Г.Р. Сагателян1, К.Н. Бугорков2

1,2 Московский Государственный технический университет имени Н.Э. Баумана
(Национальный исследовательский университет) (Москва, Россия)
1 h_sagatelyan@mail.ru, 2 milan85@gmail.com

Постановка проблемы. Плазмохимическое травление (ПХТ) применяется для формирования глубокого рельефа на поверхности деталей микроэлектроники МЭМС из таких материалов, как кремний и оптическое стекло. Для реализации процесса ПХТ этих материалов (Si и SiO2) в качестве активного компоненте в составе реакционной газовой смеси чаще всего используют фреон – тетрафторид углерода CF4 и элегаз – гексафторид серы SF6. Эти газы при ПХТ обеспечивают такую же скорость травления стекла, как и чистый фтор. Технология ПХТ должна заменить жидкостное травление кремния и стекла в современном приборостроении.

Цель. Описать методику экспериментальных исследований для косвенного определения электронной температуры плазмы.

Результаты. Приведены результаты аналитических и экспериментальных исследований свойств высокочастотной (ВЧ) плазмы, возбуждаемой плоским индуктором, для плазмохимического травления деталей из кварцевого стекла в газовых смесях на основе гексафторида серы SF6. Рассматривается формирование высокого рельефа на обеих сторонах кварцевой пластины маятникового акселерометра в условиях размещения заготовки в объеме ВЧ плазмы, что обеспечивает ее двухстороннюю обработку.

Аналитически показано, что создаваемая плазма является идеальной, т.е. ее газодинамика эквивалентна газодинамике идентичной по составу газовой смеси и к ней применимы результаты расчетов, характеристик разреженного газа в вакуумной камере. Разработаны методики расчета плотности многокомпонентных газовых смесей и определения режимов их течения в вакуумной камере, а также коэффициентов их динамической вязкости, теплопроводности и взаимной диффузии.

На основе анализа длин волн де Бройля для частиц, образуемых в плазме, показано, что плазма является классической, а квантовые явления проявляются на внутриатомном уровне. Исходя из принципа неопределенности Гейзенберга, показано, что пороговой для SF6 является энергия 1,3 э-В. Предложена методика оценки электронной температуры плазмы на основе применения формулы Саха.

Разработана технология формирования на функциональных плоскостях пластины маятникового акселерометра из кварцевого стекла группы опорных платиков высотой 30 мкм. При проведении соответствующих экспериментальных исследований апробирована методика оценочного расчета степени ионизации плазмы на основе анализа скачков давления при зажигании плазмы в вакуумной камере. Полученная экспериментально-аналитически электронная температура плазмы составляет 0,9 э-В.

Практическая значимость. Разработанная технология позволяет освоить серийное производство маятниковых акселерометров с кварцевой пластиной новой конструкции на основе применения поддающегося расчету стабилизированного процесса ПХТ для формирования функционального высокого рельефа на опорных поверхностях.

Сагателян Г.Р., Бугорков К.Н. Анализ высокочастотного разряда при плазмохимическом травлении кварцевого стекла гексафторидом серы // Нанотехнологии: разработка, применение – XXI век. 2024. Т. 16. № 2. С. 54–71. DOI: https://doi.org/ 10.18127/ j22250980-202402-06

