СПОСОБ ЗАЖИГАНИЯ СВД-ПЛАЗМЫ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1997 года по МПК H05B7/18 H05H1/24 

Изобретение относится к способу и устройству для зажигания плазм в реакционной камере для соблюдения покрытий на субстрат, согласно которому реакционный газ пропускают через реакционную камеру, в которой плазма, после ее зажигания возбуждается посредством микроволновых импульсов и поддерживается в течение заданного интервала времени. Изобретение относится также к устройству для осуществления указанного способа.

Для соблюдения покрытия на субстрат подложка, в особенности на стеклянных подложках, последние подвергаются действию плазмы в камере нанесения покрытия. В зависимости от вида покрытия подаются соответствующие реакционные газы, которые, однако, различаются по степени воспламеняемости. Под воспламеняемостью понимается малое давление зажигания газа и/или малое давление погасания. Главной особенностью микроволновой плазмы, содержащей газ, который действует, как улавливатель электронов, является низкая воспламеняемость. Наибольшие затруднения при зажигании возникают в газах для импульсных плазм, так как после каждой паузы между импульсами плазму приходится зажигать вновь. Такие виды плазмы были описаны, как плазма Пи Ай Си Ви Ди [1]
Известен способ зажигания микроволновой протекающей плазмы [2] согласно которому реакционные газы возбуждаются в камере, находящейся до реакционной камеры. Зажигание такой плазмы производится на входном для газов конце реакционной камеры посредством подачи высокого напряжения с частотой 1 МГц.

Использование высокой частоты является решением требующим значительных затрат, поскольку стоимость высокочастотных деталей помимо прочего, возрастает с ростом рабочей частоты.

Расположение зажигающего электрода по патенту США 4888088 на входной стороне по ходу газа для описанного случая применения возможно, однако, для других микроволновых способов осаждения, как, например, в способах с использованием плазмы типа Пи Ай Си Ви Ди неприемлемо в том числе, что реакционные газы соединяются друг с другом не на подложке, а на более раннем этапе. Зажигание реакционных газов в области, расположенной перед реакционной камерой приводит к возникновению реакции между газами, что в свою очередь приводит к тому, что часть реакционных газов выпадает в осадок до камеры реакции. Кроме того, образуются неопределенные продукты реакции, например, пыль, которая вызывает помутнение нанесенного на подложку слоя. Образующиеся на стенках сосуда (за счет частичного осаждения из реакционных газов) пленки в основном плохо пристают, и легко отслаиваются, причем их частицы добавочно ухудшают качество покрытия осаждаемого на подложки материала.

Еще один недостаток заключается в том, что несмотря на определенный заданный расход массы реакционных газов, точно выдерживать толщину покрытия становится невозможным, вследствие неопределенного расхода реакционных газов в области поджигающего электрода при зажигании.

Известен способ и устройство для обработки поверхности деталей тлеющим разрядом [3] Чтобы избежать дугового разряда и повреждения деталей, а также не иметь проблем с зажиганием, импульсы напряжения на фронте имеют пики для зажигания тлеющего разряда, которые затем переходят в область импульса для поддержания тлеющего разряда с меньшим напряжением. Этот способ, с помощью которого возможно осуществлять осаждение покрытий, закаливание, отжиг и т.п. отличается от способа, работающего на микроволновых плазмах тем, что деталь используется как катод, а окружающие деталь стенки вакуумного сосуда как анод, который подключен к источнику напряжения от нескольких сот до тысячи вольт. Но для осаждения покрытий, например, на стеклянных подложках этот известный способ неприменим.

Поэтому задачей изобретения является создание способа и устройства для зажигания микроволновой плазмы, которые являлись бы экономичными и позволяли бы избежать появление в реакционной камере нежелательных продуктов реакции, снижающих качество покрытия.

Эта задача решается признаками пункта 1 формулы изобретения на способ и пункта 12 формулы изобретения на устройство. Еще одна форма исполнения изобретения является предметом подчиненных пунктов 10 и 17, где описаны предпочтительные формы исполнения.

