8.3. Конструктивные решения свч газоразрядных устройств технологического назначения

СВЧ разрядные устройства, служащие для получения низкотемпературной плазмы, получили название СВЧ плаз­мотронов. СВЧ плазмотроны отличаются широким разнооб­разием конструкций, базирующихся на использовании ре­зонаторов, волноводов, антенн, вытягивающих электродов, служащих для достижения определенных целей, примене­нии постоянных и переменных магнитных полей, разнесе­нии разрядной и технологической областей и т. д.

Техника СВЧ диапазона позволяет создавать разрядные устройства, обеспечивающие независимость мощности и ча­стоты генерируемых источником колебаний от параметров плазмы. Выбирая определенный тип электромагнитной вол­ны, характеризуемой определенным распределением полей по объему, можно создать плазмотрон, к.п.д. которого мало зависит от изменения параметров и объема плазмы.

Конструкцию СВЧ плазмотрона выбирают из условия хо­рошего согласования его с генератором, причем согласова­ние должно быть обеспечено как до, так и после зажигания разряда. Это условие совместно с условием получения высо­кой удельной мощности в плазме определяет выбор типа возбужденной волны.

Важным фактором является и то, что при использовании больших импульсных СВЧ мощностей можно получить не­равновесную плазму. То обстоятельство, что длительность импульса (0,1—1 мкс) много меньше времени деионизации и распада плазменного образования, позволяет получить при выборе паузы между импульсами, равной времени распада плазмы, неравновесную плазму при малой температуре газа.

СВЧ разряды по способам их получения можно условно разделить на электродные и безэлектродные (рис. 8.1). Элек­тродные, в свою очередь, подразделяются на двухэлектрод- ные и одноэлектродные (факельные). Двухэлектродные раз­ряды широкого распространения не получили, хотя имеется ряд работ (преимущественно японских ученых) по их ис­пользованию при проведении процессов плазменного трав­ления материалов.

Из одноэлектродных устройств наиболее широкое распро­странение получили факельные плазмотроны на основе вол- новодно-коаксиальной системы. В таком уст­ройстве в отрезке прямоугольного волновода с закорачиваю­щим поршнем сделан коаксиально-волноводный переход, по которому энергия электромагнитного поля при правильной установке закорачивающей плоскости передается из волно­вода по коаксиалу в разрядную зону. Подстройка закорачи­вающим поршнем необходима для введения коаксиального проводника перехода в область максимальной напряженности (пучности) электрической составляющей электромагнит­ной волны.

Факельные СВЧ плазмотроны, предназначенные для ра­боты на атмосферном давлении, являются источниками вы­сокотемпературной равновесной плазмы и используются, как правило, в качестве горелок [68, 69, 71]. В качестве плазмо- образующих газов в них используются N₂, воздух, С0₂, Аг и смеси N₂+ 5 % Н₂, Аг + (10—20 %)Н₂. В работе [68] в смеси газов N₂+ 5 % Н₂ при мощности СВЧ W_CB4 = 1,2 кВт и рас­ходе газовой смеси 56 л/мин на расстоянии 5 мм от среза сопла получена температура газа Т = 6700 К. В работе [69] газовая температура в смеси 80 % Аг и 20 % Н₂ при мощно­сти СВЧ W_CB4 = 0,36 кВт равнялась 6000 К.

В факельных СВЧ плазмотронах, предназначенных для работы в области низких газовых давлений, в случае если коаксиал, служащий антенной, не изолирован от плазмен­ного объема, в качестве рабочих газов используются те же газы и смеси, что и при работе на атмосферном давлении. Изоляция дипольного излучателя кварцевым чехлом позволяет работать с такими газами, как силан, тет- рафторид кремния и т. д.

