УСТРОЙСТВО ДЛЯ МИКРОВОЛНОВОЙ ВАКУУМНО-ПЛАЗМЕННОЙ С ЭЛЕКТРОННО-ЦИКЛОТРОННЫМ РЕЗОНАНСОМ ОБРАБОТКИ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД Российский патент 1998 года по МПК H01L21/3065 

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

Известно устройство для микроволновой плазменной обработки с электронно-циклотронным резонансом (ЭЦР) полупроводниковых пластин [1], в которых реализуется одномодовый режим передачи СВЧ-энергии низшим типом волн от генератора через прямоугольный волновод в круглый. Плазменная обработка производится в круглом волноводе, который разделен на две части, в одной из которых, изолированной от другой диэлектрическим окном и связанной с вакуумными средствами откачки, образуется область разряда.

Недостатком описанного устройства является то, что при использовании одноволнового режима 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 большего диаметра.

Известно устройство с мультипольным удержанием СВЧ-плазмы, осуществляемое с помощью постоянных магнитов, окружающих реакционную камеру с чередованием противоположных полюсов [2]. Таким образом плазма заключается в магнитную ловушку и не поглощается стенками камеры. Плотность магнитного потока быстро уменьшается от 0,1 Тл в центре плоскости каждого полюса до нескольких десятых мТл на расстоянии нескольких сантиметров от полюса. В центральной части плазмы магнитное поле отсутствует. Передача СВЧ-энергии в плазму осуществляется по восьми и более стержневым антеннам, расположенных в нескольких миллиметрах над плоскостью каждого полюса магнита. СВЧ-мощность к антеннам поступает от отдельных генераторов или от одного генератора по отдельным линиям передач. Такой способ ввода СВЧ-мощности имеет те же недостатки, которые характерны для коаксиальных волноводов при их использовании в качестве элементов связи с плазмой в волноводных источниках. Наиболее существенными недостатками являются: сравнительно небольшой уровень мощности, подводимой к каждой антенне (до 200 Вт), необходимость их охлаждения, защиты, отдельного согласования и др. Продукты разряда могут покрывать или повреждать антенны, существенно изменять электрические характеристики диэлектрических и металлических поверхностей, что делает введение СВЧ-мощности неустойчивым, а процесс обработки замедленным и невоспроизводимым. Повышенная плотность плазмы, также как при коаксиальном вводе, ограничивается объемом ЭЦР-слоя, от которого плазма диффундирует внутрь операционной камеры, а это затрудняет возможность повышения плотности и равномерности плазмы в больших объемах. Максимальное значение плотности плазмы в многополюсных источниках с РЭЦР ниже, чем в волноводных камерах с ЭЦР, а спад плотности плазмы от максимума, находящегося в центре ловушки, к концам достигает 20%.

Наиболее близким по технической сущности, принятым за прототип, является источник СВЧ-плазмы с магнитной подстройкой местоположения ЭЦР-слоя [3], 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, который охватывает камеру ионизации, включающей в себя рупорный волновод и операционную камеру, обеспечивает управление распределением магнитного поля вдоль оси системы.

Недостатком описанной конструкции является большие продольные и поперечные размеры и вес магнитной системы, обусловленные, с одной стороны, большой протяженностью рупорного перехода, а с другой - большим сечением операционной камеры. Это влияет на стоимость установки и технологии. Кроме того, при таком одноканальном вводе СВЧ-энергии из-за ее отражения от области плазмы с ЭЦР оказываются недостаточно высокими энергетическая эффективность процесса, производительность и однородность обработки пластин большого диаметра из-за гибели частиц на боковых стенках камеры.

Техническим результатом изобретения является создание устройства для вакуумно-плазменной обработки пластин большого диаметра, увеличение энерговклада и равномерности плазменного разряда для повышения производительности и однородности микрообработки пластин большого диаметра.

