Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современного состояния плазмохимических установок для осаждения и травления тонких пленок 13
1.1. Магнетронные распылительные системы 13
1.2. Установки с высокочастотным емкостным разрядом 16
1.3. Установки с индуктивным разрядом 18
1.4. Геликоны 21
1.5. Установки на основе СВЧ-ЭЦР разряда 23
Глава 2. Краткая теория ЭЦР - разряда и его применение 30
2.1. Баланс мощностей в СВЧ- разрядах 31
2.2. Распространение СВЧ- волн в магнитоактивной плазме 35
2,3. Конфигурации магнитного поля в установках с СВЧ -ЭЦР - плазмой 45
2.4. Получение тонких пленок в СВЧ-ЭЦР установках 53
Глава 3. Установка СВЧ - ЭЦР разряда 57
3.1. Назначение, общая характеристика и особенности установки 57
3.2. Разрядная камера, система вакуумирования и подачи газа 57
3,3. СВЧ- система 61
3.4. Магнитная система 63
3.4.1. Соленоидальные электромагниты 63
3.4.2. Постоянные магниты 69
Глава 4. Автоматизированная система диагностики 72
4.1. Зондовые измерения 72
4.2. Оптические измерения 79
Глава 5. Влияние геометрии магнитного поля на параметры СВЧ-ЭЦР плазмы 90
5.1.1. Разряд в соленоидальном поле. 90
5.1.2. Разряд в гибридном магнитном поле 95
5.1.3. Разряд в касповом магнитном поле... 99
Глава 6. Исследование процесса ионизации распыленных атомов металла 112
Глава 7. Измерение тепловых потоков на подложку 130
Глава 8. Расчет толщины пленок, получаемых методом распыления цилиндрической мишени. Сравнение с экспериментом , 143
Глава 9. Эксперименты по металлизации микроструктур с использованием ионизации атомов металла 157
Заключение 171
Литература 173
- Установки с высокочастотным емкостным разрядом
- Распространение СВЧ- волн в магнитоактивной плазме
- Разрядная камера, система вакуумирования и подачи газа
- Оптические измерения
Введение к работе
Актуальность проблемы. Одним из перспективных направлений развития электронной компонентной базы является создание сверхбольших интегральных схем (СБИС) с многослойной топологией кристалла (концепция «вертикальной интеграции»). За рубежом уже освоены промышленностью многослойные (3-5 слоев) интегральные микросхемы с минимальными поперечными размерами элементов 0.13 мкм и менее. Производство таких микросхем основано на использовании так называемой "дамасской" технологии. В этой технологии в межслойном диэлектрике сначала методом травления создаются канавки (тренчи) и сквозные отверстия контактных окон, глубина которых в 4-7 (ас-пектное отношение) раз больше поперечных размеров, которые затем заполняются металлом [1]. В настоящее время основным процессом создания металлизации СБИС является ионный (физический) метод распыления, когда в результате бомбардировки катода-мишени положительными ионами инертного газа происходит выбивание атомов металла. При уменьшении технологических размеров тренчей и контактных/переходных окон менее 0.5 мкм с аспектным отношением более 2 использование для металлизации хорошо отработанного электронной промышленностью магнетронного разряда встречает принципиальные трудности. Поток распыленного металла состоит почти на 100% из атомов, их угловое распределение близко к косинусному (по отношению к нормали). Изотропное распределение частиц приводит к тому, что на верхней части субмикронной структуры образуется навес, а внутри - полость. Чтобы провести анизотропную металлизацию узкого отверстия, необходим поток частиц, приходящий на поверхность подложки вдоль нормали.
Одним из возможных способов фильтрации распыленных под большими углами атомов является применение коллиматоров - пластин с отверстиями определенной высоты и диаметра, устанавливаемых между мишенью и подложкой. Недостатком коллиматоров является резкое уменьшение скорости напыле-
PjEff/r
РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА Clltrtptypr 09 W
ния и изменения её в процессе эксплуатации вследствие осаждения металла и уменьшения диаметра отверстий. Кроме того, качество металлизации в таком методе, ухудшается для структур с поперечными размерами менее 0.25 мкм и аспектным отношением более 3.
Более перспективным методом решения данной проблемы является ионизации распыляемого металла, так как на ионы можно воздействовать электрическим полем слоя перед подложкой. С этой целью изучаются различные виды разрядов с плазмой высокой плотности (более 10 см') - совмещение магнетронного разряда с индуктивным для дополнительной ионизации металла, сверхвысокочастотный разряд в условиях электронно-циклотронного резонанса (СВЧ-ЭЦР) и другие. Так как плазма в этих разрядах создается в большом объеме, на пути от мишени к подложке (10-20 см) атомы металла могут ионизоваться. Для повышения степени ионизации распыленных атомов металла разряд в установках с совмещенным магнетронным и индуктивным разрядами производится при давлении 30-50 мТор (Па). При таких давлениях возрастает время нахождения атомов металла в области разряда, и как следствие, вероятность ионизации. Однако довольно большое давление увеличивает количество рассеиваемых атомов и существенно снижает скорость осаждения пленки. По расчетам на подложку, находящуюся на расстоянии 15 см от мишени, приходит только не более 1% распыленных с мишени атомов. Поэтому проводятся исследования по достижению высокой степени ионизации атомов металла при меньших давлениях [2].