Характерной особенностью устройств для получения плаз­мы СВЧ разряда при высоких давлениях является наличие завихрителя потока газа в реакторе для стабилизации раз­ряда в центре разрядной камеры, а также наличие вспомо­гательного устройства для инициирования разряда, т. е. его "поджига". В качестве таких устройств могут использовать­ся отрезок проволоки из тугоплавкого металла, вводимый в разрядную область и касающийся заземленной плоскости; вспомогательный источник, создающий мощную электрическую искру или разряд; луч лазера, проходящий через разрядную область и т. д.

Рис. 8.1. Конструктивные решения СВЧ газоразрядных устройств

Коаксиальные СВЧ генераторы плазмы широкого прак­тического применения не находят по следующим причи­нам: 1) для возбуждения и поддержания разряда необхо­димы значительные уровни СВЧ мощности, кбторые зат­руднительно передавать по коаксиальным кабелям; 2) конструктивное исполнение промышленно выпускаемых магнетронов сантиметрового диапазона, имеющих достаточ­ную выходную мощность для получения разряда, предус­матривает их крепление на волноводах прямоугольного се­чения; 3) коаксиальные СВЧ разрядные устройства конст­руктивно сложны и поэтому не могут характеризовать­ся высокой надежностью и простотой в управлении и регу­лировке.

Безэлектродные разряды по способу своего возбуждения могут быть пяти типов: волноводные, резонаторные, антен­ные, объемные нерезонаторные и с замедляющими структу­рами. Их существенным преимуществом перед электродны­ми разрядами является отсутствие металлических электро­дов, способных загрязнять разрядную камеру, что может приводить к потере нужного атомарного продукта.

Разрядные устройства волноводного типа конструктивно наиболее просты и представляют собой отрезок волновода, через который проходит диэлектрическая термостойкая тру­бка из кварца или пирекса, хорошо пропускающая СВЧ энергию. Известны конструкции разрядных устройств с ис­пользованием волноводов прямоугольного и круглого сече­ний. В прямоугольном волноводе разрядная трубка может располагаться вдоль либо перпендикулярно стенкам вол­новода. За разрядной трубкой в волноводе устанав­ливается поглощающая нагрузка или короткозамыкающий поршень. В качестве поглощающей нагрузки обычно ис­пользуется вода или графит, поглощающие часть энергии, прошедшей за разряд, или всю энергию генератора в случае отсутствия разряда. Короткозамыкающий поршень служит для согласования режимов работы генератора колебаний с нагрузкой, и его местоположение относительно разрядной трубки подбирается экспериментально. Обычно в волново­дах прямоугольного сечения используется волна типа Н₁₀, и тогда разрядная трубка устанавливается перпендикулярно широкой стенке волновода. При атмосферном давлении плаз­менный разряд вытягивается вдоль вектора напряженности электрического поля за стенки волновода, а при низких давлениях разряд ограничен по длине стенками волновода и не выходит за их пределы, даже если это позволяет размер разрядной трубки.

Устройством, позволяющим устранить это ограничение в использовании плазмотронов волноводного типа, является сур- фогайд, в котором поддержание плазмы осуществ­ляется за счет поверхностных электромагнитных волн. Кон­структивно сурфогайд (рис. 8.2) состоит из симметрично рас­положенных сужающихся по узкой стенке отрезков прямоугольного волновода сечением (45x90) мм² или (34x72) мм² , разрядной трубки, устанавливаемой по оси симметрии кон­струкции перпендикулярно широкой стенке волновода, и короткозамыкающего подвижного поршня, расположенного на противоположном от места ввода СВЧ энергии конце вол­новода. Диаметры отверстий в широких стенах волновода в 1,2—2 раза больше наружного диаметра разрядной трубки. Кроме этого, в широкой ступенчатой стенке волновода дела­ется утоныпение с наружной стороны глубиной 0,25мм и диаметром, в 4—5 раз превышающим наружный диаметр разрядной трубки.

