close

    Экспериментальное исследование характеристик плазмы индукционного высокочастотного разряда в технологической плазменной установке

    Генераторы плазмы малых размеров, позволяющие создавать в замкнутых объемах высокую концентрацию заряженных частиц, крайне востребованы в ряде технологических задач, например, в производстве полупроводниковых интегральных схем с размерами элементов 0,06—0,1 мкм. Для создания таких элементов и получения заданного рисунка малых размеров, используется реактивное ионное травление.

    Экспериментальное исследование характеристик плазмы индукционного высокочастотного разряда в технологической плазменной установке

    Е.В. Берлин*, В.Ю.Григорьев*., Г.В. Ходаченко**, Т.В. Степанова**, И.А. Щелканов**

    *Эсто-Вакуум, г. Зеленоград, проезд 4806, дом 4, стр 1. Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.,

    ** МИФИ, 115409, г. Москва, Каширское шоссе дом 31, Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра..

    Введение

    Генераторы плазмы малых размеров, позволяющие создавать в замкнутых объемах высокую концентрацию заряженных частиц, крайне востребованы в ряде технологических задач, например, в производстве полупроводниковых интегральных схем с размерами элементов 0,06—0,1 мкм. Для создания таких элементов и получения заданного ри¬сунка малых размеров, используется реактивное ионное травление. В этом процессе осуществляется бомбардировка материала подложки ненаправленным потоком радикалов, получаемых вследствие диссоциации в плазме молекул технологического газа, содержащего химически активные компоненты, и направленным потоком ионов активных радикалов с энергиями, не превышающими 20—200 эВ. Такие энергии в большинстве случаев безопасны для кристаллической решетки полупроводника. Достаточно большая скорость травления достигается благодаря химиче¬скому взаимодействию активированных частиц технологического газа с мате¬риалом подложки при ионной стимуляции этих процессов, сопровождаемых термической и ионной десорбцией продуктов реакции. В результате травления образуются летучие или слаболетучие продукты, удаляемые откачными сред¬ствами или ионной бомбардировкой. Высокая плотность ионного тока и его направленность перпендикулярно плоскости подложки позволяют получать анизотропные профили травления.

    В последние годы возрос интерес к системам и методам, реализующим ионно-плазменную обработку при использовании резонансных явлений в ВЧ (1—100 МГц) и СВЧ (2,45 ГГц) плазме [1]. Обеспечивая генерацию плазмы высокой плотности (более 1011 см-3) и высокие скорости обработки, эти системы создают низкий уровень теплового и зарядового воздействия на обрабатываемые структуры. Они также обеспечивают высокую чистоту процесса, поскольку работают при сравнительно низких давлениях и сводят к минимуму возможность паразитно¬го распыления элементов внутрикамерного устройства.

    Компания ООО «Эсто-Вакуум»  разработала новый технологический источник газоразрядной плазмы высокой плотности на основе ВЧИ разряда (высокочастотного индукционного разряда), формирующего так называемую «трансформаторно-связанную (или индуктивносвязанную) плазму» (ТСР - плазма). Этот генератор позволяет достигать в замкнутом объеме вакуумной камеры концентрацию заряженных частиц до 1012 см-3 [2]. При такой концентрации плазмы и плотности ионного тока более 20 мА/см2 становится возможным с высокой степенью эффективности проводить разнообразные способы ионно-плазменной обработки поверхности: очистка, активация и восстановление поверхности, нагрев и ионное азотирование, ионное ассистирование при нанесении покрытий, в том числе и реактивное, триодные схемы получения покрытий и многое другое.

    В данной работе исследовались пространственное распределение параметров (концентрации плазмы и температуры электронов), а также зарядовый и компонентный состав трансформаторно-связанной плазмы методами зондовой и спектроскопической диагностики, полученной с помощью новоразработанного источника плазмы.

    Оборудование и техника эксперимента

    Для экспериментального исследования параметров ТСР-плазмы использовалась цилиндрическая вакуумная камера диаметром 500 мм и высотой 750 мм с куполообразной крышкой, откачиваемая диффузионным насосом до остаточного давления 10 -2 Па (рисунок 1).

    Рисунок 1. Схема экспериментальной установки: 1 – Антенна, 2 – Витки антенны, 3 – Система магнитной изоляции, 4 – Зонды, 5 – Столик для размещения образцов, 6 – Ось наблюдения визора спектрометра, 7 – Кварцевое окно, 8 – Катушки Гельмгольца, 9 – кварцевый кожух антенны.

