Пристрій прецизійної плазмової обробки
Формула / Реферат
1. Пристрій прецизійної плазмової обробки, який містить в собі вакуумну камеру з засобами відкачки та запірно-регулюючою газовою системою, в нижній частині якої вісесиметрично розміщені тримач з оброблюваною підкладкою та кільцевий електрод, тримач і кільцевий електрод з'єднані через узгоджувальні пристрої з ВЧ-генераторами, а зовні камера облаштована магнітною системою, який відрізняється тим, що в верхній частині камери змонтоване діелектричне вікно з антеною, яка з'єднана через узгоджувальний пристрій з ВЧ-генератором, а тримач з оброблюваною підкладкою складається з дискової та кільцевої частин, які розміщені вісесиметрично в одній площині та зверху закриті діелектричними кільцем та диском різної товщини, при цьому товщина діелектричного кільця установлюється виразом:
,
де:
К - коефіцієнт корекції іонного струму на периферії підкладки, безрозм.;
- потужність втрат в діелектричному шарі, Вт;
U - спадання напруги в діелектричному шарі, В;
Jі - іонний струм по підкладці, А;
tg б - тангенс кута втрат, безрозм.;
Sk - площа кільцевого електрода, м2;
w - кругова частота генератора, с-1;
- частота, Гц;
e0 - електрична постійна, ;
e відносна діелектрична проникність матеріалу кільця та диска, безрозм.;
- модуль повного опору шару Дебая над диском, Ом;
- опір втрат, зумовлений бомбардуванням підкладки іонами з плазми, Ом;
Ud - спадання напруги в шарі Дебая, В;
Sg - площа диска, м2
- ємність, утворена діелектричним диском, Φ;
- ленгмюрівська частота електронів плазми, с-1;
е - заряд електрона, 1,6•10-9К;
me - маса електрона, 9,1•10-31 кг;
ne - концентрація електронів, м-3;
- довжина екранування зарядів в плазмі, м;
k - постійна Больцмана, ;
Τ - температура електронів плазми, К;
- модуль повного опору діелектричного диска, Ом;
- опір втрати в діелектричному шарі, Ом;
- ємність шару Дебая діелектричного елемента над диском, Ф;
Sg - площа диска, м2;
hg - товщина діелектричного диска, м.
2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що діелектричні елементи тримача мають однакову товщину, якщо при цьому діелектричні проникності диска (eg) та кільця (ek) різні, то між ними виконується співвідношення eg<ek.
3. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що діелектричні елементи кільця та диска тримача підкладки відсутні, а на кільцевий електрод ззовні вісесиметрично закріплене кільце висотою hk>lg.
4. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що діелектричні елементи тримача виконані у вигляді напівпровідникових структур з контактними системами та мають здатність змінювати свої імпеданси під впливом управляючої напруги, яка прикладається до контактних систем.
Текст
Реферат: UA 105436 U UA 105436 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Пристрій належить до технологічного обладнання для виробництва виробів електронної техніки. Найбільш ефективно запропонований винахід може бути використаний для прецизійних процесів травлення, видалення фоторезисту та нанесенні тонких плівок на підкладках великих розмірів при одержанні елементів з мінімальними розмірами менше ніж 0,1 мкм в приладах мікроелектроніки, наноелектроніки, мікромеханіки та інтегральних схем НВЧ. В джерелі інформації [А.А.Орликовський. Плазменные процесы в микро- и наноелектронике. Часть 2. Плазмохимические реакторы нового поколения и их применение в технологи микроелектроники. Микроелектроника. 1999, Том 28. № 6. с. 415-426] розглянуті найбільш поширені за нашого часу типи пристроїв для плазмової обробки підкладок великого діаметра. Автор розділив їх на такі основні типи: 1. Пристрої по основі НВЧ плазми, в яких реалізовано електронний циклотронний резонанс. 