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
Промежуточные частоты. При увеличении частоты, когда характерные частоты плазменных процессов соизмеримы и несколько меньше частоты поля Высокие частоты. При выполнении условия 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 ( (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
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).
Воспользуйтесь поиском по сайту: ![]() ©2015 - 2025 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...
|