνση των προστατευτικών φιλµ είναι περισσότερο ολοκληρωµένη και η ανισοτροπία βελτιώνεται. Επίσης, µε υψηλότερο δυναµικό αυτοπόλωσης η ενέργεια των ιόντων που βοµβαρδίζουν την επιφάνεια αυξάνει και η ανισοτροπία µπορεί να βελτιωθεί ανάλογα µε την πίεση που χρησιµοποιείται. 13

19 Γενικά έχει παρατηρηθεί ότι στενά και παχιά αυλάκια δεν παρουσιάζουν την ίδια ανισοτροπία. Έχοντας ως αναφορά ένα συγκεκριµένο αυλάκι, παχύτερα αυλάκια παρουσιάζουν αυξανόµενα αρνητική κλίση. Γι αυτό, είναι πιθανό αυλάκια διαφορετικού πάχους να έχουν κεκλιµένα τοιχώµατα που να είναι θετικά στη µία περίπτωση (στενό αυλάκι) και αρνητικά στην άλλη (παχύ αυλάκι). Θετική κλίση (α) (β) Αρνητική κλίση (γ) Σχ. 2.3 : α) Βαθύ αυλάκι σε πυρίτιο µε λόγο ασυµµετρίας 24 και βάθος περίπου 100µm, β) Αυλάκι βάθους 32.8 µm και εµφανή θετική κλίση : 6.69 µm στην κορυφή και µόνο 4.86 µm στον πυθµένα και γ) Αυλάκι βάθους 78.1 µm και εµφανή αρνητική κλίση : 12.8 µm στην κορυφή και 16.5 µm στον πυθµένα. 14

20 2.2.2 Βελτίωση του προφίλ της δοµής ρυθµίζοντας το λόγο ιόντων - ριζών Στην εγχάραξη βαθιών δοµών µε τη διεργασία Bosch τα ιόντα είναι πολύ σηµαντικά για την αποµάκρυνση του στρώµατος πολυµερούς από τον πυθµένα του αυλακιού και επίσης παίζουν σηµαντικό ρόλο στο µηχανισµό εναπόθεσης. Ροή ιόντων υψηλής ενέργειας έχει καλή επίδραση στην εξέλιξη του προφίλ επειδή η αποµάκρυνση ενισχύεται σηµαντικά ενώ η δηµιουργία του στρώµατος επιβραδύνεται. Είναι επίσης σηµαντικός ο έλεγχος της κατευθυντικότητας της δέσµης των ιόντων. Εξαιτίας αποκλίσεων από την κάθετη προς το υπόστρωµα διεύθυνση, όπως δίνονται από τη γωνιακή κατανοµή των ιόντων (ion angular distribution - IAD), ιόντα χάνονται από συγκρούσεις µε τα τοιχώµατα κάτι που προκαλεί µείωση της ροής τους και διάβρωση του στρώµατος παθητικοποίησης των τοιχωµάτων. Μπορεί να θεωρηθεί ότι οι συγκρούσεις ιόντων ουδετέρων στην οριακή στιβάδα (sheath) κοντά στο ηλεκτρόδιο έχουν τη µεγαλύτερη συνεισφορά στη διεύρυνση του IAD. Ο ρυθµός εγχάραξης εξαρτάται από το λόγο ασυµµετρίας, κυρίως εξαιτίας της µείωσης των ριζών φθορίου και κατά ένα µέρος εξαιτίας της επαναπόθεσης πολυµερούς. Η διαδικασία Bosch τείνει πάντα σε έναν οριακό λόγο ασυµµετρίας όπου τα τοιχώµατα συγκλίνουν και ο ρυθµός εγχάραξης καταρρέει. Υψηλότερη ροή ιόντων και υψηλότερη ενέργεια ιόντων είναι σηµαντικά ώστε να ωθήσουν τη διαδικασία Bosch σε µεγαλύτερους λόγους ασυµµετρίας [M.A. Blauw et al. (2001)]. Επίσης αποτελεσµατικότερη αποµάκρυνση του στρώµατος παθητικοποίησης από τον πυθµένα της δοµής µε κατάλληλη ρύθµιση στη χηµεία του πλάσµατος θα µπορούσε να βελτιώσει περισσότερο τη διαδικασία Bosch. Σε ένα απλό µοντέλο συµφωνείται ότι ο βασικότερος περιοριστικός παράγοντας για το µέγιστο λόγο ασυµµετρίας είναι η γωνιακή κατανοµή των ιόντων. H ροή των ιόντων θα µπορούσε να ενισχυθεί αυξάνοντας την τάση του υποστρώµατος, µειώνοντας την απόσταση υποστρώµατος - πηγής και µειώνοντας την πίεση [M.A. Blauw et al. (2001)]. Στην τελευταία περίπτωση η πυκνότητα των ριζών µειώνεται επίσης, ενώ παραµένει περίπου σταθερή για τις άλλες δύο περιπτώσεις. Μειώνοντας την απόσταση πηγής υποστρώµατος η ροή των ιόντων µπορεί να αυξηθεί κατά έναν παράγοντα 6 θέτοντας τον υποδοχέα υποστρώµατος (substrate holder) στην ανώτερη θέση και κατά έναν παράγοντα 3 θέτοντας τον υποδοχέα υποστρώµατος σε µέση θέση, ενώ η πυκνότητα των ριζών φθορίου παραµένει σταθερή µε αποκλίσεις 20%. Ένα µειονέκτηµα είναι ότι η διάβρωση της µάσκας αυξάνεται για υψηλές ροές ιόντων, έτσι η επιλεκτικότητα είναι χειρότερη. Υπολογίζεται ότι η πυκνότητα ιόντων σε πλάσµα SF6 είναι περίπου αντιστρόφως ανάλογη της πίεσης, έτσι µε έναν πρόχειρο υπολογισµό µείωση της πίεσης στο µισό θα διπλασίαζε την πυκνότητα ιόντων. Μια αρνητική παρενέργεια της χαµηλής πίεσης είναι η µείωση του ρυθµού εγχάραξης επειδή η πυκνότητα των ριζών φθορίου είναι ανάλογη της πίεσης σε υψηλά επίπεδα ισχύος. 15

21 2.2.3 Βελτίωση του προφίλ για µεγάλα βάθη (> 300 µm) Αν εφαρµόσουµε τη θεωρία κενού σε στενά (<13µm), υψηλού λόγου ασυµµετρίας (>15) αυλάκια πυριτίου, φαίνεται ότι η αγωγιµότητα αυτών των δοµών µειώνεται όσο το βάθος του αυλακιού αυξάνεται. Η µείωση της αγωγιµότητας εµποδίζει τη µεταφορά των ειδών εγχάραξης στον πυθµένα της δοµής καθώς και την αποµάκρυνση των παραπροϊόντων της εγχάραξης. Αυτό το συνδυασµένο φαινόµενο αντικατοπτρίζεται στην αξιοσηµείωτη επιδείνωση του προφίλ όταν το βάθος ξεπερνάει τα 200µm (Σχήµα 2.4). Σχήµα 2.4 : Το προφίλ του αυλακιού επιδεινώνεται γρήγορα όσο το βάθος αυξάνεται. Η επιδείνωση του προφίλ γίνεται περισσότερο ευδιάκριτη όταν το βάθος ξεπερνάει τα 300µm, όπως φαίνεται στη δεξιά εικόνα. Το αυλάκι της αριστερής εικόνας κατασκευάστηκε µε εγχάραξη διάρκειας 4 ωρών χρησιµοποιώντας τις συνθήκες ΜΙΤ56 : 105 sccm SF6, (διάρκεια βήµατος 14s, ισχύς ηλεκτροδίου 12W, ισχύς πηνίου 800W), 40 sccm C4F8 (διάρκεια βήµατος 11s, ισχύς ηλεκτροδίου 6W, ισχύς πηνίου 600W), βαλβίδα APC στις 65 ο. Οι A.A. Ayon et al. κατάφεραν να περιορίσουν το πρόβληµα αντισταθµίζοντας δυναµικά τη µείωση της ροής των ουδετέρων που φτάνουν στον πυθµένα της δοµής κατά τη διάρκεια της διαδικασίας και αποµακρύνοντας γρήγορα τα παραπροϊόντα της εγχάραξης που αποσπώνται και επαναποτίθενται. Αυτός ο τύπος ελέγχου είναι απλός σε εργαλεία που χρησιµοποιούν τη διεργασία Bosch γιατί στον κανονικό τρόπο λειτουργίας η βαλβίδα αυτόµατου ελέγχου πίεσης (APC) παραµένει σταθερή και η πίεση του θαλάµου ελέγχεται από το ρυθµό ροής των αντιστοίχων αερίων κατά τη διάρκεια των κύκλων εγχάραξης και εναπόθεσης. Γι αυτό η πίεση κατά τη διάρκεια του κύκλου εγχάραξης µπορεί να αυξάνεται συστηµατικά σε µια συγκεκριµένη διεργασία, απλά αυξάνοντας το ρυθµό ροής του SF6. Οι υψηλότεροι ρυθµοί ροής SF6 που συνδέονται µε λειτουργία σε υψηλή πίεση διευκολύνουν την αναπλήρωση των ειδών εγχάραξης και τη γρήγορη αποµάκρυνση των παραπροϊόντων της εγχάραξης. Εάν δεν υπάρχει δυνατότητα για συνεχόµενη µεταβολή των παραµέτρων (parameter ramping), οι A.A. Ayon et al. προτείνουν τη 16

22 δηµιουργία µιας διαδικασίας µε βήµατα των 60min, στην οποία η ροή του SF6 θα αυξάνεται µονότονα για παράδειγµα κατά 2sccm ανά µία ώρα. Αυτόν τον τρόπο χρησιµοποίησαν για την εγχάραξη αυλακιών µε βάθος πάνω από 300µm καθώς και πάνω από 500µm. Τα αποτελέσµατα φαίνονται στο Σχήµα 2.5. Σχ. 2.5 : Βελτίωση του προφίλ µε συστηµατική αύξηση της ροής του SF6. Οι συνθήκες λειτουργίας βασίζονται στις συνθήκες γνωστές ως ΜΙΤ56 µε αύξηση 2 sccm στη ροή του SF6 ανά µία ώρα. Για την πρώτη περίπτωση βλέπουµε ότι επιτεύχθηκε καλός έλεγχος του προφίλ. Όσο το βάθος µεγαλώνει πάνω από τα 300µm, είναι αυξανόµενα δυσκολότερο να ελέγξουµε την ανισοτροπία, παρόλα αυτά είναι εφικτό να παράγουµε προφίλ µε ελαφριά θετική κλίση που είναι αποδεκτό για αρκετές εφαρµογές, βλ. δεξιά εικόνα. Πιστεύεται ότι η απόκλιση του προφίλ για βάθη µεγαλύτερα των 500 µm οφείλεται στη διεύρυνση της συνάρτησης γωνιακής κατανοµής των ιόντων στην είσοδο του αυλακιού εξαιτίας της αυξηµένης πίεσης θαλάµου και επίσης εξαιτίας της µείωσης της ροής των ιόντων που φτάνει στον πυθµένα της δοµής καθώς το βάθος γίνεται µεγαλύτερο κλάσµα της µέσης ελεύθερης διαδροµής Μεταβολή παραµέτρων - Parameter Ramping Ένα πρόβληµα που προκύπτει κατά την εγχάραξη δοµών µεγάλου λόγου ασυµµετρίας είναι οι αρχικές συνθήκες εγχάραξης / εναπόθεσης να µην αποδίδουν αφού η δοµή έχει εγχαραχτεί για κάποιο χρόνο. Για παράδειγµα ενώ το βάθος αυξάνεται υπάρχει µια µείωση του µέσου ρυθµού εγχάραξης για σταθερές συνθήκες. Αυτό οδηγεί τελικά στη µείωση του ρυθµού εγχάραξης σε ένα βαθµό που η ισορροπία εγχάραξης-εναπόθεσης είναι τέτοια που η εγχάραξη σταµατά και η δοµή κλείνει. Αν προσπαθήσει κανείς να 17

23 αντιµετωπίσει το πρόβληµα αυτό ξεκινώντας µε έναν υψηλότερο λόγο εγχάραξης / εναπόθεσης, για να αντισταθµίσει το µειωµένο ρυθµό εγχάραξης που εµφανίζεται στη συνέχεια, µπορεί να οδηγηθεί σε απαράδεκτα αποτελέσµατα στην αρχή της εγχάραξης, για παράδειγµα µεγάλο undercut της µάσκας ή υπερβολική πλευρική τραχύτητα ενώ σε άλλες περιπτώσεις το προφίλ της δοµής µπορεί να ανοίγει ή να κλείνει (bowing). Για να πετύχει κανείς ικανοποιητικά αποτελέσµατα τόσο σε χαµηλούς όσο και σε υψηλούς λόγους ασυµµετρίας, για παράδειγµα στην αρχή και στο τέλος της διαδικασίας, πρέπει να αναπτυχθεί το λεγόµενο parameter ramping [Α.Μ. Hynes et al. (1999)]. Αυτό επιτρέπει, µέσα σε µία ορισµένη χρονική περίοδο, την αυτόµατη µεταβολή ορισµένων διαδικαστικών συνθηκών, από µια αρχική συνταγή σε µια τελική. Έτσι µπορεί να επιλεγεί για κάθε παράµετρο ένας ρυθµός αλλαγής (ramp rate) ώστε να προκύψουν βέλτιστα αποτελέσµατα τόσο σε υψηλούς όσο και σε χαµηλούς λόγους ασυµµετρίας Εγχάραξη µε χρήση του parameter ramping Οι Bhardwaj et al. µελέτησαν το parameter ramping για τις ακόλουθες παραµέτρους : ρυθµοί ροής αερίων, πίεση θαλάµου, ισχύς πλάσµατος, διάρκεια του κύκλου και λόγος εγχάραξης/εναπόθεσης και κατέληξαν σε κάποια συµπεράσµατα και προτάσεις για βελτίωση της διεργασίας Bosch που επιτρέπουν τη δηµιουργία περισσότερο οµαλών τοιχωµάτων και καλύτερης ποιότητας βαθιές και/ή µεγάλου λόγου ασυµµετρίας δοµές. Οι βασικότερες από τις προτάσεις τους, τις οποίες και κατοχύρωσαν ως ευρεσιτεχνία, παρουσιάζονται παρακάτω. Σύµφωνα µε τους Bhardwaj et al. προτιµάται ο ρυθµός εναπόθεσης να είναι ενισχυµένος και/ή ο ρυθµός εγχάραξης να είναι µειωµένος κατά τη διάρκεια τουλάχιστον του πρώτου κύκλου και σε κατάλληλες περιστάσεις στους πρώτους κύκλους, π.χ. από το δεύτερο έως τον τέταρτο. Κάτι τέτοιο βοηθάει εκτός από τον καλύτερο έλεγχο της ανισοτροπίας και στον περιορισµό του notching. Ο ρυθµός εγχάραξης µπορεί να µειωθεί µέσω ενός ή περισσοτέρων από τα παρακάτω : Την εισαγωγή ενός scavenging αερίου Μείωση της ισχύος του πλάσµατος Μείωση της διάρκειας του κύκλου Μείωση της ροής του αερίου Μεταβάλλοντας την πίεση του θαλάµου Ο ρυθµός εναπόθεσης µπορεί να αυξηθεί µέσω ενός ή περισσοτέρων από τα παρακάτω : Αύξηση της ισχύος του πλάσµατος Αύξηση της διάρκειας του κύκλου Αύξηση της ροής του αερίου Αύξηση της πυκνότητας των ειδών εναπόθεσης 18

24 Μεταβάλλοντας την πίεση του θαλάµου Ελέγχοντας µία ή περισσότερες εκ των παραπάνω παραµέτρων, το σύστηµα µπορεί να οδηγηθεί να λειτουργήσει µε τέτοιο τρόπο ώστε να πετύχουµε καλή ανισοτροπική εγχάραξη µε κατάλληλη παθητικοποίηση τοιχωµάτων. Επίσης προτιµάται ιδιαίτερα οι παράµετροι να µεταβάλλονται προοδευτικά, δηλ. να µειώνονται ή να αυξάνονται προοδευτικά σε κάθε κύκλο παρά να µεταβάλλονται απότοµα ανάµεσα στους κύκλους. Αν χρησιµοποιούνται απότοµα βήµατα για τη µεταβολή των παραµέτρων, θα παράγονται απότοµες µεταβάσεις και στο προφίλ των τοιχωµάτων. Αυτό παρουσιάζεται στην παρακάτω εικόνα του SEM (Σχήµα 2.6). Στην εικόνα αυτή η µεταβολή των παραµέτρων φαίνεται καθαρά ως µια απότοµη µετάβαση στο προφίλ του τοιχώµατος στο σηµείο αλλαγής των παραµέτρων. Η παθητικοποίηση των τοιχωµάτων είναι αρκετά υψηλή ώστε να οδηγεί σε θετικό προφίλ για τα πρώτα 2µm. Όταν εφαρµόζονται οι συνθήκες µειωµένης παθητικοποίησης, παρατηρείται µετάβαση στη γωνία του τοιχώµατος. Σχήµα 2.6 : Επίδραση απότοµης µεταβολής παραµέτρων στο προφίλ της δοµής Χρησιµοποιώντας την προσέγγιση της προοδευτικής µεταβολής των παραµέτρων είναι δυνατό να παραχθούν οµαλά τοιχώµατα χωρίς απότοµες µεταβάσεις. Όσον αφορά το λόγο ασυµµετρίας, τα δεδοµένα των Bhardwaj et al. υποστηρίζουν τη µεταβολή της παθητικοποίησης µε το βάθος εγχάραξης και επίσης ενισχύουν την πρόταση οι παράµετροι της βέλτιστης διαδικασίας να µεταβάλλονται µε το βάθος εγχάραξης. Με χρήση των συνθηκών που φαίνονται στον Πίνακα 2Ι εγχαράχθηκε η δοµή του σχήµατος