2. Пристрої з ВЧ плазмою в умовах збудження геліконних коливань різних мод. 3. ВЧ-плазмові пристрої з індуктивним або трансформаторним зв'язком. В різних модифікаціях плазмових пристроїв можуть бути використані одночасно всі перелічені типи. Відомий плазмовий пристрій, який генерує рівномірну плазму великої площі, що забезпечує необхідну швидкість травлення з високою селективністю та рівномірністю [пат. 6033481 США, С23С 16/00. Plasma processing upparatus. Keni etsu Yokogawa et. al. Заявл. 01.06.1999. Опубл. 04.02.2000]. В цьому технічному рішенні пристрій для плазмової обробки містив в собі вакуумну камеру з засобами відкачки, запірно-регулюючу газову систему для натікання та контролю реактивних та інертних газів. Плазма створювалась в верхній частині камери за допомогою дискового електрода, на який подавалась ВЧ-коливальна потужність від ВЧ-генератора коаксіальною лінією. Дисковий тримач розміщувався в нижній частині камери. На тримач підкладки подавалась коливальна потужність від ВЧ генератора. Ззовні вакуумна технологічна камера споряджалась магнітною системою із соленоїдальних елементів. В процесі плазмової обробки в камеру подавались наступні активні гази: О 2, CO, C4, F8, СГ4, CH2F2, CH3F, тa CF3. Діаметр оброблюваних підкладок досягав 300 см. Найменший розмір елементів, які створювались при допомозі травлення в плазмі, становив до 0,2 мкм. Поряд з високими технологічними показниками цей плазмовий пристрій мав такі суттєві недоліки: 1. Забруднення поверхні обробляючої підкладки матеріалом дискового електрода, на який подавалось ВЧ-потужність. 2. Зменшення щільності іонного струму по периферії підкладки, що призводило до падіння рівномірності травлення. Найближчим аналогом до заявленої корисної моделі є [ЕР1152646А1, European patent application.Int. H05H 1/46. H01L 21/3065 Ohmi Tadahiro et al. Заявл. 25.11.1999.Опубл. 07.11.2001]. Суттєвою відмінністю даного пристрою є наявність кільцевого електрода, який оточує дисковий тримач з підкладкою. На тримач підкладки та на кільцевий електрод подавалась ВЧ-потужність від двох окремих генераторів з узгоджуючими блоками. При допомозі кільцевого електрода на перефирії підкладки зростала щільність плазми, що підвищувало рівномірність іонного струму. Для травлення використовувались гази: CO, C4, F8, CO2 аргон, ксенон та інші. Однорідність швидкого травлення дискової підкладки досягало + 2 %. Діаметр підкладки становив 200 мм. Незважаючи на задовільні технологічні параметри цьому прототипу притаманні такі недоліки: 1. Тримач та кільцевий електрод живляться від двох ВЧ-генераторів, що зменшує надійність роботи та збільшує вартість всього технологічного пристрою. 2. Поверхня кільцевого електрода не використовується як тримач підкладки, що зменшує ефективність використаного об'єму технологічної камери, обмежує розмір оброблюваних підкладок. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення технологічного плазмового пристрою для прецизійної обробки напівпровідникових та діелектричних підкладок шляхом підняття щільності іонного струму по периферії підкладки, що забезпечує високу рівномірність і селективність при виробництві прецизійних елементів та спрощення схеми живлення кільцевого та дискового тримачів підкладки. Поставлена задача вирішується тим, що пристрій для прецизійної плазмової обробки, що містить вакуумну камеру з засобами відкачки та запірно-регулюючою газовою системою, в нижній частині якої вісесиметрично розташований дисковий тримач з оброблюваною підкладкою та кільцевий електрод, при цьому тримач і кільцевий електрод з'єднані через узгоджуючі пристрої з ВЧ-генераторами, аззовні камера споряджена магнітною системою, який відрізняється тим, що з метою підвищення рівномірності іонного струму по