Исследование процессов импульсного осаждения и травления в хлорсодержащих газах под действием излучения эксимерных лазеров тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

РГ Б ОА

1 3 ^

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ

на правах рукописи УДК 621.373.826:541.124

КУЗМИЧЕВ АНДРЕЙ ВАЛЕНТИНОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ИМПУЛЬСНОГО ОСАЖДЕНИЯ И ТРАВЛЕНИЯ В ХЛОРСОДЕРЖАЩИХ ГАЗАХ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ИЗЛУЧЕНИЯ ЭКСИМЕРНЫХ ЛАЗЕРОВ.

01.04.21 - лазерная физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва -1995 г.

Работа выполнена в Институте общей физики РАН

Научные руководители - доктор физ.-мат. наук В.И. Конов

- кандидат физ.-мат. наук В.П. Агеев

Официальные оппоненты - доктор физ.-мат. наук М.Н. Либенсон, ГОИ

- кандидат физ.-мат. наук К.Н. Ельцов, ИОФРАН

Ведущая организация - Научно-Исследовательский Центр Технологических Лазеров РАН, г. Шатура, Московская область.

Защита состоится ук^/а А* 1995 г. в К Час. ^ мин

на заседании специализированного совета К 003.49.02 в Институте общей физики

РАН (г. Москва ул. Вавилова 38).

0С

Автореферат разослан" " ЛИЬякЛ. 1995 г,

Г

Ученый секретарь

специализированного совета /Т.Б. Воляк/

к. ф.-м. н

г

I. Обшая характеристика работы.

Актуальность исследований.

Одним из наиболее интенсивно развивающихся направлений научных исследований в физике является изучение поверхности как объекта, а также исследование физических и химических процессов происходящих при взаимодействии с ней химически активных газов, жидкостей, плазмы и различных видов излучений. Актуальность этих исследований несомненна как с чисто научной точки зрения, так и в не меньшей степени с точки зрения использования полученных данных в конкретных областях техники, где во многих случаях свойства поверхности бывают гораздо важнее объемных свойств материала. В особенности это касается твердости, химической стойкости, оптических свойств, проблемы эпитаксиальных слоев и технологии микро- и оптоэлектроники.

Исследования физических и химических методов обработки поверхности с целью придания ей тех или иных необходимых свойств или изменения ее топологии широко проводятся во всем мире. Среди них, по-видимому, наибольшее число посвящено изучению процессов осаждения и травления (химическое осаждение из газовой фазы, плазмо-химичеекое травление и т.д.).

В последние десять-пятнадцать лег возникло и интенсивно развивается новое направление исследований, связанное с изучением лазерно-стнмулированных осаждения и травления [1-4]. Потенциальная возможность в~ будущем создать лазерные технологии травления и осаждения для микроэлектроники и интегральной оптики обуславливает большой интерес к этим работам [5].

Наиболее широкое применение в этой области в силу набора присущих только им свойств получили эксимерные лазеры. Во-первых, коротковолновое УФ излучение этих лазеров (193, 248, 308, 351 нм) позволяет инициировать фотостиму-лированные процессы активации газовой фазы и поверхности твердого тела

(фотовозбувдение, фотодиссоциация), что в ряде случаев может служить альтернативой плазменной активации. С другой стороны короткая длина волны излучения дает возможность увеличить предел разрешения в проекционных схемах печати. Во-вторых, импульсно-псриодический режим работы эксимерных лазеров (длительность импульса 10-30 не, частота повторения до 1000 Гц) позволяет реализовать за счет нелинейных и неравновесных явлений такие процессы, которые невозможны при инициировании ни традиционными методами, ни непрерывными лазерами. Малое время воздействия дает возможность более тонкой модификации поверхности за счет большей локализации теплового воздействия.

Хотя эти преимущества очевидны, их практическая реализация в каждом конкретном случае требует глубокого понимания всех механизмов физико-химических процессов, происходящих на поверхности при взаимодействии с ней лазерного излучения в газовой либо жидкой среде.

