ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ИСТОЧНИК ИОНОВ ВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТИ С НИЗКОИМПЕДАНСНОЙ АНТЕННОЙ Российский патент 2001 года по МПК H05H1/46 H01J37/32 

Изобретение относится к устройствам для генерации плазмы высокой плотности с помощью полей высокочастотного (ВЧ) диапазона (1-100 МГц), в частности к плазменным устройствам для травления и нанесения покрытий на подложках размером 150 мм и более. Под плазмой высокой плотности мы подразумеваем плазму с плотностью заряженных частиц выше 10¹¹ см^-3, обеспечивающую ионные токи на поверхность, граничащую с плазмой свыше 3 мА/см².

В настоящее время в подобных устройствах используются три основных принципа создания плазмы: устройства на электронном циклотронном резонансе ЭЦР (ECR) [1], геликонные источники плазмы [2], а также плазменные источники на индуктивном высокочастотном разряде (ICP) [3]-[5]. ЭЦР источники позволяют получить однородную плазму большого диаметра при низком давлении газа (до 10^-4 Торр), они дороги вследствие необходимости создавать сильные (до 1 кГс и выше) магнитные поля и применять мощные генераторы электрического поля сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона. Источники, использующие плазму, создаваемую распространяющимся в ней геликоном, имеют гораздо более низкую стоимость при сравнимых рабочих давлениях и плотностях плазмы, однако необходимость создавать даже слабое (50-100 Гс) магнитное поле ведет к удорожанию установки и трудностям с получением однородной плазмы при увеличении размера обрабатываемых подложек. Поэтому в современных технологических линиях все шире используются источники плазмы на ICP, высокочастотное поле в которых индуцируется с помощью внешней катушки индуктивности. Достоинством ICP источников является возможность создания плазмы большого размера и малые потенциалы (< 20 В), наводимые на помещаемых в плазму подложках. Примером подобных устройств являются источники плазмы, разработанные фирмой Applied Materials [3, 4]. Источники содержат рабочую камеру, средства для управления давлением газа в рабочей камере (средства откачки и напуска газа в рабочую камеру), высокочастотный генератор для создания электрического поля и соединенную с ним антенну в виде спирали, расположенную вне откачиваемого объема рабочей (технологической) камеры и отделенную от последнего диэлектрическим баллоном большой толщины, так как баллон должен принять на себя разницу давлений в атмосфере и в рабочей камере. К особенностям ICP-реакторов относятся различия режимов поджига плазмы (в этом случае плазма создается электрическим полем, генерируемым в рабочей камере катушкой индуктивности) и рабочим режимом, когда нагрев плазмы производится током, индуцируемым в плазме. В связи с этим импеданс антенны меняется в широких пределах в процессе выхода на рабочий режим, а поскольку генератор согласуется с разрядом в стационарном режиме, существует проблема поджига разряда. Для решения этой задачи в конструкцию устройства вводятся дополнительные элементы, инициирующие дополнительный емкостной высокочастотный разряд на стадии поджига разряда [4].

Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство по патенту США N 5580385 от 3.11.1996 (Заявлен 30.06.1994) [5]. Устройство содержит рабочую камеру, средства для управления давлением газа в рабочей камере, генератор переменного напряжения высокой частоты, соединенный с возбуждающей высокочастотное поле внутри рабочей камеры антенной, выполненной в виде проводящей спирали, которая расположена внутри рабочей камеры, причем пространство между витками спирали заполнено диэлектриком, а сама спираль отделена от рабочей камеры слоем диэлектрика, исключающим проникновение плазмы в межвитковое пространство. В отличие от устройств [4] и [5] помещение антенны в рабочую камеру позволило полностью изолировать внешнее пространство от высокочастотных полей и повысить экологическую чистоту установки. К недостаткам установки [5] следует отнести недостаточную однородность ионного тока на подложку при использовании одного генератора (см. фиг. 8-11 в патенте [5] ), что приводит к необходимости использования в отдельных технических решениях нескольких индуктивных антенн, связанных с отдельными высокочастотными (ВЧ) генераторами. К общим недостаткам устройств на ICP следует отнести большое разнесение в пространстве индуцирующей ток в плазме катушки и тока, индуцируемого в плазме. Как будет показано ниже, это приводит к возникновению не скомпенсированного индуктивного импеданса антенны в рабочем режиме, в результате подводимое к ICP-антенне высокочастотное напряжение может достигать 8,5 киловольт, а потери энергии в антенне достигают такой величины, что необходимо водяное охлаждение антенны [5].

Технической задачей, решаемой в данном изобретении, является повышение эффективности генерации тока в плазме и упрощение согласования антенны с высокочастотным генератором за счет уменьшения индуктивного импеданса антенны, обусловливающего ограничение ВЧ тока, возбуждаемого в плазме в рабочем режиме. Дополнительными техническими задачами являются уменьшение амплитуды ВЧ поля вблизи подложки, увеличение амплитуды ВЧ поля, возбуждаемого антенной в рабочей камере при инициировании разряда, улучшения условий согласования антенны с высокочастотным генератором и упрощения конструкции согласующего устройства, улучшения условий инициации разряда, при улучшении однородности плазмы, и согласования антенны с ВЧ генератором, независимой регулировки плотности энергии ионов, бомбардирующих обрабатываемую подложку.

