CC BY
477
УДК 537.331.33
А.О. Бочкарев, М.В. Давидович, Р.К. Яфаров
СВЧ ПЛАЗМЕННЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПЛАЗМЕННОЙ МИКРООБРАБОТКИ ПЛАСТИН БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
Рассмотрены современные конструкции многомодовых СВЧ плазменных устройств для прецизионной микрообработки пластин большого диаметра в
микроэлектронике. Обозначены дальнейшие перспективы их развития в виде многомодовых СВЧ устройств с соленоидно-мультипольным магнитным управлением и продольно-поперечным вводом энергии.
Микроволновая плазма, электронный циклотронный резонанс, волноводно-резонаторные устройства, микрообработка, интегральные схемы
A.O. Bochkarev, M.V. Davidovich, R.K. Yafarov
THE MICROWAVE PLASMA DEVICES FOR MICROMACHINING OF PLATES
OF BIG DIAMETER
Modern designs of multimode microwave of plasma devices for precision micromachining of plates of big diameter in microelectronics are considered. Further prospects of their development in the form of multimode microwave of devices with so-lenoidal multipole magnetic control and wedge-reed input of energy are designated.
Microwave plasma, electronic cyclotron resonance, waveguide resonator devices, micro-machining, integrated circuites
Введение
Применение СВЧ плазмы для проведения различных процессов вакуумно-плазменной обработки материалов связано с ее уникальными электрофизическими свойствами и особенностями, основными из которых являются [1, 2]:
- широкий диапазон давлений, при которых возможно существование СВЧ газового
разряда на основе различных инертных и химически активных плазмообразующих рабочих сред (от 0,01 до 100 Па), который включает рабочие давления всех известных методов вакуумно-плазменной обработки: от газовых разрядов в высокочастотном (ВЧ)
электрическом поле на частоте 13,56 МГц до разрядов на постоянном токе. Диапазон рабочих давлений в вакуумно-плазменных системах выбирается не произвольно, а определяется характеристиками электрического разряда, используемого для возбуждения плазмы. Так, при низких давлениях (< 1,0 Па) затруднено существование самостоятельного ВЧ разряда из-за увеличенных потерь заряженных частиц на стенках камеры генерации плазмы. Вакуумирование разряда требует повышения частоты электромагнитного поля вплоть до СВЧ диапазона, а для «удержания» плазмы с целью уменьшения потерь частиц на стенках и повышения эффективности поглощения СВЧ мощности - приложения внешнего магнитного поля (для создания условий электронного циклотронного резонанса (ЭЦР));
- высокие вакуумная чистота СВЧ плазмы за счет отсутствия в ней каких-либо возбуждающих металлических электродов, так как волноводная и резонаторная плазмы являются безэлектродными, а процесс обработки с ее использованием вследствие этого является беспримесным;
- повышение частоты возбуждающего электрического поля способствует увеличению критической плотности электронов плазмы:
пКр = 1,24• 104 • f2 [см-3],
где f - частота электромагнитного поля, в МГц. В связи с электронейтральностью плазмы (ne = ni) это увеличивает степень ее ионизации, которая может достигать 5...7% по сравнению с 10-4 % при использовании высокочастотного разряда и позволяет создавать сильноточные источники однократно заряженных положительных ионов, так как ионный ток насыщения, извлекаемый из источника, равен
(
ji = 0,4eni
2kTe
M
.1/2
где ]1 = и/З - плотность ионного тока, I - ионный ток, S - сечение выходного отверстия ионного источника, к - постоянная Больцмана, е - заряд электрона, т - концентрация ионов невозмущенной плазмы вблизи выходного отверстия, Те - температура электронного газа, М - масса иона;
- повышение частоты возбуждающего электромагнитного поля до СВЧ диапазона (2450 МГц) значительно увеличивает разрыв между электронной и ионной температурами. Низкая энергия ионов, которая в СВЧ плазме не превышает 20-30 эВ, делает ее «холодной» и снижает тепловое и радиационное воздействие на обрабатываемый материал, обеспечивая тем самым возможность проведения высококачественных (бездефектных) обработок поверхностей и тонких пленок широкого круга полупроводниковых и диэлектрических материалов;
- в отличие от высокочастотного разряда или разряда на постоянном токе в СВЧ плазме в магнитном поле можно управлять ее внутренними параметрами, в частности функцией распределения электронов по энергии. Благодаря этому обеспечивается управление селективностью возбуждения исходных химических реагентов с целью получения материалов с заданными свойствами при минимальных внешних энергозатратах.
