УСТРОЙСТВО ДЛЯ МИКРОВОЛНОВОЙ ВАКУУМНО-ПЛАЗМЕННОЙ С ЭЛЕКТРОННЫМ ЦИКЛОТРОННЫМ РЕЗОНАНСОМ ОБРАБОТКИ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД НА ЛЕНТОЧНЫХ НОСИТЕЛЯХ Российский патент 2000 года по МПК H01L21/3065 

Изобретение относится к области вакуумно-плазменной обработки (очистки, осаждения, травления и т. д.) потоками ионов, атомов, молекул и радикалов инертных или химически активных газов слоев и пленочных материалов на ленточных носителях в микроэлектронике, оптике, стекольной и других отраслях промышленности.

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 и нерациональным для обработки материалов на ленточных носителях.

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, так же 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 установка [3] для обработки ленточных (рулонных) материалов и получения слоя плазмы большой площади, в которой для формирования распределения магнитного поля требуемой конфигурации в области подложки применены локальные постоянные магниты, представляющие собой мультипольную систему для создания распределенного ЭЦР. В установке применены устройства, обеспечивающие рассеяние электромагнитного поля с целью достижения равномерной плотности СВЧ-энергии в ЭЦР слое.

Недостатком описанной конструкции является высокая ее сложность и ограниченность ширины ленточного материала размерами источника плазмы, имеющего круглое сечение, и наличием краевых эффектов. Последние обусловлены различием форм источника плазмы и протягиваемого объекта, которое для сохранения равномерности обработки требует ограничения его ширины в 1,5-1,7 раз меньше, по сравнению с диаметром источника плазмы. Вместе с тем хорошо известны трудности создания ЭЦР микроволновых источников большой площади с удовлетворительной равномерностью обработки. По современным данным ширина обработки ленточных материалов с обеспечением допустимой неравномерности 5-10% не превышает 200-350 мм.

Кроме того, при таком одноканальном и сосредоточенном вводе СВЧ-энергии из-за ее отражения от области плазмы с ЭЦР оказываются недостаточно высокими энергетическая эффективность процесса и его производительность.

Техническим результатом изобретения является создание устройства для вакуумно-плазменной обработки пластин различной формы сколь угодно большой ширины и протяженности, увеличение энерговклада и равномерности плазменного разряда для повышения производительности и однородности микрообработки материалов на ленточных носителях.

Достигается это тем, что ввод СВЧ-энергии в операционную камеру, выполненную в виде прямоугольного резонатора на частоте генерации СВЧ-источника, является многоканальным (распределенным). Возбуждение в резонаторе СВЧ-колебаний вида H_mnp с p >> m,n осуществляется через прямоугольный волновод, расположенный вдоль широкой длинной стенки резонатора и отверстий связи в общей стенке. Один конец волновода подключен к генератору СВЧ-мощности P_вх, другой может быть короткозамкнут или иметь настроечный поршень. Отверстия связи между одномодовым волноводом и многомодовой операционной камерой выполнены в виде вакуумноплотных диэлектрических окон. В середине боковых противоположных стенок операционной камеры имеются невозмущающие для СВЧ-колебаний резонатора узкие длинные щели, через которые протягивается ленточный обрабатываемый материал и осуществляется соединение со средствами откачки.

Невозмущающий характер щелей для СВЧ-колебаний резонатора в предлагаемом устройстве может быть обеспечен в том случае, если индекс n колебаний будет нечетным. При этом на щели имеется только продольный ток Jz. При выбранном способе возбуждения (через отверстия связи, расположенные симметрично относительно плоскости x= а/2, где а - ширина резонатора) индекс m также может быть только нечетным. Расположение отверстий связи по координате z обеспечивает селективность возбуждения по продольному индексу p.

Для обеспечения селективного возбуждения резонатора на выбранном типе колебаний H_mnp с p >> m, n (m,n - порядка единицы), при котором линии электрического поля лежат в плоскости x, у, перпендикулярной длине операционной камеры, совпадающей с осью z, что обусловлено необходимостью создания скрещенных электрических и внешних магнитных полей для реализации распределенного по объему камеры ЭЦР, в общей длинной стенке волноводно-резонаторного перехода отверстия связи размещены с шагом l = Λ/(1+pΛ/2d) друг от друга. Здесь Λ = λ/(1-(λ/λ_кр)²)^1/2 - длина волны в возбуждаемом волноводе [4], p - продольный индекс, d - длина резонатора.

