УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИОННОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2002 года по МПК H01J27/02 C23C14/46 H05H1/34 

Предлагаемое изобретение относится к устройствам электронно-ионной технологии, в частности к газоразрядным устройствам для ионной очистки и травления материалов.

Известны устройства для обработки (очистки или травления) материалов ионными потоками в плазме, формируемой в электрическом и магнитном поле [1].

Недостаток известных устройств заключается в малой производительности при обработке многокомпонентных материалов, в частности кристаллов из пьезоэлектриков для опто- и акустоэлектроники (ниобат лития, танталат висмута и др). Это объясняется тем, что при ионной обработке пьезоэлектриков возникает пироэффект, заключающийся в появлении поверхностного заряда под действием температурного нагрева образца вследствие ионной бомбардировки. Поверхностный заряд отталкивает частицы, препятствует компенсации заряда потоками электронов или плазмы и препятствует обработке. В итоге производительность обработки многокомпонентных материалов оказывается гораздо меньше производительности обработки однокомпонентных материалов [2].

Наиболее близким к заявляемому техническим решением является устройство для ионной обработки проволочных материалов по авт. свид. CCCP 1589901 [3]. Устройство содержит генератор плазмы в виде цилиндрической газоразрядной камеры, по краям которой расположены камеры промежуточной откачки. По оси камер выполнены отверстия, через которые пропускается материал (обрабатываемая проволока) Материал окружен сетчатым электродом. При откачке камер и подаче на сетчатый электрод положительного ускоряющего потенциала в газоразрядной камере зажигается разряд. Ионы из плазмы разряда устремляются на извлекающий электрод (проволоку) и производят се очистку.

Основным недостатком известного устройства является низкая производительность при обработке многокомпонентных пьезоэлектрических материалов. Повышение скорости обработки за счет повышения плотности плазмы ограничено температурным нагревом поверхности вследствие низкоэнергетической составляющей в Максквеловском распределении скоростей частиц в плазме.

Задача изобретения - повышение производительности устройства.

Эта задача достигается тем, что в устройстве для ионной обработки материалов, содержащем генератор плазмы, извлекающий электрод с расположенной на нем подложкой, средства откачки и натекания газа, между генератором плазмы и извлекающим электродом введена газовая камера с пролетными отверстиями, диаметр которых меньше пролетного размера камеры, а в генератор плазмы введен коллектор, на который помещен материал подложки.

Новым в предлагаемом устройстве является введение газовой камеры между извлекающим электродом и генератором плазмы. В камере выполнены пролетные отверстия, через которые плазма подается в область извлекающего электрода. Размеры между отверстиями газовой камеры таковы, что при напуске и откачке газа в ней формируется турбулентный нестационарный поток газа.

Этот новый признак позволяет за счет соотношения размеров камеры и отверстий создавать при стационарной работе генератора плазмы нестационарное локальное давление в области отверстий для подачи плазмы. Это вызывает нестационарное перезажигание высоковольтного разряда на извлекающем электроде. Разница между напряжением зажигания и горения высоковольтного разряда вкладывается в ионизационные процессы и СВЧ-колебания. В итоге на подложку подается поток ионов с наложением высокочастотной составляющей. Изменяя пролетное расстояние между отверстиями, можно выделить СВЧ-частоту, наиболее подходящую для определенного материала пьезоэлектрика. За счет высокочастотных токов смещения и перезарядки снимается поверхностный заряд, препятствующий травлению. Повышение производительности устройства (скорости травления) достигается за счет сочетания ионного и СВЧ-воздействия на материал.

Введение в генератор плазмы коллектора электронов с компонентами подложки позволяет выделять эти компоненты в виде пара, ионизировать пар и обрабатывать подложку совместимыми по материалу ионами. Изменяя параметры генератора плазмы (в частности, напряжение, ток или давление газа), производится изменение температуры испарения введенного коллекторного электрода. Этим обеспечивается организация приоритетного травления материала ионами металлов, входящих в состав многокомпонентного материала. Это позволяет устранить вылет отдельные компонент из травимого материала и тем самым сохранить его физико-химические свойства. Кроме того, реализация совместимости ионообразующих материалов в генераторе плазмы и на обрабатываемом образце позволяет еще повысить производительность за счет травления ионами металлов, которые тяжелее газовых (Во сколько раз тяжелее ион - во столько раз больше производительность). Благодаря высокой производительности достигается новое качество - прямоугольный профиль травления. Это свойство чрезвычайно важно для практики (например, при кодировке и разделении звукового и видеосигнала в телевидении).