25 Σχήµα 2.7 : Εγχάραξη µε χρήση του parameter ramping. Εδώ το SEM δείχνει ένα αυλάκι βάθους 295µm και κρίσιµης διάστασης 12µm (25:1 λόγος ασυµµετρίας). Η εικόνα αυτή δείχνει ένα αυλάκι βάθους 295µm, µε οµαλό θετικό προφίλ και χωρίς απώλεια κρίσιµης διάστασης, ενώ διατηρεί ρυθµό εγχάραξης συγκρίσιµο µε αυτόν της διαδικασίας χωρίς προοδευτική µεταβολή παραµέτρων. Οι συνθήκες της διαδικασίας που χρησιµοποιήθηκαν σε αυτήν την περίπτωση φαίνονται στον παρακάτω Πίνακα 2Ι. Πίνακας 2Ι : Συνθήκες εγχάραξης της δοµής του Σχήµατος 2.7 µε χρήση parameter ramping Εκτός από τις παραπάνω προτάσεις τους για βελτίωση της ανισοτροπίας οι Bhardwaj et al. προτείνουν κάποιες ρυθµίσεις σχετικά µε την τραχύτητα της επιφάνειας και τα χρησιµοποιούµενα αέρια εγχάραξης και εναπόθεσης. 20

26 Τραχύτητα επιφάνειας Πιστεύεται ότι θα ήταν επικερδές να αναµιχτούν τα βήµατα της εγχάραξης και της εναπόθεσης µε αποτέλεσµα τη σηµαντική µείωση της τραχύτητας της επιφάνειας. Εφόσον η τραχύτητα των τοιχωµάτων είναι βασικά εκδήλωση της οριζόντιας εγχάραξης, µπορεί να µειωθεί περιορίζοντας αυτό το συστατικό της εγχάραξης. Το επιθυµητό αποτέλεσµα µπορεί να επιτευχθεί µε διάφορους τρόπους : τµηµατική ανάµιξη των βηµάτων εγχάραξης και παθητικοποίησης (overlapping), ελαχιστοποίηση της διάρκειας της εγχάραξης (άρα και της αντίστοιχης παθητικοποίησης), µείωση της αστάθειας των προϊόντων εγχάραξης µειώνοντας τη θερµοκρασία του δισκιδίου, πρόσθεση συστατικού παθητικοποίησης στο αέριο εγχάραξης, δηλ. SF6 µε O, N, C, CFx, CHx, ή αντικαθιστώντας το αέριο της εγχάραξης µε κάποιο άλλο λιγότερο ενεργών ειδών όπως αντικατάσταση του SF6 µε CFx κ.ά. [Bhardwaj et al. (2001)]. Προτείνεται επίσης τα βήµατα εγχάραξης/εναπόθεσης να έχουν διάρκεια µικρότερη των 7,5 ή ακόµα των 5 sec για να µειώσουµε την τραχύτητα της επιφάνειας. Όσον αφορά στην τραχύτητα υπάρχει επίσης η έρευνα των B.Volland et al., οι οποίοι προτείνουν την προσθήκη ενός ευγενούς αερίου (Ar) στο SF6 µε αποτέλεσµα οι ιοντικά βοηθούµενες χηµικές αντιδράσεις στον πυθµένα των δοµών να αυξάνονται και να προκύπτουν κάθετα προφίλ Παθητικοποίηση Στη διεργασία Bosch γίνεται εναπόθεση στρώµατος παθητικοποίησης της µορφής CFx. Προτείνεται από τους Bhardwaj et al. η παθητικοποίηση των τοιχωµάτων να γίνεται µε στρώµατα άνθρακα ή υδρογονάνθρακα που παρέχουν σηµαντικά υψηλότερες ενέργειες δεσµών. Τα φιλµ υδρογονάνθρακα (H-C) που σχηµατίζονται έχουν σηµαντικά πλεονεκτήµατα σε σχέση µε τα προηγούµενα φιλµ φθοράνθρακα. Για παράδειγµα τα φιλµ υδρογονάνθρακα µπορούν να αποµακρυνθούν εύκολα µετά την ολοκλήρωση της εγχάραξης µε πλάσµα οξυγόνου. Αυτό είναι ιδιαίτερα σηµαντικό εφαρµογές όπως βιοϊατρικές συσκευές, όπου είναι βασικό να αποµακρύνεται πλήρως το στρώµα από τα τοιχώµατα. Τα φιλµ υδρογονάνθρακα µπορούν να εναποτίθενται από µια ποικιλία πρόδροµων ουσιών όπως CH4, C2H4, C3H6, C4H8, C2H2 κ.ά., περιέχοντας υψηλού µοριακού βάρους αρωµατικούς υδρογονάνθρακες. Αυτά µπορούν να αναµιχθούν µε ευγενή αέρια ή και υδρογόνο. Μπορεί επίσης να προστεθεί µια πηγή οξυγόνου (CO, CO2, O2 κ.ά.) που θα χρησιµοποιούταν για τον έλεγχο της ισορροπίας της φάσης του φιλµ κατά τη διάρκεια της εναπόθεσης. Το οξυγόνο τείνει να αποµακρύνει τη γραφιτική φάση (sp 2 ) του άνθρακα αφήνοντας τη σκληρότερη (sp 3 ) φάση. Έτσι το κλάσµα οξυγόνου επηρεάζει τα χαρακτηριστικά του φιλµ που εναποτίθεται τελικά. 21

27 Αέρια εγχάραξης Παρόλο που µπορεί να χρησιµοποιηθεί οποιοδήποτε κατάλληλο αέριο, κάποια συγκεκριµένα αέρια ή αναµίξεις µπορούν να παρέχουν πλεονεκτήµατα. Στις παλιότερες τεχνικές αναφέρεται ότι είναι ανεπιθύµητο να υπάρχουν αέρια παθητικοποίησης στο βήµα εγχάραξης γιατί επηρεάζεται ο ρυθµός της διαδικασίας. Παρόλα αυτά παρατηρήθηκε ότι αυτή η διαδικασία µπορεί να βελτιώσει σηµαντικά την ποιότητα των τοιχωµάτων των εγχαρασσόµενων δοµών και προτείνεται στα αέρια εγχάραξης να προστίθενται αέρια παθητικοποίησης όπως O,N,C και υδρογονάνθρακες [Bhardwaj et al. (2001)]. Όµοια, και για τον ίδιο σκοπό, είναι επιθυµητό να µειώσουµε τη χηµική αντιδραστικότητα του αέριου εγχάραξης και γι αυτό προτείνεται η χρήση CFx µε Cl, Br ή I. Παρόλα αυτά και άλλα αέρια µπορούν να χρησιµοποιηθούν όπως XeF Αποφυγή του underetching µε σύγχρονη βελτίωση της ανισοτροπίας Η εφαρµογή του Bosch process σε ICP (inductively coupled plasma) συστήµατα δηµιουργεί διάφορα προβλήµατα. Ένα από αυτά είναι η εγχάραξη µίας εσοχής στο πυρίτιο ακριβώς κάτω από την άκρη του φωτοευαίσθητου υλικού. Ο σχηµατισµός φιλµ στα τοιχώµατα δεν είναι ακόµα πλήρως αποτελεσµατικός στην άκρη της µάσκας και γι αυτό η παθητικοποίηση εκεί είναι ασθενέστερη. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα το αποκαλούµενο underetching µε αποτέλεσµα οι εγχαρασσόµενες δοµές στο πυρίτιο να µην παρουσιάζουν πλέον την απαραίτητη ακρίβεια και τις κρίσιµες διαστάσεις. Η µέθοδος που παρουσιάζεται παρακάτω κατοχυρώθηκε ως ευρεσιτεχνία από τους Lärmer et al. και αποφεύγει το πρόβληµα του underetching µε το γεγονός ότι η ποσότητα του πολυµερούς που εναποτίθεται, είναι αρχικά πολύ µεγάλη και µετά µειώνεται σταδιακά. Έτσι το έλλειµµα πολυµερούς στα τοιχώµατα στην αρχή της διαδικασίας διορθώνεται και τα τοιχώµατα παραµένουν αποτελεσµατικά παθητικοποιηµένα. Γι αυτό είναι σηµαντικό χαρακτηριστικό και ιδιαίτερο πλεονέκτηµα της διαδικασίας το να ξεκινάµε µε µεγαλύτερη ποσότητα πολυµερούς και στη συνέχεια αυτή η ποσότητα να µειώνεται κατά την εναλλαγή των βηµάτων εγχάραξης και εναπόθεσης. Ένα µειονέκτηµα αυτής της µεθοδολογίας αποτελεί η εµφάνιση προφίλ θετικής κλίσης, δηλ. τα τοιχώµατα του εγχαρασσόµενου αυλακιού δεν είναι πλέον κάθετα, αντίθετα συγκλίνουν αυξανοµένου του βάθους. Μια διόρθωση που γίνεται µόνο µία φορά σε αυτό το προφίλ µέσω των κατάλληλων παραµέτρων οδηγεί ξανά στο πρόβληµα της εσοχής στο σηµείο ασυνέχειας. Αυτό περιορίζεται από τη βαθµιαία µείωση του εναποτιθέµενου πολυµερούς κατά τα βήµατα εναπόθεσης. Η αρχικά πλούσια σε πολυµερές διαδικασία µε θετικό προφίλ ξεκινάει χωρίς σχηµατισµό εσοχής, έτσι ώστε η διαδικασία µεταβαίνει βαθµιαία σε µία που παράγει κάθετα προφίλ µε µικρότερη εναπόθεση πολυµερούς και το µεγαλύτερο µέρος της εγχάραξης πραγµατοποιείται µε αυτή. Για παράδειγµα, ρύθµιση των παραµέτρων 22

28 εκτελείται στα πρώτα 20µm όταν η εγχάραξη πρόκειται να φτάσει σε ένα βάθος 100µm στο πυρίτιο. Είναι ιδιαιτέρως χρήσιµο η ρύθµιση των βηµάτων εναπόθεσης να πραγµατοποιείται συνεχόµενα από τον έναν κύκλο στον άλλον. Είναι χρήσιµο να ξεκινάµε µε µία πλούσια σε πολυµερές διαδικασία, η οποία θα µπορούσε να οδηγήσει σε θετικό προφίλ αλλά σίγουρα αποτρέπει το σχηµατισµό εσοχής κάτω από την άκρη της µάσκας. Με καθέναν από τους κύκλους που ακολουθούν η συγκέντρωση πολυµερούς µειώνεται ελαφρά, έτσι ώστε αυτή η συνεχής ρύθµιση των διαφόρων παραµέτρων της διαδικασίας να ελαχιστοποιεί τόσο τις ασυνέχειες στις µεταβάσεις του προφίλ όσο και τον κίνδυνο δηµιουργίας εσοχής. Βέβαια η ποσότητα του εναποτιθέµενου πολυµερούς µπορεί να µειώνεται και σε διακριτά βήµατα. Η διαδικασία ξεκινάει για παράδειγµα µε έναν µεγάλο χρόνο εναπόθεσης για κάθε βήµα και η εγχάραξη εκτελείται για λίγο µε αυτές τις παραµέτρους. Ο χρόνος εναπόθεσης στη συνέχεια µειώνεται, η εγχάραξη συνεχίζεται για ένα χρονικό διάστηµα µε τη νέα ρύθµιση και ούτω καθεξής µέχρι να φτάσουµε µία ρύθµιση που να παράγει κάθετο προφίλ. Η µείωση στην ποσότητα του πολυµερούς µπορεί να γίνει µεταβάλλοντας τη διάρκεια των βηµάτων εγχάραξης ή των βηµάτων εναπόθεσης, εφόσον µε τη µεταβολή αυτή δεν αλλάζει καµία εσωτερική ιδιότητα του πλάσµατος. Η µεταβολή της διάρκειας των βηµάτων εγχάραξης ή εναπόθεσης είναι απλή και τα αποτελέσµατα της ρύθµισης γίνονται εύκολα φανερά. Μια άλλη δυνατότητα είναι να ελέγχουµε την ποσότητα του πολυµερούς µεταβάλλοντας τη θερµοκρασία του υποστρώµατος ή αλλάζοντας την πίεση κατά τη διάρκεια της εναπόθεσης. Είναι σηµαντικό να επισηµάνουµε ότι µια απότοµη µετάβαση από κάποιες παραµέτρους που παράγουν ένα θετικό προφίλ σε κάποιες άλλες που παράγουν ένα πολύ λιγότερο θετικό προφίλ, εµπεριέχει επίσης τον κίνδυνο σχηµατισµού εσοχής : όταν πραγµατοποιείται µια απότοµη µετάβαση σε ένα κάθετο προφίλ, το θετικό προφίλ είναι πολύ παρόµοιο στο σχήµα µε το προφίλ της άκρης της µάσκας και η µετάβαση σε ένα λιγότερο θετικό προφίλ αποτελεί πάλι µία σηµαντική ασυνέχεια στα τοιχώµατα και µπορεί να προκαλέσει το πρόβληµα της εσοχής. Γι αυτό είναι προτιµότερο αυτή η ρύθµιση να µη γίνεται σε µεγάλα βήµατα, αλλά να µεταβαίνουµε σε παραµέτρους κάθετου προφίλ µε αρκετά βήµατα. Πρακτικά, το αποτέλεσµα της µεθόδου είναι ένα κάθετο προφίλ, παρόλο που η διαδικασία ξεκινάει µε ένα αρχικά θετικό προφίλ και µεταβαίνει βαθµιαία σε ένα κάθετο προφίλ. Ο λόγος γι αυτό είναι ότι το τµήµα του προφίλ µε τη θετική κλίση προστατεύεται µόνο από το πολυµερές στο τοίχωµα και όχι πλέον από τη µάσκα, εφόσον το θετικό προφίλ προβάλλεται πέρα από την άκρη της µάσκας µέσα στο αυλάκι, και το κεκλιµένο τοίχωµα εκτίθεται σε έναν περισσότερο έντονο ιοντικό βοµβαρδισµό από ό,τι ένα κάθετο τοίχωµα. Έτσι η διαδικασία της εγχάραξης αποµακρύνει σιγά σιγά αυτό το τµήµα του προφίλ και αυτή η απόκλιση από το κάθετο σχήµα διορθώνεται αυτόµατα από µόνη 23

