CAPITOLO II
ATTACO IONICO IN PLASMA
Gli attacchi secchi (dry) costituiscono un insieme di metodi con i quali si attacca una superficie
solida dalla fase gas o vapore: l’attacco può essere fisico e realizzarsi quindi per bombardamento
ionico, chimico ed avvenire per mezzo di una reazione chimica con una specie reattiva alla superficie,
o chimico-fisico.
Gli attacchi dry condotti in plasma possono essere classificati in base all’assetto sperimentale in
cui sono realizzati. Si distinguono quindi la tecnica della scarica a bagliore, in cui il plasma è generato
nella stessa camera in cui è posto il substrato (configurazione a diodo), da quella del fascio ionico, in
cui il plasma è generato in una camera separata, da cui gli ioni vengono estratti e diretti in un fascio
verso il substrato da una serie di griglie (configurazione a triodo).
Fig. 1: Varie tecniche di attacco dry.
Nell’attacco ionico (ion etching) e nellao ion beam milling, l’attacco avviene per azione fisica,
ovvero il trasferimento di energia dagli ioni Ar alla superficie del substrato.
In tutti gli altri tipi di attacchi dry avviene un qualche tipo di reazione chimica. Con l’attacco chimico
in plasma (chemical plasma etching: PE), delle specie chimiche neutre generate nel plasma diffondono
fino al substrato, dove reagiscono con la superficie, formando prodotti volatili: il solo ruolo del plasma
è fornire specie gassose reattive.
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ATTACCO IONICO IN PLASMA
Quando si sceglie il tipo di attacco dry da condurre, si devono considerare accuratamente la
forma degli scavi ottenibili e la selettività che caratterizzano tale processo.
Fig. 2:Profili di scavo ottenuti con diversi tipi di attacco dry in plasma: (A) Attacco puramente fisico; (B) Attacco
puramente chimico; (C) e (D) Attacco chimico-fisico.
In Fig. 2 sono mostrati diversi possibili profili di scavo: a seconda del tipo di attacco impiegato, si
possono ottenere profili verticali, direzionali, o isotropi. Con gli attacchi dry si possono produrre scavi
anisotropi (verticali o direzionali) in materiali cristallini, policristallini ed amorfi: l’anisotropia è infatti
controllata dalla caratteristiche del plasma.
La selettività di un attacco dry si riferisce alla differenza tra la velocità di attacco del materiale della
maschera, e quella del materiale del substrato da attaccare, ed è anch’essa dipendente dalle
caratteristiche del plasma.
Lo ion etching e lo ion beam milling sono caratterizzati da profili inclinati, bassa selettività, e basse
velocità di attacco. Il chemical plasma etching ha maggiore selettività e velocità di attacco, ma è
isotropo. Il RIE infine permette di ottenere profili anisotropi con alte selettività e velocità di attacco.
I Il Plasma
Il plasma è un gas ionizzato che contiene approssimativamente la stessa quantità di particelle
cariche positivamente (ioni positivi) e negativamente (elettroni o ioni negativi). Anche se il plasma è
neutro dal punto di vista macroscopico, si comporta in modo molto diverso da un gas molecolare, dal
momento che le sue particelle ionizzate possono subire l’influenza di campi elettrici e magnetici.
Il plasma usato negli attacchi dry è generalmente molto poco ionizzato: il rapporto tra il numero di ioni
e quello di molecole neutre va da 106 a 104 .
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I sistemi per l’attacco in plasma sono estremamente complessi, e molti dettagli delle interazioni
all’interno del plasma e sulle superfici ad esso esposte non sono ancora ben chiari: lo scopo di questa
sezione è solo quello di presentare i concetti che sono stati reputati principali, a cui sarà poi utile far
riferimento nel seguito.
I.1 Fisica dei Plasmi RF
Il reattore più semplice è costituito da due elettrodi a facce piane parallele (anodo e catodo) a cui è
applicata una tensione continua, tra i quali è confinato un gas mantenuto a bassa pressione (Fig. 1).
Fig. 1: Rappresentazione schematica di un plasma dc.
Se la polarità degli elettrodi viene alternata a bassa frequenza ( 104 Hz ), si ha solo uno scambio
periodico dell’anodo con il catodo. Se si aumenta la frequenza finchè il periodo di oscillazione non sia
minore del tempo necessario al plasma per raggiungere l’equilibrio stazionario, le caratteristiche del
plasma cambiano.
Se si applica un potenziale a radio frequenza ad un elettrodo attraverso una rete per l’adattamento
dell’impedenza, nei i cicli positivi e negativi il plasma si comporta diversamente.
