УСТАНОВКА ДЛЯ МИКРОВОЛНОВОЙ ВАКУУМНО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД Российский патент 1998 года по МПК H01J37/32 

Изобретение относится к вакуумно-плазменной обработке (травлению, осаждению, очистке и т.д.) слоев и пленок материалов микроэлектроники потоками ионов, атомов, молекул и радикалов в плазме инертных или химически активных газов.

Известно устройство для микроволновой плазменной обработки с электронно-циклотронным резонансом полупроводниковых пластин [1], в которых реализуется одноволновый режим передачи СВЧ энергии низким типом волн от генератора через прямоугольный волновод в круглый. Обработка проводится в круглом волноводе, который разделен на две части, одна из которых соединена воздушным промежутком с прямоугольным волноводом. В другой части, изолированной от первой диэлектрическим окном и связанной с вакуумными средствами откачки, образуется область разряда.

Недостатком описанного устройства является то, что при одноволновом режиме передачи энергии на частоте 2,45 ГГц сечение плазменного пучка и диаметр однородно обрабатываемых пластин ограничен величиной 76-100 мм, что делает невозможным его применение для обработки пластин диаметром 150-200 мм.

Известен также источник СВЧ плазмы с магнитной подстройкой местоположения ЭЦР слоя [2], который снабжен рупорным волноводом, обеспечивающим согласованный переход от одноволнового круглого волновода к многомодовой операционной камере с размерами, достаточными для обработки пластин большого диаметра. Многосекционный соленоид постоянного диаметра, который охватывает камеру ионизации, включающий в себя рупорный волновод и операционную камеру, обеспечивает управление распределением магнитного поля вдоль оси системы.

Недостатками описанной конструкции являются большие размеры и вес магнитной системы, обусловленные, с одной стороны, большой протяженностью рупорного перехода, а с другой - большим сечением операционной камеры. Недостаточно высоки производительность и однородность обработки пластин по диаметру. Все это влияет на стоимость установки и технологии.

Наиболее близким по технической сущности, принятым за прототип, является генератор плазмы, основанный на применении электронно-циклотронного резонанса, в котором используются постоянные магниты, расположенные так, что они создают более сильное магнитное поле в периферийной области плазменной камеры. В центральной части плазмы магнитное поле отсутствует или пренебжеримо мало. Затем плазма попадает в другую (вспомогательную) камеру большего диаметра, в которой электрические поля отсутствуют. На обрабатываемые пластины плазма выводится с помощью многосеточной экстракторной системы.

Описанное устройство имеет определенные преимущества и недостатки. Обладая преимуществом в компактности и однородности плотности плазмы, ЭЦР СВЧ-источники с одним только многополюсным удержанием плазмы постоянными магнитами, имеют общий недостаток, который состоит в отсутствии гибкости управления параметрами низкоэнергетичного плазменного пучка за счет изменения распределения продольного магнитного поля, которое характерно для волноводных камер с соленоидными катушками. Кроме того, отсутствие продольных градиентных магнитных полей обусловливает очень низкие токи на обрабатываемые пластины. Это требует создания адекватных экстракторных систем с управлением внешним электрическим полем, трудности изготовления и эксплуатации которых возрастают увеличением площади плазменных пучков. Другим недостатком является то, что повышенная плотность плазмы, ограниченная объемом ЭЦР слоя, находящегося в периферийной области данной плазменной камеры, распределяется внутри нее диффузией внутрь центральной части камеры. Поэтому максимальное значение плотности плазмы в таких источниках с периферийным ЭЦР ниже, чем в волноводных камерах с соленоидальным ЭЦР и не превышает 1,5•10¹⁰ см^-3, а спад плотности плазмы от максимума, находящегося у стенок камеры к ее центру достигает 20%. Это затрудняет возможность повышения плотности и равномерности плазмы в больших объемах.

Целью изобретения является повышение производительности и однородности при обработке пластины большого диаметра, уменьшение веса и габаритов установки.