Свойства получаемых металлических пленок зависят от температуры подложки и потока частиц. Такими частицами в установках с распылением могут быть ионы и атомы металла и плазмообразующего газа (Аг, Кг, Хе, N2 и т.д.). Положительные ионы с энергией 20-30 эВ приходят на изолированную подложку вследствие ускорения в пограничном слое с разностью потенциалов, образующимся около нее. Эту энергию можно увеличить, прикладывая электрическое напряжение к подложке. Поток атомов с энергией сотни эВ возникает,
когда ион плазмообразующего газа при ударении в мишень превращается в атом и отражается от нее.
Плазма при низких давлениях характеризуется сильной неравновесностью: температура электронов 2-10 эВ (1 эВ = 11600 К), в то время как температура атомов и ионов на два порядка меньше. Образование пленок при воздействии больших потоков ионов и атомов не может быть описано равновесной термодинамикой и, как следствие, часто наблюдается образование метастабильных фаз. Способность синтезировать материалы при существенно более низких температурах по сравнению с равновесными - важное свойство разрядов при низких давлениях в установках плотной плазмы.
Морфология пленок, получаемых методом распыления мишени, была описана Торнтоном [3]. Согласно этой теории наиболее качественные пленки образуются при температуре подложки О.ЗТвшм <Т< 0.5Тшавл (зона Т) и значительных потоках ионов. Получаемая при этих условиях пленка имеет волокнистую структуру, в которой кристаллы растут перпендикулярно поверхности подложки с плотной упаковкой (пустоты 5%). Поток энергетичных частиц перераспыляет атомы металла со слабой адгезией, стимулирует поверхностную миграцию атомов металла и, в конечном счете, приводит к образованию пленок с высокими физическими и электрическими параметрами и различной кристаллической структурой.
Таким образом, для получения металлических пленок в глубоких канавках субмикронных размеров с высокими физическими и электрическими свойствами необходимо изучить массо-и теплоперенос атомов и ионов металла и плазмообразующего газа на подложку.
Анизотропная металлизация глубоких субмикронных канавок и отверстий зависит от отношения потока ионов металла (вдоль нормали) к полному потоку металла (атомы + ионы), энергии приходящих на подложку ионов (разность плазменного и плавающего потенциалов плазмы + напряжение смещения) и температуры подложки. Для вьшснения процесса ионизации атомов металла
необходимо измерить следующие величины: концентрацию и функции распределения электронов, атомов и ионов металла по энергиям на разных расстояниях от мишени. Эти измерения достаточно сложны, требуют использования автоматизированных систем диагностики и трудоемки, на что указывает малое число отечественных и зарубежных публикаций.
Актуальность задачи металлизации субмикронных структур СБИС подтверждается включением ее в отдельный раздел "Исследование проблем многоуровневых соединений глубокосубмикронных СБИС" Перечня научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002-2006 годы".
Цель работы: Исследование процессов переноса массы и энергии атомов и ионов в плазме СВЧ-ЭЦР разряда, используемого для металлизации глубоких субмикронных структур СБИС. В задачи работы входило:
-
На основе теоретического анализа проблемы разработать и создать экспериментальную технологическую установку СВЧ-ЭЦР разряда, включающую разрядную камеру, систему вакуумирования и подачи газа, СВЧ- систему, магнитную систему.
-
Разработать и создать автоматизированный комплекс диагностики.
-
На основе зондовых, спектральных и калориметрических методов диагностики, провести измерения пространственных распределений основных теплофи-зических параметров плазмы, а также тепловых потоков на подложку при различных уровнях СВЧ-мощности, давлениях и конфигурациях магнитного поля.
-
Исследовать процессы ионизации распыленных атомов металла при давлениях разряда порядка 1 мТор и провести металлизации глубоких микроструктур
-
Провести расчет толщины пленок, получаемых методом распыления цилиндрической мишени и сравнить с результатами эксперимента.
Методика исследования. Для решения поставленных задач был создан автоматизированный комплекс диагностики, собранный на базе компьютера IBM и аппаратуры КАМАК. Для определения параметров плазмы и подложки использовались методики зондовых, оптических, спектральных и термопарных измерений. Толщины осажденных на различных поверхностях субмикронных канавок определялись с помощью электронного микроскопа. Новизна исследований и научных результатов.
На основе теоретического анализа литературы была разработана и изготовлена защищенная патентом РФ установка СВЧ-ЭЦР разряда, отличительной особенностью которой является магнитная система, позволяющая получить поле перестраиваемой конфигурации. Разработан и создан автоматизированный комплекс диагностики, позволяющий производить зондовые и спектральные измерения теплофизических параметров плазмы СВЧ- ЭЦР- разряда в течении экспериментов или технологических процессов.