периферії підкладки, 1 UA 105436 U 5 збільшення діаметра оброблювальної підкладки, спрощення експлуатації та зниження вартості пристрою, який відрізняється тим, що в верхній частині камери змонтоване діелектричне вікно з антеною, яка з'єднана через узгоджуючий пристрій з ВЧ- генератором, а тримач з обробляючою підкладкою складається з дискової та кільцевої частин, які розміщені вісесиметрично в одній площині та зверху закриті діелектричними кільцем та диском різної товщини, при цьому товщина діелектричного кільця установлюється виразом: hk 4 2 1 2S 2 0 2 S 2 , де: К - коефіцієнт корекції іонного струму на периферії підкладки, безрозм. U2 0 tgб - потужність втрат в діелектричному шарі, Вт JI2 10 15 U - падіння напруги в діелектричному шарі, В Jі - іонний струм по підкладці, А tg б - тангенс кута втрат, безрозм. 2 Sk - площа кільцевого електрода, м -1 ω - кругова частота генератора, с f - частота, Гц 2 ε0 - електрична постійна, 8,8541012 ε - відносна діелектрична проникність матеріалу кільця та диска, безрозм. 1/ 2 20 2 1 - модуль повного опору шару Дебая над диском, Ом R2 gп С gп Ud R ng S g - опір втрат, зумовлений бомбардуванням підкладки іонами з плазми, ОМ Ji Ud - падіння напруги в шарі Дебая, В 2 Sg - площа диска, м Cgп 0 Sg g - ємність, утворена діелектричним диском, Φ 4e2mne p me 25 1/ 2 - ленгмюрівська частота електронів плазми, с -1 -9 е - заряд електрона, 1,6•10 К -31 me - маса електрона, 9,1•10 кг. -3 ne - концентрація електронів, м к d 4е 2 1/ 2 - довжина екранування зарядів в плазмі, м k - постійна Больцмана, 1,38·10- 23 Дж 30 Τ - температура електронів плазми, К 1/ 2 1 - модуль повного опору діелектричного диска, Ом R 2 g Cg 2 - опір втрати в діелектричному шарі, Ом Rg 2 Ji Cg п 0S g dg - ємність шару Дебая діелектричного елемента над диском, Ф 2 35 Sg - площа диска, м hg - товщина діелектричного диска, м Також можливо, щоб діелектричні елементи тримача мають однакову товщину, якщо при цьому діелектричні проникності диска (εg) та кільце (εk) різні, то між ними виконується співвідношення εglg.3. Також діелектричні елементи тримача виконані у вигляді напівпровідникових структур з контактними системами та мають здатність змінювати свої імпеданси під впливом управляючої напруги і які прикладаються до контактних структур. Новими ознаками, які має технічне рішення, що заявляється, в порівнянні з прототипом, є виконання верхньої частини камери у вигляді діелектричного вікна ззовні якого змонтована антена, яка підключена до ВЧ генератора, виконання тримача підкладки з кільцевої та дискової частин на яких верхні плоскі поверхні облаштовані діелектричними елементами певної товщини, виконанням цих елементів з матеріалів з різними ε, виконанням кільцевої частини з кільцем необхідної висоти та виконанням елементів тримача у вигляді напівпровідникової структури, що таким чином забезпечує відповідність технічного рішення, що заявляється, критерію "новизна". Створення технологічного пристрою з вказаними відмінними ознаками дає змогу одержати рівномірну плазмову обробку підкладок великих діаметрів. Можливість здійснення заявлюваного технічного рішення підтверджується наступними кресленнями. Фіг. 1 - Схематичне зображення пристрою для прецизійної плазмової обробки підкладок. Фіг. 2 - Еквівалентна електрична схема тримача підкладок. Фіг. 3 - Перетворення та спрощення еквівалентної схеми тримача підкладок. Фіг. 4 - Перетворення еквівалентної електричної схеми тримача в зірку. Фіг. 5 - Варіант виконання тримача підкладок з діелектричними елементами, які виконані з різних матеріалів. Фіг. 6 - Варіант виконання тримача підкладок з кільцевою частиною, яка облаштована кільцем необхідної висоти. Фіг. 7 - Радіальний розмір густини іонного