Несмотря на общее значительное количество проводимых исследований, посвященных изучению процессов осаждения и травления инициированных лазерным излучением, полного их понимания еще нет. Это связано со сложностью исследования быстрых неравновесных явлений происходящих на поверхности под воздействием импульсного излучения. Кроме того, необходимы данные о строении адсорбированного слоя, характере и вероятности адсорбции, константах реакции. Как правило, во многих случаях таких данных нет, как нет и полной ясности, что происходит при взаимодействии "поверхность-газ (жидкость)" даже и в отсутствии излучения.

Все это, а также то, что с точки зрения качества обработанной поверхности и экологической чистоты производства в целом, использование "сухих", т.е. газофазных процессов, предпочтительнее, обосновывает актуальность фундаменталь-

иых и прикладных исследований лазерно-стимулированных импульсных процессов травления и осаждения из газовой фазы.

Данная работа посвящена изучению особенностей газофазного травления и осаждения, инициированных импульсным излучением эксимерных лазеров, в условиях конкуренции этих двух процессов. Целью работы являлось:

1. Исследование макрокинетнки процесса траяления кремния под действием импульсного излучения зксимерных лазеров в атмосфере хлора и четыреххлори-стого углерода и сравнение результатов.

2. Исследование импульсного процесса осаждения пленок из паров метиптрихлор-силана (СН^СЬ - МТС) под действием УФ излучения эксимерного ХеС1 лазера с точки зрения конкуренции процессов осаждения и десорбции.

3. Выявление роли поверхностных и газофазных процессов в импульсном травлении и осаждении.

Защищаемые положения

1. Выбором типа хяорсодержащего газа (С1г. СН3С1, СН2СЬ, СНС13, ССЛ4) и плотности энергии излучения можно реализовать скорости импульсного химического травления кремния под действием излучения КгР лазера в широком диапазоне величин от долей ангстрема до нескольких нанометров за импульс.

2. Процесс импульсного травления кремния в парах ССЦ под действием излучения КтР и Агр лазеров носит чисто поверхностный характер. Влияние фотовозбуждения и фотодиссоциации молекул в газовой фазе на скорость травления незначительно.

3. При импульсном травлении кремния в атмосфере хлора под действием излучения эксимерного КгБ лазера (длительность импульса 17.5 не) при давлении газа до 100 Тор и размерах пятна облучения более 10 мкм можно реализовать скорость травления не более чем адсорбированный слой за импульс.

4. Метод сдвоенных лазерных импульсов излучения с регулируемой задержкой между ними позволяет экспериментально определить:

является ли процесс импульсного лазерного травления кремния в хлоре и СС14 результатом реакции молекул газа с разогретой поверхностью в течение термического импульса, либо он обусловлен только десорбцией поверхностного слоя, образующегося в результате адсорбции и последующей реакции молекул газа в промежутках между импульсами на "холодной" поверхности, а также измерить время заполнения адсорбированного слоя на поверхности кремния.

5. Осаждение пленок в пятне облучения из паров МТС (СН381С13) на подложки из кварца и MgF2 под действием импульсного излучения ХеС1-лазера возможно только в узком диапазоне плотностей энергии Е = 0.1 - 0.2 Дж/см2, причем по мере увеличения числа импульсов процесс осаждение проходит через три стадии: активация осаждения, носящая фотолитическик характер, развитый рост и насыщение.

Научная новизна

В результате проведенных исследований установлен ряд новых закономерностей, предложены теоретические модели, позволяющие объяснить полученные зависимости, в том числе:

1. Установлено, что процесс импульсного травления кремния в парах ССЦ под действием излучения КгР и АгР лазеров носит чисто поверхностный характер.

Влияние фотовозбуждения и фотодиссоциацин молекул в газовой фазе на скорость травления незначительно.

2. Развит и впервые реализован доя систем Э^/СЬ и йи'ССЦ метод исследования кинетики химических реакций при взаимодействии газ-поверхность твердого тела в условиях реальных давлений. Метод основан на измерении скорости реакции инициированной сдвоенным лазерным импульсом в зависимости от времени задержки между импульсами в паре.

3. Экспериментально показано, что при импульсном травлении кремния в атмосфере хлора под действием излучения КгР лазера (длительность импульса 17.5 нс) при давлении газа до 100 Тор и при размерах пятна облучения более 10 мкм скорость травления ограничена адсорбированным слоем за импульс.