В связи с широким диапазоном энергетических и технологических параметров установки, в которых используется плазма СВЧ газового разряда, относятся к многоцелевым. В этих установках с одинаково хорошими результатами можно проводить научные исследования и разработки как процессов безрадиационной очистки и пассивации поверхностей различных полупроводниковых материалов с целью улучшения их электронных свойств, прецизионного глубокосубмикронного сухого травления с управляемыми селективностью и анизатропностью полупроводниковых и диэлектрических структур на основе кремния, углерода и их соединений, а также полупроводниковых соединений А3В5 и др., используемых для создания сверхбольших и сверхскоростных интегральных схем, светоизлучающих и других устройств опто-, микро- и наноэлектроники, так и процессов низкотемпературного осаждения высококачественных туннельно-тонких покрытий и наносистем с заданными электрофизическими свойствами с использованием как традиционных механизмов вакуумно плазменной конденсации из паровой фазы, так и явлений самоорганизации, например, с обеспечением кинетических преимуществ для получения нанокомпозитных алмазографитовых, алмазоуглеводородных и других материалов для специальных применений в строительстве, архитектуре, энергетике, других областях науки и техники.
В последние годы конструкции ЭЦР источников плазмы и многозарядных ионов были усовершенствованы, и сейчас хорошо известно, как их сделать. Однако далеко недостаточно изучены физические процессы, лежащие в основе их действия. Одной из причин этого являются многообразие и сложная взаимосвязь параметров плазмы и конструктивных особенностей источников, а также трудности проведения прямых измерений. Другой причиной, привлекающей внимание разработчиков к проблеме создания высокоэффективных источников СВЧ плазмы, является ужесточение требований к технологическим процессам, связанным с ее применением. На сегодняшний день важными требованиями к современным системам плазменной обработки являются наряду с постоянным ужесточением требований к качеству обработки повышение эффективности, производительности и размера обрабатываемой поверхности подложки, на которых обеспечивался бы сверхгрупповой характер обработки без снижения степени прецизионности обработки. На первый взгляд, это представляется чисто технической проблемой. Однако ее решение из- за высокой сложности экспериментальных реализаций не является тривиальным, тем более если это относится к волноводным СВЧ электродинамическим системам во внешнем магнитном поле, для которых экспериментальный путь решения проблемы, связанный с обеспечением высоких энергетической эффективности и однородности плазмы на больших площадях обрабатываемых подложек, является весьма сложным и дорогим. Понимание этого
заставляет разработчиков современного СВЧ плазменного оборудования обращаться к разработке теоретических моделей управления плазменными средами в ограниченных объемах, определению степени совместимости технологических требований и поиску путей наиболее оптимального решения проблемы.
1. Многомодовые СВЧ плазменные устройства
Для плазменной микрообработки пластин большого диаметра с использованием СВЧ электромагнитного излучения наибольшее распространение получили многомодовые устройства. Одномодовые СВЧ плазменные устройства на основе ЭЦР с соленоидными катушками для формирования продольного магнитного поля обладают наибольшей простотой и высокой энергетической эффективностью процесса с КПД 90...95%. Однако работа на низшем типе волны в круглом волноводе на частоте 2450 МГц ограничивает поперечное сечение плазменного пучка и диаметр обрабатываемых пластин величиной до 100 мм. В связи с этим при увеличении диаметра пластин целесообразно было бы использовать генераторы электромагнитного излучения с меньшей частотой (например, 915 МГц). В этом случае необходимы меньшие магнитные поля для ЭЦР. Однако при этом уменьшаются критическая плотность электронов плазмы и производительность обработки при низких давлениях. Поэтому получила развитие тенденция увеличения диаметра волноводных камер генерации плазмы, в которых реализуется многомодовый режим передачи энергии.
