Периодические разряды. Плазма ВЧ и СВЧ разрядов

Для возбуждения и поддержания тлеющего разряда постоянного тока необходимо, чтобы два проводящих (металлических) электрода находились в непосредственном контакте с зоной плазмы. С технологической точки зрения такая конструкция плазмохимического реактора является не всегда удобной. Во-первых, при проведении процессов плазменного нанесения диэлектрических покрытий непроводящая пленка может также образовываться и на электродах. Это приведет к увеличению нестабильности разряда и в конечном итоге к его затуханию. Во-вторых, в реакторах с внутренними электродами всегда существует проблема загрязнений целевого процесса материалами, удаляемыми с поверхности электрода в ходе физического распыления или химических реакций с частицами плазмы. Избежать этих проблем, в том числе и полностью отказаться от использования внутренних электродов, позволяет использование периодических разрядов, возбуждаемых не постоянным, а переменным электрическим полем [17].

Основные эффекты, имеющие место в периодических разрядах, определяются соотношениями между характерными частотами плазменных процессов и частотой приложенного поля. Целесообразно рассмотреть три характерных случая:

Низкие частоты. При частотах внешнего поля до 10² – 10³ Гц ситуация близка к реализуемой в постоянном электрическом поле. Однако если характерная частота гибели зарядов меньше частоты поля ( ), заряды после изменения знака поля успевают исчезнуть раньше, чем величина поля достигнет значения достаточного для поддержания разряда. Тогда разряд будет дважды гаснуть и поджигаться за период изменения поля. Напряжение повторного зажигания разряда должно зависеть от частоты. Чем выше частота, тем меньшая доля электронов успеет исчезнуть за время существования поля, недостаточного для поддержания разряда, тем ниже потенциал повторного зажигания. На низких частотах после пробоя соотношение между током и напряжением горения отвечает статической вольтамперной характеристике разряда (рис. 1, кривая 1). Параметры разряда “отслеживают” изменения напряжения.

Промежуточные частоты. При увеличении частоты, когда характерные частоты плазменных процессов соизмеримы и несколько меньше частоты поля , состояние разряда не успевает “следить” за изменением питающего напряжения. В динамической ВАХ разряда появляется гистерезис (рис. 3.1, кривая 2).

Высокие частоты. При выполнении условия за полупериод состояние разряда не успевает измениться, при этом концентрация электронов также практически не меняется. Динамическая ВАХ становится линейной (рис. 1, кривая 3). Если к тому же расстояние, проходимое электронами в направлении поля, много меньше расстояния между электродами, то последние уже не играют роли в поддержании разряда.

Рис 3.1. Вольтамперные характеристики периодических разрядов: 1 – статическая ВАХ, 2 – ВАХ в переходной области частот, 3 – установившаяся динамическая ВАХ

Реально используемый для возбуждения плазмы диапазон частот не слишком велик. Это связано с тем, что работающие установки могут создавать помехи радиосвязи. Международными договоренностями выделены несколько частот для промышленных установок. Наиболее употребительными являются частоты 13.56 МГц и 2450 МГц. Первая частота относится к области частот, называемых высокими (ВЧ разряд), а вторая – к области сверхвысоких частот (СВЧ разряд) [18, 21, 40].

Для ВЧ разрядов существуют разные способы их возбуждения, которые делят по признаку того, замыкаются ли силовые линии электрического поля в плазме или нет. К первой группе относятся индукционные разряды (рис. 2 б), где разряд возбуждается путем подачи переменного тока в соленоид, внутри которого расположен реактор из диэлектрического материала. Силовые линии электрического поля представляют собой окружности концентрические с витками соленоида, а магнитное поле направлено вдоль оси соленоида. Такой разряд называют разрядом Н -типа. Ко второй группе относятся разряды, в которых переменное напряжение подается на электроды, которые могут находиться в непосредственном контакте с плазмой (рис. 2 в), либо быть изолированными от нее (рис. 3.2 а). Такая система возбуждения по отношению к переменному напряжению аналогична конденсатору. Поэтому такие типы разрядов называются емкостными или разрядами Е -типа.

