ПЛАЗМЕННЫЙ РЕАКТОР И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ПЛАЗМЫ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2003 года по МПК H05H1/24 H05H1/46 H01J37/32 

Группа изобретений относится к плазменной технике и технологии обработки материалов. Изобретения могут использоваться в различных технологических процессах, для которых требуется генерация однородной плазмы высокой плотности, а также в источниках заряженных частиц, применяемых для травления материалов, нанесения покрытий, ионного ассистирования, ионной имплантации и выполнения других операций, связанных с модификацией обрабатываемых поверхностей.

В настоящее время известны различные типы плазменных реакторов и входящих в их состав устройств, предназначенных для генерации плазмы. Наиболее широкое применение в последние годы получили плазменные реакторы, основанные на использовании высокочастотного возбуждения газового разряда. К таким устройствам, например, относится плазменный реактор, описанный в международной заявке WO 91/10341 (МПК Н 05 Н 1/24, Н 05 Н 1/46, опубл. 11.07.1991). Известный плазменный реактор содержит осесимметричную разрядную камеру, на боковой стенке которой установлен индуктор, подключенный к первому источнику ВЧ-напряжения. В камере плазменной обработки материалов помещен массивный электрод, подключенный ко второму источнику ВЧ-напряжения. На верхней торцевой стенке разрядной камеры реактора установлена магнитная система, выполненная в виде параллельных сборок постоянных магнитов, обеспечивающих создание в полости камеры неоднородное стационарное магнитное поле, спадающее от стенок камеры к ее центральной части. Данное выполнение магнитной системы позволяет снизить потери вводимой в разрядный объем высокочастотной энергии за счет магнитной изоляции стенок разрядной камеры. Кроме того, взаимодействие стационарного магнитного поля и высокочастотного электрического поля повышает эффективность ионизации рабочего газа за счет дрейфа электронов в скрещенных электрическом и магнитном полях. Для создания магнитного поля в таком реакторе может применяться электромагнитная катушка, подключенная к источнику постоянного напряжения, и внешний магнитопровод. Реактор содержит также газораспределитель и систему отбора газа из камеры плазменной обработки. Известный плазменный реактор позволяет повысить в какой-то мере пространственную однородность плазменного образования, служащего источником ионов и радикалов для обработки материалов.

Известны также устройства для генерации пространственно однородной плазмы, включающие в свой состав разрядную камеру, на стенках которой размещается узел ввода высокочастотной энергии, выполненный, в частности, в виде индуктора, и магнитную систему, создающую в полости камеры неоднородное стационарное магнитное поле, спадающее в направлении от стенок камеры к ее центральной части (см., например, международную заявку WO 94/06263, МПК Н 05 Н 1/46, опубл. 17.03.1994).

Для повышения однородности генерируемой плазмы применяют также узлы ввода высокочастотной энергии, образованные изогнутыми участками электрического проводника, которые последовательно соединяются друг с другом замыкающими элементами и подключаются к ВЧ-генератору (см., например, европейскую заявку ЕР 0648069 А1, МПК Н 05 Н 1/46, H 01 J 37/32, опубл. 12.04.1995). Такой узел ввода энергии может размещаться в разрядном объеме в области спадающего стационарного магнитного поля. При таком расположении узел ввода разделяет разрядную камеру на два объема с раздельной подачей рабочего газа. В каждом из разрядных объемов генерируется газоразрядная плазма с равномерным распределением концентрации заряженных частиц. Однако такое конструктивное выполнение обладает существенными недостатками, связанными со сложностью конструкции, сложностью системы электропитания и системы подачи газа.

Многие технические решения направлены на модификацию узла ввода высокочастотной энергии с целью повышения равномерности распределения концентрации заряженных частиц в газоразрядной плазме, т.е. для повышения пространственной однородности плазменного образования. Так, например, из европейской заявки ЕР 0710055 А1 (МПК Н 05 Н 1/46, H 01 J 37/32, опубл. 01.05.1996) известен плазменный реактор, в котором узел ввода высокочастотной энергии выполнен в виде изогнутых в форме многозаходной спирали электрических проводников. Такой узел устанавливается на торцевой стенке разрядной камеры плазменного реактора, выполненной из диэлектрического материала. При этом все электрические проводники соединены в центральной точке, которая находится под потенциалом земли, а периферийные части проводников параллельно подключены к первому ВЧ-генератору. Кроме того, обрабатываемый материал (подложка) устанавливается на электроде, подключенном ко второму ВЧ-генератору. Использование такого узла ввода высокочастотной энергии способствует повышению равномерности распределения высокочастотного электрического поля по объему газоразрядной плазмы. В состав узла ввода высокочастотной энергии может входить дополнительная (вторая) секция, выполненная в виде индуктора в форме многозаходной спирали, который последовательно подключен к соответствующим виткам первой секции.

Наиболее близким аналогом по отношению к первому варианту патентуемого плазменного реактора и устройства для генерации плазмы, входящего в состав реактора, являются соответствующие реактор и устройство, описанные в европейской заявке ЕР 0633713 А1 (МПК Н 05 Н 1/46, H 01 J 37/32, опубл. 11.01.1995). Известный плазменный реактор содержит разрядную камеру с газораспределителем, камеру плазменной обработки материала в виде подложки, магнитную систему, создающую в полости камеры стационарное неоднородное магнитное поле, и узел ввода высокочастотной энергии с секцией, выполненной в виде последовательно соединенных участков электрического проводника. Секция узла ввода энергии установлена с внешней стороны диэлектрической стенки разрядной камеры. При этом участки электрического проводника секции узла ввода энергии соединены таким образом, что ток в размещенных напротив друг друга участках электрического проводника имеет противоположное направление. Электрические вводы узла ввода энергии соединены через систему согласования с источником ВЧ-напряжения. Данное техническое решение, хотя и позволяет частично повысить равномерность распределения концентрации заряженных частиц в центральной части разрядной камеры, расположенной напротив обрабатываемой подложки, однако пространственная однородность генерируемой с помощью такого устройства газоразрядной плазмы не достаточна для обработки подложек большого диаметра (до 300 мм и более) и больших объемов газообразного рабочего вещества. Это связано с неэффективным использованием пристеночной области разрядной камеры, в которой индукция магнитного поля имеет максимальное значение, а величина высокочастотного электрического поля минимальна. Данный недостаток особенно ярко проявляется при использовании разрядной камеры с протяженными боковыми стенками.

