РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2009, том 54, № 2, с. 236-242
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ
УДК 537.523.74
ЭФФЕКТИВНОСТЬ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ В УБЫВАЮЩЕМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ © 2009 г. Д. В. Нефёдов, Р. К. Яфаров
Поступила в редакцию 10.02.2005 г.
Приведены результаты комплексных экспериментально-теоретических исследований влияния магнитного поля, СВЧ-мощности и расстояния между обрабатываемой пластиной и окном ввода СВЧ-энергии на эффективность плазменной обработки. Впервые экспериментальным путем показана возможность изменения электродинамических свойств волноводных плазменных технологических СВЧ-устройств в зависимости от режима эксплуатации. Предложены физические модели, описывающие полученные экспериментальные данные, как результат взаимодействия электромагнитных волн с плазмой в убывающем в направлении их распространения магнитном поле.
ВВЕДЕНИЕ
Среди большого многообразия плазменных технологий, используемых для производства интегральных схем с субмикронными и субполумик-ронными (0.1...0.5 мкм) размерами элементов, важное место занимают технологии на основе газового СВЧ-разряда с электронно-циклотронным резонансом (ЭЦР). Основными преимуществами ее применения в современной микро- и наноэлек-тронике являются высокая вакуумная чистота процесса, так как плазма является безэлектродной, а рабочие давления в ней могут составлять от 10-2 до 100 Па, высокая степень ионизации, достигающая 5.7%, и низкая собственная энергия ионов, определяемая плавающим потенциалом плазмы в 20.30 эВ [1, 2].
Совершенствование технологии и оборудования СВЧ плазменной технологии в последние годы было связано с поиском путей повышения надежности и долговечности СВЧ плазменных устройств и их эффективности, основными характеристиками которой являются равномерность и скорость вакуумно-плазменной обработки. Длительное практическое использование волноводных ЭЦР СВЧ плазменных устройств для низко-энергетичных сухого субмикронного травления и осаждения тонких пленок различных материалов микроэлектроники [2-4] показало, что наибольшая их надежность и долговечность реализуется при конфигурациях магнитного поля в виде "проб-котрона" или в том случае, когда ввод СВЧ-энер-гии в разрядную камеру осуществляется со стороны большего магнитного поля. При таких конфигурациях эффективно осуществляется удержание плазмы от попадания на керамическое окно ввода СВЧ-энергии и тем самым обеспечиваются более щадящие тепловые условия его эксплуатации. Кроме того, согласно теоретическому рассмотрению, проведенному в работах [5, 6], при этом
должны реализовываться условия наиболее эффективного поглощения СВЧ-мощности в плазме в областях магнитного поля близких к ЭЦР.
Теоретические исследования эффективности СВЧ плазменной обработки во внешнем магнитном поле наиболее полно представлены в работах Ю.В. Гуляева с соавторами [7-10]. Практические способы реализации этих теоретических изысканий, включая создание многомодовых СВЧ плазменных устройств с продольно-поперечным вводом СВЧ-энергии и соленоидно-мультипольным магнитным полем, а также выбор типа возбуждаемых в них электромагнитных волн, приведены в работах [11-13]. Тем не менее вопросы эффективности обработки этим методом до настоящего времени не исследованы в достаточной степени. Это объясняется многообразием и относительной сложностью протекающих при этом физических процессов, обусловленных влиянием взаимодействия СВЧ-излучения с плазмой в магнитном поле на технологические параметры плазменной обработки.
Целью настоящей работы является рассмотрение физических механизмов, отвечающих за эффективность СВЧ плазменной обработки, а именно, комплексное исследование влияния основных технологических параметров: величины и конфигурации убывающего внешнего магнитного поля в направлении распространения СВЧ электромагнитных волн, подводимой СВЧ-мощности и расстояния обрабатываемой пластины от окна ввода СВЧ-энергии на равномерность и производительность процесса плазменной обработки.
1. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Эксперименты проводили с использованием ионно-плазменного СВЧ-источника, в котором для увеличения диаметра обрабатываемой пластины
применяли ступенчатый согласованный переход с одномодового волновода для низшего типа волны Ип на частоте 2.45 ГГц на открытый многомодо-вый волновод диаметром 178 мм. Магнитное поле вдоль оси плазмотрона создается с помощью двухсекционного электромагнита, установленного на одномодовой части волновода в зоне керамического окна, через которое осуществляется регулируемый ввод СВЧ-энергии. Керамическое окно отделяет часть пространства одномодового волновода от атмосферного воздуха и обеспечивает возможность создания с помощью вакуумных средств откачки в операционной камере давления в диапазоне 10-3...1 Па. Ввод плазмообразующих газов в вакуумную камеру осуществляется с помощью регуляторов расхода газа. Плазменный процесс осуществляется следующим образом. После предварительного вакуумирования через цилиндрический реактор производится прокачка плаз-мообразующего газа. В разрядном пространстве плазмотрона под действием электромагнитных СВЧ-волн круговой поляризации с определенной напряженностью электрического поля и внешнего магнитного поля происходит электрический газовый пробой. В созданной продольно намагниченной плазме электроны, ионы, радикалы плаз-мообразующего газа переносятся потоком или дрейфуют, при приложении внешнего электрического поля, к пластине и осуществляют ее обработку. Образующиеся летучие продукты реакций откачиваются вакуумной системой [3].