4. Обнаружен аномальный характер зависимости скорости травления кремния инициированного импульсным излучением КгР лазера в парах ССЬ от давления буферных химически инертных газов (Не, Аг, Хе и N2), который заключается в увеличении скорости травления по мере увеличения давления буферного газа.

5. Обнаружено, что процесс осаждения гидрогинезиропанных аморфных кремний -углеродных пленок из паров МТС (метилтрихлорсилана) на подложки из кварца и МцРг при инициировании импульсным излучением ХеС1 лазера может быть осуществлен только в узком диапазоне плотностей энергии 0.1 0.2 Л ж/см2.

Пракщческая ценность работы.

На Примере травления кремния в атмосфере хлора и осаждения пленок из

паров метилтрихлорсилана показано, что применение коротких лазерных импульсов для инициирования процессов травления и осаждения в определенном диапа-

зоне плотностей энергии излучения дает возможность осаждать либо стравливать сверхтонкие слои материала (цифровая технология травления-осаждения).

Апробация работы и публикации

Материалы, включенные в диссертацию, докладывались на семинарах отдела "Светоиндуцированные поверхностные явления" и отдела "Колебаний" ИОФРАН, VII и VIII всесоюзных конференциях по взаимодействию оптического излучения с веществом (Ленинград, 1988 и 1990), III Международной конференции Trends in Quantum Electronics (Bucharest, 1988), I Международной школе по лазерной микрообработке (Ташкент, 1989), Ежегодной конференции европейского ма-териаловедческого общества (EMRS, Страсбург, 1990), Международной конференции по Когерентной и нелинейной оптике (Минск, 1990), Всесоюзном семинаре по лазерной и плазменной микрообработке (Сочи, 1990), Международном семинаре по лазерной микрообработке и лазерной диагностике поверхности (Черновцы, 1991), Международной конференции Laser Advanced Material Processing (LAMP'92, Nagaoka, Japan, 1992), Ежегодной конференции европейского материаловедческого общества ( EMRS, Страсбург, 1994),

Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в .8 статьях, опубликованных в отечественных и зарубежных изданиях.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Диссертация содержит 156 страниц, включая 46 рисунков, 9 таблиц и библиографию из 114 наименований.

Личный вклад автора. Изложенные в диссертации результаты исследований получены лично автором или при непосредственном его участии.

II. Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована ее цель, изложены защищаемые положения, а также приведено распределение материала но главам.

В первой главе дан обзор литературы по проблеме травления поверхностей различных материалов иод действием лазерного излучения в газовых средах. Особенное внимание уделяется анализу работ по травлению кремния в атмосфере хлора инициированного излучением различных лазеров.

Для понимания механизма взаимодействия лазерного луча с хлорированной поверхностью кремния необходимо иметь исчерпывающую информацию о взаимодействии системы ЗЬСЬ в отсутствии излучения. Поэтому в §-1.1 дан обзор

практически всех работ, посвященных адсорбции и реакции хлора с поверхностью

«

кремния ршличных ориентации.

В последующих параграфах на примере работ различных авторов анализируются механизмы взаимодействия излучения с поверхностью твердого тела в газовой среде, приводящие к травлению.

Во второй главе диссертации приведены основные экспериментальные результаты по травлению кремния в атмосфере хлора и парах четыреххлорисгого углерода.

В §-2.1 описана схема экспериментальной установки, предназначенной для изучения взаимодействия лазерного излучения УФ диапазона с поверхностью твердого тела в химически активной т азовой среде. В качестве источника излучения использовался элскгро раз рядный импульсно-периодический эксимерный лазер, работающий на переходах молекул К,хР и ДгР (длины воли 248 и 193 им, соответственно, длительность импульса по полувысоте -17.5 не, частота повторения./^ 10 - 50 Гц).

Для корректного проведения исследований необходимо было создать на поверхности образца однородное распределение интенсивности лазерного излучения в пятне облучения. Это достигалось использованием проекционной схемы освещения.

Обнаружено, что в процессе экспозиции при использовании паров четырех-хлористого углерода на входном окне вакуумной камеры осаждаются углеродные пленки, рост которых вносит неконтролируемые изменения в процесс травления. Оптическая схема была оптимизирована таким образом, чтобы уменьшить плотность энергии излучения на входном окне и тем самым предотвратить осаждение на него углеродных пленок.