Наиболее близким аналогом по отношению ко второму варианту патентуемого плазменного реактора и устройства для генерации плазмы, входящего в состав реактора, являются соответствующие реактор и устройство, описанные в европейской заявке ЕР 0727923 А1 (МПК Н 05 Н 1/46, H 01 J 37/32, опубл. 21.08.1996). Известный плазменный ректор содержит разрядную камеру с газораспределителем, камеру обработки материала, магнитную систему, создающую в полости камеры стационарное неоднородное магнитное поле, и узел ввода высокочастотной энергии, состоящий из двух и более секций. Секции узла ввода энергии выполнены в виде изогнутых в форме многозаходных спиралей электрических проводников. При этом первая секция узла ввода энергии последовательно соединена со второй секцией, а каждая секция подключена к соответствующему источнику ВЧ-напряжения (см. фиг.20 европейской заявки ЕР 0727923). Первая секция узла ввода энергии устанавливается над центральной частью разрядной камеры, а вторая секция - вокруг первой секции. Источники ВЧ-напряжения, подключаемые к устройству для генерации плазмы, выполнены с возможностью изменения частоты напряжения. Данное техническое решение направлено на эффективное использование подводимой электрической энергии за счет подстройки оптимальной частоты источников ВЧ-напряжения в процессе нагрева газоразрядной плазмы и, соответственно, изменения собственной частоты плазмы (плазменных колебаний). При этом, как в выбранном прототипе, так и в других аналогах изобретения не решена задача, связанная с существенным повышением пространственной однородности газоразрядной плазмы для разрядных камер, характерные размеры которых превышают 300 мм. Для равномерной плазменной обработки материалов требуется высокая однородность плазмы по величине концентрации и величине средней энергии заряженных частиц, которая не должна быть более 10% вдоль размера обрабатываемой подложки или размера разрядной камеры.

Патентуемые изобретения направлены на решение технической задачи, связанной с генерацией пространственно однородных по плотности заряженных частиц плазменных образований, обладающих высокой плотностью и достаточными для обработки изделий и материалов пространственными размерами. Решение данной задачи связано с созданием плазменных реакторов и входящих в их состав устройств, предназначенных для генерации плазмы. Такие устройства должны обеспечивать равномерное распределение заряженных частиц в объеме плазмы при работе как на инертных газах, так и на химически активных газах. Указанная техническая задача определяет достижение следующих технических результатов: для патентуемого плазменного реактора достигаемым техническим результатом является повышение равномерности обработки материалов по площади обрабатываемой поверхности, а для патентуемого устройства для генерации плазмы - повышение пространственной однородности генерируемой плазмы по концентрации и средней энергии заряженных частиц.

Достижение указанного выше технического результата обеспечивается с помощью плазменного реактора, выполненного согласно первому варианту изобретения, который содержит разрядную камеру с газораспределителем, камеру обработки вещества, магнитную систему, создающую в полости камеры стационарное неоднородное магнитное поле, и узел ввода высокочастотной энергии с первой секцией, выполненной в виде последовательно соединенных участков электрического проводника. При этом участки проводника расположены с внешней стороны, по меньшей мере, одной диэлектрической стенки разрядной камеры и соединены таким образом, что ток в размещенных напротив друг друга участках электрического проводника имеет противоположное направление. Кроме того, согласно настоящему изобретению узел ввода высокочастотной энергии содержит вторую секцию, выполненную в виде спирально изогнутого электрического проводника. Вторая секция размещена с внешней стороны разрядной камеры на одной или нескольких ее диэлектрических стенках, а первая секция установлена над центральной частью разрядной камеры, а вторая секция - вокруг первой секции.

Такое конструктивное выполнение узла ввода высокочастотной энергии плазменного реактора обеспечивает равномерный нагрев электронной компоненты во всем объеме газоразрядной плазмы, ограниченной стенками разрядной камеры. Первая секция узла ввода энергии обеспечивает нагрев электронов в центральной области разрядной камеры за счет возбуждения собственных плазменных волн в газоразрядной плазме, находящейся в стационарном неоднородном магнитном поле. Вторая секция узла ввода энергии позволяет осуществить индукционный нагрев электронов в периферийных областях газоразрядной плазмы, ограниченной боковыми стенками разрядной камеры. При этом равномерный нагрев газоразрядной плазмы во всем объеме разрядной камеры обеспечивает соответствующее равномерное пространственное распределение электронов по величине концентрации и средней энергии. Следует отметить, что совмещение в одном устройстве возможности нагрева плазмы в центральной части разрядной камеры посредством возбуждения собственных плазменных волн и одновременно возможности индукционного нагрева периферийных областей плазмы принципиально отличает патентуемые устройства от известных устройств с многосекционными узлами ввода высокочастотной энергии. В традиционно применяемых средствах равномерного высокочастотного нагрева газоразрядной плазмы используются секции, выполненные в виде индукторов, осуществляющих нагрев плазмы лишь в ограниченных областях разрядного объема. В патентуемых устройствах одновременное использование механизма нагрева за счет возбуждения собственных волн и индукционного нагрева существенно увеличивает объем плазмы с величиной концентрации заряженных частиц, отличающейся не более чем на 5%.

