1И.В. Коняев, 1И.И. Бородкин, 2Е.Н. Бормонтов
The influence of FR power on the surface characteristics of LiTaO3 etched by SF6 plasma
1I.V. Konyaev, 1I.I. Borodkin, 2E.N. Bormontov
1АО «Научно-исследовательский институт электронной техники», г. Воронеж
2Воронежский государственный университет, г. Воронеж
I.V. Konyaev 1, I.I. Borodkin1, E.N. Bormontov2
1AO Scientific Research Institute of Electronic Technology, Voronezh
2 Voronezh State University, Voronezh
Аннотация: в статье проанализировано влияние мощности ВЧ разряда на скорость ПХТ танталата лития в плазме SF6. Предложено объяснение механизма увеличения скорости травления за счет диссоциации адсорбированных на поверхности твердого продукта реакции (LiF) фторсодержащих частиц с образованием радикалов фтора и нагрева ионным потоком, приводящего к температурной стимуляции процесса травления. На атомно-силовом микроскопе проанализированы изменения морфологии поверхности в режимах травления 100 и 250 Вт. Показано, что увеличение мощности не приводит к появлению локальных дефектов и увеличению шероховатости поверхности.
Ключевые слова: плазмохимическое травление, радикалы фтора, танталат лития, атомно-силовая микроскопия, растровая электронная микроскопия
The effect of RF discharge power on rate of plasma chemical etching of lithium tantalate in SF6 plasma is analyzed in the article.
Annotation:an explanation of the mechanism of increasing the etching rate due to dissociation of fluorine-containing particles adsorbed on the surface with the formation of fluorine radicals and heating by an ion flow, leading to temperature stimulation of the etching process is proposed. An atomic force microscope was used to analyze changes in the surface morphology at etching with RF power 100 and 250 W. As RF power increased, it does not lead to the appearance of local defects and an increase in surface roughness.
Keywords: plasma chemical etching, fluorine radicals, lithium tantalate, atomic force microscopy, scanning electron microscopy.
I. ВВЕДЕНИЕ
Танталат лития является широко известным прочным монокристаллом с относительно невысокой плотностью (ρ=7,46 г/см3), который характеризуется высокой температурой плавления (Tпл=1650 °С), является сегнетоэлектриком и имеет ярко выраженный пироэлектрический эффект [1]. Формирования рельефа на поверхности монокристалла LiTaO3 является частью технологического цикла при производстве среднеполосных фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ), объемных акустических волнах (ОАВ) и других приборов функциональной электроники, которые имеют широкое применение в космических аппаратах, транспондерах, различных приемо-передающих системах, измерительных приборах, а также в качестве частотно-селективных устройств универсального назначения [2, 3]. Одним из наиболее перспективных методов является плазмохимическое травление (ПХТ), позволяющее получать высокое разрешение при формировании топологического рисунка. Важным прикладным вопросом является механизм протекания физико-химических процессов в плазме и его влияния на эффективность используемого метода травления. В ранее проведенных исследованиях получены кинетические зависимости влияния мощности при травлении танталата лития во фторсодержащей плазме [4]. Отмечено, что в процессе травления происходит образование твердого нелетучего продукта реакции (LiF) на поверхности LiTaO3. В настоящей работе представлены результаты, объясняющие механизм нелинейного влияния ВЧ мощности на скорость ПХТ танталата лития. Методом атомно-силовой микроскопии проанализированы изменения морфологии поверхности танталата лития при травлении в различных режимах.
II. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБОРУДОВАНИЕ
Плазмохимическое травление проводилось на установке Corial D250 с диодной системой электродов и объемным смешиванием газов в реакционно-разрядной камере. Скорость травления определялась гравиметрическим методом с использованием высокоточных аналитических весов VIBRA HTR-220CE. Получение результатов АСМ проводилось на сканирующем зондовом микроскопе Solver P47 Pro. Для исследования поверхности образцов после ПХТ также использовался оптический микроскоп Jenatech и растровый электронный микроскоп JEOL JSM–6610A.
III. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Механизм влияния подводимой мощности на кинетику травления LiTaO3
Подводимая мощность выступает в качестве основного параметра, влияющего на энергетические характеристики плазмы. К наиболее вероятным элементарным процессам генерации частиц в плазме, включая и химически активные частицы (ХАЧ), следует, в первую очередь, отнести процессы с участием электронов, поскольку их кинетическая энергия значительно превышает кинетическую энергию тяжелых частиц. Как известно [5, 6], в реакциях при ПХТ с образованием только летучих продуктов реакции увеличение мощности приводит к линейному либо насыщающемуся росту скорости травления. Это связано с линейным увеличением плотности электронной и ионной составляющих и, как следствие, c увеличением концентрации химически активных частиц в объеме плазмы за счет механизмов диссоциации. При анализе зависимости концентрации фтора в плазме SF6 от вкладываемой в разряд ВЧ мощности сообщается о насыщающемся росте от 1,2∙1014 см-3 до 2,3∙1014 см-3 в диапазоне мощностей от 400 до 1200 Вт и давлении 30 Па. Для области значений давления в реакционно-разрядной камере менее 10 Па характерна линейная зависимость [7].