При вкладываемой СВЧ - мощности W = (200-1000) Вт в диапазоне давлений р = (0,3-3) мТор проведены исследования плазмы СВЧ - ЭЦР- разряда, создаваемой в экспериментальном источнике диаметром 150 и длиной 250 мм и перестраиваемой конфигурацией магнитного поля.
Для различных конфигураций магнитного поля: соленоидальной, касповой и гибридной получены пространственные распределения основных теплофизических параметров плазмы: температуры электронов и функции их распределения по энергиям; концентрации и плотности потока ионов; потенциала плазмы и плавающего потенциала.
Определены режимы СВЧ - ЭЦР- разряда по давлению и геометрии магнитного поля, при которых реализуются:
высокая радиальная однородность концентрации ионов в плазменном потоке, достаточная для обработки подложек диаметром 150 мм;
высокая (~20 мА/см2) плотность ионного тока в пучке;
Проведены исследования процесса ионизации распыленных атомов металла. На расстоянии 15 см от мишени и давлении газа менее 1 мТор получены следующие значения степени ионизации потока распыленных атомов: алюминия и титана - 70%, меди - 45%.
Измерения тепловых потоков на подложку, находящуюся под плавающим потенциалом в плазме, показали, что основной вклад в нагрев вносят потоки ионов инертного газа. Без принудительного охлаждения тепловые потоки порядка 0.85 Вт/см2 вызывают нагрев подложки до 300 С.
Экспериментально показано, что данная технология позволяет успешно проводить анизотропную металлизацию канавок с поперечным размером 0.7 -1 мкм и глубиной в 1.2 - 4.5 мкм при давлении менее 1 мТор и СВЧ- мощности 750-1000 Вт при температурах подложки менее 200С. Скорость осаждения пленки при данных параметрах разряда достигает 50 -100 нм/мин. Обоснованность и достоверность научных результатов обеспечивается: применением современных измерительной аппаратуры и вычислительных средств; корректным использованием методов расчета теплофизических параметров, не противоречащих основным положениям теории плазмы; хорошей повторяемостью результатов при многократных измерениях (некоторые характеристики измерялись несколько десятков раз), определением важнейших параметров различными методами, хорошим совпадением экспериментальных и расчетньж данных (в тех случаях, когда такое сравнение возможно), совпадением результатов измерений, проведенных другими авторами в аналогичных условиях. Практическая значимость работы. Проведенные в работе исследования подтвердили перспективность применения СВЧ - ЭЦР разряда как инструмента современных плазменных технологий микроэлектроники. Полученные результаты могут быть использованы при выработке инженерно-физических решений в процессе проектирования оптимальных промышленных устройств с СВЧ- ЭЦР-источниками плазмы.
Личный вклад автора заключается в выборе цели и задач работы, создании установки, методов диагностики, системы автоматизации, проведении исследований, обработке и анализе результатов экспериментов.
На защиту выносится:
1. Разработка плазменной технологии металлизации глубоких субмикронных
структур СБИС при давлениях порядка 1 мТор. на установке СВЧ - ЭЦР раз
ряда.
-
Создание экспериментальной технологической установки СВЧ-ЭЦР разряда с изменяемой геометрией магнитного поля.
-
Создание автоматизированного комплекса диагностики зондовых, оптических, спектральных, лазерных и технологических измерений.
-
Результаты экспериментальных исследований теплофизических, энергетических и спектральных характеристик потоков атомов и ионов инертного газа и распыленного металла в различных областях разряда.
-
Определение оптимальных условий разряда для достижения качественной металлизации глубоких субмикронных структур, используемых при производстве СБИС и других изделий микроэлектроники.
Апробация работы.
Работа поддерживалась программами:
"Создание автоматизированного комплекса диагностики плазмы в плазмохи-мическом реакторе". Хоздоговор с ИАЭ им.Курчатова И.В. 1989 -1991 г.
"Применение низкотемпературной плазмы в новых технологиях - для производства СБИС и разделения изотопов". Программа Минобразования РФ "Технические Университеты России" 1995 - 1996 гг.
"Разработка источника плазмы на основе СВЧ-ЭЦР разряда для плазменной технологии изделий микроэлектроники нового поколения". Межвузовская НТП 403 " Критические технологии, основанные на распространении и воздействии потоков энергии". 1998-1999 гг.
"Исследование процессов в СВЧ-ЭЦР разряде для разработки плазменной технологии создания датчиков локального мониторинга лесных и природньж ресурсов" Программа Минобразования РФ. 1998-2001 гг.
"Экспериментальная отработка технологии использования плазменного разряда при изготовлении ИС". Хоздоговор с НИИ космических систем. 1999-2001 гг.
"Исследование и разработка технологии создания верхних слоев металлизации многоуровневых СБИС на установке СВЧ-ЭЦР разряда." Программа: «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» 2001-2002 гг.