Непредвидимый эффект заключается в том, что плазма в камере реакции может быть надежно зажжена с выходной для газа стороны реакционной камеры, хотя реагирующий газ и возбужденные ионы движутся не в сторону камеры для осаждения покрытия, а в противоположную сторону, к вакуумному насосу. Одновременно достигается преимущество, заключающееся в том, что возникающие при поджиге продукты реакции не попадают в камеру осаждения покрытия, а отсасываются.

Другой неожиданный эффект состоит в том, что в противоположность рекомендациям, изложенным в патенте США 4888088, частота поджига не должна составлять как минимум 1 МГц, и что надежное зажигание микроволновой плазмы возможно при значительно меньших частотах. Для надежного зажигания микроволновой плазмы совершенно достаточно высокое напряжение с частотой от 10 до 100 Гц.

Так как по способу Пи Ай Си Ви Ди деятельность микроволновых импульсов является определяющей величиной для толщины и качества покрытия, то при использовании низкочастотного высокого напряжения, предпочтительно с частотой менее 30 кГц, следует иметь в виду, что это низкочастотное высокое напряжение должно быть синхронизировано с микроволновыми импульсами. Если нет жесткой фазовой привязки между низкочастотным высоким напряжением и микроволновыми импульсами, то при использовании частоты, период которой не на много меньше длительности импульса плазмы, получится некоррелированный поджиг относительно начала микроволновых импульсов, что приведет к тому, что длительность импульсов, и, значит и качество, осажденного за один импульс слоя будет статистически колебаться. Синхронизация низкочастотного высокого напряжения и, значит, жесткая фазовая привязка между низкочастотным высоким напряжением и микроволновыми импульсами обеспечивает зажигание плазмы относительно микроволновых импульсов всегда в один и тот же момент времени.

Целесообразно низкочастотное высокое напряжение коммутировать таким образом, чтобы оно включалось одновременно с микроволновыми импульсами. Для этой цели напряжение поджига модулируется импульсами так же, как и генератор микроволновых импульсов. Отключение зажигания в паузах между импульсами дает при этом преимущество в том, что загрязнение газоотвода, а также электродов нежелательными осажденными слоями заметно уменьшается.

Для поджигания трудновоспламеняемых газов, или газов, которые имеют тенденцию к быстрому гашению разряда, выгодно поддерживать напряжение поджига в течение всей длительности микроволновых импульсов. В этом случае во время микроволнового импульса плазма в соответствии с частотой генератора поджига постоянно зажигается. Погасание плазмы во время его микроволнового импульса при этом надежно предотвращается.

Если используется низкочастотное высокое напряжение с частотами выше 30 кГц, то высокое напряжение не требуется синхронизировать с микроволновыми импульсами, и оно может быть включено в ходе всего процесса осаждения покрытия.

Согласно другой формы исполнения, которая особенно подходит для легковоспламеняющихся газов, плазма зажигается по меньшей мере одним импульсом высокого напряжения за один микроволновый импульс, который также целесообразно синхронизировать с микроволновым импульсом. В случае легковоспламеняющихся газов для поджигания газа достаточно иметь кратковременный импульс с тиристора на импульс микроволнового осаждения покрытия. Для поджигания реакционных газов используются импульсы высокого напряжения, длительность которых предпочтительно находится в диапазоне микросекунд.

Импульс высокого напряжения может подаваться одновременно с микроволновым импульсом. Но микроволновый импульс может также иметь задержку по времени относительно импульса высокого напряжения, однако, в этом случае задержка времени τ должна находиться в пределах интервала, в течение которого плазма после зажигания еще не гаснет. В некоторых случаях применения может оказаться также целесообразным, чтобы микроволновый импульс начинался до высоковольтного импульса эажигания. Положение импульса высокого напряжения относительно микроволнового импульса само по себе некритично, если выполняется условие, согласно которому длительность микроволнового импульса после зажигания достаточна для высококачественного покрытия. Величину задержки времени t которая также может быть отрицательной, выбирают в зависимости от давления газа и вида газа. Расстояние от реакционной камеры до точки приложения высокого напряжения зависит от давления и вида газа. Оказалось, что при расстояниях до 50 см газ еще надежно зажигается. Как для низкочастотного высокого напряжения, так и для импульсов высокого напряжения целесообразно выбирать напряжение в диапазоне от 5 до 30 кВ.