Рис 3.2. Способы возбуждения ВЧ разряда: а-емкостное возбуждение с внешними электродами; б - индукционное возбуждение с внешними электродами; в) - емкостное возбуждение с внутренними электродами. Обозначения: 1 - корпус реактора, 2 – электроды, 3 – плазма

В СВЧ диапазоне ( 10⁹ Гц), учитывая специфику распространения электромагнитных волн, для возбуждения разрядов используются те или иные виды колебательных контуров, которые называются резонаторами. Резонатором может быть отрезок прямоугольного волновода, перпендикулярно широким стенкам которого вставлен реактор из материала, имеющего низкие диэлектрические потери на частоте возбуждения (рис. 3.3 а), бывают также резонаторы цилиндрической формы (рис. 3.3 б). По-существу, цилиндрическим резонатором может быть и сам реактор, как это изображено на рис. 3.3 в. Здесь энергия в реактор поступает из прямоугольного волновода, отделенного от реактора вакуумноплотным окном из специального диэлектрика. Для обеспечения поддержания разряда при низких давлениях резонатор помещается в магнитное поле, создаваемое соленоидом.

(а)

(б) (в)

Рис 3.3. Способы возбуждения СВЧ разряда: а) 1 – корпус реактора, 2 – волновод, 3 – плазма; б) 1 – корпус реактора, 2 – резонатор, 3 – ввод СВЧ энергии (антенна); в) 1 – корпус реактора, 2 – волновод, 3 – плазма, 4 - соленоид

Колеблющиеся в ВЧ поле электроны могут приобретать энергию, достаточную для осуществления ионизации и поддержания разряда. Катодная область, как источник электронов, фактически оказывается не нужной. Напряжения пробоя снижаются, а разряд может гореть и с электрически изолированными от плазмы электродами. Эти соображения также обусловливают тот факт, что при прочих равных условиях ВЧ разряд может устойчиво гореть при более низких давлениях, чем разряд постоянного тока [30-32].

Рассмотрим теперь важную особенность ВЧ разрядов с внутренними электродами, которая связана с распределением электрических полей около электродов.

Поскольку электроды всегда находятся под отрицательным относительно плазмы потенциалом, то в приэлектродных слоях положительные ионы двигаются в ускоряющем поле, а электроны – в тормозящем.

Изменение соотношения площадей электродов приводит к тому, что все большая часть питающего напряжения начинает падать на электроде с меньшим размером. При этом потенциал большего электрода меняется слабо и практически равен плавающему. Физически это связано с тем, что для поддержания тока в цепи, поступающего на электрод малой площади, достаточно малых изменений потенциала большого электрода.

Малый электрод в положительный полупериод питающего напряжения находится под гораздо более отрицательным потенциалом относительно плазмы, чем большой, то есть подвергается интенсивной бомбардировке положительными ионами, энергия которых зависит как от приложенного напряжения, так и от соотношения площадей электродов. Это явление и принято называть самосмещением [20].

Плазма ВЧ разряда находит широкое применение в технологии микроэлектроники при проведении процессов нанесения покрытий, травления материалов и модификации поверхности. Существование нескольких способов возбуждения ВЧ разряда (см. рис. 3.2) обуславливает существование нескольких типов плазмохимических ВЧ реакторов; некоторые типы реакторов, используемых для плазменного травления материалов, представлены на рис. 3.4.

(а) (б)

(в)

Рис 3.4. Некоторые типы плазмохимических реакторов с использованием плазмы ВЧ разряда: а, б – диодные реакторы с внутренними электродами и емкостным возбуждением разряда; в - безэлектродный реактор с индукционным возбуждением разряда

 

Исторически первыми были созданы и использовались реакторы диодного типа с плоскими параллельными электродами, расположенными внутри рабочей камеры. В варианте а) обрабатываемый материал располагается на заземленном электроде и находится под плавающим потенциалом относительно плазмы. Соответственно, энергия ионов, бомбардирующих образец, здесь невелика (10 – 30 эВ), и процессами физического распыления материала можно пренебречь. Такой реактор получил название реактора объемного травления (bulk etching reactor), реактора плазменного травления (plasma etching (PE) rector)или реактора с анодной связью.