Величина и распределение индукции магнитного поля вдоль оси плазмотрона регулировали изменением токов в секциях электромагнита. Измерение распределения индукции магнитного поля вдоль оси плазмотрона от окна ввода СВЧ-энергии до каждого положения подложкодержа-теля осуществлялось с использованием прибора Ш1-8. Давление плазмообразующего газа составляло 0.1 Па. Относительную величину поглощенной мощности (Рпогл) рассчитывали из выражения
Р /Р = 1 - о2,
погл' пад г '
где Рпад - мощность, поступающая от СВЧ-гене-ратора, р - коэффициент отражения, который рассчитывали из соотношения величин Ротр и Рпад, измеренных с помощью направленных ответвите-лей. В качестве характеристики равномерности плазменной обработки использовались измеренные радиальные распределения плотности тока j (r) на многозондовом коллекторе диаметром 150 мм, который при проведении экспериментов устанавливали взамен обрабатываемой пластины в СВЧ-плазмотроне на расстояниях 17, 22 и 27 см от окна ввода СВЧ-энергии. Из графиков j = f(r) определяли диаметр допустимой зоны равномерности обработки (DH=90%), в которой плотность тока составляла не менее 0.9 ^акс (/макс - максимальное
значение плотности тока в каждом режиме генерации плазмы. Производительность плазменной обработки (П) в условных единицах определялась как произведение радиуса обработки с равномерностью распределения плотности тока 90% на соответствующее максимальное значение плотности тока: П = 0.5;'макс0н = 90%.
Для совместного графического представления экспериментальных результатов, полученных в различных режимах генерации плазмы и отличающихся друг от друга величиной индукции магнитного поля В, мощностью Р и расстоянием между коллектором и керамическим окном ввода СВЧ-излучения Ь, использовали параметр БЬ, который рассчитывали по результатам экспериментальных измерений распределений индукции магнитного поля вдоль оси плазмотрона по формуле:
= J B (x) dx,
где В(х) - индукция убывающего в направлении распространения СВЧ-излучения магнитного поля, измеренная вдоль оси плазмотрона, Ь - 17, 22 и 27 см. Выбор параметра 8Ь обусловлен тем, что он влияет на обобщенный коэффициент диффузии заряженных частиц поперек магнитного поля [14] и характеризует в каждом случае интегральное удержание плазмы внешним магнитным полем независимо от его конкретной конфигурации и расстояния Ь. Диффузия частиц осуществляется за счет градиента концентрации из центральной области газового разряда на стенки цилиндрического реактора.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
На рис. 1 приведены экспериментальные зависимости диаметра зоны СВЧ плазменной обработки с равномерностью 90% и производительности процесса от интегральной индукции магнитного поля для различных расстояний коллектора от окна ввода СВЧ-энергии и мощности СВЧ-излучения. Видно, что характер изменения диаметра зоны допустимой равномерности обработки Ен=90% и производительность плазменного процесса П от параметра 8Ь существенным образом зависит как от расстояния между коллектором и окном ввода СВЧ-излучения Ь, так и от величины мощности СВЧ-излучения Р. Для всех зависимостей Бн=90% и П от £ можно выделить четыре области.
1. Область низких значений интегральной магнитной индукции (£Ь < 0.04 Тл см (см. рис. 1а)), при которых газовый разряд для данных давления плазмообразующего газа и мощностей СВЧ-излучения из-за больших потерь заряженных частиц на стенках металлического плазмотрона пе-
L
S
L
0
Рис. 1. Зависимость диаметра Он = 90% (а, в, д) и производительности П (б, г, е) плазменной СВЧ-обработки от интегральной индукции магнитного поля для трех различных расстояний Ь между коллектором и окном ввода СВЧ-энергии Ь = 17 см (а, б), Ь2 = 22 см (в, г), Ь = 27 см (д, е) и различных значений мощности Р СВЧ-излучений: Р = 250 (1), 280 (2) и 320 Вт (3).
рестает существовать. При увеличении Ь из-за увеличения разрядного объема, заключенного между керамическим окном ввода СВЧ-излуче-ния и металлическим коллектором - подложко-держателем, и в связи с этим больших потерях частиц по его периметру, минимальные значения 5Ьмин увеличиваются (см. рис. 1в, д).
2. Область предрезонансных магнитных полей. Этой области соответствуют значения интегральной индукции магнитного поля в интервале 0.04.0.05 Тл см. При превышении интегральной индукции магнитного поля величины 5Ьмин для каждого Ь и Р наблюдаются узкие области значений этого параметра, при которых Вн=90% имеют наибольшие значения, достигающие 120.150 мм. Однако в связи с отсутствием ЭЦР и малыми и не воспр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.