Масс-спектрометрическое устройство для диагностики плазмохимических процессов Советский патент 1992 года по МПК H01J49/26 

Изобретение относится к газоанализаторным системам и может быть использовано при анализе состава газовой фазы вакуумно-плазменных и газофазных процессов в микроэлектронике.

Известно устройство для изменения возбужденных молекул и радикалов при плазменном травлении, содержащее реакционную камеру с системой откачки и системой напуска газа, позволяющие работать в диапазоне давлений 0,05-0,07 Торр, блок масс-анализатора с системой откачки, соединенных посредством диафрагм, и устройство ионной оптики.

Недостатками известного устройства являются-отбор из объемной плазмы не позволяет исследовать гетерофазные процессы с достаточной степенью достоверности: диапазон давлений (0,05-0,07 Торр) в реакционной камере, обеспечиваемый в известной конструкции, не позволяет исследовать вакуумно-плазменные процессы выше 10 Торр; попытка повысить давление в реакционной камере при сохранении рабочего давления в блоке масс-анализатора за счет уменьшения отверстия диафрагмы может резко снизить чувствительность, вплоть до полной ее потери, с выходом в шумовой диапазон; невысокая чувствительность известного устройства к короткоживущим радикалам из-за высокой степени релаксации частиц в объемной плазме и в пучке на пути от диафрагмы до блока масс-анализаторе и высокой вероятности адсорбции на стенках реакционной камеры и ионной оптике.

Известна масс-спектрометрическая установка, содержащая реакционную камеру, блок масс-анализатора б системой откачки, соединенные посредством диафрагм, и ионную оптику.

Недостатком прототипа является невозможность проведения исследования процессов, проходящих при давлениях до 10 Торр и выше, т.к, при таких давленияхв реакционной камере и при условии сохранения рабочего давления в блоке масс-анализатора не выше 10 Торр диаметр пробоотборного отверстия необходимо иметь менее 40 мкм. Но для сохранения молекулярного режима минимальный разMiep отверстия 50 мкм (он ограничивается длиной свободного пробега, зависящего от давления); низкая чувствительность при исследовании гетерофазных процессов, т.к, концентрация химически активных частиц в объемной плазме и в приэлектродном слое могут значительно различаться (на два порядка), что снижает корректность отбора пробы; большое расстояние пролета пучка

приводит к уменьшению плотности частиц в пучке, что также снижает чувствительность прототипа; нахождение образца не вблизи с пробоотборным отверстием позволяет отбирать пробы лишь из объемной плазмы, что позволяет судить о гетерофазных процессах лишь по косвенным их следам и остаточным продуктам и тем самым снижает корректность исследований; большое время и расстояние пролета продуктов гетерофазных реакций от образца до масс-анализатора снижает чувствительность установки из-за низкой концентрации продуктов в пучке и большой вероятности

5 релаксаций, адсорбции на стенках реакционной камеры и т,п.

Анализ состояния и тенденций развития этой области техники показывает, что для повышения чувствительности масс0 спектрометрических установок при исследованиивакуумно-плазменныхгетерофазных процессов с одной стороны необходимо значительное сокращение пролета частиц пробы непосредственно из при5 электродной зоны (5-10 длин свободного пробега), с другой стороны требование поддержания рабочего давления в блоке массанализатора обязывает при прямом решении (для поддержания и ограничениях

0 в варьировании размерами отверстия диафрагмы) или иметь трудно достижимую скорость и объем откачки, или вводить последовательно вторую ступень дифоткачки, что увеличивает габариты установки, а,

5 значит, и расстояние пролета пучка и снижает тем самым чувствительность установки.

Цель изобретения - расширение технологических возможностей при повышении чувствительности.

Указанная цель достигается тем, что масс-спектрометрическая установка, содержащая реакционную камеру с линией откачки и напуска газовой смеси и

5 подложкодержателем, блок масс-анализатора с линией откачки, разделяющий их фланец с пробоотборным отверстием и систему ионной оптики, снабжена системой промежуточной дифференциальной откачки, расположенной между реакционной камерой и блоком масс-анализатора и имеющей линию промежуточной откачки, соединенную с коаксиально охватывающей блок массанализатора промежуточной камерой, которая соединена с реакционной камерой фланцем с соосно выполненными электродом-подложкодержателем со стороны реакционной камеры, и системой ионной оптики со стороны промежуточной каглеры : пробоотборным отверстием ме;-1:ду ними.

Кроме того, фланец между реакционной камерой и промежуточной камерой может быть выполнен в виде термостатированного электрода-подложкодержателя с полостями для подвода теплоносителя и вакуумных электровводов, а в конусе пробоотборного отверстия выполнена системй ионной оптики.