1. Техническая задача решена тем, что в источнике плазмы, включающем: рабочую камеру, средства для управления давлением газа в рабочей камере, генератор переменного напряжения высокой частоты, соединенный высокочастотным кабелем с возбуждающей высокочастотное поле внутри рабочей камеры антенной, выполненной в виде проводящей спирали, которая расположена внутри рабочей камеры, причем пространство между витками спирали заполнено диэлектриком, а сама спираль отделена от рабочей камеры слоем диэлектрика, толщина d диэлектрика, отделяющего антенну от рабочей камеры, не превышает величину S, а расстояние l от антенны до ближайшей проводящей поверхности рабочей камеры превышает утроенную величину В, где S - максимальная из величин (Λ, R), R - максимальный поперечный линейный размер проводника, из которого выполнены витки спирали антенны, В= Λ + d, Λ = c/ω_Pe - глубина проникновения высокочастотного электрического поля в плазму в рабочем режиме, с - скорость света, ω_Pe= (4πn_ee²/m)^1/2 - электронная Ленгмюровская частота плазмы¹ (с^-1), n_e - плотность электронов в плазме (см^-3), e, m - заряд (4,8 x 10^-10 СГСЭ_q) и масса электрона (г). (Приведем для справки выражение для Ленгмюровской частоты в системе СИ: ω_Pe= (n_ee²/mε_o)^1/2, , где ε_o - диэлектрическая проницаемость вакуума).

Дополнительные технические преимущества и оптимизация работы заявляемого устройства достигаются при выполнении следующих условий.

2. В источнике плазмы по п. 1 максимальный поперечный линейный размер R проводника, из которого выполнена антенна, и глубина проникновения Λ высокочастотного поля в плазму в рабочем режиме связаны соотношением R/2 < Λ < 2R.

3. В источнике плазмы по любому из пунктов 1, 2 высокочастотный кабель, соединяющий генератор с антенной состоит из двух отрезков, между которыми включено согласующее устройство.

4. В источнике плазмы по п. 3, согласующее устройство состоит из двух конденсаторов, один из которых соединен параллельно входящему концу отрезка ВЧ кабеля, соединяющего согласующее устройство с высокочастотным (ВЧ) генератором, а второй включен между активным проводником данного отрезка высокочастотного кабеля и активным проводником отрезка высокочастотного кабеля, соединяющего согласующее устройство с антенной.

5. В источнике плазмы по любому из пунктов 1,2,3,4 антенна выполнена в виде многозаходной спирали.

6. В источнике плазмы по любому из пунктов 1,2,3,4,5 максимальный поперечный линейный размер проводника R превышает меньший поперечный линейный размер r и толщину d диэлектрика, отделяющего антенну от рабочей камеры, не менее чем в три раза, а угол ψ между нормалью к поверхности диэлектрика, отделяющего антенну от рабочей камеры, и ближайшим к нормали отрезком, соединяющим наиболее удаленные точки сечения проводника, из которого выполнена спираль антенны, не превышает arctg(r/R).

7. В источнике плазмы по любому из пунктов 1,2,3,4,5,6 расстояние D между соседними витками спирали антенны выбрано в пределах B < D < 4B, где B = Λ + d, Λ - глубина проникновения высокочастотного поля в плазму, а d - толщина диэлектрика, отделяющего антенну от рабочей камеры.

8. В источнике плазмы по любому из пунктов 1,2,3,4,5,6,7 спираль антенны выполнена с возможностью регулировки шага спирали при сохранении общей длины спирали.

9. В источнике плазмы по любому из пунктов 1,2,3,4,5,6,7,8 антенна дополнительно содержит емкостной элемент в виде диска, расположенный в центре антенны, радиус которого не превышает глубину проникновения ВЧ поля в плазму Λ.
10. В источнике плазмы по любому из пунктов 1,2,3,4,5,6,7,8,9 рабочая камера выполнена частично металлической и в него введены металлический подложкодержатель и дополнительный ВЧ генератор с регулируемым выходным напряжением, причем земляная шина дополнительного генератора соединена с рабочей камерой, а выход генератора - с указанным металлическим подложкодержателем.

11. В источник плазмы по п. 10 введено дополнительное согласующее устройство, включенное между дополнительным генератором и металлическим подложкодержателем.

Изобретение иллюстрируется чертежами. Фиг. 1 содержит общую схему источника, фиг. 2 - схему подключения антенны к согласующему устройству и генератору, фиг. 3 - один из вариантов выполнения согласующего устройства. Фиг. 4 - иллюстрирует выполнение антенны в виде многозаходной спирали. На фиг. 5 показаны различные варианты поперечного сечения проводника, из которого выполнена антенна. На фиг. 6 изображена эквивалентная схема антенны в виде трансформатора. Фиг. 7 содержит структуру поля, возбуждаемого антенной в рабочем режиме, фиг. 8 - структуру электрического поля, создаваемого витками антенны в момент поджига, иллюстрирующую усиление ВЧ электрического поля за счет специально выбранной формы сечения токоведущего проводника антенны. Возможные варианты расположения токоведущего проводника антенны относительно диэлектрика, отделяющего антенну от плазмы, приведена на фиг. 9. Фиг. 10 иллюстрирует выполнение источника с дополнительным высокочастотным генератором для регулировки энергии ионов, бомбардирующих подложку. Экспериментально полученные характеристики источника в одном из вариантов его исполнения показаны на фиг. 11.

