Плазмовий реактор з магнітною системою

Реферат: Плазмовий реактор містить в собі вакуумну камеру з засобами відкачування, системою подавання та дозування технологічних газів, радіально симетрично закріпленими зовні зверху електродами для збудження розрядів індукційним або ємнісним засобами і які електрично з'єднані з ВЧ генераторами, столик з підкладинкою, який розміщений вісесиметрично всередині камери і протилежно до зазначених вище електродів і також з'єднаний з окремим ВЧ генератором, та магнітну систему. Електроди для ємнісного збудження ВЧ розряду виконані у вигляді двох порожнистих циліндрів, розташованих всередині камери коаксіально між собою та до підкладинки. Співвідношення висоти внутрішнього циліндра h ц до його діаметра dц лежить в межах 2>hц/dц>0,5, а співвідношення діаметра зовнішнього циліндра D ц до діаметра внутрішнього циліндра dц лежить в межах 1,6>Dц/dц>1,2. UA 87745 U (12) UA 87745 U UA 87745 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до технологічних пристроїв для створення виробів мікроелектроніки, наноелектроніки та мікромеханіки. Запропоноване технічне рішення може бути достатньо ефективно використано в окремих технологічних процесах, таких як плазмохімічне травлення напівпровідникових структур з високою роздільною здатністю та синтез складних напівпровідникових структур, нанесення сухого фоторезисту, його задублення, проявлення та видалення. Відомі пристрої для плазмохімічної обробки напівпровідникових підкладинок. Наприклад, в технічному рішенні [Гомжин И.В., Лебедев Э.А., Эфремов Д.А. Устройство для 7 плазмохимической обработки полупроводниковых пластин. Патент 2 249 883 Россия. МПК H01L 21/3065. Заявл. 18.07.2003] досягнуті високі технологічні результати. Основою винаходу є плазмовий реактор з індукційним збудженням ВЧ розряду в атмосфері технологічного газу. Зона генерації ВЧ плазми відокремлена від зони обробки напівпровідникової підкладинки. В цьому пристрої досягнуті високі швидкості видалення фоторезисту (5,3 мкм/хв.) з високою однорідністю по площині підкладинки. В технічному рішенні [І. Holland, V.N. Todoroio, M. Barnes, 7 plasma reactor having a symmetrical parallel conductor coil antenna. Patent 6 685 798 USA, Int. Сl. Н05Н 1/100 C23C 16/00; H01J 21/00. Date of Patent: Feb.3, 2004] для рівномірної обробки підкладинок великого розміру (до 300 мм) використано індукційно зв'язану ВЧ плазму. Висока рівномірність обробки досягається завдяки складній конструкції системи електродів збудження, яка розміщена зверху плазмового реактора на діелектричному диску, та блоку узгодження з широким динамічним діапазоном зміни імпедансів електродів збудження і ВЧ розряду в середовищі технологічного газу. Виникнення дефектів на підкладинці, що обробляється, вдається уникнути за рахунок з'єднання столика з окремим ВЧ генератором. Особливо це технічне рішення ефективне при обробці діелектричних та напівпровідникових підкладинок. Найбільш близьким до запропонованого рішення є конструкція плазмового реактора в патенті [P.K. Loewenhardt, G.Z. Vin, P.M. Salzman. Magnetically enhanced inductively coupled 7 plasma reactor with magnetically confined plasma. Patent 6 503 367 USA, Int. Cl. H01L 21/00; H05H 1/00. Date of Patent: Jan.7, 2003]. В цьому технічному рішенні використані ВЧ розряди з ємнісним та індукційним збудженням. Ємнісний електрод і електрод збудження розміщені зверху реактора та з'єднані з окремими ВЧ генераторами. Магнітна система виконана вісесиметрично на постійних елементах і ізолює ВЧ плазму від стінок камери та інших вузлів, що забезпечує високу чистоту плазмохімічних процесів на підкладинці. Поряд з високими технологічними параметрами (велика площа підкладинок, що обробляються та висока густина плазми в площині обробки) розглянутій конструкції плазмового реактора притаманні суттєві недоліки, а саме: 1. Система із постійних магнітів не може забезпечити стабільність технологічних параметрів при зміні тиску або типу технологічного газу. 2. Рівномірна площа обробки підкладинки обмежена лінійними розмірами системи постійних магнітів. 