струму по підкладці в відносних одиницях для прототипу та варіантах виконання тримача. Для доказу заявлених відмітних ознак звернемося до фіг. 1. Технологічна камера 1 зверху закрита діелектричним вікном 2, який розміщений в нижній частині камери, тримач підкладки, складається з кільцевого та дискового елементів. Зверху на елементах тримача 6, 7 розміщені діелектричні деталі 8, 9 одної або різної товщини. Верхні площини діелектричних деталей створюють площину, на якій закріплено оброблювану підкладку 10. ВЧ-генератор 6 через узгоджуючий пристрій 1,3 підключений до дискового та кільцевого елементів тримача. Вузол тримача з узгоджуючими пристроями та ВЧ-генератором має еквівалентну схему, яка показана на фіг. 2. Проведемо аналіз еквівалентної схеми. Діелектричне кільце з підкладкою утворює з тримачем 8 ємкість Сk з втратами в матеріалі Rk. Ємкість СПК утворена поверхнею підкладки та шаром Дебая плазми. RПК - опір втрат енергії при бомбардуванні поверхні підкладки іонами з плазми. Аналогічно для дискової частини тримача елементи еквівалентної схеми опори та ємності визначається як Rg, Cg, Rпg та Cпg. Через СВ позначається ємність вакуумного кільцевого проміжку шириною h між кільцем та диском, фіг. 1,СР - ємкість між кільцем та диском утворена плазмою в зоні, ширина якої дорівнює довжині Дебая. Для спрощення аналізу еквівалента схему з RC елементами перетворимо в трикутник, на фіг. 3. Пасивні елементи СПК, RПК, СПК та RПК утворюють новий опір Z3. Елементи Cg, Cgп та Rg, Rgк утворюють повний опір Ζ12. Опір Ζ23, утворений ємностями СВ, СР, має реактивний характер. Потім еквівалентну схему, фіг. 3 перетворюємо зірку згідно з джерелом [Г.И.Атабеков. Основы теории цепей. С. - Петербург-Москва-Краснодар. 2006, с. 45], як показано на фіг. 4. При цьому одержуємо: Z3 50 Z 23 Z 31 (1), Z12 Z 23 Z 31 Z2 Z12 Z 31 (2). Z12 Z 23 Z 31 Коливальна ВЧ потужність з генератора 6 розгалужується на кільцеву та дискову частини тримача підкладки обернено їх повним опорам Z2 та Ζ3. Використовуючи рівняння (1) та (2) знаходимо: Z 2 Z12 Z3 Z 31 (3). 55 Повні опори Z2 та Z3 відповідають за величину від'ємної прискорювальної напруги по кільцевій та дисковій частині тримача підкладки. При цьому величина щільності іонного струму 3 UA 105436 U 5 на підкладку залежить від співвідношення опорів Z2 та Z3. Як витікає зі співвідношення (3), величину ємкостей СВ та СР не впливає на розподіл іонних струмів по кільцевій та дисковій частинах тримача підкладки. Таким чином за розподіл іонних струмів на кільцеву та дискову частини тримача відповідають значення повних опорів Z12 та Z31. Згідно з фіг. 5 нерівномірність густини іонного струму на кільцевій частині можливо зменшити, якщо підняти його густину на периферії кільця на відносну величину К. Тоді умовою високої рівномірності густини іонного струму є співвідношення: Z12 (4). Z 31 Модуль повного опору дискової частини Z12 має вигляд: 10 Z12 1 2 Rпg Cпg 1 2 Rпк C пк 2 1/ 2 1 2 Cg Rg 1/ 2 2 (5). Модуль повного опору кільцевої частини: Z13 2 1/ 2 1 2 Cк 2 Rк 1/ 2 (6), де: Rпg, Rпк - опір втрат, зумовлених бомбардувань підкладки іонами з плазми. 15 Rпg U U S g ; Rпк Sк (7). I I Sg, Sк - площі диска та кільця Іі - густина іонного струму на підкладку U - спадання напруги на Дебаївському шарі. Rg, Rk - втрати в діелектричних шарах кільця та диска. 