Таким образом, новый элемент (камера с отверстиями) позволяет в предлагаемом устройстве реализовать новый эффект - эффект перезажигания, который повышает производительность.

В связи с вышеизложенным предлагаемое техническое решение отвечает критерию "новизна".

В предлагаемом устройстве отпадает необходимость в СВЧ-генераторе. Устройство позволяет перераспределять доли мощности ионного потока и СВЧ-мощности за счет взаимного расположения отверстий и параметров напускаемого газа. Возможность перераспределять долю ионной и СВЧ-мощности в одном устройстве существенно отличает предлагаемое устройство от известных. Роль газа в известных устройствах сводится к получению иона и созданию рабочей среды. В предлагаемом решении за счет особенностей взаимодействия газа с преградой в виде стенок с отверстиями на поток газа накладывается дополнительная функция возбудителя нестационарного локального давления. Разряд начинает нестационарно перебрасываться между отверстиями, создавая эффект сканированного впрыска плазмы в область извлекающего электрода. Таким образом, при небольшой плотности ионного тока достигается снижение нагрева образца н не провоцируется появление пироэффекта и поверхностного заряда.

Таким образом, в предлагаемом устройстве реализован новый путь повышения производительности, отличающийся от известных. Это: превращение электрической мощности в СВЧ-колебания, сканирование разрядом по подложке, обработка совместимыми по составу металлическими ионами. На основании вышесказанного предлагаемое устройство отвечает критерию "существенные отличия".

На чертеже представлена схема устройства.

Устройство состоит из генератора плазмы, образованного кольцевыми электродами 1 и 2. Генератор плазмы установлен на газовой камере 3 с пролетными отверстиями диаметром d₁ и d₂. Все устройство расположено на рабочей камере 4. В рабочей камере расположена подложка 5, расположенная на извлекающем электроде 6. Извлекающий электрод соединен с высоковольтным электродом 7. Внутри генератора плазмы установлен коллектор электронов 8 с материалом 9 того же состава (А_xВ_уС_z), что и обрабатываемая подложка 5 (А_xВ_уС_z).

Устройство работает следующим образом. Из устройства откачивается газ до давления 1-10 Па. Между электродами 1, 2 подается напряжение U и в генераторе плазмы зажигается низковольтный (до 1000 B) тлеющий разряд. Материал 9 нагревается сходящимся электронным потоком 10 до поверхностного испарения. Под действием приложенного потенциала пары испаряемого материала ионизируются. Генератор плазмы начинает работать на парах того же материала 9, что и обрабатываемая подложка 5. Плазма испаряемого материала через отверстия d₁ и d₂ в газовой камере 3 поступает в рабочую камеру 4.

При подаче газа через отверстие d₃ в камеру 3 при соотношении давления между газовой средой Р и давлением P₁ в объеме камеры 3, превышающем отношение:
P₁/P=(2/k+1)^k/(k-1) (1)
(где k - показатель адиабаты), газ истекает в вакуум в виде сверхзвуковой струи определенной формы с формированием поперечного 11 и продольных 12 скачков уплотнения давления [4]. Положение скачков уплотнения давления 10 и 11 пропорционально перепаду давления на отверстии d₃, температуре газа, показателю адиабаты и другим параметрам потока. Расстояние Х_m от отверстия d₃ до поперечного скачка давления 11 (диска Маха) подчиняется выражению [4]:
Xm=0,7d₃(kP_j/P₁)^0,5 (2)
где P_j - давление на срезе отверстия d₃. Для воздуха P_j=0,528 Р; P₁ - давление в газовой камере вне струи.

Поперечный диаметр диска Маха d_m определяются выражением: (см. Кисляков Н. И., Ребров А.К, Шарафутдинов Р.Г. О структуре высоконапорных струй низкой плотности за сверхзвуковым соплом. ПМТФ, 1975, 2, с. 42-51).

d_m ≈ d₃(P_J/P_l)^0,5 (3)
При истечении потока в вакуум расстояние, при котором струя формирует первый цикл расширения, достигает предельного значения X_m на расстоянии, близком к 10 диаметрам отверстия истечения (см. [4] стр. 417). При этом поперечный размер струи также не превышает 10 размеров отверстия истечения d₃. Таким образом, при расстоянии между отверстиями "а" и "h" меньших, чем в выражениях (2) и (3), наблюдаются условия отражения скачков давления и проявление нестационарного локального давления в газовой камере 3. Проявление нестационарного давления вызывает, согласно закону Пашена, приоритетные зажигания низковольтного разряда в генераторе плазмы на область того или иного отверстия d₂. Для отражения струи и проявления нестационарных явлений важно, чтобы пролетное расстояние между стенками камеры "h" и между отверстиями "а" было меньше свободных размеров струи. Условие, когда диаметр отверстии d₁ меньше, чем расстояние "h" между пролетными отверстиями (h<X_m), является достаточным для проявления нестационарных явлений даже при одном отверстии. На этом этапе формируется нестационарный впрыск плазмы из введенной газовой камеры в камеру с обрабатываемым материалом.