В §-2.2 приведены экспериментальные зависимости глубины лунки травления от числа импульсов для обоих исследуемых газов (ССЦ и СЬ). Оказалось, что процесс травления развивается не с первого импульса, а имеет некоторый "инкубационный" период, одна из причин которого - наличие тонкого слоя естественного оксида на поверхности кремния и невозможность полного его удаления в процессе подготовки образца к эксперименту.

к «

я я

и к в я

в-

б

о

а

! / ! о 15 Тор СС14

• 100 Тор С12

Плотность энергии, Дж/см

Рис. 1. Зависимость скорости травления кремния в в хлоре и СС14 от плотности энергии излучения КгР лазера.

Установлены зависимости скорости травления за импульс от плотности энергии лазерного излучения (Рис. 1), давления газов и других параметров.

Приведены результаты прямого экспериментального сравнения скоростей травления кремния инициированного излучением различных длин волн в обоих 1азах. Показано, что травление обусловлено только поверхностными процессами, а вклад в скорость травления за счет возбуждения молекул газовой фазы незначителен.

В §-2.3 приведены результаты химического анализа поверхности травления. Обнаружено, что при облучении кристалла кремния в парах ССЬ поверхностный слой насыщается атомами углерода (до 10-20 ат%), в тоже время при травлении в атмосфере хлора загрязнение поверхности молекулами газа отсутствует.

Основной вывод, который можно сделать о характере процесса травления на основании экспериментальных данных Главы 2, это тот, что основную роль в нем играют поверхностные явления.

При давлениях газов свыше 20 - 50 Тор сравнимый вклад могут давать два поверхностных механизма: - 1) гшролитическая реакция молекул СЬ с горячей поверхностью кремния в течение термического импульса и 2) лазерно-стимулиро-ванная десорбция хемосорбированного слоя, адсорбирующегося в промежутках между импульсами. То что лазерная десорбция дает вклад в скорость травления сомнений не вызывает, т.к. для того чтобы началась пиролитическая реакция надо хотя бы частично очистить поверхность кремния от адсорбированного на ней хлора (десорбировать хемосорбированнын слой). Вопрос состоит в том: существенна ли доля пиролитической реакции. Чтобы узнать это необходимо разделить их вклады в скорость травления, т.е. необходимо иметь дополнительные данные о динамике процесса с временным разрешением. Выяснению именно этого вопроса и посвящена Глава 3.

В третьей главе предложено использовать методику двойных импульсов для исследования динамики процессов травления и осаждения. В ней приведены и обсуждаются экспериментальные результаты, полученные с применением данного метода исследований к изучению импульсного процесса травления кремния в парах CCU и С12-

В §-3.1 описана экспериментальная установка позволяющая осуществлять двухимпульсный режим травления с регулируемой задержкой между импульсами в

паре. В экспериментах использовалось излучение KrF эксимерного лазера (длина волны излучения 248 нм). С помощью соответствующей оптической схемы формировались два одинаковых импульса, диапазон регулирования возможных задержек между которыми находился в пределах от 0 до 1200 не. Частота следования таких парных импульсов составляла 50 Гц.

Данная методика, безусловно, носит более общий характер, чем использовав-

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 Время задержки, т(мкс)

Рис. 2. Зависимость скорости травления кремния в С12 н СС14 от времени задержки между импульсами. Плотность энергии для С12 составляла 0.4 Дж/см2, а в СС14 - 0.225 Дж/смг.

шаяся в работе [6] при исследовании травления ваАв в хлоре. В этих экспериментах задержка менялась с помощью простого изменения частоты следования им-

пульсов (0 -1000 Гц), т.е. минимальная задержка составляла 1 мс. Это приводит к тому, что область применения такого способа ограничивается очень низкими давлениями газа (10-* - 1(Н Тор), в то время как, предлагаемая методика позволяет исследовать реакции при высоких давлениях газа. К тому же без очень коротких задержек (10 - 500 не) невозможно получить полной картины процесса.

Главным результатом применения методики сдвоенных импульсов стало экспериментальное доказательство отсутствия ы-дада в скорость травления пиро-литического механизма реакции травления вплоть до плотностей энергии лазерного излучения, вызывающих плавление поверхности кремния.

