ПЛАЗМЕННЫЙ РЕАКТОР С МАГНИТНОЙ СИСТЕМОЙ
PLASMA REACTOR WITH MAGNETIC SYSTEM

Изобретение относится к технологическим устройствам для создания изделий микроэлектроники, наноэлектроники и микромеханики.
Предложенное техническое решение может быть достаточно эффективно использовано в отдельных технологических процессах, таких как плазмохимическое прецизионное травление полупроводниковых структур с высоким разрешением и синтез сложных полупроводниковых структур, нанесение сухого фоторезиста, его дубление, проявление и удаление.
7
7
Известны устройства для плазмохимической обработки полупроводниковых подложек. Например, в техническом решении [Гомжин И.В., Лебедев Э.А., Ефремов Д.А. Устройство для плазмохимической обработки полупроводниковых пластин. Патент 2249883 Россия. МПК H01L 21/3065. Заявл. 18.07.2003] достигнуты высокие технологические результаты. Основой изобретения является плазменный реактор с индукционным возбуждением ВЧ разряда в атмосфере технологического газа. Зона генерации ВЧ плазмы отделена от зоны обработки полупроводниковой подложки. В этом устройстве достигнуты высокие скорости удаления фоторезистов (5,3 мкм/мин) с высокой однородностью по плоскости подложки. В другом решении [I.Holland, V.N.Todoroio, M.Barnes. Plasma reactor having a symmetrical parallel conductor coil antenna. Patent 6685798 USA, Int. Cl. H05H 1/100 C23C 16/00; H01J 21/00. Date of Patent: Feb.3, 2004] для равномерной обработки подложек большого размера (до 300 мм) используют индукционно связанную ВЧ плазму. Высокая равномерность обработки достигается благодаря сложной конструкции системы электродов возбуждения, которая размещена сверху плазменного реактора на диэлектрическом диске, и блока согласования с широким динамическим диапазоном изменения импедансов электродов возбуждения и ВЧ разряда в среде технологического газа. Возникновение дефектов на обрабатываемой подложке удается избежать за счет соединения столика с отдельным ВЧ генератором. Особенно это техническое решение эффективно при обработке диэлектрических и полупроводниковых подложек.
7
Наиболее близким к предложенному технологическому решению является конструкция плазменного реактора в патенте [P.K.Loewenhardt, G.Z.Vin, P.M.Salzman. Magnetically enhanced inductively coupled plasma reactor with magnetically confined plasma. Patent 6503367 USA, Int. Cl. H01L 21/00; H05H 1/00. Date of Patent: Jan.7, 2003]. В этом техническом решении использованы ВЧ разряды с емкостным и индукционным возбуждением. Емкостный электрод и электрод возбуждения размещены сверху реактора и соединены с отдельными ВЧ генераторами. Магнитная система выполнена осесимметричной на постоянных элементах и изолирует ВЧ плазму от стенок камеры и других узлов, что обеспечивает высокую чистоту плазмохимических процессов на подложке. Наряду с высокими технологическими параметрами (большая площадь, обрабатываемых подложек и высокая плотность плазмы в плоскости обработки) рассматриваемой конструкции плазменного реактора присущи существенные недостатки, а именно:
1. Система из постоянных магнитов не может обеспечить стабильность технологических параметров при изменении давления или вида технологического газа.
2. Равномерная площадь обработки подложки ограничена линейными размерами системы постоянных магнитов.
3. Ограничена возможность управления потоком заряженных частиц из ВЧ плазмы на поверхность обрабатываемой подложки.
Целью предлагаемого технического решения является усовершенствование ВЧ плазменного реактора, в котором отсутствуют указанные выше недостатки. Указанный технический результат достигается за счет того, что в плазменном реакторе, который содержит в себе вакуумную камеру со средствами откачки, системой подачи и дозирования технологических газов, с радиально симметрично закрепленными снаружи сверху электродами для возбуждения разрядов индукционным или емкостным способами, которые электрически соединены с ВЧ генераторами, столик с подложкой, который размещен осесимметрично внутри камеры и противоположно указанным выше электродам и также соединен с отдельным ВЧ генератором, и магнитную систему с целью получения высоких технологических параметров на поверхности подложки:
ц
ц
ц
ц
ц
ц
ц
ц
1. Электроды для емкостного возбуждения разряда выполнены в виде двух полых цилиндров, расположенных внутри камеры коаксиально между собой и к подложке, при этом отношение высоты внутреннего цилиндра h к его диаметру d лежит в пределах 2>h/d>0,5, а отношение диаметра внешнего цилиндра D к диаметру внутреннего цилиндра d лежит в пределах 1,6>D/d>1,2.