"Разработка технологии металлизации субмикронных структур изделий микроэлектроники на установке СВЧ-ЭЦР разряда с использованием ионизации распыленных атомов металла". Программа сотрудничества Министерства образования Российской Федерации и Министерства обороны Российской Федерации "Научно-инновационное сотрудничество". 2004 г.
Результаты работы докладывались на научных конференциях МГУЛ в 1995 - 2004 годах, на Международных конференциях: 10th Intern. Heat Transfer Conf. (Англия, 1994), 11th international conference on Gas discharges and their Application (Япония, 1995), Всероссийская конференция Микро-и нано-электроника -98 (Москва, 1999), 5th - World Conf. Exper. Fluid Mech. Heat Transfer and Thermodynamics. (Греция, 2001), Intem.Conf Mathem. Phys. Methods in Ecology & Envirom. Monitoring (Москва, 2001), Всероссийская НТК "Электроника" (Зеленоград, 2001), Международная НТК "Электроника и информатика-2002" (Зеленоград, 2002).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 25 печатных работ, получен патент на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, девяти глав, заключения и списка используемой литературы. Общий объем диссертации -
183 страниц, включающий 88 рисунка и 3 таблицы. Список литературы содержит 88 наименований.
Установки с высокочастотным емкостным разрядом
Высокочастотный емкостной (ВЧЕ) разряд (Рис. 1.3) широко используется электронной промышленностью для травления металлических и диэлектрических пленок и структур в среде реактивных газов (хлор, фторсодержащих и др.) и получения пленок диэлектриков путем распыления мишеней [6]. В некоторых случаях разряд помещают в магнитное поле. Это позволяет увеличить концентрацию плазмы, уменьшить рабочее давление и, таким образом повысить скорость травления и распыления. Наибольшее применение получила частота 13.56 МГц. Как распыление, так и травление в этом разряде происходит вследствие возникновения на мишени отрицательного напряжения (смещения) относительно плазмы, возникающего за счет большей подвижности электронов. Основные параметры разряда следующие: Диапазон давлений - 0,1-100 Тор Концентрация заряженных частиц - 109 - 1010см"3 Данный разряд хорошо удовлетворяет требованиям скорости, однородности, анизотропии, селективности травления микронных структур, вследствие чего широко применяется. Однако при его использование для обработки субмикронных структур появляется ряд проблем: уменьшение скорости травления в субмикронных каналах и отверстиях; нарушение структуры подложки вследствие высокой энергии приходящих ионов (сотни вольт). Это условие связано с принципиальной особенностью данного разряда, где вблизи подложки существует слой с напряжением в сотни вольт. Плотность тока имеет ограничение по величине, и увеличение мощности приводит к росту падения напряжения в слое. Так как концентрация плазмы пропорциональна мощности в степдиэлектрических пленок и структур в среде реактивных газов (хлор, фторсодержащих и др.) и получения пленок диэлектриков путем распыления мишеней [6]. В некоторых случаях разряд помещают в магнитное поле. Это позволяет увеличить концентрацию плазмы, уменьшить рабочее давление и, таким образом повысить скорость травления и распыления. Наибольшее применение получила частота 13.56 МГц. Как распыление, так и травление в этом разряде происходит вследствие возникновения на мишени отрицательного напряжения (смещения) относительно плазмы, возникающего за счет большей подвижности электронов. Основные параметры разряда следующие: Диапазон давлений - 0,1-100 Тор Концентрация заряженных частиц - 109 - 1010см"3 Данный разряд хорошо удовлетворяет требованиям скорости, однородности, анизотропии, селективности травления микронных структур, вследствие чего широко применяется. Однако при его использование для обработки субмикронных структур появляется ряд проблем: уменьшение скорости травления в субмикронных каналах и отверстиях; нарушение структуры подложки вследствие высокой энергии приходящих ионов (сотни вольт). Это условие связано с принципиальной особенностью данного разряда, где вблизи подложки существует слой с напряжением в сотни вольт. Плотность тока имеет ограничение по величине, и увеличение мощности приводит к росту падения напряжения в слое.