29 της. Η µόνη απαίτηση γι αυτό είναι µετά τη µετάβαση σε ένα σετ παραµέτρων κάθετου προφίλ, είτε σε διακριτά βήµατα είτε συνεχόµενα, η εγχάραξη να συνεχίζει για ένα αρκετό χρονικό διάστηµα ώστε αυτή η διόρθωση του προφίλ να ολοκληρωθεί. Οι τιµές που αναφέρθηκαν, δηλ. 10 έως 20µm για τα αρχικά βήµατα και περίπου 80 µm όπου η εγχάραξη λαµβάνει χώρα µε το σετ παραµέτρων για κάθετο προφίλ, αποτελούν έναν πρώτο οδηγό για το σχεδιασµό της διαδικασίας. Βεβαίως µε αυτή τη στρατηγική µπορούν να επιτευχθούν και µεγαλύτερα βάθη των 100 µm. Είναι βασικό για τη µέθοδο το πρώτο βήµα να είναι βήµα εναπόθεσης πολυµερούς έτσι ώστε ο µηχανισµός προστασίας των τοιχωµάτων να λειτουργήσει κατά τη διάρκεια του ακόλουθου βήµατος εγχάραξης. Το βήµα εγχάραξης µπορεί να διαρκέσει µέχρι να επιτευχθεί το επιθυµητό βάθος. Μετά ακολουθείται από ένα άλλο βήµα εναπόθεσης, παρόλο που αυτή τη φορά εναποτίθεται λιγότερο πολυµερές. Τα βήµατα εγχάραξης και εναπόθεσης επαναλαµβάνονται εναλλασσόµενα µε κατάλληλες ρυθµίσεις στις παραµέτρους αρκετές φορές ώστε η ποσότητα του εναποτιθέµενου πολυµερούς να µειωθεί βαθµιαία. Αυτές οι παράµετροι περιλαµβάνουν τις φυσικές ποσότητες που αναφέρονται παρακάτω : - Αύξηση στο επίπεδο ισχύος του ICP, για παράδειγµα πάνω από 1000W µε ταυτόχρονη αύξηση της ροής του αερίου παθητικοποίησης π.χ. πάνω από 200 sccm, κάτι που οδηγεί σε αυξηµένη εναπόθεση πολυµερούς. - Αύξηση στη διάρκεια του βήµατος εναπόθεσης που επίσης οδηγεί σε αυξηµένη εναπόθεση πολυµερούς. - Μείωση στη διάρκεια του βήµατος εγχάραξης που αυξάνει αποτελεσµατικά την παθητικοποίηση των τοιχωµάτων. - Μείωση στη θερµοκρασία του δισκιδίου, που επίσης αυξάνει την εναπόθεση πολυµερούς. - Να πραγµατοποιούµε τα βήµατα εναπόθεσης στην περιοχή πιέσεων των 10µbar που είναι η πιο επιθυµητή σε ICP συστήµατα. - Αύξηση της πίεσης κατά τη διάρκεια των βηµάτων εγχάραξης έτσι ώστε να αυξήσουµε τη συγκέντρωση των ριζών εγχάραξης αλλά και να µειώσουµε τη συγκέντρωση των ιόντων που αποµακρύνουν το πολυµερές Στενά αυλάκια δίπλα σε παχιές δοµές Παρόλο που µε τη διαδικασία Bosch µπορούν να επιτευχθούν υψηλοί ρυθµοί εγχάραξης (>3µm/min), καλή επιλεκτικότητα (>70:1) και καλή ανισοτροπία, συχνά παρατηρείται ότι είναι προβληµατική η εγχάραξη δοµών υψηλού λόγου ασυµµετρίας στην περιοχή παχιών δοµών γιατί οι τελευταίες µειώνουν τοπικά τη διαθεσιµότητα των ειδών εγχάραξης, όπως φαίνεται στο πρώτο σχήµα. 24

30 Σχήµα 2.8 : α) πρόβληµα κατά την εγχάραξη στενών δοµών δίπλα σε παχιές δοµές, β) διόρθωση του προβλήµατος µε αύξηση της ισχύος του πηνίου κατά τον κύκλο εγχάραξης Πρέπει να ληφθούν µέτρα ώστε να αποκτήσουµε ξανά τον έλεγχο του προφίλ σε εφαρµογές που παρουσιάζουν τέτοια γεωµετρία. Οι A.A. Ayόn et al. προτείνουν ως λύση σε αυτό το πρόβληµα την αύξηση της ροής των ιόντων που φτάνει στην επιφάνεια του δισκιδίου κατά τη διάρκεια του κύκλου εγχάραξης ώστε να έχουµε περισσότερο αποτελεσµατική και ολοκληρωµένη αποµάκρυνση του προστατευτικού στρώµατος πολυµερούς στον πυθµένα της δοµής. Η ιοντική ροή ελέγχεται από την εφαρµοζόµενη ισχύ πηνίου (αύξηση της ροής µε αύξηση της ισχύος του πηνίου) κατά τη διάρκεια του αντίστοιχου κύκλου, έτσι οι προσπάθειες βελτιστοποίησης επικεντρώνονται σε αυτήν τη µεταβλητή. Στο δεύτερο σχήµα φαίνεται η αξιοσηµείωτη βελτίωση από τη χρήση της προαναφερθείσας προσέγγισης Μέθοδος τριών παλµών Παρακάτω παρουσιάζεται µία σύγκριση της διαδικασίας Bosch και µιας καινούριας µεθόδου εγχάραξης η οποία προτείνεται από τους M.A. Blauw et al. και η οποία, σε αντίθεση µε τους δύο παλµούς της διαδικασίας Bosch, αποτελείται από µια ακολουθία τριών παλµών. Ο τρίτος παλµός χρησιµοποιείται για βελτίωση της αποπαθητικοποίησης του πυθµένα της δοµής πριν από κάθε βήµα εγχάραξης. Η αποπαθητικοποίηση µπορεί να γίνει µε διάφορες χηµείες : O2, CO2, και SO2. Οι παράµετροι του Bosch process αποτελούν τη βάση πάνω στην οποία αναπτύχθηκε η διαδικασία των τριών παλµών. Ως εµπειρικός κανόνας, κάθε δευτερόλεπτο παλµού αποπαθητικοποίησης απαιτεί δύο παραπάνω δευτερόλεπτα στο χρόνο παθητικοποίησης ώστε να διατηρηθεί ανισοτροπικό προφίλ. Αυτό µειώνει τον καθαρό ρυθµό εγχάραξης. Αν η διάρκεια του κύκλου αποπαθητικοποίησης αυξηθεί, παρατηρείται σηµαντική αρνητική κλίση. Με τη διαδικασία Bosch είναι δύσκολο να πετύχουµε τέτοια αρνητική κλίση, έτσι το 25

31 µεγαλύτερο εύρος ελέγχου του προφίλ µε τη διαδικασία των τριών παλµών παρέχει σηµαντικά πλεονεκτήµατα για συγκεκριµένες εφαρµογές. Πραγµατοποιήθηκε σύγκριση της µεθόδου µε τη διαδικασία Bosch για πιθανές βελτιώσεις στο λόγο ασυµµετρίας. Για τη διαδικασία Bosch ο υψηλότερος λόγος ασυµµετρίας και τα όσο το δυνατόν πιο κάθετα τοιχώµατα επιτυγχάνονται για χαµηλή πίεση, υψηλή ενέργεια ιόντων και υψηλή ροή ιόντων δηλ. για υψηλό λόγο ιόντων/ριζών. Έτσι πραγµατοποιήθηκαν πειράµατα και µε µέση και µε υψηλή ροή ιόντων. Για την υψηλότερη ροή ιόντων τα αποτελέσµατα φαίνονται στα παρακάτω σχήµατα 10(a) και 10(b). Σχ. 2.9 : Αυλάκια υψηλού λόγου ασυµµετρίας µε άνοιγµα µάσκας 1,5µm, εγχαραγµένα µε: (a) τη διαδικασία τριών παλµών και (b) τη διαδικασία Bosch. Στη διαδικασία τριών παλµών τα τοιχώµατα έχουν µεγαλύτερη αρνητική κλίση αλλά ο µέγιστος λόγος ασυµµετρίας είναι συγκρίσιµος µε αυτόν της διαδικασίας Bosch. Οι διαφορές στο µέγιστο λόγο ασυµµετρίας είναι σχετικά µικρές. Παρόλα αυτά, µειωµένη ιοντική ροή δεν επιδεινώνει το λόγο ασυµµετρίας στη µέθοδο των τριών παλµών. Συγχρόνως η επιλεκτικότητα αυξάνει ενώ ο ρυθµός εγχάραξης είναι σχεδόν ίσος. Αυτό είναι ένα πλεονέκτηµα της µεθόδου τριών παλµών γιατί στην εγχάραξη βαθιών δοµών η διάβρωση της µάσκας µπορεί να αποτελέσει περιοριστικό παράγοντα. 26

32 2.2.9 Συµπεράσµατα Παρατηρήσεις Από την επισκόπηση της βιβλιογραφίας που παρατέθηκε παραπάνω µπορούν να βγουν κάποια χρήσιµα συµπεράσµατα. Παρατηρούµε ότι αρκετές ερευνητικές οµάδες συµφωνούν πως για την επέκταση του λόγου ασυµµετρίας χρειάζεται υψηλός λόγος της ροής των ιόντων προς τη ροή των ριζών. Επίσης συµφωνείται ότι υψηλότερη ενέργεια ιόντων και καλός έλεγχος της κατευθυντικότητας αυτών έχουν καλή επίδραση στην εξέλιξη του προφίλ και ωθούν σε µεγαλύτερους λόγους ασυµµετρίας. Η αύξηση της ροής των ιόντων µπορεί να επιτευχθεί µε αυξηµένη ισχύ πηνίου, αύξηση της τάσης του υποστρώµατος, µείωση της απόστασης υποστρώµατος πηγής και µείωση της πίεσης. Χαµηλή πίεση και υψηλή ισχύς ηλεκτροδίου συνεισφέρουν στην υψηλότερη ενέργεια των ιόντων. Ως βασικότερα µειονεκτήµατα των ρυθµίσεων αυτών µπορούν να αναφερθούν η µείωση της επιλεκτικότητας (εξαιτίας της υψηλής ενέργειας των ιόντων) και η µείωση του ρυθµού εγχάραξης (εξαιτίας της χαµηλής πίεσης). Παρατηρούµε επίσης ότι τρεις ερευνητικές οµάδες (A.Ayon et al., Lärmer et al., Bhardwaj et al.) συµφωνούν πως µπορούµε να βελτιώσουµε το λόγο ασυµµετρίας µε σταδιακή αύξηση της πίεσης κατά το βήµα εγχάραξης. Με τον τρόπο αυτό πιστεύεται ότι αντισταθµίζεται η µείωση της ροής των ουδετέρων που παρατηρείται σε µεγάλα βάθη εγχάραξης και επιδεινώνει σηµαντικά το προφίλ. Ακόµη όσον αφορά το βήµα εναπόθεσης προτείνεται σταδιακή µείωση της πίεσης και χρήση υψηλού δυναµικού, που οδηγεί στην εναπόθεση λιγότερου πολυµερούς στον πυθµένα, αν και πολύ χαµηλή πίεση θα οδηγούσε σε µη αποδεκτό ρυθµό εναπόθεσης στα τοιχώµατα. Μία άλλη πρόταση είναι να ξεκινήσουµε µε ενισχυµένο ρυθµό εναπόθεσης στους πρώτους κύκλους (Lärmer et al., Bhardwaj et al.) και στη συνέχεια να µειώνουµε σταδιακά την ποσότητα του πολυµερούς που εναποτίθεται. Η συγκεκριµένη µεθοδολογία εκτός από τη συνεισφορά της στο λόγο ασυµµετρίας µπορεί να βοηθήσει σηµαντικά, ειδικά αν ξεκινήσουµε µε πρώτο βήµα την εναπόθεση, και στην απάλειψη των φαινοµένων του undercutting και του notching. 27

33 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο Α. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΙΑΤΑΞΕΙΣ ΚΑΙ ΙΑΓΝΩΣΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟ ΟΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΥ ΠΛΑΣΜΑΤΟΣ ΚΑΙ ΟΜΩΝ Στο µέρος Α του 3 ου κεφαλαίου περιγράφεται ο εξοπλισµός που χρησιµοποιήθηκε για τη διεξαγωγή των πειραµάτων καθώς και οι διαγνωστικές µέθοδοι χαρακτηρισµού που εφαρµόστηκαν. Στο Β µέρος περιγράφεται ο χαρακτηρισµός της αέριας φάσης του πλάσµατος και ο υπολογισµός των ρυθµών εναπόθεσης πολυµερούς και εγχάραξης επιφανειών. Στο Γ µέρος περιγράφεται η εγχάραξη δοµών. ΑΝΤΙ ΡΑΣΤΗΡΑΣ ΠΛΑΣΜΑΤΟΣ Ο αντιδραστήρας πλάσµατος που βρίσκεται στο εργαστήριο πλάσµατος του Ινστιτούτου Μικροηλεκτρονικής είναι κατασκευασµένος από την Alcatel, έχει την ονοµασία MET (Micromachining Etch Tool) και είναι ικανός για την εγχάραξη πυριτίου ή παρεµφερών υλικών ανισοτροπικά και σε βάθη όσο το πάχος του δισκίου. Σχήµα 3.1 : Ο αντιδραστήρας πλάσµατος του Ινστιτούτου Μικροηλεκτρονικής του ΕΚΕΦΕ ηµόκριτος. Το σύστηµα αποτελείται από έναν προθάλαµο, από τον κύριο θάλαµο και από διάφορες επιµέρους µονάδες που χρησιµεύουν για τη λειτουργία του αντιδραστήρα. Αυτές είναι η κεντρική µονάδα που διαχειρίζεται τις βασικές λειτουργίες του συστήµατος (π.χ. φόρτωση εκφόρτωση δισκίου), το σύστηµα ρύθµισης δυναµικού (bias), το σύστηµα ελέγχου πίεσης, η µονάδα ελέγχου ισχύος, το σύστηµα ρύθµισης θερµοκρασίας, οι ρυθµιστές ροής των αερίων, οι ενδείξεις πίεσης του προθαλάµου και του κυρίως θαλάµου και η µονάδα ενηµέρωσης της κατάστασης της τούρµπο-µοριακής αντλίας και µηχανικών αντλιών. Στον αντιδραστήρα πλάσµατος πραγµατοποιήθηκαν όλες οι εγχαράξεις µε τη Bosch που έγιναν στα πλαίσια της παρούσας εργασίας. διεργασία 28

34 Hλεκτρονικό µικροσκόπιο σάρωσης (Scanning Electron Microscopy SEM) Για τη µελέτη των δοµών που κατασκευάζουµε το βασικό όργανο που χρησιµοποιείται είναι το ηλεκτρονικό µικροσκόπιο σάρωσης. Το ηλεκτρονικό µικροσκόπιο είναι ένα µικροσκόπιο που όπως υποδηλώνει και το όνοµά του στηρίζει τη λειτουργία του σε µια δέσµη ηλεκτρονίων µεγάλης κινητικής ενέργειας που φωτίζει την περιοχή του δείγµατος που πρόκειται να µελετηθεί. Η δέσµη των δευτερογενών ηλεκτρονίων που προέρχεται από το δείγµα επεξεργάζεται µε τη βοήθεια του προγράµµατος που συνοδεύει το SEM αναπαριστώντας µια τρισδιάστατη εικόνα της εξωτερική επιφάνειας της δοµής. Το µοντέλο του SEM που βρίσκεται στο Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής είναι το LEO 440 (Zeiss-Leica) και η διακριτική ικανότητά του, σύµφωνα µε τον κατασκευαστή είναι 5 nm. Τα δείγµατα επιµεταλλώνονται µε ένα στρώµα πλατίνας ώστε να µη φορτίζεται η επιφάνεια τους από τα ηλεκτρόνια που πέφτουν πάνω της. Η επιµετάλλωση γίνεται µε ιονοβολή (sputtering) και πραγµατοποιείται µέσα σε µια διάταξη πλάσµατος Ar. Το SEM χρησιµοποιήθηκε για την παρατήρηση των δοµών που εγχαράκτηκαν µε τη διεργασία Bosch. ΕΛΛΕΙΨΟΜΕΤΡΙΑ Η ελλειψοµετρία είναι από τις βασικές φασµατοσκοπικές µεθόδους οπτικού χαρακτηρισµού. Οι οπτικές µέθοδοι ελάχιστα επηρεάζουν το υπό µελέτη δοκίµιο (διότι είναι µη καταστροφικές), και µπορούν να εφαρµοσθούν (κατά περίπτωση) µε υψηλή φασµατική, χρονική και χωρική διακριτική ικανότητα. Η ελλειψοµετρία είναι µια πολύ ευαίσθητη τεχνική µέτρησης που χρησιµοποιεί πολωµένο φως για να χαρακτηρίσει λεπτά υµένια, επιφάνειες και µικροδοµή υλικών. Βασίζεται στον καθορισµό της σχετικής αλλαγής φάσης σε µια δέσµη ανακλώµενου πολωµένου φωτός. γραµµικά πολωµένο φως επίπεδο p ελλειπτικά πολωµένο φως επίπεδο p επίπεδο s επίπεδο s επίπεδο πρόσπτωσης δείγµα 29