Устройство для осуществления способа имеет реакционную камеру с подводом и отводом реакционного газа и микроволновое устройство, которое подключено к блоку питания и к тактовому генератору для генерирования микроволновых импульсов. Для зажигания плазмы добавочно к газоотводу подключен выход коммутируемого высоковольтного источника напряжения. Для передачи высокого напряжения зажигания в газовую полость, высоковольтный выход прибора зажигания через кабель подводится и крепится к диэлектрической стенке газоотвода или в случае металлической стенки, проводится через высоковольтный ввод сквозь стенку в выходной поток газа.

Коммутируемый источник высокого напряжения подключен к тактовому генератору, так что обеспечивается синхронизация импульсов высокого напряжения или низкочастотного высокого напряжения с микроволновыми импульсами. Коммутируемый высоковольтный источник в зависимости от требуемого вида зажигания служит либо для генерирования импульсов высокого напряжения, либо для вырабатывания низкочастотного высокого напряжения.

Если микроволновые импульсы нужно включать с задержкой времени относительно высокого напряжения зажигания, то перед коммутируемым источником высокого напряжения для микроволнового устройства включена схема задержки времени. В случае, если надо задерживать импульс высокого напряжения относительно микроволнового импульса, схема задержки времени соответственно включается перед высоковольтным источником. Согласно еще одной формы исполнения можно полностью отказаться от специального устройства зажигания, если микроволновый импульс будет настолько велик, что превысит напряжение зажигания, причем каждый микроволновый импульс периодически кратковременно превышается, что дает преимущества в случае применения газов с высоким напряжением погасания. При этом оказалось, что микроволновые импульсы с превышением обеспечивают надежное зажигание, в случае, когда превышение составляет от 1,1 до десятикратной величины импульса, которая обычно используется по способу Пи Ай Си Ви Ди для осаждения покрытий.

Устройство для осуществления способа предусматривает, что блок питания для микроволнового устройства должен быть выполнен управляемым таким образом, чтобы во время каждого запускаемого тактовым генератором импульса микроволнового генератора ток питания периодически превышался. Чтобы можно было установить множество превышений за время длительности микроволнового импульса, блок питания желательно выполнять программируемым. Первое превышение импульса выгодно иметь в начале микроволнового импульса.

Чтобы за счет превышений амплитуды микроволнового импульса подложка не нагревалась или нагревалась незначительно, целесообразно, чтобы сумма временных интервалов t_ii с превышениями была менее 1/10 длительности t микроволнового импульса для осаждения покрытия. При эажигании одиночным импульсом превышения на микроволновый импульс покрытия, при длительности импульса покрытия, равной, например, 1 миллисекунде, длительность импульса превышения предпочтительно ограничить 1 микросекундой.

В дальнейшем изобретение поясняется предпочтительными примерами его осуществления со ссылками на чертежи, на которых: фиг.1 схематически изображает установку для осаждения покрытий с устройством зажигания, фиг.2 - изображает эскиз схемы коммутируемого источника высокого напряжения, фиг.3 - две эпюры импульсных напряжений, фиг. 4 эскиз схемы источника высокого напряжения по еще одной форме исполнения, фиг.5 две эпюры напряжений для еще одного примера исполнения, фиг.6 схематически изображает осаждение покрытий по еще одной схеме исполнения, фиг.7 изображает эпюру напряжения микроволнового импульса.