3. Обмежена здатність управління потоком заряджених частинок із ВЧ плазми на поверхню підкладинки, що обробляється. Метою пропонованого технічного рішення є удосконалення ВЧ плазмового реактора, в якому відсутні зазначені вище недоліки. Вказаний технічний результат досягається за рахунок того, що в плазмовому реакторі, який містить в собі вакуумну камеру з засобами відкачування, системою подавання та дозування технологічних газів, радіально симетрично закріпленими зовні зверху електродами для збудження розрядів індукційним або ємнісним засобами і які електрично з'єднані з ВЧ генераторами, столик з підкладинкою, який розміщений вісесиметрично всередині камери і протилежно до зазначених вище електродів і також з'єднаний з окремим ВЧ генератором, та магнітну систему з метою одержання високих технологічних параметрів на поверхні підкладинки: 1. Електроди для ємнісного збудження розряду виконані у вигляді двох порожнистих циліндрів, розташованих всередині камери коаксіально між собою та до підкладинки, при цьому співвідношення висоти внутрішнього циліндра hц до його діаметра dц лежить в межах 2>hц/dц>0,5, a співвідношення діаметра зовнішнього циліндра D ц до діаметра внутрішнього циліндра dц лежить в межах 1,6>Dц/dц>1,2. 2. Електрод для індукційного збудження розряду виконаний у вигляді одного чи декількох вісесиметричних витків, розташованих радіально симетрично до підкладинки таким чином, що їхня проекція на підкладинку знаходиться всередині внутрішнього циліндра або як всередині, так і зовні внутрішнього циліндра в зазорі між внутрішнім та зовнішнім порожнистими циліндрами. 1 UA 87745 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 3. Співвідношення діаметрів підкладинки d п і внутрішнього порожнистого циліндру d u знаходиться в межах 2>dп/dц>1,2. 4. Співвідношення діаметра підкладинки d п до відстані d між підкладинкою та ближнім краєм внутрішнього порожнистого циліндричного електроду знаходиться в межах 10>d п/d>1. 5. Магнітна система виконана із соленоїдальних елементів, розташованих співвісно до підкладинки зовні або всередині вакуумної камери, які живляться від джерел постійного струму із зміною величини і полярності струму. 6. Верхня площина підкладинки розташована між двох нижніх соленоїдальних елементів магнітної системи. Новими відмінними ознаками, які має технічне рішення, що заявляється, є: 1. Виконання електродів для ємнісного збудження у вигляді порожнистих циліндрів необхідних розмірів, при яких співвідношення висоти внутрішнього циліндра h ц до його діаметра dц лежить в межах 2>hц/dц>0,5, a співвідношення діаметра зовнішнього циліндра D ц до діаметра внутрішнього циліндра dц лежить в межах 1,6>Dц/dц>1,2. 2. Форма та розташування електрода для індукційного збудження. 3. Співвідношення діаметрів підкладинки d п і внутрішнього порожнистого циліндру dц, яке знаходиться в межах 2>dп/dц>1,2. 4. Співвідношення діаметра підкладинки d п до відстані d між підкладинкою та ближнім краєм внутрішнього порожнистого циліндричного електроду, яке знаходиться в межах 10>d п/d>1. 5. Виконання елементів магнітної системи у вигляді соленоїдальних елементів, розташованих співвісно до підкладинки зовні або всередині вакуумної камери, які живляться від джерел постійного струму зі зміною величини і полярності кожного окремо. 6. Розташування верхньої площини підкладинки між двох нижніх соленоїдальних елементів магнітної системи. Це забезпечує відповідність технічного рішення, що заявляється, критерію "новизна". Виконання плазмового реактора з ознаками, що заявляються, дає можливість отримати технічний результат - досягнути високу рівномірність обробки підкладинок великого діаметра (до 450 мм) при різних тисках і типах технологічних газів чи їхніх сумішей. Обмеження співвідношення висоти внутрішнього циліндра hц до його діаметра dц в межах 2>hц/dц>0,5 пов'язане з тим, що при менших співвідношеннях знижується густина плазми в ємнісному розряді, що обумовлене надмірними втратами заряджених частинок плазми в напрямку, протилежному від підкладинки. При співвідношенні hц/dц>2 необхідно піднімати потужність ВЧ генератора, яка потрібна для підтримання визначеного рівня концентрації плазми в збільшеному об'ємі ємнісного розряду. Обмеження співвідношення діаметра зовнішнього циліндра D ц до діаметра внутрішнього циліндра dц в межах 1,6>Dц/dц>1,2 пов'язане з тим, що при менших співвідношеннях знижується густина плазми в ємнісному розряді, що обумовлене надмірними втратами заряджених частинок плазми на розрядні електроди. При співвідношеннях D ц/dц> 1,6 зростає потужність ВЧ генератора, яка потрібна для підтримання необхідного рівня