О ВЛИЯНИИ КИСЛОРОДА НА КИНЕТИКУ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В СМЕСЯХ CF4 + O2 И C4F8 + O2
Аннотация
Проведено сравнительное исследование электрофизических параметров плазмы, концентраций активных частиц и кинетики атомов фтора в смесях CF4 + O2 и C4F8 + O2 при варьировании их начального состава в условиях постоянства давления газа и вкладываемой мощности. При совместном использовании методов зондовой диагностики и моделирования плазмы подтверждены известные особенности состава плазмы в индивидуальных фторуглеродных газах, а также выявлены ключевые плазмохимические процессы, определяющие параметры и состав газовой фазы в присутствии кислорода. Установлено, что увеличение содержания кислорода при пропорциональном снижении доли фторуглеродного компонента в обеих смесях а) сопровождается относительно слабыми изменениями параметров электронной и ионной компонент плазмы; б) вызывает более быстрое (по сравнению с эффектом разбавления) снижение концентраций фторуглеродных радикалов из-за их окисления в соединения вида CFxO, FO и COx: и в) оказывает существенное влияние на кинетику образования и гибели атомов фтора. Немонотонное (с максимумом при ~ 40-50% O2) поведение данной величины в смеси CF4 + O2 обусловлено аналогичным изменением суммарной скорости образования атомов из-за вклада процессов с участием CFxO и FO. Монотонный рост (с участком постоянства до ~ 40-50% O2) концентрации атомов фтора в смеси C4F8 + O2 не согласуется с изменением скорости их образования, но является следствием снижения частоты гибели атомов в объемных атомно-молекулярных процессах. Проведен предиктивный анализ кинетики гетерогенных процессов с использованием расчетных данных по плотностям потоков активных частиц. Показано, что а) добавка кислорода снижает полимеризационную способность плазмы и б) система C4F8 + O2 отличается более высокой полимеризационной способностью при любом фиксированном составе смеси.
Для цитирования:
Ефремов А.М., Башмакова Д.Е., Kwon K.-H. О влиянии кислорода на кинетику плазмохимических процессов в смесях CF4 + O2 и C4F8 + O2. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2024. Т. 67. Вып. 1. С. 51-59. DOI: 10.6060/ivkkt.20246701.6721.
Литература
Wolf S., Tauber R.N. Silicon Processing for the VLSI Era. Volume 1. Process Technology. New York: Lattice Press. 2000. 416 p.
Nojiri K. Dry etching technology for semiconductors. Tokyo: Springer Internat. Publ. 2015. 116 p. DOI: 10.1007/978-3-319-10295-5.
Advanced plasma processing technology. New York: John Wiley & Sons Inc. 2008. 479 p.
Lieberman M.A., Lichtenberg A.J. Principles of plasma discharges and materials processing. New York: John Wiley & Sons Inc. 2005. 757 p. DOI: 10.1002/0471724254.
Donnelly V.M., Kornblit A. Plasma etching: Yesterday, today, and tomorrow. J. Vac. Sci. Technol. 2013. V. 31.
P. 050825-48. DOI: 10.1116/1.4819316.
Standaert T.E.F.M., Hedlund C., Joseph E.A., Oehrlein G.S., Dalton T.J. Role of fluorocarbon film formation in the etching of silicon, silicon dioxide, silicon nitride, and amorphous hydrogenated silicon carbide. J. Vac. Sci. Technol. A. 2004. V. 22. P. 53-60. DOI: 10.1116/1.1626642.
Kastenmeier B.E.E., Matsuo P.J., Oehrlein G.S. Highly selective etching of silicon nitride over silicon and silicon dioxide. J. Vac. Sci. Technol. A. 1999. V. 17. P. 3179-3184. DOI: 10.1116/1.58209.
Schaepkens M., Standaert T.E.F.M., Rueger N.R., Sebel P.G.M., Oehrlein G.S., Cook J.M. Study of the SiO2-to-Si3N4 etch selectivity mechanism in inductively coupled fluorocarbon plasmas and a comparison with the SiO2-to-Si mechanism. J. Vac. Sci. Technol. A. 1999. V. 17. P. 26-37. DOI: 10.1116/1.582108.
Efremov A., Murin D., Kwon K.-H. Concerning the Effect of Type of Fluorocarbon Gas on the Output Characteristics of the Reactive-Ion Etching Process. Russ. Microelectronics. 2020. V. 49. N 3. P. 157-165. DOI: 10.1134/S1063739720020031.