1. MEMS Materials and Processes Handbook / Ed.: Reza Ghodssi, Pinyen Lin. New York: Springer. 2011. P. 403–456.
2. Одиноков С.Б., Сагателян Г.Р., Ковалев М.С. Расчет, конструирование и изготовление дифракционных и голограммных оптических элементов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2014. 121 с.
3. Mogab C.J., Adams A.C., Flamm D.L. Plasma etching of Si and SiO2 – The effect of oxygen additions to CF4 plasmas. Journal of Applied Physics. July 1978. № 49(7). P. 3796–3803.
4. d’Agostino R., Cramarossa F., De Benedictis S., Ferraro G. Spectroscopic diagnostics of CF4 – O2 plasmas during Si and SiO2 etching processes. Journal of Applied Physics. March 1981. № 52 (3). P. 1259–1265.
5. Knizikevichus R. Simulation of Si and SiO2 Etching in SiF6 + O2 Plasma. Acta Physica Polonica A. 2010. V. 117. № 3. P. 478–483.
6. d’Agostino R., Flamm D.L. Plasma etching of Si in SF6 – O2 mixtures. Journal of Applied Physics. January 1981. № 52(1). P. 162–167.
7. Stillahn J.M., Zhang J., Fisher E.R. Surface interactions of SO2 and passivation chemistry during etching of Si and SiO2 in SF6/O2 plasmas. J. Vac. Sci. Technol. Jan/Feb 2011. № A 29(1). P. 011014-1 – 011014-10.
8. Kim D.H., Choi J.E., Hong S.J. Analysis of optical emission spectroscopy data during silicon etching in SF6/O2/Ar plasma. Plasma Sci. Technol. 2021. № 23. 125501. – 11 p. https://doi.org/10.1088/2058-6272/ac24f4.
9. Flamm D.L., Mogab C.J., Sklaver E.R. Reaction of fluorine atoms with SiO2. Journal of Applied Physics. October 1979. № 50(10). P. 6211–6213.
10. Одиноков С.Б., Сагателян Г.Р., Дроздова Е.А., Бетин А.Ю. Жидкостное травление кремния при изготовлении голограммных оптических элементов // Нанотехнологии: разработка, применение – XXI век. 2018. Т. 10. № 2. С. 38–51.
11. Одиноков С.Б., Сагателян Г.Р. Технология изготовления дифракционных и голограммных оптических элементов с функциональным микрорельефом поверхности методом плазмохимического травления // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер.: Приборостроение. 2010. № 2 (79). С. 92–104.
12. Odinokov S.B., Sagatelyan H.R. The design and manufacturing of diffraction optical elements to form a dot-composed etalon image within the optical systems. Optics and Photonics Journal. 2013. V. 3 № 1. P. 102–11.
13. Одиноков С.Б., Сагателян Г.Р., Ковалев М.С., Соломашенко А.Б., Дроздова Е.А. Создание ДОЭ для формирования точечных эталонных изображений в оптических системах // Компьютерная оптика. 2013. Т. 37. № 3. С. 341–351.
14. Берлин Е.В., Двинин С.А., Сейдман Л.А. Вакуумная технология и оборудование для нанесения и травления тонких пленок. М.: Техносфера. 2007. 176 с.
15. Odinokov S.B., Ruchkina M.A., Sagatelyan G.R., Solomashenko A.B., Zherdev A.Y. Design and experiments of combined diffractive optical element for virtual displays and indicators / In: Proceedings of SPIE – The International Society for Optical Engineering. 4, Advances and Modern Trends. 2015. P. 95080R.
16. Подлипнов В.В., Колпаков В.А., Казанcкий Н.Л. Исследование травления диоксида кремния во внеэлектродной плазме с использованием хромовой маски // Компьютерная оптика. 2016. T 40. № 6. С. 830–836.
17. Волков А.В., Моисеев О.Ю., Полетаев С.Д., Чистяков И.В. Применение тонких пленок молибдена для контактных масок при изготовлении микрорельефов элементов дифракционной оптики / Компьютерная оптика. 2014. Т. 38. № 4. С. 757–761.
18. Протасов Д.Ю., Вицина Н.Р., Валишева Н.А., Дульцев Ф.Н., Малин Т.В., Журавлев К.С. Использование маски из хрома для плазмохимического травления слоев AlxGa1−xN // Журнал технической физики. 2014. Т. 84. № 9. С. 96–99.
19. Волков А.В., Володкин Б.О., Дмитриев С.В., Ерополов В.А., Моисеев О.Ю., Павельев В.С. Тонкопленочная медь как маскирующий слой в процессе плазмохимического травления кварца // Компьютерная оптика. 2007. T. 31. № 4. С. 52–54.
20. Feldsien J., Doosik K., Economou D.J. SiO2 etching in inductively coupled C2F6 plasmas: surface chemistry and two-dimensional simulations. Thin Solid Films. 2000. V. 374. P. 311–325.