Кроме того, блок масс-анализатора может быть выполнен с системой напуска газа и коллимирующим отверстием, соосным с пробоотборным отверстием и осью массанализатора и снабженным прямопролетным клапаном,

Введение нового признака система промежуточной дифференциальной откачки позволяет расширить диапазон исследований с рабочим давлением и в реакционной камере до 760Торр без изменения рабочего давления в блоке масс-анализатора и повысить чувствительность установки при исследованиигетерофазных

вакуумно-плазменных процессов.

В то же время выполнение признаков промежуточная камера, коаксиально охватывающая блок масс-анализатора и подложкодержатель, система ионной оптики и пробоот.борное отверстие, выполненное соосно на фланце, соединяющем промежуточную и реакционную камеры, позволяет не увеличить как при прямом решении задачи, а значительно уменьшить расстояние пролета пучка и производить прямой отбор проб непосредственно из приэлектродного слоя. Это позволяет достичь корректности отбора пробы и качественно повышает чувствительность установки к продуктам гетерофазных процессов. Это достигается за счет увеличения концентрации в пробе частиц, непосредственно участвующих в гетерофазных процессах, и уменьшения времени их пролета от пробоотборного отверстия до источника ионов масс-анализатора, что позволяет повысить соотношение сигнал/шум, проводить анализ не по косвенным, а по прямым продуктам гетерофазных реакций с захватыванием и (особенно интересных для исследований) короткоживущих радикалов.

На фиг.1 показана схема установки; на фиг.2 - выполнение варианта фланца,

ly асе-СПектрометрическая установка состоит из реакционной камеры 1 с линией 2 безмасляной откачки и линией 3 напуска газовой смеси, системы промежуточной дифференциальной откачки и блока массанализатора (БМА).

Система промежуточной дифференциальной откачки содержит промежуточную

камеру 4 и линию 5 промежу точной безмасляной откачки.

Промежуточная камера 4 соединена с реакционной камерой 1 посредством фланца 6.

На фланце 6 со стороны реакционной камеры 1 расположен термостатируемый электрод-подложкодержатель 7, электрически изолированный от фланца 6 и реакционной камеры 1, В зависимости от технологического процесса, реализуемого е реакционной камере 1, электрод-подложкодержатель 7 может быть заземлен, служить ВЧ-элёктродом, находиться под потенциалом. Внутри электрода-подложкодержателя 7 имеются полости 8 для подвода теплоносителя. Со стороны промежуточной камеры 4 во фланце 6 выполнено конусное пробоотборное отверстие 9, внутри которого со сто0 РОНЫ промежуточной камеры 4 размещается система 10 ионной оптики.

Во фланце 6 имеются также несколько радиальных каналов 11 с расположенными в них вакуумными электровводами 12 для

5 системы 10 ионной оптики и термодатчика (не показан) электрода-подложкодержателя 7.

Электрод-подложкодержатель 7, пробоотборное отверстие 9, система 10 ионной

0 оптики, коллимирующее отверстие 13 БМА выполнены на оси квадрупольного массанализатора 14,

БМА состоит из камеры 15, соединенной с линией 16 высоковакуумной безмас5 лянной откачки и линией 17 напуска газа и квадрупольного масс-анализатора 14. Камера 15 БМД коаксиально охватывается промежуточной камерой 4.

Во входной части камеры 15 БМА имеется коллимирующее отверстие 13 с перекрывающим его прямопролетным клапаном 18.

Для уменьшения влияния фонового сигнала на результаты анализа источник ионов

5 (не показан) квадрупольного масс-анализатора 14 может быть помещен в коаксиальную азотную ловушку (не показана).

Для обеспечения соосности БМА (с коллимирующим отверстием 13 и квадруполь0 ным масс-анализатором 14) и фланца 6 с электродом-подложкодержателем 7, системой 10 ионной оптики и пробоотборным отверстием 9, соединения указанных . элементов имеют радиальные зазоры и установочные винты 19, позволяющие юстировать установку.

Реакционная камера 1 может быть дооборудована соответствующими устройствами в зависимости от исследуемого технологического процесса, проходящего в

диапазоне давлений от 760 до 1 10 Торр. В частности, в ней могут осуществляться процессы: ионно-плазменного, ионно-лучевого, радикального, плазменного, реактивного ионно-плазменного, реактивного ионно-лучевого, радиационно-стимулированного травления, осаждения пленок в магнетронных распылительных системах, осаждение пленок с помощью автономных ионных источников, осаждение пленок термоионным, ионно-кластерным и электронно-циклотронным методом, осаждение пленок из газовой фазы с плазменной и фотонной стимуляцией процесса.