В варианте б) при расположении материала на электроде, подсоединенном к ВЧ генератору, величина отрицательного самосмещения на нем достигает нескольких сотен вольт, так что травление материала может обеспечиваться одновременно химическим и физическим механизмами. Такая модификация носит название реактора реактивного ионного травления (reactive ion etching (RIE) reactor) или реактора с катодной связью. Основными недостатками диодных реакторов являются загрязнение рабочей камеры продуктами распыления и/или взаимодействия плазмы с электродами, а также невозможность независимой регулировки плотности потока и энергии ионов, бомбардирующих обрабатываемый материал. Последнее является особенно важным, так как для минимизации радиационных повреждений поверхности и, в то же время, для поддержания высокой скорости процесса ионного или реактивно-ионного травления целесообразно проводить процесс при высокой плотности потока ионов, но при минимально допустимой величине отрицательного смещения на подложке. В то же время, в RIE реакторе увеличение вкладываемой мощности приводит к одновременному увеличению обоих факторов за счет роста скорости ионизации, концентрации электронов и ионов в объеме плазмы и величины отрицательного самосмещения на электроде, подсоединенном к ВЧ генератору [29, 30].

Указанные выше недостатки частично компенсируются в диодных реакторах с наложением постоянного магнитного поля напряженностью 50 – 200 Гаусс параллельно электроду, на котором располагается обрабатываемый материал. В англоязычной литературе такие системы получили название MERIE – magnetically enhanced reactive ion etching. Магнитное поле препятствует движению электрона в направлении, перпендикулярном - это вызывает «закручивание» в спираль траектории движения электрона, увеличение частоты ионизирующих столкновений и снижение средней энергии электронов. Кроме этого, диффузия ионов в направлении, перпендикулярном , переходит из амбиполярного режима в свободный, при этом снижение ионного потока приводит к снижению мощности, рассеиваемой на стенках разрядной камеры. В результате, при данном значении вкладываемой мощности и давлении газа MERIE системы обеспечивают более высокие концентрации и плотности потоков заряженных частиц, но более низкие значения отрицательного самосмещения на незаземленном электроде, где располагается обрабатываемый материал.

Основным недостатком MERIE систем является существенная деформация пространственных распределений концентраций частиц в реакторе, в результате чего возникает проблема равномерности обработки образцов большой площади.

От указанных выше недостатков практически свободны безэлектродные источники «плотной» плазмы (high density plasma sources), позволяющие работать в более низком диапазоне давлений (0.1 – 10 Па) и обеспечивающие концентрации заряженных частиц на уровне 10¹¹ – 10¹² см^-3. Типичными представителями здесь являются безэлектродные ВЧ реакторы с индукционным возбуждением разряда (ICP – inductively coupled plasma reactor) и реакторы электрон-циклотронного резонанса (ECR – electron-cyclotron resonance). Рис. 3.4в представляет ICP реактор с плоским спиралевидным индуктором, в настоящее время данный тип является одним из наиболее распространенных в технологии плазменного травления. Индуктор соединен с ВЧ генератором, но отделен от зоны разряда слоем диэлектрического материала, который должен обладать высокой диэлектрической проницаемостью (для обеспечения эффективной, с минимальными потерями, передачи энергии ВЧ поля от индуктора в рабочую зону) и термостойкостью. Этим требованиям хорошо удовлетворяет кварц. Обрабатываемый материал находится на проводящем подложкодержателе в нижней части реактора, на подложкодержатель подается отрицательное смещение от источника постоянного напряжения или от другого ВЧ генератора. В отсутствии смещения на подложкодержателе энергия ионов, бомбардирующих подложку, определяется их ускорением в двойном электрическом слое на границе плазма – поверхность. Такая система допускает возможность независимой регулировки плотности потока ионов (при варьировании мощности питающего генератора) и их энергии при взаимодействии с поверхностью (при варьировании величины отрицательного смещения на подложкодержателе).

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: