УСТРОЙСТВО ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ Российский патент 2009 года по МПК H01L21/3065 H05H1/46 

Изобретение относится к устройствам генерации технологической плазмы и может быть использовано для проведения процессов осаждения, травления, окисления, имплантации (неглубоких слоев), сжигания органических масок на различных подложках в области электроники, наноэлектроники, при производстве медицинских инструментов, сенсорных устройств т.п.

Плазменные процессы широко используются в различных областях техники, в том числе в производстве полупроводниковых приборов и микроэлектронных схем.

Известны СВЧ плазменные устройства для травления и осаждения слоев различных материалов на основе явления электронного циклотронного резонанса (ЭЦР) (Патент. Япония. Заявка JNa 54-39263 Лубл. 27.11.1979, №2-982).

Совпадающими признаками являются:

1. Тип плазменного разряда - СВЧ при пониженном давлении в магнитном поле, вплоть до ЭЦР.

2. Обработка подложки в области генерации плазмы и вне этой области.

3. Объект(ы) обработки (подложка(и), пластина(ы) и др.) располагается на подогреваемом (охлаждаемом) пьедестале, находящемся в реакционной камере.

Основным недостатком указанных устройств является ограничение размера обрабатываемых подложек (пластины 100-150 мм в диаметре) ввиду невозможности обеспечения равномерной плотности разряда в больших объемах реакционных камер.

Известно устройство СВЧ плазменной обработки пластин большого диаметра (3-й Международный симпозиум по теоретической и прикладной плазмохимии. Редькин С.В., Установка СВЧ плазменной обработки пластин большого диаметра. Сборник материалов, т.2, Иваново: ИГХТУ, 2002, с.472-434. ISBN-5-230-01566-7).

Совпадающими признаками являются:

1. Ввод источников СВЧ-плазмы в реакционную камеру перпендикулярно ее боковым стенкам.

2. Объект(ы) обработки (подложка(и), пластина(ы) и др.) располагается на подогреваемом (охлаждаемом) пьедестале для пластин большого размера, находящемся в реакционной камере и имеющем возможность перемещения.

Основным недостатком указанных устройств является неуправляемые процессы рекомбинации активных компонент плазмы в объеме реакционной камеры, что снижает скорость технологических процессов и увеличивает неоднородность обработки подложки.

Техническим результатом настоящего изобретения является введение нового параметра управления скоростями и однородностью технологических процессов за счет изменения управления процессами рекомбинацией активных компонент плазмы в объеме реакционной камеры.

Указанный результат достигается за счет того, что вне камеры над местом размещения подложек на пьедестале установлен индуктор ВЧ-разряда, причем стенка камеры, примыкающая к индуктору, выполнена из материала, прозрачного для ВЧ электромагнитного поля. В результате, объем введенной в реакционную камеру плазмы из СВЧ-источников будет поглощать ВЧ-энергию от индуктора, повышая плотность ионизации технологической плазмы вплоть (10¹¹-10¹² см^-3), что обеспечивает увеличение скорости технологических процессов и однородности обработки.

Введение дополнительного ВЧ индукционного разряда в реакционную камеру с распадающейся СВЧ-плазмой привело к повышению скоростей технологических процессов по сравнению с тем, когда технологическая плазма в реакционной камере создается либо только СВЧ-источниками плазмы, либо только ВЧ-индуктором.

Полученный результат (повышение степени ионизации плазмы и однородности обработки) не является следствием использования ВЧ индукционного разряда по прямому назначению.

В результате организации совместного использования ВЧ индукционного и СВЧ-разрядов в реакционной камере образовалась новая (по свойствам) технологическая плазменная среда, отличная от СВЧ технологической плазмы и от ВЧ индукционной технологической плазмы, что является неожиданным и тем самым отвечает критерию «изобретательский уровень».

Устройство плазменной обработки представлено на чертеже.

Устройство плазменной обработки состоит из реакционной вакуумной камеры 1 с вводами 2 источников СВЧ-плазмы, расположенными перпендикулярно боковым стенкам реакционной вакуумной камеры, подогреваемого или охлаждаемого пьедестала 3 для подложек, расположенного в реакционной вакуумной камере, который имеет возможность перемещения (вертикального), ВЧ-индуктора 4, расположенного вне реакционной вакуумной камеры над местом расположения подложек на пьедестале, причем стенка камеры 5, примыкающая к индуктору, выполнена из материала, прозрачного для ВЧ электромагнитного поля. Сам ВЧ-индуктор может иметь различные формы, в частности, быть выполненным в виде плоской или цилиндрической спирали. СВЧ-плазма формируется в скрещенных электрическом и магнитном полях в трубках 2, в области прохождения через волноводы 6, к которым примыкают магнитопроводы 7, на которых размещены катушки 8.

Устройство плазменной обработки материалов работает следующим образом. К источникам СВЧ-плазмы 2 подводятся по волноводу 6 СВЧ-энергия, рабочий газ и магнитное поле от катушек с постоянным током 8 по магнитопроводу 7, поджигается СВЧ-плазма и которая поступает в реакционную вакуумную камеру 1, где на пьедестале 3 при заданной температуре, электрическом потенциале и вертикальном смещении находится обрабатываемая подложка, причем пьедестал нагревается либо охлаждается. Над подложкой в реакционную вакуумную камеру через прозрачную для ВЧ-излучения стенку 5, с помощью ВЧ-индуктора 4 вводится ВЧ-энергия, которая поглощается в плазме, поступающей из СВЧ-источников. Электропроводящие характеристики «распадающейся» СВЧ-плазмы, поступающей из источников плазмы 2, обеспечивают эффективное поглощение ВЧ-мощности, которое, в свою очередь, компенсирует потери энергии «распадающейся» СВЧ-плазмы, повышая однородность и степень ионизации плазмы до 10¹¹-10¹² см^-3, что приводит к повышению скорости технологических процессов и однородности обработки, одновременно является дополнительным параметром управления скоростями проводимых технологических процессов за счет изменения ВЧ-мощности, подаваемой в ВЧ-индуктор.

