УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ДУГОВОЙ ИСТОЧНИК ВУФ-ФОТОНОВ И ХИМИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ЧАСТИЦ Российский патент 2008 года по МПК H01J17/02 H01J37/02 

Изобретение относится к области получения низкотемпературной плазмы, более конкретно к газоразрядным источникам (генераторам) ВУФ-фотонов и химически активных частиц (атомов, молекул, ионов, радикалов) для поверхностной обработки и плазмохимического травления либо наращивания материалов на подложках (образцах).

Известные источники непрерывного вакуумного ультрафиолетового (ВУФ) излучения - синхротронное излучение и газоразрядные источники с камерами дифференциальной откачки для вывода излучения [1,2] - не получили широкого распространения из-за их громоздкости, высокой стоимости и малой площади пучков выходного излучения. Для увеличения площади единичной обрабатываемой подложки (диаметром до 100мм) при дуговом плазмохимическом наращивании материалов обычно [2] используется система из нескольких дуговых источников (т.е. система с несколькими катодами), что приводит к усложнению конструкции, ухудшению однородности наращиваемого слоя и снижению эффективности процесса (из-за значительных потерь электроэнергии в приэлектродных областях).

Прототипом заявляемого устройства является разработанная автором [3] сильноточная разрядная трубка с торцевыми окнами (отверстиями) для вывода излучения, состоящая из разработанных с участием автора [4] отдельных охлаждаемых водой алюминиевых секций с защитным Al₂O₃ - покрытием и предложенного автором [5] холодного дугового катода с удержанием катодных пятен дуги внутри рабочей полости. С одного конца трубки осуществляется откачка газа, а с другого - осуществляется напуск газа (газов).

При заполнении такой трубки инертным газом и зажигании дугового разряда заселенность возбужденных уровней ионных линий достигает значений ˜10¹⁰ см^-3, что обеспечивает мощное непрерывное спонтанное излучение с этих уровней. Однако наиболее мощное и наиболее коротковолновое излучение резонансных ионных линий с длинами волн в области ≈230÷304 Å, 330÷460 Å и 550-750 Å соответственно для ионов Не⁺ Ne⁺ Ar⁺ испытывает сильное резонансное поглощение, поскольку концентрация ионов в основном состоянии высока ˜10¹⁴ см^-3. Вследствие резонансного поглощения наиболее интенсивные ВУФ - фотоны, попадающие на торцевые окна, излучаются только с торцевых участков разряда небольшой длины (˜1-2 см), в то время как ВУФ - излучение со всего столба разряда (длиной (˜1-2 м) бесцельно нагревает боковые стенки трубки.

Этот основной недостаток устраняется в предлагаемом изобретении, где увеличение общей площади облучаемой (обрабатываемой) поверхности подложек достигается за счет использования ВУФ-фотонов, излучаемых почти со всей боковой поверхности разряда.

Для этого в секциях трубки перпендикулярно оси разряда выполняются боковые отверстия сравнимого с длиной секции размера, в которых с помощью держателей герметично фиксируются обрабатываемые подложки с масками (либо без масок). В результате появляется возможность использовать излучение со всего столба разряда.

При подаче на электроды (катод, анод) питающего напряжения и формировании дугового разряда с холодным катодом и удержанием катодных пятен внутри полости катода [5] устанавливается сильноточный разряд с «положительным» столбом, проходящим через центральные отверстия секционированной трубки и излучающим со всей его боковой поверхности спонтанное излучение с возбужденных уровней.

Для примера рассмотрим случай сильноточного (сотни ампер) разряда в гелии при наполняющем давлении ˜1 Top. Тогда мощное ВУФ-излучение будет сосредоточено на резонансных ионных переходах в области 230-304 Å. При этом существенно, что резонансное излучение атомных линий (≈505-590 Å) будет поглощено газом, находящимся между боковой поверхностью столба разряда и облучаемой подложкой.