2. Электрод для индукционного возбуждения разряда выполнен в виде одного или нескольких осесимметричных витков, расположенных радиально симметрично относительно подложки таким образом, что их проекция на подложку находится внутри внутреннего цилиндра или как внутри, так и снаружи внутреннего цилиндра в зазоре между внутренним и внешним полыми цилиндрами.
п
ц
п
ц
3. Соотношение диаметров подложки d и внутреннего полого цилиндра d находится в пределах 2>d/d>1,2.
п
п
4. Отношение диаметра подложки d к расстоянию d между подложкой и ближним краем внутреннего полого цилиндрического электрода находится в пределах 10>d/d>1.
5. Магнитная система выполнена из соленоидальных элементов, расположенных соосно к подложке снаружи или внутри вакуумной камеры, которые питаются от источников постоянного тока с изменением величины и полярности тока.
6. Верхняя плоскость подложки расположена между двух нижних соленоидальных элементов магнитной системы.
Новыми отличительными признаками, которыми обладает заявляемое техническое решение, являются:
ц
ц
ц
ц
ц
ц
ц
ц
1. Выполнение электродов для емкостного возбуждения в виде полых цилиндров необходимых размеров, для которых отношение высоты внутреннего цилиндра h к его диаметру d лежит в пределах 2>h/d>0,5, a отношение диаметра внешнего цилиндра D к диаметру внутреннего цилиндра d лежит в пределах 1,6>D/d>1,2.
2. Форма и расположение электрода для индукционного возбуждения.
п
ц
п
ц
3. Соотношение диаметров подложки d и внутреннего полого цилиндра d, которое находится в пределах 2>d/d>1,2.
п
п
4. Отношение диаметра подложки d к расстоянию d между подложкой и ближним краем внутреннего полого цилиндрического электрода, которое находится в пределах 10>d/d>1.
5. Выполнение магнитной системы в виде соленоидальных элементов, расположенных соосно к подложке снаружи или внутри вакуумной камеры, которые питаются от источников постоянного тока с изменением величины и полярности каждого отдельно.
6. Расположение верхней плоскости подложки между двух нижних соленоидальных элементов магнитной системы.
Это обеспечивает соответствие заявляемого технического решения критерию «новизна».
Выполнение плазменного реактора с заявляемыми признаками дает возможность получить технический результат - достичь высокую равномерность обработки подложек большого диаметра (до 450 мм) при различных давлениях и видах технологических газов или их смесей.
ц
ц
ц
ц
ц
ц
ц
ц
ц
ц
ц
ц
Ограничение отношения высоты внутреннего цилиндра h к его диаметру d в пределах 2>h/d>0,5 связано с тем, что при меньших отношениях снижается плотность плазмы в емкостном разряде, что обусловлено чрезмерными потерями заряженных частиц плазмы в направлении, противоположном от подложки. При отношении h/d>2 необходимо поднимать мощность ВЧ генератора, которая требуется для поддержания определенного уровня концентрации плазмы в увеличенном объеме емкостного разряда. Ограничение отношения диаметра внешнего цилиндра D к диаметру внутреннего цилиндра d в пределах 1,6>D/d>1,2 связано с тем, что при меньших отношениях снижается плотность плазмы в емкостном разряде, что обусловлено повышенными потерями заряженных частиц плазмы на разрядные электроды. При отношениях D/d>1,6 возрастает мощность ВЧ генератора, которая требуется для поддержания необходимого уровня концентрации плазмы в увеличенном объеме емкостного разряда.