Как показали исследования ПХТ LiTaO3, увеличение ВЧ мощности разряда от 100 до 250 Вт приводит к нелинейному росту скорости ПХТ LiTaO3. Данные зависимости имеют схожий характер для различных давлений в рабочей камере [4]. Известно, что процесс травления танталата лития в плазме SF6 является топохимическим и протекает с образованием твердого продукта реакции. Этот фактор, очевидно, является ключевым отличием, влияющим на механизм процессов, протекающих в плазме. Дополнительный твердый пористый продукт выступает адсорбентом фторсодержащих частиц, образующихся в плазме.
Ранее в [8] методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) была исследована структура поверхности LiF, представленная на рис 1 (а, б), после травления в плазме SF6. Установлено, что образовавшийся на поверхности в процессе травления фторид лития имеет развитую пористую структуру с размером пор от 100 до 500 нм и может выступать в качестве хорошего адсорбента для фторсодержащих частиц плазмы.
Рисунок 1. РЭМ изображение пленки фторида лития после ПХТ LiTaO3 с разрешением: (а) х 20000; (б) х 100000
Механизм влияния ВЧ мощности подразумевает наличие дополнительного приповерхностного канала генерации радикалов фтора. В результате объемной генерации химически активных частиц в плазме происходит адсорбция фторсодержащих частиц на поверхность фторида лития, образованного в процессе травления. Как известно, с ростом мощности происходит увеличение энергии ионного потока, который, в свою очередь, приводит к диссоциации адсорбированных на поверхности фторсодержащих частиц с образованием радикалов фтора. Дополнительный канал приповерхностной генерации радикалов фтора приводит к нелинейному росту скорости травления танталата лития. Еще одним фактором данного процесса является нагрев образца в процессе травления за счет воздействия ионного потока. Как было показано в [9], изменение температуры экспоненциально влияет на скорость травления.
Влияние подводимой мощности на морфологию поверхности LiTaO3
Исходные образцы имели полированную поверхность со среднеарифметическим значением шероховатости Rа не более 2 нм. При исследовании влияния мощности на морфологию поверхности танталата лития проводили АСМ сканирование образцов, протравленных при мощности 100, 200 и 250 Вт на глубину 2 мкм. Предварительно проводили снятие LiF в растворе перекисно-аммиачной смеси.
Сводные данные параметров шероховатости и режимов обработки представлены в таблице.
Таблица. Параметры шероховатости LiTaO3 после ПХТ при различных мощностях
| W, Вт | Rmax, нм | Rz, нм | Rg, нм | Ra, нм |
| 100 | 214 | 110 | 23,3 | 20,4 |
| 200 | 215 | 116 | 24,3 | 21,2 |
| 250 | 212 | 106 | 23,7 | 20,9 |
В таблице приведены параметры: W – мощность разряда; Rmax – наибольшая высота неровностей профиля; Rz – высота неровностей профиля по десяти точкам; Rg – среднеквадратичное отклонение шероховатости, Rа – среднее арифметическое отклонение профиля.
Увеличение подводимой мощности приводит к росту энергии ионов, бомбардирующих поверхность в процессе травления. Поскольку в процессе травления формируется твердый пористый продукт реакции (LiF), происходит маскирование поверхности от прямого воздействия ионного потока. Данный фактор исключает физическое распыление танталата лития в процессе травления. Анализ морфологии показывает незначительное увеличение в значении средней шероховатости поверхности. Так, при 100 Вт значение Ra составило 20,4 нм, при 250 Вт, Ra – 20,9 нм. Это также можно объяснить, как более сильным воздействием ионного потока на поверхность на начальном этапе, до формирования сплошной пленки LiF и исключением дальнейшего контакта ионов с поверхностью LiTaO3, так и статистической погрешностью измерения. На основании анализа данных таблицы можно сделать вывод о том, что увеличение подводимой мощности не ухудшает качество поверхности после травления LiTaO3, так как происходит защитное маскирование пленкой LiF.
Материалы экспериментальных исследований, свидетельствуют о целесообразности применения более высокой мощности в процессе плазмохимического травления танталата лития в SF6, так как это приводит к увеличению скорости травления в 5 раз без ухудшения качества получаемой поверхности.
Работы в данном направлении могут служить важной теоретической и практической задачи прогнозирование морфологии поверхности при плазмохимическом травлении [9-16].