Достигается это тем, что согласованный переход из одноволнового волновода в многомодовую круглую камеру генерации плазмы выполнен многоступенчатым. Количество и размер ступеней определяются разностью диаметров одноволнового волновода и операционной камеры. Устройства в виде многосекционных соленоидов, создающие продольное магнитное поле, могут иметь различные внутренние диаметры и устанавливаться на первых двух (со стороны волновода) ступенях этого перехода. Протяженность такого многоступенчатого согласованного перехода значительно меньше плавного рупорного. Между устройствами, создающими продольное магнитное поле с зоной электронно-циклотронного резонанса, могут устанавливаться несколько пар электромагнитов, создающих радиальное сканирующее внешнее магнитное поле. По боковым стенкам операционной камеры и прилегающих к ней ступеней многоступенчатого перехода расположена мультипольная магнитная система, пристеночные магнитные поля которой обеспечивают существование периферийного распределенного ЭЦР. За счет этого достигаются высокие производительность и равномерность обработки пластин большого диаметра.

На фиг. 1 приведена конструкция устройства. Здесь: 1 - генератор микроволнового излучения, 2 - прямоугольный волновод, 3 - круглый волновод, 4 - вакуумно-плотное окно связи, 5 - согласованный многоступенчатый переход, 6 - операционная камера, 7 - держатель объекта обработки, 8 - средства откачки газов, 9 - средства подачи газов, 10 - устройства в виде многосекционных соленоидов разного диаметра, создающие продольное магнитное поле, 11 - секция с попарно соединенными электромагнитами, 12 - мультипольная магнитная система.

Установка представляет собой генератор 1, расположенный на прямоугольном волноводе 2, сопряженным с круглым волноводом 3. Круглый волновод 3 через вакуумно-плотное окно связи 4 и согласованный многоступенчатый переход 5 соединен с операционной камерой 6, держателем объекта обработки 7, средствами откачки 8 и подачи газов 9. На первых двух от одномодового волновода ступенях многоступенчатого перехода установлены устройства 10, создающие продольное магнитное поле. Между ними - секция с попарно соединенными электромагнитами 11, создающими вращающее радиальное магнитное поле. Операционная камера и все предшествующие ей ступени многоступенчатого согласованного перехода, на которых не установлены устройства, создающие продольное магнитное поле, окружены мультипольной магнитной системой 12.

Микроволновое излучение, нарабатываемое генератором 1, направляется через прямоугольный волновод 2 в сопряженный с ним круглый волновод 3, который рассчитан на одномодовый режим передачи энергии с низшим типом волны H₁₁. Согласованный переход 5 из волновода в операционную камеру выполнен многоступенчатым. Это значительно уменьшает его протяженность. На первых двух от круглого волновода ступенях многоступенчатого перехода установлены многосекционные соленоиды - устройства (10), создающие продольное магнитное поле, которые имеют минимальные внутренние и внешние диаметры, определяемые диаметром одномодового (или близким к нему) волновода на данной рабочей частоте, нарабатываемой генератором 1. Это дает возможность иметь минимальные массогабаритные показатели для магнитных катушек. Применение многосекционных соленоидов (токовых магнитных катушек) в отличие от противопоставляемого объекта дает возможность, во-первых, изменять величину и конфигурацию продольного магнитного поля путем изменения постоянного тока через катушки соленоида, во-вторых, магнитные катушки создают в поперечном сечении круглого волновода магнитное поле, близкое к однородному, в отличие от магнитной системы из постоянных катушек, используемых в противопоставляемом устройстве и создающей нерегулируемое (неизменное) и очень неоднородное по сечению плазменной камеры магнитное поле, которое прижато к стенкам вакуумной камеры устройства.

Секция с попарно соединенными электромагнитами расположена между соленоидами. В обмотки каждой пары электромагнитов подается ток, сдвинутый по фазе относительно тока в соседней паре электромагнитов. Вследствие этого появляется вращающая радиальная компонента магнитного поля, вызывающая отклонение результирующего магнитного поля на заданный угол α от продольного направления и сканирование плазменного пучка по всей поверхности подложки, что обеспечивает равномерность ее обработки. Одновременно при этом увеличивается эффективность поглощения СВЧ-мощности при низких давлениях за счет действия механизма затухания Ландау, который выражается в бесстолкновительном поглощении СВЧ-мощности в результате линейной трансформации электромагнитных колебаний во внутренние плазменные и зависит от градиента концентрации электронов n в плазме, угла α между grad n и направлением силовых линий магнитного поля.