Пример 1.

Проводят травление пластины кремния в СВЧ-плазме. Диаметр реакционной камеры 250 мм. Диаметр плоского индуктора 140 мм. Диаметр обрабатываемой пластины 150 мм. Пластина размещалась на водоохлаждаемом пьедестале и в процессе обработки температура пластины не превышала 500°С. Величина подводимой СВЧ-мощности составляла 300 Вт. Травление осуществлялось в плазмообразующей смеси SF₆+О₂. Рабочее давление в реакционной камере - 2×10^-2 Торр. Средняя скорость травления Si составляла 0,011 мкм/с. Неоднородность глубины травления составляла ±2,0%.

Пример 2.

Проводят травление пластины кремния в ВЧ-плазме индукционного разряда. Диаметр реакционной камеры 250 мм. Диаметр плоского индуктора 140 мм. Диаметр обрабатываемой пластины 150 мм. Пластина размещалась на водоохлаждаемом пьедестале и в процессе обработки температура пластины не превышала 500°С. Величина подводимой ВЧ-мощности составляла 400 Вт. Травление осуществлялось в плазмообразующей смеси SF₆+О₂. Рабочее давление в реакционной камере - 2×10^-2 Торр. Скорость травления составляла 0,0071 мкм/с. Неоднородность глубины травления составляла ±3,1%.

Пример 3.

Проводят травление пластины кремния в плазме СВЧ и ВЧ индукционного разряда. Диаметр реакционной камеры 250 мм. Диаметр плоского индуктора 140 мм. Диаметр обрабатываемой пластины 150 мм. Пластина размещалась на водоохлаждаемом пьедестале и в процессе обработки температура пластины не превышала 500°С. Величина подводимой СВЧ-мощности составляла 300 Вт, ВЧ-мощности составляла 250 Вт. Травление осуществлялось в плазмообразующей смеси SF₆+O₂. Рабочее давление в реакционной камере - 2×10^-2 Торр. Скорость травления Si составляла 0,0143 мкм/с. Неоднородность глубины травления по пластине составляла ±1,8%.

Как видно из приведенных примеров технологических процессов травления пластин кремния через фотолитографическую маску, использование дополнительного ВЧ индукционного разряда приводит к увеличению скорости травления, что возможно только за счет повышения степени ионизации плазмы и снижения процессов рекомбинации в технологической плазме, что также повышает однородность процесса обработки подложек. Неоднородность глубины травления уменьшилась с ±3,1% до ±1,8%.

В случае, если необходимо повышение анизотропии, селективности и скорости травления или скорости процессов осаждения, анодирования и т.п., на пьедестал 3 подают ВЧ или постоянное смещение электрического потенциала пьедестала соответствующего знака (плюс или минус) относительно плазмы. Для этих же целей предусмотрено осевое перемещение пьедестала 3. Смещение электрического потенциала пьедестала относительно плазмы позволяет регулировать плотность потока и энергию заряженных частиц, взаимодействующих с обрабатываемой подложкой. Перемещение пьедестала относительно плазмы позволяет также регулировать плотность и энергию потока нейтральных химически активных частиц, взаимодействующих с обрабатываемой подложкой.

Устройство плазменной обработки относится к устройствам генерации технологической плазмы и может быть использовано для проведения процессов осаждения, травления, окисления, имплантации (неглубоких слоев), сжигания органических масок на различных подложках в области электроники, наноэлектроники, при производстве медицинских инструментов, сенсорных устройств т.п. Устройство плазменной обработки состоит из реакционной вакуумной камеры с вводами источников СВЧ-плазмы, количество которых не регламентировано, расположенными перпендикулярно боковым стенкам, и расположенного в реакционной вакуумной камере подогреваемого или охлаждаемого пьедестала для подложек, имеющего возможность вертикального перемещения и возможность электрического смещения относительно плазмы. Вне камеры над местом размещения подложек на пьедестале расположен индуктор ВЧ-разряда, причем стенка камеры, в месте ее примыкания к индуктору, выполнена из материала, прозрачного для ВЧ электромагнитного поля. Технический результат - введение нового параметра управления скоростями и однородностью технологических процессов за счет изменения управления процессами рекомбинацией активных компонент плазмы в объеме реакционной камеры. 1 ил.

Устройство плазменной обработки, состоящее из реакционной вакуумной камеры с вводами источников СВЧ-плазмы, количество которых не регламентировано, расположенными перпендикулярно боковым стенкам, и расположенного в реакционной вакуумной камере подогреваемого или охлаждаемого пьедестала для подложек, имеющего возможность вертикального перемещения и возможность электрического смещения относительно плазмы, отличающееся тем, что вне камеры над местом размещения подложек на пьедестале расположен индуктор ВЧ-разряда, причем стенка камеры, в месте ее примыкания к индуктору, выполнена из материала, прозрачного для ВЧ электромагнитного поля.