RU2805030C1 - Способ градиентного ионно-плазменного травления через маску - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к технологии изготовления изделий электронной техники, в частности, к ионно-плазменному травлению. Способ градиентного ионно-плазменного травления через маску включает помещение изделия, поверхность которого необходимо обработать, в вакуумную камеру, установку на/над поверхностью изделия твердотельной маски в виде плоскопараллельной пластины с заданным контуром края зоны травления, при этом между маской и обрабатываемой поверхностью размещается плоскопараллельный держатель, который задает необходимую высоту зазора между маской и обрабатываемой поверхностью, и не выступает за край маски так, чтоб край держателя находился дальше от края маски - под маской не менее чем на 2 толщины зазора, откачку остаточных атмосферных газов из вакуумной камеры до давления не хуже 10^-3 Па, напуск газа аргон до давления 1 Па, формирование плазмы за счет тлеющего газового разряда и обработку поверхности изделия потоком плазмы. Изобретение обеспечивает возможность формирования гладкого градиентного профиля травления вдоль произвольно выбранного контура и с произвольной шириной градиентной области в плоскости поверхности обрабатываемого изделия, что дает возможность сформировать градиент физико-химических свойств поверхности кристаллических материалов и/или тонких пленок, а также для создания пространственно-неоднородных материалов, наноструктур и композитов. 2 ил., 1 пр.

Description

Изобретение относится к области ионно-плазменных технологий и, в частности, к созданию пространственно-неоднородных профилей ионного травления поверхности кристаллических материалов при их бомбардировке ускоренными ионами низкотемпературной плазмы. Неоднородный профиль травления в планарной проекции формируется за счет создания механических преград на пути распространения плазменного потока. Данное изобретение позволяет добиться гладкого градиентного профиля травления, что дает возможность сформировать градиент физико-химических свойств поверхности кристаллических материалов и/или тонких пленок для создания пространственно-неоднородных материалов, наноструктур и композитов. Изобретение может быть использовано в области электроники, фотоники, магнитооптики, в наукоемких технологиях при создании высокочувствительных датчиков магнитного поля и т.д., а также при проведении комплексных лабораторных исследований.

Неоднородное травление поверхности твердых тел может осуществляться двумя методами. Первый метод предполагает нанесение на обрабатываемую поверхность контактной маски (механическое маскирование, литография и т.д.), второй метод заключается в формировании неоднородного ионного потока.

В частности, известен способ ионно-лучевой обработки (Патент RU 2433081 С1 МПК В82В 3/00 (2006.01), С23С 14/48 (2006.01), опубл. 10.11.2011, Бюл. №31), включающий обработку диэлектрических материалов химически активными или инертными заряженными частицами, ускорение которых осуществляют в источнике ионов, отличающийся тем, что, с целью нейтрализации положительного заряда на всей площади диэлектрической поверхности структур, снижения влияния заряженных частиц на параметры обрабатываемых изделий, повышения разрешения минимальных размеров их элементов, осуществления травления материалов с большим аспектным отношением, обработку диэлектрических материалов проводят пучком положительных ионов одновременно с подачей на подложку ВЧ смещения.

Изобретение относится к микро- и наноэлектронике, к технологии изготовления наноструктур размером <30 нм при травлении через резистивную маску с высоким аспектным отношением.

Общим с заявляемым решением признаком является обработка поверхности твердотельных материалов заряженными частицами (ионами плазмы) с подачей на подложку ВЧ смещения.

Недостатком технического решения является отсутствие возможности формирования неоднородного ионного потока вдоль выбранного контура для получения градиентного профиля травления.

Известна контактная маска для изготовления поверхностного микропрофиля при ионном травлении в вакууме (Патент RU 22832 U1 МПК G02B 1/12 (2000.01), опубл. 27.04.2002 Бюл. №12), представляющая собой плоско-параллельную пластину с отверстием требуемого контура травления, отличающаяся тем, что на ее поверхность, контактирующую с обрабатываемой деталью, нанесен слой полимерной пленки, имеющий более высокую пластичность по отношению к материалу контактной маски.

Общим с заявляемым решением признаком является использование в качестве маски плоскопараллельной пластины для сокрытия части поверхности от ионного потока.