Достигается это тем, что ввод СВЧ-энергии в операционную камеру круглого сечения является многоканальным (распределенным). Сосредоточенный, так называемый продольный, ввод энергии осуществляется, как и в конструкции прототипа, через одномодовый волновод. Часть одномодового волновода, отделенная от другой вакуумноплотным диэлектрическим окном и соединенная через многомодовую операционную камеру со средствами откачки, для создания ЭЦР охватывается многосекционным соленоидом с диаметром значительно меньшим, чем в прототипе, где соленоид, предназначенный для той же цели, охватывает многомодовый реактор. Таким образом в реакторе создается центральное ядро плазмы.

Кроме того, в предлагаемом устройстве, в отличие от прототипа, непосредственно в многомодовую камеру осуществляется также распределенный поперечный ввод СВЧ-энергии. Он осуществляется через систему отверстий связи или штырей в одном или нескольких прямоугольных волноводах, которые опоясывают внешнюю боковую поверхность операционной камеры и расположены параллельно друг другу. Отверстия связи в каждом из прямоугольных волноводов расположены так, что возбуждаемые с их помощью электромагнитные колебания имеют азимутальный индекс m = 5-10. Это достигается их расположением по азимуту на расстоянии Λ_m = Λ/(1 + m/(2πa)) друг от друга. Здесь Λ = λ/(1 - (λ/λ_m)²)^1/2 - длина волны в возбуждаемом волноводе [4]; m - азимутальный индекс возбуждаемого типа колебаний; а - радиус реактора. В случае применения нескольких прямоугольных волноводов, отверстия связи смещаются друг относительно друга по боковой поверхности на расстояние Λ_m/n, где n - количество волноводов, опоясывающих камеру. Для возбуждения пристеночных азимутальных мод используется один или несколько источников мощности P₂ той же частоты, что и источник P₁, предназначенный для ввода энергии в одномодовый волновод, или отличной от нее. Необходимо отметить, что при таком многоканальном вводе СВЧ-энергии, который осуществляется, как правило, при мощности P₂ меньшей чем P₁, эффективность поглощения СВЧ-мощности плазмой и ее плотность значительно увеличиваются из-за уменьшения суммарного отражения электромагнитных волн от областей плазмы повышенной плотности, непосредственно примыкающих к вводам энергии, по сравнению со случаем только одного сосредоточенного ввода СВЧ-энергии, как это имеет место в устройстве прототипа. Описанная конструкция реактора, в отличие от устройства прототипа, является резонансной. Следовательно, при невысоких уровнях мощности СВЧ-генератора P₂ реализуются значительного уровня напряженности СВЧ электромагнитного поля по периферии плазменного объема, обеспечивающие необходимую концентрацию плазмы по периметру внутреннего объема реактора.

Описанная конструкция может рассматриваться как базисная и на ее основе могут быть созданы другие варианты плазменных устройств. Например, на базе данного устройства за счет применения многополюсных магнитных систем, установленных на внешней боковой поверхности многомодового реактора между прямоугольными волноводами и обеспечивающих образование скрещенных электрических, вводимых в реактор через отверстия связи или штыри в прямоугольных волноводах, и постоянных внешних магнитных полей, легко получить устройство с распределенным по периметру реактора электронно циклотронным резонансом и одновременно способствовать удержанию плазмы от попадания на стенки реактора.

Такое сочетание сосредоточенного продольного и распределенного поперечного вводов СВЧэнергии в соленоидно-мультипольном внешнем магнитном поле позволяет значительно увеличить площадь равномерной обработки пластин, увеличить энерговклад в плазменный разряд, повысив тем самым плотность плазмы, производительность обработки и управляемость параметрами плазменного пучка, уменьшить габариты, вес магнитных систем, уменьшить стоимость установки и технологии.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где 1 - генератор микроволнового излучения, 2 - прямоугольный волновод, 3 - круглый волновод, 4 - вакуумно-плотное окно связи, 5 - соленоидная катушка, 6 - многомодовая операционная камера, 7 - прямоугольный волновод для распределенного ввода энергии, 8 - отверстия связи, 9 - мультипольная магнитная система, 10 - область газового разряда, 11 - обрабатываемая пластина, 12 - откачка.

