особенности плазмохимического травления полимерных слоев в

ОСОБЕННОСТИ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО ТРАВЛЕНИЯ
ПОЛИМЕРНЫХ СЛОЕВ В МИКРО- И НАНОРАЗМЕРНЫХ ЗАЗОРАХ
С.А. Жукова, А.А. Жуков, Ю.С. Четверов
ОАО "ЦНИИ"Циклон", 123456, Москва, Щелковское ш., 77, [email protected]
The Distinction of Plasma Chemical Etching of Polymer Layers in
Micro-and Nanodimensional Gaps
S.A. Zhukova, A.A. Zhukov, Yu.S. Chetverov
Tsiklon Central Research Institute, Shchelkovskoe sh. 77, Moscow, 107497 Russia
Dependences of etching rate of polyimide layers from micro- and
nanodimensional gaps between silicon substrate and silicon nitride functional layer in
HF-plasma are shown. The estimation of limiting length of a gap formed by etching from
thickness of a layer is lead. Dependences of etching rate and the greatest possible length
of the released gap from size of an aperture or a flute formed in a functional layer for
access of components of plasma to the polyimide layer are shown.
В настоящее время в связи с бурным развитием микро- и наносистемной
техники актуальной является задача разработки групповых методов формирования
структур с зазорами высотой от нескольких нанометров до десятков микрометров.
Такие зазоры необходимы для повышения эффективности и обеспечения
работоспособности широкого спектра исполнительных элементов устройств.
Например, воздушные или вакуумные зазоры присутствуют в конструкциях
микрофазовращателей, балочных и мембранных резонаторов, микропереключателей,
предусмотрены для уменьшения паразитных емкостей индукторов и т.д. [1].
Уменьшение величины зазоров в ряде случаев позволяет значительно снизить
энергопотребление, массогабаритные характеристики и обеспечить дополнительные
функциональные возможности устройств. Одним из методов формирования зазоров
является применение вспомогательных жертвенных слоев, служащих опорой при
формировании верхних слоев конструкций и удаляющихся на конечных стадиях
технологического процесса. Очевидно, что при травлении жертвенных слоев возникает
ряд ограничений, которые необходимо учитывать при выборе конструкторскотехнологических подходов при изготовлении устройств. Целью настоящей работы
являлось определение физических и технологических ограничений и исследование
кинетики плазмохимического травления полиимидных слоев в микро- и
наноразмерных зазорах.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Экспериментальные образцы представляли собой сформированные на
кремниевых подложках многослойные структуры на основе полипиромеллитимидных
слоев толщиной от 5 нм до 15,0 мкм и слоев нитрида кремния толщиной 0,10 - 0,12
мкм с топологическим рисунком.
Полиимидные слои получали из раствора полиамидокислот методами
центрифугирования и двухстадийной термоимидизации, слои нитрида кремния плазмохимическим осаждением из газовой фазы. В слое нитрида кремния методами
фотолитографии и плазмохимического травления формировали топологический
рисунок с элементами различных геометрических размеров. Полученные структуры
подвергали воздействию ВЧ-плазмы воздуха на установке плазмохимического
травления объемного типа при варьируемой продолжительности процесса. Подложки
со сформированными на них тонкопленочными структурами размещали в реакторе на
заземленном подложкодержателе. Мощность плазмы составляла 600 Вт, давление – 10-2
Па.
184
Скорость
травления
полиимидных
слоев
оценивали
по
длине
сформировавшегося зазора между подложкой и нитридом кремния за заданный
временной интервал. Геометрические характеристики структур и толщину слоев
измеряли с помощью оптического микроскопа со встроенным микроинтерферометром
Axioskop 2 фирмы «Carl Zeiss» (Германия), толщину слоев порядка единиц и десятков
нанометров оценивали с помощью профилографа Talystep (Англия).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Ранее нами в работе [2] была исследована динамика травления поверхностей
полиимидных покрытий. Было показано, что при продолжительности процесса менее
трех минут травления практически не происходит, дальнейшее увеличение
продолжительности обработки приводит к резкому возрастанию скорости травления.