Efremov A., Lee B. J., Kwon K.-H. On Relationships Between Gas-Phase Chemistry and Reactiveion Etching Kinetics for Silicon-Based Thin Films (SiC, SiO2 and SixNy) in Multi-Component Fluorocarbon Gas Mixtures. Materials. 2021. V. 14. P. 1432(1-27). DOI: 10.3390/ma14061432.
Kimura T., Noto M. Experimental study and global model of inductively coupled CF4/O2 discharges. J. Appl. Phys. 2006. V. 100. P. 063303 (1-9). DOI: 10.1063/1.2345461.
Chun I., Efremov A., Yeom G. Y., Kwon K.-H. A comparative study of CF4/O2/Ar and C4F8/O2/Ar plasmas for dry etching applications. Thin Solid Films. 2015. V. 579. P. 136-143. DOI: 10.1016/j.tsf.2015.02.060.
Efremov A., Lee J., Kim J. On the Control of Plasma Parameters and Active Species Kinetics in CF4 + O2 + Ar Gas Mixture by CF4/O2 and O2/Ar Mixing Ratios. Plasma Chem. Plasma Proc. 2017. V. 37. P. 1445-1462. DOI: 10.1007/s11090-017-9820-z.
Kokkoris G, Goodyear A., Cooke M., Gogolides E. A global model for C4F8 plasmas coupling gas phase and wall surface reaction kinetics. J. Phys. D. Appl. Phys. 2008. V. 41. P. 195211 (1-12). DOI: 10.1088/0022-3727/41/19/195211.
Efremov A.M., Murin D.B., Kwon K.H. Plasma parameters and active species kinetics in CF4+C4F8+Ar gas mixture. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2018. V. 61. N 4-5. P. 31-36. DOI: 10.6060/tcct.20186104-05.5695.
Efremov A.M., Betelin V.B, Mednikov K.A., Kwon K.H. Gasphase parameters and reactiveion etching regimes for Si and SiO2 in binary Ar + CF4/C4F8 mixtures. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2021. V. 64. N 6. P. 25-34. DOI: 10.6060/ivkkt.20216406.6377.
Lim N., Efremov A., Kwon K.-H. A comparison of CF4, CHF3 and C4F8 + Ar/O2 Inductively Coupled Plasmas for Dry Etching Applications. Plasma Chem. Plasma Process. 2021. V. 41. P. 1671-1689. DOI: 10.1007/s11090-021-10198-z.
Lee B. J., Efremov A., Nam Y., Kwon K.-H. Plasma Parameters and Silicon Etching Kinetics in C4F8 + O2 + Ar Gas Mixture: Effect of Component Mixing Ratios. Plasma Chem. Plasma Process. 2020. V. 40. P. 1365-1380. DOI: 10.1007/s11090-020-10097-9.
Lee J., Kwon K.H., Efremov A., Yeom G.Y. Silicon Surface Modification Using C4F8+O2 Plasma for Nano-Imprint Lithography. J. Nanosci. Nanotechnol. 2015. V. 15. N 11. P. 8749-8755. DOI: 10.1166/jnn.2015.11511.
Shun’ko E.V. Langmuir probe in theory and practice. Boca Raton: Universal Publ. 2008. 245 p.
Kimura T., Ohe K. Probe measurements and global model of inductively coupled Ar/CF4 discharges. Plasma Sources Sci. Technol. 1999. V. 8. P. 553-560. DOI: 10.1088/0963-0252/8/4/305.
Rauf S., Ventzek P.L. Model for an inductively coupled Ar/c-C4F8 plasma discharge. J. Vac. Sci. Technol. A. 2002. V. 20. P. 14-23. DOI: 10.1116/1.1417538.
Vasenkov A.V., Li X., Oehlein G.S., Kushner M.J. Prop-erties of c-C4F8 inductively coupled plasmas. II. Plasma chemistry and reaction mechanism for modeling of Ar/c-C4F8/O2 discharges. J. Vac. Sci. Technol. A. 2004. V. 22. P. 511-530. DOI: 10.1116/1.1697483.
Hsu C.C., Nierode M.A., Coburn J.W., Graves D.B. Comparison of model and experiment for Ar, Ar/O2 and Ar/O2/Cl2 inductively coupled plasmas. J. Phys. D. Appl. Phys. 2006. V. 39. P. 3272-3284. DOI: 10.1088/0022-3727/39/15/009.
Efremov A.M., Bashmakova D.E., Kwon K.-H. Features of plasma composition and fluorine atom kinetics in CHF3 + O2 gas mixture. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N 1. P. 48-55. DOI: 10.6060/ivkkt.20236601.6667.
