Плазма электрон-циклотронного резонанса (ЭЦР-плазма)

При уменьшении давления плазмообразующего газа эффективность отбора энергии от поля начинает падать, так как уменьшается частота столкновений электронов с «тяжелыми» частицами. Поэтому для поддержания плазмы в области низких давлений необходимо увеличивать амплитуду напряженности электрического поля, что создает дополнительные сложности. В то же время в технологии плазмохимического травления в микроэлектронике использование низких давлений является предпочтительным для увеличения чистоты процесса и достижения ряда технологических показателей (селективность, анизотропия, равномерность травления), способствующих повышению плотности упаковки элементов. Каковы же пути решения проблемы?

Как уже отмечалось, при движении электрона в переменном поле в условиях (т. е. при отсутствии столкновений) электрон не отбирает энергию от поля. Работа, совершаемая полем в положительный полупериод, в точности равна работе в отрицательный полупериод, при этом максимальное смещение (путь) электрона в первый полупериод равно смещению во втором, но в обратном направлении. Если же создать условия, когда в один из полупериодов электрон будет проходить путь больший, чем в другой, то от периода к периоду энергия электрона будет возрастать. Один из вариантов – это наложить магнитное поле перпендикулярно электрическому. Тогда на электрон будет действовать сила Лоренца , направление которой перпендикулярно вектору скорости электрона и индукции магнитного поля . Электрон начнет двигаться не только в направлении, задаваемом электрическим полем , но и в перпендикулярном ему. Траектория движения электрона в таких условиях зависит от соотношения между частотой электрического поля и циклотронной (ларморовской) частотой, которая определяется как . По мере приближения частоты поля к циклотронной частоте (к так называемому циклотронному резонансу) путь, проходимый электроном в электрическом поле (вдоль оси Х), все более возрастает, радиус его траектории увеличивается во времени, и в среднем от периода к периоду увеличивается энергия электрона. Для магнитного поля 875 Гаусс величина = 2.45 ГГц, при этом если для возбуждения плазмы используется электрическое поле аналогичной частоты, то есть = 2.45 ГГц, имеет место явление циклотронного резонанса. Соответственно, плазма, возбуждаемая в системе скрещенного магнитного и переменного электрического полей при называется ЭЦР плазмой (рис. 3.5).

Рис 3.5. Схема возбуждения ЭЦР разряда

Все перечисленные выше свойства ЭЦР плазмы позволяют использовать ее в диапазоне давлений 10^-3 – 10^-5 тор (~0.1 – 0.01 Па), достигая при этом высоких степеней ионизации (до 10%) и диссоциации (до 100%) плазмообразующего газа. Высокая эффективность поглощения энергии электронами от электрического поля приводит к тому, что типичные значения электронной температуры в ЭЦР плазме (~ 5 эВ) выше по сравнению с обычным ВЧ разрядом. В то же время энергия ионов, бомбардирующих обрабатываемый материал, при безэлектродном способе возбуждения разряда составляет порядка 10 – 30 эВ и может регулироваться относительно независимо при подаче отрицательного смещения на подложкодержатель [18, 21, 40]. Это делает ЭЦР плазму привлекательным инструментом для наноразмерного анизотропного травления материалов в технологии микроэлектроники.

Существует несколько разновидностей систем возбуждения ЭЦР плазмы, которые нашли отражение в конструктивных особенностях современных плазмохимических реакторов. Наиболее распространенные из этих систем представлены на рис. 3.5. Вариант а) представляет собой реактор с удаленной зоной резонанса (на рис. – heating zone), которая находится вне рабочей камеры реактора, где располагается обрабатываемый материал. Расстояние от зоны резонанса до подложкодержателя может достигать 50 см. По направлению от зоны резонанса к подложкодержателю происходит снижение потока ионов и увеличение энергии ионов, бомбардирующих поверхность. В тех случаях, когда такое изменение параметров плазмы является нежелательным, используются реакторы системы б), в которых зона резонанса находится в пределах рабочей камеры, на расстоянии порядка 10-20 см от поверхности обрабатываемого материала.

Рис 3.5. Некоторые варианты систем возбуждения ЭЦР – плазмы

Эти конструкции ЭЦР реакторов являются базовыми, а варианты в) – г) представляют их модификации с целью оптимизации результата обработки. Так, например, при обработке материалов большой площади (например, кремниевых пластин Æ 300 мм и более) встает проблема равномерности процесса по площади. Одним из путей решения проблемы является создание условий, при которых радиальные (в плоскости, параллельной обрабатываемому материалу) распределения заряженных частиц являются как можно более плоскими, что обеспечивает равные потоки частиц на поверхность у центра и у края обрабатываемого материала. В варианте в) это достигается применением системы из 6 – 12 линейных постоянных магнитов, которые располагаются вокруг рабочей камеры реактора с чередованием полярности. В реакторе г) зона резонанса максимально приближена к подложкодержателю (close-coupled system), поэтому равномерность обработки определяется радиальной однородностью самой зоны резонанса. Последнее достигается определенным конфигурированием основной системы магнитов, которые используются для создания условий ЭЦР. И, наконец, варианты д) и е) представляют реакторы с поперечным вводом микроволновой энергии, где создается несколько зон резонанса, которые располагаются вокруг обрабатываемого материала. Такие системы получили название распределенных ЭЦР систем (distributed ECR - DECR). В заключение отметим, что все рассмотренные типы ЭЦР реакторов сохраняют преимущества безэлектродных ВЧ реакторов, то есть допускают возможность относительно независимой регулировки плотности потока и энергии ионов, бомбардирующих обрабатываемую поверхность.