После 10 минут скорость травления максимальна, не зависит от продолжительности
процесса и для полипиромеллитимида составляет около 0,07 мкм/мин. При травлении
полиимидных слоев из зазора динамика изменения скорости травления носит
несколько иной характер. При продолжительности процесса до нескольких минут
также не наблюдается заметного травления, а при увеличении продолжительности
процесса до 60 минут наблюдается резкий скачок скорости на динамических
зависимостях (рис. 1). Этот эффект может быть связан с повышением температуры при
воздействии компонентов плазмы на образец за счет экзотермической реакции
окисления полимера и физического воздействия частиц плазмы [2, 3]. Более
интенсивное по сравнению с поверхностным травление полиимидных покрытий
толщиной от 0,2 до 5 мкм из зазора можно объяснить задержкой нитридом кремния
рассеивания тепла из зазора. Повышение температуры в зазоре, в свою очередь,
способствует усилению химической активности реагентов травления и конвективной
диффузии компонентов плазмы и продуктов реакции. Однако в отличие от
поверхностного, скорость травления полиимидов из зазора при достаточно длительных
процессах стремится к нулю, причем, чем тоньше слой, тем быстрее формирующийся
зазор достигает своей максимальной величины.
dl/dt,
мкм/мин
0,12
А
Б
0,08
0,04
0
0
50
100
t, мин
Рис. 1. Скорость травления полиимидного слоя толщиной 0,05 мкм
(dl/dt) при различной продолжительности процесса (t)
По-видимому, на участке А рис. 1 определяющий вклад в травление полиимида
из зазора вносит температурная составляющая, в результате чего усиливается
инициирование образования реакционноспособных частиц плазмы, ускоряется
гетерогенный процесс при стационарной конвективной диффузии в образовавшемся
зазоре. По мере увеличения продолжительности процесса, и соответственно, длины
формирующегося зазора (участок Б на рис. 1) массоперенос реагентов и продуктов
реакции травления становится все более затруднителен и скорость травления стремится
185
к нулю. Иллюстрацией, косвенно подтверждающей, что при плазмохимическом
травлении полиимидного слоя между подложкой и слоем нитрида кремния
существенную роль играют процессы массопереноса в образующемся зазоре, являются
зависимости длины вытравленного полиимидного слоя от диаметра отверстия в
нитриде кремния, представленные на рис. 2. Нелинейный участок кривых 1, 2 и 3 (рис.
2) может быть связан с различной проводимостью отверстий разного диаметра [4]. При
продолжительности процесса, стремящейся к бесконечности, скорость травления
стремится к нулю, а длина освобожденного травлением зазора зависит от диаметра
отверстия в слое нитрида кремния (кривая 4, рис. 2). Полученные зависимости имеют
важное практическое значение, поскольку в ряде случаев в конструкциях
исполнительных элементов устройств микро- и наносистемной техники требуются
зазоры как можно меньшей толщины при относительно больших геометрических
размерах в плоскости подложки. Одним из решений обеспечения полного
вытравливания полиимидного слоя может быть формирование отверстий оптимальной
величины.
l, мкм
3
15
l, мкм
30
4
2
20
10
1
5
10
0
0
0
10
20
30
40
d, мкм
0
1
2
d, мкм
Рис. 2. Длина освобожденного травлением зазора (l) при различном диаметре отверстия в
нитриде кремния (d) при продолжительности процесса: 1 – 20 минут, 2 – 40 минут, 3 – 50
минут, 4 – при продолжительности процесса, стремящейся к бесконечности (толщина
полиимидного слоя 2,5 мкм)
Несмотря на то, что интенсивность диффузионных процессов прямо
пропорциональна площади поперечного сечения зазора при прочих равных условиях,
зависимость длины вытравленного полиимидного слоя от его толщины носит
неоднозначный характер. На рис. 3 представлены зависимости длины сформированного
зазора от толщины полиимидного слоя, полученные при различной продолжительности
процесса травления. На полученных кривых можно условно выделить три участка, на
которых характер изменения скорости травления от толщины слоев полиимида сильно
меняется.
