ГЕНЕРАТОР АТОМАРНОГО ВОДОРОДА Российский патент 1997 года по МПК H05H3/02 H01J37/317 H01J37/36 H01L21/302 

Изобретение относится к технологии микроэлектроники, а именно к устройствам для получения химически активных частиц, а еще точнее, к генераторам атомарного водорода.

Генераторы химически активных частиц широко используются при производстве изделий микроэлектроники. Так обработка Si, Ge, GaAs, InP и других полупроводников атомарным водородом с успехом применяется для очистки подложек с целью получения атомарно чистой упорядоченной поверхности, для пассивации носителей и дефектов, лежащих на глубоких уровнях [1 3]
Известен генератор атомарного водорода [4] в котором используется вольфрамовая нить, разогретая до Т 2000^oC. Молекулярный водород, напускаемый в вакуумную камеру, термически диссоциирует на накаленной нити. При этом выход атомарного водорода составляет около 0,1% от общего количества подаваемого газа. Недостатком данного генератора является низкая производительность и эффективность получения атомарного водорода.

Известен генератор атомарного водорода на основе СВЧ-газового разряда в условиях электронного циклотронного резонанса [5] Производительность и эффективность получения атомарного водорода в таких источниках высоки. Основным недостатком данного генератора является его высокая стоимость и сложность.

Известен генератор атомарного водорода, наиболее близкий к предлагаемому техническому решению и выбранный нами в качестве прототипа [6] в котором генерация атомарного водорода происходит в разряде постоянного тока. Разрядная камера при этом состоит из полого водоохлаждаемого катода 1 (см. Фиг. 1) и дискового анода 2 с эмиссионным отверстием 4 диаметром 2,5 мм, разделенных цилиндрическим изолятором 3. Напряжение горения разряда U_p составляет 600 В, а ток разряда I_p 0,1 А. Давление водорода в разрядной камере около P 3• 10^-1 Торр. Достоинство данного генератора заключается в его простоте. Основные недостатки генератора заключаются в следующем.

1. Невысокая производительность получения атомарного водорода вследствие малого разрядного тока.

2. Высокое напряжение горения разряда, что приводит к неэффективности работы генератора. Большая энергия ионов в разряде способствует эрозии катода и увеличивает вероятность радиационного повреждения подложки протонами.

3. Высокое давление водорода в разрядной камере и, как следствие, в зоне обработки.

Целью настоящего изобретения является усовершенствование конструкции генератора для увеличения производительности и эффективности получения атомарного водорода. Увеличение выхода атомарного водорода из генератора и, следовательно, рост его концентрации в зоне обработки приводят к повышению эффективности и сокращению времени технологической операции. Кроме того, это позволяет проводить очистку поверхности подложки в условиях стандартного технологического вакуума (≈ 10^-6 Торр), тогда как при малых концентрациях атомарного водорода необходимо поддерживать вакуум на уровне (10^-7 10^-9 Торр) [7]
Поставленная цель достигается тем, что предлагаемый генератор содержит устройство, создающее магнитное поле, обеспечивающее горение пенинговского газового разряда в разрядной камере, образуемой последовательно расположенными и имеющими общую ось симметрии теплоизолированным тонкостенным полым катодом, цилиндрическим анодом и отражательным /плоским/ катодом, выполненным из магнитного материала и имеющим эмиссионное отверстие. С целью увеличения объема области генерации с плотной плазмой полый катод проникает в полость цилиндрического анода. В результате этого между внешней поверхностью полого катода и внутренней поверхностью анода дополнительно инициируется магнетронный разряд.

Конструкция предлагаемого генератора изображена на фиг. 2 и представляет собой осесимметричную систему, состоящую из тонкостенного теплоизолированного катода 1, цилиндрического анода 2, плоского катода 4 и устройства, создающего магнитное поле 5. Электроды 1, 2, 4 разделены цилиндрическими изоляторами 3. Эмиссионное отверстие 6 выполнено в плоском катоде. Держатель тонкостенного теплоизолированного полого катода, анод и плоский катод имеют принудительное водяное охлаждение. Электрическое питание генератора осуществляется от высоковольтного источника постоянного тока. Газовое питание осуществляется через натекатель, позволяющий регулировать давление газа в разрядной камере.