На Рис. 2 приведена экспериментальная зависимость скорости травления за двойной импульс от времени задержки \У(т) для обоих газов. Кривые имеют минимум в диапазоне задержек 300-400 не для хлора и 300 - 500 не для ССЦ.

Качественное объяснение формы кривых заключается в следующем. Во-первых, величина скорости травления в минимуме практически равна скорости травления за одиночный импульс при той же плотности энергии излучения. Таким образом, второй импульс в паре при данной задержке практически не дает вклада в травление. Увеличение скорости травления за двойной импульс при задержках более 400 не связано с началом адсорбции (восстановлением) нового слоя и его десорбцией. Чем больше заполняется адслой, тем ближе приближается значение скорости травления за двойной импульс к удвоенной величине скорости травления за одиночный при той же плотности энергии. Для хлора при давлении 100 Тор за время порядка 600 не новый слой уже успевает сформироваться. Для СС1< коэффициент прилипания молекул к поверхности кремния гораздо меньше, чем для хлора, следовательно, время формирования нового слоя гораздо больше, именно поэтому величина скорости травления в этом газе не успевает за 600 не существенно вырасти.

С12 100 Тор

]

Форма кривой до минимума, т.е. в диапазоне задержек 0 - 400 не, зависит от плотности энергии излучения в лазерном импульсе. Если плотность энергии в импульсе лежит в диапазоне 200-600 мДж/см2 (для хлора), то по мере уменьшения времени задержки скорость травления увеличивается. Это связано с тем, что за счет перекрытия тепловых импульсов температура нагрева поверхности повышается приводя к увеличению скорости десорбции и соответственно величины скорости травления (т.к. за время теплового импульса удаляется большая доля адсорбированного слоя).

Совсем другая форма кривой наблюдается, если плотность энергии находится в диапазоне Е > 600 мДж/см3, когда за импульс удаляется весь адслой (диапазон, где скорость травления не зависит от плотности энергии излучения (см Рис.3). В этом случае второму импульсу нечего десорбировать т.к. новый хемосорбирован-ный слой в этом интервале задержек еще не успевает образоваться. Таким образом, общая скорость

должна быть равна величине скорости травления за один импульс плюс добавка за счет пиролитической реакции молекул хлора с чистой поверхностью кремни?

Пси ,-рп« 1, ДиЫ2

х- Ж

И 15

М &

ё 1я. о о. о

б

1ДЖ

ж

5 1

2 5й

■ 0.75 Дж/Ы1 О ОДДж/щ5

0.0 02 0.4 0.6 0Л 10 1.2 1.4

Время задержки, т (мке)

Рис. 3. Зависимость скорости травления кремния в хлоре от времени задержки между импульсами в паре для двух значений плотносхи энергии лазерного излучения.

(если она есть), вызванной за счет дополнительного разогрева поверхности вторым импульсом.

Анализ Рис. 3 позволяет однозначно сделать вывод о том, что вклад в скорость травления такой пиролитической реакции пренебрежимо мал вплоть до плотностей энергии лазерного излучения 1 Дж/см2 и для импульсов длительностью несколько десятков наносекунд. Данное заключение следует из того, что как видно из рисунков величина этого вклада равна нулю в пределах ошибки эксперимента.

В последующих параграфах Главы 3 подробно обсуждзетсгт форма кривой )¥< г), анализ которой позволяет определить механизм процесса травления.

§-3.3 посвящен детальному рассмотрению процесса травления инициированного импульсным лазерным излучением. В нем в рамках предложенной де-сорбционной модели травления проведен теоретический анализ зависимости скорости травления в двойном импульсе (IV) от времени задержки (т).

Рассматривается два различных случая травления:

1. травление в вакууме (поверхность экспонируется хлором в промежутках между импульсами [7]);

2. травление в присутствии газовой среды в течение импульса.

В §-3.3.1 дается краткий обзор работ по адсорбции хлора на кремнии, а котором основное внимание уделяется структуре адсорбированного слоя и кинетике адсорбции и десорбции.

В §-3.3.2 на основе анализа приведенных в §-3.3.1 данных предложены две модели кинетики адсорбции хлора на поверхности кремния.

