ПАРАМЕТРЫ И СОСТАВ ПЛАЗМЫ В СМЕСИ SF6 + He + O2: ВЛИЯНИЕ ДАВЛЕНИЯ ПРИ ВЫСОКИХ И НИЗКИХ СОДЕРЖАНИЯХ КИСЛОРОДА
Аннотация
Исследовано влияние давления газа на электрофизические параметры и стационарный состав плазмы SF6 + He + O2, возбуждаемой в реакторе индукционного типа на частоте 2 МГц. При совместном использовании методов диагностики (зонды Лангмюра, оптическая эмиссионная спектроскопия) и 0-мерной модели плазмы предложена модифицированная кинетическая схема для плазмы SF6 в присутствии кислорода, проведено сравнение параметров электронной и ионной компонент плазмы, а также кинетики атомов фтора в условиях низких (42% He + 8% O2) и высоких (8% He + 42% O2) содержаний кислорода в плазмообразующей смеси. Показано, что плазма с высоким содержанием кислорода отличается низкой температурой электронов, высокими концентрациями электронов и положительных ионов, а существенным вкладом реакций F2 + e → 2F + e, SFx + O → SFx-1O + F и SFxO + e → SFx-1O + F + e в общую скорость образования атомов фтора. Все это приводит к монотонному росту концентрации атомов фтора при замещении гелия на кислород. Установлено, что увеличение давления газа всегда снижает температуру и концентрацию электронов, приводит к слабому возмущению концентрации положительных ионов, увеличивает электроотрицательность плазмы и ингибирует образование атомов фтора, что в итоге обуславливает немонотонное изменение их концентрации. Причиной последнего эффекта является конкуренция роста концентраций основных частиц-источников атомарного фтора (SF6 и F2) и снижения частоты диссоциирующих столкновений электронов.
Для цитирования:
Мяконьких А.В., Кузьменко В.О., Ефремов А.М., Руденко К.В. Параметры и состав плазмы в смеси SF6 + He + O2: влияние давления при высоких и низких содержаниях кислорода. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2026. Т. 69. Вып. 1. С. 29-38. DOI: 10.6060/ivkkt.20266901.7285.
Литература
Nojiri K. Dry etching technology for semiconductors. Tokyo: Springer Internat. Publ. 2015. 116 p. DOI: 10.1007/978-3-319-10295-5.
Wolf S., Tauber R.N. Silicon Processing for the VLSI Era. Vol. 1. Process Technology. New York: Lattice Press. 2000. 416 p.
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.
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.
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.
Yoon S.F. Dry etching of thermal SiO2 using SF6-based plasma for VLSI fabrication. Microelect. Eng. 1991. V. 14. N 1. P. 23-40. DOI: 10.1016/0167-9317(91)90164-9.
Arora P., Nguyen T., Chawla A., Nam S.-K., Donnelly V.M. Role of sulfur in catalyzing fluorine atom fast etching of silicon with smooth surface morphology. J. Vac. Sci. Technol. A. 2019. V. 37(6). P. 061303. DOI: 10.1116/1.5125266.
Han G., Murata Y., Minami Y., Sohgawa M., Abe T. Thermal Reactive Ion Etching of Minor Metals with SF6 Plasma. Sensors and Materials. 2017. V. 29. N 3. P. 217-223. DOI: 10.18494/SAM.2017.1444.
Park J.H., Lee N.-E., Lee J., Park J.S., Park H.D. Deep dry etching of borosilicate glass using SF6 and SF6/Ar inductively coupled plasmas. Microelect. Eng. 2005. V. 82. P. 119-128. DOI: 10.1016/j.mee.2005.07.006.
Oehrlein G.S. Future of plasma etching for microelectronics: Challenges and opportunities. J. Vac. Sci. Technol. B. 2024. V. 42(4). P. 041501. DOI: 10.1116/6.0003579.
Osipov A.A., Iankevich G.A., Berezenko V.I, Endiiarova E.V. Influence of operation parameters on BOSCH-process technological characteristics. Mater. Today: Proc. 2020. V. 30. N 3. P. 599-602. DOI: 10.1016/j.matpr.2020.01.412.
Dussart R., Tillocher T., Lefaucheux P., Boufnichel M. Plasma cryogenic etching of silicon: from the early days to to-day’s advanced technologies. J. Phys. D: Appl. Phys. 2014. V. 47. N 12. P. 123001. DOI: 10.1088/0022-3727/47/12/123001.
Kokkoris G., Panagiotopoulos A., Goodyear A., Cooke M., Gogolides E. A global model for SF6 plasmas coupling reaction kinetics in the gas phase and on the surface of the re-actor walls. J. Phys. D: Appl. Phys. 2009. V. 42. P. 055209. DOI: 10.1088/0022-3727/42/5/055209.