IV. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе описан механизм влияния ВЧ мощности при плазмохимическом травлении танталата лития. Методом растровой электронной микроскопии подтверждена пористая структура поверхности фторида лития и предложено объяснение роста скорости травления с увеличением мощности за счет диссоциация ионным потоком адсорбированных на поверхности LiF фторсодержащих частиц и нагрева поверхности ионным потоком. Из проведенных экспериментов по анализу шероховатости видно, что увеличение подводимой мощности не приводит к ухудшению качества поверхности.
Авторы приносят благодарность ведущему инженеру ЦКПНО ВГУ Гречкиной Маргарите Владимировне за получение и обработку результатов АСМ.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Glass, A. M. Dielectric, Thermal, and Pyroelectric Properties of Ferroelectric LiTaO3 / A. M. Glass // Physical Review. – 1968. – Vol. 172. – Iss. 2. – P. 564–571.
[2] Hu, X. High performance pyroelectric infrared / X. Hu, H. Luo, Y. Ji, and C. Yang // Applied Optics and Photonics China (AOPC2015). – 2015. – Vol. 9674. – id 96740T. – 5 pp.
[3] Туркин, И. Современные сверхширокополосные фильтры на ПАВ / И. Туркин, С. Тимошенков, А. Краснопольский // Беспроводные технологии. – 2009. – Т. 17. – №4. – C. 45-48.
[4] Коняев, И.В. Особенности кинетики травления ниобата и танталата лития во фторсодержащей плазме / И.В. Коняев, Л.Н. Владимирова, Е.Н. Бормонтов и др. // Вестник ВГТУ. – 2017. – Т.13. – № 3. – C. 123-127.
[5] Ишуткин, С.В. Плазмохимическое травление InP/InGaAs гетероструктуры в индуктивно связанной плазме Cl2/Ar/N2 для формирования оптических волноводных структур / С.В. Ишуткин, В.С. Арыков, Ю.С. Жидик, П.Е. Троян // Доклады ТУСУР. – 2018. –Т. 21. – № 4. – С. 28–32.
[6] Галперин, В.А. Процессы плазменного травления в микро- и нанотехнологиях: учебное пособие / В.А. Галперин, Е.В. Данилкин, О.Е., А.И. Мочалов; под ред. С.П. Тимошенкова. – 3-е изд. (эл.). – M.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013. – 283 с.
[7] Руденко, К.В. Диагностика плазменных технологических процессов микро- и наноэлектроники: специальность 05.27.01 «Электронная компонентная база микро- и наноэлектроники, квантовых устройств»: автореферат диссертации на соискание доктора физико-математических наук / Руденко Константин Васильевич. – М., 2007. – 46 с.
[8] Коняев, И.В. Анализ морфологии фторида лития в процессе плазмохимического травления LiTaO3 / И.В. Коняев, И.И. Бородкин и др. // Твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроника: межвуз. сб. науч. тр. – Воронеж: ВГТУ. – 2018. – № 17. – С. 110-115.
[9] Коняев, И.В. Влияние давления и температуры на кинетику травления LiTaO3 во фторсодержащей плазме / И.В. Коняев, Л.Н. Владимирова, Е.Н. Бормонтов // Вестник ВГТУ. – 2018. – Т. 14. – № 5. – С. 160-164.
[10] Xie J. Infinite series expansion of some finite-time dividend and ruin related functions / Xie J., Zhang Zh.// Communications in Statistics – Theory and Methods. 2024. Vol. 53. No. 1. pp. 201-214.
[11] Xiao Yu. Using differential equation-based models to calibrate agent-based diffusion models / Xiao Yu., Han J. // IEEE Transactions on Engineering Management. 2024. Vol. 71. pp. 586-597.
[12] Grimaldi M. / How can productivity in product design and engineering be assessed? Guidelines to build a dashboard of KPIS / Grimaldi M., Greco M., Cricelli L., Rogo F., Scalvenzi M. // IEEE Transactions on Engineering Management. 2024. Vol. 71. pp. 560-573
[13] Харченко М.Э., Оценка влияния структурных особенностей кристалла на стойкость ДМОП транзисторов к ионизирующему излучению / Харченко М.Э., Дорохов В.А., Колесников М.И. // Моделирование систем и процессов. – 2022. – Т. 15, № 3. – С. 128-136.
[14] Зольников К.В.,Моделирование и оптимизация конструкции полосового фильтра на основе коаксиального резонатора / Зольников К.В., Ачкасов Д.А. // Моделирование систем и процессов. 2024. Т. 17. № 2. С. 43-50.
[15] Полуэктов А.В. Моделирование влияния электромагнитных полей на микросхемы / Полуэктов А.В., Медведев Р.Ю., Зольников К.В. // Моделирование систем и процессов. 2024. Т. 17. № 1. С. 129-136.