21. Ветрова Е.В., Смирнов И.П., Козлов Д.В., Запетляев В.М. Особенности создания чувствительных элементов кремниевых и кварцевых маятниковых акселерометров // Ракетно-космические и информационные системы. 2017. Т. 4. Вып. 2. С. 95–102.
22. Исследование кинематики нового станка для двухстороннего полирования оптических плоскопараллельных пластин // Нанотехнологии: разработка. Применение – XXI век. 2022. Т. 14. № 3. С. 47–55.
23. Шишлов А.В., Сагателян Г.Р. Методика расчета толщин покрытия в различных точках поверхности заготовки при напылении на магнетронных установках с планетарным механизмом. Приборы. 2015. № 3. С. 37–45.
24. Бугорков К.Н., Сагателян Г.Р. Возможности плазмохимического травления стекла по диодной схеме // Машиностроение и компьютерные технологии. 2017. № 11. С. 44–63.
25. Сагателян Г.Р., Черемисин А.В. Расчет электромагнитного поля плоского индуктора установки плазмохимического травления. Инновационные технологии в электронике и приборостроении. М.: МИРЭА. 2020. С. 33–37.
26. Сагателян Г.Р., Грачев И.Ю., Бугорков К.Н., Федоркова Н.В. Расчет электромагнитного поля плоского индуктора установки плазмохимического травления // Нанотехнологии: разработка, применение – XXI век. 2020. Т. 12. № 1. С. 29–42.
27. Грачев И.Ю., Сагателян Г.Р., Бугорков К.Н. Анализ распределения активного газа в реакторе при плазмохимическом травлении. Естественные и технические науки. 2018. № 4 (118). С. 206–207.
28. Сагателян Г.Р., Бугорков К.Н., Мальков И.А. Исследование влияния расположения детали в вакуумной камере на характеристики плазмохимического трвления. Инновационные технологии в электронике и приборостроении. М.: МИРЭА. 2021. С. 41–47.
29. Сагателян Г.Р., Бугорков К.Н., Соломашенко А.Б., Кузнецов А.С. Плазмохимическое травление кварцевого стекла гексафтордом серы // Нанотехнологии: разработка, применение – XXI век. 2023. Т. 15. № 3. С. 32–46.
30. Бугорков К.Н., Сагателян Г.Р. Плазмохимическое травление стекла с применением высокочастотной диодной схемы. Естественные и технические науки. 2017. № 8 (110). С. 87–91.
31. MEMS Materials and Processes Handbook / Ed. Reza Ghodssi, Pinyen Lin. New York: Springer. 2011. P. 407–457.
32. Liberman M.A., Lichtenberg A.J. Principles of plasma discharges and material processing. Hoboken, New Jersey.: John Wiley & Sons, Inc. 2005. P. 461–491.
33. Chabret P., Braithwaite N. Physics of radio-frequency plasmas. New York.: Cambridge University Press. 2011. P. 219–260.
34. Гáйнов Р.Р., Дулов Е.Н., Бикчантаев М.М. Эффект Комптона: Учебно-методическое пособие. Казань: Казанский (Приволжский) федеральный университет. 2013. 24 с.
35. Семиохин И.А. Элементарные процессы в низкотемпературной плазме: Учеб. пособие. М.: Изд-во Моск. ун-та. 1988. С. 4–7.
36. Демеш Ш.Ш., Завилопуло А.Н., Шпеник О.Б., Ремета Е.Ю. Энергии появления фрагментов при диссоциативной ионизации молекулы гексафторида серы электронным ударом // Журнал технической физики. 2015. Т. 85. Вып. 6. С. 44–51.
37. Васильев А.А., Виноградов А.И., Зарянкин Н.М., Путря М.Г., Тимошенков С.П. Исследование характеристик плазмохимического реактора с плоским индуктором // Изв. вузов. Сер.: Электроника. 2009. № 3(77). С. 7–11.
38. Янин С.Н. Лекции по основам физики плазмы. Ч. I. Томский политехнический университет. Томск: Изд-во Томского политехнического университета. 2012. 78 с.
39. Голант В.Е., Жилинский А.П., Сахаров И.Е. Основы физики плазмы. М.: Атомиздат. 1977. С. 19.
40. Илясов В.В., Жданова Т.П. Физические основы генерации плазмы: Учеб. пособие. Ростов-на-Дону: Донской государственный технический университет. 2013. С. 17–21.
41. Ташлыкова-Бушкевич И.И. Физика: учеб. пособие. В 2 ч. Ч. 2: Оптика. Квантовая физика. Строение и физические свойства вещества. Минск: БГУИР. 2008. С. 104–107.
42. NIST-JANF Thermochemical Tables. Fourth Edition. Malcolm W. Chase, Jr. Ed. Journal of Physical and Chemical Reference Data. Monograph No. 9. January 1998. P. 175–1879.