Модуль плазмохимического травления ACADEMVAC-PEP

Плазмохимическое травление (ПХТ, Plasma Etching, PE) относится к основным методам сухой обработки материалов, применяемым при формировании топологических элементов интегральных схем. Переход микроэлектроники к нанометровым масштабам требует процессов, обеспечивающих стабильность профиля, контролируемую анизотропию и высокую воспроизводимость результатов. В отличие от жидкостного травления, которое ограничено изотропным характером растворения материала и плохо совместимо с современными многослойными структурами, ПХТ позволяет вести процесс в условиях, при которых профиль формируется за счёт взаимодействия реактивных радикалов с поверхностью при одновременном воздействии плазменных ионов. Такой подход обеспечивает контролируемое направление травления и возможность работы с материалами, не поддающимися обработке в жидкой химии.

В сравнении с ионным (физическим) травлением, работающим в режиме преимущественно механического удаления вещества, плазмохимический метод обеспечивает более высокую селективность между обрабатываемым слоем и подслоями. Химическая составляющая процесса позволяет вести травление с меньшей повреждаемостью поверхности, что особенно важно при работе с тонкими диэлектриками, металлизированными структурами и многослойными пленками с градиентом свойств.

Значимость ПХТ особенно возрастает при использовании кластерных технологических систем, в которых модули травления, осаждения и очистки объединены общей вакуумной системой. Такая архитектура исключает необходимость последовательной выгрузки пластины в атмосферу, что позволяет сохранять состояние поверхности между процессами, минимизировать изменения, связанные с окислением или адсорбцией влаги, и обеспечивать стабильность параметров при обработке сложных последовательностей слоёв. Работа в составе единой вакуумной системы повышает воспроизводимость результатов, чем при раздельном выполнении процессов.

Особенности, цели и задачи модулей

Модули плазмохимического травления (ACADEMVAC-PEP) разработаны таким образом, чтобы удовлетворять широким требованиям современной микроэлектроники. Отличительной особенностью этих модулей является использование различных источников плазмообразования — индуктивно-связанной (модуль ACADEMVAC-PEP ICP), ёмкостно-связанной (модуль ACADEMVAC-PEP CCP) или гибридной плазмы (модуль ACADEMVAC-PEP ICP CCP).

Модули ACADEMVAC-PEP обеспечивают генерацию высокоплотной плазмы за счёт индуктивной катушки, что обеспечивает высокую плотность заряженных частиц и позволяет независимо изменять мощность, отвечающую за генерацию плазмы, и мощность, определяющую энергию ионов на подложке. Такой режим востребован при обработке материалов, для которых требуется сочетание высокой скорости травления и контролируемого направления ионного потока.

В модулях ACADEMVAC-PEP CCP плазма возбуждается между электродами за счёт высокочастотного напряжения. Плотность плазмы в таких системах ниже, чем в ICP-модулях, однако режим CCP обеспечивает более мягкие условия воздействия и широко используется для процессов, требующих повышенной селективности или снижения повреждаемости поверхности.

В гибридных системах ACADEMVAC-PEP ICP CCP сочетают оба механизма возбуждения плазмы. Плотность плазмы формируется индуктивным источником, а энергия ионов регулируется смещением на нижнем электроде. Такой подход позволяет более гибко настраивать параметры взаимодействия плазмы с материалом и обеспечивает устойчивый процесс при работе со сложными многослойными структурами, где одновременно требуется высокая скорость, селективность и стабильность профиля.

Независимо от типа источника плазмы, важнейшей особенностью модулей PEP является оснащение криочиллером, позволяющим стабилизировать температуру подложки и управлять скоростью и направленностью химических реакций, что существенно повышает качество профиля и уменьшает вероятность повреждений.

Основные группы слоев, которые травят в модулях ACADEMVAC-PEP

С точки зрения технологических задач, модули ACADEMVAC-PEP ориентированы на обработку широкого спектра материалов, включающих как неорганические, так и органические слои. В неорганическую группу входят кремний и его модификации, различные диэлектрики (SiO₂, Si₃N₄), металлы (Al, Cu, W, Cr, Ti и др.), барьерные слои на основе нитридов и оксидов. Для каждого класса материалов важны диапазоны температуры подложки, давления, состав газовой смеси и мощности плазменного источника, поэтому модули оснащаются системами стабилизации температуры, прецизионными газораспределительными узлами и средствами поддержания равномерности плазмы по площади пластины.

Так, при травлении диоксида кремния (SiO₂) используется фторид серы (VI) (SF₆):

SiO₂ + SF₆ = SiF₄ + SO₂

Образующиеся тетрафторид кремния (SiF₄) и диоксид серы (SO₂) являются летучими соединениями, которые удаляются с зоны травления откачной системой.

Металлы, такие как алюминий (Al), травятся с использованием хлорсодержащей плазмы (Cl₂):

2Al + 3Cl₂ = 2AlCl₃

Образующийся хлорид алюминия (AlCl₃) удаляется с поверхности в виде газа также откачной системой.

Значительную роль играет также обработка органических материалов — фоторезистов и полимерных масок — для которых применяют кислородсодержащие или фторорганические смеси, обеспечивающие быстрое и чистое удаление масочного слоя.

Таким образом, модули плазмохимического травления являются неотъемлемым элементом современных кластерных установок для микроэлектронного производства. Их универсальность, точность управления параметрами процесса, гибкость в выборе газовых смесей и возможность обработки широкого спектра материалов делают технологию ПХТ основным инструментом для создания элементов интегральных схем нового поколения.