Наилучшие результаты по однородности плазмы (по концентрации и средней энергии электронов) и, соответственно, по равномерности обработки поверхностей достигаются в случае последовательного соединения секций узла ввода высокочастотной энергии, которые подключаются к общему источнику ВЧ-напряжения.

Возможно также параллельное соединение между собой первой и второй секций узла ввода высокочастотной энергии. Секции узла ввода энергии могут быть независимо подключены к соответствующим высокочастотным генераторам.

Магнитная система плазменного реактора включает в свой состав, по меньшей мере, один источник магнитодвижущей силы, выполненный в виде электромагнитной катушки, установленной на боковой стенке разрядной камеры.

Магнитная система предпочтительно включает в свой состав, по меньшей мере, один дополнительный источник магнитодвижущей силы, выполненный в виде электромагнитной катушки, установленной на торцевой стенке разрядной камеры, на которой размещен узел ввода высокочастотной энергии.

Магнитная система плазменного реактора может включать в свой состав, по меньшей мере, один источник магнитодвижущей силы, выполненный в виде одного или нескольких постоянных магнитов, установленных на боковой стенке разрядной камеры.

Кроме того, магнитная система может содержать, по меньшей мере, один источник магнитодвижущей силы и магнитопровод, при этом источник магнитодвижущей силы размещен между боковой стенкой камеры и магнитопроводом.

Перечисленные варианты выполнения магнитной системы плазменного реактора в целом обеспечивают создание магнитного поля, величина индукции которого имеет максимальное значение у стенок разрядной камеры и спадает в направлении к центральной части разрядной камеры. Такое распределение магнитного поля необходимо для эффективного удержания электронов в разрядном объеме плазменного реактора.

Достижение указанного выше технического результата обеспечивается с помощью устройства для генерации плазмы, которое является частью плазменного реактора и включает в свой состав аналогичные элементы конструкции, за исключением камеры для обработки вещества. Устройство, выполненное согласно настоящему изобретению, обеспечивает равномерный нагрев электронной компоненты во всем объеме разрядной камеры и вследствие этого высокую пространственную однородность плазменного образования (по концентрации заряженных частиц и по энергии частиц).

Достижение технического результата обеспечивается также помощью плазменного реактора, выполненного согласно второму варианту изобретения, который содержит разрядную камеру с газораспределителем, камеру обработки вещества, магнитную систему, создающую в полости разрядной камеры стационарное неоднородное магнитное поле, и узел ввода высокочастотной энергии, по меньшей мере, с двумя секциями. Каждая секция выполняется в виде изогнутого в форме спирали электрического проводника, витки которого расположены с внешней стороны, по меньшей мере, одной диэлектрической стенки разрядной камеры. Кроме того, согласно настоящему изобретению первая и вторая секции выполнены в форме противоположно направленных спиралей (например, в форме левой и правой спиралей). Причем первая секция установлена над центральной частью разрядной камеры, а вторая секция - вокруг первой секции.

Так же, как и в первом варианте исполнения плазменного реактора, первая секция узла ввода энергии обеспечивает нагрев электронов в центральной области разрядной камеры за счет возбуждения собственных плазменных волн в газоразрядной плазме, находящейся в стационарном неоднородном магнитном поле. Вторая секция узла ввода энергии позволяет осуществить индуктивный нагрев электронов в периферийных областях газоразрядной плазмы, ограниченной боковыми стенками разрядной камеры. Равномерный нагрев газоразрядной плазмы во всем объеме разрядной камеры обеспечивает соответствующее равномерное пространственное распределение электронов по концентрации и по величине средней энергии.

Совмещение в одном устройстве возможности нагрева плазмы в центральной части разрядной камеры посредством возбуждения собственных плазменных волн и одновременно возможности индукционного нагрева периферийных областей плазмы принципиально отличает плазменный реактор, выполненный согласно второму варианту изобретения, от известных устройств с многосекционными узлами ввода высокочастотной энергии в форме спиралей. В традиционно применяемых средствах равномерного высокочастотного нагрева газоразрядной плазмы используются секции, выполненные в виде индукторов в форме спирали, с помощью которых осуществляется нагрев плазмы лишь в ограниченных областях разрядного объема. В патентуемых устройствах (плазменном реакторе и устройстве для генерации плазмы) одновременное использование механизма нагрева за счет возбуждения собственных волн и индукционного нагрева существенно увеличивает объем плазмы с величиной концентрации заряженных частиц, изменяющейся не более чем на 5%. При этом возбуждение собственных плазменных волн реализуется при использовании секций узла ввода высокочастотной энергии в виде спирально изогнутых проводников, выполненных в форме противоположно направленных спиралей (например, первая секция в форме левой, а вторая - в форме правой спирали). Такое выполнение спирально изогнутых проводников позволяет возбуждать колебания в плазме при взаимодействии протекающих через них высокочастотных токов.

Наилучшие результаты по однородности плазмы и, соответственно, по равномерности обработки поверхностей достигаются в случае последовательного соединения секций узла ввода высокочастотной энергии, которые подключаются к общему источнику ВЧ-напряжения. Возможно также параллельное соединение между собой первой и второй секций узла ввода высокочастотной энергии. Секции узла ввода энергии могут быть независимо подключены к соответствующим высокочастотным генераторам.

Так же, как и в первом варианте исполнения плазменного реактора, магнитная система включает в свой состав, по меньшей мере, один источник магнитодвижущей силы, выполненный в виде электромагнитной катушки, установленной на боковой стенке разрядной камеры. Магнитная система может включать в свой состав, по меньшей мере, один дополнительный источник магнитодвижущей силы, выполненный в виде электромагнитной катушки, установленной на торцевой стенке разрядной камеры, на которой размещен узел ввода высокочастотной энергии.