Quando l’elettrodo è positivo, gli elettroni sono accelerati verso di esso,e quindi si accumula carica
negativa. Quando è negativo, sono gli ioni positivi ad essere accelerati verso di esso: il numero di ioni
che raggiungono il catodo è però molto minore di quello degli elettroni nel semiperiodo precedente a
causa della sproporzione tra le loro masse. Il plasma quindi si comporta come un diodo.
Il catodo è disaccoppiato in continua dal condensatore CB , che non gli consente di scaricarsi attraverso
il generatore.
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ATTACCO IONICO IN PLASMA
Fig. 2: Rappresentazione schematica di un plasma RF.
In Fig. 3 è mostrato il valor medio temporale del potenziale dei due elettrodi e del plasma.
Fig. 3: Valor medio temporale del potenziale di anodo, catodo e plasma.
Il plasma ha la caratteristica di avere carica positiva rispetto agli elettrodi a causa del moto
casuale degli elettroni e degli ioni. Per una distribuzione casuale delle velocità, infatti il flusso di ioni
ji e di elettroni je è dato da (Bibl. 1):
ji ,e
ni ,e vi ,e
4
( .1)
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dove n è la densità, e v la velocità media.
Dal momento che gli ioni hanno massa molto maggiore degli elettroni (di un fattore dell’ordine delle
decine di migliaia), la velocità media degli elettroni è maggiore, e quindi il loro flusso è maggiore di
quello degli ioni: il plasma perde dunque elettroni sugli elettrodi e si carica positivamente.
Inoltre, dal momento che attraverso il condensatore con cui il catodo è accoppiato al generatore RF
non può passare carica, esso acquisisce un potenziale continuo negativo (self-bias VDC ) a causa degli
elettroni del plasma che vi si accumulano: nelle immediate vicinanze della superficie del catodo si
instaura quindi un campo elettrico che contrasta la perdita di altri elettroni.
In questa regione la popolazione di elettroni è così scarsa che si verificano poche collisioni con
molecole neutre, quindi non si osserva bagliore: per questa ragione è detta zona di buio. Per le stesse
ragioni, si formano zone di buio anche nelle vicinanze dell’anodo e di qualsiasi superficie conduttrice
o isolante esposta al plasma.
La Fig.3 indica che non c’è campo elettrico nella regione di bagliore del plasma, che può quindi essere
considerato un conduttore ad una tensione media V p , il potenziale del plasma.
Il potenziale del plasma V p , il self-bias VDC , ed l’ampiezza picco-picco della tensione a RF
VRF pp
2Vp
sono legati dalla relazione (Fig. 4):
VRF pp
2
VDC
( .2)
Fig. 4:Distribuzione del potenziale nel reattore.
Gli ioni positivi del plasma vengono estratti dall’intenso campo presente vicino al catodo e
vengono accelerati attraverso la zona di buio, percorrendo traiettorie essenzialmente ortogonali alla
superficie del catodo. Ci sono due fattori che rendono diversa da zero la componente trasversale della
velocità degli ioni.
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ATTACCO IONICO IN PLASMA
Il primo è la temperatura, che causa un moto casuale: a temperatura ambiente la velocità termica è però
molto minore di quella acquisita dagli ioni nelle zone di buio.
Traiettorie non rigorosamente ortogonali alla superficie del catodo sono imputabili anche a collisioni
che avvengono nella zona di buio.
Trascurando questi effetti secondari, la traiettoria degli ioni può essere assunta verticale: sono solo le
superfici orizzontali, quindi , che sperimentano il bombardamento degli ioni.
La massima energia con cui uno ione positivo colpisce il catodo è pari a:
C
Emax
e VDC V p eVT
( .3)
Quella con cui colpisce l’anodo è pari a:
A
Emax
eVp
( .4)
C
A
Valori tipici per Emax
e Emax
sono 300 e 20 eV, rispettivamente.
Il rapporto tra l’area del catodo e dell’anodo, influenza quello tra VT e V p , e quindi l’energia degli ioni
incidenti sugli elettrodi :
VT S A
V p SC
4
( .5)
Dove S A e SC sono l’area dell’anodo e del catodo.
Dal momento che deve essere evitato l’attacco dell’anodo, V p deve essere mantenuta bassa, e quindi il
reattore deve essere costruito con SC significativamente minore di S A .
I.2 Circuito Equivalente
Un circuito equivalente per un plasma RF, che non tenga conto del suo comportamento
rettificante, è mostrato in Fig. 1.