Выполнение антенны для индукционного возбуждения разряда в виде одного или нескольких осесимметричных витков, проекция которых на подложку находится внутри внутреннего цилиндра, обеспечивает управление плотностью плазмы в индукционном разряде независимо от параметров емкостного разряда для поддержания однородного радиального распределения параметров плазмы и, соответственно, для достижения равномерности обработки подложек большого диаметра. Для увеличения плотности плазмы и связанной с ней скорости обработки на периферии плазменного реактора витки антенны для индукционного возбуждения разряда размещают так, что часть из них проецируется на подложку между внутренним и внешним цилиндрами. Предпочтительным является исполнение антенны в виде одного витка, так как в этом случае минимальна величина падения ВЧ напряжения на антенне и сведена к минимуму вероятность паразитных пробоев между антенной и деталями корпуса плазменного реактора.
п
ц
п
ц
п
ц
Ограничение соотношения диаметров подложки d и внутреннего полого цилиндра d в пределах 2>d/d>1,2 связано с тем, что при меньших соотношениях возрастает мощность ВЧ генератора, которая необходима для поддержания необходимого уровня концентрации плазмы в увеличенном объеме индукционного разряда. Кроме того, в этом случае уменьшается проекция на подложку кольцевого емкостного разряда, который возбуждается между внешним и внутренним цилиндрами, и увеличивается неравномерность обработки на периферии подложки из-за уменьшения потока плазмы из этого разряда на периферию подложки. При соотношениях d/d>2, то есть при малых диаметрах внутреннего полого цилиндра (при заданном диаметре подложки), уменьшается поток плазмы из приосевого индукционного разряда, что приводит к неравномерности обработки в приосевой области подложки.
п
п
п
п
Ограничение отношения диаметра подложки d к расстоянию d между подложкой и ближним краем внутреннего полого цилиндрического электрода в пределах 10>d/d>1 связано с тем, что при отношении d/d<1, то есть при больших удалениях подложки от торца внутреннего полого цилиндра, снижается плотность ионного потока на подложку и возрастает неравномерность обработки, вызванная потерями плазмы в радиальном направлении вследствие большой дистанции дрейфа плазмы от зоны генерации в индукционном разряде к подложке. При соотношениях d/d>10 проявляется влияние кольцевой границы в пределах торца внутреннего полого цилиндра на локальное радиальное распределение плотности ионного потока и возникает кольцевая неравномерность с пониженной скоростью обработки подложки в зоне проекции торца внутреннего цилиндра на подложку.
Магнитная система плазменного реактора выполнена в виде соленоидальных элементов с возможностью изменения величины тока в них. Это позволяет оперативно управлять параметрами плазмы в емкостном и индукционном разрядах для достижения требуемой высокой равномерности обработки пластин большого диаметра при изменении вида или давления технологического газа. Изменение полярности тока в нижнем соленоидальном элементе, расположенном ниже плоскости подложки, по отношению к верхним соленоидальным элементам позволяет без смены реакционных камер переходить от режима скоростного высокоанизотропного реактивно-ионного травления к режиму высокоселективного плазмохимического травления при формировании структур интегральных схем.
Расположение верхней плоскости подложки между двумя нижними соленоидальными элементами создает условия, когда при встречном включении токов в них дополнительно увеличивается плотность плазмы в периферийной кольцевой зоне на границе подложки. Обусловлено это тем, что при таком включении этих соленоидальных элементов и при таком их расположении относительно подложки в этой области создается зона скрещенных магнитного и ВЧ электрического полей и, как следствие, у поверхности подложки на ее периферии возбуждается дополнительный ВЧ магнетронный разряд. Это позволяет существенно расширить зону однородной обработки подложки без чрезмерного увеличения диаметра реакционной камеры плазменного реактора.
Возможность осуществления изобретения и доказательство заявляемых признаков и соотношений подтверждается следующими чертежами.
Фиг.1 - Схематическое изображение плазменного реактора с магнитной системой.
Фиг.2 - Распределение индукции магнитного поля В на оси вакуумной камеры по высоте Н плазменного реактора.
+
Фиг.3 - Радиальные распределения плотности ионного тока j на подложку для различных конфигураций магнитного поля и вариантов включения ВЧ генераторов (1 - включены верхний соленоидальный элемент и ВЧ генератор, питающий электрод для индукционного возбуждения разряда, 2 - включены верхний и средний соленоидальные элементы и ВЧ генератор, который подключен к электродам для емкостного возбуждения разряда; 3 - включены средний и нижний соленоидальные элементы и ВЧ генератор, который подключен к столику; 4 - включены все соленоидальные элементы и все ВЧ генераторы.