Устройство представляет собой генератор 1, расположенный на прямоугольном волноводе 2, сопряженным с круглым одномодовым волноводом 3, который через керамическое вакуумно-плотное окно связи 4 разделен на две части. С противоположной от генератора стороны круглый волновод соединен с многомодовой операционной камерой 6, в которой находится обрабатываемая пластина 11, и средствами откачки 12. Вакуумную часть одномодового волновода, примыкающую к многомодовому реактору охватывает соленоидная катушка 5. Внешнюю боковую поверхность камеры 6 опоясывают широкими стенками один или несколько прямоугольных волноводов 7, расположенных параллельно друг другу. Многомодовая камера 6 и прямоугольные волноводы 7 через общую стенку, которой является боковая поверхность этого реактора, соединены отверстиями связи или штырями 8, которые расположены по азимуту и длине камеры с определенным шагом, зависящим от количества волноводов на боковой поверхности реактора, его диаметра, частоты электромагнитных колебаний в этих волноводах и др. факторов. Прямоугольные волноводы 7 соединены с одной стороны с одним или несколькими генераторами, аналогичными 1, а с другой - закрыты металлическими стенками или настроечными поршнями. На внешней боковой поверхности многомодового реактора 6 в промежутках между прямоугольными волноводами 7 установлены мультипольные магнитные системы 9 из постоянных магнитов.

Микроволновое излучение, вырабатываемое 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. Далее электромагнитное излучение проникает через керамическое вакуумно-плотное окно 4 в многомодовую реакторную камеру 6 необходимого диаметра, которая соединена с вакуумными средствами откачки 12 и в которой размещена обрабатываемая пластина 11. Переход от одномодового к многомодовому режиму распространения электромагнитных колебаний может быть осуществлен с помощью плавного рупорного или ступенчатого переходов. Под действием скрещенных электрического поля, электромагнитного излучения и внешнего соленоидного магнитного поля, которое обеспечивает получение электронного циклотронного резонанса соленоидная катушка 5, в вакуумной части круглого волновода 3 и многомодовом реакторе 6, образуется область газового СВЧ-разряда 10 с убывающей к стенкам камеры плотностью плазмы. При этом, в отличие от прототипа, в предлагаемой конструкции одномодовый волновод, соединенный противоположным концом с традиционным источником СВЧ мощности P₁, помещен в соленоидную катушку значительно меньшего диаметра, чем в прототипе, где соленоид, предназначенный для создания ЭЦР, охватывает многомодовый реактор.

Распределенный поперечный ввод СВЧ-энергии непосредственно в многомодовую камеру 6 осуществляется от одного или нескольких генераторов аналогичных генератору 1 через соответствующие прямоугольные волноводы 7, которые имеют общую боковую стенку с реактором, и систему отверстий связи или штыри 8, расположенные на определенном расстоянии друг от друга. Эти расстояния между отверстиями связи в каждом прямоугольном волноводе 7 выбираются из условия, чтобы возбужденные с их помощью в многомодовом реакторе 6 электромагнитные колебания имели азимутальный индекс m = 5-10. Это достигается их расположением по азимуту на расстоянии Λ_m = Λ/(1 + m/(2πa)) друг от друга. Здесь Λ = λ/(1 - (λ/λ_m)²)^1/2 - длина волны в волноводе, m - азимутальный индекс возбуждаемого типа колебаний, а - радиус реактора. В этом случае в полости реактора как в резонаторе возбуждаются электромагнитные волны, бегущие по азимуту во встречных направлениях. Их амплитуда зависит от уровня мощности подводимой через прямоугольные волноводы 7. При данных азимутальных индексах обеспечиваются оптимальные возможности для регулирования распределения напряженностей электрических полей по радиусу в глубину реактора как за счет мощности генератора, так и за счет структуры электромагнитного поля. При использовании нескольких прямоугольных волноводов 7, расположенных параллельно друг другу на внешней боковой поверхности многомодового реактора 6, и смещении в связи с этим отверстий связи 8 друг относительно друга по боковой поверхности в каждом волноводе на расстояние Λ_m/n, где n - количество волноводов, азимутальная равномерность заполнения внутренней пристеночной области реактора электромагнитными колебаниями улучшается.