    Для создания плазмы высокой плотности использовался генератор газоразрядной плазмы на основе ВЧИ разряда, называемый авторами антенной (рисунок 2). Он крепился на вводе в верхней части камеры, внешний диаметр антенны составлял 220 мм, длина крепежного элемента Lv - 200 мм и высота излучательной части антенны L - 50 мм. Конструкция антенны позволяла устанавливать ее в произвольном положении внутри вакуумной камеры согласно технологической задаче.

    Антенна состояла из корпуса с одним коаксиальным вакуумным вводом и многозаходного спирального индуктора, закрытого от воздействия плазмы кварцевым кожухом, и работала на частоте 13.56 МГц.

    Рисунок 2. Внешний вид генератора ТСР-плазмы (антенны)

    На вакуумную камеру соосно устанавливалась магнитная система 3, состоящая из катушек Гельмгольца с внутренним диаметром 550 мм и индукцией магнитного поля величиной 1мТл, обеспечивающая однородное магнитное поле в цилиндрическом пространстве диаметром 250 мм и высотой 250 мм.

    Питание антенны осуществлялось от ВЧ-генератора мощностью 1 кВт через подводящий кабель и специальное малоиндуктивное согласующее устройство, обеспечивающее низкие потери и высокую степень согласования ВЧ-генератора и нагрузки. Встроенный в ВЧ-генератор измеритель падающей и отраженной мощности (рефлектометр) позволял определять эффективность согласования, при этом во всех экспериментах при подводимой мощности 1000 Вт отраженная мощность составляла не более 10 Вт. Точное измерение мощности, поглощаемой в плазме газового разряда зачастую вызывает серьезные технические трудности, поэтому авторами контролировалась мощность, отдаваемая генератором в подводящий кабель и согласующее устройство косвенным методом по нагреву токоведущих частей согласующего устройства и подводящего кабеля. Нагрев элементов устройства был незначительным (примерно 50°С при температуре окружающего воздуха в помещении 25°С).

    Для уменьшения потока частиц из плазмы на стенки вакуумной камеры и формирования однородного плазменного образования использовалась система магнитной изоляции (рисунок 1), представляющая собой кольцо (внутренний диаметр – 300 мм, внешний – 400 мм, высота – 100 мм) с помещенными внутрь постоянными магнитами. Кольцо магнитной изоляции находилось на оси симметрии антенны на высоте 50 мм от нее. Магнитная система была сконструирована таким образом, что поле магнитов быстро спадало к центру системы и имело величину не более 5 мТл,

    Для размещения образцов внутри установки использовался столик 5, помещаемый на расстоянии L ≈ 200 мм от «антенны» (рисунок 1).

    Конструкция установки позволяет убирать как столик, так и систему магнитной изоляции.

    Для определения компонентного и зарядового состава плазмы использовался метод эмиссионной спектроскопии. Спектральные измерения проводились с использованием оптоволоконного спектрометра Avantes 2048. Излучение плазмы из области над линией движения зонда выводилось через сапфировое окно (рисунок 1) вакуумной камеры и фокусировалось на входную щель спектрометра. Входная щель спектрометра была 10 мкм, разрешение –  0,4 нм.

    Измерения концентрации плазмы и электронной температуры проводились методом зондовой диагностики (рисунок 1), позволяющей проводить локальные измерения параметров плазмы и получать пространственные распределения ионной концентрации и электронной температуры во всем объеме разряда. Измерения проводились с помощью двойных и одиночных зондов Ленгмюра. Зонды были изготовлены из молибденовой проволоки, диаметром 0,5 мм, и длинной 4 мм, расстояние между электродами двойного зонда составляло 1,5 мм и располагались на расстоянии 180 мм от антенны. Блок питания зонда формировал импульс напряжения длительностью 400 мкс, линейно нарастающий от – 150 В до + 150 В.

    В экспериментах с присутствием столика и наличием магнитной изоляции зонд перемещался параллельно поверхности столика в радиальном направлении на расстояние 300 мм от оси системы на высоте 180 мм от антенны.

    Расчеты концентрации плазмы проводились по классической формуле Бома для цилиндрического зонда:

    где Те – электронная температура, k – постоянная Больцмана, е – заряд электрона, М – атомная масса рабочего газа, при работе на азоте и водороде учитывались массы молекулярных и атомарных ионов, n – концентрация плазмы.

    При использовании одиночного зонда в качестве опорного электрода выбирался заземленный корпус камеры. Использование одиночного и двойного зондов позволяло сравнить измеренные значения электронной температуры и концентрации плазмы.