Важное значение для повышения производительности и равномерности СВЧ плазменной обработки в многомодовых реакторах имеет рациональный выбор типа используемой для генерации плазмы электромагнитной волны. Структура электрических полей в такой электромагнитной волне должна обеспечивать, с одной стороны, создание скрещенных электрических и внешних стационарных магнитных полей для реализации ЭЦР, а с другой -создание такого распределения интенсивности ионизации плазмы по сечению реактора, при котором в наилучшей степени выполнялись бы указанные требования к процессу.
Многомодовые СВЧ плазменные устройства с большим поперечным сечением (диаметром 20...30 см и более) можно разделить на три основных типа [3]:
- волноводные СВЧ плазменные устройства с соленоидными катушками;
- перестраиваемые резонаторные СВЧ плазменные устройства с радиальным неоднородным магнитным полем;
- мультипольные СВЧ плазменные устройства на принципе распределенного ЭЦР.
Типичная схема многомодового волноводного ЭЦР источника плазмы с
соленоидными катушками для обработки пластин диаметром до 150 мм, приведена на рис. 1. Ограниченность применения таких источников для обработки изделий большего диаметра связана с необходимостью увеличения габаритов и веса магнитной системы, что влияет на стоимость установки. Эта проблема отсутствует в случае применения резонаторных камер и мультипольных источников СВЧ плазмы [2-4].
Получение больших объемов однородной плазмы в резонаторах осуществляется в регулируемом многомодовом режиме с радиально неоднородным магнитным полем, создаваемым системой постоянных магнитов для удержания пристеночной плазмы (рис. 2). Так как при работе с низкими давлениями рабочих газов требуются высокодобротные резонаторные камеры, осуществляется их подстройка с помощью внешних согласующих устройств. Так же как в волноводной камере, в этом случае могут быть получены высокая степень ионизации и плотность плазмы, превышающие критическую для данной рабочей частоты более чем в 100 раз. Высокодобротные резонаторные камеры позволяют создавать в зоне разряда более сильные электрические поля, чем волноводы, и эффективно поддерживать разряд при низких давлениях без использования внешнего магнитного поля. Недостатком настраиваемых резонаторов является наличие скользящих контактов в основной линии согласующих устройств.
Рис.1. Схема многомодового волноводного ЭЦР
источника: 1 - СВЧ генератор; 2 - круглый волновод; 3 - электромагнит; 4 - линия напуска газа; 5 - кварцевый колпак; 6 - источник постоянного или ВЧ напряжения;
7 - обрабатываемая пластина
Рис. 2. Схема резонаторной камеры:
1 - цилиндрическая камера; 2 - короткозамыкаю-щий шлейф; 3 - коаксиальный ввод; 4 - постоянные магниты; 5 - разрядная зона; 6 - кварцевый колпак; 7 - ионно оптическая система; 8 - линия напуска газа
В мультипольных источниках удержание СВЧ плазмы осуществляется постоянными магнитами, окружающими реакционную камеру с чередованием противоположных полюсов (рис. 3). Плотность магнитного потока быстро уменьшается от 0,1 Тл в центре плоскости каждого полюса магнита до нескольких десятых мТл на расстоянии нескольких сантиметров от него. В центральной части плазмы магнитное поле отсутствует. Передача СВЧ энергии в плазму осуществляется по стержневым антеннам, расположенных в нескольких миллиметрах над плоскостью каждого полюса магнита. СВЧ мощность к антеннам поступает от отдельных генераторов или от одного генератора по отдельным линиям передачи .По данным [4] плотность плазмы в многополюсных источниках с распределенным ЭЦР ниже, чем в волноводных камерах с ЭЦР и не превышает 1,5 1010 см-3, а спад ее от максимума, находящегося в центре ловушки, к ее краям достигает 20%. Существуют оптимальные размеры камер, при которых возможно достижение заданной равномерности.
