УСТРОЙСТВО ДЛЯ МИКРОВОЛНОВОЙ ВАКУУМНО-ПЛАЗМЕННОЙ С ЭЛЕКТРОННО-ЦИКЛОТРОННЫМ РЕЗОНАНСОМ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ Российский патент 2004 года по МПК H01J37/08 H05H1/46 H01L21/00 H01J37/32 C30B35/00 

Изобретение относится к вакуумно-плазменной обработке (очистке, осаждению, травлению и т.д.) потоками ионов, атомов молекул и радикалов молекулярных газов слоев и пленочных материалов в электронике.

Известно устройство для микроволновой плазменной обработки с электронно-циклотронным резонансом (ЭЦР) поверхностей материалов [1], в котором реализуется преобразование мод из моды Т₁₀ в передающем волноводе в моду ТМ_0n, а затем происходит передача энергии излучения СВЧ в область плазмообразования. Генерация плазмы производится в круглом волноводе, который отделен от передающего волновода кварцевым окном. Для создания ЭЦР в плазме используется магнитное поле электромагнитов.

Недостатком описанного устройства является то, что вблизи ввода СВЧ-плазмы образуется скин-слой, и дальнейшее увеличение мощности не приводит к увеличению концентрации заряженных частиц из-за отражения СВЧ-электромагнитной волны от этого участка.

Наиболее близким по технической сущности, принятым за прототип, является источник СВЧ-плазмы, снабженный сеткой, при подаче на которую определенного потенциала формируется направленный поток частиц [2].

Недостатком описанной конструкции является использование электромагнитных катушек, создающих магнитное поле для ЭЦР эффекта, напряженность которого медленно падает при удалении от области плазмообразования, что приводит к снижению интенсивности потока частиц на образец. Это связано с увеличением габаритов и массы магнитной системы, что влияет на стоимость оборудования.

Другим недостатком является использование электрода в виде сетки с подключенным к нему генератором радиочастотных импульсов в качестве устройства для вытягивания ионов. При этом происходит распыление материала сетки, и атомы неконтролируемой примеси попадают на подложку образца.

Технической задачей изобретения является создание устройства для вакуумно-плазменной обработки материалов электронной техники, повышающего степень ионизации плазмы и формирующего направленный однородный поток заряженных частиц с помощью постоянных кольцевых магнитов, расположенных на поверхности, вне вакуумной камеры.

Достигается это тем, что устройство для микроволновой вакуумно-плазменной с электронно-циклотронным резонансом обработки поверхности твердого тела, включающее микроволновой генератор, реактор и магнитную систему, снабжено открытым низкодобротным СВЧ-резонатором, выполненным в виде усеченного конуса, который автоматически согласует импедансы плазмы - нагрузки и микроволнового генератора, формирует рабочую моду Е₀₁₀ и направляет излучение СВЧ в область плазмообразования, при этом для создания направленного потока ионов высокой плотности на обрабатываемую поверхность используется магнитная система, магнитные полюса которой разной полярности, замкнутые магнитопроводом с наружной стороны реактора, создают внутри него магнитное поле, контур силовых линий которого формируется за счет незамкнутых полюсов магнитной системы, причем используется только нижняя составляющая магнитного поля, образованного верхним кольцом магнитов, прилегающих к резонатору.

Четвертьволновой резонатор, являющийся устройством ввода СВЧ-энергии, представляет собой полую конструкцию в виде усеченного конуса, выполненного из меди или ее сплавов. Из условия резонанса следует, что геометрические размеры резонатора определяются по формуле
l_рез = 2R = (2p-1)λ_в/4, (1)
где λ_в - длина волны в вакууме,
р = 2, 3 и т.д.

Возможный диапазон перестройки резонатора удовлетворяет соотношениям
2,7R≤λ≤3,2R. (2)
Принимая значения
R₁ = λ_в/3,2, R₂ = λ_в/2,7, ,
получаем резонансный контур (фиг.2) с добротностью Q₀=9÷40. При изменении проводимости плазмы и ее импеданса, являющегося нагрузкой открытого резонатора, изменяется его добротность. С увеличением проводимости плазмы добротность падает, что приводит к автоматическому регулированию передачи СВЧ-излучения.