В положительном столбе дугового разряда могут образовываться химически активные частицы [2]. В частности, при наполнении предлагаемого источника галогеносодержащими газами он может использоваться для химического травления полупроводниковых подложек. В этом случае для оптимизации процесса необходима фиксация подложки с возможностью изменения ее расстояния от оси разряда. Последнее достигается с помощью предлагаемой конструкции, в которой держатель подложки выполнен из двух частей: неподвижной и вставленной в нее подвижной с закрепленной подложкой.

Неподвижная часть уплотняет боковые отверстия, а подвижная (с закрепленной подложкой) вставляется в первую и фиксируется в нужном положении с помощью уплотняющего кольцевого соединения.

Предлагаемый источник может использоваться и для плазмохимического наращивания материалов, например алмаза на подложках. В этом случае можно применять часто используемую смесь газов с высоким содержанием водорода и малой примесью углеродосодержащего газа при общем давлении ˜50-100 Top. Для нагревания подложки и контроля температуры при наращивании материала в держатель подложки (вблизи соприкасающейся с подложкой поверхности) предлагается поместить нагреватель и датчик температуры, например термопарный.

Новизна предлагаемого дугового источника заключается:

- в конструктивном исполнении разрядной трубки, при котором держатели с подложками располагаются сбоку в отверстиях секций разрядной трубки по всей длине разрядного столба без какого-либо дополнительного герметизируещего окна (которое имеется в известных источниках) для вывода излучения;

- в предложенной конструкции держателя, в которой внутри неподвижной части, уплотняющей отверстие в секции трубки, соосно, устанавливается подвижная часть с закрепленными подложкой, нагревателем и датчиком температуры.

Универсальность предлагаемого источника заключается в том, что с помощью его можно выполнять как поверхностную обработку и плазмохимическое травление подложек, так и наращивание материалов на подложках (образцах). Известные источники излучений могут выполнять только какую-либо одну из указанных выше операций обработки подложек.

Чертеж (фиг.1) иллюстрирует общий вид предлагаемого универсального дугового источника (фиг.1а), отдельной секции (фиг.1б) разрядной трубки с отверстиями для держателей подложек круглой формы и вид секции справа (фиг.1в) с использованием обозначений:

К - катод с удержанием катодных пятен дуги внутри его полости,

А - анод,

С - охлаждаемая водой алюминиевая секция трубки с Al₂О₃ - покрытием (длина секции L),

Р - положительный столб разряда длиной i (на фиг.1а выделен пунктиром),

О - торцевое окно,

1 - отверстие для разряда (диаметром D),

2-6 отверстий для водяного охлаждения,

3-6 отверстий для стягивающих болтов (центры отверстий 2 и 3 расположены на окружностях, пересекающих границы 60 градусных секторов),

4 - паз под вакуумное уплотнение,

5 - паз под уплотнение для воды,

6 - боковое отверстие (диаметром d),

7 - держатель подложки,

8 - обрабатываемая подложка,

9 - маска,

10 - отверстия для болтов вакуумно-плотного крепления держателя подложки.

Вакуумно-плотная сборка всех секций универсального дугового источника, как и в [4], осуществляется через кольцевые уплотнения (расположенные в пазах 4) при стягивании конструкции болтами с изоляцией (проходящими в отверстиях 3). При этом одновременно через кольцевые уплотнения (находящиеся в пазах 5) осуществляется уплотнение водяного охлаждения секций. Болтовые крепления электродов, окна О и держателей подложек 7 также осуществляются через кольцевые вакуумные уплотнения (на фиг.1с схематически изображен держатель подложки 7, состоящий только из неподвижной части). Откачка газа из разрядной трубки обычно производится с анодного конца устройства, а подача газа - с катодного. При диаметре разряда D=40 мм и длине секции L=30 мм можно выполнять боковые отверстия диаметром d=20 мм (т.е. размер облучаемых подложек 20 мм), следовательно, суммарная площадь облучаемых (обрабатываемых) подложек может составлять не менее 50% от боковой поверхности всего столба разряда (площадью S=πD). В случае квадратной формы боковых отверстий (со стороной квадрата равной d ) суммарная площадь обрабатываемых подложек увеличивается, примерно, до 64% от боковой поверхности разряда. (Ранее, в прототипе, для обработки подложек использовалось излучение лишь с площади, определяемой размерами двух выходных торцевых окон).