На фиг. 1 изображен вариант выполнения высокочастотного источника плазмы. В рабочей камере, состоящей из корпуса 1 и съемной крышки 2 с вакуумным уплотнением между ними 3, расположены подложкодержатель 4 и обрабатываемая подложка 5. Возможно выполнение источника без подложкодержателя 4 с размещением подложки 5 непосредственно на стенке рабочей камеры. Устройство содержит систему управления давлением в рабочей камере в виде системы напуска газа в камеру 6 и откачки газа 7. В рабочую камеру введена антенна 8 в виде многозаходной спирали. На современном уровне техники рабочая камера выполняется металлической, хотя может содержать диэлектрические окна. При этом она защищает окружающее пространство от электромагнитного излучения, генерируемого антенной 8. Центральная часть антенны подключена к центральной жиле 9 высокочастотного кабеля 10, подводящего высокочастотное напряжение от высокочастотного генератора к антенне. Внешний виток антенны 8 подключен к оплетке 11 ВЧ кабеля 10 с помощью проводящей шины 12. Антенна 8 отделена от части рабочей камеры, заполненной плазмой 13, слоем диэлектрика 14. В пространство между витками антенны введен диэлектрик 15. Диэлектрик 15 не обязательно примыкает к поверхности спирали антенны 8, что дает возможность регулировки шага спирали антенны простым ее вращением. С нерабочей стороны антенна закрыта толстым слоем диэлектрика 16. Соединение диэлектрических деталей 14, 15, 16 не обязательно герметично, поэтому пустоты вблизи антенны заполняются тем же газом при том же давлении, что и рабочая камера. Разряд в пустотах не возникает, так как при низких давлениях пробойное поле возрастает при уменьшении размера области, заполненной газом. Расстояние l между антенной и ближайшей проводящей поверхностью рабочей камеры 17 превышает величину B в рабочем режиме не менее чем в три раза. Для минимизации высокочастотного поля вблизи подложки 5 последняя также должна быть удалена от антенны на расстояние не менее трех глубин проникновения электрического поля в плазму Λ. Высокочастотное напряжение подводится к антенне от ВЧ генератора 18 через согласующее устройство 19 с помощью отрезка коаксиального кабеля 10. Подключение генератора 18 к согласующему устройству 19 осуществляется с помощью отрезка ВЧ кабеля 20. В случае если удовлетворительное согласование ВЧ генератора 18 с антенной 8 достигается без применения согласующего устройства 19, последнее может отсутствовать. В центре антенны может присутствовать дополнительный элемент в виде диска 21 для облегчения поджига разряда.

Фиг. 2 более подробно изображает схему подключения антенны 8 к отрезку высокочастотного кабеля 10, а также подключение второго конца этого отрезка кабеля к согласующему устройству 19 и подключение последнего к генератору 18 отрезком ВЧ кабеля 20. Поскольку антенна, выполненная в виде спирали, имеет индуктивный импеданс, наиболее рациональным является выполнение согласующего устройства в виде двух конденсаторов 22, соединяющего активные электроды отрезков кабеля 10 и 20, и 23, включенного параллельно входящему концу отрезка ВЧ кабеля 20. Схема подключения конденсаторов в согласующем устройстве приведена на фиг. 3. С помощью конденсаторов 22 и 23 удается как скомпенсировать индуктивный импеданс антенны, так и согласовать ее активное сопротивление с выходным сопротивлением генератора 18. На фиг. 4. изображен чертеж многозаходной спирали, используемой в одном из вариантов выполнения устройства. Примеры различных вариантов поперечных сечений проводника - кругового, эллиптического, прямоугольного, прямоугольного со скругленными углами, многоугольного, которые могут быть использованы для выполнения спирали антенны приведены на фиг. 5. Под максимальным поперечным линейным размером R проводника понимается длина отрезка между двумя наиболее удаленными друг от друга точками поперечного сечения проводника. На фиг. 5 для каждого из сечений эти точки отмечены знаком •, а соединяющий их отрезок - цифрами 24. В случае, если сечение проводника обладает симметрией, наиболее удаленные друг от друга точки могут быть определены неоднозначно (например, для круглого сечения могут быть выбраны две любые точки поверхности, лежащие на концах диаметра, для прямоугольного - на концах диагонали, и т.п.)- однако расстояние между этими точками определяется однозначно. Под меньшим поперечным линейным размером r (толщиной) проводника будем понимать его максимальный размер в направлении, перпендикулярном отрезку 24, соединяющему наиболее удаленные точки проводника. На фиг. 5 положение отрезка, определяющего меньший поперечный линейный размер, обозначено цифрами 25.

Рассмотрим теперь физические явления, лежащие в основе работы данного источника плазмы и определяющие выбор его конструктивных параметров. Эти явления различны в момент поджига разряда и в рабочем режиме. Рассмотрим сначала стационарный режим разряда. После формирования разряда, когда глубина проникновения высокочастотного поля в плазму Λ = c/ω_Pe, становится много меньше поперечного размера плазмы, разряд переходит в режим трансформаторно-связанной плазмы. В этом случае плазма поддерживается током, индуцированным в ней внешней антенной.

Качественно характеристики подобной системы можно оценить, рассматривая плазму как идеальный проводник. В этом случае магнитное поле, создаваемое индуцированным в плазме током, можно описать как поле тока, расположенного симметрично току антенны относительно границы плазмы и направленного в противоположную сторону. Обозначив ток в антенне I₁ и индуцированный в плазме ток I₂, можно составить эквивалентную схему ICP устройства в виде индуктивно связанных токов (фиг. 6). Уравнения для токов I₁ и I₂ имеют вид:
jωL₁₁I₁+jωL₁₂I₂= U, (1)
jωL₂₁I₁+jωL₂₂I₂+Z_NI₂= 0. (2)
Здесь ω - - круговая частота токов, L₁₁ - индуктивность ненагруженной антенны, L₂₂ - индуктивность вторичной обмотки (тока индуцированного в плазме), Z_N - импеданс нагрузки (учитывающий потери в плазме), L₁₂ и L₂₁ - коэффициенты, отражающие взаимную связь тока в антенне и индуцированного тока в плазме, U- напряжение на антенне. Решение системы (1)-(2) позволяет найти импеданс антенны Z = U/I₁

и индуцируемый в плазме ток

В отсутствие нагрузки (плазмы) Z_N= ∞ и Z = jωL₁₁. Характеристики нагруженной системы зависят от соотношения L₁₁ и L₂₂ коэффициентов взаимной индукции L₁₂ и L₂₁. Как известно [6], выполняется соотношение L₁₁ • L₂₂ ≥ L₁₂ • L₂₁, причем равенство имеет место, если магнитные потоки через первичную и вторичную обмотки совпадают, что возможно при применении магнитного сердечника (трансформатор), либо при совпадении пространственного распределения тока первичной и вторичной обмоток, то есть тока антенны и индуцированного тока в плазме. Если плотность плазмы велика (Z_N< j ω L₂₂), то из (3) следует

Таким образом, если L₁₁ • L₂₂ ≠ L₁₂ • L₂₁, то антенна имеет не скомпенсированный индуктивный импеданс. Именно наличие этого импеданса приводит к необходимости в стандартных ICP источниках увеличивать напряжение на антенне в рабочем режиме до нескольких киловольт [5], что ведет к дополнительным потерям энергии в антенне. В соответствии с (4) этот импеданс ограничивает ток, индуцируемый во вторичной обмотке (плазме).

Для уменьшения этого импеданса необходимо увеличивать степень индуктивной связи токов, текущих по антенне и по плазме. Пути увеличения этой связи возможно понять, рассмотрев плазму как идеальный проводник, а антенну, как кольцо радиуса R₁ из проводника радиуса r₁, находящегося на расстоянии h над этим идеальным проводником (фиг. 7). Цифрами на чертеже обозначены: 26 - цилиндрический виток антенны, 27 - граница плазмы, 28 - индуцируемый в плазме ток, 29 - силовые линии магнитного поля. В этом случае распределение токов по поверхности проводника таково, что создаваемое им поле может быть рассмотрено как поле тока (-I), текущего внутри проводника симметрично току антенны I относительно границы проводника. В предположении, что ток течет по поверхности провода, индуктивности кольцевых токов I₁ и I₂ могут быть оценены по формулам [7] (μ_o - магнитная проницаемость вакуума)

Коэффициент взаимной индукции можно оценить, считая r₁ < h < R₁. В этом случае, считая поле вблизи проводника полем прямого тока и оценив магнитный поток, проходящий в пространстве между кольцами, получим
L₁₂ = L₂₁ = L₁₁ - Δ L,


Формула (5) при этом примет вид

Из формул (7), (8) следует, что для увеличения коэффициента связи и тем самым компенсации индуктивного импеданса необходимо уменьшить расстояние между индуцирующей катушкой и плазмой. В стандартных устройствах, в которых антенна располагается вне вакуумной камеры между антенной и плазмой находится диэлектрическое окно, которое гасит разность давления в рабочей камере и в атмосфере, поэтому его толщина, как правило, превышает 2 см. Из формул (6)-(8) следует, что существенное уменьшение достигается, если расстояние между антенной и плазмой меньше поперечного размера проводника, из которого выполнена антенна. Для антенны, выполненной из проводника нецилиндрической формы расстояние между антенной и плазмой должно быть меньше большего размера проводника.

Отличие свойств плазмы от свойств идеального проводника также ограничивает возможность увеличения коэффициента связи между током в антенне и индуцированным током в плазме. В идеальном проводнике ток течет по поверхности проводника, а в плазме ток распределен по слою плазмы толщиной порядка глубины проникновения поля в плазму Λ = c/ω_Pe (Для электронной плотности 10¹¹ см^-3 - Λ = 1,7 см, 10¹² см^-3- Λ = 0,51 см). Таким образом, если расстояние между антенной и плазмой меньше глубины проникновения поля в плазму, дальнейшее уменьшение расстояния не приводит к существенному увеличению коэффициента связи, т. е. уменьшению нескомпенсированного индуктивного импеданса антенны. Поэтому в качестве максимального расстояния между антенной и плазмой (которое равно толщине диэлектрика d отделяющего антенну от плазмы), при котором достигается положительный эффект, мы выбираем S - максимальную из величин (Λ, R), где R - максимальный поперечный линейный размер проводника, из которого выполнена антенна, определяющий индуктивность прямого провода. Строго говоря, для увеличения коэффициента индуктивной связи тока в антенне и тока в плазме было бы удобно иметь максимальный поперечный линейный размер R проводника, из которого выполнена антенна, меньше глубины проникновения поля в плазму. Однако уменьшение сечения проводника приводит к увеличению его омического сопротивления переменному току, а также к увеличению индуктивности (см. формулу (6)). Поэтому значительное уменьшение размеров проводника по сравнению с глубиной проникновения поля в плазму не целесообразно. В условиях современных плазменных реакторов оптимальным является выбор R в пределах R/2 < Λ < 2R. Это условие выполняется в описанном ниже варианте выполнения источника.

Хотя дальнейшее уменьшение расстояния между антенной и плазмой (при d < S) не приводит к столь же значительному уменьшению индуктивного импеданса антенны (как при d > S), однако оно не приводит и к его росту, по этому минимальная возможная толщина диэлектрика определяется механической, химической и электрической прочностью последнего. Если в качестве диэлектрика, отделяющего антенну от плазмы, выбран тефлон, то его толщина в 3 мм обеспечивает как существенное увеличение коэффициента связи, так и достаточную механическую и химическую стойкость. При использовании керамики или кварца, толщина может быть выбрана в пределах 1,5 мм и менее. Импеданс нагрузки Z_N также содержит реактивную составляющую. Однако так как и активная и реактивная его части уменьшаются с ростом плотности электронов, то реактивная часть импеданса не ограничивает ток в плазме в такой степени, как нескомпенсированная индуктивность антенны =(L₁₁- L₁₂L₂₁/L₂₂). Для рабочей плотности ионов 3 • 10¹¹ см^-3, обеспечивающей ток ионов около 10 мА/см², достаточный для большинства современных технологических процессов, размер R следует выбрать в пределах 0,5 - 1 см, а толщину диэлектрика d менее 1 см (желательно менее 0,5 см).

Кроме генерации тока в плазме, помещенная внутрь рабочей камеры антенна способна наводить паразитные токи на металлических элементах рабочей камеры, которая на существующем уровне техники практически во всех конструкциях выполняется металлической, хотя может содержать диэлектрические окна для ввода электрического поля и средств диагностики. Для объяснения условий, при которых эти токи не существенны, рассмотрим магнитное поле, создаваемое совместно токами, текущими по антенне и по плазме. При больших плотностях электронов и расположении антенны вблизи поверхности плазмы магнитные поля этих токов компенсируют друг друга. Результирующее магнитное поле, создаваемое этими токами совместно, резко спадает (как I/Y³) при удалении от антенны на расстояние Y, превышающее расстояние между током в антенне и током в плазме. В реальной системе спад магнитного поля начинается при удалении от антенны на расстояние, равное сумме расстояния от антенны до границы плазмы и глубины проникновения поля в плазму. Эксперименты показали, что наведенные в камере токи практически не сказываются на характеристиках антенны в рабочем режиме, если она удалена от ближайшей металлической поверхности рабочей камеры на расстояние больше утроенной величины В, где B = Λ + d, Λ - глубина проникновения высокочастотного поля в плазму, а d - толщина диэлектрика, отделяющего антенну от рабочей камеры. Под расстоянием от антенны до ближайшей металлической поверхности рабочей камеры понимается минимальное расстояние между антенной и металлической поверхностью рабочей камеры (см. фиг. 1). В установках для научных исследований вакуумная камера иногда выполняется из диэлектрика (например, кварца), однако устройство в целом всегда содержит металлические экранирующие элементы для защиты окружающего пространства от электромагнитного поля, создающего плазму. В этом случае под ближайшей металлической поверхностью рабочей камеры следует понимать ближайшую поверхность экранирующих элементов.

В отдельных случаях необходима также минимизация высокочастотного поля в окрестности подложки, что обеспечивает малую энергию ионов, бомбардирующих подложку, а также невозможность пробоя тонких диэлектрических слоев на подложке высокочастотным полем, поддерживающим разряд. В этом случае подложка должна быть удалена от антенны на расстояние не менее утроенной глубины проникновения поля в плазму. Поскольку расстояние между антенной и подложкой обычно превышает 10 см (при меньших расстояниях затрудняется инициирование разряда и растет минимальное давление, при котором может существовать стационарный разряд) в плазменных установках для травления и нанесения пленок это условие выполняется практически всегда.

Несмотря на то, что минимизация расстояния между антенной и плазмой приводит к существенному уменьшению паразитной индуктивности антенны, тем не менее, для плазмы, создаваемой в больших объемах, как индуктивный, так и резистивный импеданс антенны может оказаться слишком большим. В этом случае антенна может быть выполнена в виде многозаходной спирали.

Одной из причин повышения индуктивности антенны может быть воздействие магнитных полей соседних витков спирали. В обычной катушке индуктивности это воздействие приводит к тому, что индуктивность катушки в целом пропорциональна квадрату числа витков в катушке. В рабочем режиме, как уже было указано, магнитное поле спирали резко спадает на расстояниях, превышающих сумму расстояний от антенны до плазмы и глубины проникновения поля в плазму. Таким образом, магнитное взаимодействие соседних витков спирали существенно, если расстояние между витками порядка или меньше В - суммы расстояния между антенной и плазмой d и глубины проникновения поля в плазму Λ. Это дает возможность с одной стороны дополнительно уменьшить паразитный индуктивный импеданс антенны, расположив витки спирали на расстоянии, превышающем В, а с другой стороны регулировать индуктивный импеданс антенны, изменяя расстояние между витками (шаг антенны) при сохранении ее общей длины. Отметим, что увеличивать расстояние между соседними витками антенны больше, чем учетверенная величина В нецелесообразно, так как это приведет к неравномерному распределению тока внутри плазмы и возможному уменьшению однородности плазмы. Кроме того, увеличение расстояния между витками требует увеличения тока антенны, что может привести к дополнительным потерям энергии на ее внутреннем сопротивлении. Эксперименты показали, что оптимальным с точки зрения КПД является выбор межвиткового расстояния в пределах между В < r < 4B, где B = Λ + d.