Применение мультипольной магнитной системы 12, расположенной по боковым стенкам операционной камеры и многоступенчатого перехода, уменьшает потери заряженных частиц, а также способствует дополнительной их генерации за счет пристеночных ЭЦР, следовательно, возрастает производительность и равномерность обработки пластин большого диаметра.

Предлагаемая совокупность конструктивных признаков, известных в отдельности, в том числе и из противопоставляемых заявок, обладает новизной и реализует новое свойство конструкции, несовпадающее с суммой свойств отдельных конструктивных признаков. Рассмотрим этот вопрос подробнее.

В предлагаемом устройстве магнитные поля соленоидных магнитных катушек, установленных на круглом волноводе, создают в нем магнитное поле с необходимой продольной конфигурацией и интенсивностью, обеспечивающей создание сосредоточенности ЭЦР, сконцентрированного вблизи оси системы. Мультипольные магнитные системы на постоянных магнитах, установленные на ступенях согласованного перехода и по периметру операционной камеры формирует пристеночные азимутальное или продольное распределения поля с ЭЦР, уменьшают одновременно попадание плазмы на внутреннюю поверхность камеры обработки. Такое конструктивное расположение соленоидных катушек с токовым управлением распределения магнитного поля по оси системы на круглом волноводе и мультипольных систем на других частях согласованного многомодового волноводного тракта дает возможность реализовать следующие новые свойства конструкции (фиг. 2).

1. Пространственное рассредоточение областей ЭЦР и возможность управления им дает возможность регулировать форму (конфигурацию) и положение ЭЦР плазменного сгустка относительно обрабатываемого объекта. На фиг. 2 показана динамика пространственной локализации области ЭЦР при изменении тока через катушки соленоида. В первом случае зоны ЭЦР от катушек и мультипольных систем полностью рассредоточены. При увеличении тока через катушки центральная часть плазменного сгустка вытесняется из соленоида, а пристеночные области ЭЦР внутри ступенчатого перехода и операционной камеры, зависящие, в основном, от неизменного магнитного поля постоянных магнитов, остаются практически на месте. Таким образом, путем изменения тока через соленоид удается существенно изменять конфигурацию результирующего ЭЦР плазменного сгустка (от положительной до отрицательной кривизны) и, следовательно, управлять параметрами технологического процесса (однородностью плазменного пучка, спектром энергий активации частиц и скоростью обработки).

2. В случае применения соосных соленоидного и продольного пристеночного мультипольного магнитных полей улучшается равномерность распределения по азимуту зон ЭЦР и появляется возможность создания с их помощью различных конфигураций распределения напряженностей магнитных полей. За каждой из таких конфигураций стоят различные физические явления в намагниченной плазме, которые влияют на оптимизируемые процессы. Их совместное использование позволяет, например, образовать в аксиальном направлении распределения магнитной индукции имеющей вид двойной потенциальной ямы для электронов с переменным пробочным отношением как по длине, так и по диаметру операционной камеры (фиг. 3). Это увеличивает темп генерации электронов и степень ионизации плазмы. Достигается извлечение из ЭЦР СВЧ-плазмы более плотного и равномерного по сечению камеры потока низкоэнергетических ионов без приложения внешних электрических полей, появляется возможность более эффективно управлять пространственной конфигурацией и положением плазменного сгустка относительно обрабатываемого объекта.

3. При изучении многомодовых устройств, предложенных в настоящей заявке, было установлено, что резонансные характеристики волноводных структур, состоящих из одноволнового волновода, согласованного ступенчатого перехода и операционной камеры, определяются всей системой в целом.

Возбуждаются колебания с высокой добротностью на частотах:
,
где
d - диаметр операционной камеры; ε_mn, μ_mn - значения n-го корня функции Бесселя n-го порядка и ее производной, соответственно.