    Электронная температура определялась по части вольт-амперной характеристики вблизи плавающего потенциала зонда методом полулогарифмического графика для одиночного зонда согласно классической модели [3].

    Экспериментальные результаты и их обсуждение.

    Эксперименты по измерению параметров плазмы проводились в рабочих газах и их смесях: Ar, H2/Ar (6/4), N2 при давлении P = 1÷8•10-2 Па. Мощность, вводимая в разряд генератором составляла 1000 Вт.

    Зондовые измерения

    Измерения параметров плазмы разряда зондовыми методами проводились в два этапа. На первом этапе в вакуумной камере отсутствовали система магнитной изоляции и столик. Для всех газов радиальное распределение электронной температуры внутри разряда было постоянным, и его величина составила для аргона 7 эВ, для азота – 8 эВ, для смеси водорода и аргона – 10 эВ. В экспериментах было получено характерное распределение с плавным уменьшением концентрации к стенке камеры (рисунок 3). В центре камеры наблюдалось плазменное образование с концентрацией ~ 1012 см-3 и диаметром до 100 мм. Плотность ионного тока на образец помещенный в центр камеры составила более 20 мА/см2 для Ar в качестве рабочего газа.

    Рисунок 3. Радиальное распределение концентрации ТСР-плазмы а) в экспериментах без системы магнитной изоляции и столика, б) в экспериментах с наличием системы магнитной изоляции и столика.

    На втором этапе в вакуумную камеру была установлена магнитная изоляция и столик и проводились измерения параметров плазме разряда в аргоне, при давлении 2•10-4 Торр. Вводимая в разряд мощность также была 1 кВт. Электронная температура осталась неизменной и составила 7 эВ. Измерения электронной температуры Te обоими зондами показали с учетом погрешности одинаковые результаты, что подтверждает предположение о слабом влиянии ВЧ и постоянного магнитного поля на зондовые измерения.

    Полученные из зондовых измерений распределения концентрации плазмы представлены на рисунке 3б, где видно, что область с концентрацией плазмы ~ 1012 см-3 увеличилась в радиальном направлении почти в 2 раза (до диаметра 200 мм). Такое увеличение объема однородной плазмы связано с тем, что магнитная изоляция значительно уменьшила уход частиц на стенку вакуумной камеры.

    В технологии обработки образцов методом погружения в плазму большое значение имеет величина потенциала плазмы, , которым определяется энергия ионного потока на поверхность изделия в отсутствии приложения к нему смещения. Потенциал плазмы может быть определен из плавающего потенциала , который соответствует условию je=ji, где je и jI – электронный и ионный токи насыщения одиночного зонда. Согласно проведенным одиночным зондом измерениям плавающий потенциал составил для аргона –  -2 В, для смеси водорода и аргона -20 В, для азота – -10 В. Плазменный потенциал определялся из выражения:

    где Uз – потенциал зонда измеренный при нуле тока на него, M – масса иона, m – масса электрона, Те – температура электронов [2].

    Согласно этому выражению потенциал плазмы в газовой среде Ar составил +42 В, в газовой смеси H2/Ar (6/4)  +20 В, и в среде N2 – +29 В.

    Следует отметить, что при таких больших концентрациях поток энергии, который приносят ионы может привести к значительному нагреву образца. Оценить это поток можно по следующему выражению [4]:

    где; - энергия, набираемая положительными ионами в предслое, предшествующему основному пристеночному слою, RiE и ReE – коэффициенты отражения энергии ионов и электронов соответственно, RiN – коэффициент отражения ионов, Wi – энергия рекомбинации иона (энергия ионизации, в случае двух типов ионов берется средняя энергия ионизации этих двух ионов), Wr – энергия рекомбинации атомов в молекулу, Te и Ti – температуры электронов и ионов соответственно. В этом выражении коэффициент δ* имеет вид:

    где δI - коэффициент вторичной электронной эмиссии под действием ионов, - токи электронов под действием фотонов и метастабильных атомов по отношению к току ионов, δв - коэффициент вторичной электронной эмиссии, учитывает возможность эмиссии электронов из поверхности твердого тела не только под воздействием электронов, но также и под действием ионов, фотонов и метастабильных атомов.

    В рассматриваемом нами случае энергии ионов, приобретаемые при прохождении электрического поля в области слоя между поверхностью образцов и плазмой, сравнительно невелики (не превышает 40 В). Поэтому коэффициентами отражения ионов можно пренебречь. Также пренебрегая ионной температурой вследствие ее малости T≈ 1/40эВ и токами вторичных электронов под действием фотонов и метастабильных атомов, выражение для δ* можно было представить в виде , а δI согласно [4] вычислить как: , где Aвых – работа выхода поверхности, = 0,025 эВ-1. Согласно этому выражению δI <<1  и, следовательно . Тогда выражение для оценки полной энергии ионного пучка на подложку имело вид:

    где Vсм – напряжение смещения.

