УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Полезная модель относится к технологии производства изделии электронной техники, в частности к устройствам для травления тонких пленок микроэлектроники и может быть использовано при изготовлении БИС и СБИС.
Известно устройство для ионно-плазменной обработки материалов при производстве интегральных схем, которое содержит вакуумную камеру, выполненную в виде прямоугольного параллелепипеда и пристыкованной к нему другой камеры цилиндрической формы. В прямоугольной камере расположены высоковакуумный электрод с отверстием размер, которого превышает диаметр отверстия в другом плоском промежуточном электроде, размещенном параллельно первому электроду. В этой же камере размещен на противоположном ее торце еще дополнительный электрод. В цилиндрической камере находится подложкодержатель обрабатываемого изделия. Другой электрод и подложкодержатель подключены к независимым источникам. Вакуумная камера охвачена двумя группами индуктивных катушек. Данная конструкция обеспечивает локализацию высокочастотного разряда параметрами оптимальными для генерации химически активных нейтральных радикалов, но она не предусматривает возможность автоматической загрузки и выгрузки обрабатываемых изделий, а следовательно применение этого устройства в условиях серийного или массового производства полупроводниковых изделий будет затруднено, а проблема уменьшения степени загрязнения обрабатываемого изделия продуктами распыления электродов разрядной камеры полностью не устранена (см. Патент РФ №1723956 H01L 21/302, опубликован 20.10.1995 г.). Поэтому для осуществления автоматизации загрузки и выгрузки обрабатываемых изделий в устройствах подобного типа разделяют зону обработки и зону их загрузки, при этом вводится устройство для подъема электрода и, вместе с этим, возникает задача герметизации подвижного электрода, которая решается введением сильфонного ввода движения (см. Патент США №6633196 С23С 16/00, опубликован 06.01.2004 г.). Указанное устройство содержит корпус, разделенный на две камеры, из которых одна вакуумная с системой газонапуска предназначенная для проведения плазмохимической обработки, а вторая - для загрузки и выгрузки обрабатываемых изделий. Устройство также снабжено подвижным охлаждаемым ВЧ-электродом с токовводом изолированным от корпуса. Для обеспечения герметизации подвижного ВЧ-электрода, на котором размещается обрабатываемое изделие, он имеет сильфонный ввод его движения, изолированный с зазором от внешней среды.
Рассматриваемое устройство имеет следующие недостатки. Во-первых, задача автоматизации загрузки изделий принципиально так и осталась нерешенной, а во-вторых, из-за имеющихся зазоров между подвижным ВЧ-электродом и корпусом, а также между ограждением сильфона, на поверхности последнего накапливаются постепенно продукты реакции, которые воздействуя на обрабатываемые изделия, делают результаты обработки непредсказуемыми.
Для автоматизированной загрузки реактора устройства плазмохимической обработки с помощью специального манипулятора нижний ВЧ-электрод снабжают тремя подвижными штырями, на которые укладывают изделия при загрузке (см. Патент США №4624728, В44В 1/22, заявлен 11.06.1985 г.). Но при реализации этого принципа загрузки реактора требуется для подъема и опускания штырей наличие отдельного их привода и при этом необходимо указанные штыри герметизировать, или хотя бы шток, который их перемещает и располагается по центру электрода. Кроме того, в центр электрода необходимо подать высокочастотный потенциал для равномерного распределения высокочастотного поля по электроду, а соответственно для равномерного травления по всей площади электрода. Так же к электроду необходимо подавать жидкость для охлаждения или его термостатирования. Электрод должен быть изолирован от всех механизмов, соприкасающихся с ним. Это необходимо как с точки зрения техники безопасности, так и для экономии электроэнергии и применяемых реагентов, а также для обеспечения равномерности травления. В автоматизированных системах плазмохимической обработки материалов эти проблемы частично решаются тем, что механизм подъема штырей располагают по периферии электрода, подальше от центра, освобождая место для сильфонного ввода подъемника электрода, в центральной части которого располагаются каналы для охлаждающей жидкости и проводник для ВЧ-потенциала, как это примерно схематично выполнено в техническом решении по патенту США №6439244, В08В 6/00, опубликован 27.08.2002 г., которое выбрано в качестве прототипа. Это устройство включает в свой состав корпус вакуумной камеры с системами плазмообразования загрузки, напуска газа и откачки, находящийся в вакуумной камере высокочастотный со штоком электрод, электрод с тремя боковыми токоподводами, имеющий привод перемещения, а также герметизирующий от внешней среды ввод штока в вакуумную камеру сильфон, находящийся на опорной плите, и подъемные с приводом штыри, проходящие через электрод с аналогично установленным на фланце сильфоном. Но и это устройство не лишено свойственных ему недостатков, и в частности, расположение сильфонного узла внутри камеры приводит к тому, что развитая поверхность сильфона интенсивно собирает все продукты реакции всю грязь, а потом отдает ее в процессе обработки изделия, делая результаты процесса совершенно непредсказуемыми. Кроме того, чистка электрода вместе с сильфонным узлом, требующая его разборки, весьма затруднительна из-за его конструкции, в силу чего после нескольких разборок и сборок происходит его механическая поломка. Все это делает конструкцию ненадежной и неудобной в эксплуатации.