Далее нестационарный впрыск плазмы вызывает перезажигание основного высоковольтного разряда в области между извлекающим электродом 7 и камерой 3. Разница между напряжением горения и зажигания разряда вкладывается в высокочастотные колебания и ионизационные процессы. При перезажигании возникает серия СВЧ-колебаний, которые далее используются для снятия поверхностного заряда с подложки.

Изменение "h" расстояния между отверстиями позволяет изменять частоту СВЧ-колебаний и настраиваться на оптимальную частоту, соответствующую энергии поверхностной связи. Введенная камера 3 одновременно выполняет роль перестраиваемого контура, что позволяет повысить КПД вложения СВЧ-энергии в обрабатываемый материал. Предлагаемое устройство сочетает в себе такие достоинства ионного травления, как хорошая проработка профиля травления, большая производительность вследствие большого тока и напряжения на источнике, а также преимущества СВЧ-травления - отсутствие заряда поверхности, работа при относительно высоком давлении в области извлекающего электрода.

Скорость ионного травления V определяется выражением: [5]
V = 6,25•10²³JSM₂/Nρ+V_S (4)
где J - плотность ионного тока, S - коэффициент распыления материала, M₂ - масса бомбардирующего иона, N - число Авогадро, ρ- плотность материала, V_S - скорость травления за счет СВЧ-составляющей.

Мощность, необходимая для СВЧ-травления, определяется выражением [6]:
W = 4,3FωR (5)
где F - площадь факела плазмы, ω- тепловая скорость частиц в плазме, R - энергия рекомбинации.

Сочетание ионного и СВЧ-травления позволяет проводить травление ионами паров металлов. Такие ионы гораздо тяжелее газовых, что повышает коэффициент травления.

Введенный в генератор плазмы коллектор электронов повышает производительность на величину превышения массы иона металла относительно массы иона газа. Например, при травлении ниобата лития масса иона ниобия в 2,5 раза превышает массу иона аргона. Дальнейшее повышение производительности при равности плотности ионных потоков достигается за счет высокочастотной мощности. Мощность, теряемая стационарным разрядом на генерацию СВЧ-колебаний, достигает 25% (см. Березин А.К., Файнберг Я.Б., Болотин Л.И. и др. О высокочастотных колебаниях, возбуждаемых при взаимодействии электронного пучка с плазмой. //Сб. Взаимодействие пучков заряженных частиц с плазмой под ред. К. Д. Синельникова. Киев, 1965, стр. 7, 23). В случае перезажигания колебательная мощность соизмерима с мощностью газового разряда. Таким образом, при перезажигании разряда работают как бы 2 источника - ионный и высокочастотный и, следовательно, производительность возрастает еще в 2 раза. В итоге общая производительность предлагаемого устройства по отношению к прототипу возрастает в 4,5 раза.

Кроме того, образец не подвергается вылету легких компонент, т.к. в генераторе плазмы в первую очередь образуются легколетучие компоненты испаряемого материала. Устройство впервые решает задачу травления многокомпонентных материалов. Основное преимущество предлагаемого решения в отсутствии СВЧ-генератора. Изготовить предлагаемое устройство на 10-15 кВт гораздо проще, чем изготовить СВЧ-генератор на 3-5 кВт. Устройство может использовать в качестве рабочего газа воздух, поскольку образец не греется и не происходит газофазных реакций формирования окисных и полимеризационных пленок. Это обстоятельство выгодно отличает предлагаемое устройство от прототипа с экономической точки зрения. Роль рабочего газа сводится к разбавлению концентрации углеводородов вследствие создания вакуума традиционными масляными средствами откачки.

В конкретном случае устройство представляет собой кольцевой генератор плазмы диаметром 120 мм, образованный кольцевыми алюминиевыми электродами 1 и 2. С нижней части генератора плазмы крепится газовая камера 3 в виде двух крышек, отстоящих друг от друга на расстоянии h=5 мм. В крышках выполнено 24 отверстия диаметром по 1 мм. Межосевое расстояние между отверстиями а=10 мм. Через штуцер с внутренним диаметром 1 мм газовая камера соединена с натекателем воздуха. Все устройство крепится на боковое смотровое окно рабочей камеры установки ионно-плазменного распыления УРМ 387. В рабочей камере расположен обрабатываемый материал (ниобат лития), располагающийся на некотором расстоянии от извлекающего электрода. Извлекающий электрод расположен на токовводе 7. На коллекторе 8 внутри генератора плазмы также расположен кристалл ниобата лития 9.