Конструкция устройства разработана на следующих известных и установленных авторами экспериментально фактах. Разложение молекулярного водорода на атомарный может происходить посредством термо- или фотодиссоциации, а также диссоциации электронным ударом. Последний процесс наиболее эффективен, поэтому диссоциация в газовом разряде является предпочтительным способом получения атомарного водорода. Рост концентрации электронов в плазме, т.е. тока разряда, является основным механизмом, позволяющим значительно увеличить выход атомарного водорода. Увеличение времени жизни электронов (т.е. длины пробега до попадания на электрод или рекомбинации) и выбор их оптимальной энергии (т.е. напряжения горения разряда) также приводит к росту концентрации атомарного водорода в плазме. Наличие накаленных деталей в зоне разряда и излучение разрядом фотонов дополнительно увеличивают степень диссоциации водорода.

Экспериментально авторами установлено, что предлагаемая геометрия разрядной камеры приводит к увеличению производительности и эффективности получения атомарного водорода с помощью всех вышеуказанных механизмов. Увеличение концентрации электронов в плазме газового разряда происходит за счет возникновения термоэмиссии электронов из тонкостенного теплоизолированного полого катода. Под действием протекающего по нему разрядного тока он саморазогревается до высоких температур (≈ 2000^oC). Эмиссия электронов в плазму приводит к увеличению тока разряда до нескольких ампер и снижению напряжения горения разряда до U_p ≈ 50 100 В (см. вольт- амперную характеристику разряда, приведенную на фиг. 3). Введение части полого катода в полость цилиндрического анода способствует образованию дополнительного объема с плотной плазмой, в котором происходит эффективная генерация атомарного водорода. Эта плазма возбуждается между внешней стороной полого катода, введенного в полость анода, и внутренней стороной цилиндрического анода вследствие инициации между этими электродами магнетронного разряда. Кроме прямого увеличения тока разряда и, следовательно, количества диссоциированного водорода, магнетронный разряд приводит к дополнительному разогреву теплоизолированного полого катода. Рост времени жизни электронов в разряде происходит за счет удлинения траектории их движения в скрещенных магнитном и электрическом полях и осцилляции электронов между двумя катодами. Термодиссоциация водорода на накаленном тонкостенном теплоизолированном полом катоде и дополнительная фотодиссоциация, возникающая вследствие увеличения плотности плазмы и, следовательно, свечения разряда, также приводит к увеличению степени диссоциации молекулярного водорода. Оценки показывают, что количество атомарного водорода по отношению к общему числу напускаемого в камеру молекулярного водорода может достигать десяти процентов.

Таким образом, предлагаемый генератор позволяет увеличить ток разряда по отношению к устройству- прототипу не менее чем в 30 раз, при этом потребляемая мощность возрастает только в 5 раз. Учитывая, что ток разряда напрямую связан с выходом атомарного водорода, можно сделать вывод, что предлагаемое устройство значительно повышает производительность получения атомарных частиц. Полагая, что эффективность получения атомарного водорода равна отношению тока разряда к вкладываемой в разряд электрической мощности, можно показать, что предлагаемое устройство позволяет увеличить эффективность получения атомарных частиц в несколько раз.

Снижение напряжения горения разряда в ≈ 6 раз по сравнению с устройством- прототипом позволяет увеличить срок службы электродов разрядной ячейки за счет снижения их распыления ионами водорода, значительно уменьшает вероятность радиационного повреждения обрабатываемой подложки ионами, вышедшими из разряда, и увеличивает эффективность работы устройства.

В предлагаемом устройстве функционирование разряда обеспечивается в широком диапазоне давлений водорода в разрядной камере от P ≈ 4 • 10^-1 Торр (что реализуется и в устройстве, выбранном за прототип) до P ≈ 4 • 10^-2 Торр, что ниже минимального давления, при котором возможна работа прототипа. Уменьшение минимального давления водорода в разряде приводит к существенному увеличению гибкости технологического процесса обработки полупроводниковых подложек и позволяет проводить ее при давлении в зоне обработки P ≈ 1 • 10^-4 Торр. Согласно литературным данным [1, 4] это значение близко к оптимальному давлению для проведения очистки поверхности полупроводников. Кроме того, работа генератора при давлении газа в разряде P ≈ 4•10^-2 Торр приводит к сокращению расхода водорода.