Описание технических характеристик модулей

Технические характеристики модуля ACADEMVAC-PEP ICP и ACADEMVAC-PEP CCP кластерной установки ACADEMVAC CLUSTER:

• Размер обрабатываемых подложек до 200 мм
• Организация охлаждения до -25⁰С (использование жидкого хладогента) и до -150⁰С (использование жидкого азота) в случае травления
• Подача химически активных газов для травления: CF₄, O₂, SF₆ и др.
• Подача продувочного газа: Ar
• Рабочий вакуум не хуже 2∙10^-2 Торр
• Мощность ВЧ генератора: 600-3000 Вт
• Рабочая частота системы генерации плазмы: 13,56 МГц

Технические характеристики модуля ACADEMVAC-PEP ICP CCP кластерной установки ACADEMVAC CLUSTER:

• Размер обрабатываемых подложек до 200 мм
• Организация охлаждения до -25⁰С (использование жидкого хладогента) и до -150⁰С (использование жидкого азота) в случае травления
• Подача химически активных газов для травления: CF₄, O₂, SF₆ и др.
• Подача продувочного газа: Ar
• Рабочий вакуум не хуже 2∙10^-2 Торр
• Суммарная мощность ВЧ генераторов: 1200-6000 Вт
• Рабочая частота системы генерации плазмы: 13,56 МГц

Состав модулей ACADEMVAC-PEP

• Вакуумная камера выполнена в прямоугольном исполнении с подъёмной крышкой. Камера может быть изготовлена из нержавеющей стали марки AISI304 или алюминиевого сплава, в зависимости от требуемой конфигурации и варианта исполнения. Камера закреплена на раме-подставке и имеет присоединительные фланцы и смотровые окна. В нижней части камеры находится механизм подъёма подложки и вакуумные вводы для установки электронагревателей.
• Система откачки включает в себя коррозионностойкие компоненты: форвакуумный винтовой насос, насос Рутса и турбомолекулярный насос в различных сочетаниях и с разной производительностью, в зависимости от варианта исполнения, а также вакуумный шиберный затвор для всех вариантов.
• Система контроля давления состоит из вакуумметров разных диапазонов измерения, дроссельной заслонки и контроллера, поддерживающего требуемое давление в вакуумной камере путём дросселирования откачки и напуска газов в камеру при необходимости.
• Газовый душ является системой равномерной подачи технологических газов и прекурсоров в вакуумную камеру. Установочный диаметр – 290 мм. Материал изготовления – алюминиевый сплав.
• Система подачи технологических газов представляет собой отдельный шкаф, содержащий баллоны с требуемыми газами, регуляторы расхода газов (РРГ), управляемые контроллером системы контроля давления, и газовые линии.
• Система охлаждения замкнутого цикла чиллер поставляется во всех вариантах исполнения. Дополнительно установки могут комплектоваться криочиллером для охлаждения стола подложки при необходимости.
• Система генерации плазмы входит в состав модуля в вариантах исполнения ACADEMVAC-PEP ICP, ACADEMVAC-PEP CCP, ACADEMVAC-PEP ICP CCP и представляет собой ВЧ-генератор и систему согласования нагрузки. Характеристики комплектующих могут меняться в зависимости от требуемой конфигурации конкретной установки.
• Стойка управления представляет собой стойку стандартного типоразмера 19”, в которой скомпонованы основные блоки управления установкой и рабочее место оператора.
• Корпус со съемными декоративными панелями выполнен в напольном вибрационно-устойчивом исполнении и представляет собой раму-подставку для вакуумной камеры и основных технологических систем и агрегатов. Комплектуется съёмными декоративно-защитными панелями.

Комплект поставки модулей

Комплект поставки модулей включает в себя:

• Вакуумную камеру в сборе
• Систему откачки
• Систему контроля давления
• Газовый душ
• Систему подачи технологических газов
• Систему охлаждения замкнутого цикла
• Систему генерации плазмы (в зависимости от варианта исполнения)
• Стойку управления
• Корпус с декоративно-защитными панелями
• Комплект ЗИП
• Комплект эксплуатационной документации на установку, эксплуатационную документацию на покупные составные части изделия

Преимущества перед зарубежными аналогами

• Конструкция с отвязанными от камеры верхним и нижним электродами для независимой подачи разных потенциалов
• Конструкция верхнего электрода обеспечивает равномерную подачу газа через газовый душ и распределитель газового потока в область пластины
• Контроль температуры подложки
• Система контроля давления оборудована системой с обратной связью, состоящей из регуляторов расхода газа, мембранно-ёмкостным датчиком («баратрон») и дроссельной заслонкой
• Система охлаждения (чиллер) не требует оборотной воды
• Несколько вариантов исполнения модуля PEP: ACADEMVAC-PEP ICP, ACADEMVAC-PEP CCP, ACADEMVAC-PEP ICP CCP

Дополнительные функции и возможности

• Лазерный интерферометр – Optical end point detector – используется для мониторинга и контроля процесса травления
• Эллипсометр (in situ) – используется для мониторинга и контроля процесса травления
• Возможность выноса модулей в технические помещения
• Доработка ПО/ интерфейса под Ваши задачи
• Автоматизация на различных уровнях (от ручного до полностью автоматизированного управления)
• Возможность установки как преимущественно отечественных комплектующих, так и замены на импортные (по согласованию)
• Различные виды загрузки пластин от ручного до SMIF-контейнеров