Магнитная система плазменного реактора может включать в свой состав, по меньшей мере, один источник магнитодвижущей силы, выполненный в виде одного или нескольких постоянных магнитов, установленных на боковой стенке разрядной камеры.

Кроме того, магнитная система может содержать, по меньшей мере, один источник магнитодвижущей силы и магнитопровод, при этом источник магнитодвижущей силы размещается между боковой стенкой камеры и магнитопроводом.

Распределение магнитного поля, создаваемое с помощью перечисленных конструктивных вариантов исполнения магнитной системы, позволяет осуществить эффективное удержание электронов в разрядном объеме устройства.

Достижение указанного выше технического результата обеспечивается с помощью устройства для генерации плазмы, которое является частью плазменного реактора, выполненного согласно второму варианту исполнения. Устройство включает в свой состав аналогичные элементы конструкции плазменного реактора, за исключением камеры для обработки вещества. Устройство для генерации плазмы также обеспечивает равномерный нагрев электронной компоненты во всем объеме разрядной камеры и вследствие этого высокую пространственную однородность плазменного образования (по концентрации и средней энергии заряженных частиц).

Далее группа патентуемых изобретений поясняется описанием конкретных примеров реализации и прилагаемыми чертежами, где
на фиг.1 схематично изображен разрез плазменного реактора в первом варианте исполнения с устройством для генерации плазмы;
на фиг. 2 схематично изображен вид сверху на торцевую стенку разрядной камеры плазменного реактора, изображенного на фиг.1;
на фиг. 3 схематично изображен разрез устройства для генерации плазмы, входящего в состав плазменного реактора, с магнитопроводами и дополнительным источником магнитодвижущей силы;
на фиг. 4 схематично изображен разрез устройства для генерации плазмы, входящего в состав плазменного реактора, с источником магнитодвижущей силы в виде сборок постоянных магнитов;
на фиг.5 схематично изображен разрез плазменного реактора во втором варианте исполнения с устройством для генерации плазмы;
на фиг. 6 схематично изображен вид сверху на торцевую стенку разрядной камеры плазменного реактора, изображенного на фиг.5.

Плазменный реактор, выполненный согласно первому варианту изобретения (см. фиг.1 и 2), включает в свой состав разрядную камеру осесимметричной формы с цилиндрической боковой стенкой 1, выполненной из немагнитного материала (алюминий), и торцевой диэлектрической стенкой 2 (кварцевое стекло). В верхней части разрядной камеры установлен газораспределитель 3, обеспечивающий равномерную подачу рабочего газа в разрядный объем камеры. Установочный фланец 4 разрядной камеры герметично соединен с установочным фланцем 5 камеры плазменной обработки вещества.

Магнитная система плазменного реактора содержит электромагнитные катушки 6 и 7, установленные соответственно у торцевой диэлектрической стенки 2 и вблизи установочного фланца 4. С помощью катушек 6 и 7, подключенных к источнику тока (не показан), создается неоднородное магнитное поле, спадающее к центру разрядной камеры.

На торцевой диэлектрической стенке 2 установлен узел 8 ввода высокочастотной энергии (ВЧ-антенна) с электрическими вводами 9 и 10, которые соединены через систему 11 согласования с источником 12 ВЧ-напряжения. Узел 8 ввода энергии состоит из двух секций (см. фиг.2), расположенных в одной плоскости на стенке 2. Первая секция выполнена в виде последовательно соединенных участков электрического проводника 13. Участки проводника 13 расположены параллельно друг другу, при этом ток в размещенных напротив друг друга участках имеет противоположное направление. Вторая секция выполнена в виде спирально изогнутого проводника 14. Первая секция узла 8 ввода энергии установлена над центральной частью разрядной камеры, а вторая - вокруг первой секции.

В рассматриваемом примере выполнения (см. фиг.2) секции узла 8 ввода энергии соединены последовательно между собой, однако это не исключает возможности параллельного соединения секций либо возможность независимого подключения секций к соответствующим источникам ВЧ-напряжения.

Составной частью плазменного реактора является устройство для генерации плазмы, герметично соединенное с установочным фланцем 5 камеры для плазменной обработки вещества (см. фиг.1 и 2). В состав устройства для генерации плазмы входит разрядная камера с боковой стенкой 1 и торцевой стенкой 2, газораспределитель 3, установочный фланец 4, магнитная система с электромагнитными катушками 6 и 7 и узел 8 ввода высокочастотной энергии с электрическими вводами 9 и 10, которые соединены через систему 11 согласования с источником 12 ВЧ-напряжения.

В одном из примеров исполнения устройства для генерации плазмы, показанном на фиг.3, магнитная система содержит дополнительную электромагнитную катушку, расположенную на торцевой стенке 2 разрядной камеры. Внешний диаметр дополнительной катушки 15 меньше внутреннего диаметра разрядной камеры. В состав магнитной системы входит также магнитопровод, состоящий из отдельных магнитопроводящих сегментов 16, равномерно расположенных по окружности с внешней стороны разрядной камеры. Магнитопроводящие сегменты 16 предназначены для выравнивания магнитного поля вдоль внутренней поверхности боковой стенки 1 разрядной камеры. При данном конструктивном исполнении электромагнитные катушки 6 и 7 устанавливаются между боковой стенкой 1 и магнитопроводящими сегментами 16.

