Литературный обзор Физические принципы и виды вч разряда

Основой высокочастотных разрядов является процесс ударной ионизации молекул и атомов газа электронами, ускоренными в высокочастотном электромагнитном поле. Этот процесс сопровождается диффузией электронов из области, где локализовано поле, а также процессами их рекомбинации с ионами и «прилипании» к нейтральным молекулам и атомам. При этом обычно процессы на ограничивающих разрядную область поверхностях менее существенны, чем в случае электростатических разрядов.

Различают два основных типа ВЧ разряда: емкостной (ВЧЕ) и индукционный (ВЧИ). Емкостной высокочастотный разряд реализуется в системе, в которой один из электродов является рабочим, а второй заземлен. Он применяется, как правило, для поддержания ВЧ разрядов при средних (1÷100 торр) и низких (10^-3÷1 торр) давлениях.

Простейший индукционный разряд – это разряд в диэлектрической трубке, помещенной внутрь соленоида, к которому подключен источник переменного напряжения (рис. 1).

Рис. 1. Простейший индукционный разряд без магнитного поля

Кроме цилиндрической формы разряд может иметь плоскую форму над плоской спиральной катушкой и тороидальную форму вокруг ферритового сердечника (рис. 2).

Рис. 2. Виды ВЧИ разряда

В настоящее время известны источники плазмы низкого давления, принцип действия которых основан на индуктивном ВЧ разряде в отсутствие магнитного поля, а также на индуктивном ВЧ разряде, помещенном во внешнее магнитное поле с индукцией, соответствующей условиям электронного циклотронного резонанса (ЭЦР). Типичными примерами источников плазмы, работающих на индуктивном ВЧ разряде без магнитного поля, являются плазменные реакторы, предназначенные для травления подложек, источники ионов. Общей конструктивной особенностью перечисленных устройств является наличие газоразрядной камеры, на внешней поверхности которой или внутри ее расположен индуктор или антенна. С помощью антенны, подключенной к высокочастотному генератору, в объем ГРК вводится ВЧ мощность и зажигается безэлектродный разряд. Токи, текущие по антенне, индуцируют в плазме вихревое электрическое поле, которое нагревает электроны до энергий, необходимых для эффективной ионизации рабочего газа. Типичные концентрации плазмы в плазменных реакторах составляют величину 10¹¹÷3·10¹² см^-3, а в источниках ионов - 3·10¹⁰÷3·10¹¹ см^-3.

Для технологического применения наибольший интерес представляет стационарный режим ВЧИ разряда в области низких давлений при наибольшей степени ионизации рабочего газа, когда основными каналами диссипации энергии является ионизация и ускорение рабочего вещества, а длины свободных пробегов атомов и ионов значительно превосходят размеры системы.

Особенности tcp системы

Для оценки эффективности источников плазмы существует простой технологический параметр: отношение мощности разряда к площади, с которой контактирует плазма. Дело в том, что заряженные частицы плазмы рекомбинируют на поверхностях стенок камеры, поэтому важно так конструировать источник плазмы, чтобы площадь этих поверхностей была минимальной, то есть чтобы этот параметр, являющийся мерой эффективности источника, был бы максимальным. Плоские индукционные системы с этой точки зрения имеют преимущество, так как позволяют минимизировать поверхность плазмы при значительных размерах обрабатываемых подложек (в плоской системе меньше «паразитная» площадь, на которой происходит рекомбинация заряженных частиц плазмы). Именно поэтому была выбрана плоская TCP система, так как она позволяет иметь высокие параметры плазмы при относительно небольших мощностях ВЧ генераторов (до 1000 Вт на частоте 13,56 МГц), а обрабатываемая с высокой равномерностью площадь составляет круг диаметром до 250 мм.

Рис. 3. Схема вакуумной камеры с источником на индуктивносвязанной плазме: 1 – вакуумная камера; 2 –подложкодержатель; 3-подложка; 4 – источник на индуктивносвязанной плазме; 5 – ВЧ генераторы

Схема вакуумной камеры установки с источником на индуктивносвязанной плазме [8, 9] приведена на рис. 3. Электрическое поле обычно возбуждается как поле индукции плоской или цилиндрической катушки индуктивности 4. К такому TCP источнику, часто называемому антенной, подводится ВЧ мощность от генератора 5. Подложка 3 обычно размещается на подложкодержателе 2, представляющим собой плоский электрод. Для независимого управления энергией ионов, бомбардирующих подложку, к подложкодержателю подводится напряжение смещения от дополнительного источника 5.

ТСР системе свойственны описанные ниже особенности, которые необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации установок.

Исследования баланса заряженных частиц в плазме показали, что физические явления различны в момент возбуждения разряда и в стационарном рабочем режиме антенны [10]. Время жизни электронов при возбуждении разряда оказывается много меньше их времени жизни в стационарном разряде. Дело в том, что в стационарном разряде обычно существует потенциальный барьер, отражающий электроны на границе плазмы. А при возбуждении разряда потенциальный барьер отсутствует. Из-за этого ВЧ поле в разрядной камере, необходимое для зажигания разряда, обычно больше, чем поле в стационарном разряде. А в области низких давлений существуют условия, при которых существование стационарного разряда возможно, а его инициация в силу недостаточности ионизации – нет. Тогда поджиг разряда в данных условиях осуществляют кратковременным увеличением давления в разрядной камере или наложением на затянутую плазмой область постоянного магнитного поля, тормозящего уход электронов на стенку камеры.