Устройство работает следующим образом.

Предварительно проводится юстировка конструкции, чем достигается соосность пробоотборного отверстия 9, коллимирующего отверстия 13, БМА и оси квадрупольного масс-анализатора 14. Затем на электрод-подложкодержатель 7 устанавливается объект 20 исследования в непосредственной близости к оси пробоотборного отверстия 9. В некоторых случаях целесообразно выполнить отверстие в объекте 20 исследования. Тогда последний устанавливается т,ак, чтобы отверстие в нем было соосно с пробоотборным отверстием 9,

При отключенных линияхЗ и 17 напуска газа включается линия 2 откачки реакционной камеры, линия 5 промежуточной дифференциальной откачки и (при закрытом прямопролетным клапаном 18 коллимирующем отверстии 13) линия 16 откачки БМА. В случае исследования процесса плазмохимического травления давление в реакционной камере 0.3-10 Торр. Рабочее давление в БМА не более 1-10 Торр.

Поэтому при диаметре пробоотборного отверстия 9 0,5 мм и диаметре коллимирующего отверстия 13 3 мм в промежуточной камере 4 обеспечивается давление 10 Торр.

Давление в реакционной камере 1, при котором проводится процесс плазмохимического травления, поддерживается включением и регулировкой линии 3 напуска газа и регулировкой скорости откачки реакционной и промежуточной камер 1 и 4,

После зажигания плазменного разряда и стабилизации параметров плазмы открывают прямопролетный клапан 18 коллимирующего отверстия 13 и производят забор пробы из приэлектродного слоя исследуемого объекта 20.

Ионная составляющая пробы вытягивается системой 10 ионной оптики и направляется вдоль оси БМА. Расположение системы 10 ионной оптики непосредственно вблизи пробоотборного отверстия 9. т.е. в конусе пробоотборного отверстия 9 позволяет при значительном уменьшении времени пролета активно управлять ионной компонентой пучка.

Далее, направляясь по оси, центральная часть пробы попадает через коллимирующее отверстие 13 в БМА.

При необходимости учета дискриминаций нейтральной компоненты молекулярного пучка при прохождении ее от реакционной камеры 1 до каадрупольного

масс-анализатора 14 конструкция позволяет, закрыв коллимирующее отверстие 13 прямопролетным клапаном 18, провести напуск газа непосредственно в БМА и получить неискаженный дискриминациями

масс-спектр напускаемого газа. Учет дискриминации в этом случае позволяет повысить чувствительность масс-анализа к гетерофазным процессам в реакционной камере 1.

Наличие прямопролетного клапана 18 позволяет также проводить анализ процессов, выделенных во времени, или их стадий. После попадания пробы в масс-анализатор снимается масс-спектр с последующим анализом процессов, происходящих в реакционной камере 1,

Заявляемая масс-спектрометрическая установка позволяет; проводить исследования процессов, проходящих при давлениях

до 760 Торр, за счет достижения необходимых для масс-спектрометра перепадов давлений; позволяет с высокой достоверностью проводить исследования гетерофазных процессов за счет отбора

проб из приэлектродного слоя объекта; за счет значительного сокращения расстояния пролета увеличить концентрацию частиц в пучке на входе в масс-анализатор, т.к. плотность частиц в пучке обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника ионов; соосное расположение элементов конструкции позволяет получить в массанализаторе максимальную концентрацию, т.к. распределение частиц в пучке происходит по закону косинуса; непосредственный отбор пробы из приэлектродного слоя, сокращение расстояния и времени пролета частиц пробы и обеспечение достаточной для анализа концентрации позволяет получить

(качественно) новую информацию о механизмах гетерофазиых реакций, например, по прямым и короткоживущим продуктам реакций и исходным составляющим в газовой фазе.

Использование: относится к газоанализаторным системам и может быть использовано при анализе состава газовой фазы вакуумно-плазменных и газофазных процессов в микроэлектронике. Сущность изо- бретения: установка содержит реакционную камеру 1 с линиями откачки 2 и напуска 3 г.повой смеси, систему промежуточной дифференциальной откачки, расположенную между реакционной камерой 1 и блоком масс-анализатора. промежуточная камера которой коаксиально охватывает блок масс-анализатора и соединяется с реакционной камерой фланцем 6 с соосно выполненными электродом-подложкодер- жателем со стороны реакционной камеры, системой ионной оптики со стороны промежуточной камеры и пробоотборным отверстием между ними. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.jfSSEK^\аал1qt3'^1 '^аЦз^ f^13\S ^ffфиг. 1