В первой предполагается существование на поверхности кремния, по крайней мере, двух адсорбционных состояний с разными энергиями адсорбции.

Вторая исходит из предположения, что все адсорбированные частицы имеют одинаковую энергию адсорбции, величина которой зависит от степени за-

полнения поверхности. В рамках модели N0 1 в т-приближеник записаны кинетические уравнения адсорбции.

В §-3.3.3 приведены результаты численного расчета температуры поверхности кремния для случаев облучения двойным и одиночным импульсом (для различных задержек и плотности энергии излучения Е3 = 400 мДж/см2 ). Плотность энергии в эксперименте была выбрана так, чтобы не достигалась точка плавления поверхности кремния. Поэтому, чтобы излишне не усложнять задачу для расчета была использована простая модель не учитывающая процесс плавления. Температурные зависимости теплофизическкх и оптических констант кремния были взяты из работы [7].

Представлены результаты численного расчета импульса десорбции (<Ш(г)/<И) для длительности лазерного импульса по полувысоте 17.5 не и Е!=400 мДж/см2) и для импульса 63 не и Е, =1000 мДж/см2.

В §-3.3.4 рассмотрен процесс травления в условиях, когда в течение термического импульса поступление молекул газа на поверхность отсутствует (лазерная термодесорбция).

В рамках термодесорбционной модели получена формула для скорости травления за импульс.

В §-3.3.5 рассматривается процесс травления в газовой среде (с учетом и без учета пиролитического канала реакции). Записана система уравнений описывающая процесс травления. Представлены результаты самосогласованного численного расчета всей кривой \У(х). Адсорбция описывалась в рамках модели N0 1.

В §-3.4 рассматривается зависимость г) для травления в парах СС14. Случай травления в четыреххлористом углероде гораздо более сложен для теоретического анализа. Во-первых, из-за сложности самой молекулы, во-вторых, из-за того, что эта система изучена довольно плохо. Однако главная причина состоит в

том, что в отличие от хлора при разложении молекулы СС14 выделяется углерод, атомы которого диффундируют иод поверхность кристалла кремния ^ изменяя свойства приповерхностного слоя. Необходимость учета в расчетах изменения его теплофизнческих и оптических свойств и определяет трудность задачи. Поэтому рассмотрение ограничивается только построением качественной модели.

В §-3.5 приведены выводы к Главе 3,

В четвертой главе на основании полученных в Главе 3 экспериментальных данных предлагаются и обсуждаются каналы травления кремню; в хлоре и парах CClj. В рамках предложенных механизмов объясняются полученные экспериментальные зависимости.

В §-4.1.1 проведен анализ вклада газофазного канала травления, когда лазерное излучение, вызывая диссоциацию молекул газа, приводит х появлению более химически активных частиц (атомов и радикалов). Благодаря большей хи^ак-тивности они способны вызывать травление при более низких температурах, а, следовательно, при меньших плотностях энергии лазерного излучения.

Представлены сравнительные результаты оценок и численных расчетов газофазного вклада в скорость травления для систем ArF:CCl,/KrF:CCl4 и XeCI:CUKrF-.a2.

Показано, что этот канал активации реакции может доминировать только в случае ХеС1:С12 в диапазоне плотностей энергии до 150 - 200 мДж/см;.

Далее в Главе 4 анализируются возможные поверхностные каналы реакции травления кремния в парах ССЬ и СЬ для излучения KrF я ХеО лазеров.

В рамках предложенных моделей травления кремния в СС14 и С12 обсуждаются полученные экспериментальные зависимости, которые были приведены в Главе 2.

Рассматривается зависимость скорости травления от плотности энергии У(Е). Приведены результаты численного расчета, которые сравниваются с экспериментальными данными. Качественно анализируется зависимость К(Е) для СС14.

В §-4.2.3 обсуждается зависимость скорости травления от давления, рабочего газа. Получены полуэмпирические формулы описывающие эти зависимости для хлора и четыреххлористого углерода.

В §-4.3 приведены выводы к Главе 4.

В пятой главе изучается процесс лазерно-стимулированного осаждения пленок из паров метилтрихлорсилана СН35!С13 (МТС) под действием излучения ХеС1-лазсра.