Myakonkikh A.V., Kuzmenko V.O., Efremov A.M., Rudenko K.V. Gas Phase Composition and Kinetics of Fluo-rine Atoms in SF6 Plasma. Russ. Microelect. 2024. V. 53. N 6. P. 582-591. DOI: 10.1134/S106373972460064X.
Mao M., Wang Y. N., Bogaerts A. Numerical study of the plasma chemistry in inductively coupled SF6 and SF6/Ar plasmas used for deep silicon etching applications. J. Phys. D: Appl. Phys. 2011. V. 44. P. 435202. DOI: 10.1088/0022-3727/44/43/435202.
Lallement L., Rhallabi A., Cardinaud C., Peignon-Fernandez M.C., Alves L. L. Global model and diagnostic of a low-pressure SF6/Ar inductively coupled plasmа. Plasma Sources Sci. Technol. 2009. V. 18. P. 025001. DOI: 10.1088/0963-0252/18/2/025001.
Rauf S., Ventzek P.L.G., Abraham I.C., Hebner G.A., Woodworth J.R. Charged species dynamics in an inductively coupled Ar/SF6 plasma discharge. J. Appl. Phys. 2002. V. 92. N 12. P. 6998-7007. DOI: 10.1063/1.1519950.
Myakonkikh A.V., Kuzmenko V.O., Efremov A.M., Rudenko K.V. Plasma parameters and fluorine atom density in SF6 + Ar + He gas mixture: Effects of Ar/He mixing ratio, pressure and input power. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2025. V. 68. N 3. P. 42-49. DOI: 10.6060/ivkkt.20256803.7130.
Ryan K.R., Plumb I.C. A model for the etching of silicon in SF6/O2 plasmas. Plasma Chem. Plasma Proc. 1990. V. 10(2). P. 207-229. DOI: 10.1007/BF01447127.
Pateau A., Rhallabi A., Fernandez M.-C., Boufnichel M., Roqueta F. Modeling of inductively coupled plasma SF6/O2/Ar plasma discharge: Effect of O2 on the plasma kinet-ic properties. J. Vac. Sci. Technol. A. 2014. V. 32. P. 021303. DOI: 10.1116/1.4853675.
Efremov A., Lee B.J., Kwon K.-H. On relationships be-tween gas-phase chemistry and reactive-ion etching kinetics for silicon-based thin films (SiC, SiO2 and SixNy) in multi-component fluorocarbon gas mixtures. Materials. 2021. V. 14. P. 1432. DOI: 10.3390/ma14061432.
Miakonkikh A., Kuzmenko V., Efremov A., Rudenko K. On Relationships between Gas-Phase and Heterogeneous Process Kinetics in CF4 + H2 + Ar Plasma. Vacuum. 2025. V. 234. P. 114044. DOI: 10.1016/j.vacuum.2025.114044.
Efremov A.M., Bobylev A.V., Kwon K.-H. Plasma parameters and silicon etching kinetics in CF4 + C4F8 + O2 mixture: effect of CF4/C4F8 mixing ratio. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2024. V. 67. N 6. P. 29-37. DOI: 10.6060/ivkkt.20246706.6982.
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.
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 Process. 2017. V. 37. P. 1445-1462. DOI: 10.1007/s11090-017-9820-z.
Shun’ko E.V. Langmuir probe in theory and practice. Boca Raton: Universal Publ. 2008. 245 p.
Engeln R., Klarenaar B., Guaitella O. Foundations of optical diagnostics in low-temperature plasmas. Plasma Sources Sci. Technol. 2020. V. 29. P. 063001. DOI: 10.1088/1361-6595/ab6880.
Lopaev D.V., Volynets A.V., Zyryanov S.M., Zotovich A.I., Rakhimov A.T. Actinometry of O, N and F atoms. J. Phys. D: Appl. Phys. 2017. V. 50. 075202. DOI: 10.1088/1361-6463/50/7/075202.
Cunge G., Ramos R., Vempaire D., Touzeau M., Neijbauer M., Sadeghi N. Gas temperature measurement in CF4, SF6, O2, Cl2 and HBr inductively coupled plasmas. J. Vac. Sci. Technol. A. 2009. V. 27. P. 471-478. DOI: 10.1116/1.3106626.
NIST Chemical Kinetics Database, www. kinetics.nist.gov/kinetics/index.jsp (20.05.2025).
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 Proc. 2021. V. 41. P. 1671-1689. DOI: 10.1007/s11090-021-10198-z.