Рис. 8.2. Схематичное представление внешнего вида (а) и конст­руктивные особенности (б) сурфогайда на базе волновода

В плазмотронах на базе круглого волновода разрядная труб­ка располагается по оси вдоль волновода. Волноводные устройства этого типа, работающие при низких давле­ниях с использованием эффекта электронного циклотронно­го резонанса, нашли наиболее широкое применение в тех­нологии производства интегральных схем. К настоящему времени опубликовано значительное количество сообщений, касающихся исследований работы этих устройств с различ­ными вариантами вспомогательных узлов и приспособлений, технологическими и эксплуатационными режимами работы и т. д. Обобщенно основные конструктивные элементы этих разрядных устройств представлены на рис. 8.3.

СВЧ волна частотой f = 2,45 ГГц, генерируемая магнет­роном 1_У соединенным с прямоугольным волноводом 2, рас­пространяется из прямоугольного в круглый волновод 3 и подводится к разрядной области 5, локализуемой в диэлект­рической (кварц или А1₂0₃) трубке, открытый конец кото­рой входит в область рабочей камеры 9. Диэлектрическая трубка охлаждается потоком воздуха или газообразного азо­та, поступающем через патрубок 4 в верхней части и выхо­дящим через отверстие 8 в нижней части круглого волново­да. Вокруг разрядной области, снаружи круглого волновода располагаются катушки электромагнитов 6, а в рабочей ка­мере — постоянный магнит 12, формирующие магнитное поле зеркального типа (магнитной ловушки), способствую­щее эффективному введению СВЧ энергии в область разря­да и стабилизирующее его. Максимальное и минимальное значения индукции постоянного магнитного поля составля­ют 0,21 Тл и 0,05 Тл соответственно. Максимальное значе­ние индукции магнитного поля намного выше значения, необходимого для электронного циклотронного резонанса (8,75 10^-2 Тл для частоты СВЧ поля f = 2,45 ГГц).

Рис. 8.3. СВЧ плазменная установка на базе разрядного узла, использующего эффект электронного циклотронного резонанса:

1 — магнетрон; 2 — прямоугольный волновод; 3 — круглый волновод; 4 — патрубок для ввода охлаждающей среды;

5 — разрядная об¬ласть; 6 — магниты разрядной системы; 7 — штуцер подачи рабочих газов; 8 — отверстие выхода охлаждающей среды;

9 — рабочая камера; 10 — подложка; 11 — подложко держатель; 12 — электромагнит; 13 — зона плазмообразования в рабочей камере;14 — патрубок вакуумной системы.

Таким образом, основная доля мощности поглощается плазмой по мимо резонанса. Такое нерезонансное поглощение становится особенно существенным при работе с плотной плазмой. Под­ложка 10 располагается на подложкодержателе 11 ниже зоны плазмообразования в области рабочей камеры 9. Хотя есть сообщения о расположении обрабатываемых образцов и в зоне плазмообразования в области максимальной индукции маг­нитного поля. Напуск рабочего газа осуществляется через штуцер 7, расположенный в нижней части круглого волновода. В устройстве такого типа в СВЧ разряде в Аг при величине подводимой СВЧ мощности 180 Вт и давлении Аг в диапазоне 5-10"²—1,3-Ю^-1 Па получена плазма с пара­метрами N_e щ (1,7—7)-10^п см"³, kT_e = 3—5 эВ (к — посто­янная Больцмана).

Рис. 8.4. Сурфатрон: внешний вид (а) и схематическое изображение устройства (б): 1 — отрезок 50-омного кабеля; 2 — коакси­альный разъем; 3 — пластина; 4 — коаксиальная жила; 5 — ко- роткозамыкающая плоскость; наружный 6 и внутренний 7 провод­ники коаксиальной линии; 8 — диэлектрическая разрядная трубка