В §-5.1 представлены основные экспериментальные результаты. Приведены типичные экспериментальные зависимости скорости осаждения от плотности энергии излучения и давления паров при разных температурах подложки.

Оказалось, что осаждение внутри пятна облучения идет только в узком диапазоне плотностей энергии лазерного излучения Е = 0.1 - 0.2 Дж/см1. Процесс роста пленки по мере увеличения дозы облучения проходит через три характерные стадии существенно различающиеся по скорости осаждения:

a) стадия активации, идет процесс зародышеобразования, при этом скорость осаждения очень мала;

b) стадия развитого роста, характеризуется значительным увеличением скорости осаждения и линейным ростом толщины осадка в зависимости от числа импульсов;

c) стадия стабилизации. При достижении пленкой определенной толщины скорость осаждения падает до нуля, рост пленки прекращается и ее толщина стабилизируется.

§-5.1.3 посвящен анализу элементного химического состава получаемых при осаждении пленок. Анализ проведенный методом лазерной мас.с-спектроскопии показал, что основными компонентами пленок являются углерод и кремний. Однако количественных данных а стехиометрии ' полученных пленок этот метод не дает.

Спектр комбинационного рассеяния полученных пленок однозначно свидетельствует об отсутствии какой-либо ярко выраженной кристаллической структуры карбида кремния. В гоже время, судя но фрагментации можно сказать, что материал пленок — это не просто механическая смесь и С, а возможно аморфный или ианокристалличс-ский гидрогенизированный карбид кремния.

В §-5.2 обсуждаются полученные экспериментальные зависимости. Предло-кена модель процесса импульсного осаждения из газовой фазы, в основу которой толожена конкуренция между двумя процессами, инициируемыми импульсным ■>блучением - осаждение (разложение молекул адсорбированного слоя) и дссорб-(ия. На ее основе произведен расчет зависимости скорости осаждения от плотности энергии лазерного излучения ОЯ(Е). Получено неплохое согласие с .экспериментальными данными (Рис. 4).

В §-5.3 приведены выводы к Главе 5.

Плотность энергии, мДж/см2

Рис. 4. Экспериментальные и теоретически рассчитанные зависимости скорости осаждения от плотности энергии.

3. Основные результаты диссертации.

1. В результате проведенных исследований макрокинетики травления поверхности

<111> в С1-содержащих газах (ССЦ, СЬ) инициированного излучением экси-мерных АгР и КгБ лазеров в интервале плотностей энергии излучения 200 -1000 мДж/см2 экспериментально установлено, что:

- при импульсном травлении кремния в парах ССЦ под действием излучения КгР и АгР эксимерных лазеров определяющую роль играют поверхностные процессы, а не газофазные;

- существует порог травления по плотности энергии в одиночном импульсе и активационная фаза травления по числу импульсов. ■

- скорости травления для С12 составляют 0.1 - 1.6 А/имп, а для СС14 лежат в диапазоне 1 - 10 А/имп.

- скорость травления кремния в парах СС14 аномально зависит от давления химически инертных буферных (Не, Аг, Хе, N2) газов, а именно скорость травления увеличивается с повышением давления буферного газа.

2. Развит и реализован для систем 31/С12 и 8УСС14 новый метод исследования временных параметров химических реакций при взаимодействии газ-поверхность твердого тела в условиях реальных давлений. Метод основан на измерении скорости реакции инициированной сдвоенным лазерным импульсом в зависимости от времени задержки между импульсами в паре.

3. Экспериментально показано, что пиролитический канал реакции травления кремния молекулами СЬ, под действием импульсного излучения КгР лазера (длительность импульса 17.5 не) обусловленный взаимодействием молекул газа

с разогретой лазерным импульсом поверхностью, отсутствует вплоть до давлений хлора 100 Тор.

4. Впервые реализовано осаждение глдрогинезированных аморфных кремний -углеродных пленок из паров метилтрихлорсилана на подложки из кварца и флюорита магния под действием эксимерного ХеС1 лазера.

Обнаружено, что процесс осаждения может быть осуществлен только в диапазоне плотностей энергии излучения Е ~ 0.1 - 0.2 Дж/см2, осаждение по мере увеличения числа лазерных импульсов проходит через три стадии: активацию осаждения, носящую фотолитический характер, развитый рост и насыщение.