При обеспечении в рабочей камере давления на уровне 10 Па насосом НВЗ-20 от универсального источника питания УИП-1 подается напряжение 600-1000 В на генератор плазмы и в нем загорается тлеющий разряд током до 400 мА. Сходящийся электронный поток попадает на коллектор электронов, нагревает кристалл и разряд начинает гореть в парах лития и ниобия. Подача напряжения на извлекающий электрод 6 (9 кВ 400 мА) обеспечивает зажигание высоковольтного разряда между газовой камерой и извлекающим электродом. Начинается ионное травление образца в парах плазмы лития и ниобия. Напуск газа в газовую камеру с расходом 50 см³/час вызывает изменение локального давления в отверстиях. В силу закона Пашена разряд начинает хаотично сканировать по отверстиям, вызывая нестационарный впрыск плазмы в область высоковольтного разряда и его перезажигание. Разница между напряжением горения (5 кВ) и напряжением зажигания разряда (9 кВ) вкладывается в ионизационные процессы и СВЧ-колебания. СВЧ-колебания выделяются на частоте 5 МГц с помощью введенной газовой камеры, выполняющей роль резонатора. В итоге при мощности источника 3,6 кBт около 40% мощности (1,5 кВт) выделяется в виде СВЧ-мощности, затрачиваемой на травление.

Скорость травления, оцененная по микроскопу МИМ 7, составляет 5 мкм/час при прямоугольном профиле травления. В отсутствии газовой камеры скорость травления составляет 0,25 мкм/час. В итоге предлагаемое устройство с введенной газовой камерой имеет производительность, более чем в 8 раз превышающую производительность устройств без камеры.

Экономический эффект от применения предлагаемого устройства, кроме повышения производительности, достигается за счет отказа от операций восстановительной диффузии, корректирующей вылет компонент. После обработки ионами (без СВЧ) поверхность кристалла приобретает темный цвет и теряет оптические свойства. После обработки в предлагаемом устройстве цвет не меняется и оптические свойства сохраняются. Последующих операций по восстановлению оптических свойств не требуется. Кроме того, отпадает необходимость в СВЧ-генераторе. Экономится рабочий газ (чаще аргон или галогеносодержащие газы).

Таким образом, предлагаемое устройство обладает элементами новизны, существенно отличается от известных по физике работы и является полезным для производства.

Источники информации
1. Данилин Б.С., Сырчин В.K. Магнетронные распылительные системы. - М.: Радио и связь, 1982, с. 5-7.

2. Фундаментальные и прикладные аспекты распыления твердых тел//Сб. под ред. Е.С. Машковой.: Мир, 1989, - с. 67, раздел 2.5.

3. Орликов Л.Н. Устройство для ионной обработки проволочных материалов. Авт. свид. СССР 1589901.

4. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика М.: Наука, 1976, стр. 404.

5. Попов В.Ф., Горин Ю.Н. Процессы и установки электронно-ионной технологии. - М.: Высшая школа, 1988, - стр. 116.

6. Антонов В.А. Технология производства электровакуумных и полупроводниковых приборов М.: Высшая школа, 1979, стр.112, формула 4.20.

Изобретение относится к устройствам электронно-ионной технологии, в частности к газоразрядным устройствам для ионной очистки и травления материалов, и может найти применение при изготовлении элементной базы микроэлектроники из многокомпонентных материалов. Технологический результат - повышение производительности обработки. Устройство для ионной обработки материалов содержит генератор плазмы, извлекающие электрод с расположенной на нем подложкой, средства откачки и натекания газа, между генератором плазмы и извлекающим электродом введена газовая камера с пролетными отверстиями, диаметр которых меньше пролетного размера камеры, а в генератор плазмы введен коллектор, на который помещен материал подложки. 1 ил.

Устройство для ионной обработки материалов, содержащее генератор плазмы, извлекающий электрод с расположенной на нем подложкой, средства откачки и натекания газа, в котором между генератором плазмы и извлекающим электродом введена газовая камера с пролетными отверстиями, диаметр которых меньше пролетного размера камеры, а в генератор плазмы введен коллектор, на который помещен материал подложки.