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Fig. 2: Circuito equivalente per un plasma RF.
Assumendo che la conduzione nella zona di bagliore del plasma sia dominata da elettroni:
e
ne2
me e
( .6)
dove n è la densità degli elettroni nel plasma, e è la carica dell’elettrone, me la massa dell’elettrone, e
e la frequenza di collisione degli elettroni. La resistenza della zona di bagliore del plasma è quindi:
R
l
e A
dove l ed A sono la lunghezza e la sezione della zona di bagliore.
La resistenza delle zone di buio, dove la conduzione è ionica, viene stimata nello stesso modo,
rimpiazzando, me e e con mi e i , la massa e la frequenza di collisione degli ioni.
Le capacità delle zone di buio possono essere stimate come:
CB
0 AB
lB
dove lB ed AB sono la lunghezza e la sezione delle zone di buio.
In Fig. 3 è mostrato il cambiamento di queste impedenze con la frequenza.
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ATTACCO IONICO IN PLASMA
Fig. 3: Impedenze delle zone di buio
Z S , e di bagliore Z P . Nell’intervallo di frequenze di interesse la zona di bagliore
rimane resistiva.
La frequenza del generatore influenza la distribuzione dell’energia degli ioni accelerati nella
zona di buio: a frequenza bassa (tipicamente 100Hz) l’energia massima degli ioni corrisponde
approssimativamente a quella fornita dal campo massimo della zona di buio, perché gli ioni hanno
abbastanza tempo per rispondere alle variazioni del campo elettrico. Ad alta frequenza (tipicamente
13.7MHz), l’energia massima è minore di quella che sarebbe fornita dal campo massimo perché gli
ioni non possono più rispondere alle variazioni.
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II Attacco Ionico
Equation Section (Next)
Lo ion etching di un substrato si realizza bombardando con ioni inerti (come Ar e Xe ) una
superficie posta sul catodo nella configurazione di Fig. 2 del paragrafo I.
L’energia cinetica degli ioni incidenti determina quali eventi si verificheranno con maggiore
probabilità sulla superficie bombardata: ad energie minori di 3eV si ha fisiadsorbimento; tra 4 e 10eV
danneggiamento della superficie; sopra i 10eV si ha riscaldamento del substrato e sputtering; ad
energie ancora maggiori ( 104 eV ), si ha impiantazione ionica (Tab. 1).
ENERGIA
REAZIONE
eV
<3
4-10
10-5000
10K-20K
Fisiadsorbimento
Danneggiamento
Sputtering
Impiantazione
Tab. 1
In condizioni di sputtering, il trasferimento di quantità di moto dagli ioni al bersaglio causa la
rottura dei legami e l’erosione della superficie con emissione balistica di materiale, di conseguenza, la
velocità di attacco nella direzione dagli ioni incidenti dipende fortemente da Emax .
II.1 Resa di Sputtering
Un parametro molto importante per lo ion etching è la resa di sputtering S, che si definisce come
il numero di atomi della superficie emessi per ione incidente. S dipende dall’energia e dalla massa
dello ione incidente, dalla massa degli atomi del substrato attaccato, la cristallinità e l’orientazione
cristallina del substrato:
Fig. 1: Resa di sputtering in funzione dell’energia dell’atomo incidente.
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ATTACCO IONICO IN PLASMA
In Fig. 1 è mostrato l’andamento tipico della resa di sputtering in funzione dell’energia dello
ione incidente. S aumenta con tale energia fino a raggiungere un massimo per energie che vanno da 5 a
50KeV: sopra i 50KeV decresce a causa della maggiore penetrazione degli ioni nel substrato
(impiantazione ionica).
Un importante aspetto dello ion etching è che S dipende dall’angolo con cui gli ioni
raggiungono il substrato (Fig. 2).
Fig. 2: Andamento tipico della resa relativa con l’angolo di incidenza.
II.2 Selettività
La selettività di un processo è la misura della velocità di attacco del materiale del substrato da
attaccare, relativa a quella del materiale della maschera:
Sl m
El
Em
(I.1)
dove El ed Em sono la velocità di attacco del substrato e della maschera rispettivamente.
Lo ion etching è un attacco non selettivo per i materiali (le rese di sputtering della maggior parte dei
materiali differiscono al massimo di un fattore tre), dal momento che l’energia necessaria ad estrarre
materiale è molto maggiore della differenza di energia tra i vari legami chimici. Per lo stesso motivo,
all’aumentare dell’energia degli ioni, la selettività dell’attacco diminuisce.