Так как концентрация плазмы пропорциональна мощности в степени 0.5, эффективность разряда при больших мощностях падает. Приведенные выше трудности, возникающие при использовании отработанных электронной промышленностью магнетронного и ВЧ-разрядов, привели к разработке так называемых разрядов с плазмой высокой плотности, среди которых в промышленном производстве используются индуктивный разряд (ICP, TCP в западных обозначениях) и СВЧ-разряд в магнитном поле, когда нагрев плазмы осуществляется в условиях электрон - циклотронного резонанса (ЭЦР). Схемы установки с индуктивным разрядом приведены на рис. 1.4 а,б [7,8]. На первичную обмотку (несколько витков) подается ВЧ мощность (частота 1 - 13,56 МГц). Вторичной обмоткой служит плазма. Таким образом, в плазме протекает большой (по сравнению с емкостнымКонцентрация плазмы растет линейно с увеличением мощности и достигает величины 10 см" . В плазму можно передать 80-90% подведенной мощности, цена иона (отношение вкладываемой энергии к полному ионному току из источника) очень низкая 200 эВ/ион. Первичная обмотка может быть плоской, расположенной на верхнем фланце камеры (рис. 1.4 а), или намотана на стенки цилиндрической камеры (рис. 1.4 б). Диапазон рабочих давлений 1-50 мТор. Температура атомов и ионов порядка 0.1 эВ, что позволяет проводить анизотропное травление при подаче на подложку напряжения 5-100В без радиационных эффектов. Подбирая расстояние между витками обмотки, толщину диэлектрического окна схему подачи газа добиваются однородности 5% на диаметре 200 мм. Эти установки эффективны с точки зрения потребления энергии. Данный разряд используется для удаления фоторезиста, травления кремния и окиси кремния, а также алюминия. Скорости травления в этом разряде существенно больше, чем в емкостном, особенно структур с размерами меньших одного микронаени 0.5, эффективность разряда при больших мощностях падает. Приведенные выше трудности, возникающие при использовании отработанных электронной промышленностью магнетронного и ВЧ-разрядов, привели к разработке так называемых разрядов с плазмой высокой плотности, среди которых в промышленном производстве используются индуктивный разряд (ICP, TCP в западных обозначениях) и СВЧ-разряд в магнитном поле, когда нагрев плазмы осуществляется в условиях электрон - циклотронного резонанса (ЭЦР). Схемы установки с индуктивным разрядом приведены на рис. 1.4 а,б [7,8]. На первичную обмотку (несколько витков) подается ВЧ мощность (частота 1 - 13,56 МГц). Вторичной обмоткой служит плазма. Таким образом, в плазме протекает большой (по сравнению с емкостнымКонцентрация плазмы растет линейно с увеличением мощности и достигает величины 10 см" . В плазму можно передать 80-90% подведенной мощности, цена иона (отношение вкладываемой энергии к полному ионному току из источника) очень низкая 200 эВ/ион. Первичная обмотка может быть плоской, расположенной на верхнем фланце камеры (рис. 1.4 а), или намотана на стенки цилиндрической камеры (рис. 1.4 б). Диапазон рабочих давлений 1-50 мТор. Температура атомов и ионов порядка 0.1 эВ, что позволяет проводить анизотропное травление при подаче на подложку напряжения 5-100В без радиационных эффектов. Подбирая расстояние между витками обмотки, толщину диэлектрического окна схему подачи газа добиваются однородности 5% на диаметре 200 мм. Эти установки эффективны с точки зрения потребления энергии. Данный разряд используется для удаления фоторезиста, травления кремния и окиси кремния, а также алюминия. Скорости травления в этом разряде существенно больше, чем в емкостном, особенно структур с размерами меньших одного микрона, и достигают 1000 нм/мин.
Распространение СВЧ- волн в магнитоактивной плазме
В данном случае для поддержания разряда требуется очень большое значение напряженности электрического поля волны. В присутствии внешнего магнитного поля и при малых давлениях (Цпеп :( ) уравнение (2.10) имеет полюс при со=й)в, указывающий на высокоэффективное бесстолкновительное поглощение СВЧ-мощности при сколь угодно малой амплитуде электрического поля. Физически, при электронно-циклотронном резонансе составляющая скорости электронов перпендикулярная магнитному полю увеличивается пропорционально времени, и электроны движутся вдоль силовых линий магнитного поля по винтовой траектория с возрастающим радиусом. Радиус траектории ограничивается столкновениями или выходом электрона из ЭЦР-слоя. С увеличением давления vmen- o) = а ц выражение для плотности мощности поглощения (2.10) переходит в (2.11). Таким образом, при большом давлении процесс поглощения энергии снова становится столкновительным, а магнитное поле лишь препятствует поперечной диффузии электронов. Для гелия, например, это имеет место при давлении 3 Тор. Ясно, что ЭЦР - нагрев наиболее эффективен при низких давлениях, когда электрон может совершить несколько оборотов по циклотронной орбите между столкновениями. 2.2. Распространение СВЧ- волн в магнитоактивной плазме. Детальное теоретическое рассмотрение механизмов распространения волн в магнитоактивной плазме содержится в книгах [19,20,37-39]. Ос возрастающим радиусом. Радиус траектории ограничивается столкновениями или выходом электрона из ЭЦР-слоя. С увеличением давления vmen- o) = а ц выражение для плотности мощности поглощения (2.10) переходит в (2.11). Таким образом, при большом давлении процесс поглощения энергии снова становится столкновительным, а магнитное поле лишь препятствует поперечной диффузии электронов. Для гелия, например, это имеет место при давлении 3 Тор. Ясно, что ЭЦР - нагрев наиболее эффективен при низких давлениях, когда электрон может совершить несколько оборотов по циклотронной орбите между столкновениями. 2.2. Распространение СВЧ- волн в магнитоактивной плазме. Детальное теоретическое рассмотрение механизмов распространения волн в магнитоактивной плазме содержится в книгах [19,20,37-39]. Основные выводы из этих работ кратко излагаются в этом пункте. Как было показано в предыдущем пункте, механизм бесстолкновительного электронно - циклотронного нагрева можно считать превалирующим, когда давление в разряде порядка или меньше 100 мТор. Этот случай удовлетворяет условию высокочастотного приближения: Физически это означает отсутствие столкновительного поглощения энергии волны.
