СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛАЗМЫ ИОНОВ БОРА Российский патент 2015 года по МПК H05H1/24 

Изобретение относится к области плазменной техники и может быть использовано в полупроводниковой и других отраслях промышленности, где необходима модификация поверхностей материалов.

Известны способы получения плазмы в планарных магнетронных распылительных системах (Патент RU №2339735; МПК C23C 14/35, опубл. 12.02.2007), основанных на принципе распыления поверхности металлической мишени, находящейся под отрицательным потенциалом, ионами рабочего газа, получаемыми в плазме электрического разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях. Ионы плазмы разряда, ускоренные в катодном падении у мишени, распыляют поверхность мишени, обеспечивая поток атомов металла с ее поверхности, необходимый для осуществления процессов нанесения металлических покрытий. Доля ионов металла мишени в газоразрядной плазме не превышает единиц процентов. Данные способы применимы только для распыления любых металлических мишеней.

Недостатком этого способа является незначительная доля металлических ионов материала катода-мишени в плазме разряда, а также невозможность получения плазмы неэлектропроводящих и полупроводниковых материалов.

Известен способ получения плазмы с помощью магнетронного разряда, при котором концентрация ионов металлов материала мишени в плазме превышает концентрацию ионов рабочего газа. Это реализуется за счет так называемого режима самораспыления мишени (Патент US №8568572; МПК C23C 14/00; опубл. Oct. 21, 2010). Этот способ является наиболее близким аналогом и взят за прототип для данной заявки. Способ реализуется в магнетроне, который откачивается до предельного вакуума с последующей установкой минимально возможного давления рабочего газа (давление в камере уровня 10^-4 Торр), необходимого только для зажигания магнетронного разряда. На мишень подаются высоковольтные импульсы напряжения (более 1 кВ) длительностью до 100 мкс. Приложение этих импульсов приводит к зажиганию сильноточного импульсного магнетронного разряда с током в десятки ампер. Происходит процесс самораспыления мишени, в результате которого образуется плазма, характеризующаяся высоким (до 90%) содержанием в плазме металлических ионов материала мишени. Основным преимуществом работы устройства в режиме самораспыления является возможность получения плазмы материала металлической мишени с низким содержанием ионов рабочего газа, что является важным для применения в полупроводниковой промышленности.

Основное ограничение такого способа заключается в выборе материала мишени, т.к. режим самораспыления реализуется только для металлов с низкой работой выхода, таких как Cu, Ag, Bi, Zn и т.д. Кроме этого, данный способ не применим для мишеней, выполненных из неэлектропроводящих и полупроводниковых материалов.

Задачей заявленного изобретения является получение плазмы с высоким содержанием ионов бора, являющегося при нормальных условиях полупроводником с низкой электропроводностью.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе получения плазмы, включающем генерацию плазмы в импульсном сильноточном магнетронном разряде, параметры которого достаточны для реализации режима самораспыления мишени, согласно изобретению инициирование импульсного сильноточного магнетронного разряда осуществляется путем зажигания постоянного слаботочного магнетронного разряда, приводящего к нагреву теплоизолированной электропроводящим материалом мишени из твердотельного бора до температуры, при которой удельная проводимость бора становится достаточной для реализации режима самораспыления мишени.

Предпочтительно использовать параметры постоянного слаботочного магнетронного разряда: ток до 50 мА, напряжение до 2 кВ, а параметры импульсного сильноточного магнетронного разряда: ток 10-50 А, напряжение 1-2 кВ, длительность импульса - 10-100 мкс, частота повторения импульсов от единичных до 50 Гц.

Указанная совокупность признаков за счет совмещения двух видов магнетронных разрядов при их использовании для разогрева мишени и для генерации ионов обеспечивает создание нового способа получения плазмы ионов бора с малым содержанием примесей, в частности, при использовании в качестве рабочего газа аргона новый способ обеспечивает содержание ионов бора в плазме 95-98%.

Изобретение поясняется далее на конкретном примере его использования.

На фиг.1 изображена схема планарного магнетронного распылителя, на котором осуществлен предлагаемый способ.

На фиг.2 представлен масс-зарядовый состав плазмы, образующейся при реализации предлагаемого способа.