Эффективность TCP источника тем выше, чем выше коэффициент его связи с плазмой. Для увеличения коэффициента связи необходимо уменьшать расстояние между индуцирующим витком и плазмой. Физическим ограничением этого расстояния, при достижении которого наблюдается существенное увеличение коэффициента связи между током в источнике и индуцированным током в плазме, следует считать глубину проникновения поля в плазму Ʌ в рабочем режиме. В плазме, в отличие от идеального проводника, индуцируемый ток распределении по ее поверхностному слою толщиной порядка Ʌ (для электронной плотности 10¹¹ см^-3 получаем Ʌ = 1,7 см, а для 10¹² см^-3 Ʌ = 0,51 см). Поэтому дальнейшее уменьшение расстояния между антенной и границей плазмы тоже ведет к росту коэффициента связи, хотя и не такому значительному, как при движении с расстояний, больших Ʌ.

Конструктивным ограничением размера, до которого можно уменьшать расстояние между антенной и плазмой, следует считать толщину диэлектрика, их разделяющего. Эта толщина определяется термомеханической, химической и электрической прочностью экранирующего диэлектрического материала. Кроме того, прочностные характеристики окон из диэлектрика выходят на первый план в конструкциях ТСР источников, где окно разделяет антенну, находящуюся на атмосфере, и вакуумный объем.

Помещенная внутрь рабочей камеры антенна кроме наведения тока в плазме способна наводить паразитные токи в металлических стенках рабочей камеры. Для выяснения условий, при которых эти токи несущественны, рассмотрим магнитное поле, создаваемое совместно токами, текущими по антенне и по плазме. При больших плотностях электронов, обеспечивающих высокую проводимость плазмы, и расположении антенны вблизи поверхности плазмы магнитные поля этих токов взаимно компенсируют друг друга. Результирующее магнитное поле, создаваемое этими токами на расстоянии H, превышающем расстояние между током в антенне и током в плазме, резко спадает при удалении от антенны (пропорционально 1/H³). В реальной системе такой спад магнитного поля начинается при удалении от антенны на расстоянии, равное сумме расстояния от антенны до границы плазмы и глубины проникновения поля в плазму - Ʌ₁. Глубина проникновения не превышает утроенной толщины скин-слоя в плазме, то есть от 0,5 до 1,7 см. Эксперименты подтвердили, что наведенные в стенках камеры токи практически не сказываются на характеристиках антенны в рабочем режиме, если антенна удалена от металлической поверхности рабочей камеры на расстояние, большее утроенной глубины скин-слоя в плазме.

Одной из проблем при разработке установок, в которых антенна размещается внутри рабочей камеры, является предотвращение процессов плазмообразования между антенной и близлежащими стенками камеры или фланцем, на котором она размещается. Такие процессы приводят к снижению эффективности процесса плазмообразования в рабочей области между антенной и подложкодержателем, так как на образование плазмы в нерабочей области тратится значительная часть подводимой энергии.

Вероятность образования плазмы в нерабочей зоне зависит от величины зазора, электрического поля, давления газа, формы поверхностей. Поскольку расстояние между антенной и поверхностью рабочей камеры обычно существенно меньше, чем расстояние от антенны до подложкодержателя, то при низких давлениях, когда длина свободного пробега ионизирующих электронов достаточно велика, генерация плазмы происходит преимущественно в области между антенной и подложкодержателем. Вероятность процессов ионизации за антенной существенно снижается также из-за высокого значения электрического поля в сравнительно малом зазоре между антенной и стенкой камеры, так как при очень сильных полях уменьшается сечение ионизации молекул газа электронами. Тем не менее, при сравнительно высоких давлениях газа пробои в нерабочих областях вакуумного объема возможны.

Для исключения этого эффекта достаточно заполнить пространство между антенной и поверхностью рабочей камеры твердым диэлектриком (полностью или частично). Влияние частичного заполнения пространства диэлектриком связано с увеличением вероятности рекомбинации электронов и ионов на поверхности диэлектрика. Это уменьшает время жизни электрона в зазоре и увеличивает поле, необходимое для поддержания там плазмы.

При обработке полупроводниковых структур, чувствительных к зарядовому и энергетическому воздействию, важной проблемой является снижение электрического поля вблизи обрабатываемой подложки. В этом случае необходимо минимизировать ВЧ поле в окрестности подложки, что обеспечит малую энергию бомбардирующих ионов, а также предотвратит пробой тонких диэлектрических слоев на подложке. С этой целью подложка должна быть удалена от антенны на расстояние, не меньшее утроенной глубины проникновения поля в плазму. Поскольку обычно расстояние между антенной и подложкой превышает 5 см (при меньших расстояниях затрудняется поджиг разряда и растет минимальное давление, при котором может существовать стационарный разряд), то в установках, использующих ТСР разряд, указанное условие выполняется практически всегда.