Мультипольная магнитная система 9 из постоянных магнитов устанавливается на боковой поверхности многомодового реактора 6 между прямоугольными волноводами для распределенного ввода энергии 7 таким образом, чтобы обеспечить образование скрещенных электрических, вводимых через отверстия связи или штыри 8, и постоянных внешних магнитных полей во внутренних пристеночных областях реактора, которые способствуют созданию распределенного по внутреннему периметру реактора электронного циклотронного резонанса и, одновременно, удержанию плазмы от гибели на стенках реактора.

За счет такого дополнительного распределенного и регулируемого радиального ввода СВЧ-энергии повышается эффективность и равномерность ионизации плазмы как по периметру плазменного объема, так и по всей площади обрабатываемой пластины.

Источники информации.

1. Патент США N 4001414.

2. Мультипольный источник СВЧ-плазмы с возбуждением по методу распределенного циклотронного резонанса: концепции и характеристики.// Пиню, Дюрандье, Пеллетье, Арналь, Валье.- Приборы для научных исследований. - 1988, N 7. С. 56-60
3. Патент ЕР 0275965 A2, H 01 J 37/23
4. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. т. 1 /Под ред. акад. Н.Д.Девяткова. - М.: Высшая школа, 1970, 440 с.

Использование: вакуумно-плазменная обработка потоками ионов, атомов и радикалов инертных или химически активных газов слоев и пленочных материалов в микроэлектронике. Техническим результатом изобретения является создание устройства для вакуумно-плазменной обработки пластин большого диаметра, увеличение энерговклада и равномерности плазменного разряда для повышения производительности и однородности микрообработки пластин большого диаметра. Сущность изобретения: ввод СВЧ-энергии в камеру генерации плазмы является многоканальным. Основной ввод энергии в многомодовый реактор осуществляется через одномодовый волновод, который для создания ЭЦР охватывается многосекционным соленоидом. Кроме того, в многомодовый реактор осуществляется также распределенный радиальный ввод СВЧ-энергии через систему отверстий связи или штырей в одном или нескольких прямоугольных волноводах, которые опоясывают внешнюю боковую поверхность реакторной камеры. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для микроволновой вакуумно-плазменной с электронно-циклотронным резонансом обработки конденсированных сред, включающее микроволновой генератор и операционную камеру, последовательно соединенные между собой одномодовым волноводом и согласованным переходом, устройства, создающие магнитное поле в виде многосекционного соленоида и мультипольной магнитной системы, отличающееся тем, что ввод микроволнового излучения в операционную камеру, выполненную многомодовой, является многоканальным распределением, причем один ввод энергии осуществляется через одномодовый волновод, который охватывает секции соленоида, распределенный ввод осуществляется через отверстия или штыри связи в одном или нескольких прямоугольных волноводах, расположенных параллельно друг другу и опоясывающих боковую поверхность камеры широкими стенками, причем расстояние между отверстиями связи по азимуту в каждом из них определяются из выражения
Λ_m=Λ/(1+m/(2πa) ,
где Λ- длина волны в волноводе;
m = 5-10 - азимутальный индекс возбуждаемого типа колебаний;
a - радиус реактора, отверстия связи в разных волноводах смещены друг относительно друга по боковой поверхности на расстояние Λ_m/n,
где n - количество волноводов, опоясывающих реактор. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что на боковой поверхности операционной камеры между прямоугольными волноводами устанавливается по крайней мере одна мультипольная магнитная система из постоянных магнитов, обеспечивая образование скрещенных переменных электрических, вводимых через боковую стенку камеры, и внешних магнитных полей.