Так как согласующее устройство для данного источника плазмы не содержит индуктивности (ее роль играет индуктивность антенны) для улучшения условий согласования антенны с генератором удобно иметь возможность регулировать эту индуктивность в процессе работы источника. Так как изменение длины спирали при этом невозможно, для регулирования индуктивности можно использовать изменение шага спирали. Наиболее простой способ заключается во вращении центральной части антенны относительно ее закрепленной периферийной части, осуществляемое через отверстие в рабочей камере для ввода ВЧ кабеля, хотя возможны и другие решения.

В процессе поджига разряда антенна практически не нагружается плазмой, и ее импеданс представляет собой чистую индуктивность. Распределение потенциала вдоль антенны определяется уравнением

В формуле (9) x - координата вдоль антенны, X - ее длина, I - ток в антенне, L - распределенная вдоль антенны индуктивность, учитывающая взаимодействие различных ее точек. Потенциал центральной части антенны может достигать нескольких сотен вольт и обеспечить пробой газа в рабочей камере. Тем не менее, задача улучшения условий пробоя газа актуальна. Эта задача решена двумя путями. Во-первых, спираль антенны 8 выполнена из проводника, максимальный поперечный линейный размер которой превышает ее меньший поперечный размер не менее чем в три раза. Как известно, электрическое поле вблизи проводника сосредоточено вблизи острия. Поэтому использование проводника, поперечное сечение которого отличается от кругового (фиг. 8) позволяет увеличить напряженность электрического поля вблизи некоторой части границы антенны. Степень усиления поля можно оценить, сравнивания радиус кривизны поверхности проводника с ее максимальным поперечным линейным размером. Например, для проводника эллиптической формы степень усиления поля равна отношению большой и малой полуосей. Электрическое поле вблизи точки с максимальной кривизной спадает как 1/R_C, где R_C расстояние от центра кривизны. Поскольку минимальное расстояние между антенной и плазмой равно d (толщине диэлектрика 14), поле в плазме в лучшем случае будет дополнительно ослаблено по сравнению с полем вблизи точки с максимальной кривизной в (R_C + d)/R_C раз. В силу этого усиление поля на расстоянии d от антенны не чувствительно к деталям формы сечения проводника, из которого выполнена спираль антенны, а степень усиления поля К можно оценить по формуле
K=R/r,
где R - максимальный поперечный линейный размер сечения проводника, a r - меньший поперечный линейный размер (максимальная толщина) сечения проводника (фиг. 5). Если учесть дополнительное ослабление поля за счет того, что плазма удалена от точки наибольшей кривизны поверхности сечения проводника не менее чем на расстояние d, то, чтобы достичь существенного усиления электрического поля в плазме, необходимо, чтобы максимальный поперечный линейный размер проводника R превышал меньший поперечный линейный размер r и толщину d диэлектрика, отделяющего антенну от рабочей камеры, не менее чем в три раза. Кроме того, проводник должен быть расположен таким образом, чтобы область усиления поля 30 находилась вблизи точки контакта проводника спирали антенны 8 с диэлектриком 14. Для проводника эллиптического сечения оптимально расположение, при котором большая полуось эллипса перпендикулярна поверхности диэлектрика (второй чертеж в верхней строке на фиг. 8, область усиления поля обведена кривой и обозначена на чертеже цифрами 30). Удовлетворительные результаты достигаются, если угол между большой полуосью и нормалью к поверхности диэлектрика ψ лежит в пределах < arctg (r/R), где R и r - в данном случае совпадают с размерами большей и меньшей осей эллипса. Если последнее условие не выполнено (крайний правый пример в верхней строке фиг. 8), то большая часть области усиления поля лежит вне плазмы и облегчение зажигания разряда не происходит.

Проведенные рассуждения могут быть распространены и на проводники с формой, отличающейся от эллиптической (фиг. 8, нижняя строка). Три левых чертежа иллюстрируют положение проводника, при котором ближайший к нормали отрезок, соединяющий наиболее удаленные точки сечения проводника, составляет с нормалью угол ψ, не превышающий arctg(r/R). При больших углах область усиления поля в основном лежит вне плазмы и зажигание разряда не облегчается. Слова "ближайший к нормали отрезок" учитывают, что вследствие симметрии сечения проводника на сечении может существовать не одна пара наиболее удаленных точек. Например, для сечения в форме равнобедренного треугольника со стороной, превышающей основание, обе точки основания равноудалены от вершины, и необходимо выбрать ту точку основания, которая лежит ближе к нормали. Проведенные рассуждения позволяют сформулировать следующее условие облегчения зажигания разряда: максимальный поперечный линейный размер проводника R превышает меньший поперечный линейный размер r и толщину d диэлектрика, отделяющего антенну от рабочей камеры, не менее чем в три раза, а угол ψ между нормалью к поверхности диэлектрика, отделяющего антенну от рабочей камеры, и ближайшим к нормали отрезком, соединяющим наиболее удаленные точки сечения проводника, из которого выполнена антенна, не превышает arctg(r/R). На фиг. 9 приведено расположение в пространстве рабочей камеры, спиральной антенны 8 и силовых линий электрического поля 31.