Для наращивания объема однородной плазмы могут использоваться несколько ЭЦР источников, работающих на общую камеру, которая снабжена системой постоянных магнитов, предотвращающих попадание продуктов плазмохимической реакции на стенки камеры (рис. 4) [5].
Рис. 3. Схема мультипольного СВЧ плазменного источника с распределенным ЭЦР: 1 - стенка реактора; 2 - антенна;
3 - коаксиальный ввод; 4 - постоянный магнит
3
Рис. 4. Схема многоствольного ЭЦР источника с мультипольными магнитными системами:
1 - СВЧ генератор; 2 - постоянные магниты;
- разрядная зона; 4 - ионно-оптическая система
Резонаторные и мультипольные СВЧ плазменные источники, обладая преимуществом компактности при создании однородной плазмы, имеют общий недостаток, который
в
состоит в отсутствии гибкого управления параметрами плазменного пучка за счет изменения распределения продольного магнитного поля, которое характерно для волноводных камер с соленоидом. Кроме того, отсутствие продольных магнитных полей обуславливает низкие токи на обрабатываемые пластины. Это требует создания адекватных ионно-оптических систем с управлением внешним электрическим полем, трудности изготовления и эксплуатации которых возрастают с увеличением площади плазменных пучков.
2. СВЧ плазменные устройства с продольно-поперечным вводом энергии
Перспективным направлением развития конструкций СВЧ плазменных устройств для обработки материалов на сверхбольших подложках (10-12 дюймов и более) являются многомодовые устройства с соленоидно-мультипольным магнитным управлением и продольно-поперечным вводом энергии [6,7]. Схема и внешний вид устройства приведены на рис. 5 и 6.
Внутренний диаметр многомодового реактора составляет 330 мм. В нем наряду с традиционным продольным возбуждением СВЧ поля в многомодовой камере 2 используется способ распределенного возбуждения мод электромагнитного поля. В этом случае многоступенчатый переход 1 служит для согласования традиционного сосредоточенного ввода СВЧ мощности Р1 с многомодовой камерой 2, в которой размещена обрабатываемая пластина 3. Для распределенного возбуждения многомодовых колебаний используется отдельный волноводный канал 4, опоясывающий камеру 2, который содержит штыри связи 5 для возбуждения в реакторе мод пристеночного типа Нт1р с т = 5...10. Вводы энергии могут осуществляться от одного или двух генераторов электромагнитного излучения, причем в последнем случае они могут иметь различные частотные диапазоны. При использовании одного генератора разделение каналов подачи энергии производится делителем мощности.
Регулировкой величин продольной и поперечной распределенной мощности достигается выравнивание плотности плазмы по сечению реактора, что обеспечивает высокие равномерность и производительность обработки пластин большого диаметра.
Рис. 5. Схема многомодового ЭЦР СВЧ реактора с продольно-поперечным вводом энергии: 1 - многоступенчатый переход; 2 - многомодовый реактор; 3 - обрабатываемая пластина;
4 - прямоугольный волновод для поперечного ввода СВЧ энергии; 5 - штыри связи
Рис. 6. Внешний вид ЭЦР СВЧ реактора с продольно-поперечным вводом энергии
Рис. 7. Схема волноводно-резонаторного СВЧ реактора с переменной высотой узкой стенки волновода для распределенного бокового ввода энергии
Дальнейшим развитием плазменных ЭЦР СВЧ реакторов с продольно-поперечным вводом микроволновой мощности являются конструкции с опоясывающим волноводом, имеющим переменную высоту узкой стенки. Применение такой конструкции позволяет улучшить равномерность ввода СВЧ энергии по периметру реактора. Это достигается за счет сохранения неизменной мощности, вводимой через отверстия связи вдоль всей длины опоясывающего волновода (рис. 7).
