ИСТОЧНИК ПЛАЗМЫ ЭЦР-РАЗРЯДА Российский патент 1996 года по МПК H05H1/46 H01L21/306 

Изобретение относится к устройствам для формирования низкотемпературной плазмы СВЧ-разряда в магнитном поле в режиме электронного циклотронного резонанса (ЭЦР) при низком давлении газов, в частности, для обработки подложек большой площади потоком ЭЦР-плазмы с целью осаждения тонких пленок, модификации поверхности, очистки или травления.

Известен источник плазмы для одновременной обработки нескольких подложек, закрепленных на носителе, состоящий из СВЧ-ввода в виде волновода с раструбом, сообщающегося с камерой обработки через герметичное окно, прозрачное для СВЧ-излучения, и магнитной системы, расположенной в камере обработки (M. Geisler et al. Elongated microwa- ve electron cyclotron resonance heating plasma source//J. Vac. Sci. Technol. A8(2) Mav./Apr. 1990. p.908). Недостатком этого источника является то, что он позволяет одновременно обрабатывать ограниченную поверхность ограниченной площади в виде узкой полосы, увеличение ширины полосы ограничено растущей при этом неоднородностью магнитного поля вдоль короткой оси зоны обработки, а увеличение ее длины ограничено неизбежно возникающей при этом неоднородностью ВСЧ-поля вдоль длинной оси зоны обработки. Таким образом, для обработки подложек большой площади с использованием источника плазмы этого типа необходимо в процессе обработки передвигать подложку мимо источника для последовательной обработки различных ее участков, что существенно ограничивает производительность оборудования.

Наиболее близким аналогом является источник плазмы, позволяющий одновременно обрабатывать потоком ЭЦР-плазмы большую площадь поверхности подложек (M. J. Cooke et al. Multipolar ECR: Opening a new vange of low-damage etch process // Microelectr. Manufacturing and Testing. 1989. N 10 р. 17). Источник представляет собой ряд СВЧ-антенн в виде стержней, закрепленных внутри цилиндрической вакуумной камеры вдоль ее стенок и параллельно ее оси. За пределами вакуумной камеры напротив каждого стержня располагаются постоянные магниты. СВЧ-энергия подводится к стержням через вакуумно-плотные СВЧ-вводы, расположенные в одной плоскости на торце вакуумной камеры. Противоположные СВЧ-вводам концы стержней замкнуты на корпус камеры и расположены также в одной плоскости.

Недостатком источника плазмы этого типа является невозможность равномерной обработки расположенной вдоль стержней подложки большой площади, вызванная неоднородностью плазмы вдоль направления распространения СВЧ-волны.

Цель настоящего изобретения заключается в устранении указанных недостатков и в улучшении качества обработки поверхности подложек большой площади потоком плазмы ЭЦР-разряда.

Эта цель достигается тем, что в источнике плазмы ЭЦР-разряда имеются две группы СВЧ-антенн в виде стержней, расположенных внутри вакуумной камеры вдоль ее стенок и параллельно друг другу, при этом стержни первой группы расположены попеременно со стержнями второй группы. За пределами вакуумной камеры напротив каждого стержня расположены постоянные магниты. Стержни разных групп соединены с СВЧ-вводами своими противоположными концами, так что СВЧ-колебания распространяются вдоль соседних стержней во встречных направлениях, а противоположный СВЧ-вводу конец каждого стержня соединен с корпусом вакуумной камеры, образуя короткое замыкание. Кроме того, стержни каждой из групп имеют одинаковую длину. СВЧ-вводы и закороченные концы стержней каждой из групп прямой линии или лежат в одной плоскости, при этом расстояние между линиями или плоскостями закороченных концов стержней разных групп составляет нечетное число четвертей длины волны возбуждаемых вдоль стержней СВЧ-колебаний.

На фиг. 1 представлен фронтальный вид плоского источника плазмы.

На фиг. 2 показано сечение камеры обработки подложек потоком ЭЦР-плазмы с присоединенным к камере источником плазмы.

Как показано на фиг. 1, источник плазмы представляет собой металлическое заземленное основание 1, которое служит одной из стенок камеры обработки. На основании установлены две группы стержневых антенн 2а и 2b, расположенные параллельно друг другу и на одном расстоянии от стенки основания. Один конец каждого стержня соединен с источником СВЧ-энергии через волновод 5 и вакуумно-плотный СВЧ-ввод 3, а другой конец замкнут на основание, образуя закоротку 4а и 4b.

В случае плоского источника плазмы короткозамкнутые концы стержней каждой группы образуют прямые линии АА' и BB', расстояние между которыми составляет L = λ(1+2N)/4, где λ это длина волны возбуждаемых вдоль стержней электромагнитных колебаний, а N целое число. Источник плазмы может также иметь цилиндрическую геометрию, тогда СВЧ-вводы и короткозамкнутые концы стержней каждой группы образуют дугу, лежащие в некоторых плоскостях, при этом расстояние между плоскостями короткозамкнутых концов двух групп стержней также равно L.

На фиг. 2 показана камера обработки подложек потоком ЭЦР-плазмы 6 с установленным на ней источником плазмы 7. С наружной (невакуумной) стороны источника плазмы напротив каждого стержня располагаются постоянные магниты 8. Все стержни снабжены патрубками 9 для ввода и вывода охлаждающей жидкости.