    Температура образца определялась динамикой его нагрева не только ионным потоком, но и излучением плазмы. Равновесная температура зависила от времени воздействия, которое задавалось необходимой для технологического процесса дозой облучения:

    где q – заряд иона, t – время обработки.

    При обработке больших образцов маленькими дозами равновесная температура могла не достигаться в отличие от образцов с небольшими массами, что могло привести к различным свойствам обработанной плазмой поверхности.

    Определение ионного состава плазмы методом эмиссионной спектроскопии.

    Одновременно с зондовыми измерениями  проводилось исследование элементного и ионного состава плазмы разряда и определение наличия примесей спектроскопическими методами в диапазоне длин волн 200-1100 нм с помощью оптоволоконного спектрометра Avaspec-2048. В ходе эксперимента регистрировалось интегральное излучение плазменного образования. Идентификация эмиссионных спектров проводилась с использованием данных [5,6].

    На рис.4 а) б) в) представлен интегральный спектр излучения ТСР-плазмы в различных газах. Сравнение экспериментальных спектров с эталонными спектрами показали наличие в плазме разряда спектральных линий следующих элементов Ar+, Ar, Ti, Ti+, Fe, ОН+, H2, H, Fe, Fe+, в зависимости от используемых газов и их смеси.

    Рисунок 4. Интегральные эмиссионные спектры ТСР-плазмы а) в Ar, б) вAr/H2 и в) в N2.

    Следует отметить, что метод эмиссионной спектроскопии является простым и эффективным инструментом контроля примесей в плазме высокочастотного индукционного разряда (ВЧИ) разряда. Наличие в плазме разряда примесей Fe и Ti связано с наличием процесса блистеринга на пленках, образовавшихся на стенках вакуумной камеры и конструктивных элементах в предшествующих технологических циклах, связанных с распылением. Вследствие того, что ВЧИ разряд является нераспыляющим, то появление в плазме примесей является напоминанием о проведении своевременных мероприятий по очистке и профилактике вакуумного объема.

    Присутствие в плазме разряда возбужденной молекулы ОН+ связано с наличием в объеме паров воды возможно из системы охлаждения вакуумной камеры. Контроль присутствия паров воды также может быть чрезвычайно полезен для некоторых технологических задач, в которых процессы окисления, избыточное насыщение водородом образцов и образования в них лишних связей за счет групп OH является неприемлемым.

    Заключение

    В результате проделанной работы была показана возможность получения плотной плазмы с высокой степенью ионизации в ВЧИ разряде с плоским индуктором новой конструкции. Достигнутые значения концентрацию плазмы 1012 см-3 при давлении рабочего газа ~ 10-2 Па показывает возможность использования ТСР-плазмы для решения множества технологических задач, связанных с ионно-плазменной обработкой поверхности.

    Удобство технологического применения «антенны» обусловлено не только высокими параметрами газоразрядной плазмы, полученными на разных газах и их смесях. Она приспособлена к установке в любую вакуумную камеру любой технологической установки. Применение современных автоматических согласующих устройств делает использование «антенны» не более сложным, чем применение подобных устройств на постоянном токе, таких, например, как широко известные плазменные источники с накаливаемым катодом (ПИНК) [7].

    Особенностью данной конструкции является возможность обработки изделий диаметром до 200 мм с высокой степенью однородности.

    Список литературы:

    1. Берлин Е.В., Сейдман Л.А. / «Ионно-плазменные процессы в тонкопленочной технологии», Москва, «Техносфера» 2010 г.
    2. Берлин Е.В., Пат.РФ № 2 171 555 1998 г.
    3. Райзер Ю.П. // Физика газового разряда. М.: Наука, 1987. С. 198.
    4. Лохте-Хольтгревен В. // Методы диагностики плазмы. М.:Мир, 1971, с. 552.
    5. Курнаев В.А. // Взаимодействие плазмы с поверхностью, М.:МИФИ, 2003 г., с. 57
    6. Пирс Р., Гейдон А. // «Отождествление молекулярных спектров», Москва, 1949.
    7. А.Н. Зайдель, В.К. Прокофьев, С.М. Райский, Е.Я.Шрейдер // «Таблицы спектральных линий», Москва, 1962.

    Навигация по сайту