Расчёт геометрических размеров отверстий связи и опоясывающего волновода таких реакторов производится из условия равенства волнового сопротивления подводящих участков волноводной линии сумме волновых сопротивлений прилегающих расходящихся каналов излучения при условии, что все отверстия связи согласованы с нагрузкой и не связаны между собой. В одномодовом приближении (мода Ию) отверстия связи на эквивалентной схеме могут быть представлены активными сопротивлениями, включенными последовательно, величина каждого из которых рассчитывается по формуле
z =пч
н 2а Л
где b' и а' - ширина (размер отверстия связи вдоль оси волновода) и длина отверстия связи (для определённости считаем что а' = const = 85 мм), соответственно, Xz - длина продольной волны, X - длина волны в свободном пространстве, ц и 8 - магнитная и диэлектрическая проницаемость вещества, заполняющая отверстие.
Так как
К
К
1
— I
п
a k
то последнее выражение можно записать в виде
Z =пЬ' 1
Z Н - ■
2a' - f п Т
\1 1 a k j
где к = 2п/Х - волновой вектор.
Для трёх отверстий связи, изображённых на рис. 8, имеющих размеры а, Ьп где п=1, 2, 3, можно записать следующую систему уравнений:
пЬ
1
2a
пЬ1
1-
п
ak
пЬ1 1
2a[ ґ п ^ 2
1 -
І V a[k j
+
пЬ1
1
2a
1-
1
пЬ
2a
пЬ
2a
2a 2 ґ п ^ 2
1 -
І v a 2 k j
пЬЗ 1
+
пЬ
п
ak
1
2a
1-
п
ak
п
ak
2a3 ґ п Л 2
1 -
І v a3 k j
В этой системе уравнений левые части представляют собой волновые сопротивления прилегающих отрезков подводящего волновода, а правые - представляют собой суммы волновых сопротивлений ответвлений в отверстие связи и следующий за ним участок передающего волновода.
46
2
1
2
2
1
2
2
1
Так как волновые сопротивления всех отверстий связи считаем одинаковыми, волновое сопротивление каждого из них может быть выражено через волновое сопротивление подводящего волновода в виде
1 ПЬ 1
N 2а
1 -
п
ак
где Ь и а - высота и ширина подводящего отрезка волновода (45 х 90 мм), N - число отверстий связи, которое определяется диаметром СВЧ реактора и обрабатываемой пластины.
Рис. 8. Схема участка опоясывающего волновода с переменным сечением узкой стенки с тремя последовательными отверстиями связи Таким образом, представляется возможным рассчитать неизвестную ширину отверстия связи Ь из следующего соотношения:
лЬ' 1 1 лЬ 1
2а'
1 -
N 2а
V аПк )
—
п
ак
1 -
п
ак
1 -
п
ак
Л ’
2
2
1
2
Для обработки пластин диаметром 300 мм в СВЧ реакторе диаметром 330 мм, по периметру которого при частоте задающего генератора 2450 МГц укладываются семь длин волн, при расстоянии между отверстиями связи, равном Х/4, их количество может составить 25. В этом случае расчет по приведенным формулам дает значение поперечного размера отверстия связи Ь, равное 1.91 мм.
Для расчёта высот подводящих отрезков волноводов Ьп из приведенной системы уравнений можно получить следующее выражение:
1 - { п Т
V ак )
1 - \-п
V а к
На рис. 9 приведен соответствующий график изменения высот подводящих отрезков опоясывающего волновода от его длины на боковой стенке цилиндрического реактора.
На рис. 10 в качестве иллюстрации приведено распределение напряженностей электрических полей в СВЧ реакторе с переменной высотой узкой стенки опоясывающего волновода. Можно видеть, что максимальные напряженности электрических полей концентрируются по периметру реактора, позволяя, тем самым, совместно с центральным волноводным вводом на основном типе волн оптимизировать распределение электрических полей в реакторе и существенно улучшать однородность плазменной обработки пластин большого диаметра в микроэлектронике.