35 Σχήµα 3.2 : Γεωµετρία ελλειψοµετρικής µέτρησης. Το Σχήµα 3.2 δείχνει τη βασική αρχή στην οποία βασίζεται η ελλειψοµετρία. Αρχικά η κατάσταση πόλωσης του εισερχόµενου φωτός είναι γνωστή. Το προσπίπτων αυτό φως αλληλεπιδρά µε το δείγµα και ανακλάται. Αυτή η αλληλεπίδραση προκαλεί µια αλλαγή στην πόλωση του φωτός, από γραµµική σε ελλειπτική. Αυτή η αλλαγή στην πόλωση µπορεί να µετρηθεί αναλύοντας το ανακλώµενο από το δείγµα φως. Η ελλειψοµετρία µετρά δύο παραµέτρους, Ψ και, που περιγράφουν αυτήν την αλλαγή στην πόλωση. Αυτοί οι παράµετροι σχετίζονται µε τον λόγο των συντελεστών ανάκλασης Fresnel, R p και R s για το πολωµένο φως στα επίπεδα p και s αντίστοιχα. ~ R ρ = tan( Ψ) = (3.1) i p e ~ Rs Επειδή η ελλειψοµετρία υπολογίζει το λόγο των δύο παραµέτρων, µπορεί να είναι πολύ ακριβής και επαναλήψιµη. Η ελλειψοµετρία λοιπόν, µετρά την αλλαγή στην πόλωση, που εκφράζεται ως Ψ και, για να χαρακτηρίσει λεπτά υµένια. Χρησιµοποιώντας αυτές τις παραµέτρους σε διάφορες εξισώσεις και αλγορίθµους παράγεται ένα µοντέλο που περιγράφει την αλληλεπίδραση του φωτός µε το δείγµα και µέσω αυτού βρίσκονται χαρακτηριστικά του δείγµατος όπως το πάχος και οι οπτικές σταθερές (δείκτης διάθλασης, συντελεστής απορρόφησης). Ο δείκτης διάθλασης n και ο συντελεστής απορρόφησης k αλλάζουν µε το µήκος κύµατος και τη θερµοκρασία. Ισχύουν οι σχέσεις: n ~ ( λ) = n( λ) + ik( λ ) (3.2) ε λ) = ε ( λ) + ιε ( ) (3.3) ( 1 2 λ όπου ε η διηλεκτρική σταθερά. Ελλειψόµετρα υψηλής ποιότητας µπορούν να διακρίνουν χαρακτηριστικά ενός υµενίου ή µιας επιφάνειας πάχους 1 Angstrom. Εκτός από ex-situ µπορούν να γίνουν και in-situ µετρήσεις, µε το ελλειψόµετρο τοποθετηµένο πάνω στον αντιδραστήρα πλάσµατος. Κατά τη διάρκεια µιας διεργασίας είναι δυνατό να παρακολουθείται η αλλαγή του πάχους ή των οπτικών σταθερών ενός υλικού καθώς αυτό εγχαράσσεται ή εναποτίθεται. Με αυτόν τον τρόπο µπορεί να υπολογιστεί ο ρυθµός εγχάραξης ή εναπόθεσης κάτι το οποίο δίνει τη δυνατότητα καλύτερου ελέγχου µιας διεργασίας στο πλάσµα. 30

36 Σχήµα 3.3 : Φασµατοσκοπικό ελλειψόµετρο που καλύπτει την περιοχή nm (470 µήκη κύµατος). Εκτός από το πάχος και τις οπτικές σταθερές, η ελλειψοµετρία µπορεί να περιγράψει και άλλα χαρακτηριστικά όπως την επιφανειακή τραχύτητα, διεπιφάνειες, τη σύσταση, την κρυσταλλικότητα, την ανισοτροπία, την οµοιοµορφία και οποιοδήποτε φυσικό χαρακτηριστικό µπορεί να προκαλέσει αλλαγές στις οπτικές ιδιότητες ενός υλικού. Στο Σχήµα 3.3 φαίνεται το φασµατοσκοπικό ελλειψόµετρο που χρησιµοποιήθηκε. H µέθοδος της ελλειψοµετρίας χρησιµοποιήθηκε στην παρούσα εργασία για τη µέτρηση του ρυθµού απόθεσης και εγχάραξης πολυµερούς υµενίων φθοράνθρακα. Οι συνθήκες που χρησιµοποιήθηκαν στις µετρήσεις και τα αντίστοιχα αποτελέσµατα παρουσιάζονται στη συνέχεια. Προφιλόµετρο ακίδας Μετά την εγχάραξη για τον υπολογισµό του ρυθµού εγχάραξης είναι απαραίτητο να µετρηθεί το βάθος της δοµής που εγχαράχθηκε. Ένας τρόπος είναι η µέτρηση του δείγµατος στο SEM αλλά επειδή οι µετρήσεις στο SEM είναι χρονοβόρες και πολύπλοκες προτιµάται το προφιλόµετρο για τη µέτρηση του βάθους. Το προφιλόµετρο που βρίσκεται στο Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής είναι της εταιρείας Ambios Technology και είναι το µοντέλο XP-2. Μπορεί να µετρήσει το βάθος δοµών µέχρι και 100 µm. Ιοn Flux Probe To Ιοn Flux Probe είναι ένα όργανο που µετράει την ιοντική ροή µέσα στον αντιδραστήρα πλάσµατος σε ma/cm 2 σε ένα εύρος από 0 µέχρι 2 ma/cm 2. Λειτουργεί χρησιµοποιώντας µια παλµική rf τάση που βρίσκεται σε σύζευξη µε έναν πυκνωτή, µετρώντας τα ιόντα που φτάνουν στην ακίδα του ανιχνευτή (ion probe) ανά µονάδα επιφανείας κάθε δευτερόλεπτο. Ο παλµός rf που εφαρµόζεται στο probe έχει σαν αποτέλεσµα τη δηµιουργία µιας αρνητικής DC τάσης που εξαρτάται από τη ροή των ιόντων που βρίσκεται στην άκρη του probe. Με την εφαρµογή του παλµού ο πυκνωτής φορτίζεται και όταν η παλµική rf τάση µηδενιστεί η τάση του probe φθίνει µέχρι να φτάσει το floating potential. Για να υπολογιστεί η ιοντική ροή το ρεύµα µετριέται αµέσως 31

37 µόλις µηδενιστεί ο παλµός. Αν αγνοήσουµε τις διαταραχές µέσα στο φράγµα δυναµικού το ρεύµα που µετριέται από το ion probe σχετίζεται µε τη ροή ιόντων J+ σύµφωνα µε την παρακάτω σχέση (Ion Flux Probe Manual) : I IFT = J + e A όπου Α είναι η επιφάνεια ανίχνευσης και e είναι το φορτίου του ηλεκτρονίου. Φασµατοσκοπία οπτικής εκποµπής H φασµατοσκοπία είναι µια τεχνική που µας επιτρέπει να υπολογίσουµε τις σχετικές συγκεντρώσεις ενός ατόµου ή ρίζας µέσω χαρακτηριστικής γραµµής εκποµπής του. Βασίζεται στην εκποµπή του φωτός που όπως είδαµε στην εισαγωγή οφείλεται στην αποδιέγερση ατόµων και µορίων καθώς χάνουν την επιπλέον ενέργειά τους και επανέρχονται στη βασική τους ή ενδιάµεση κατάσταση. A + e A * A + hv Για τη φασµατοσκοπία χρησιµοποιούµε το φασµατοφωτόµετρο SP-500 της εταιρείας SBIG, το οποίο διαθέτει κάµερα CCD (µοντέλο ST-6i). Η κάµερα συλλέγει την ακτινοβολία µέσω µιας οπτικής ίνας που είναι τοποθετηµένη σε ειδική θέση εξωτερικά του αντιδραστήρα πλάσµατος και στη συνέχεια η ακτινοβολία αναλύεται µέσω ενός µονοχρωµάτορα. Τα φάσµατα που προκύπτουν τα βλέπουµε στην οθόνη του υπολογιστή µας µε τη βοήθεια του προγράµµατος Κestrel Spec της SBIG. Η ακτινοµετρία είναι µια φασµατοσκοπική µέθοδος που χρησιµοποιώντας ένα αέριο ανίχνευσης, το οποίο στην περίπτωσή µας είναι το Αr, υπολογίζει τη συγκέντρωση ενός άλλου αερίου, που επιθυµούµε και το οποίο στην περίπτωσή µας είναι το F. Στηρίζεται στο γεγονός ότι η συγκέντρωση του F, στη µη διεγερµένη κατάσταση, είναι ανάλογη της συγκέντρωσης του Ar και του λόγου των εντάσεων εκποµπών τους (D Agostino et Al). Η εκποµπή του Ar ( 4s [1/2]0-4p [1/2] ) είναι στα nm, µε ενέργεια διέγερσης ίση µε ev ενώ η ένταση εκποµπής του F ( 3s 2 P 3p 2 P 0 ) είναι στα nm µε ενέργεια διέγερσης ev. Το αέριο ανίχνευσης που χρησιµοποιείται είναι ευγενές αέριο (π.χ. Ar) γιατί σε αντίθεση µε το F δεν διασπάται µέσα στο πλάσµα εποµένως η κορυφή της έντασής του εξαρτάται µόνο από την ηλεκτρονική πυκνότητα. ιαιρώντας την κορυφή της έντασης του Ar µε το F στην ουσία απαλείφουµε την επίδραση της ηλεκτρονικής πυκνότητας και έχουµε ένα λόγο που εξαρτάται µόνο από τις συγκεντρώσεις των F και Αr. Κατά τη διάρκεια της ακτινοµετρίας η ροή του Ar ρυθµίζεται έτσι ώστε η πίεσή του να αντιστοιχεί στο 5% της πίεσης του SF6 έτσι ώστε να µην αλλοιώνεται η φύση του πλάσµατος SF6. Στη συνέχεια υπολογίζουµε από τις τιµές των εντάσεων του Ar και του F, τις συγκεντρώσεις NAr και ΝF και τέλος την τιµή της ροής των ατόµων φθορίου JF. Η µεθοδολογία που ακολουθούµε για τους υπολογισµούς αυτούς είναι η εξής: Έστω IF και IAr η τιµή της έντασης του F και του Ar αντίστοιχα. Τότε ισχύει ότι: 32

38 I = K N n C Ar excar Ar e optical I = K N n C F excf F e optical Όπου C optical οπτική σταθερά και Κ οι σταθερές του Ar και του F. Ορίζουµε το λόγο λ : I K N K λ = = = I K N K F excf F excar NF NArλ Ar excar Ar excf Χωρίς πλάσµα ισχύει : PAr + PSF = P 6 tot Όπου PAr και P SF οι µερικές πιέσεις και Ptot η ολική. 6 Από την καταστατική εξίσωση των αερίων έχουµε : P = N kt N = Ar Ar Ar PAr kt Όπου Τ = 300 ο Κ και k = 1,38054 x J/ o K Έτσι τελικά έχουµε : N F = P K Ar λ kt K excar excf Όπου K K excar excf είναι σταθερά και ίση µε 0,56. Η ροή των ατόµων φθορίου δίνεται από την : J F U = 4 F N F Όπου UF η θερµική ταχύτητα των ατόµων φθορίου και ίση µε : U F 3/2kT =, M F = 0, Kg M F 33

39 Β. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΑΕΡΙΑΣ ΦΑΣΗΣ ΚΑΙ ΜΕΤΡΗΣΗ ΡΥΘΜΩΝ ΕΓΧΑΡΑΞΗΣ - ΕΝΑΠΟΘΕΣΗΣ 1. Χαρακτηρισµός αέριας φάσης Με χρήση της φασµατοσκοπίας εκποµπής υπολογίσαµε τη συγκέντρωση των ατόµων φθορίου και στη συνέχεια τη ροή των ατόµων φθορίου που είναι και το ζητούµενο. Ο υπολογισµός έγινε για τρεις διαφορετικές τιµές ισχύος, συγκεκριµένα για P = 1000 W, P = 1500 W και P = 1800 W. Η ροή του Ar ρυθµίζεται έτσι ώστε η πίεσή του να αντιστοιχεί στο 5% της πίεσης του SF6 ώστε να µην αλλοιώνεται η φύση του πλάσµατος. PAr = ( 0,05 x 5,25 ) Pa = 0,26 Pa Η πίεση background είναι 0,19 Pa άρα συνολικά έχουµε 5,25 + 0,19 = 5,24Pa Από αυτά αφαιρούµε τα 0,26 Pa του Ar και τελικά ρυθµίζουµε την πίεση στα 5,2 Pa. Έτσι βάζουµε ροή 172 sccm SF6 και 8,6 sccm Ar (5% του 172). Τ = 15 o C P (plasma off) = 5,41 Pa P (plasma on) = 5,48 Pa P = 1000 W Ρυθµίσεις φασµατοφωτόµετρου : Binning mode : 2 x 242 Χρόνος έκθεσης : 0,2 sec Number of accums : 2 Number of scans : 1 Ρυθµίζουµε στα 705 nm για το φθόριο και παίρνουµε : Ενταση κορυφής (I F ): L = 704,07 nm Ρυθµίζουµε στα 755 nm για το αργό και παίρνουµε : Ενταση κορυφής (I Ar ): L = 750,71 nm I F λ = =2,14 I Ar 34

40 N F P K Ar excar 19 atoms = λ NF = 7, kt K m excf F JF = U NF JF = 7,5 atoms 10 J atoms atoms 2 F = 1,07 10 = ms ms As Όµοια δουλεύουµε για P = 1500 W και P = 1800 W και κατασκευάζουµε τον Πίνακα 3.Ι. Ρ (W) IF IAr λ NF (at/m 3 ) JF (at/m 2 s) JF (at/a 2 s) , , , , , , , , , Μέτρηση ρυθµού απόθεσης πολυµερούς Χρησιµοποιούµε ελεύθερη επιφάνεια πυριτίου. Συνθήκες : Τ = 15 o C Ροή C4F8 = 106 sccm P off = 4 Pa P background = 0,18 Pa Άρα ρυθµίζουµε την πίεση στα (4 + 0,18) Pa = 4,18 Pa (Τελικά επιτεύχθηκε ρύθµιση 4,21 Pa) Στο ίδιο δείγµα κάνουµε απόθεση σε έξι διαφορετικές συνθήκες. Στις τρεις πρώτες διατηρούµε σταθερή ισχύ 1500 W και µεταβάλλουµε το bias : 0 V, 55V και 100 V. Στις τρεις επόµενες διατηρούµε σταθερή ισχύ 1800 W και µεταβάλλουµε το bias : 0 V, 55V και 100 V. Τα αποτελέσµατα φαίνονται στον Πίνακα 3.ΙΙ. Πίνακας 3ΙΙ : Ρυθµός απόθεσης πολυµερούς για δύο τιµές ισχύος και τρεις τιµές τάσης υποστρώµατος Συνθήκες Ρυθµός απόθεσης (nm/min) 1500 W 100 V W 100 V W 55 V W 55 V W 0 V W 0 V

41 Στο σχήµα 3.4 σχεδιάστηκε ο ρυθµός απόθεσης πολυµερούς συναρτήσει της τάσης για δύο τιµές ισχύος. Σχήµα 3.4 : Ρυθµός απόθεσης πολυµερούς συναρτήσει της τάσης για τιµές ισχύος 1500 W και 1800 W. Συνθήκες : Ροή C4F8 106 sccm, Πίεση 4,2 Pa, Θερµοκρασία 15 o C. Παρατηρούµε µικρή πτώση του ρυθµού απόθεσης µε την αύξηση της τάσης υποστρώµατος λόγω µηχανικής εγχάραξης µε ιονοβολή (sputtering). Καθώς όµως η µείωση αυτή είναι µικρή δεν λαµβάνεται υπόψη. 3. Μέτρηση ρυθµού εγχάραξης πολυµερούς Χρησιµοποιούµε το ίδιο δείγµα στο οποίο έγιναν οι παραπάνω εναποθέσεις. Συνθήκες : Τ = 15 o C Ροή SF6 = 172 sccm P off = 5,25 Pa P background = 0,18 Pa Άρα ρυθµίζουµε την πίεση στα (5,25 + 0,18) Pa = 5,43 Pa (Τελικά επιτεύχθηκε ρύθµιση 5,47 Pa) Στο ίδιο δείγµα κάνουµε εγχάραξη στις έξι διαφορετικές συνθήκες που έγινε και η εναπόθεση : Στις τρεις πρώτες διατηρούµε σταθερή ισχύ 1500 W και µεταβάλλουµε το bias : 0 V, 55V και 100 V. Στις τρεις επόµενες διατηρούµε σταθερή ισχύ 1800 W και µεταβάλλουµε το bias : 0 V, 55V και 100 V. Τα αποτελέσµατα φαίνονται στον Πίνακα 3.IΙΙ. 36

42 Πίνακας 3ΙΙI : Ρυθµός εγχάραξης πολυµερούς για δύο τιµές ισχύος και τρεις τιµές τάσης υποστρώµατος Συνθήκες Ρυθµός εγχάραξης (nm/min) 1800 W 55 V W 55 V W 100 V W 100 V W 0 V W 0 V 45 Στο σχήµα 3.5 σχεδιάστηκε ο ρυθµός εγχάραξης πολυµερούς συναρτήσει της τάσης για δύο τιµές ισχύος. Σχήµα 3.5 : Ρυθµός εγχάραξης πολυµερούς συναρτήσει της τάσης για τιµές ισχύος 1500 W και 1800 W. Συνθήκες : Ροή SF6 106 sccm, Πίεση 5,2 Pa, Θερµοκρασία 15 o C. 4. Μέτρηση ρυθµού εγχάραξης Si σε πλάσµα SF6 Το προφιλόµετρο ακίδας χρησιµοποιήθηκε για τη µέτρηση του κάθετου ρυθµού εγχάραξης του Si. Πραγµατοποίθηκε εγχάραξη τριών δειγµάτων test για πίεση 5 Pa, ισχύ 1800W Τ = 15 o C, ροή SF6 =172 sccm, χρόνο t = 4 min και για τρία διαφορετικά bias : V, - 55 V και 0 V. Με χρήση του προφιλόµετρου ακίδας µετρήθηκε ο κάθετος ρυθµός εγχάραξης του Si για τρεις διαφορετικές τιµές τάσης και τα αποτελέσµατα παρουσιάζονται στον πίνακα 3.ΙV. 37