Управление производительностью генератора атомарного водорода и, следовательно, параметрами технологического процесса обработки полупроводниковой подложки производится посредством изменения разрядного тока и величины потока водорода, поступающего в разрядную камеру.

Тонкостенный теплоизолированный катод изготовляется из тугоплавких металлов, слабо реагирующих с водородом (например, Re, W). Толщина стенок катода определяется, с одной стороны, его механической прочностью, а с другой возможностью безынерционного эффективного нагрева катода протекающим по нему разрядным током. Эксперименты показали, что толщина d 100 мкм вполне удовлетворяет этим требованиям.

Держатель тонкостенного теплоизолированного катода и плоский катод, с целью концентрации магнитного поля в области горения разряда, изготавливаются из магнитных металлов. Например, можно использовать Ст3, 30Х13 и др. Цилиндрический анод изготавливается из немагнитного материала. Лучше всего для этой цели подходит нержавеющая сталь 12Х18Н10Т. Величина магнитного поля должна, с одной стороны, эффективно увеличивать длину траектории электрона в плазме, а с другой быть не больше величины, выше которой плотность плазмы уже практически не изменяется, а затраты на получение такого магнитного поля возрастают. Наиболее просто для создания магнитного поля использовать постоянные магниты. Магниты на основе сплава самария и кобальта, обеспечивающие магнитную индукцию 0,1 0,12 Тл, отвечают вышеприведенным требованиям. Размер эмиссионного отверстия в плоском катоде определяется перепадом давления, который необходимо получить между разрядной камерой и зоной обработки полупроводниковой подложки. Обычно этот размер составляет 1 - 3 мм.

Ниже для иллюстрации эффектов, производимых вводимыми признаками, приведен пример, описанный со ссылками на чертежи.

Пример.

Получение атомарного водорода производилось с помощью генератора, представленного на Фиг. 2. Тонкостенный теплоизолированный полый катод 1, изготовленный из вольфрамовой фольги толщиной 100 мкм, проникал в полость цилиндрического анода 2 на длину, равную половине длины анода. При подаче напряжения на электроды в области 7 загорался пеннинговский отражательный разряд с полым катодом, а в области 8 -магнетронный разряд. После включения источника питания генератора разогрев полого катода до максимальной температуры и выход генератора на режим происходил за время 1 3 с. Характерная вольт-амперная характеристика (ВАХ) разряда приведена на Фиг. 3. Из сравнения режимов работы устройства-прототипа и данного генератора видно, что использование предлагаемого устройства позволяет увеличить разрядный ток в ≈ 30 раз при одновременном снижении напряжения горения в ≈ 6 раз. Потребляемая электрическая мощность при этом возросла только в 5 раз. Существование падающего участка ВАХ обусловлено термоэмиссией электронов из тонкостенного теплоизолированного катода, температура которого возрастает при увеличении разрядного тока.

Использование: в технологии микроэлектроники для генерации атомарного водорода на основе газового разряда постоянного тока. Сущность изобретения: увеличение эффективности получения атомарного водорода достигается путем объединения в одном устройстве различных механизмов диссоциации молекулярного водорода, а также увеличения концентрации электронов в плазме газового разряда. Ток разряда составляет 1 - 2 А, напряжение горения -50 - 100 В, давление водорода в разряде -больше 4•10^-2 Торр. Генератор содержит устройство, создающее магнитное поле для горения пеннинговского газового разряда в разрядной камере. Для увеличения объема области генерации с плотной плазмой полый катод проникает в полость цилиндрического анода. В результате между внешней поверхностью полого катода и внутренней поверхностью анода дополнительно инициируется магнетронный разряд. 3 ил.

Генератор атомарного водорода на основе газового разряда, в состав которого входит разрядная камера с эмиссионным отверстием, содержащая систему электродов с общей осью симметрии, включающую анод и полый катод, отличающийся тем, что он содержит устройство, создающее магнитное поле, обеспечивающее горение пеннинговского разряда в камере, дополнительный отражательный катод, выполненный из магнитного материала, при этом анод выполнен цилиндрическим и расположен между полым и отражательным катодом, эмиссионное отверстие выполнено в отражательном катоде, а полый катод выполнен тонкостенным и теплоизолированным и частично введен в полость цилиндрического катода.