Рассмотрим процесс распространения в однородной магнитоактивной плазме монохроматических волн частотой со при условии (2.13). Кроме того, будем по-прежнему пренебрегать взаимодействием ионов с волной, считая их неподвижными: где QB - ионная циклотронная частота. Комплексный показатель преломления плазмы в этом приближении выражается формулой [20]: здесь л - показатель преломления, % - показатель поглощения, а - угол между волновым вектором и вектором магнитного поля. Отметим, что п\л в отсутствии столкновений величина вещественная. Индекс 2 и нижний знак отвечает "обыкновенной" волне, а индекс I и верхний знак -"необыкновенной" волне. В отсутствии магнитного поля, т.е. когда плазма изотропна: Рассмотрим показатель преломления (2.15) для волны, распространяющейся вдоль магнитного поля к\В. В этом случае для "необыкновенной" и "обыкновенной" волны соответственно имеем [20]: Для дальнейшего анализа перейдем к другим координатам: целесообразен потому, что мы имеем дело с неизменной частотой со, определяемой генератором СВЧ и с изменяющимися в пространстве электронной концентрацией новные выводы из этих работ кратко излагаются в этом пункте. Как было показано в предыдущем пункте, механизм бесстолкновительного электронно - циклотронного нагрева можно считать превалирующим, когда давление в разряде порядка или меньше 100 мТор. Этот случай удовлетворяет условию высокочастотного приближения: Физически это означает отсутствие столкновительного поглощения энергии волны. Рассмотрим процесс распространения в однородной магнитоактивной плазме монохроматических волн частотой со при условии (2.13). Кроме того, будем по-прежнему пренебрегать взаимодействием ионов с волной, считая их неподвижными: где QB - ионная циклотронная частота. Комплексный показатель преломления плазмы в этом приближении выражается формулой [20]: здесь л - показатель преломления, % - показатель поглощения, а - угол между волновым вектором и вектором магнитного поля. Отметим, что п\л в отсутствии столкновений величина вещественная. Индекс 2 и нижний знак отвечает "обыкновенной" волне, а индекс I и верхний знак -"необыкновенной" волне. В отсутствии магнитного поля, т.е. когда плазма изотропна: Рассмотрим показатель преломления (2.15) для волны, распространяющейся вдоль магнитного поля к\В. В этом случае для "необыкновенной" и "обыкновенной" волны соответственно имеем [20]: Для дальнейшего анализа перейдем к другим координатам: целесообразен потому, что мы имеем дело с неизменной частотой со, определяемой генератором СВЧ и с изменяющимися в пространстве электронной концентрацией и магнитным полем [39]:
Разрядная камера, система вакуумирования и подачи газа
В предыдущей главе подробно обсуждался вопрос о важной роли, которую в установках СВЧ - ЭЦР разряда играют геометрия разрядной камеры и конфигурация магнитного поля в процессах эффективного нагрева плазмы и формирования потоков ионов. Описываемая в работе установка предназначена для отработки различных технологических процессов, таких как ионная очистка и подготовка поверхности подложки, получение тонких пленок методами ионного распыления мишени и осаждения из газовой фазы и травление полупроводниковых материалов [63]. Каждый из названных процессов предъявляет специфические требования к параметрам плазмы, предполагает их оптимизацию. Экспериментальное (и многофункциональное) назначение установки определяет ее особенности: геометрия разрядной камеры, позволяющая обрабатывать подложки до 200 мм в диаметре. изменяемая конфигурация магнитного поля, позволяющая получать заданные пространственные распределения параметров массопереноса, в том числе и на больших (более 50 см) расстояниях от зоны нагрева плазмы. Общая структурная схема экспериментальной установки с системой диагностики представлена на рис.3.1. 3.2. Разрядная камера, система вакуумирования и подачи газа. Разрядная камера состоит из двух блоков: источника СВЧ- плазмы и плазмохимической камеры для проведения технологических процессов. Она изготовлена из нержавеющей стали Х18Н10Т толщиной 2 мм и представляет собой разборную конструкцию, отдельные части которой соединяются при помощи фланцев с резиновыми уплотнениями. Источник плазмы (Рис.3.2 а) представляет собой цилиндр диаметром 150 мм и длиной 250 мм с двумя фланцами. Источник плазмы охлаждается проточной водой. Передний фланец источника через вакуумное резиновое уплотнение закрывается кварцевым окном (диаметр 170 и толщина 20 мм). К фланцу кварцевого окна присоединяется фланец с СВЧ-волноводом. Для ввода плазмообразующего газа служит кольцевой канал с восемью от различных технологических процессов, таких как ионная очистка и подготовка поверхности подложки, получение тонких пленок методами ионного распыления мишени и осаждения из газовой фазы и травление полупроводниковых материалов [63]. Каждый из названных процессов предъявляет специфические требования к параметрам плазмы, предполагает их оптимизацию. Экспериментальное (и многофункциональное) назначение установки определяет ее особенности: геометрия разрядной камеры, позволяющая обрабатывать подложки до 200 мм в диаметре. изменяемая конфигурация магнитного поля, позволяющая получать заданные пространственные распределения параметров массопереноса, в том числе и на больших (более 50 см) расстояниях от зоны нагрева плазмы. Общая структурная схема экспериментальной установки с системой диагностики представлена на рис.3.1. 3.2. Разрядная камера, система вакуумирования и подачи газа. Разрядная камера состоит из двух блоков: источника СВЧ- плазмы и плазмохимической камеры для проведения технологических процессов.
