ЧИСЛЕННЫЙ РАСЧЕТ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО РЕАКТОРА ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ

В работе обсуждается возможность оптимизации скорости и однородности травления подложек при применении кольцевого протектора в ПХР пониженного давления (p=0.01ё0.1торр). Рассматривался реактор диодного типа, в котором два параллельных дисковых электрода образуют вакуумную камеру реактора. Расчеты велись для травления кремния в плазме тетрафторида углерода.

Рис.1 Распределения полного потока активных частиц Q_e по объему реактора и изолинии концентрации (CЧ 10^-11, Моль/см³) при p = 0.01 торр, Q = 30 см³/мин, T_a = 500 K.

Математическая модель. Расчеты проводились по математической модели ПХР /1/, использующей континуальный подход для описания течения разреженного газа, дополненной новыми граничными условиями на компоненты вектора скорости и температуру. На непроницаемых поверхностях реактора для вектора скорости записывалось условие скольжения. Для температуры использовалось условие температурного скачка.

Гидродинамика и теплообмен. Структура течения газа в ПХР меняется с понижением давления. В режиме скольжения (p=0.01торр) вихревое течение вблизи внутренней поверхности протектора интенсифицируется. Повышение температуры электрода с образцом вызывает неравномерное распределение температуры газа в ПХР. Температура монотонно возрастает в направлении от верхнего электрода к нижнему. Зависимость структуры течения от неоднородности поля температуры мала. Однако при повышении температуры газа указанное вихревое течение в режиме скольжения ослабляется. Вынужденная конвекция подавляет эффекты плавучести на всех режимах работы реактора. Теплоперенос в реакторе осуществляется в равной мере теплопроводностью и конвекцией. Вблизи образца основной вклад в формирование полного теплового потока дает кондуктивный тепловой поток.

Массообмен. На Рис.1 приводится плотность потока активных частиц в реакторе при пониженном давлении p=0.01торр. Плотность потока представляется в следующем виде Q_e=Q_c+Q_d+Q_t, где введены конвективный Q_c=Cv, диффузионный Q_d=-D(1-m x)^-1С x и термодиффузионный Q_t=-Dk_T(1-m x)^-1С lnT потоки. Здесь C - молярная концентрация фтора, v - вектор скорости, D - коэффициент бинарной диффузии, k_T - термодиффузионное отношение, m =1-m₁/m₂, m₁, m₂ - молекулярные массы активной компоненты и исходного газа. Из сравнения амплитуд данных потоков в объеме реактора получено, что в большей части рабочей камеры ПХР конвективный, диффузионный и термодиффузионный потоки активных частиц соизмеримы. На образце диффузионный и термодиффузионный потоки превышают конвективный поток на порядок. Из-за монотонного возрастания температуры газа в направлении от катода к аноду и отрицательного значения константы термодиффузии Q_t направлен к поверхности образца и протектора. В близи поверхности образца амплитуды Q_d и Q_t сравнимы.

Скорость и однородность травления. По найденным распределениям концентрации фтора и температуры газа рассчитывалась скорость спонтанного травления. Для характеристики качества обработки вычислялся индекс неоднородности травления. Повышение температуры подложки приводит к возрастанию скорости и неоднородности спонтанного травления, однако концентрация активных частиц незначительно снижается. На всех режимах работы реактора неоднородность травления не превосходит величины 3Ч10^-3. Понижение давления или увеличение расхода газа снижает скорость травления. Отметим, что скорость спонтанного травления несколько выше в реакторе без протектора, однако неоднородность травления возрастает на порядок.

Найдено, что значительный вклад в полный поток активных частиц на подложку дает процесс термодиффузии. Показана возможность минимизации неоднородности травления во всем диапазоне расчетных режимов. Протектор, оптимизированный в неизотермическом реакторе на рабочих давлениях 0.2ё1.0 торр, обеспечивает высокую однородность травления и в режиме скольжения. Неоднородность травления образцов с применением протектора снижается на порядок.