Наиболее интенсивное изменение скорости травления наблюдается для слоев
толщиной в диапазоне от нескольких нанометров до примерно 0,6 мкм (участок А на
рис. 3). Для слоев толщиной от 10 мкм и выше (участок В, рис. 3) скорость травления
значительно меньше, чем для слоев толщиной порядка нескольких микрометров, мало
зависит от толщины полиимида и по своему абсолютному значению приближается к
скорости травления открытой поверхности полиимидных покрытий (0,07 мкм/мин [1]).
Характер зависимостей длины вытравленного полиимидного слоя от его
толщины для слоев меньше 0,5 – 0,6 мкм (участок А на рис. 3) можно объяснить
улучшением массопереноса с ростом толщины слоя. Для слоев толщиной
186
приблизительно от 0,5 до 10 мкм (участок Б на рис. 3) рассеивание тепла улучшается
для структур на основе более толстых слоев, что по-видимому, обуславливает
понижение скорости травления, несмотря на более эффективный процесс
массопереноса. Участок В на рис. 3 свидетельствует о том, что при продолжительности
процесса минимум до 120 минут механизм травления из зазора слоев толщиной от 10
мкм и выше аналогичен травлению открытой поверхности полиимидных покрытий, где
основной вклад в процесс травления вносят не явления, связанные с самой
формируемой структурой, а параметры процесса и характеристики плазмы.
Длина
l, мкм
зазора, мкм
80
А
Б
В
480
60
3
60
2
40
40
20
20
1
0
0
0
1
0,5
6
11
16
h, мкм
Толщина полиимидного слоя,
мкм
Рис. 3. Длина освобожденного травлением зазора (l) при различной толщине полиимидного
слоя (h) и продолжительности травления: 1 – 15 минут, 2 – 60 минут, 3 – 90 минут, 4 – 120
минут
Таким образом, проведена оценка предельной длины формируемого травлением
зазора от толщины слоя. Показаны зависимости скорости травления и максимально
возможной длины освободившегося зазора от величины отверстия или канавки,
формируемой в функциональном слое для доступа компонентов плазмы к
полиимидному слою. Обнаружено, что зависимость скорости травления от толщины
полиимидного слоя носит неоднозначный характер в рассмотренном диапазоне
толщин. Так, для слоев толщиной до 0,5 – 0,6 мкм наблюдается возрастание скорости
травления от толщины слоя. При увеличении толщины покрытий приблизительно до 10
мкм изменение скорости носит обратный характер, а для еще более толстых слоев
скорость травления мало зависит от толщины полиимида и по своему абсолютному
значению приближается к скорости травления открытой поверхности полиимидных
покрытий. В работе сделаны первые попытки объяснения этих явлений.
Полученные результаты могут быть использованы при выборе конструкторскотехнологических подходов при изготовлении исполнительных элементов устройств
микро- и наносистемной техники с использованием полимерных жертвенных слоев.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вардан В, Виной К., Джозе К. ВЧ МЭМС и их применение. М.: Техносфера. 2004.
2. Жуков А.А., Жукова С.А., Корнеева Г.А., Четверов Ю.С. // Прикладная физика.
2004. № 2. С. 53.
3. Словецкий Д.И. Механизмы плазмохимического травления материалов.
Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Книга III. Гл.ред. В.Е. Фортов. М.:
Наука. 2000. С. 346.
4. Уэстон Дж. Техника сверхвысокого вакуума: Пер. с англ. М.: Мир. 1988.
187