Ь
п
2
Рис. 9. График изменения высот подводящих отрезков опоясывающего волновода в зависимости от его длины на боковой стенке реактора
Рис. 10. Распределение напряженностей электрических полей в СВЧ реакторе с переменной высотой узкой стенки опоясывающего волновода
В настоящее время на основе СВЧ плазменных устройств созданы ионные источники различной конструкции и назначения: от низкоэнергетической ионной очистки, травления, пассивации и низкотемпературного окисления полупроводников до сильноточных (порядка ампер) источников для ионной имплантации [8-10]. В связи с отсутствием накаливаемых катодов эти типы СВЧ источников позволяют получать стабильные пучки химически активных ионов с током до 200 мА в течение длительного времени эксплуатации при давлениях плазмообразующих газов ниже 0,1 Па. Использование распределенного ЭЦР в ионных источниках, кроме высокой плотности тока (до 3 мА/см2 в случае аргона), позволяет получать ионные пучки большого сечения и высокой однородности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Яфаров Р.К. Физика СВЧ вакуумно-плазменных нанотехнологий / Р.К. Яфаров. -М.: Физматлит, 2009. - 216 с.
2. Гуляев Ю.В Микроволновое ЭЦР вакуумно-плазменное воздействие на конденсированные среды в микроэлектронике (физика процессов, оборудование, технология) / Ю.В. Гуляев, Р.К Яфаров // Зарубежная электронная техника. - 1997. - №1. -С.77-120.
3. Яфаров Р.К. Перспективы создания источников СВЧ-плазмы / Р.К. Яфаров // Электронная промышленность. - 1992. - №1. - С.8-12.
4. Мультипольный источник СВЧ-плазмы с возбуждением по методу распределенного электронного циклотронного резонанса: концепция и характеристики / Пиню [и др.] // Приборы для научных исследований. - 1988. - №7. - С.56-60.
5. Europ. Pat. Applic. 0286132 А2.УС: Н01У37/32. Plazma generating apparatus. // Haka-mata Y., Natasui Kakichi, Kurosawa Yn.et all. - Publ.08.04.88.
6. Гуляев Ю.В. Диффузионная модель газового СВЧ-разряда в магнитном поле с распределенным вводом энергии / Ю.В. Гуляев, И. Д. Черкасов, Р.К. Яфаров // ДАН. - 1998. -Т.358. - №3. - С.333-336.
7. Пат. РФ №2120681 Устройство для микроволновой вакуумно-плазменной с электронно-циклотронным резонансом обработки конденсированных сред / Яфаров Р.К. От 20.10.98.
8. Физика и технология источников ионов: пер. с англ. / под ред. Я. Брауна. - М.: Мир, 1998. - 495 с.
9. Габович М.Д. Физика и техника плазменных источников ионов / М.Д. Габович. -М.: Атомиздат,1972. - 304 с.
10. Форрестер А.Т. Интенсивные ионные пучки / А.Т. Форрестер. - М.: Мир, 1992. - 354 с.
Бочкарев Алексей Олегович - Aleksey O. Bochkarev -
аспирант кафедры «Электротехника и электроника» Postgraduate
Саратовского государственного технического Department Electrotechnics and Electronics, университета имени Г агарина Ю.А. Gagarin Saratov State Technical University
48
Давидович Михаил Владимирович -
доктор физико-математических наук, профессор кафедры «Радиотехника и электродинамика» Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского
Яфаров Равиль Кяшшафович -
доктор технических наук, профессор кафедры «Автоматизированные электротехнологические установки и системы» Саратовского государственного технического университета имени Г агарина Ю. А.
Mikhail V. Davidovich -
Dr. Sc., Professor
Department of Radiotechnics and Electrodynamics, Chernyshevsky Saratov State University
Ravil K. Yafarov -
Dr. Sc., Professor
Department of Automated Electrical-Technological Plants and Systems,
Gagarin Saratov State Technical University
Статья поступила в редакцию 17.05.12, принята к опубликованию 16.06.12