Она изготовлена из нержавеющей стали Х18Н10Т толщиной 2 мм и представляет собой разборную конструкцию, отдельные части которой соединяются при помощи фланцев с резиновыми уплотнениями. Источник плазмы (Рис.3.2 а) представляет собой цилиндр диаметром 150 мм и длиной 250 мм с двумя фланцами. Источник плазмы охлаждается проточной водой. Передний фланец источника через вакуумное резиновое уплотнение закрывается кварцевым окном (диаметр 170 и толщина 20 мм). К фланцу кварцевого окна присоединяется фланец с СВЧ-волноводом. Для ввода плазмообразующего газа служит кольцевой канал с восемью отверстиями и патрубком. К заднему фланцу источника присоединен корпус технологической камеры диаметром 350 мм и длиной 650 мм (Рис.3.26). Он имеет одиннадцать боковых штуцеров с вакуумными59 уплотнениями и сменными крышками, предназначенными для введения зондов, мишени, жалюзи, термопар и т.п. и для целей наблюдения за излучением плазмы. Торцевая крышка технологической камеры также имеет штуцер с вакуумным уплотнением, к которому, в случае необходимости, подсоединяется масс-спектрометр или аксиальный зонд. Внутри плазмохимического реактора на четырех керамических опорах располагается держатель подложки. Схема вакуумирования и подачи газа представлена на рис. 3.3. Для создания вакуума в камере используются механический насос (1) ВН-4 производительностью 50 л/с и два турбомолекулярных насоса (2) ВМН-500, включенных параллельно, с производительностью 500 л/с каждый. верстиями и патрубком. К заднему фланцу источника присоединен корпус технологической камеры диаметром 350 мм и длиной 650 мм (Рис.3.26). Он имеет одиннадцать боковых штуцеров с вакуумными59 уплотнениями и сменными крышками, предназначенными для введения зондов, мишени, жалюзи, термопар и т.п. и для целей наблюдения за излучением плазмы. Торцевая крышка технологической камеры также имеет штуцер с вакуумным уплотнением, к которому, в случае необходимости, подсоединяется масс-спектрометр или аксиальный зонд. Внутри плазмохимического реактора на четырех керамических опорах располагается держатель подложки. Схема вакуумирования и подачи газа представлена на рис. 3.3. Для создания вакуума в камере используются механический насос (1) ВН-4 производительностью 50 л/с и два турбомолекулярных насоса (2) ВМН-500, включенных параллельно, с производительностью 500 л/с каждый.