43 Πίνακας 3ΙV : Κάθετος ρυθµός εγχάραξης Si για τιµές τάσης -100V, -55V και 0V Bias (V) Εtch rate (µm/min) ,2-55 4,3 0 4,5 Με χρήση του οπτικού µικροσκοπίου στον καθαρό χώρο του Ινστιτούτου Μικροηλεκτρονικής µετρήσαµε τον οριζόντιο ρυθµό εγχάραξης του Si για τρεις διαφορετικές τιµές τάσης. Τα αποτελέσµατα παρουσιάζονται στον Πίνακα 3.V. Πίνακας 3V : Οριζόντιος ρυθµός εγχάραξης Si για τιµές τάσης -100V, -55V και 0V Bias (V) Εtch rate (µm/min) , ,5 5. Μέτρηση ιοντικής ροής Με χρήση του Ion Flux Probe µετρήσαµε την ροή των ιόντων σε πλάσµα SF6 για τις ακόλουθες συνθήκες : T = 25 o C, P = (5,25 + 0,14) Pa = 5,39 Pa, Ροή SF6 = 172 sccm Στον πίνακα 3.VΙ φαίνονται οι τιµές της ιοντικής ροής που πήραµε µε σταθερό bias -55 V και για διαφορετικές τιµές ισχύος. Πίνακας 3VΙ : Ροή ιόντων µε τάση υποστρώµατος -55 V και για διαφορετικές τιµές ισχύος P (W) I (ma/cm 2 ) , , , , , ,750 38

44 Στον πίνακα 3VΙ φαίνονται οι τιµές της ιοντικής ροής που πήραµε µε σταθερή ισχύ 1500 W και για διαφορετικές τιµές τάσης. Πίνακας 3VΙ : Ροή ιόντων µε ισχύ 1500 W και για διαφορετικές τιµές τάσης Bias (V) I (ma/cm 2 ) 0 0, , , ,59 39

45 Γ. ΕΓΧΑΡΑΞΗ ΟΜΩΝ ΜΕ ΤΗ ΙΕΡΓΑΣΙΑ BOSCH : ΜΕΛΕΤΗ ΤΟΥ ΠΡΟΦΙΛ ΚΑΙ ΤΟΥ ΛΟΓΟΥ ΑΣΥΜΜΕΤΡΙΑΣ Για την πραγµατοποίηση των πειραµάτων µας χρησιµοποιήσαµε δισκίδια πυριτίου 3. Στα δισκίδια αυτά αποτυπώθηκαν µε τη διαδικασία της λιθογραφίας, που πραγµατοποιήθηκε στον καθαρό χώρο του Ινστιτούτου Μικροηλεκτρονικής του ΕΚΕΦΕ ηµόκριτος, δοµές µε ισαπέχοντα κανάλια (trenches) ονοµαστικής διάστασης 3, 5 και 10 µm. Οι συγκεκριµένες δοµές επιλέχθηκαν για την καλύτερη µελέτη της ανισοτροπίας και της εξέλιξης του προφίλ από την εφαρµογή της διεργασίας Bosch. Στην πρώτη σειρά πειραµάτων το δισκίδιο που χρησιµοποιήθηκε είχε στρώµα οξειδίου πάχους 5600 Α. Τα αποτελέσµατα της εγχάραξης του πρώτου δείγµατος και οι συνθήκες στις οποίες αυτή πραγµατοποιήθηκε φαίνονται στο σχήµα 3.6. Οι συνθήκες αυτές επιλέχθηκαν γιατί αποτελούσαν τη συνήθη συνταγή της διεργασίας Bosch. Ως πρώτο βήµα επιλέχθηκε το βήµα της εναπόθεσης (C4F8) γιατί αυτό συντελεί στην αποφυγή του underetching σύµφωνα µε προηγούµενα πειράµατα και την υπάρχουσα βιβλιογραφία. (α) (β) (γ) ιάσταση : 10 µm ιάσταση : 5 µm ιάσταση 3µm Βάθος : 20 µm Βάθος : 22.8 µm Βάθος : 29.4 µm AR ~ 2 AR ~ 4.5 AR ~ 10 Σχήµα 3.6 : Φωτογραφίες από SEM αυλακιών που εγχαράχτηκαν µε τη διεργασία Bosch για τις εξής συνθήκες : Ισχύς : 1500 W, Πίεση : 5.25 Pa, Τάση υποστρώµατος : - 55 V, Θερµοκρασία : 15 o C, Ροή C4F8 : 106 sccm, Ροή SF6 : 172 sccm, ιάρκεια κύκλου εναπόθεσης : 3 sec, ιάρκεια κύκλου εγχάραξης : 7 sec, Συνολική διάρκεια διεργασίας : 10 min (60 κύκλοι) (α) ιάσταση : 10 µm, Βάθος : 20 µm, AR ~ 2, (β) ιάσταση : 5 µm, Βάθος : 22.8 µm, AR ~ 4.5, (δ) ιάσταση : 3 µm, Βάθος : 29.4 µm, AR ~ 10 Όπως παρατηρούµε επιτεύχθηκε καλή ανισοτροπία και έλεγχος του προφίλ µε µέγιστο aspect ratio περίπου 10 για τις δοµές των 3µm. Θέλοντας να διερευνήσουµε τις δυνατότητες της υπάρχουσας συνταγής προτού αναγκαστούµε στην εφαρµογή parameter ramping πραγµατοποιήσαµε νέα σειρά 40

46 πειραµάτων µε αυξηµένη την ισχύ στα 1800W και για χρόνους 5, 10, 15 και 20 min. Όλες οι υπόλοιπες παράµετροι διατηρήθηκαν ίδιες καθώς και το pattern των δειγµάτων. Τα δείγµατα µετά την απαραίτητα επιµετάλλωση οδηγήθηκαν στο SEM για την παρατήρηση των δοµών. Τα αποτελέσµατα φαίνονται στο σχήµα 3.7. (α) (β) (γ) ιάσταση : 10µm ιάσταση : 10µm ιάσταση : 10µm Depth ~ 28µm, AR=2.8 Depth ~ 39 µm, AR=3.9 Depth ~ 46µm, AR= 4.6 Χρόνος : 10 min Χρόνος : 15 min Χρόνος : 20 min (δ) (ε) ιάσταση : 5 µm ιάσταση : 5µm Depth ~ 16µm, AR= 3.2 Depth ~ 26.3 µm, AR= 5.26 Χρόνος : 5 min Χρόνος : 10 min (στ) (ζ) ιάσταση : 5 µm ιάσταση : 5µm Depth ~ 38µm, AR= 7.6 Depth ~ 46.4 µm, AR= 9.28 Χρόνος : 15 min Χρόνος : 20 min 41

47 (η) (θ) (ι) ιάσταση : 3 µm ιάσταση : 3µm ιάσταση : 3 µm Depth = 15 µm, AR= 5 Depth = 23.2 µm, AR= 7.73 Depth = 55 µm, AR= 18.3 Χρόνος : 5 min Χρόνος : 10 min Χρόνος : 20 min Σχήµα 3.6 : Φωτογραφίες από SEM αυλακιών που εγχαράχτηκαν µε τη διεργασία Bosch για τις εξής συνθήκες : Ισχύς : 1800 W, Πίεση : 5.25 Pa, Τάση υποστρώµατος : - 55 V, Θερµοκρασία : 15 o C, Ροή C4F8 : 106 sccm, Ροή SF6 : 172 sccm, ιάρκεια κύκλου εναπόθεσης : 3 sec, ιάρκεια κύκλου εγχάραξης : 7 sec, Συνολική διάρκεια διεργασίας : 5 min (30 κύκλοι) ή 10 min (60 κύκλοι) ή 20 min (120 κύκλοι). (α) ιάσταση : 10µm, Βάθος ~ 28µm, AR=2.8, Χρόνος : 10 min, (β) ιάσταση : 10µm, Βάθος ~ 39µm, AR=3.9, Χρόνος : 15 min, (γ) ιάσταση : 10µm, Βάθος ~ 46µm, AR=4.6, Χρόνος : 20 min, (δ) ιάσταση : 5µm, Βάθος ~ 16µm, AR=3.2, Χρόνος : 5 min, (ε) ιάσταση : 5µm, Βάθος ~ 26.3µm, AR=5.3, Χρόνος : 10 min, (στ) ιάσταση : 5µm, Βάθος ~ 38µm, AR=7.6, Χρόνος : 15 min, (ζ) ιάσταση : 5µm, Βάθος ~ 46.4 µm, AR=9.3, Χρόνος : 20 min, (η) ιάσταση : 3µm, Βάθος ~ 15µm, AR=5, Χρόνος : 5 min, (θ) ιάσταση : 3µm, Βάθος ~ 23.2µm, AR=7.7, Χρόνος : 10 min, (ι) ιάσταση : 3 µm, Βάθος ~ 55µm, AR=18.3, Χρόνος : 20 min. Παρατήρηση : Ο χρόνος 5 min για τις δοµές 10µm και ο χρόνος 15 min για τις δοµές 3 µm δεν παρουσιάζονται γιατί λόγω κακής τοµής των συγκεκριµένων δειγµάτων δεν υπήρχε η δυνατότητα να παρατηρηθούν στο SEM. Από τις παραπάνω εικόνες µπορούµε να κάνουµε τις ακόλουθες παρατηρήσεις : Στις δοµές διαστάσεων 10 µm και για χρόνους εγχάραξης 10 και 15 min παρατηρούµε καλή ανισοτροπία και έλεγχο του προφίλ. Αντίθετα για χρόνο εγχάραξης 20 min εµφανίζεται µια ελαφριά κύρτωση των τοιχωµάτων (bowing). Στις δοµές διαστάσεων 5 µm για χρόνο εγχάραξης 5 min παρατηρούµε καλή ανισοτροπία και έλεγχο του προφίλ. Όσον αφορά στους υπόλοιπους χρόνους (10, 15 και 20 min) θα µπορούσαµε να πούµε ότι και στις τρεις περιπτώσεις εµφανίζεται ένα σχετικό bowing. Στις δοµές διαστάσεων 3 µm για χρόνο εγχάραξης 5 min µπορούµε να πούµε ότι επιτεύχθηκε καλή ανισοτροπία. Για χρόνο εγχάραξης 10 min είναι προφανές ότι έχει 42

48 αρχίσει να σχηµατίζεται το bowing. Για χρόνο εγχάραξης 20 min βλέπουµε καθαρά το σχηµατισµό εντονότατου bowing. Με βάση τo γεγονός ότι στην πρώτη σειρά πειραµάτων που πραγµατοποιήθηκε στα 1500 W τα αποτελέσµατα ήταν πολύ καλά, αποφασίστηκε η επόµενη σειρά εγχαράξεων µε τη διεργασία Bosch να πραγµατοποιηθεί και πάλι στα 1500 W για χρόνους 10, 20 και 30 min. Εξαιτίας του γεγονότος ότι είχε παρεµβληθεί αρκετός χρόνος από τις προηγούµενες εγχαράξεις αποφασίστηκε στην ίδια σειρά πειραµάτων να γίνει εγχάραξη δειγµάτων σε ισχύ 1800 W αλλά µόνο για χρόνο 20 min. Από τη στιγµή που οι εγχαράξεις θα πραγµατοποιούνταν την ίδια µέρα, οπότε η κατάσταση του αντιδραστήρα θα ήταν προφανώς η ίδια, τα συγκεκριµένα πειράµατα θα µας παρείχαν ασφαλή συµπεράσµατα όσον αφορά στη σύγκριση των αποτελεσµάτων που θα προέκυπταν µε τη διαφορά στην εφαρµοζόµενη ισχύ. Επίσης εφόσον θα εγχαράσσαµε για µεγαλύτερους χρόνους (30 min) και θέλοντας να αποφύγουµε τη διάβρωση της µάσκας χρησιµοποιήσαµε δισκίδια µε µεγαλύτερο πάχος οξειδίου, περίπου 1µm καθώς και µεγαλύτερο πάχος ρητίνης (περίπου 2µm) Τα αποτελέσµατα µετά την παρατήρηση των δειγµάτων στο SEM φαίνονται στα σχήµατα 3.7, 3.8 και 3.9. (α) (β) ιάσταση : 10 µm ιάσταση : 10 µm Depth = 21.3 µm, AR= 2.1 Depth = 28 µm, AR= 2.8 Χρόνος : 10 min Χρόνος : 20 min 43

49 (γ) (δ) ιάσταση : 10 µm ιάσταση : 10 µm Depth = 57 µm, AR= 5.7 Depth = 35 µm, AR= 3.5 Χρόνος : 30 min Χρόνος : 20 min Ισχύς : 1800 W Σχήµα 3.7 : Φωτογραφίες από SEM αυλακιών ονοµαστικής διάστασης 10 µm που εγχαράχτηκαν µε τη διεργασία Bosch για τις εξής συνθήκες : Πίεση : 5.25 Pa, Τάση υποστρώµατος : - 55 V, Θερµοκρασία : 15 o C, Ροή C4F8 : 106 sccm, Ροή SF6 : 172 sccm, ιάρκεια κύκλου εναπόθεσης : 3 sec, ιάρκεια κύκλου εγχάραξης : 7 sec (α) Ισχύς : 1500 W, Βάθος ~ 21.3 µm, AR=2.1, Χρόνος : 10 min, (β) Ισχύς : 1500 W, Βάθος ~ 28 µm, AR=2.8, Χρόνος : 20 min, (γ) Ισχύς : 1500 W, Βάθος ~57µm, AR=5.7 Χρόνος : 30 min, (δ) Ισχύς : 1800 W, Βάθος ~ 35µm, AR=3.5, Χρόνος : 20 min Από την παρατήρηση των παραπάνω εικόνων (δοµές 10µm) µπορούµε να πούµε ότι µόνο στην εγχάραξη που πραγµατοποιήθηκε για χρόνο 30 min (στα 1500 W) ίσως να εµφανίζεται ένα ελαφρύ bowing. Όσον αφορά στη σύγκριση των αποτελεσµάτων για τις διαφορετικές τιµές ισχύος ( W) παρατηρούµε ότι για τον ίδιο χρόνο (20 min) επιτεύχθηκε σαφώς µεγαλύτερο AR στα 1800 W (AR = 3.5) από ό,τι στα 1500 W (AR =2.8). 44

50 (α) (β) ιάσταση : 5 µm ιάσταση : 5 µm Depth = 12.8 µm, AR= 2.5 Depth = 47.5 µm, AR= 9.5 Χρόνος : 10 min Χρόνος : 20 min (γ) (δ) ιάσταση : 5 µm ιάσταση : 5 µm Depth = 55.6 µm, AR= 11 Depth = 63 µm, AR= 12.7 Χρόνος : 30 min Χρόνος : 20 min Ισχύς : 1800 W Σχήµα 3.8 : Φωτογραφίες από SEM αυλακιών ονοµαστικής διάστασης 5 µm που εγχαράχτηκαν µε τη διεργασία Bosch για τις εξής συνθήκες : Πίεση : 5.25 Pa, Τάση υποστρώµατος : - 55 V, Θερµοκρασία : 15 o C, Ροή C4F8 : 106 sccm, Ροή SF6 : 172 sccm, ιάρκεια κύκλου εναπόθεσης : 3 sec, ιάρκεια κύκλου εγχάραξης : 7 sec (α) Ισχύς : 1500 W, Βάθος ~ 12.8 µm, AR=2.5, Χρόνος : 10 min, (β) Ισχύς : 1500 W, Βάθος ~ 47.5 µm, AR=9.5, Χρόνος : 20 min, (γ) Ισχύς : 1500 W, Βάθος ~ 56 µm, AR=11 Χρόνος : 30 min, (δ) Ισχύς : 1800 W, Βάθος ~ 63 µm, AR=12.7, Χρόνος : 20 min Παρατηρώντας τις δοµές των 5 µm βλέπουµε ότι ήδη από τα 20 min έχει αρχίσει να χαλάει το προφίλ ενώ στα 30 min το φαινόµενο έχει γίνει πολύ έντονο. Στις δοµές που εγχαράχθηκαν στα 1800 W εκτός από την επίτευξη σαφώς µεγαλύτερου AR (12.7 έναντι 9.5) παρατηρούµε ότι και πάλι έχει αρχίσει να εµφανίζεται το φαινόµενο του bowing. 45