Сильноточные разрядные трубки из охлаждаемых металлических секций с защитным покрытием и катодом [5] используются более тридцати лет для получения мощного (сотни Ватт) коротковолнового лазерного излучения на ионах аргона как в институтах СО РАН, так и на других отечественных и зарубежных предприятиях.

О наличии ВУФ-излучения в сильноточных разрядных трубках свидетельствовало происходящее под действием такого излучения изменение цвета и последующее разрушение зеркал лазера (расположенных на позиции О фиг.1a). Для предотвращения разрушения зеркал необходимо было принимать специальные меры, например напылять дополнительное защитное Al₂O₃ - покрытие.

Возможность получения химически активных частиц в предлагаемом устройстве подтверждается прямыми экспериментами как со смесью газов при высоком содержании водорода, так и с галогеносодержащим газом. В частности, впервые запущенный [6] в непрерывном режиме лазер на УФ переходах иона Cl⁺⁺ имел сравнимые с Ar⁺⁺-лазером выходную мощность и ВАХ, которые показывают, что в используемых сильноточных разрядах хлор находится в атомарном состоянии (т.е. в химически активном).

Источники информации

1. Зайдель А.Н., Шрейдер Е.Я. Спектроскопия вакуумного ультрафиолета. - М.: «Наука», 1967.

2. Энциклопедия низкотемпературной плазмы /Под ред. Фортова В.Е., т.4. - М.: «Наука» - 2000.

3. Донин В.И. ЖЭТФ, 1972, т.62, в.5, с.1648.

4. Донин В.И., Клементьев В.М., Чеботаев В.П. Журн. прикл. спектр., 1966, т.5, №3, с.388.

5. Донин В.И. Авт. свид. СССР №289458, кл. Н01j 17/06, опубл. 1970.

6. Донин В.И., Тимофеев Т.Т., Яценко А.С. Письма в ЖТФ, 1983, т.9, в.6, с.373.

Изобретение относится к источникам ВУФ-фотонов и химически активных частиц, предназначенным для поверхностной обработки ВУФ-излучением, а также для плазмохимического травления и наращивания материалов на подложках с большой общей обрабатываемой площадью. Универсальный дуговой источник ВУФ содержит разрядную трубку из охлаждаемых металлических секций с защитным покрытием, холодный дуговой катод с удержанием катодных пятен дуги внутри рабочей полости, анод, систему откачки и напуска рабочего газа, при этом в секциях трубки перпендикулярно оси разряда выполняются боковые отверстия сравнимого с длиной секции размера, в которых с помощью держателей герметично фиксируются обрабатываемые подложки с масками (либо без масок). Технический результат: возможность облучения, травления и наращивания материалов на подложках с большой общей обрабатываемой площадью за счет использования активных частиц и ВУФ-фотонов, излучаемых почти со всей боковой поверхности разряда. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Универсальный дуговой источник ВУФ-фотонов и химически активных частиц, содержащий разрядную трубку из охлаждаемых металлических секций с защитным покрытием, холодный дуговой катод с удержанием катодных пятен дуги внутри рабочей полости, анод, систему откачки и напуска рабочего газа, отличающийся тем, что в секциях трубки перпендикулярно оси разряда выполняются боковые отверстия сравнимого с длиной секции размера, в которых с помощью держателей герметично фиксируются обрабатываемые подложки с масками (либо без масок).2. Универсальный дуговой источник по п.1, отличающийся тем, что держатель подложки выполнен из двух частей: неподвижной и вставленной в нее - подвижной с закрепленной подложкой.3. Универсальный дуговой источник по п.1 или 2, отличающийся тем, что держатель подложки содержит нагреватель и датчик температуры, например термопарный.