Для получения длинных разрядов сравнительно большо­го (до 124 мм) диаметра используются устройства типа сур­фатрон, в основе конструкции которых лежит ко- аксиально-волноводная структура. Сурфатрон при этом не является резонансной структурой и функционирует незави­симо от резонансных свойств образующих его элементов. Принцип его работы основан на возбуждении, распростра­нении и взаимодействии поверхностных волн с плазмой. Характерной особенностью этих источников поверхностных волн является то, что генерируемый плазменный столб дей­ствует как по л у поддерживающий волновод для СВЧ поля и для поддержания разряда не требуется внешней волновод- ной структуры. Сурфатроны обладают целым рядом специ­фических свойств, дающих им серьезные преимущества пе­ред другими СВЧ плазмотронами. Частотный рабочий диапазон этих устройств очень широк. Они работают в ин­тервале от 27 МГц до 10000 МГц и не требуют частотной подстройки при изменении давления или сорта плазмообразующего газа. Их средний частотный рабочий диапазон за­висит в основном от внутренних конструктивных размеров устройства. Например, для размеров D_x = 3 см, D₂ = 7,5 см и I = 5 (рис. 8.4, б) частотный диапазон при условии погло­щения 80 % подводимой к сурфатрону СВЧ мощности ле­жит в интервале 660—1200 МГц. Сурфатроны могут устой­чиво работать при давлениях от 1 Па и генерировать плазму с электронными плотностями от 10 см~^до 10¹¹ см"³ в зави­симости от диаметра разрядного столба, сорта газа, СВЧ мощ­ности и давления.

Сурфатрон (см. рис. 8.4, б) состоит функционально из 2 частей: узла связи и возбуждающей структуры. Узел связи служит для введения СВЧ энергии в конструкцию и состоит, как правило, из отрезка стандартного 50-омного кабеля 1, который с одной стороны заканчивается коакси­альным разъемом 2, а в сурфатроне — пластиной 3 размером (10x10) мм , припаянной к внутреннему проводнику коаксиальной жилы 4. Узел связи может перемещаться в радиальном направлении специальным верньерным механиз­мом. Это необходимо для согласования входного сопротивле­ния сурфатрона с передающей линией. Возбуждающая струк­тура представляет собой конструкцию коаксиального типа. С одной стороны коаксиал имеет короткозамыкающую плос­кость 5, а с другой стороны между наружным 6 и внутрен­ним 7 проводником коаксиальной линии имеется зазор. При этом внутренний проводник коаксиальной линии 7 выпол­нен полым, и через него проходит диэлектрическая трубка 8, в которой возбуждается разряд. В зазоре формируется ази- мутально симметричная поверхностная волна, распростра­няющаяся за пределы коаксильной линии, за счет которой и существует протяженный СВЧ разряд.

К недостаткам можно отнести сильную зависимость дли­ны плазменного разряда от диаметра разрядной трубки. Как показывают проведенные эксперименты, с увеличением диаметра разряда уменьшается его длина и повышается нерав­номерность параметров плазмы по длине и сечению разряда.

Вторым типом безэлектродного разрядного устройства яв­ляется резонаторный плазмотрон, в котором для получения разряда используется энергия "стоячих" волн. СВЧ генера­торы плазмы резонаторного типа позволяют создавать плаз­му высокой плотности в широкой области изменения давле­ния от 10 до 10⁵ Па. Однако большинство этих разрядных устройств используется для возбуждения разрядов в услови­ях низких давлений, а геометрические размеры разрядов малы, так как ограничиваются размерами резонаторов.

В качестве узлов возбуждения электромагнитного поля в этих плазмотронах могут использоваться прямоугольные, цилиндрические, сферические и специаль­ные резонаторы. В зависимости от возбуждаемой моды колебаний объемного резонатора СВЧ энергия вводится в него посредством петли, штыря либо отверстия связи. Регу­лируемые устройства связи с петлей или штырем по своим свойствам подобны переменному преобразователю импедан­са. Изменяя глубину погружения штыря или поворачивая петлю либо изменяя ее размеры, можно не только регулиро­вать импеданс резонатора с плазмой, но и возбуждать раз­личные типы колебаний в резонаторе.