51 Για τις δοµές των 3µm η παρατήρηση στο SEM µας έδωσε τις εικόνες του σχήµατος 3.9. (α) (β) ιάσταση : 3 µm ιάσταση : 5 µm Depth = 15 µm, AR= 5 Χρόνος : 20 min Χρόνος : 10 min (γ) Χρόνος : 30 min Σχήµα 3.9 : Φωτογραφίες από SEM αυλακιών ονοµαστικής διάστασης 3 µm που εγχαράχτηκαν µε τη διεργασία Bosch για τις εξής συνθήκες : Πίεση : 5.25 Pa, Τάση υποστρώµατος : - 55 V, Θερµοκρασία : 15 o C, Ροή C4F8 : 106 sccm, Ροή SF6 : 172 sccm, ιάρκεια κύκλου εναπόθεσης : 3 sec, ιάρκεια κύκλου εγχάραξης : 7 sec (α) Ισχύς : 1500 W, Βάθος ~ 15 µm, AR=5, Χρόνος : 10 min, (β) Ισχύς : 1500 W, Χρόνος : 20 min, (γ) Ισχύς : 1500 W, Χρόνος : 30 min Παρατήρηση : Στο δείγµα που εγχαράχθηκε στα 1800 W οι δοµές είχαν καταστραφεί εντελώς γι αυτό και δεν παρουσιάζεται. 46

52 Η παρατηρούµενη καταστροφή των δοµών στο δισκίδιο µε το παχύτερο οξείδιο εξηγείται ως εξής : Μετά τη λιθογραφία τοποθετήσαµε το δισκίδιο σε διάλυµα BHF για την αποµάκρυνση του οξειδίου από τις µη προστατευµένες περιοχές. Εφόσον όµως η εγχάραξη είναι ισοτροπική, εκτός από την κάθετη διεύθυνση το οξείδιο εγχαράχτηκε και στην οριζόντια διεύθυνση, κάτω από τη ρητίνη. Το γεγονός ότι είχαµε παχύ οξείδιο µας ανάγκασε να εγχαράξουµε για αρκετό χρόνο µε αποτέλεσµα στις δοµές των 3µm να παραµείνει λίγο οξείδιο, ανίκανο να προστατέψει τις δοµές στην εγχάραξη µε πλάσµα που ακολούθησε. Για την αποφυγή αυτού του ανεπιθύµητου γεγονότος, η αποµάκρυνση του οξειδίου θα έπρεπε να πραγωµατοποιηθεί µε εγχάραξη σε πλάσµα C4F8 καθώς έτσι έχουµε περισσότερο ανισοτροπική εγχάραξη. Με δεδοµένη επιλεκτικότητα εγχάραξης του οξειδίου ως προς τη ρητίνη 2.5 : 1, για εγχάραξη 1µm οξειδίου θα φαγωθούν περίπου 0.4 µm ρητίνης, έτσι τελικά θα µείνει ως µάσκα 1.5 µm ρητίνης και 1µm οξειδίου. Παρατηρήσεις Συµπεράσµατα Από την πραγµατοποιηθείσα σειρά πειραµάτων παρατηρούµε ότι ο βέλτιστος λόγος ασυµµετρίας (AR = 18.3) επετεύχθη για τη δοµή ονοµαστικής διάστασης 3 µm µετά από συνολικό χρόνο εγχάραξης 20 min για τις εξής συνθήκες : Πίεση : 5.25 Pa, Τάση υποστρώµατος : - 55 V, Θερµοκρασία : 15 o C, Ροή C4F8 : 106 sccm, Ροή SF6 : 172 sccm, ιάρκεια κύκλου εναπόθεσης : 3 sec, ιάρκεια κύκλου εγχάραξης : 7 sec. Παρατηρώντας τη συγκεκριµένη δοµή (Σχήµα 3.6 (ι)) βλέπουµε ότι η ανισοτροπία δεν είναι ικανοποιητική καθώς τα πλάγια τοιχώµατα δεν είναι κάθετα αλλά εµφανίζουν κύρτωση (bowing). Για µικρότερους χρόνους εγχάραξης η επιτυγχανόµενη ανισοτροπία είναι καλύτερη, παρόλα αυτά διαφαίνεται η τάση για σχηµατισµό bowing. Έτσι συµπεραίνουµε ότι για τον απαιτούµενο έλεγχο του προφίλ και της ανισοτροπίας είναι απαραίτητη η εφαρµογή parameter ramping ακόµα και σε χρόνους εγχάραξης της τάξης των 10 min. Επίσης από την προηγούµενη σειρά πειραµάτων είναι σαφές ότι υψηλότερη ισχύς µας δίνει καλύτερα αποτελέσµατα όσον αφορά στον επιτυγχανόµενο λόγο ασυµµετρίας. Αυτό φαίνεται κυρίως στα σχήµατα 3.7 και 3.8 όπου συγκρίνοντας τα αποτελέσµατα της εγχάραξης που προέκυψαν για διαφορετικές τιµές ισχύος (1500 W και 1800 W) παρατηρούµε ότι µε υψηλότερη ισχύ το AR είναι σαφώς µεγαλύτερο τόσο για τις δοµές 5µm (3,5 έναντι 2,8) όσο και για τις δοµές 3µm (12,7 έναντι 9,5). 47

53 Ο µέσος ρυθµός εγχάραξης µε τη διεργασία Bosch ποικίλλει από 1.3 µm/min έως 3.2µm/min. Τα πειράµατα που παρουσιάστηκαν σε αυτό το κεφάλαιο έγιναν σε διαφορετικές χρονικές περιόδους και δεδοµένου του ότι η κατάσταση του αντιδραστήρα επηρεάζει σηµαντικά τα αποτελέσµατα, δεν µπορούν να εξαχθούν ασφαλή συµπεράσµατα από τις µετρούµενες τιµές για το µέσο ρυθµό εγχάραξης. 48

54 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΗΣ ΙΕΡΓΑΣΙΑΣ BOSCH ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΚΑΙ ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΗ ΣΕ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ Ε ΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζονται το µοντέλο που χρησιµοποιήθηκε για την προσοµοίωση της διεργασίας Bosch, οι προσαρµογές αυτού στα αντίστοιχα πειραµατικά δεδοµένα, η σύγκριση των αποτελεσµάτων της προσοµοίωσης µε τα πειραµατικά αποτελέσµατα, καθώς και τα συµπεράσµατα που προέκυψαν από την εφαρµογή του µοντέλου. 4.1 Προσοµοίωση της διεργασίας Bosch H διεργασία Bosch [F. Lärmer & A. Schilp (1996)] είναι γνωστή και ως multiple step deep Si etching process [Rauf et al. (2002)] ή gas chopping deep reactive ion etch process [Volland et al. (2002)]. Από εδώ και στο εξής θα χρησιµοποιείται ο πρώτος όρος (διεργασία Bosch) για να περιγράψουµε τη συγκεκριµένη διεργασία. Η αποτελεσµατικότητα των κατασκευαζόµενων διατάξεων µε τη διεργασία Bosch εξαρτάται από την τραχύτητα της επιφάνειας, την κλίση των τοιχωµάτων, την ανισοτροπία και γενικότερα το προφίλ της δοµής. Για αυτό το λόγο οι ερευνητές προσπαθούν να αποκτήσουν καλύτερη γνώση και έλεγχο της συγκεκριµένης διεργασίας. Μία µέθοδος για να επιτευχθεί αυτό είναι η πειραµατική µελέτη της επιρροής των παραµέτρων της διεργασίας (όπως ροές αερίων, ισχύς και πίεση) στο ρυθµό εγχάραξης, στο προφίλ και στις µηχανικές ιδιότητες της διάταξης. Όµως τα πειράµατα κοστίζουν και σε χρόνο και σε χρήµα. Μία εναλλακτική ή και συµπληρωµατική προσέγγιση είναι να αναπτύξουµε εργαλεία προσοµοίωσης της εξέλιξης του προφίλ, κάτι που συνεισφέρει στην κατανόηση των διαφόρων προβληµάτων κατά τη διάρκειά της και στη βελτιστοποίησή της. Η προσοµοίωση µπορεί να ερευνήσει την επίδραση των διαφόρων µεταβλητών και να παρέχει περισσότερη γνώση και κατανόηση των φαινοµένων. Για το σκοπό αυτό έχουν αναπτυχθεί και παρουσιαστεί στη βιβλιογραφία αρκετά πλαίσια προσοµοίωσης όπως αυτά των Rauf et al. [Rauf et al. (2002)], Volland et al. [Volland & Rangelow (2003)], Zhou et al. [Zhou et al. (2004)] και G. Kokkoris et al. [Kokkoris et al. (2004)]. Στην παρούσα εργασία για την προσοµοίωση της διεργασίας Bosch χρησιµοποιήθηκε ο ολοκληρωµένος προσοµοιωτής εξέλιξης τοπογραφίας κατά την εγχάραξη δοµών που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της ιδακτορικής ιατριβής του Κόκκορη Γεώργιου [ Γ.Κόκκορης (2005) ]. 49

55 Το πλαίσιο προσοµοίωσης περιγράφεται στο Σχήµα 4.1 και αποτελείται από: Α) Μοντέλο υπολογισµού των τοπικών ροών των συστατικών µέσα στις εγχαρασσόµενες δοµές. Η ροή των ουδέτερων συστατικών µέσα στις εγχαρασσόµενες δοµές είναι σε συνθήκες υψηλού αριθµού Knudsen και η ροή των ιόντων καθορίζεται από το ηλεκτρικό πεδίο στην οριακή στοιβάδα. Ο υπολογισµός των τοπικών ροών των συστατικών των ροών στο εσωτερικό δοµών λαµβάνει υπόψη τα φαινόµενα σκίασης και επανεκποµπής της ροής και προκύπτει από την επίλυση συστήµατος ολοκληρωτικών εξισώσεων. Συνδέει τις ροές των συστατικών στον κύριο όγκο του αντιδραστήρα πλάσµατος µε τις τοπικές ροές στο εσωτερικό των εγχαρασσόµενων δοµών. Β) Μοντέλο επιφανειακών διεργασιών, το οποίο υπολογίζει το ρυθµό εγχάραξης της επιφάνειας και τους φαινόµενους συντελεστές προσκόλλησης των συστατικών στην επιφάνεια. Είναι φαινοµενολογικό µοντέλο που συνδέει τις τοπικές ροές στο εσωτερικό των εγχαρασσόµενων δοµών µε την τοπική ταχύτητα εγχάραξης. Γ) Αλγόριθµος εξέλιξης τοπογραφίας της εγχαρασσόµενης δοµής. Υλοποιείται η µέθοδος των ισοϋψών, η οποία βασίζεται στην έννοια της πεπλεγµένης συνάρτησης: η τοπογραφία της εγχαρασσόµενης δοµής είναι ένα δυναµικό σύνορο που ορίζεται έµµεσα ως η ισοϋψής µηδέν πεπλεγµένης συνάρτησης. Ο αλγόριθµος εξέλιξης τοπογραφίας χρησιµοποιεί την τοπική ταχύτητα εγχάραξης για τη µετακίνηση της τοπογραφίας των εγχαρασσόµενων δοµών. Σχήµα 4.1 : Σχηµατική περιγραφή του πλαισίου προσοµοίωσης. Το µοντέλο υπολογισµού τοπικών ροών στο εσωτερικό δοµών (Α) υπολογίζει τις τοπικές ροές (j i, i=1,2,,ν=πλήθος συστατικών) συναρτήσει των ροών στον κύριο όγκο του αντιδραστήρα πλάσµατος (j 0,i ): j i = j i (j 0,1, j 0,2,, j 0,N ). To µοντέλο εγχάραξης επιφάνειας (Β) υπολογίζει τον ρυθµό εγχάραξης (ER) συναρτήσει των τοπικών ροών των συστατικών: ER=ER(j1, j2,, jν). Με τη σύζευξη του µοντέλου υπολογισµού τοπικών ροών στο εσωτερικό δοµής µε το µοντέλο εγχάραξης επιφανειών, o τοπικός ρυθµός εγχάραξης συνδέεται µε τις ροές των συστατικών στον κύριο όγκο του αντιδραστήρα πλάσµατος: ER=ER[ j 1 ( j 0,1, j 0,2,, j 0,N ), j 2 ( j 0,1, j 0,2,, j 0,N ),, j Ν (j 0,1, j 0,2,, j 0,N )]=EV 0 (j 0,1, j 0,2,, j 0,N ). Ο αλγόριθµος εξέλιξης τοπογραφίας (Γ) µετακινεί το σύνορο σύµφωνα µε την τοπική ταχύτητα εγχάραξης. 50

56 Η διεργασία στην οποία εφαρµόζεται το πλαίσιο προσοµοίωσης καθορίζεται από τις επιφανειακές διεργασίες, δηλ. το µοντέλο (Β) του πλαισίου. Για την εφαρµογή στη διεργασία Bosch χρειάστηκε η ανάπτυξη µοντέλων εγχάραξης Si (για το βήµα SF6) και απόθεσης (για το βήµα C4F8) σε επιφάνεια Si. 4.2 Μοντέλα επιφανειακών διεργασιών για τη διεργασία Bosch Στο χωρίο αυτό παρουσιάζονται τα µοντέλα επιφανείας που αναπτύχθηκαν και χρησιµοποιήθηκαν στην παρούσα εργασία. Ι. Eγχάραξη Si σε πλάσµα SF6 Ο ρυθµός εγχάραξης του Si κατά το βήµα εγχάραξης µε πλάσµα SF6 είναι άθροισµα όρου χηµικής εγχάραξης (ισοτροπικός όρος, ανάλογος της ροής ατόµων F) και όρου υποβοηθούµενης από ιόντα εγχάραξης (ανισοτροπικός όρος, ανάλογος της ροής ιόντων). ERSi = ERSi,iso + ERSi,aniso k ER = β j + j θ (4.1) F Si F ion F ρsi ρsi όπου : k : συντελεστής χηµικής εγχάραξης Si από άτοµα F ρsi : πυκνότητα Si [Α -3 ] jf : ροή ατόµων F [A -2 s -1 ] βf : συντελεστής υποβοηθούµενης από ιόντα εγχάραξης Si σε επιφάνεια που καλύπτεται από F και δίνεται από τον τύπο βf = β0 ( E Eth ) jiοn : ροή ιόντων [A -2 s -1 ] θf : κλάσµα κάλυψης της επιφάνειας από F που υπολογίζεται από το ισοζύγιο θέσεων ρόφησης για τα άτοµα F : s0 ( 1 θ ) 2 F jf = βf jionθf so : συντελεστής προσκόλλησης των ατόµων φθορίου σε καθαρή επιφάνεια πυριτίου Ε : ενέργεια ιόντων [ev] Εth : κατώφλι ενέργειας πάνω από το οποίο συµβαίνει υποβοηθούµενη από ιόντα εγχάραξη [ev] Οι συντελεστές των εξισώσεων του µοντέλου υπολογίστηκαν µε προσαρµογές στα αντίστοιχα πειραµατικά δεδοµένα. Οι προσαρµογές έγιναν µε χρήση του προγράµµατος Sigma Plot 8.0. Για την κατάλληλη προσαρµογή (fit) των παραµέτρων της εγχάραξης πυριτίου σε πλάσµα SF6, χρησιµοποιήθηκαν δεδοµένα τόσο από την παρούσα εργασία (Κεφάλαιο 3) όσο και από τη διπλωµατική εργασία του Κων/νου Μπούκουρα, που εκπονήθηκε επίσης στο Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής του ΕΚΕΦΕ ηµόκριτος, και τα οποία δίνουν τις συγκεντρώσεις των ατόµων φθορίου, καθώς και τις ροές των ατόµων φθορίου και των ιόντων για διάφορες τιµές της πίεσης (3 11 Pa) της ισχύος ( W) και της τάσης υποστρώµατος (0 100V). 51

57 Μετά την κατάλληλη προσαρµογή προσδιορίστηκαν οι εξής παράµετροι : k = 0.14, β o = 7, E th = 4eV, s o = 0.2 Στο σχήµα 4.2 φαίνεται ο θεωρητικός ρυθµός εγχάραξης στις συνθήκες των πειραµάτων και ο πειραµατικός ρυθµός εγχάραξης. Σχήµα 4.2 : Θεωρητικός και πειραµατικός ρυθµός εγχάραξης. Με µπλε χρώµα σηµειώνονται τα δεδοµένα από την παρούσα εργασία. ΙΙ. Eγχάραξη πολυµερούς σε πλάσµα SF6 Όπως στην περίπτωση του Si, ο ρυθµός εγχάραξης είναι άθροισµα ενός ισοτροπικού και ενός ανισοτροπικού όρου. ER = ER + ER p p, iso p, aniso ( ) k ER = j + β E E j p p,0 p F th ion ρp ρp (4.2) kp : συντελεστής χηµικής εγχάραξης πολυµερούς από άτοµα F ρp : πυκνότητα πολυµερούς [Α -3 ] jf : ροή ατόµων F [A -2 s -1 ] βp,0 : συντελεστής υποβοηθούµενης από ιόντα εγχάραξης πολυµερούς σε πλάσµα SF6 jiοn : ροή ιόντων [A -2 s -1 ] Ε : ενέργεια ιόντων [ev] Εth : κατώφλι ενέργειας πάνω από το οποίο συµβαίνει υποβοηθούµενη από ιόντα εγχάραξη [ev] 52