Недостатком технического решения является отсутствие регулируемого зазора между обрабатываемой поверхностью и плоскопараллельной маской вблизи края маски. Это не позволяет менять неоднородность плазменного потока и регулировать ширину неоднородного профиля на границе зоны травления.

Известна установка для плазменной обработки твердого тела (Патент RU 2030811 С1 МПК H01L 21/306 (1995.01), опубл. 10.03.1995), содержащая генератор плазменной струи атмосферного давления, установленный с возможностью перемещения относительно обрабатываемой пластины, систему подачи плазмообразующего газа, источник питания и держатель пластин, отличающаяся тем, что, с целью повышения производительности и качества обработки, она дополнительно включает задатчик скорости перемещения держателя пластины и задатчик поперечного размера плазменной струи, генератор плазменной струи снабжен регулятором поперечного размера плазменной струи, связанным с задатчиком поперечного размера плазменной струи, а держатель пластин установлен с возможностью перемещения относительно плазменной струи и оснащен регулируемым приводом, связанным с задатчиком скорости перемещения.

Изобретение относится к обработке твердых тел, а именно к устройству плазменной обработки поверхности твердого тела, и может быть использовано, например, в электротехнике, машиностроении, электронике.

Общим с заявляемым решением признаком является плазменная обработка преимущественно плоских подложек потоком ионов от генератора плазмы с системой подачи плазмообразующего газа и источником питания.

Недостатком технического решения является то, что неоднородный поток ионов образуется либо при механическом перемещении подложки, либо за счет регулировки поперечного размера плазменной струи, что не позволяет получать неоднородное травление вдоль произвольно выбранного контура.

В качестве прототипа выбран активный литографический шаблон с микромеханически подвижными элементами, способ его получения и способ формирования функциональной структуры с использованием активного шаблона (Патент RU 2760178 С2, МПК G03F 7/00 (2006.01) H01L 21/302 (2006.01), опубл. 22.11.2021, Бюл. №33), характеризующийся тем, что он содержит элементы в виде островков и окон, причем элементы в виде островков выполнены с возможностью совершать микромеханическое движение на расстояния от 1 нм до 500 мкм на этапе формирования шаблона и/или на этапе нанесения слоя/слоев целевого материала через данный шаблон, причем указанное движение обусловлено релаксацией механических напряжений в островках шаблона, механические напряжения, в свою очередь, вызваны протеканием физической и/или химической реакции в веществе островков шаблона, инициируемой внешним физическим и/или химическим воздействием.

Изобретение относится к литографическим шаблонам, к способам их получения и применения. Изобретение обеспечивает увеличение максимальной допустимой толщины наносимого через шаблон материала и увеличение технологичности создания и использования шаблона. В данном случае термин «шаблон» тождествен термину «маска».

Недостатком технического решения является то, что края островков шаблона, по меньшей мере вдоль части своего периметра, отделены от подложки и представляют собой консоль. В одном из вариантов исполнения указанная консоль выполнена способной совершать микромеханическое движение по механизму изгиба консоли. Такое микромеханическое движение края островков шаблона не позволяет варьировать ширину неоднородного профиля на границе зоны травления в широком диапазоне от 10^-5 м, до 10^-2 м.

Задачей заявляемого изобретения является возможность формирования гладкого градиентного профиля травления вдоль произвольно выбранного контура и с произвольной шириной градиентной области в плоскости поверхности обрабатываемого изделия, что дает возможность сформировать градиент физико-химических свойств поверхности кристаллических материалов и/или тонких пленок для фундаментальных и прикладных исследований, а также для создания пространственно-неоднородных материалов, наноструктур и композитов.

Заявленный технический результат достигается тем, что способ градиентного ионно-плазменного травления через маску включает помещение изделия, поверхность которого необходимо обработать, в вакуумную камеру, установку над поверхностью изделия твердотельной маски в виде плоскопараллельной пластины с заданным контуром края зоны травления, при этом между маской и обрабатываемой поверхностью размещается плоскопараллельный держатель, который задает необходимую высоту d зазора между маской и обрабатываемой поверхностью, и не выступает за край маски, при этом край держателя находится под маской дальше от края маски на расстоянии не менее чем на две толщины держателя маски больше или равно двум значениям высоты зазора между маской и обрабатываемой поверхностью твердотельного образца ≥2d, откачку остаточных атмосферных газов из вакуумной камеры до давления не хуже 10^-3 Па, напуск газа аргон до давления 1 Па, формирование плазмы за счет тлеющего газового разряда и обработку поверхности изделия потоком плазмы.