Оптические измерения
Определение концентрации плазмы определялась из ионного тока насыщения плоского зонда. Согласно [72] плотность ионного тока насыщения представима в виде: Отсюда значение концентрации; Функция распределения электронов по энергиям определяется по второй производной зондового тока на участке b-d [72]; /(E) $ р d2l / dVp2. Используется нормировка функции распределения; На Рис.4.4. показаны вторая производная (а) и построенная из нее функция распределения по энергиям (б). Погрешности измерений концентрации ионов и потенциалов не более 10%, функции распределения электронов по энергиям до 20%. 4.2. Оптические измерения. Для регистрации спектра оптического излучения (Рис. 3.1) используется монохроматор МДР-12 с дифракционной решеткой 1200 мм"1 (линейная дисперсия 2.3 нм/мм} разрешение 0.1 нм). Излучение из камеры выводилось через торцевой фланец (наблюдение вдоль магнитного поля) или через боковые окна, расположенные на расстоянии z=30 или 60 см от входного кварцевого окна. При измерения интенсивности спектральных линий в качестве приемника излучений использовался ФЭУ-100, установленный за выходной щелью монохроматора. Сигнал с ФЭУ подавался на вход АЦП-4225 (f=l Мгц, буферная память 128 Кб), что позволяло измерять спектр в диапазоне 200-800 нм за время порядка 5 мин. Скорость и температура ионов - важные параметры при ионной плазмохимической обработке поверхности подложки. В частности, для травления субмикронных структур с большим аспектным отношением нужно, чтобы отношение поперечной скорости (температуры) ионов к продольной было мало. Причем этого нельзя достигнуть за счет увеличения продольной энергии, подавая на подложку большой отрицательный потенциал, так как при энергии большей сотни эВ в подложке могут происходить нарушения структуры. Темпер дифракционной решеткой 1200 мм"1 (линейная дисперсия 2.3 нм/мм} разрешение 0.1 нм). Излучение из камеры выводилось через торцевой фланец (наблюдение вдоль магнитного поля) или через боковые окна, расположенные на расстоянии z=30 или 60 см от входного кварцевого окна. При измерения интенсивности спектральных линий в качестве приемника излучений использовался ФЭУ-100, установленный за выходной щелью монохроматора. Сигнал с ФЭУ подавался на вход АЦП-4225 (f=l Мгц, буферная память 128 Кб), что позволяло измерять спектр в диапазоне 200-800 нм за время порядка 5 мин. Скорость и температура ионов - важные параметры при ионной плазмохимической обработке поверхности подложки. В частности, для травления субмикронных структур с большим аспектным отношением нужно, чтобы отношение поперечной скорости (температуры) ионов к продольной было мало. Причем этого нельзя достигнуть за счет увеличения продольной энергии, подавая на подложку большой отрицательный потенциал, так как при энергии большей сотни эВ в подложке могут происходить нарушения структуры.
Температура и скорость атомов и ионов измерялась оптическим методом соответственно из доплеровского уширения и смещения профиля спектральной линии с помощью сканируемого давлением интерферометра Фабри-Перо. Для этого перед монохроматором устанавливался интерферометр Фабри-Перо ИТ-28, помещенный в термостатированную камеру. В камеру через капилляр напускался сжатый воздух из баллона. Показатель преломления воздуха зависит от давления и радиус интерференционных колец изменялся.. Интерференционные кольца с помощью объектива "Мир" с фокусным расстоянием 300 мм проецировалась на круговую диафрагму диаметром 0.8 мм, установленную на входной щели монохроматора. Сигналы с датчика давления и ФЭУ регистрировались АЦП 701 А. Изменение давления позволяло сканировать спектральную линию 3-5 раз за один цикл натекания газа. Далее с помощью программы на ЭВМ строился график зависимости интенсивности спектральной линии от давления. Такая схема позволяла устранить изменение скорости сканирования, связанную с изменением скорости натекания газа в камеру, где находился интерферометр и тем самым повысить точность измерений (Рис.4.5). Регистрируемый контур представляет собой свертку истинного контура и аппаратной функции интерферометра ИТ-28. Последняя определялась измерением (контура линий гелий-неонового (X = 632.8 нм) и кадмиевого (X = 441.6 нм) лазеров и составила 0.0012 нм = 0.012 А и хорошо аппроксимировалась лоренцевои кривой. Величина магнитного поля в области мишень-подложка была менее 150 Гаусс, что вызывает атура и скорость атомов и ионов измерялась оптическим методом соответственно из доплеровского уширения и смещения профиля спектральной линии с помощью сканируемого давлением интерферометра Фабри-Перо. Для этого перед монохроматором устанавливался интерферометр Фабри-Перо ИТ-28, помещенный в термостатированную камеру. В камеру через капилляр напускался сжатый воздух из баллона. Показатель преломления воздуха зависит от давления и радиус интерференционных колец изменялся.. Интерференционные кольца с помощью объектива "Мир" с фокусным расстоянием 300 мм проецировалась на круговую диафрагму диаметром 0.8 мм, установленную на входной щели монохроматора. Сигналы с датчика давления и ФЭУ регистрировались АЦП 701 А. Изменение давления позволяло сканировать спектральную линию 3-5 раз за один цикл натекания газа. Далее с помощью программы на ЭВМ строился график зависимости интенсивности спектральной линии от давления. Такая схема позволяла устранить изменение скорости сканирования, связанную с изменением скорости натекания газа в камеру, где находился интерферометр и тем самым повысить точность измерений (Рис.4.5). Регистрируемый контур представляет собой свертку истинного контура и аппаратной функции интерферометра ИТ-28. Последняя определялась измерением (контура линий гелий-неонового (X = 632.8 нм) и кадмиевого (X = 441.6 нм) лазеров и составила 0.0012 нм = 0.012 А и хорошо аппроксимировалась лоренцевои кривой. Величина магнитного поля в области мишень-подложка была менее 150 Гаусс, что вызывает зеемановское уширение спектральной порядка 0.001 А, и его вкладом можно пренебречь. Тогда профиль линии обусловлен доплеровским уширением вследствие хаотического движения атомов и ионов и доплеровская полуширина линии AXD связана с температурой тяжелых частиц Т формулой [72]: где Л - длина волны спектральной линии в метрах, М - молекулярная вес атома, Т - в градусах Кельвина. Для выделения доплеровского контура из