На фиг.1 для осуществления способа используется планарный магнетронный распылитель с мишенью 1, выполненной из твердотельного бора. Существенным для достижения технического эффекта является использование специальных электропроводящих материалов 2, осуществляющих теплоизоляцию мишени от других элементов конструкции, при этом расстояние от рабочей поверхности мишени до полюсов магнитопровода 3 достаточное для обеспечения на поверхности мишени величины индукции магнитного поля, необходимой для стабильного функционирования магнетронного разряда. Для питания постоянного слаботочного магнетронного разряда используется постоянный источник питания 4, а для импульсного сильноточного магнетронного разряда - импульсный источник питания 5.

Используемое устройство функционирует следующим образом. Планарный магнетронный распылитель откачивается до предельного вакуума, затем в него подается рабочий газ аргон и в течение всего процесса поддерживается рабочее давление уровня 5·10^-4 Торр. От постоянного источника питания 4 к мишени 1 через теплоизолирующий электропроводящий материал 2 прикладывается отрицательное напряжение величиной до 1500 В. При этом удельное сопротивление мишени из бора, составляющее при комнатной температуре 10⁷ Ом·см, позволяет инициировать лишь слаботочный разряд с током не более единиц мА. В течение 1-2 минут горения такого разряда происходит нагрев мишени, при этом с увеличением температуры ее электрическое сопротивление уменьшается, а ток разряда соответственно растет. При достижении значения температуры мишени уровня 400-500°C происходит резкое увеличение удельной проводимости бора и переход магнетронного разряда в режим горения с большим током уровня 20-50 мА. Плазма такого разряда состоит из однозарядных ионов рабочего газа, содержание ионов бора не превышает 5%. Включается импульсный источник питания 5, в результате чего магнетронный разряд переходит в сильноточную импульсную форму горения с током разряда (10-30) А при длительности импульса порядка 100 мкс. Полученный режим горения разряда является режимом с самораспылением, основными признаками которого являются напряжение горения разряда более 1 кВ и содержание в плазме ионов материала мишени, значительно превышающее содержание ионов рабочего газа.

Измерения с помощью время-пролетной методики масс-зарядового состава плазмы (см. фиг.2), где представлены осциллограммы напряжения на затворе (верхняя) и тока цилиндра Фарадея время-пролетного спектрометра (нижняя) для значений: давление 5·10^-4 Торр, ток импульсного разряда 12 А, длительность импульса 100 мкс, частота 5 Гц, рабочий газ-аргон) показали, что доля ионов бора в импульсе составила 97%, остальные 3% ионов представляли собой ионы рабочего газа аргона. Полный ионный ток на подложку диаметром 200 мм в импульсе составил 300 мА. Радиальная неоднородность ионного тока на диаметре 200 мм составила 20%.

Изобретение относится к области плазменной техники и может быть использовано в полупроводниковой и других отраслях промышленности, где необходима модификация поверхностей материалов. Способ включает генерацию плазмы ионов бора в импульсном сильноточном магнетронном разряде, параметры которого достаточны для реализации режима самораспыления мишени из бора и составляют: ток 10-50 А, напряжение 1-2 кВ, длительность импульса - 10-100 мкс. Инициирование импульсного сильноточного магнетронного разряда осуществляется путем зажигания постоянного слаботочного магнетронного разряда с током до 50 мА, напряжением до 2 кВ и нагрева этим разрядом теплоизолированной электропроводящим материалом мишени из твердотельного бора до температуры уровня 400-500°C, при которой происходит резкое увеличение удельной проводимости бора до значений, достаточных для стабильного горения импульсного сильноточного магнетронного разряда. Технический результат - повышение содержания в плазме ионов бора до 95-98%. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ получения плазмы ионов бора с содержанием более 95%, включающий генерацию плазмы в импульсном сильноточном магнетронном разряде, параметры которого достаточны для реализации режима самораспыления мишени, отличающийся тем, что инициирование импульсного сильноточного магнетронного разряда осуществляется путем зажигания постоянного слаботочного магнетронного разряда, приводящего к нагреву теплоизолированной электропроводящим материалом мишени из твердотельного бора до температуры, при которой удельная проводимость бора становится достаточной для реализации режима самораспыления мишени.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что параметры постоянного слаботочного магнетронного разряда составляют: ток до 50 мА, напряжение до 2 кВ, а параметры импульсного сильноточного магнетронного разряда составляют: ток 10-50 А, напряжение 1-2 кВ, длительность импульса - 10-100 мкс, частота повторения импульсов от единичных до 50 Гц.