В другом примере исполнения устройства для генерации плазмы (см. фиг.4), входящего в состав плазменного реактора, источники магнитодвижущей силы выполнены в виде сборок 17, состоящих из отдельных постоянных магнитов 18, установленных с внешней стороны боковой стенки 1 равномерно по окружности вокруг разрядной камеры. Сборки 17 постоянных магнитов 18 крепятся по периметру разрядной камеры между торцевой стенкой 2 и установочным фланцем 4. При этом между сборками 17 постоянных магнитов 18 и торцевой стенкой 2, а также между сборками 17 и установочным фланцем 4 размещаются кольцеобразные магнитопроводы 19 и 20, обеспечивающие заданное распределение магнитного поля в полости разрядной камеры. Дополнительные магнитопроводы могут использоваться в целях корректировки распределения магнитного поля в различных вариантах исполнения конструкции устройства для генерации плазмы и плазменного реактора, включая вариант выполнения конструкции с источниками магнитодвижущей силы в виде электромагнитных катушек.

Плазменный реактор, выполненный согласно второму варианту изобретения (см. фиг.5 и 6), включает в свой состав разрядную камеру осесимметричной формы с цилиндрической боковой стенкой 21, изготовленной из немагнитного материала (алюминий), и торцевой диэлектрической стенкой 22 (кварцевое стекло). В верхней части разрядной камеры установлен газораспределитель 23. Установочный фланец 24 разрядной камеры герметично соединен с установочным фланцем 25 камеры плазменной обработки рабочего вещества. Магнитная система плазменного реактора содержит электромагнитные катушки 26 и 27, подключенные к источнику тока (не показан).

На торцевой диэлектрической стенке 22 установлен узел 28 ввода высокочастотной энергии с электрическими вводами 29 и 30, которые соединены через систему 31 согласования с источником 32 ВЧ-напряжения. Узел 28 ввода энергии состоит из двух секций (см. фиг.6), расположенных в одной плоскости на торцевой стенке 22. Первая и вторая секции выполнены в виде изогнутых в форме спирали электрических проводников 33 и 34 соответственно. Отличительной особенностью плазменного реактора, выполненного согласно второму варианту изобретения, является то, что первая и вторая секции узла 28 ввода энергии имеют форму противоположно направленных спиралей (левой и правой спирали). Первая секция узла 28 ввода энергии установлена над центральной частью разрядной камеры, а вторая - вокруг первой секции.

В рассматриваемом примере выполнения (см. фиг.5) секции узла 28 ввода энергии соединены последовательно между собой, однако это не исключает возможность параллельного соединения секций либо возможность независимого подключения секций к соответствующему (из двух) источнику ВЧ-напряжения.

Составной частью плазменного реактора, выполненного согласно второму варианту изобретения, является устройство для генерации плазмы, герметично соединенное с установочным фланцем 25 камеры для плазменной обработки вещества (см. фиг.5 и 6). В состав устройства для генерации плазмы входит разрядная камера с боковой стенкой 21 и торцевой стенкой 22, газораспределитель 23, установочный фланец 24, магнитная система с электромагнитными катушками 26 и 27, и узел 28 ввода высокочастотной энергии с электрическими вводами 29 и 30, которые соединены через систему 31 согласования с источником 32 ВЧ-напряжения.

В одном из примеров исполнения устройства для генерации плазмы - аналогично соответствующему примеру исполнения конструкции устройства для генерации плазмы согласно первому варианту изобретения (см. фиг.3) - магнитная система может содержать дополнительную электромагнитную катушку, расположенную на торцевой стенке 22 разрядной камеры. В состав магнитной системы может входить также магнитопровод, состоящий из отдельных магнитопроводящих сегментов, равномерно расположенных по окружности с внешней стороны разрядной камеры. При указанном конструктивном исполнении электромагнитные катушки 26 и 27 устанавливаются между боковой стенкой 21 и магнитопроводящими сегментами.

В другом примере исполнения устройства для генерации плазмы - аналогично соответствующему примеру исполнения конструкции устройства для генерации плазмы согласно первому варианту изобретения (см. фиг.4) - источники магнитодвижущей силы выполнены в виде сборок постоянных магнитов, установленных с внешней стороны боковой стенки 21 равномерно по окружности вокруг разрядной камеры.

Работа плазменного реактора и входящего в его состав устройства для генерации плазмы, которые выполнены в соответствии с первым вариантом изобретения, осуществляется следующим образом.

Рабочий газ, в качестве которого используется инертный газ аргон, равномерно подается в полость разрядной камеры через газораспределитель 3 (см. фиг.1 и 2). При этом возможно использование в качестве рабочего газа химически активного газа. В разрядном объеме, ограниченном боковой 1 и торцевой 2 стенками разрядной камеры, создается стационарное неоднородное магнитное поле при пропускании электрического тока через электромагнитные катушки 6 и 7. Величина индукции магнитного поля выбирается из условия возбуждения собственных плазменных колебаний в центральной части разрядной камеры при вводе высокочастотной энергии. Генерируемое с помощью электромагнитных катушек 6 и 7 магнитное поле спадает в направлении от боковой стенки 1 к центру разрядной камеры. Такой характер распределения магнитного поля (эффект "магнитной стенки") определяет возможность удержания электронов в разрядном объеме при интенсивном вводе высокочастотной энергии в разрядную камеру. Наиболее эффективное удержание заряженных частиц в разрядном объеме и, соответственно, эффективное использование подводимой высокочастотной энергии достигается при использовании дополнительной электромагнитной катушки 15 и внешнего магнитопровода, выполненного в виде магнитопроводящих сегментов 16 (см. фиг.3). Применение дополнительных элементов магнитной системы позволяет наиболее равномерно распределить изолирующее магнитное поле вдоль поверхности не только боковой стенки 1 разрядной камеры, но и вдоль ее торцевой стенки 2.