58 Θεωρούµε ότι το πολυµερές είναι κοντά στο [C2Fn] και λαµβάνουµε την πυκνότητά του ίση µε αυτού, δηλαδή ρp = 0,0123 Α -3 Τα πειράµατα που διεξήχθησαν για την προσαρµογή των παραπάνω παραµέτρων παρουσιάζονται αναλυτικά στο κεφαλαίο 3. Με την παραδοχή ότι για 0V self bias στην εγχάραξη συµµετέχει µόνο ο ανισοτροπικός όρος της παραπάνω εξίσωσης (1 ος όρος) υπολογίστηκε το k p. Η προσαρµογή στα πειραµατικά µας δεδοµένα του Πίνακα 3V έδωσε τελικά τις ακόλουθες τιµές : b p,0 = 0.119, E th = 10eV, k p = ΙΙΙ. Απόθεση πολυµερούς σε πλάσµα C4F8 Για το ρυθµό απόθεσης πολυµερούς κατά το βήµα του C4F8, θεωρούµε ότι τα ιόντα δεν συνεισφέρουν στην εναπόθεση, οπότε ο ρυθµός θα είναι ανάλογος µόνο της ροής των ριζών φθοράνθρακα CxFy. S DR = DR = j (4.3) ECF, x y p p, iso CxFy ρ p S ECF, : φαινόµενος συντελεστής προσκόλλησης των ριζών φθοράνθρακα x y ρp : πυκνότητα πολυµερούς [Α -3 ] j : ροή ριζών φθοράνθρακα [A -2 s -1 ] CF x y S ECF, = από 10-3 έως 5x10-1 x y Από την υπάρχουσα βιβλιογραφία επιλέχθηκε S ECF, = 0.05 x y 53

59 4.3 ιερεύνηση περιοριστικών παραγόντων Με χρήση του µοντέλου προσοµοίωσης διερευνήθηκε αρχικά η επάρκεια των ειδών εγχάραξης στον πυθµένα των δοµών υψηλού λόγου ασυµµετρίας (HARS) για εγχάραξη αυτών µε τη διεργασία Bosch. Έτσι υπολογίστηκε η ροή των ουδετέρων (ατόµων φθορίου) στον πυθµένα HARS για διάφορες τιµές του συντελεστή προσκόλλησης αυτών στον πυθµένα, ενώ για το πλάγιο τοίχωµα θεωρήσαµε SE = Στη συνέχεια σχεδιάστηκε η κανονικοποιηµένη ροή των ατόµων φθορίου στον πυθµένα της δοµής συναρτήσει του λόγου ασυµµετρίας. Το συγκεκριµένο διάγραµµα φαίνεται στο σχήµα 4.3. Σχήµα 4.3 : Κανονικοποιηµένη ροή ατόµων φθορίου στο κέντρο της βάσης συναρτήσει του λόγου ασυµµετρίας Από το σχήµα 4.3 αυτό µπορούν να βγουν τα ακόλουθα συµπεράσµατα : Η ροή εξαρτάται σαφώς από την τιµή του συντελεστή SE που θεωρούµε Η ροή των ατόµων φθορίου µειώνεται µε την αύξηση του AR αλλά δεν µηδενίζεται ακόµα και για AR = 100. Η ροή µειώνεται περίπου στο 20% της τιµής της σε ελεύθερη επιφάνεια. Με βάση τα παραπάνω προκύπτει το συµπέρασµα ότι η µείωση της ροής των ατόµων φθορίου δεν αποτελεί περιοριστικό παράγοντα στην εγχάραξη HARS, τουλάχιστον για AR < 100. Παρόλα αυτά, καθώς η µείωση της ροής προκαλεί αντίστοιχη µείωση του ρυθµού εγχάραξης γίνεται σαφές ότι απαιτείται εφαρµογή parameter ramping για την επίτευξη δοµών µε καλό προφίλ και τη διατήρηση ικανοποιητικού ρυθµού εγχάραξης. 54

60 4.4 Εφαρµογές αποτελέσµατα Λεπτοµερής προσοµοίωση της διεργασίας Bosch Οι βασικές παραδοχές του µοντέλου περιγράφονται παρακάτω : Το στρώµα πολυµερούς που σχηµατίζεται στην επιφάνεια προστατεύει πλήρως το υποκείµενο πυρίτιο ανεξαρτήτως του πάχους του πολυµερούς Θεωρούµε και στα δύο βήµατα (SF6 και C4F8) µόνιµη κατάσταση χωρίς την ύπαρξη µεταβατικής κατάστασης µεταξύ των παλµών SF6 και C4F Επίδραση παραµέτρων στο προφίλ της κατασκευαζόµενης δοµής Αφού τροφοδοτήθηκαν στο µοντέλο οι παράµετροι όπως υπολογίστηκαν στην 4.2, και θέλοντας να κάνουµε µια πρώτη επαλήθευση του µοντέλου, έγιναν κάποια runs και τα αποτελέσµατα της προσοµοίωσης που προέκυψαν φαίνονται στο σχήµα 4.4. Το σχήµα (α) προέκυψε για µία δεδοµένη συνταγή της διεργασίας Bosch, κατά την οποία πραγµατοποιήθηκαν 50 κύκλοι της διεργασίας, µε το βήµα εγχάραξης να διαρκεί 7s και το βήµα απόθεσης 3s. Παραδοχές : ισοτροπική κατανοµή των ουδετέρων, γκαουσιανή για τα ιόντα (σ=2 ο ), σκίαση και επανεκποµπή για τα ουδέτερα, σκίαση για τα ιόντα. Τα σχήµατα (β), (γ) και (δ) προέκυψαν για τον ίδιο χρόνο εγχάραξης (500s) και µε διατήρηση όλων των παραµέτρων σταθερών και ίδιων µε την πρώτη περίπτωση και τη µεταβολή κάθε φορά µίας εξ αυτών. Έτσι το δεύτερο σχήµα µας δείχνει το αποτέλεσµα για αύξηση της ενέργειας των ιόντων κατά 50eV, το τρίτο µας δίνει το αποτέλεσµα για αύξηση του χρόνου εναπόθεσης κατά 1s και το τελευταίο µας δείχνει το αποτέλεσµα που προκύπτει µε µείωση της ονοµαστικής διάστασης του αυλακιού. (α) (β) (γ) (δ) Σχήµα 4.4 : (α) Αρχική συνταγή : Βήµα εγχάραξης : 7s, j F =2.1 x cm -2 s -1, j ion = 4.3 x cm -2 s -1, ion energy = 75eV, Βήµα απόθεσης : 3s, j CxFy = 8.6 x cm -2 s -1 55

61 Συνολικός χρόνος : 50 κύκλοι (500s) (β) Αύξηση της ενέργειας ιόντων κατά 50eV, (γ) Αύξηση του βήµατος απόθεσης (+1s), (δ) Μείωση της διάστασης (RIE lag) Από τα παραπάνω σχήµατα είναι φανερό ότι το µοντέλο προέβλεψε σωστά την επίδραση των διαφόρων παραµέτρων στο προφίλ της δοµής. Έτσι βλέπουµε ότι µε αυξηµένη ενέργεια ιόντων επιτεύχθηκε σαφώς µεγαλύτερο βάθος, µε αυξηµένη απόθεση πολυµερούς το βάθος µειώθηκε, ενώ επίσης η µικρότερη διάσταση του αυλακιού έδωσε το αναµενόµενο αποτέλεσµα δηλ. µικρότερο βάθος εξαιτίας του φαινοµένου της υστέρησης της εγχάραξης (RIE lag) Σύγκριση µοντέλου προσοµοίωσης µε πειραµατικά δεδοµένα Στη συνέχεια πραγµατοποιήθηκε µια πρώτη σύγκριση των αποτελεσµάτων της προσοµοίωσης µε τα πειραµατικά µας δεδοµένα. 1 Στο σχήµα 4.5 (α) φαίνεται η φωτογραφία που πήραµε από το SEM για εγχάραξη δοµών 3µm µε τη διεργασία Bosch.Παρατηρούµε ότι επιτεύχθηκε καλή ανισοτροπία και έλεγχος του προφίλ µε ίσως ελαφριά θετική κλίση. (α) (β) (γ) Σχήµα 4.5 : (α) Φωτογραφία SEM για εγχάραξη δοµών 3µm, υπό τις εξής συνθήκες : Χρόνος εγχάραξης 10 min (60 κύκλοι), Βήµα απόθεσης (πρώτο) : 3s, 106 sccm C4F8, 1500W, 4.2 Pa, -55 V, Βήµα εγχάραξης : 7s, 172 sccm SF6, 1500W, 5.2 Pa, - 55 V, (β) Αποτέλεσµα προσοµοίωσης για συνθήκες ίδιες µε το (α), (γ) Αποτέλεσµα προσοµοίωσης για συνθήκες ίδιε µε το (α) αλλά µε διπλάσιο συντελεστή k. Χρησιµοποιώντας τα µοντέλα επιφανείας, όπως αυτά αναπτύχθηκαν παραπάνω, πραγµατοποιήθηκε προσοµοίωση της διεργασίας Bosch για συνθήκες όµοιες µε 1 Η αναλυτική περιγραφή των πειραµάτων που πραγµατοποιήθηκαν, το σκεπτικό, η πορεία και τα επιµέρους αποτελέσµατα παρουσιάζονται στο κεφάλαιο 3. 56

62 αυτές για τις οποίες προέκυψαν οι παραπάνω δοµές. Το αποτέλεσµα που προέκυψε από την προσοµοίωση φαίνεται στο σχήµα 4.5 (β). Παρατηρούµε ότι το αποτέλεσµα της προσοµοίωσης έδωσε βάθος εγχάραξης 20 µm, σε αντίθεση µε τo πείραµα όπου έχουµε βάθος εγχάραξης 30 µm. Έτσι βλέπουµε ότι ενώ ποιοτικά το µοντέλο λειτουργεί σωστά, πετυχαίνοντας τις τάσεις ( ), η ποσοτική σύγκριση δεν είναι ικανοποιητική. Θέλοντας να διορθώσουµε το µοντέλο χωρίς να αλλάξουµε κάποια από τις βασικές του παραδοχές, διπλασιάσαµε την τιµή του συντελεστή k (συντελεστής θερµικής εγχάραξης Si από άτοµα F) από 0,14 σε 0,28. To νέο run µε αυτή την αλλαγή µας έδωσε το επιθυµητό αποτέλεσµα, όπως φαίνεται στο σχήµα 4.5 (γ). Με την τιµή k=0.28 εκτός από το βάθος εγχάραξης προβλέπεται σωστά και το ύψος των κυµατισµών (ripples) στους πρώτους κύκλους εγχάραξης (Σχήµα 4.6). Για µικρούς λόγους ασυµµετρίας (AR) µπορούµε να θεωρήσουµε ότι οι ροές και οι αντίστοιχοι ρυθµοί είναι περίπου ίδιοι µε αυτά σε ελεύθερη επιφάνεια. Για τα 3s του βήµατος απόθεσης, στη βάση της δοµής αποτίθεται πολυµερές πάχους 3s x 219nm/min = 11nm. Το πολυµερές αυτό εγχαράσσεται στο βήµα εγχάραξης σε χρόνο t = 11nm/139nm/min = 4.7s. Θεωρώντας ότι το πολυµερές προστατεύει πλήρως το Si, στο βήµα εγχάραξης εγχαράσσεται Si µόνο τα = 2.3s. Αν k=0.14 τότε το ύψος του ripple θα είναι ίσο µε ERSi x 2.3s =0,18 µm. Αν k=0.28 τότε το ύψος του ripple θα είναι ίσο µε ERSi x 2.3s = 0,35µm, περίπου ίσο µε αυτό στα πειραµατικά δεδοµένα. Σχήµα 4.6 : Φωτογραφία SEM για τη δοµή του σχήµατος 4.4 (α) όπου φαίνονται οι κυµατισµοί Η τιµή όµως k=0.28 δεν είναι συµβατή µε τα πειραµατικά δεδοµένα εγχάραξης ελεύθερης επιφάνειας Si σε πλάσµα SF6 : όταν k=0.28 ο ρυθµός εγχάραξης είναι περίπου διπλάσιος από τον πειραµατικά µετρούµενο. Μια πιθανή ερµηνεία που µπορεί να εξηγήσει τα πειραµατικά δεδοµένα τόσο για το ρυθµό εγχάραξης σε ελεύθερη επιφάνεια όσο και το ύψος των κυµατισµών είναι ότι κατά τη διάρκεια του βήµατος SF6 συµβαίνει εγχάραξη του Si κάτω από το λεπτό και κατεστραµµένο από τα ιόντα στρώµα πολυµερούς [Standaert et al. (1998)]. Το στρώµα πολυµερούς δυσχεραίνει την εγχάραξη, όµως δεν την αποκλείει όπως υπαγορεύει η παραδοχή πλήρους προστασίας του Si από το υπερκείµενο στρώµα πολυµερούς. Αναιρώντας αυτή την παραδοχή, ένα βελτιωµένο µοντέλο που λαµβάνει υπόψη τα παραπάνω προκύπτει µε την εισαγωγή ενός συντελεστή µείωσης στην έκφραση του ρυθµού εγχάραξης, όπως για παράδειγµα εκθετική µείωση αυτού µε αύξηση του πάχους του πολυµερούς. 57

63 Η διόρθωση αυτή πραγµατοποιήθηκε µε αποτέλεσµα ο ρυθµός εγχάραξης του Si (εξίσωση 4.1) να δίνεται πλέον από την εξής έκφραση : k βf ER = exp( αt ) j + j ρsi ρsi θ Si polymer F ion F (4.4) όπου tpolymer : το πάχος του πολυµερούς H παράµετρος α προσαρµόστηκε στο ύψος των πρώτων ripples της δοµής (σχήµα 4.6) και βρέθηκε ίση µε α= Προσεγγιστική ταχεία προσοµοίωση της διεργασίας Bosch ιαφοροποίηση από τη λεπτοµερή προσοµοίωση της διεργασίας Bosch Οι βασικές διαφορές της νέας προσέγγισης είναι : α) Ο ρυθµός εγχάραξης του Si δίνεται από την εξίσωση 4.4. β) Ενώ στην πρώτη προσέγγιση υπολογίζεται η εξέλιξη δύο υλικών [Si, polymer] στη δεύτερη προσέγγιση υπολογίζεται η εξέλιξη ενός υλικού [Si] στο οποίο υπάρχει πολυµερές. Μία εγγενής αδυναµία της µεθόδου των ισοϋψών (αλγόριθµος εξέλιξης τοπογραφίας του πλαισίου προσοµοίωσης) είναι το ότι δεν υπάρχει η δυνατότητα να µεταφερθούν στο χρόνο ιδιότητες των σηµείων του κινούµενου συνόρου. Έτσι, µε τη µέθοδο των ισοϋψών δεν µπορεί να µεταφερθεί στο χρόνο το πάχος του πολυµερούς, το οποίο χρειάζεται για τον υπολογισµό των ρυθµών εγχάραξης (εξ. 4.4). Επιπροσθέτως, η λεπτοµερής προσοµοίωση είχε µεγάλο υπολογιστικό κόστος σε χρόνο. Έτσι θέλοντας να ξεπεράσουµε τα προβλήµατα αυτά, αποφασίστηκε στη νέα προσέγγιση να µην συµπεριληφθεί το κοµµάτι Γ του πλαισίου προσοµοίωσης, δηλ. ο αλγόριθµος εξέλιξης της τοπογραφίας. Στη νέα προσέγγιση υπολογίζουµε την οριζόντια µετακίνηση και το πάχος του πολυµερούς συναρτήσει του χρόνου για τα σηµεία του πλάγιου τοιχώµατος. Επίσης υπολογίζεται η κάθετη µετακίνηση και το πάχος του πολυµερούς συναρτήσει του χρόνου για το κέντρο της βάσης της δοµής. Η µετακίνηση του κέντρου της βάσης της δοµής συναρτήσει του χρόνου δίνει τη µεταβολή του βάθους της δοµής συναρτήσει του χρόνου. Σε κάθε χρονική στιγµή υπολογίζεται το πάχος του πολυµερούς και η µετακίνηση των σηµείων θεωρώντας ένα προσεγγιστικό ορθογωνικό προφίλ (σχήµα 4.7). 58