II.3 Profili di attacco
Il risultato ideale di un attacco wet o dry è il trasferimento delle geometrie della maschera sul
substrato senza distorsione: l’anisotropia dell’attacco ionico è controllabile cambiando le
caratteristiche del plasma.
Come mostrato nella Fig. 2 dell’introduzione al capitolo, attacchi fisici come lo ion etching e lo
ion beam milling non producono sottoattacco, ma le pareti dello scavo non sono necessariamente
verticali: c’è una varietà di fattori che contribuisce a questa perdita di fedeltà nel trasferimento delle
geometrie.
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II.3.1
Faceting
Anche se si parte da una maschera a pareti verticali, l’attacco ionico tende a sviluppare una
sfaccettatura nel bordo della maschera tale che l’angolo da essa formato con la direzione degli ioni
incidenti sia quello per cui la resa di sputtering del materiale della maschera sia massima (Fig. 2 del
par II.1).
Gli spigoli della maschera, che sono sempre stondati, anche quando le pareti sono molto verticali,
vengono attaccati più velocemente del resto.
Fig. 1: Rappresentazione schematica del Faceting.
Se il bordo della sfaccettatura si propaga dallo spigolo della maschera, fino al substrato, esso
sarà a sua volta sfaccettato lungo l’angolo di massima S per il materiale di cui è costituito.
Di solito il faceting influenza solo la maschera, ed il suo effetto sulla fedeltà del processo di
trasferimento delle geometrie può essere minimizzato aumentando lo spessore della maschera, e
diminuendo l’arrotondamento dei suoi spigoli.
II.3.2
Trenching
Il trenching consiste in un aumento della velocità di attacco nelle immediate vicinanze delle
pareti della maschera: esso è il risultato di due effetti.
Il primo deriva dal fatto che gli ioni che incidono sulle pareti della maschera hanno angoli di
riflessione bassi: il flusso di ioni nei pressi delle pareti è quindi maggiore. Perché questo meccanismo
sia attivo, deve esistere una considerevole frazione di ioni con traiettoria non esattamente verticale,
oppure le pareti della maschera devono essere inclinate.
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ATTACCO IONICO IN PLASMA
Fig. 2: Rappresentazione schematica del Trenching.
Il secondo meccanismo è attivo soltanto quando la maschera è metallica: le linee di campo
elettrico si concentrano nei pressi degli spigoli, aumentando in questi punti il flusso di ioni.
II.3.3
Rideposizione
Un’altra limitazione dello ion etching è la rideposizione sulle pareti dello scavo dei prodotti
dell’attacco del fondo.
Per poter predire l’alterazione nel profilo dello scavo che si ottiene in presenza di rideposizione
dalla superfici attaccate, si devono formulare delle ipotesi semplificative.
Si assuma che (1) la velocità di deposizione sulle superfici verticali sia costante; (2) il materiale
depositato venga attaccato in modo puramente anisotropo alla stessa velocità del fondo dello scavo; (3)
l’attacco e la deposizione, che sono simultanei, possano essere approssimati come un susseguirsi di
passi di attacco e deposizione di durata infinitesima; (4) sia lecito usare un modello bidimensionale di
una sezione trasversale. Questo modello semplificato predice scavi a pareti inclinate sui quali viene
rideposto uno strato trapezoidale (Fig. 3).
Fig. 3: Formazione sequenziale del profilo dell’attacco in presenza di rideposizione nel caso che siano valide le quattro
assunzioni semplificative. Si è anche assunto che il profilo della maschera sia verticale e che questa sia attaccata ad una
velocità pari alla metà di quella a cui è attaccato il substrato.
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Per rendere il modello più realistico, si deve considerare che la velocità di rideposizione non è
costante al variare della distanza dalla superficie attaccata sulle superfici verticali: essa infatti è
maggiore in prossimità delle superfici orizzontali. Questo può portare all’arrotondamento del fondo
degli scavi molto stretti.
Fig. 4: Profili di scavo causati dalla rideposizione: quello di sinistra è dovuto ad una velocità di rideposizione costante,
quello di destra dovuto ad una velocità di rideposizione che aumenta verso la superficie attaccata.
Un ultimo effetto che può essere attribuito alla rideposizione è un effetto di prossimità
dell’attacco ionico. La velocità di rideposizione è in fatti maggiore su pareti adiacenti a larghe aree
attaccate, che costituiscono una fonte di materiale maggiore: lo strato rideposto sulle pareti verticali
nelle strutture isolate è quindi maggiore che in quelle densamente impacchettate.
Fig. 5: Schematizzazione dell’effetto di prossimità.
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