При увеличении диаметра камеры количество типов волн возрастает, последовательности значений ε_mn, μ_mn сгущаются, и, в частности, может случиться, что будут выполнены соотношения f~f_lmng или f~f_hmng, где f - частота внешнего возбуждения. Среди резонансных типов колебаний могут оказаться вырожденные, или почти вырожденные, т.е. те, для которых f_lm'n'g'~f_{lm'' n'' g''} или f_hm'n'g'~ f_{gm'' n'' g''} с различными значениями радиального n, азимутального m и продольного g индексов.

Такая ситуация в случае плазменного наполнения камеры при небольшом изменении величины и конфигурации магнитного поля, описанных выше, может приводить к селекции необходимых результирующих колебаний и, в частности, к перескоку колебаний с одного резонансного типа на другой. В соответствии с этим будут меняться радиальное, азимутальное и продольное распределение напряженности электрических полей в операционной камере и, следовательно, произойдет изменение плотности и однородности плазмы по поперечному ее сечению.

Приведем пример. При диаметре камеры d = 200 мм резонансные частоты H-типов колебаний, удовлетворяющих соотношению (2), составляют:
(3) f_h41g = 2,52 ГГц и f_h12g = 2,54 ГГц.

Наличие плазмы понижает резонансную частоту колебаний, поэтому частоты (3) понизятся и могут сравняться с частотой возбуждения f = 2,45 ГГц. При этом, поскольку f_h12g и f_h41g очень близки, возможны перескоки колебаний между типами H₁₂ и H₄₁, структуры полей которых сильно отличаются друг от друга.

Таким образом, благодаря совместному применению управляемого соленоидного поля и мультипольных систем на постоянных магнитах, описанных в предлагаемом устройстве, может быть выбрана оптимальная структура многомодовых колебаний в операционной камере установки, удовлетворяющих заданным требованиям по интенсивности и однородности плазменной обработки большого диаметра.

Описанное сочетание соленоидных и мультипольных магнитных систем с одно-, многомодовым волноводным вводом СВЧ-энергии позволяет не только совместить преимущества различных типов ЭЦР СВЧ-источников, сделать их достаточно простыми, надежными и удобными при эксплуатации, но и получить новые качества - значительно повысить равномерность ионно-плазменных пучков с большим поперечным сечением, увеличить плотность и управляемость параметрами низкоэнергетического плазменного потока, повысить производительность обработки.

Относится к вакуумно-плазменной обработке слоев и пленок материалов микроэлектроники потоками ионов, атомов и радикалов в плазме инертных или химически активных газов. Установка для микроволновой вакуумно-плазменной обработки конденсированных сред содержит последовательно соединенные микроволновый генератор 1, круглый одномодовый волновод 3, согласованный переход 5, выполненный многоступенчатым, и многомодовую операционную камеру 6, устройства 10 для создания продольного магнитного поля, выполненные в виде многосекционного соленоида, секции которого установлены на первых двух от круглого волновода 3 ступенях согласованного перехода 5, секцию 11 с попарно соединенными электромагнитами для создания радиального вращающегося магнитного поля, установленную между устройствами 10, мультипольную магнитную систему 12, выполненную в виде набора постоянных магнитов, размещенных на операционной камере 6 для обеспечения появления по ее периферийной области электронного циклотронного резонанса. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Установка для микроволновой вакуумно-плазменной обработки конденсированных сред, содержащая последовательно соединенные микроволновый генератор, круглый одномодовый волновод, согласованный переход и многомодовую операционную камеру, мультипольную магнитную систему, выполненную в виде набора постоянных магнитов, размещенных на операционной камере для обеспечения появления по ее периферийной области электронного циклотронного резонанса, отличающаяся тем, что дополнительно содержит устройства для создания продольного магнитного поля, выполненные в виде многосекционного соленоида, секции которого установлены на первых двух от круглого волновода ступенях согласованного перехода, выполненного ступенчатым, и секцию с попарно соединенными электромагнитами для создания радиального вращающегося магнитного поля, установленную между устройствами для создания продольного магнитного поля. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что мультипольная магнитная система устанавливается на предшествующих операционной камере ступенях согласованного перехода, на которых не установлены устройства, создающие продольное магнитное поле, и секция с попарно соединенными электромагнитами. 3. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что мультипольная магнитная система создает магнитное поле, совпадающее по направлению с магнитным полем многосекционного соленоида.