концентрації плазми в збільшеному об'ємі ємнісного розряду. Обмеження співвідношення діаметрів підкладинки dп і внутрішнього порожнистого циліндру dц в межах 2>dп/dц>1,2 пов'язане з тим, що при менших співвідношеннях зростає потужність ВЧ генератора, яка потрібна для підтримання необхідного рівня концентрації плазми в збільшеному об'ємі індукційного розряду. При співвідношеннях dп/dц>2 зростає і стає неприйнятною радіальна неоднорідність іонного потоку на підкладинку. Обмеження співвідношення діаметра підкладинки dп до відстані d між підкладинкою та ближнім краєм внутрішнього порожнистого циліндричного електроду в межах 10>dп/d>1 пов'язане з тим, що при співвідношенні dп/d10 зростає і стає неприйнятною радіальна неоднорідність іонного потоку на підкладинку, викликана впливом внутрішнього порожнистого циліндричного електрода ємнісного розряду. Можливість здійснення корисної моделі та доказ ознак і співвідношень, що заявляються, підтверджується наступними кресленнями: Фіг. 1 - Схематичне зображення плазмового реактора з магнітною системою. Фіг. 2 - Розподіл індукції магнітного поля В на осі вакуумної камери по висоті Н плазмового реактора. Фіг. 3 - Радіальні розподіли густини іонного струму j+ на підкладинку для різних конфігурацій магнітного поля та варіантів включення ВЧ генераторів (1 - включені верхній соленоїдальний елемент та ВЧ генератор, що живить електрод для індукційного збудження розряду; 2 2 UA 87745 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 включені верхній та середній соленоїдальні елементи і ВЧ генератор, який підключений до електродів для ємнісного збудження розряду; включені середній та нижній соленоїдальні елементи і ВЧ генератор, який підключений до столика; 4 - включені всі соленоїдальні елементи та всі ВЧ генератори). Варіант виконання плазмового реактора, що заявляється, який не виключає інші можливі реалізації, зображений на фіг. 1, включає в себе вакуумну камеру, що представляє собою зовнішній порожнистий циліндр 1, який виконує функції електрода для ємнісного збудження коаксіального ВЧ розряду. До зовнішнього порожнистого циліндра 1 через ізолятор 2 прикріплений внутрішній порожнистий циліндр - електрод 3 для ємнісного збудження коаксіального ВЧ розряду. Зверху вакуумна камера обмежена діелектричним вікном 4, на якому розташований електрод 5 для індукційного збудження розряду. Можливий варіант конструкції плазмового реактора, в якому зверху вакуумна камера обмежена металевим фланцем, а електрод для індукційного збудження розряду розташована всередині вакуумної камери. Електрод 5 електрично з'єднаний з ВЧ генератором 6. Внутрішній порожнистий циліндр 3 електрично з'єднаний з ВЧ генератором 7. Співвісно до зовнішнього порожнистого циліндра 1 розташована магнітна система, яка складається із трьох соленоїдальних елементів 8, 9 та 10. Співвісно до вакуумної камери всередині неї між соленоїдальними елементами 9 та 10 розташована підкладинка 11, яка розміщена на столику 12. Столик 12 приєднаний до вакуумної камери через ізолятор 13 і електрично з'єднаний з ВЧ генератором 14. З метою досягнення високої рівномірності обробки напівпровідникових підкладинок фіксованого діаметра та значного розширення технологічних можливостей для обробки підкладинок великого діаметра (dп>300 мм) нижня ділянка вакуумної камери, що розміщена між соленоїдальними елементами 9 та 10, може бути більшого діаметра, ніж верхня ділянка камери (на фіг. 1 не показано). Вакуумна камера забезпечена перехідними пристроями для приєднання системи подавання і дозування технологічних газів та засобів відкачування (на фіг. 1 не показані). Плазмовий реактор з магнітною системою, що зображений на фіг. 1, працює таким чином. На столику 12 розташовують підкладинку 11. З використанням засобів відкачування відкачують -3 вакуумну камеру до залишкового тиску не вище 10 Па. За допомогою системи подавання та дозування здійснюють напуск в вакуумну камеру технологічних газів до робочих тисків в межах -2 10 - 10 Па. Включають джерела живлення соленоїдальних елементів 8, 9, 10 та встановлюють в них такі величину і полярність струмів, за яких розподіл індукції магнітного поля В по висоті Н плазмового реактора відповідає представленому на фіг. 2. При цьому значення індукції магнітного поля в максимумах розподілу становлять 50-300 Гс. При значеннях індукції магнітного поля