Общим с заявляемым решением признаком является ионное травление поверхности с использованием маски, края которой приподняты над поверхностью, которую необходимо обработать ионным потоком.

Отличительными признаками изобретения являются:

- использование маски в виде твердотельной плоскопараллельной пластины;

- наличие между маской и обрабатываемой поверхностью держателя маски;

- возможность регулирования высоты зазора между маской и обрабатываемой поверхностью;

Совокупность отличительных и ограничительных признаков обеспечивает изобретательский уровень заявленного технического решения.

В заявляемом способе используют принцип градиентного ионного травления поверхности за счет формирования неоднородного плазменного потока вблизи края маски, который образуется в результате эффекта геометрической полутени. Это позволяет сформировать градиент физико-химических свойств поверхности кристаллических материалов и/или тонких пленок вдоль произвольно выбранного контура для фундаментальных и прикладных исследований, а также для создания пространственно-неоднородных материалов, наноструктур и композитов.

Данный способ имеет ряд преимуществ:

- метод применим для ионной обработки как гомогенных кристаллических образцов, так и для тонких пленок;

- варьирование высоты зазора между обрабатываемой поверхностью и маской позволяет варьировать ширину неоднородного профиля на границе зоны травления в широком диапазоне от 10^-5 м, до 10^-2 м;

- подбор геометрической формы маски позволяет осуществлять градиентное травление вдоль произвольно выбранного контура.

В основу заявляемого изобретения положен принцип градиентного распыления поверхности твердого тела ускоренными ионами инертного газа за счет формирования неоднородного плазменного потока вблизи края маски. Неоднородный плазменный поток образуется между краем маски и обрабатываемой поверхностью в результате эффекта геометрической полутени. Изобретение базируется на экспериментально подтвержденном факте неоднородного градиентного ионного травления вблизи края маски при создании зазора между маской и обрабатываемой поверхностью. Заявляемый способ градиентного ионно-плазменного травления через маску позволяет создать градиентный профиль травления поверхности вблизи края маски. Это дает возможность сформировать градиент физико-химических свойств поверхности кристаллических материалов и/или тонких пленок вдоль произвольно выбранного контура для фундаментальных и прикладных исследований, а также для создания пространственно-неоднородных материалов, наноструктур и композитов.

На Фиг. 1. Представлено взаимное расположение твердотельного образца с обрабатываемой поверхностью, держателя маски и самой маски относительно потока ионов инертного газа аргона.

На Фиг. 2 представлены результаты исследования градиентного профиля ионно-плазменного травления при высоте зазора между маской и обрабатываемой поверхностью 300 мкм: а - снимок интерференционной картины; б - форма неоднородного профиля травления.

Способ реализуют следующим образом. Градиентное ионно-плазменное травление осуществляют в плазме тлеющего высокочастотного разряда (13,6 МГц) при высокочастотном электрическом смещении (13,6 МГц) на обрабатываемую поверхность.

Твердотельный образец 1 с обрабатываемой поверхностью, держатель маски 2 и маску 3 предварительно очищают химико-механическим способом с применением неорганических и органических растворителей для удаления посторонних загрязнений. Очищенный образец 1 помещается в вакуумную камеру, на обрабатываемую поверхность образца устанавливается плоскопараллельный держатель маски 2, а на поверхность держателя саму маску 3. Плоскопараллельный держатель задает высоту зазора d между маской 3 и твердотельным образцом 1 с обрабатываемой поверхностью при этом край держателя 2 находится под маской дальше от края маски 3 на расстоянии больше или равно двум значениям высоты зазора между маской и обрабатываемой поверхностью твердотельного образца 1 (≥2d). Из вакуумной камеры откачивают воздух до давления не хуже 10^-3 Па, в камеру напускают газ аргон до давления 1 Па. Тлеющий высокочастотный разряд от генератора (13,6 МГц) формирует облако плазмы Ar⁺. Для выполнения травления на обрабатываемую поверхность подается высокочастотное электрическое смещение от независимого генератора (13,6 МГц). Время обработки поверхности находится как отношение необходимой глубины травления и скорости травления. Скорость травления задается оператором.