В конструкциях цилиндрических резонаторных плазмот­ронов, представленных на рис. 8.5, ввод СВЧ мощности в резонаторы 1 осуществляется регулируемым устройством связи с петлей (штырем) 2. В конструкциях предусмотрены короткозамыкающие поршни 5, с помощью которых осуще­ствляется плавная регулировка длины резонатора, что по­зволяет изменять физические характеристики плазмы раз­ряда и возбуждаемый тип волны (моду колебаний). Поскольку плазма занимает часть объема резонатора и занимаемый плаз­мой 4 объем намного меньше объема резонатора, то плазма разряда совместно со стенками резонатора образует резонан­сный контур. Так как длина волны соизмерима с геометри­ческими размерами разряда, система "плазма—резонатор" представляет собой резонансный контур с распределенны­ми параметрами.

Рис. 8.5. Цилиндрические резонаторные плазмотроны с локализацией разряда у дна резонатора (а) и с осевым расположением разрядной зоны (б)

: 1 — резонатор; 2 — устройство связи передающей линии с резонатором

; 3 — диэлектрические разрядные камеры; 4 — раз¬рядная область; 5 — короткозамыкающий подстроечный поршень.

Недостатком приведенных конструкций генераторов плаз­мы резонаторного типа следует считать малые объемы плаз­мы, так как для устойчивой работы плазмотрона необходи­мо, чтобы объем газового разряда был гораздо меньше объе­ма резонатора. Кроме того, для конструкции, представленной на рис. 8.5, б, характерна неоднородность электромаг­нитного поля по длине и объему резонатора, следствием чего является неравномерное распределение энергии электромаг­нитного поля по длине резонатора и объему плазмы.

Наряду с цилиндрическими резонаторами на практике используются и резонаторы прямоугольной формы. Они, как правило, выполняются из листового материала и могут быть изготовлены достаточно больших размеров.

Важнейшая проблема, которую приходится решать при проектировании объемных резонаторов для целей плазменной обработки — это выбор конструкции резонатора. В объ­емных резонаторах устанавливаются стоячие волны с неоди­наковой интенсивностью поля в различных точках. Как следствие этого, в областях с высокой напряженностью поля мо­жет наблюдаться повышение температуры, а остальные места будут нагреваться хуже, меньше будет и плотность заря­женных частиц. Поэтому в противоположность радиотехнической задаче в объеме резонатора нужно возбудить не колебания строго фиксированного типа, а наоборот, получить несколько типов колебаний с различным распределением полей. Для этой цели, например, изменяют форму резонато­ра (срезают углы), уменьшают его добротность, используют различные отражающие поверхности. В некоторых случаях добиваются только постоянной средней во времени величи­ны напряженности поля при помощи вращающихся антенн, применении нескольких излучателей или подвижной стен­ки резонатора.

Рис. 8.6. Плазменное разрядное устройство резонаторного типа: 1 — прямоугольный резонатор; 2 — отверстие связи; 3 —- вол но­во дный тракт; 4 — генератор электромагнитных колебаний; 5 — реактор; 6 — дверца; 7 — крышка реактора; 8 — дроссельные канавки; 9 — выходной патрубок; 10 — диссектор; 11 — фланец.

Литература

1. Готра Ю. З. Технология микроэлектронных устройств.

Справочник.-М., Радио и связь,1991

2. Моро У. Микролитография. –М., Мир, 1991

3. Родионов Ю. А. Литография в производстве интегральных микросхем. Дизайн ПРО, 1998

4. Кисель А. М., Родионов Ю. А. Химическая обработка в технологии

ИМС. ПГУ, 2001

5. The Science and Engineering of Microelectronic Fabrication. Stephen

A. Campbell. Oxford University Press, 2001

6. Fundamentals of Microfabrication. Marc J. Madou. CRC PRESS, 2001