64 Σχήµα 4.7 : Προσεγγιστικό ορθογωνικό προφίλ µέσω του οποίου υπολογίζεται το πάχος του πολυµερούς και η µετακίνηση των σηµείων Εφαρµογή της νέας προσέγγισης σύγκριση µε πειραµατικά δεδοµένα Στο σχήµα 4.8 φαίνονται τα πειραµατικά αποτελέσµατα που προέκυψαν από εγχάραξη µε τη διεργασία Bosch δοµών διάστασης 3µm για συνολικό χρόνο εγχάραξης 20 min. Παρατηρούµε ότι δεν επετεύχθη καλός έλεγχος του προφίλ µε την εµφάνιση κυρτωµένων τοιχωµάτων (bowing). Σχήµα 4.8 : Εγχάραξη δοµών διάστασης 3µm µε τη διεργασία Bosch και συνθήκες : Ισχύς : 1800 W, Πίεση : 5.25 Pa, Τάση υποστρώµατος : - 55 V, Θερµοκρασία : 15 o C, Ροή C4F8 : 106 sccm, Ροή SF6 : 172 sccm, ιάρκεια κύκλου εναπόθεσης : 3 sec (πρώτο βήµα), ιάρκεια κύκλου εγχάραξης : 7 sec, Συνολική διάρκεια διεργασίας : 20 min (120 κύκλοι), Βάθος εγχάραξης 55µm 59

65 Το bowing που παρουσιάζεται στο σχήµα 4.7 είναι το εντονότερο που παρατηρήθηκε. Υπήρχε εµφάνιση του bowing και για µικρότερους χρόνους εγχάραξης καθώς και για µεγαλύτερες διαστάσεις δοµών, αλλά ήταν σαφώς λιγότερο έντονο. Με τη νέα προσέγγιση στάθηκε δυνατό λόγω του µικρότερου υπολογιστικού κόστους σε χρόνο να γίνει προσοµοίωση για µεγαλύτερους λόγους ασυµµετρίας. Στο σχήµα 4.9α φαίνεται το αποτέλεσµα που προέκυψε από την προσοµοίωση µε συνθήκες εγχάραξης όµοιες µε αυτές του Σχήµατος 4.8. Όπως παρατηρούµε από το Σχήµα 4.9α το βάθος της δοµής δεν προβλέπεται σωστά (55µm στο σχήµα 4.8, 39 µm στο σχήµα 4.9α), ενώ συγχρόνως βλέπουµε πως από την προσοµοίωση προβλέπεται ότι η δοµή τρυπάει. Για κάποιο λόγο φαίνεται ότι στο µοντέλο µας το πολυµερές στο πλάγιο τοίχωµα εξαντλείται σε µεγάλα βάθη εγχάραξης µε αποτέλεσµα η δοµή να παρουσιάζει αυτήν την τρύπα. Κάτι τέτοιο όµως δεν παρατηρείται σε κανένα από τα πειραµατικά µας δεδοµένα. Μία πιθανή αιτία για το συγκεκριµένο αποτέλεσµα είναι το γεγονός ότι το µοντέλο δεν λαµβάνει υπόψη την επανεκποµπή ριζών CxFy+1 [redeposition, Blauw et al. (2001)] κατά το βήµα εγχάραξης (πλάσµα SF6) : CxFy + F CxFy+1, η οποία θα αύξανε το πάχος του πολυµερούς στα πλάγια τοιχώµατα έτσι ώστε αυτά να προστατευθούν επαρκώς και να µην τρυπήσει η δοµή. Θέλοντας να αντισταθµίσουµε το γεγονός ότι δεν λαµβάνουµε υπόψη µας την επίδραση της επανεκποµπής ριζών CxFy+1 αποφασίσαµε να κρατήσουµε χαµηλή τιµή του S ECF,. Με τον τρόπο αυτό λαµβάνουµε υπόψη την επανεκποµπή ριζών x y έµµεσα, καθώς η χαµηλή τιµή του S ECF, έχει ως συνέπεια να καταναλώνονται x y λιγότερες ρίζες CxFy µε αποτέλεσµα να υπάρχει περισσότερο πολυµερές στη βάση της δοµής, αποτέλεσµα αντίστοιχο µε αυτό της επανεκποµπής ριζών CxFy+1. Έτσι επιλέχτηκε S ECF, = 0,02 και µε τις υπόλοιπες συνθήκες ίδιες µε αυτές του Σχήµατος x y 4.9α πήραµε το αποτέλεσµα του Σχήµατος 4.9β. Από το Σχήµα 4.9β παρατηρούµε ότι για S ECF, = 0,02 το πλάγιο τοίχωµα x y προστατεύεται επαρκώς και δεν τρυπάει. Παρόλα αυτά το τοίχωµα εµφανίζει θετική κλίση και το επιτυγχανόµενο βάθος (~40µm) είναι και πάλι µικρότερο από το πειραµατικό. Αυτό οφείλεται στο ότι για µικρό συντελεστή προσκόλλησης το πολυµερές διατηρείται σε µεγαλύτερο βάθος. Επίσης δεν παρατηρείται η εµφάνιση του bowing. Το γεγονός ότι η χαµηλή τιµή του SECF, δεν µας δίνει το επιθυµητό βάθος ίσως x y οφείλεται στο ότι υπερεκτιµούµε το ρυθµό απόθεσης πολυµερούς στη βάση της δοµής. Στα πειραµατικά µας δεδοµένα είχε παρατηρηθεί µικρή πτώση του ρυθµού απόθεσης µε αύξηση της ενέργειας των ιόντων (Σχήµα 3.4), η οποία όµως θεωρήθηκε αµελητέα και δε λήφθηκε υπόψη. Σε αποτελέσµατα της ερευνητικής οµάδας των Blauw et al. [Blauw et al. (2001)] παρατηρήθηκε ότι η µείωση του ρυθµού απόθεσης πολυµερούς στη βάση της δοµής εξαιτίας της ιονοβολής (sputtering) γίνεται σηµαντική καθώς µειώνεται ο λόγος των ριζών προς τα ιόντα, κάτι που συµβαίνει καθώς προχωράµε σε µεγαλύτερα βάθη εγχάραξης. 60

66 y y y x x x (α) SE=0.15,kp=0.0001,σ=2 (β) SE=0.02,kp=0.0001,σ=2 (γ) SE=0.15,kp=0.0,σ=2 Σχήµα 4.9 : Αποτελέσµατα προσοµοίωσης µε τις εξής συνθήκες : Ισχύς : 1800 W, Πίεση : 5.25 Pa, Τάση υποστρώµατος : - 55 V, Θερµοκρασία : 15 o C, Ροή C4F8 : 61

67 106 sccm, Ροή SF6 : 172 sccm, ιάρκεια κύκλου εναπόθεσης : 3 sec (πρώτο βήµα), ιάρκεια κύκλου εγχάραξης : 7 sec, Συνολική διάρκεια διεργασίας : 20 min (120 κύκλοι), σ = 2 ο, S ECF, = 0,05 x y Προκειµένου να λάβουµε υπόψη µας την επίδραση του παραπάνω φαινοµένου αποφασίσαµε να επιλέξουµε µεγάλη τιµή για το συντελεστή προσκόλλησης των ριζών φθοράνθρακα και συγκεκριµένα S ECF, = 0,15, κάτι που θα οδηγούσε σε x y γρηγορότερη κατανάλωση του πολυµερούς και κατά συνέπεια µικρότερο ρυθµό απόθεσης στη βάση. Συγχρόνως για να αποφύγουµε την εξάντληση του πολυµερούς στο πλάγιο τοίχωµα και κατά συνέπεια τη δηµιουργία της τρύπας που παρατηρείται για µεγάλες τιµές S, µεταβάλλαµε στο µοντέλο την τιµή του συντελεστή χηµικής εγχάραξης του ECF, x y πολυµερούς από άτοµα F, και από kp = (εξίσ. 4.2) τον θέσαµε ίσο µε µηδέν. Με τον τρόπο αυτό αγνοείται ο ισοτροπικός όρος της εγχάραξης πολυµερούς που είναι ο κυρίαρχος µηχανισµός αποµάκρυνσης πολυµερούς από το πλάγιο τοίχωµα - και λαµβάνεται υπόψη µόνο ο υποβοηθούµενος από ιόντα όρος (ion enhanced), ο οποίος αποτελεί και το µεγαλύτερο ποσοστό του συνολικού ρυθµού εγχάραξης του πολυµερούς. Προκειµένου να διατηρηθεί σταθερός ο συνολικός ρυθµός, υπολογίστηκε εκ νέου ο συντελεστής βp,0 (συντελεστής υποβοηθούµενης από ιόντα εγχάραξης πολυµερούς σε πλάσµα SF6) και πήρε την τιµή βp,0 = 0,715. Με τις συγκεκριµένες µεταβολές στο µοντέλο µας πραγµατοποιήσαµε runs και πήραµε το αποτέλεσµα του Σχήµατος 4.9γ. Από το Σχήµα 4.9γ φαίνεται ότι για την τιµή kp = 0 αποφεύγεται η εξάντληση του πολυµερούς στο πλάγιο τοίχωµα παρά τη µεγάλη τιµή του S ECF,. x y Συγχρόνως παρατηρούµε ότι στην περίπτωση αυτή το µοντέλο προβλέπει µε επιτυχία την εµφάνιση του bowing ενώ το επιτυγχανόµενο βάθος έχει αυξηθεί (~42µm), χωρίς όµως να φτάνει την παρατηρούµενη πειραµατικά τιµή (~55µm). Παρατηρήσεις - Συµπεράσµατα Τα µοντέλα επιφανειακών διεργασιών που αναπτύχθηκαν στο κεφάλαιο αυτό µε βάση το υπάρχον πλαίσιο προσοµοίωσης [Γ.Κόκκορης (2005)] λειτούργησαν ικανοποιητικά όσον αφορά την ποιοτική περιγραφή των αποτελεσµάτων της εγχάραξης µε τη διεργασία Bosch προβλέποντας σωστά την επίδραση των διαφόρων παραµέτρων στο προφίλ της δοµής. Η σύγκριση των αποτελεσµάτων της προσοµοίωσης µε τα πειραµατικά οδήγησε σε διάφορες βελτιώσεις και αναπροσαρµογές των µοντέλων ώστε τα αποτελέσµατα να έρθουν πιο κοντά στα παρατηρούµενα πειραµατικά. Η προσοµοίωση προέβλεψε µε επιτυχία το παρατηρούµενο πειραµατικά προφίλ, δηλαδή την εµφάνιση του bowing αλλά δεν προέβλεψε µε ακρίβεια το τελικό βάθος της εγχάραξης. Προκειµένου να προβλεφθούν ποσοτικά τα πειραµατικά αποτελέσµατα κρίνεται ότι στα µοντέλα επιφανειακών διεργασιών χρειάζεται να ληφθούν υπόψη και να ενσωµατωθούν σε αυτά τα εξής φαινόµενα : (α) η επανεκποµπή ριζών 62

68 φθοράνθρακα CxFy+1 (redeposition) που παράγονται κατά το βήµα εγχάραξης και (β) η ιονοβολή (sputtering) του πολυµερούς στη βάση της δοµής. 63

69 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 : ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ - PARAMETER RAMPING 5.1 Ανάλυση πειραµατικών δεδοµένων Στο σχήµα 5.1 φαίνονται πειραµατικά αποτελέσµατα εγχάραξης µε τη διεργασία Bosch (Κεφάλαιο 3) για τις ίδιες συνθήκες αλλά διαφορετικό ονοµαστικό πλάτος αυλακιού (3µm και 5µm) και διαφορετικούς χρόνους (10min και 20min). Έχουν επιλεγεί οι εικόνες αυτές στις οποίες υπάρχει bowing ή αρχίζει να εµφανίζεται. (α) Πλάτος : 5µm (β) Πλάτος : 5µm Βάθος ~ 26 µm Βάθος ~ 46 µm Χρόνος εγχάραξης 10 min Χρόνος εγχάραξης 20 min (γ) Πλάτος : 3µm (δ) Πλάτος : 3µm Βάθος ~ 23 µm Βάθος ~ 55 µm Χρόνος εγχάραξης 10 min Χρόνος εγχάραξης 20 min Σχήµα 5.1 : Φωτογραφίες από SEM δοµών που εγχαράχτηκαν µε τη διεργασία Bosch υπό τις εξής συνθήκες : Βήµα απόθεσης (πρώτο) : 3s, 106 sccm C4F8, 1500W, 4.2 Pa, -55 V, Βήµα εγχάραξης : 7s, 172 sccm SF6, 1800W, 5.2 Pa, -55V. Με κόκκινο σηµειώνεται το µέγιστο του bowing για κάθε περίπτωση. 64

70 Με χρήση προγράµµατος ανάλυσης εικόνων κάτοψης µικροσκοπίου SEM [Patsis et al. (2003)] πραγµατοποιήθηκε ανάλυση των εικόνων του Σχήµατος 5.1 µε σκοπό να διερευνηθεί το µέγεθος και η θέση του bowing. Στο Σχήµα 5.2 παρουσιάζεται ένα παράδειγµα του τρόπου µε τον οποίο έγινε η επεξεργασία των εικόνων από το SEM (α) (β) (γ) y x Σχήµα 5.2 : α) Επιλογή της προς ανάλυση περιοχής της φωτογραφίας του SEM. β) Ανίχνευση µε χρήση προγράµµατος ανάλυσης εικόνων κάτοψης µικροσκοπίου SEM [Patsis et al. (2003)] του προφίλ της δοµής. (γ) Το προφίλ της δοµής. Τα αποτελέσµατα που προέκυψαν από την ανάλυση των εικόνων του Σχήµατος 5.1 παρουσιάζονται στο Σχήµα

71 µm, 10 min 5 10 min 10 min µm, 10 min 8 y y y 5 µm, 20 min µm, 20 min 20 min 20 min x x x (α) Πλάτος 3µm (β) Πλάτος 5µm (γ) Σχήµα 5.3 : Προφίλ των δοµών α) 3µm και β) 5µm µετά από εγχάραξη µε τη διεργασία Bosch υπό τις εξής συνθήκες : Βήµα απόθεσης (πρώτο) : 3s, 106 sccm C4F8, 1800W, 4.2 Pa, -55 V, Βήµα εγχάραξης : 7s, 172 sccm SF6, 66

72 1800W, 5.2 Pa, -55V, για χρόνους εγχάραξης 10min και 20 min. γ) Προφίλ των δοµών κανονικοποιηµένο στο πλάτος τους. Παρατηρώντας το Σχήµα 5.3α φαίνεται ότι το bowing βρίσκεται στο ίδιο βάθος (7 11 µm) και για τους δύο χρόνους εγχάραξης. Το ίδιο φαίνεται και στο Σχήµα 5.3β: σε αυτή την περίπτωση το βάθος στο όποιο εντοπίζεται το bowing είναι 9 18µm. Στο Σχήµα 5.3γ φαίνονται τα αποτελέσµατα των 5.3α και 5.3β κανονικοποιηµένα στο πλάτος των δοµών. Παρατηρώντας το Σχήµα 5.3γ βλέπουµε ότι το µέγιστο του bowing εµφανίζεται σε όλες τις περιπτώσεις στο ίδιο περίπου AR (aspect ratio, λόγος βάθους προς πλάτος της δοµής) και συγκεκριµένα στη ζώνη AR= Το γεγονός ότι από τη στιγµή που εµφανίζεται το bowing δεν αλλάζει η θέση του υποδεικνύει ότι κάποια αλλαγή συµβαίνει σε αυτό το AR η οποία µεταβάλλει την κλίση του πλάγιου τοιχώµατος από αρνητική σε θετική. Η κρίσιµη τιµή του AR όπου συµβαίνει η αλλαγή εκτιµάται ότι εξαρτάται από τις συνθήκες στην αέρια φάση. 5.2 Σύνδεση του µεγέθους των ripples µε το bowing Αναζητώντας τα αίτια για τη δηµιουργία του bowing (αλλαγή της κλίσης του πλάγιου τοιχώµατος της δοµής), παρατηρήθηκαν στη βιβλιογραφία πειραµατικά αποτελέσµατα εγχάραξης δοµών µε τη διεργασία Bosch της οµάδας του ρ. Rangelow [E. Volland, W. Rangelow (2003)], τα οποία φαίνονται στο Σχήµα 5.4. πλάτος ύψος ripple (α) (β) (γ) Σχήµα 5.4 : Πειραµατικά αποτελέσµατα εγχάραξης αυλακιών µε τη διεργασία Bosch υπό τις εξής συνθήκες : Βήµα εγχάραξης : 90s, 45 sccm SF6 και 30 Η κλίση του πλάγιου τοιχώµατος (αρνητική ή θετική) ορίζεται στο Σχήµα