20 U2 0 tg б Rg i2 U2 0 tg б Rk i2 Sghk Sghk (8), Sk hk Sk hk (9), j· Ρ - потужність втрат в діелектричному матеріалі Cg 25 0Sg hg ; Ck 0Sg hg ; (10), Ємкості зумовлені діелектричними над диском та кільцем. hg; hk - товщина діелектричних матеріалів Cпg п п 0 S g hn ; Cпk 0Sk hn ; (11), 1 2p - діелектрична проникність плазми (12), ω- частота генератора кI n 4е 2 30 1/ 2 4e2ne p me - довжина екранування електронів плазми. (13, 1/ 2 - ленгмюрівська частота електронів плазми (14). Запишемо вираз (4) у вигляді: де: S 1 0 k 2 2 p 2Sk hk hk С gп R2 gп 2 ; (15), 1/ 2 1/ 2 2 ; (16), 4 UA 105436 U 2 R2 1 gп С g 1/ 2 ; (17), 1 p2S2 2 2 S2 0 2 p2S2 hk 1 p S 2 2 2 PSk hk hk 5 10 15 20 25 30 35 40 1/ 2 2 2 2 2 1 p 2S 2 2 0 . PSk 2 2 Цей вираз означає, що для одержання високої рівномірності обробки підкладок при заданих площах кільця та диска, товщина діелектричного кільця повинна мати цю величину. Одна із варіантів запропонованого пристрою прецизійної плазмової обробки підкладок, показаний на фіг. 1. Пристрій складається з вакуумної камери 1, зверху якої розміщено діелектричне вікно 2 з плоскою спіральною антеною. Антена 3 через узгоджуючий пристрій 4 з'єднана з ВЧ-генератором 5. В нижній частині камери вісесеметрично відносно діелектричного вікна розміщений тримач підкладки, який складається з дискової та кільцевої частин 6 та 7. На частинах тримача розміщені діелектричні елементи 8, 9 у вигляді диска та кільця різних товщин. Зверху тримача закріплена підкладка 10, яка обробляється. Тримач закріплений в нижній частині камери за допомогою прохідних ізоляторів 11. Тримач з'єднаний з ВЧ-генератором 12 через узгоджуючий пристрій 13. Зовні технологічно камера охоплена магнітною системою із соленоїдальних елементів 13, 14. Багатоканальна газова система з запірними 15 та регулюючими елементами 16 забезпечує стабільну подачу активних газів в необхідних об'ємах. На фіг. 6 показаний варіант виконання тримача підкладки 10 з діелектричними елементами 8, 9, які мають однакову товщину та різні діелектричні проникності ε g, εk, . Для збільшення густини іонного струму на кільцеву зону підкладки необхідно виконати умови εg < εk, що результуються підвищення рівномірності обробки, крива 2 на фіг. 7. Крива 1 характеризує рівномірність обробки в прототипі. Повний опір кільцевої частини тримача також можливо з меншими завдяки збільшенню площі кільцевого електрода, який контактує з плазмою, як показано на фіг. 2. В цьому варіанті виконання заявлюваного пристрою площа кільцевої частини тримача збільшено завдяки кільцевому елементу 17 необхідної висоти S. В результаті зменшення повного опору кільцевого елемента тримача рівномірність обробки підкладки має вигляд, як показано на фіг. 7, крива 3. При цьому діелектричні елементи 8, 9 тримача можуть бути замінені єдиним діелектричним диском 18 необхідної товщини. Високої рівномірності обробки підкладки можливо досягти, якщо кільцевий діелектричний елемент виконаний у вигляді напівпровідникової р-п структури з контактними системами. При необхідній напрузі, яка прикладається до р-п структури, ємність переходу стає менше ємності дискової частини, що в результаті підвищує густину іонного струму на кільцеву частину підкладки, що значно підвищує рівномірність плазмової обробки підкладки. Заявлений пристрій працює таким чином. Технологічна камера 1 відкачується до високого -6 вакууму до 10 мм рт. ст. За допомогою елементів газової системи 15,16 камера наповнюється -2 -3 сумішшю реактивного та інертного газів до необхідного тиску 10 -10 мм рт. ст. Після подачі живлення на соленоїдальні елементи 13, 14 та включенні ВЧ-генератора 5 в об'ємі камери збуджується розряд геліконного типу. Після включення генератора на 12 оброблюваній підкладці 10 виникає від'ємний потенціал зміщення, який має різну величину над дисковою 6 та кільцевою 7 частинах тримача. Підняття густини іонного струму над дисковою частиною досягається виконанням діелектричних елементів 8, 9 різної товщини hg та hk. При цьому висота кільцевого діелектричного елемента hk відповідає заявлюваному виразу (18). Рівномірність прецизійної плазмової обробки відповідає кривим 2,3 на фіг. 7. 