[16] Ильин С.А., Анализ влияния шин трассировки на результаты моделирования стандартных цифровых элементов по технологии КМОП 28 нм / Ильин С.А., Копейкин Д.Ю., Ласточкин О.В., Полунина И.Е., Шипицин Д.С. // Моделирование систем и процессов. 2023. Т. 16. № 2. С. 85-93.
literature
[1] Glass, A. M. Dielectric, Thermal, and Pyroelectric Properties of Ferroelectric LiTaO3 / A. M. Glass // Physical Review. – 1968. – Vol. 172. – Iss. 2. – P. 564–571.
[2] Hu, X. High performance pyroelectric infrared / X. Hu, H. Luo, Y. Ji, and C. Yang // Applied Optics and Photonics China (AOPC2015). – 2015. – Vol. 9674. – id 96740T. – 5 pp.
[3] Turkin, I. Modern ultra-broadband surfactant filters / I. Turkin, S. Timoshenkov, A. Krasnopolsky // Wireless technologies. – 2009. – Vol. 17. – No. 4. – pp. 45-48.
[4] Konyaev, I.V. Features of the kinetics of etching lithium niobate and tantalate in fluorinated plasma / I.V. Konyaev, L.N. Vladimirova, E.N. Bormontov et al. // Vestnik VGTU. – 2017. – Vol. 13. – No. 3. – pp. 123-127.
[5] Ishutkin, S.V. Plasmochemical etching of InP/InGaAs heterostructures in inductively coupled plasma Cl2/Ar/N2 for the formation of optical waveguide structures / S.V. Ishutkin, V.S. Arykov, Yu.S. Zhidik, P.E. Troyan // Reports of TUSUR, 2018, vol. 21, No. 4, pp. 28-32.
[6] Galperin, V.A. Plasma etching processes in micro- and nanotechnology: textbook / V.A. Galperin, E.V. Danilkin, O.E., A.I. Mochalov; edited by S.P. Timoshenkov. – 3rd ed. (e-mail). – M.: BINOM. Laboratory of Knowledge, 2013. – 283 p.
[7] Rudenko, K.V. Diagnostics of plasma technological processes of micro- and nanoelectronics: specialty 05.27.01 “Electronic component base of micro- and nanoelectronics, quantum devices”: abstract of the dissertation for the degree of Doctor of physico-mathematical sciences / Rudenko Konstantin Vasilyevich. – M., 2007. – 46 p.
[8] Konyaev, I.V. Analysis of morphology of lithium fluoride in the process of plasmochemical etching of LiTaO3 / I.V. Konyaev, I.I. Borodkin et al. // Solid-state electronics, microelectronics and nanoelectronics: Interuniversity collection of scientific tr. – Voronezh: VGTU. – 2018. – № 17. – pp. 110-115.
[9 Konyaev, I.V. Influence of pressure and temperature on the kinetics of LiTaO3 etching in fluorinated plasma / I.V. Konyaev, L.N. Vladimirova, E.N. Bormontov // Vestnik VGTU. – 2018. – Vol. 14. – No. 5. – pp. 160-164.
[10] Xie J. Infinite series expansion of some finite-time dividend and ruin related functions / Xie J., Zhang Zh.// Communications in Statistics – Theory and Methods. 2024. Vol. 53. No. 1. pp. 201-214.
[11] Xiao Yu. Using differential equation-based models to calibrate agent-based diffusion models / Xiao Yu., Han J. // IEEE Transactions on Engineering Management. 2024. Vol. 71. pp. 586-597.
[12] Grimaldi M. / How can productivity in product design and engineering be assessed? Guidelines to build a dashboard of KPIS / Grimaldi M., Greco M., Cricelli L., Rogo F., Scalvenzi M. // IEEE Transactions on Engineering Management. 2024. Vol. 71. pp. 560-573
[13] Kharchenko M.E., Dorokhov V.A., Kolesnikov M.I., Evaluation of the influence of crystal structural features on the resistance of DMOS transistors to ionizing radiation // Modeling of systems and processes. – 2022. – Vol. 15, No. 3. – pp. 128-136.
[14] Zolnikov K.V., Modeling and optimization of the bandpass filter design based on a coaxial resonator / Zolnikov K.V., Achkasov D.A. // Modeling of systems and processes. 2024. Vol. 17. No. 2. pp. 43-50.
[15] Poluektov A.V. Modeling the influence of electromagnetic fields on microcircuits / Poluektov A.V., Medvedev R.Yu., Zolnikov K.V. // Modeling of systems and processes. 2024. Vol. 17. No. 1. pp. 129-136.
[16] Ilyin S.A., Kopeikin D.Yu., Lastochkin O.V., Polunina I.E., Shipitsin D.S., Analysis of the effect of tracing buses on the results of modeling standard digital elements using CMOS 28 nm technology. Modeling of systems and processes. 2023. Vol. 16. No. 2. pp. 85-93.