После осуществления процесса травления высокочастотные поля смещения и генерации плазмы выключаются, в вакуумную камеру напускается воздух до атмосферного давления, с твердотельного образца 1 с обрабатываемой поверхностью удаляется маска 3 и держатель маски 2. При необходимости регулировки ширины градиентной области травления высота зазора между маской 3 и обрабатываемой поверхностью твердотельного образца 1 изменяется за счет изменения толщины плоскопараллельного держателя маски 2.

Пример реализации способа

Ионно-плазменное травление выполнено на образце эпитаксиальной пленки висмут-замещенного феррит-граната номинального состава (BiY)₃(FeAlGa)₅O₁₂ толщиной порядка 150 нм. Монокристаллическая эпитаксиальная пленка получена методом жидкофазной эпитаксии на подложке толщиной 500 мкм из полированного монокристалла гадолиний-галлиевого граната Gd₃Ga₅O₁₂ с ориентацией поверхности (111).

Ионное травление выполнено с использованием вакуумной установки "МВУ ТМ Плазма 06" (НИИ ТМ, Зеленоград) в плазме Ar⁺при давлении 1 Па (остаточное давление атмосферных газов не хуже 5⋅10^-3Па). В данной установке плазма генерируется за счет тлеющего высокочастотного разряда (13,6 МГц). Травление твердотельного образца 1 с обрабатываемой поверхностью происходит за счет высокочастотного смещения на водоохлаждаемый предметный столик от независимого генератора (13,6 МГц).

В качестве держателя маски 2 использована плоскопараллельная пластина из кварца SiO₂ толщиной 300 мкм. В качестве маски 3 использована плоскопараллельная пластина из монокристалла гадолиний-галлиевого граната Gd₃Ga₅O₁₂ толщиной 500 мкм с линейным контуром вдоль края. Край маски выступал за край держателя не менее чем на 1 мм.

Анализ геометрической формы градиентного профиля травления осуществляли с помощью микроинтерферометра Линника МИИ-4, интерферограммы получены в монохромном свете (зеленый светофильтр с длиной волны λ=532 нм). Фиг. 2-а демонстрирует искажение интерференционной картины в области градиентного профиля травления. Результаты анализа формы градиентного профиля травления h(x) представлены на Фиг. 2-б. Видно, что толщина пленки на границе зоны травления монотонно уменьшается, формируя гладкий градиентный профиль. В данном примере реализации способа при высоте зазора d=300 мкм ширина области градиентного профиля травления составила порядка 140 мкм при общей глубине травления 180 нм.

Заявляемый способ градиентного ионно-плазменного травления через маску позволяет создать градиентный профиль травления поверхности вблизи края маски. Это дает возможность сформировать градиент физико-химических свойств поверхности кристаллических материалов и/или тонких пленок вдоль произвольно выбранного контура для фундаментальных и прикладных исследований, а также для создания пространственно-неоднородных материалов, наноструктур и композитов.

Claims (1)

1. Способ градиентного ионно-плазменного травления через маску, включающий очистку химико-механическим способом твердотельного образца с обрабатываемой поверхностью, помещение образца в вакуумную камеру, установку на обрабатываемую поверхность образца маски, откачку воздуха из вакуумной камеры до давления не хуже 10^-3 Па, напуск в камеру газа аргон до давления 1 Па, создание облака плазмы Ar⁺ с помощью тлеющего высокочастотного разряда 13,6 МГц, подачу высокочастотного электрического смещения от независимого генератора 13,6 МГц для ионного травления поверхности твердотельного образца с обрабатываемой поверхностью, отличающийся тем, что используется маска в виде твердотельной плоскопараллельной пластины с заданным контуром зоны травления, а между маской и обрабатываемой поверхностью устанавливается держатель маски для создания зазора между маской и обрабатываемой поверхностью, при этом край держателя находится дальше от края маски не менее чем на 2 толщины зазора, с возможностью регулирования высоты зазора между маской и обрабатываемой поверхностью твердотельного образца для изменения ширины градиентного профиля травления.