Камера обработки подложек потоком ЭЦР-плазмы имеет также патрубок вакуумной откачки 10 и патрубок напуска рабочих газов 11. В камере также находятся подложкодержатель 12 с закрепляемой на нем подложкой 13, рабочая поверхность которой обращена к источнику плазмы 7.

Источник плазмы работает следующим образом: в предварительно откачанную камеру обработки с присоединенным к ней источником плазмы подается смесь рабочих газов, давление которой устанавливается в диапазоне 10^-2 1 Па. СВЧ-энергия подводится к стержневым антеннам, так что вдоль последних возбуждаются электромагнитные колебания, при этом силовые линии электрической компоненты СВЧ-поля соединяют поверхность стержней с близлежащей поверхностью основания источника плазмы. Постоянные магниты создают поле, силовые линии которого пересекают над наклоном стенку основания, при этом создаются условия для эффективного нагрева свободных электронов газа СВЧ-поле в режиме ЭЦР, что приводит к возникновению низкотемпературной плазмы высокой плотности. Образующиеся в разряде химически-активные частицы дрейфуют к поверхности подложки, где они вступают во взаимодействие с твердым телом, в результате которого происходят процессы травления или осаждения материалов. Летучие продукты поверхностных реакций удаляются из камеры обработки через патрубок вакуумной откачки, соединенный с системой вакуумной откачки.

В том случае, если плазма поглощает значительную часть подводимой к стержням СВЧ-энергии, ее плотность будет уменьшаться с расстоянием от СВЧ-ввода вдоль стержня. Поскольку источник содержит две группы стержней с противоположным направлением распространения СВЧ-колебаний, суммарная плотность потока активных частиц на поверхность подложки будет однородной, что в свою очередь, обеспечит равномерность обработки подложки.

С другой стороны, если плазма поглощает незначительную часть подводимой к стержням СВЧ-энергии, вдоль стержней устанавливаются стоячие волны, что означает неоднородность среднего значения СВЧ-поля и, следовательно, плотности плазмы вдоль стержня. Поскольку короткозамкнутый конец каждого стержня в осевом направлении смещен относительно короткозамкнутых концов соседних стержней на расстояние, равное нечетному количеству четвертой длины волны, пучности СВЧ-поля и, соответственно, максимумы плотности плазмы каждого стержня соседствуют с узлами СВЧ-поля стержней другой группы, где плотность плазмы минимальна. Таким образом, в этом случае суммарный поток активных частиц плазмы на поверхность подложки также выравнивается.

Источник может иметь плоскую либо цилиндрическую конфигурацию. Он позволяет обрабатывать потоком плазмы ЭЦР-разряда подложки с площадью рабочей поверхности 1000 и более см². Неравномерность обработки по поверхности подложки при этом не превышает ±5% Это дает возможность создания на основе источника питания ЭЦР-разряда высокопроизводительного оборудования, например, осаждения аморфного кремния для формирования солнечных элементов или светочувствительных аппаратов.

Использование: для обработки подложек большой площади потоком ЭЦР-плазмы с целью осаждения тонких пленок, модификации поверхности, очистки или травления. Сущность изобретения: источник плазмы ЭЦР-разряда представляет собой расположенные вдоль стенки вакуумной камеры и параллельно друг другу СВЧ-антенны в виде стержней, которые с одного конца соединены через герметичные СВЧ-вводы с источником СВЧ-энергии, а с другого конца замкнуты на корпус вакуумной камеры. За пределами вакуумной камеры напротив каждого из стержней расположены постоянные магниты. Источник может иметь плоскую либо цилиндрическую конфигурацию. В первом случае плоская подложка размещается в вакуумной камере параллельно СВЧ-антеннам. Источник цилиндрической конфигурации предназначен для обработки цилиндрических подложек, размещенных в вакуумной камере соосно с источником. Источник позволяет обрабатывать потоком плазмы подложки с площадью рабочей поверхности 1000 см² и более. Неравномерность обработки по поверхности подложки при этом не превышает ±5%. 2 ил.

Источник плазмы ЭЦР-разряда, включающий расположенные параллельно вдоль стенки вакуумной камеры СВЧ-антенны, выполненные в виде стержней, одни концы которых соединены через герметичные СВЧ-вводы с источником СВЧ-энергии, а их противоположные концы электрически замкнуты на корпус вакуумной камеры, и магнитную систему, состоящую из постоянных магнитов, расположенных вне вакуумной камеры напротив каждого стержня, отличающийся тем, что СВЧ-антенны выполнены в виде двух групп стержней одинаковой длины, стержни одной из которых установлены попеременно со стержнями другой группы, при этом СВЧ-вводы стержней каждой группы расположены у противоположных стенок вакуумной камеры, короткозамкнутые концы стержней и их СВЧ-вводы размещены вдоль параллельных прямых или лежат в параллельных плоскостях, причем расстояние между параллельными прямыми или плоскостями, ограничивающими короткозамкнутые концы стержней различных групп, равно нечетному числу четвертей длины возбуждаемых вдоль стержней электромагнитных волн.