На фиг. 1 изображена установка для микроволнового осаждения покрытий, снабженная устройством для зажигания плазмы. Подлежащая покрытию подложка /не изображена/ находится в реакционной камере 1, которая имеет газопровод 9, через который она запитывается реакционными газами. Отработанный реакционный газ по газоотводу 10 отводится к вакуумному насосу /не показан/. Над реакционной камерой 1 находится микроволновое устройство, которое имеет антенну 2, блок настройки 3 и источник микроволн 4. Источник микроволн соединен с блоком питания 5а, который подключен к тактовому генератору 7 через блок задержки времени 6.

На выход тактового генератора 7 далее подключен коммутируемый источник высокого напряжения 8a и 8b, выход высокого напряжения которого подключен к газоотводу 10. Для передачи высоковольтного напряжения к газовой полости находящийся под высоким напряжением выход прибора зажигания 8a, 8b через кабель /высоковольтную соединительную линию 15/ закреплен на диэлектрической стенке газоотвода 10, или через высоковольтный проходной изолятор если стенка металлическая вводится в поток выходного газа. Две различные формы исполнения коммутируемого источника высокого напряжения 8a, 8b показаны на фиг.2 и фиг.4 подробнее.

На фиг.2 изображен коммутируемый источник высокого напряжения 8a, который вырабатывает одиночные импульсы высокого напряжения. Идущий от тактового генератора 7 тактовый сигнал проходит инвертор 11 и попадает затем через резистор 12 на ключевой транзистор 13, в цепь коллектора которого включен высоковольтный трансформатор 14. Соединение между вторичной обмоткой высоковольтного трансформатора 14 и газоотводом 10 осуществляется соединительным кабелем 15.

Коммутируемый источник высокого напряжения 8a вырабатывает на выходе импульсы высокого напряжения, которые схематично показаны на фиг.3. На верхней эпюре показано высокое напряжение U_z в зависимости от времени t, а на нижней эпюре мощность микроволнового излучения L в зависимости от времени t. Амплитуда U₀ высоковольтных импульсов имеет величину приблизительно 5-30 кВ. Высоковольтные импульсы имеют примерно пилообразную форму и имеют длительность, например, 1 микросекунду.

Так как с выхода тактового генератора 7 те же импульсы поступают на источник питания 5a для микроволнового генератора 4, то одновременно с высоковольтными импульсами также генерируются и микроволновые импульсы. Необходимая задержка во времени t между высоковольтными импульсами и микроволновыми импульсами, получается с помощью схемы задержки времени 6. Время задержки t на фиг. 3 выбрано таким образом, что начало микроволнового импульса находится еще в пределах высоковольтного импульса.

Пример 1.

Реакционный газ, который состоит из одной части TiCl₄ и четырех частей O₂ пропускается через реакционную камеру и поджигается в газоотводе 10. Давление газа составляет один миллибар. Зажигание производится высоковольтными импульсами с напряжением 15 кВ. Время спада высоковольтного импульса составляет на уровне 1/е примерно 1 мк сек. Задержка времени между высоковольтным и микроволновым импульсом составляет тау 0,1 миллисекунды. Длительность Т микроволнового импульса равна 1 миллисекунде, а время паузы между микроволновыми импульсами составляет 10 миллисекунд.

На фиг. 4 показана еще одна форма выполнения коммутируемого источника высокого напряжения 8b. Вырабатываемые тактовым генератором 7 импульсы попадают сначала на генератор частоты 16, который работает в диапазоне от 10 до 100 кГц. Выход генератора 16 при необходимости через драйверный транзистор подключен к высоковольтному трансформатору 14, вторичная обмотка которого через соединительную линию соединяются с газоотводом 10. Как только выдаваемый тактовым генератором 7 импульс достигает генератора частоты 16, на соединительной линии 15 появляется низкочастотное высокое напряжение.