Поскольку антенна имеет индуктивный импеданс на стадии поджига разряда для его компенсации можно также ввести дополнительный емкостной элемент в виде диска 21, расположенного в центре антенны в точке подвода ВЧ энергии. Вносимую им емкость в рабочем режиме можно оценить по формуле (ε_d - относительная проницаемость диэлектрика 14, S - площадь диска 21).

C = ε_dS/4πd (СГС), C = ε_oε_dS/d. (СИ) (10)
Радиус этого элемента выбирается порядка глубины проникновения поля в плазму. Кроме компенсации индуктивного импеданса, данный элемент облегчает зажигание разряда за счет создания емкостной компоненты разряда, а также исключает появление неоднородности высокочастотного электрического поля в точке соединения многозаходной спирали с подводящим ВЧ энергию проводом.

Как указывалось ранее, одной из характерных черт индуктивного плазменного источника является малый плавающий потенциал стенок, что приводит к малой энергии ионов, бомбардирующих обрабатываемую подложку. Между тем для ряда технологических процессов необходимо иметь возможность регулировки энергии ионов бомбардирующих подложку. Модификация устройства используемого для решения данной технической задачи приведена на фиг. 10. От устройства, изображенного на фиг. 1, оно отличается использованием металлического подложкодержателя 4 и введением дополнительного ВЧ генератора 32 с регулируемым выходным напряжением, причем земля генератора соединена с рабочей камерой 1, а активный электрод генератора 32 - с подложкодержателем. Соединение проведено ВЧ кабелем 33. Если необходимо, между дополнительным ВЧ генератором и подложкодержателем может быть включено дополнительное согласующее устройство 34.

Описанное устройство было реализовано на практике. Диаметр цилиндрической рабочей камеры составлял 350 мм. Антенна была выполнена в виде четырехзаходной спирали из медной шины размером 1 x 6 мм² диаметром 220 мм. Толщина d диэлектрика отделяющего антенну от плазмы составляла в различных вариантах устройства от 2 до 6 мм, а шаг многозаходной спирали составлял 17 мм. Пространство между витками спирали было заполнено спиралью из тефлона. Расстояние от антенны до нерабочей поверхности рабочей камеры составляло 5.5 см. Шина 12 была также выполнена из медного проводника сечением 1 x 6 мм² и была удалена на расстояние 3 см от нерабочей поверхности рабочей камеры 17. Ионный ток на подложку в зависимости от давления газа и мощности генератора составлял от 2 до 6 мА/см². Экспериментально измеренная зависимость ионного тока на подложку, как функции мощности генератора 15 при оптимальном согласовании приведена на фиг. 11 (d=3 мм). Кривая 35 соответствует давлению 0,9 Па, 36 - 0,7 Па, 37 - 0,6 Па, 38 - 2 Па. Рабочее давление составляло от 0,01 до 10 Па. При давлении 1-2 Па устройство обеспечивало скорость травления SiO₂ 4500 А/мин при однородности на диаметре 150 мм 1-3% и селективности к поликристаллическому Si 3-5 при мощности ВЧ генератора частотой 13,56 МГц 400-500 Вт.

Источники информации
1. Pelletier J., Lagarde T., Durandet A. and Tynelis-Diez K. Distributed ECR Plasma sources: Reactor scale-up and performance. In: "Microwave plasma and its applications", edited by Yury A. Lebedev. Moscow: The Moscow Physical Society, 1995, p.352-365.

2. Boswell R.W. Very efficient plasma generation by whistler waves near lower hybrid frequency. Plasma Phys and Contr. Fusion, vol. 26, N 10. pp. 1147-1162. Реrrу A.J., Boswell R.W. Fast anisotropic etching of silicon in an inductively coupled plasma reactor. Appl. Phys. Lett. 55(2), 10 July 1989, p. 148-150.

3. Xue-Yu Qlan, Arthur H. Sato. Inductively coupled RF plasma reactor with floating coil antenna for reduced capacitive coupling. US Patent N 5683539 от 4.11.1997 (Заявлен 7.06.1995).

4. John Forster, Baruey M. Cohen. Bradley 0. Stimson. George Preulx. Inductively coupled plasma reactor with top electrode for enhancing plasma ignition. US Patent N 5685941 от 1 1.11.1997 (Заявлен 21.11.1995).

5. Ajil P. Paranjpe, Cecil J. Davis, Robert T. Matthews. Structure and method for incorporating an inductively coupled plasma source in a plasma processing chamber. US Patent N 5580385 от 3.12.1996 (Заявлен 30.06.1994).

6. Зевеке Г. В., Ионкин П.А., Нетушил А.В., Страхов С.В. Основы теории цепей. M.: Энергоатомиздат, 1989, глава 6. Ландау Л.Д. Лифшиц Е.М. Теоретическая (физика. Т. VIII. Электродинамика сплошных сред. M.: Наука, ГРФМЛ, 1982, 33, с. 173.