На фиг. 1 приведено устройство для микроволновой вакуумно-плазменной с ЭЦР обработки поверхности твердого тела.

На фиг.2 показана структура электромагнитных полей открытого резонатора.

На фиг.3 показана структура магнитных силовых линий.

Устройство представляет собой микроволновый генератор СВЧ 1, расположенный непосредственно на открытом коническом резонаторе 2, прилегающем к реактору 3 через кварцевое вакуумно-плотное окно 8. В верхней части реактора 3 расположено магнитное кольцо 4, замкнутое с внешней стороны с нижним магнитным кольцом 5, магнитопроводом 6. Обрабатываемая пластина 7 расположена в нижней части реактора, 9 - система откачки газов, 10 - система напуска газа.

Микроволновое излучение с рабочей модой Е₀₁₀ [3] (напряженности электромагнитного поля аксиально-симметричны) поступает через кварцевое окно в зону плазмообразования реактора 3, производя ионизацию рабочего газа. Причем вектор электрической составляющей электромагнитной волны с модой Е₀₁₀ и прикладываемое магнитное поле в зоне плазмообразования реактора образуют ортогональную систему, в которой реализуется ЭЦР. Вместе с тем в скрещенных полях происходит дрейф электронов в направлении, ортогональном [Е•В].

В этом случае электрон, вращаясь вокруг силовых линий магнитного поля по циклотронным орбитам, одновременно дрейфует по спирали к оси симметрии системы [4], что приводит к увеличению траектории движения электрона, повышая тем самым количество столкновений с частицами, а следовательно, и степень ионизации рабочего газа. Затем электрон покидает зону плазмообразования, следуя магнитным силовым линиям (фиг.3). Образованный в результате ухода электронов избыток ионов создает своим пространственным зарядом потенциал положительного знака, который, воздействуя на ионы, создает их направленный поток [5] на обрабатываемую поверхность.

Источники информации
1. Патент Японии 63-273408 от 28.10.88.

2. Патент США 5399830 от 21.03.1995.

3. А.М. Чернушенко и др. Конструкция экранов и СВЧ-устройств, М.: Радио и связь, 1990.

4. В.Е. Голант и др. Основы физики плазмы, М.: Атомиздат, 1977.

5. Е. А. Петров и др. Источник ионнного потока и СВЧ-плазмы низкого давления, Физика плазмы, т.17, вып.11, 1991, 1369-1382.

Использование: вакуумно-плазменная обработка потоками частиц поверхности материалов микроэлектроники, металлов и сплавов. Техническим результатом изобретения является создание устройства для ионной обработки поверхности материалов с высокой степенью однородности и значительным диапазоном плотностей потока частиц. Сущность изобретения: открытый низкодобротный резонатор в форме усеченного конуса, согласующий импедансы плазмы нагрузки и генератора СВЧ-мощности, формирует переменное электромагнитное поле с рабочей модой E₀₁ направленного в область электронно-циклотронного резонанса и вместе с магнитной системой формирует однородный направленный поток ионов плазмы на обрабатываемую поверхность. 3 ил.

Устройство для микроволновой вакуумно-плазменной с электронно-циклотронным резонансом обработки поверхности твердого тела, включающее микроволновой генератор, реактор и магнитную систему, отличающееся тем, что устройство снабжено открытым низкодобротным СВЧ-резонатором, выполненным в виде усеченного конуса, который автоматически согласует импедансы плазмы - нагрузки и микроволнового генератора, формирует рабочую моду Е₀₁₀ и направляет излучение СВЧ в область плазмообразования, при этом для создания направленного потока ионов высокой плотности на обрабатываемую поверхность используется магнитная система, магнитные полюса которой разной полярности, замкнутые магнитопроводом с наружной стороны реактора, создают внутри него магнитное поле, контур силовых линий которого формируется за счет незамкнутых полюсов магнитной системы, причем используется только нижняя составляющая магнитного поля, образованного верхним кольцом магнитов, прилегающих к резонатору.