Для увеличения производительности плазменной обработки материалов на ленточных носителях возможно последовательное наращивание объема одновременной обработки в операционной камере за счет использования нескольких резонаторов - модулей, расположенных вплотную друг к другу узкими щелями. В этом случае для повышения равномерности обработки отверстия связи в соседних резонаторах смещаются друг относительно друга на расстояние l/n, где n - количество используемых волноводно-резонаторных пар. Для возбуждения СВЧ-колебаний в таких многорезонаторных системах может использоваться один с разветвленным вводом или несколько источников мощности. Необходимо отметить, что при таком многоканальном вводе СВЧ-энергии 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 реализуются значительного уровня напряженности СВЧ-электромагнитного поля по длине каждого резонатора, обеспечивающие необходимую концентрацию плазмы по ширине протягиваемого ленточного покрытия.

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 поверхности многомодовых реакторов между прямоугольными волноводами и обеспечивающих образование скрещенных электрических, вводимых в реакторы через отверстия связи в прямоугольных волноводах, и постоянных внешних магнитных полей, легко получить устройство с распределенным по реакторам электронно циклотронным резонансом и одновременно способствовать удержанию плазмы от попадания на стенки.

Предлагаемая конструкция позволяет значительно увеличить ширину равномерной обработки пластин, сделать практически ее сколь угодно большой, увеличить энерговклад в плазменный разряд, повысив тем самым плотность плазмы, производительность обработки и управляемость параметрами плазменного процесса, уменьшить габариты, вес магнитных систем, уменьшить стоимость установки и технологии.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где 1 - щель в боковой стенке прямоугольного резонатора - модуля, 2 - протягиваемый ленточный обрабатываемый материал, 3 - вакуумно- плотные отверстия связи, 4 - прямоугольный резонатор, 5 - прямоугольный волновод для распределенного ввода энергии.

Устройство представляет собой прямоугольный волновод 5, имеющий общую стенку и расположенный с внешней стороны вдоль длинной оси прямоугольного резонатора 4 с размерами по осям a,b,d, причем d >> а, b, λ - длина волны СВЧ-колебаний, и связанный с последним через керамические вакуумно-плотные отверстия связи 3, которые расположены с определенным шагом, зависящим от длины резонатора, частоты электромагнитных колебаний и др. факторов. Один конец волновода подключен к генератору СВЧ-мощности P_вх, другой может быть короткозамкнут или заканчиваться настроечным поршнем. На поверхности резонатора вдоль прямоугольного волновода устанавливаются мультипольные магнитные системы из постоянных магнитов. В середине длинных боковых стенок резонатора имеются узкие длинные щели 1, через которые протягивается ленточный обрабатываемый материал 2 и создаются вакуумная и плазмообразующая рабочая среды.

Микроволновое излучение, вырабатываемое генератором, направляется через прямоугольный волновод 5 и систему керамических вакуумно-плотных отверстий связи 3 в сопряженный с ним резонатор 4, который рассчитан на резонансную частоту задающего генератора и в середине длинных боковых стенок которого имеются щели 1, через которые протягивается ленточный обрабатываемый материал и осуществляется соединение с вакуумными средствами откачки. Отверстия связи для распределенного ввода СВЧ-энергии и обеспечения селективного возбуждения резонатора на выбранном типе колебаний H_mnp расположены на определенном расстоянии друг от друга, определяемом из выражения: l = Λ/(1+pΛ/2d). Здесь Λ = λ/(1-(λ/λ_кр)²)^1/2 - длина волны в возбуждаемом волноводе [4], p - продольный индекс возбуждаемого типа колебаний, d - длина резонатора. Под действием скрещенных электрического поля электромагнитного излучения генератора в резонаторе и внешнего магнитного поля постоянных магнитов, расположенных на внешней поверхности резонатора вдоль прямоугольного волновода 5, которое обеспечивает получение электронного циклотронного резонанса, в разреженной среде резонатора образуется область газового СВЧ-разряда.