Задача по устранению недостатков прототипа решается путем выполнения иной компоновки приводов электрода и подъемных штырей с сильфонными узлами относительно вакуумной камеры.
Технический эффект - снижение степени загрязнения обрабатываемого изделия, упрощение ремонта и обслуживания устройства обеспечивается тем, что приводы высокочастотного электрода (далее электрод) и подъемных штырей с сильфонами установлены вне вакуумной камеры. При этом привод электрода выполнен в виде двух неподвижно установленных на опорной плите,жестко скрепленной со штоком электрода, пневмоцилиндров, штоки которых подвижно соединены с корпусом вакуумной камеры. Сильфонный узел этого привода размещен на прижимном фланце, также соединенном противоположным фланцем с корпусом вакуумной камеры. К числу отличий устройства следует отнести и то, что фланец с размещенным сильфонным узлом соединен со штоком электрода разъемным уплотнением. Качественную работоспособность устройства обеспечивает установка пневмоцилиндров параллельно и симметрично относительно штока электрода, при этом их штоки закреплены с помощью фланцев с плавающими головками к корпусу вакуумной камеры, а также и то, что штоки приводов движения электрода и подъемных штырей установлены в подшипниках скольжения, смонтированных на корпусе вакуумной камеры. А чтобы подъемные штыри без заедания проходили через отверстия электрода, втулки отверстий выполнены из антифрикционного материала. Способствует достижению технического эффекта и выполненная система плазмообразования, которая состоит из заземленного корпуса вакуумной камеры и потенциального высокочастотного электрода.
Предложенное в качестве полезной модели техническое решение «Устройство для плазмохимической обработки» является новым, поскольку совокупность признаков ее формулы в источниках информации, в том числе и патентных, известных заявителю не была обнаружена.
Применимость полезной модели в промышленности не вызывает сомнения, в виду того, что уже разработана конструкторская документация, находится в сборке первый опытный образец. Который после испытаний будет передан на предприятие производящее изделия электронной промышленности.
Полезная модель проиллюстрирована чертежами, где на фиг.1 показан
общий вид устройства, на фиг.2 изображен разрез по А-А на фиг.1, а на фиг. 3 - разрез по Б-Б на фиг.2.
Устройство для плазмохимической обработки содержит корпус 1 вакуумной камеры 2, системы 3, 4 и 5, соответственно, загрузки, напуска газа и откачки полученных газообразных продуктов обработки изделия 6, охлаждаемый высокочастотный электрод 7 (далее электрод), находящийся в камере 2 с штоком 8, жестко соединенным с опорной заземленной плитой 9, на которой неподвижно закреплены два пневмоцилиндра 10, штоки 11 которых присоединены к заземленному корпусу 1 вакуумной камеры 2 с помощью фланцев 12 с плавающей головкой 13, герметизирующий от внешней среды ввод штока 8 в вакуумную камеру 2 сильфонный узел 14, размещенный неподвижно на прижимном фланце 15 и прикрепленный противоположным фланцем 42 к корпусу 1 вакуумной камеры 2. Прижимной фланец 15 соединен со штоком 8 электрода 7 разъемным уплотнением 16 и имеет возможность возвратно-поступательного перемещения относительно камеры 2 совместно со штоком 8. Устройство также имеет, проходящие через электрод, три подъемных штыря 17, поднимающих обрабатываемое изделие 6, которые установлены в камере 2 на общем опорном фланце 18, снабжены штоком 19, ввод которого также загерметизирован сильфонным узлом 20. Штоки 8 и 19 приводов движения электрода 7 и подъемных штырей 17 установленных в подшипниках скольжения 21 и 22. Для обеспечения устойчивой работы устройства пневмоцилиндры 10 установлены на опорной плите 9 симметрично и параллельно относительно штока 8 электрода 7. Для обеспечения этой же цели служат и втулки 23, выполненные из антифрикционного материала отличающегося малыми потерями ВЧ-поля (например, использован фторопласт), максимально стимулирующего прохождение подъемных штырей 17 через электрод 7 при загрузке в камеру 2 обрабатываемого изделия 6. Система 3 загрузки изделия 6 в камеру 2 представляет собой манипулятор 24 с захватом, доставляющим через загрузочное окно 25, в зону обработки, например, полупроводниковую пластину. Системы 4 и 5 газонапуска и откачки как обеспечивающие только функционирование устройства и не принадлежащее собственно к его конструкции на фиг.1, 2, 3 не показаны. Газ в камеру 2 вводится через патрубок 26, установленный на крышке 27, имеющей рассеиватель 28, предназначенный для равномерной его подачи в зону обработки на электрод 7. Охлаждение электрода 7 осуществляется с помощью жидкого теплоносителя, например, деионизованной воды с удельным сопротивлением 1 Мом·см, который подается в его каналы 29 по трубе 30 и выводится трубой 31. К электроду 7 подведен высокочастотный токоввод 32, помещенный в изолятор 37, а сам электрод 7 заключен в заземленный экран 33, от которого отделен изолятором 34. На верхней же его поверхности находится предохраняющая от воздействия плазмы теплопроводная плита 35, на которой установлено центрирующее кольцо 36, не допускающее смещения изделия 6 в процессе подъема электрода 7 и обработки его в плазме. Изолятор 38 электрически отделяет шток 8 от электрода 7, а заземленный шток 8 и экран 33 соединены между собой проводником 39. Электрод 7 подключен через токоввод 32 к высокочастотному генератору 40. Затвор 41 обеспечивает герметичность камеры 2 в целом.