В одном из вариантов выполнения плазменного реактора и устройства для генерации плазмы (см. фиг.4) магнитное поле может создаваться с помощью постоянных магнитов 18, выполненных в виде сборок 17, которые равномерно установлены по окружности вокруг разрядной камеры между торцевой стенкой 2 и установочным фланцем 4. Распределение магнитного поля в разрядной камере при таком выполнении магнитной системы корректируется с помощью кольцеобразных магнитопроводов 19 и 20, размещенных между сборками 17 и торцевой стенкой 2, а также между сборками 17 и установочным фланцем 4.

После заполнения разрядной камеры аргоном и создания в стационарного неоднородного магнитного поля заданной конфигурации включается источник 12 ВЧ-напряжения, и высокочастотная энергия с помощью узла 8 ввода высокочастотной энергии, подключенного через систему 11 согласования и электрические вводы 9 и 10 к источнику 12 ВЧ-напряжения, вводится в разрядную камеру через торцевую диэлектрическую стенку 2.

Равномерный и эффективный нагрев электронной компоненты во всем разрядном объеме осуществляется за счет применения узла 8 ввода энергии, выполненного согласно настоящему изобретению. С помощью первой секции узла 8 ввода энергии, которая изготовлена в виде параллельно размещенных и последовательно соединенных участков электрического проводника 13 (см. фиг.2), в разрядном объеме возбуждаются собственные плазменные волны за счет взаимодействия стационарного магнитного поля и электрической компоненты генерируемого высокочастотного поля. Возбуждение собственных плазменных волн реализуется при протекании переменного высокочастотного тока в размещенных напротив друг друга участках электрического проводника 13 в противоположных направлениях (см. фиг. 2). При этом размер и количество участков электрического проводника выбираются такими, чтобы генерация плазмы осуществлялась с максимальной плотностью и равномерностью в области размещения обрабатываемого образца.

С помощью второй секции узла 8 ввода энергии, выполненной в виде изогнутого в форме спирали электрического проводника 14, осуществляется возбуждение в периферийной кольцевой области разрядной камеры индукционного высокочастотного разряда и индукционный нагрев электронов.

В результате проведенных экспериментов были получены следующие результаты.

При использовании в качестве рабочего газа аргона частота генерируемого в разрядной камере ВЧ-разряда выбиралась в диапазоне от 10 до 100 МГц в зависимости от требуемой концентрации плазмы. Величина вводимой в разрядную камеру с помощью узла 8 ввода энергии ВЧ-мощности составляла от 20 Вт до 2 кВт. Максимальное значение индукции магнитного поля у стенок разрядной камеры изменялось в диапазоне от 0,01 до 0,1 Тл. Величина концентрации плазмы изменялась в зависимости от вкладываемой мощности от 10•10⁹ до 10•10¹¹ см^-3. При фиксированной величине вкладываемой в разрядную камеру ВЧ-мощности удалось получить однородное плазменное образование диаметром 240 мм в полости камеры диаметром 500 мм и высотой 100 мм. Неоднородность плазменного образования по величине концентрации и средней энергии электронов в радиальном направлении составляла не более 5%. Соответствующие результаты по равномерности обработки были получены при плазменной обработке подложки диаметром 300 мм, которая размещалась напротив выходного эмиссионного отверстия разрядной камеры.

Работа плазменного реактора и входящего в его состав устройства для генерации плазмы, которые выполнены в соответствии со вторым вариантом изобретения, осуществляется аналогичным образом, как и для первого варианта изобретения.

Рабочий газ (аргон) подается в разрядную камеру через газораспределитель 23 (см. фиг.5 и 6). В разрядном объеме, ограниченном боковой 21 и торцевой 22 стенками разрядной камеры, создается стационарное неоднородное магнитное поле при пропускании электрического тока через электромагнитные катушки 26 и 27. Генерируемое с помощью электромагнитных катушек 26 и 27 магнитное поле спадает в направлении от боковой стенки 21 к центру разрядной камеры.

Наиболее эффективное удержание заряженных частиц в разрядном объеме и, соответственно, эффективное использование подводимой высокочастотной энергии достигается при использовании дополнительной электромагнитной катушки и внешнего магнитопровода, выполненного в виде магнитопроводящих сегментов (аналогично первому варианту изобретения, изображенному на фиг.3).

В одном из вариантов выполнения плазменного реактора и устройства для генерации плазмы (аналогично тому, как это реализуется для первого варианта изобретения, изображенного на фиг. 4) магнитное поле может создаваться с помощью постоянных магнитов, выполненных в виде сборок, которые равномерно устанавливаются по окружности вокруг разрядной камеры между торцевой стенкой 22 и установочным фланцем 24.

После заполнения разрядной камеры аргоном и создания в полости камеры стационарного неоднородного магнитного поля заданной конфигурации включается источник 32 ВЧ-напряжения. Высокочастотная энергия с помощью узла 28 ввода высокочастотной энергии, подключенного через систему 31 согласования и электрические вводы 29 и 30 к источнику 32 ВЧ-напряжения, вводится в разрядную камеру через торцевую диэлектрическую стенку 22.

Равномерный и эффективный нагрев электронной компоненты во всем разрядном объеме осуществляется за счет применения узла 28 ввода энергии, выполненного согласно второму варианту изобретения. С помощью узла 28 ввода энергии, две секции которого выполнены в виде изогнутых в форме спиралей электрических проводников 33 и 34 (см. фиг.6), в разрядном объеме возбуждаются собственные плазменные волны за счет взаимодействия стационарного магнитного поля и электрической компоненты генерируемого высокочастотного поля. Возбуждение собственных плазменных волн реализуется при протекании переменного высокочастотного тока через электрические проводники 33 и 34 в противоположных направлениях. Направление протекания тока через проводники 33 и 34 и, соответственно, генерация высокочастотного поля (возбуждение высокочастотных колебаний) при взаимодействии токов обеспечивается за счет того, что первая и вторая секции узла 28 имеют форму противоположно направленных спиралей. При этом размер и количество витков спиралей первой и второй секций выбираются такими, чтобы генерация плазмы осуществлялась с максимальной плотностью и равномерностью в области размещения обрабатываемого образца.