На фиг. 5 в верхней части показана эпюра низкочастотного высокого напряжения U_z в зависимости от времени t, а в нижней части показана эпюра микроволнового импульса /микроволновая мощность L в зависимости от времени t /. Низкочастотное высокое напряжение с микроволновым импульсом предпочтительно синхронизуется таким образом, что в начале микроволнового импульса низкочастотное высокое напряжение имеет свой максимум. Низкочастотное высокое напряжение поддерживается в течение всей длительности микроволнового импульса Т. Задержка времени t в изображенном случае равна нулю. Однако, также можно низкочастотное высокое напряжение включать до или после начала микроволнового импульса и, таким образом поджигать газ до либо после начала микроволнового импульса.

На фиг.6 схематически представлена еще одна форма выполнения. Отдельное устройство зажигания, которое подключено к газоотводу 10 здесь может отсутствовать, так как источник питания 5b не только включается, но и управляется по мощности от тактового генератора. Коммутируемый источник питания 5b предпочтительно выполнен заранее программируемым, так что микроволновый генератор по меньшей мере в начале микроволнового импульса запитывается большей мощностью, чем обычно требуется во время осаждения покрытия. Таким образом, получают ограниченное во времени превышение мощности импульса, которое используется для зажигания газа в камере реакции1. В случае трудновоспламеняемых газов может также вырабатываться периодическая последовательность таких превышений микроволнового импульса. Это выгодно особенно в том случае, когда работают с газами с высоким напряжением погасания /фиг.7/.

Пример 2.

Реакционный газ из одной части TiCl₄ и четырех частей O₂ пропускают через камеру реакции 1. Давление газа составляет 1 миллибар. Превышение микроволнового импульса составляет двукратную величину используемого для покрытия микроволнового импульса. Длительность превышения импульса составляет одну микросекунду.

Существо изобретения: в реакционной камере плазму зажигают на выходе газа из реакционной камеры посредством по меньшей мере, кратковременно приложенного высокого напряжения. Это позволяет повысить качество покрытия. Используются импульсы высокого напряжения или низкочастотные высокоамплитудные напряжения с частотами в диапазоне 10-100 кГц. Высокое напряжение синхронизируется с микроволновыми импульсами. В другом варианте способа микроволновые импульсы по меньшей мере в их начале кратковременно превышаются. Возможны также периодические превышения микроволновых импульсов. 2 с. и 9, з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Способ зажигания CBD-плазмы в реакционной камере для осаждения покрытий на субстратах, при котором газ пропускают через реакционную камеру, в которой возбуждают плазму, зажигают ее посредством кратковременно приложенного высокого напряжения и поддерживают в течение заданного интервала времени микроволновыми импульсами, отличающийся тем, что высокое напряжение для зажигания плазмы прикладывают со стороны выхода газа из реакционной камеры. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что применяют высокое напряжение от 5 до 30 кВ. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что плазму зажигают по меньшей мере одним высоковольтным импульсом на микроволновый импульс, который синхронизирован с микроволновым импульсом. 4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что микроволновый импульс подают одновременно или с задержкой относительно высоковольтного импульса или подают до высоковольтного импульса. 5. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что плазму зажигают низкочастотным высоким напряжением. 6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что низкочастотное высокое напряжение синхронизировано с микроволновым импульсом. 7. Способ по п.6, отличающийся тем, что низкочастотное высокое напряжение подают одновременно с микроволновым импульсом и поддерживают в течение длительности микроволнового импульса. 8. Способ по п. 6 или 7, отличающийся тем, что низкочастотное высокое напряжение отключают в паузах между микроволновыми импульсами. 9. Способ по п. 6, 7 или 8, отличающийся тем, что применяют высокое напряжение с частотой 10 100 кГц. 10. Способ зажигания CBD-плазмы в реакционной камере для осаждения покрытий на субстратах, при котором газ пропускают через камеру, зажигают плазму микроволновыми импульсами и поддерживают ее указанными микроволновыми импульсами в течение заданного интервала времени, отличающийся тем, что периодически кратковременно повышают амплитуду каждого микроволнового импульса в течение его длительности. 11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что микроволновые импульсы превышаются в 1,1 10 раз.