45 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 50 1. Пристрій прецизійної плазмової обробки, який містить в собі вакуумну камеру з засобами відкачки та запірно-регулюючою газовою системою, в нижній частині якої вісесиметрично розміщені тримач з оброблюваною підкладкою та кільцевий електрод, тримач і кільцевий електрод з'єднані через узгоджувальні пристрої з ВЧ-генераторами, а зовні камера облаштована магнітною системою, який відрізняється тим, що в верхній частині камери 5 UA 105436 U змонтоване діелектричне вікно з антеною, яка з'єднана через узгоджувальний пристрій з ВЧгенератором, а тримач з оброблюваною підкладкою складається з дискової та кільцевої частин, які розміщені вісесиметрично в одній площині та зверху закриті діелектричними кільцем та диском різної товщини, при цьому товщина діелектричного кільця установлюється виразом: 5 hk 4 2 1 2S 2 0 2 S 2 , де: К - коефіцієнт корекції іонного струму на периферії підкладки, безрозм.; 10 - потужність втрат в діелектричному шарі, Вт; JI2 U - спадання напруги в діелектричному шарі, В; Jі - іонний струм по підкладці, А; tg б - тангенс кута втрат, безрозм.; 2; Sk - площа кільцевого електрода, м -1; - кругова частота генератора, с f 15 U2 0 tgб - частота, Гц; 2 0 - електрична постійна, 8,85410 12 ; відносна діелектрична проникність матеріалу кільця та диска, безрозм.; 2 R2 1 gп С gп Rng 20 1/ 2 - модуль повного опору шару Дебая над диском, Ом; Ud Sg - опір втрат, зумовлений бомбардуванням підкладки іонами з плазми, Ом; Ji Ud - спадання напруги в шарі Дебая, В; 2 Sg - площа диска, м C gп 0 S g g - ємність, утворена діелектричним диском, Φ; 4e2mne p me 1/ 2 -1 - ленгмюрівська частота електронів плазми, с ; -9 25 е - заряд електрона, 1,6•10 К; -31 me - маса електрона, 9,1•10 кг; -3 ne - концентрація електронів, м ; к d 4е 2 1/ 2 - довжина екранування зарядів в плазмі, м; k - постійна Больцмана, 1,38·10-23 Дж ; Τ - температура електронів плазми, К; 1/ 2 1 R 2 - модуль повного опору діелектричного диска, Ом; g Cg 2 - опір втрати в діелектричному шарі, Ом; Rg Ji2 30 Cg п 0S g dg - ємність шару Дебая діелектричного елемента над диском, Ф; 2 35 Sg - площа диска, м ; hg - товщина діелектричного диска, м. 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що діелектричні елементи тримача мають однакову товщину, якщо при цьому діелектричні проникності диска (g) та кільця (k) різні, то між ними виконується співвідношення glg. 4. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що діелектричні елементи тримача виконані у вигляді напівпровідникових структур з контактними системами та мають здатність змінювати свої імпеданси під впливом управляючої напруги, яка прикладається до контактних систем. 7 UA 105436 U 8 UA 105436 U 9 UA 105436 U 10 UA 105436 U 11 UA 105436 U Комп’ютерна верстка О. Гергіль Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 12
ДивитисяДодаткова інформація
Назва патенту англійськоюPrecision plasma processing device
Автори англійськоюVeremiichenko Heorhii Mykytovych
Назва патенту російськоюУстройство прецизионное плазменной обработки
Автори російськоюВеремийченко Георгий Никитович
МПК / Мітки
МПК: H05H 1/00, H01L 21/3065
Мітки: пристрій, обробки, плазмової, прецизійної
Код посилання
<a href="https://ua.patents.su/14-105436-pristrijj-precizijjno-plazmovo-obrobki.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Пристрій прецизійної плазмової обробки</a>
Попередній патент: Спосіб визначення активності лужної фосфатази в молоці та молочних продуктах флуориметричним методом
Наступний патент: Спосіб підвищення сипкості пиловидних матеріалів
Випадковий патент: Спосіб прогнозування ступеня ризику виникнення остеопорозу