Проведенные эксперименты подтверждают получение данного технического результата. В указанных выше условиях, при которых проводились испытания плазменного реактора и входящего в его состав устройства для генерации плазмы, выполненных согласно первому варианту изобретения, был получен следующий результат для второго варианта изобретения. При фиксированной величине вкладываемой в разрядную камеру ВЧ-мощности удалось получить однородное плазменное образование диаметром 300 мм в полости камеры диаметром 500 мм и высотой 150 мм. Внешний диаметр узла ввода высокочастотной энергии, установленного на торцевой стенке разрядной камеры, составлял 420 мм. Неоднородность плазменного образования по величине концентрации и средней энергии электронов в радиальном направлении составляла не более 5%.

Соответствующие результаты по равномерности обработки были получены при плазменной обработке подложки диаметром 300 мм, которая размещалась напротив выходного эмиссионного отверстия разрядной камеры.

Патентуемые изобретения могут использоваться при разработке технологического оборудования для осуществления плазменной и пучковой обработки изделий и материалов, в том числе и полупроводниковых материалов. Генерация однородной плазмы высокой концентрации достаточно больших размеров (до 300 мм и более) с использованием средств, основанных на патентуемых изобретениях, позволяет осуществить различные непрерывные технологические процессы, включая нанесение покрытий, ионную имплантацию, ионное ассистирование, очистку обрабатываемой поверхности и модифицирование поверхностных свойств обрабатываемых материалов.