Устройство для плазмохимической обработки работает следующим образом.
Через загрузочное окно 25 камеры 2 с помощью манипулятора 24 изделие 6 размещается над электродом 7. Подъемные штыри 17, имеющие возможность самоустанавливаться в пазах опорного фланца 18, выдвигаются штоком 19 через втулки 23 и поднимают изделие 6 над охватом манипулятора 24. Манипулятор 24 выдвигается за пределы камеры 2 на исходную позицию, затвор 41 закрывается, обеспечивая герметизацию камеры 2 в целом. Электрод 7 штоками 11 пневмоцилиндров 10 вместе с опорной плитой 9 и штоком 8 двигается вверх, снимая изделие 6 с подъемных штырей 17. Величина подъема штырей 17 задается ходом штока 19. Наличие подъемных штырей 17 дает возможность обрабатывать изделие 6 как в верхнем, так и в нижнем положении электрода 7. Через систему откачки 5 вакуумным насосом производят откачку вакуумной камеры до заданного давления порядка 1-2 Па, затем через систему 4 напуска газа, т.е. через патрубок 26 рассекатель 28 крышки 27 осуществляют напуск рабочего газа в камеру 2 до давления 6-10 Па. На высокочастотный токоввод 32 подается высокочастотное напряжение частотой 13,56 МГц и на электроде 7 возникает высокочастотный потенциал, а в межэлектродном пространстве возникает плазма, и изделие подвергается травлению. Заземленный экран 33 препятствует возбуждению плазмы на периферии электрода 7, кроме лицевой стороны, на которой и находится обрабатываемое изделие 6. Вместе с движущимися по подшипникам скольжения 21 и 22 штоками 8 и 19 перемещаются на опорной плите 9 и на опорном фланце 18 сильфонные узлы 14 и 20, обеспечивая надежную герметизацию камеры 2. Электрод 7 термостабилизируют, подавая в его каналы 29 деионизованную воду по трубе 30 и выводя ее по трубе 31. Деионизованная вода должна иметь сопротивление не ниже 1 Мом·cм. Для повышения надежности работы устройства высокочастотный токоввод 32 помещен в изолятор 37, выполненный, например, из фторопласта, наружный диаметр которого выбирается таким, чтобы волновое сопротивление токоввода 32 было в пределах 50 Ом, и поступающая высокочастотная энергия не нагревала бы этот токоввод, разрушая резиновые уплотнения, а поступала бы к электроду 7 с минимальными потерями для эффективного проведения техпроцесса. После выполнения операции обработки изделия 6 работа устройства осуществляется в обратном порядке, т.е. известным образом штыри 17 поднимают обработанное изделие над электродом 7, который предварительно был опущен на исходную позицию, открывается затвор 41 и изделие манипулятором извлекается из вакуумной камеры 2 и цикл обработки повторяется вновь.
Предлагаемое устройство позволяет обеспечить более высокую степень чистоты процесса плазмохимического травления, за счет снижения загрязнения обрабатываемого изделия продуктами реакции и повышение надежности при эксплуатации.
Информационные источники, принятые во внимание при оформлении заявки на полезную модель.
1. Патент РФ на полезную модель №90261 H01L 21/3065. Опубликован 21.12.2008 г.
2. Патент РФ на изобретение №2249883 H01L 21/3065, опубликован 10.04.2005 г.
3. Патент РФ на изобретение №2332749 H01L 21/3065, опубликован 27.08.2008 г.
4. Патент РФ на изобретение №2368032 H01L 21/3065, опубликован 20.09.2009 г.
5. В.Ю.Киреев, Б.С.Данилин, В.И.Кузнецов. Плазмохимическое и ионно-химическое травление микроструктур. М., «Радио и Связь», 1983 г., 126 с.
6. Авторское свидетельство №1222175 Н05Н 1/00, H01L 21/3065, опубликовано 10.04.2004 г.
7. Заявка Японии №62-222640 С23С 15/00, опубликована 1987 г.
8. Заявка США на изобретение №2004/0027781 А1, опубликована 12.02.2004 г.