Экспериментально обнаружен и исследован эффект самоограничения толщины осаждаемых из МТС пленок в процессе их роста под действием импульсного лазерного излучения, обусловленный конкуренцией процессов осаждения и десорбции.

Проведена оптимизация параметров процесса осаждения по давлению и плотности энергии, что позволило достичь скоростей осаждения до 1 А/имп.

5. Па примере травления кремния в атмосфере СЬ и осаждения пленок из паров МТС (метилтрихлорсилана) показано, что применение коротких лазерных импульсов для инициирования процессов травления и осаждения, дает возможность удаления, либо нанесения сверх тонких слоев, благодаря участию в основном только частиц адсорбированного слоя, (цифровая технология травления-осаждения).

Основные результаты диссертации опубликованы в статьях:

1. Агеев В.П., Белоконь И.Н., Конов В.И., Кузмичев А.В. Осаждение пленок из паров метилтрихлорсилана под действием излучения ХеС1 лазера. Краткие сообщения по физике (1987), т. 12, с. 16-18.

2. Ageev, V.I. Konov, A.V. Kuzmichev Modification of surfaces under the action of UV laser radiation, in Proc. of 3-d International conference on Trends in Quantum Electronics (Bucharest, 1988) SP1E v.1033, 192-201.

3. Ageev V.P., Konov V.I., Krechetov A.I., Kuzmichov A.V,, Prokhorov A.M. Exci-mer laser assisted etching of silicon surfaces in electronegative gases. Proc of 1-st International School on Laser Surface Microprocessing, 1989, SPIE V.1352, 5-17.

4. Агеев В.П., Конов В.И., Кузмичев А.В. Травление кремния в парах СС14 под действием ультрафиолетового лазерного излучения. Изв. АН СССР, сер. физическая, 1989, Т. 53(8), Р. 1533-1537.

5. Кузмичев А.В., Агеев В.П., Конов В.И. Травление кремния, стимулированное излучением KrF-лазера в атмосфере С1-содержащих газов: роль адсорбированного слоя. Изв. РАН, сер. физическая, 1992, Т. 56(4), с. 110-116.

6. A.V. Kuzmichov, V.P. Ageev and V.I. Konov Dynamics of silicon etching in chlorine-containing gases induced by excimer laser, in Proc. of Int. Workshop LAMILADIS'91 (Chernovtsy, Ukraine) 1992, SPIE V. 1992, pp. 21-26

7. A.V. Kuzmichov, V.P. Ageev and V.I. Konov Excimer Laser-Induced Etching of Silicon <111> in Chlorine-Containing Gas Atmosphere, in Proc. of Int. Conf. on Laser Advanced Materials Processing (LAMP'92, Nagaoka, Japan, 1992) Vol.2 pp. 1137-1142.

8. A.V. Kuzmichov Excimer laser assisted etching of silicon in chlorine: adsorption and

desorption. Applied Surface Science принято к публикации в августе 1994 г. Труды ежегодной международной конференции E-MRS'94 Spring meeting.

Цитированная в автореферате литература.

1. T.J. Chuang Laser-induced chemical etching of solids: promises and challenges, in MRS Symp. Proc. v.29(1984), 185-194.

I. Laser processing and diagnostics, ed. D. Bauerle Springer Series in Chemical Physics V.39. 1984.

i. D. Bauerle Chemical processing with lasers. Springer Series in Material science V. 1 (Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg), 1986.

1. l.W. Boyd Laser processing of thin films and microstructures. Springer Series in Material Science V.3 Springer-Verlag. 1987.

M. Rothschild, D.J. Ehrlich A review of excimer laser projection lithography. J. Vac. Sci. Technol. B6(l), (1988), 1 -17.

. P.A. Maki, D.J. Ehrlich. Laser bilaycr etching of GaAs surfacc. Appl. Phys. Lett. 55, (1989), 91-93.

. J. Boulmer, B. Bourguignon, J.P. Budin and D. Debarre Time of flight study of low pressure laser etching of silicon by chlorine. Applied Surface Science 43, (1989),

424-431.

S.Dc Unamuno and E. Fogarassy A thermal description of the melting of c- and a-siiicon under pulsed excimer lasers. Applied Surf. Sci.(l 989), v.3, 1-11.