Группа изобретений относится к плазменной технике и технологии обработки материалов. Плазменный реактор содержит разрядную камеру с газораспределителем, камеру обработки вещества, магнитную систему, создающую в полости камеры стационарное неоднородное магнитное поле, и узел ввода высокочастотной энергии, состоящий из двух секций. В первом варианте исполнения первая секция выполнена в виде последовательно соединенных участков электрического проводника, которые расположены с внешней стороны диэлектрической стенки разрядной камеры. Ток в размещенных напротив друг друга участках электрического проводника имеет противоположное направление. Вторая секция выполнена в виде спирально изогнутого электрического проводника и размещена с внешней стороны разрядной камеры на одной или нескольких ее диэлектрических стенках. Первая секция установлена над центральной частью разрядной камеры, а вторая секция вокруг первой секции. Во втором варианте исполнения первая секция узла ввода высокочастотной энергии выполнена в виде изогнутого в форме спирали электрического проводника, витки которого расположены с внешней стороны диэлектрической стенки разрядной камеры. Первая и вторая секции образованы в форме противоположно направленных спиралей, причем первая секция установлена над центральной частью разрядной камеры, а вторая секция вокруг первой секции. Использование изобретений позволяет генерировать пространственно однородные по концентрации области плотной плазмы, используемой для равномерной обработки материалов. 4 с. и 28 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Плазменный реактор, содержащий разрядную камеру с газораспределителем, камеру плазменной обработки вещества, магнитную систему, создающую в полости разрядной камеры стационарное неоднородное магнитное поле, узел ввода высокочастотной энергии с первой секцией, выполненной в виде последовательно соединенных участков электрического проводника, которые расположены с внешней стороны по меньшей мере одной диэлектрической стенки разрядной камеры и соединены таким образом, что ток в размещенных напротив друг друга участках электрического проводника имеет противоположное направление, отличающийся тем, что узел ввода высокочастотной энергии содержит вторую секцию, выполненную в виде спирально изогнутого электрического проводника, при этом вторая секция размещена с внешней стороны разрядной камеры на одной или нескольких ее диэлектрических стенках, первая секция установлена над центральной частью разрядной камеры, а вторая секция вокруг первой секции. 2. Плазменный реактор по п. 1, отличающийся тем, что первая и вторая секции узла ввода высокочастотной энергии последовательно соединены между собой. 3. Плазменный реактор по п. 1, отличающийся тем, что первая и вторая секции узла ввода высокочастотной энергии параллельно соединены между собой. 4. Плазменный реактор по п. 1, отличающийся тем, что первая и вторая секции узла ввода высокочастотной энергии независимо подключены к высокочастотным генераторам. 5. Плазменный реактор по п. 1, отличающийся тем, что магнитная система включает в свой состав по меньшей мере один источник магнитодвижущей силы, выполненный в виде электромагнитной катушки, установленной на боковой стенке разрядной камеры. 6. Плазменный реактор по п. 5, отличающийся тем, что магнитная система включает в свой состав по меньшей мере один дополнительный источник магнитодвижущей силы, выполненный в виде электромагнитной катушки, установленной на торцевой стенке разрядной камеры, на которой размещен узел ввода высокочастотной энергии. 7. Плазменный реактор по п. 1, отличающийся тем, что магнитная система включает в свой состав по меньшей мере один источник магнитодвижущей силы, выполненный в виде одного или нескольких постоянных магнитов, установленных на боковой стенке разрядной камеры. 8. Плазменный реактор по п. 1, отличающийся тем, что магнитная система включает в свой состав по меньшей мере один источник магнитодвижущей силы и магнитопровод, при этом источник магнитодвижущей силы размещен между боковой стенкой камеры и магнитопроводом. 9. Устройство для генерации плазмы, содержащее разрядную камеру с газораспределителем, магнитную систему, создающую в полости камеры стационарное неоднородное магнитное поле, узел ввода высокочастотной энергии с первой секцией, выполненной в виде последовательно соединенных участков электрического проводника, которые расположены с внешней стороны по меньшей мере одной диэлектрической стенки разрядной камеры и соединены таким образом, что ток в размещенных напротив друг друга участках электрического проводника имеет противоположное направление, отличающееся тем, что узел ввода высокочастотной энергии содержит вторую секцию, соединенную с первой секцией, выполненной в виде спирально изогнутого электрического проводника, при этом вторая секция размещена с внешней стороны разрядной камеры на одной или нескольких ее диэлектрических стенках, первая секция установлена над центральной частью разрядной камеры, а вторая секция вокруг первой секции. 10. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что первая и вторая секции узла ввода высокочастотной энергии последовательно соединены между собой. 11. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что первая и вторая секции узла ввода высокочастотной энергии параллельно соединены между собой. 12. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что первая и вторая секции узла ввода высокочастотной энергии независимо подключены к высокочастотным генераторам. 13. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что магнитная система включает в свой состав по меньшей мере один источник магнитодвижущей силы, выполненный в виде электромагнитной катушки, установленной на боковой стенке разрядной камеры. 14. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что магнитная система включает в свой состав по меньшей мере один дополнительный источник магнитодвижущей силы, выполненный в виде электромагнитной катушки, установленной на торцевой стенке разрядной камеры, на которой размещен узел ввода высокочастотной энергии. 15. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что магнитная система включает в свой состав по меньшей мере один источник магнитодвижущей силы, выполненный в виде одного или нескольких постоянных магнитов, установленных на боковой стенке разрядной камеры. 16. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что магнитная система включает в свой состав по меньшей мере один источник магнитодвижущей силы и магнитопровод, при этом источник магнитодвижущей силы размещен между боковой стенкой камеры и магнитопроводом. 17. Плазменный реактор, содержащий разрядную камеру с газораспределителем, камеру обработки вещества, магнитную систему, создающую в полости разрядной камеры стационарное неоднородное магнитное поле, узел ввода высокочастотной энергии по меньшей мере с двумя секциями, каждая из которых выполнена в виде изогнутого в форме спирали электрического проводника, витки которого расположены с внешней стороны по меньшей мере одной диэлектрической стенки разрядной камеры, отличающийся тем, что первая и вторая секции узла ввода высокочастотной энергии выполнены в форме противоположно направленных спиралей, причем первая секция установлена над центральной частью разрядной камеры, а вторая секция вокруг первой секции. 18. Плазменный реактор по п. 17, отличающийся тем, что первая и вторая секции узла ввода высокочастотной энергии последовательно соединены между собой. 19. Плазменный реактор по п. 17, отличающийся тем, что первая и вторая секции узла ввода высокочастотной энергии параллельно соединены между собой. 20. Плазменный реактор по п. 17, отличающийся тем, что первая и вторая секции узла ввода высокочастотной энергии независимо подключены к высокочастотным генераторам. 21. Плазменный реактор по п. 17, отличающийся тем, что магнитная система включает в свой состав по меньшей мере один источник магнитодвижущей силы, выполненный в виде электромагнитной катушки, установленной на боковой стенке разрядной камеры. 22. Плазменный реактор по п. 21, отличающийся тем, что магнитная система включает в свой состав по меньшей мере один дополнительный источник магнитодвижущей силы, выполненный в виде электромагнитной катушки, установленной на торцевой стенке разрядной камеры, на которой размещен узел ввода высочастотной энергии. 23. Плазменный реактор по п. 17, отличающийся тем, что магнитная система включает в свой состав по меньшей мере один источник магнитодвижущей силы, выполненный в виде одного или нескольких постоянных магнитов, установленных на боковой стенке разрядной камеры. 24. Плазменный реактор по п. 17, отличающийся тем, что магнитная система включает в свой состав по меньшей мере один источник магнитодвижущей силы и магнитопровод, при этом источник магнитодвижущей силы размещен между боковой стенкой камеры и магнитопроводом. 25. Устройство для генерации плазмы, содержащее разрядную камеру с газораспределителем, магнитную систему, создающую в полости камеры стационарное неоднородное магнитное поле, узел ввода высокочастотной энергии по меньшей мере с двумя секциями, каждая из которых выполнена в виде изогнутого в форме спирали электрического проводника, витки которого расположены с внешней стороны по меньшей мере одной диэлектрической стенки разрядной камеры, отличающееся тем, что первая и вторая секции узла ввода высокочастотной энергии выполнены в форме противоположно направленных спиралей, причем первая секция установлена над центральной частью разрядной камеры, а вторая секция вокруг первой секции. 26. Устройство по п. 25, отличающееся тем, что первая и вторая секции узла ввода высокочастотной энергии последовательно соединены между собой. 27. Устройство по п. 25, отличающееся тем, что первая и вторая секции узла ввода высокочастотной энергии параллельно соединены между собой. 28. Устройство по п. 25, отличающееся тем, что первая и вторая секции узла ввода высокочастотной энергии независимо подключены к высокочастотным генераторам. 29. Устройство по п. 25, отличающееся тем, что магнитная система включает в свой состав по меньшей мере один источник магнитодвижущей силы, выполненный в виде электромагнитной катушки, установленной на боковой стенке разрядной камеры. 30. Устройство по п. 29, отличающееся тем, что магнитная система включает в свой состав по меньшей мере один дополнительный источник магнитодвижущей силы, выполненный в виде электромагнитной катушки, установленной на торцевой стенке разрядной камеры, на которой размещен узел ввода высокочастотной энергии. 31. Устройство по п. 25, отличающееся тем, что магнитная система включает в свой состав по меньшей мере один источник магнитодвижущей силы, выполненный в виде одного или нескольких постоянных магнитов, установленных на боковой стенке разрядной камеры. 32. Устройство по п. 25, отличающееся тем, что магнитная система включает в свой состав по меньшей мере один источник магнитодвижущей силы и магнитопровод, при этом источник магнитодвижущей силы размещен между боковой стенкой камеры и магнитопроводом.