7. Тамм И.Е. Основы теории электричества. M: Наука, ГРФМЛ, 1976, с. 235, 375.

8. Вайнштейн Л. А. Электромагнитные волны. M.: Радио и связь, 1988, с. 116.6

Использование: в устройствах для генерации плазмы высокой плотности с помощью полей ВЧ диапазона, в частности в плазменных устройствах для травления и нанесения покрытий на подложках размером 150мм и более. Сущность изобретения: источник ионов высокой плотности содержит рабочую камеру, выполненную преимущественно из металла, средства для управления давлением газа в рабочей камере, генератор переменного напряжения высокой частоты, соединенный с возбуждающей ВЧ поле внутри рабочей камеры антенной, которая помещена внутрь рабочей камеры. Антенна выполнена в виде проводящей спирали, причем пространство между витками спирали заполнено диэлектриком, а сама спираль отделена от рабочей камеры слоем диэлектрика. Использование малой толщины диэлектрика дает возможность эффективной трансформации тока, текущего по антенне, в плазменный ток. Выполнение антенны в виде многозаходной спирали позволяет снизить как реактивный, так и активный импеданс, облегчая ее согласование с генератором. Спираль выполнена из проводящей шины, высота которой превышает толщину спирали и толщину диэлектрика, отделяющего антенну от рабочей камеры не менее чем в три раза, а расстояние между соседними витками спирали выбрано в определенных пределах. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности генерации тока в плазме и упрощение согласования антенны с высокочастотным генератором за счет уменьшения индуктивного импеданса антенны, обуславливающего ограничение ВЧ тока, возбуждаемого в плазме в рабочем режиме. 10 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Источник плазмы, включающий рабочую камеру, средства для управления давлением газа в рабочей камере, генератор переменного напряжения высокой частоты, соединенный высокочастотным кабелем с возбуждающей высокочастотное поле внутри рабочей камеры антенной, выполненной в виде проводящей спирали, которая расположена внутри рабочей камеры, причем пространство между витками спирали заполнено диэлектриком, а сама спираль отделена от рабочей камеры слоем диэлектрика, отличающийся тем, что толщина d диэлектрика, отделяющего антенну от рабочей камеры, не превышает величину S, а расстояние l от антенны до ближайшей проводящей поверхности рабочей камеры превышает утроенную величину В, где S - максимальная из величин (Λ,R); R - максимальный поперечный линейный размер проводника, из которого выполнена спираль антенны; B = Λ+d, Λ = c/ω _Pe- глубина проникновения высокочастотного электрического поля в плазму в рабочем режиме; с - скорость света; ω_Pe= (4πn_ee²/m)^1/2 -электронная Ленгмюровская частота плазмы (с^-1); n_е - плотность электронов в плазме (см^-3); е, m - заряд (4,8х10^-10 СГСЭ_q) и масса электрона (г). 2. Источник плазмы по п.1, отличающийся тем, что максимальный поперечный линейный размер R проводника, из которого выполнена антенна и глубина проникновения Λ высокочастотного поля в плазму в рабочем режиме связаны соотношением R/2 <Λ< 2R. 3. Источник плазмы по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что высокочастотный кабель, соединяющий генератор с антенной, состоит из двух отрезков, между которыми включено согласующее устройство. 4. Источник плазмы по п.3, отличающийся тем, что согласующее устройство состоит из двух конденсаторов, один из которых соединен параллельно входящему концу отрезка высокочастотного кабеля, соединяющего согласующее устройство с генератором, а второй включен между активным проводником данного отрезка кабеля и активным проводником отрезка кабеля, соединяющего согласующее устройство с антенной. 5. Источник плазмы по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что антенна выполнена в виде многозаходной спирали. 6. Источник плазмы по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что спираль антенны выполнена из проводника, максимальный поперечный линейный размер которого R превышает меньший поперечный линейный размер r и толщину d диэлектрика, отделяющего антенну от рабочей камеры, не менее чем в три раза, а угол ψ между нормалью к поверхности диэлектрика, отделяющего антенну от рабочей камеры, и ближайшим к нормали отрезком, соединяющим наиболее удаленные точки сечения проводника, из которого выполнена спираль антенны, не превышает arctg(r/R). 7. Источник плазмы по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что расстояние D между соседними витками спирали антенны выбрано в пределах В < D < 4В, где В = Λ + d, Λ - глубина проникновения высокочастотного поля в плазму, а d - толщина диэлектрика, отделяющего антенну от рабочей камеры. 8. Источник плазмы по любому из пп.1 - 7, отличающийся тем, что спираль антенны выполнена с возможностью регулировки шага спирали при сохранении общей длины спирали. 9. Источник плазмы по любому из пп.1 - 8, отличающийся тем, что антенна дополнительно содержит емкостной элемент в виде диска, расположенный в центре антенны, радиус которого не превышает глубину проникновения Λ высокочастотного поля в плазму. 10. Источник плазмы по любому из пп.1 - 9, отличающийся тем, что рабочая камера выполнена частично металлической и в него введены металлический подложкодержатель и дополнительный высокочастотный генератор с регулируемым выходным напряжением, причем земляная шина дополнительного генератора соединена с рабочей камерой, а выход генератора - с указанным металлическим подложкодержателем. 11. Источник плазмы по п.10, отличающийся тем, что в него введено дополнительное согласующее устройство, включенное между дополнительным генератором и металлическим подложкодержателем.