Вариант исполнения заявляемого плазменного реактора, который не исключает другие возможные реализации, изображенный на фиг.1, включает вакуумную камеру, представляющую собой внешний полый цилиндр 1, который выполняет функции электрода для емкостного возбуждения коаксиального ВЧ разряда. К внешнему полому цилиндру 1 через изолятор 2 прикреплен внутренний полый цилиндр - электрод 3 для емкостного возбуждения коаксиального ВЧ разряда. Сверху вакуумная камера ограничена диэлектрическим окном 4, на котором расположен электрод 5 для индукционного возбуждения разряда. Возможен вариант конструкции плазменного реактора, в котором сверху вакуумная камера ограничена металлическим фланцем, а электрод для индукционного возбуждения разряда расположен внутри вакуумной камеры. Электрод 5 электрически соединен с ВЧ генератором 6. Внутренний полый цилиндр 3 электрически соединен с ВЧ генератором 7. Соосно к внешнему полому цилиндру 1 расположена магнитная система, состоящая из трех соленоидальных элементов 8, 9 и 10. Соосно к вакуумной камере внутри нее между соленоидальными элементами 9 и 10 расположена подложка 11, которая размещена на столике 12. Столик 12 присоединен к вакуумной камере через изолятор 13 и электрически соединен с ВЧ генератором 14.
п
С целью достижения высокой равномерности обработки полупроводниковых подложек фиксированного диаметра и значительного расширения технологических возможностей для обработки подложек большого диаметра (d>300 мм) нижний участок вакуумной камеры, который находится между соленоидальными элементами 9 и 10, может иметь больший диаметр, чем верхний участок камеры (на фиг.1 не показано). Вакуумная камера снабжена переходными устройствами для присоединения системы подачи и дозирования технологических газов и средств откачки (на фиг.1 не показаны).
-3
-2
+
Плазменный реактор с магнитной системой, изображенный на фиг.1, работает следующим образом. На столике 12 располагают подложку 11. С использованием средств откачки откачивают вакуумную камеру до остаточного давления не выше 10 Па. С помощью системы подачи и дозирования осуществляют напуск в вакуумную камеру технологических газов при рабочих давлениях в пределах 10-10 Па. Включают источники питания соленоидальных элементов 8, 9, 10 и устанавливают в них такие величины и полярности токов, при которых распределение индукции магнитного поля В по высоте Н плазменного реактора соответствует представленному на фиг.2. При этом значение индукции магнитного поля в максимумах распределения составляют 50-300 Гс. При значениях индукции магнитного поля <50 Гс растет неоднородность радиального распределения плотности ионного потока на подложку 11 в периферийной зоне вакуумной камеры, которая связана с уменьшением эффективности генерации плазмы в разряде с емкостным возбуждением. При значениях индукции магнитного поля, больших 300 Гс, растет неоднородность радиального распределения плотности ионного потока на подложку в центральной зоне вакуумной камеры, которая связана с уменьшением эффективности генерации плазмы в разряде с индукционным возбуждением. На выходе ВЧ генераторов 6, 7, 14 устанавливают значения ВЧ мощностей, при которых радиальное распределение плотности ионного тока j на подложку 11 соответствует представленному кривой 4 на фиг.3. Осуществляют технологический процесс обработки подложки. Контроль технологического процесса и фиксацию момента его окончания можно осуществлять с помощью одного из известных средств контроля, например, по изменению вида эмиссионного оптического спектра плазмы.
2
Применение в заявляемом плазменном реакторе с магнитной системой указанных систем возбуждения разрядов позволяет генерировать плазменные потоки большой плотности (с плотностью ионного потока на подложку до 20 мА/см) с энергией, меньшей 100 эВ, и с радиальной неоднородностью не более 2% на диаметре до 450 мм. В результате указанные особенности позволяют получить высокую скорость и равномерность обработки подложек из различных материалов. При этом во время обработки полупроводниковых подложек минимизированы дефекты на поверхности и в объеме полупроводниковых структур.