При использовании нескольких прямоугольных резонаторов 4, расположенных параллельно и вплотную узкими щелями и смещении, в связи с этим, отверстий связи 3 друг относительно друга в соседних волноводно-резонаторных переходах на расстояние l/n, где n - количество волноводов, улучшается равномерность по ширине и производительность непрерывной плазменной обработки материалов на ленточных носителях. Ввод СВЧ-энергии в многомодовые резонаторы 4 в последнем случае осуществляется от одного или нескольких аналогичных генераторов через соответствующие прямоугольные волноводы 5.

Мультипольная магнитная система из постоянных магнитов (на чертеже не показана) устанавливается на внешней поверхности многомодовых резонаторов между прямоугольными волноводами таким образом, чтобы обеспечить образование скрещенных электрических, вводимых в реакторы через отверстия связи в прямоугольных волноводах, и постоянных внешних магнитных полей, которые способствуют созданию распределенного по ширине и длине ленточного носителя электронного циклотронного резонанса и, одновременно, удержанию плазмы от гибели на стенках. Это способствует дополнительному повышению эффективности и равномерности плазменной обработки материалов на ленточных носителях.

Литература
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 0279895 A2, 1С: H 01 J 37/32.

4. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. T.1. Под редакцией академика Н.Д. Девяткова. М., "Высшая школа". 1970. 440 с.

Использование: для обработки потоками ионов, атомов, молекул и радикалов инертных или химически активных газов слоев и пленочных материалов на ленточных носителях в микроэлектронике, оптике, стекольной и других отраслях промышленности. Сущность изобретения: в устройстве для микроволновой вакуумно-плазменной с электронно-циклотронным резонансом обработки конденсированных сред на ленточных носителях ввод СВЧ-энергии в операционную камеру, выполненную в виде прямоугольного резонатора на частоте генерации СВЧ-источника, является многоканальным (распределенным). Возбуждение в резонаторе СВЧ-колебаний вида Н_mnp с р >> m, n осуществляется через прямоугольный волновод, расположенный вдоль широкой длинной стенки резонатора, и вакуумно-плотные диэлектрические отверстия связи в общей стенке, расположенные по определенному закону. В середине боковых противоположных стенок операционной камеры имеются невозмущающие для СВЧ-колебаний резонатора узкие длинные щели, через которые протягивается ленточный обрабатываемый материал и осуществляется соединение со средствами откачки. Техническим результатом изобретения является создание устройства для вакуумно-плазменной обработки пластин различной формы сколь угодно большой ширины и протяженности, увеличение энерговклада и равномерности плазменного разряда для повышения производительности и однородности микрообработки материалов на ленточных носителях. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для микроволновой вакуумно-плазменной с электронно-циклотронным резонансом обработки конденсированных сред на ленточных носителях, включающее микроволновой генератор и операционную камеру, последовательно соединенные между собой одномодовым волноводом и согласованным переходом, устройство, создающее магнитное поле в виде мультипольной магнитной системы, отличающееся тем, что ввод микроволнового излучения в операционную камеру, выполненную в виде многомодового прямоугольного резонатора, является многоканальным распределенным, который осуществляется через отверстия связи вдоль оси симметрии в общей широкой стенке одномодового прямоугольного волновода и многомодового резонатора, причем расстояние между отверстиями связи определяется из выражения: l = Λ/(1+pΛ/2d), где Λ - длина волны в волноводе; p - продольный индекс, p >> m,n (m,n - порядка единицы) - поперечные индексы волны в резонаторе; d - длина резонатора, а в середине боковых противоположных стенок операционной камеры имеются невозмущающие для СВЧ-колебаний резонатора узкие длинные щели, через которые протягивается ленточный обрабатываемый материал и осуществляется соединение со средствами откачки. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что операционная камера выполнена в виде набора нескольких резонаторов-модулей, расположенных вплотную друг к другу узкими щелями, причем отверстия связи в соседних резонаторах смещаются друг относительно друга на расстояние 1/n, где n - количество используемых волноводно-резонаторных пар. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что на внешней поверхности операционной камеры вдоль прямоугольных волноводов устанавливается по крайней мере одна мультипольная магнитная система из постоянных магнитов, обеспечивающая образование скрещенных переменных электрических, вводимых через боковую стенку камеры, и внешних магнитных полей.