ТРАНСФОРМАТОРНЫЙ ПЛАЗМАТРОН НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ ИОННО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ МАТЕРИАЛОВ
LOW PRESSURE TRANSFORMER-TYPE PLASMATRON FOR ION-PLASMA TREATMENT OF SURFACE OF MATERIALS

Изобретение относится к плазменной технике, а именно, к трансформаторным плазмотронам низкого давления, и может быть использовано в микроэлектронике для обработки полупроводниковых материалов (плазменное травление, оксидирование, очистка поверхности и т.д.), осаждения тонких пленок, в металлообработке для плазмохимического модифицирования поверхности металлов (ионно-плазменное азотирование, плазменное оксидирование и т.д.), для плазменной обработки полимерных материалов (уменьшение пористости, изменение гидрофобных свойств и т.д.).
Одной из основных проблем плазмохимических технологий является несовершенство применяемых генераторов низкотемпературной плазмы. Электродуговые плазматроны просты в эксплуатации, но имеют малый ресурс работы (~100 часов) и могут загрязнять синтезируемые вещества обрабатываемые поверхности материалов продуктами эрозии электродов. Малый ресурс работы электродов существенно ограничивает области применения дуговых плазмотронов в промышленности, поскольку непрерывность технологического процесса является одним из важнейших требований промышленного производства.
Безэлектродные индукционные плазмотроны лишены данных недостатков. К качественным характеристикам ВЧИ плазмотронов можно отнести большой ресурс работы плазмотронов, высокую чистоту получаемой плазмы, возможность получения плазмы агрессивных химических соединений.
Известно устройство - ВЧ индукционный плазмотрон [US 5938883, 17.08.1999, H05H 1/00], включающее газоразрядную металлическую камеру, внутри которой на подложке располагают обрабатываемый материал. На внешней поверхности камеры напротив подложки установлен плоский спиралевидный индуктор, который является первичной обмоткой, а безэлектродная ВЧ индукционная плазма - вторичным витком.
Известно устройство - ВЧ индукционный плазмотрон [US 20050045275, 03.03.2005, C23F 1/00], включающее две связанные диффузором камеры: газоразрядную камеру, в которой формируется плазма, и камеру больших размеров, в которой происходит обработка материалов.
Однако, стандартные ВЧ индукционные плазматроны работают в мегагерцовом диапазоне частот тока и, соответственно, требуют сложных дорогостоящих источников питания.
14
3
Решением проблем ВЧИ плазмотронов стало создание трансформаторного плазмотрона. Использование таких преимуществ трансформаторного плазмотрона, как большой ресурс работы (не ограничен процессами разрушения электродов), возможность получения больших плотностей тока разряда и, соответственно, больших концентраций ионов (до 10 см), работа в низкочастотном радиодиапазоне (~30-300 кГц) позволяет обеспечить высокую чистоту плазмы, высокую скорость протекания плазмохимических процессов, дает возможность получения плазмы агрессивных химических соединений. Снижение частоты генерации безэлектродного разряда более чем на два порядка дает ряд существенных преимуществ: упрощается конструкция источника питания, уменьшается мощность излучаемых радиопомех, улучшается согласование между нагрузкой и источником питания.
Из уровня техники известно использование трансформаторных плазмотронов в плазмохимии и металлургии для проведения различных плазмохимических процессов, например, синтеза окислов азота [RU 2022917 27.09.1989 C01B 21/24], конверсии природного газа, получения нанопорошков металлов (вольфрама, молибдена, ванадия, кремния, алюминия, серебра и др.), других веществ и их соединений (оксидов, нитридов, боридов и карбидов) [US 6994837, 2003.02.25, C01G 23/047; B01J 23/00; C01G 25/02; C01G 27/02; US 6150628, 2000, B23K 10/10; RU 2406592, 24.02.2009, B22F 9/14, B82В 3/00; RU 2414993, 20.01.2009, B22F 9/14, В82B 3/00], в процессе производства микросхем, а также в лазерной технике.
В качестве прототипа заявляемого изобретения выбрано устройство (трансформаторный плазмотрон) для обработки газов, содержащих металлы [US 8124906, 28.02.2012, B23K 10/10], включающее входной канал и выполненную из электропроводного материала и диэлектрика плазменную камеру, в которой установлен держатель для фиксирования обрабатываемого материала, трансформатор с одной или двумя окружающими часть плазменной камеры магнитными сердечниками с первичными обмотками, источник питания, выход которого электрически связан с первичной обмоткой, устройство поджига плазмы и устройство обратной связи для контроля и регулирования параметров процесса. Ток в первичной обмотке создает потенциал внутри камеры, образуя виток тороидальной плазмы, который выступает в роли вторичной обмотки трансформатора, и реагирует с газом, содержащим металл. Взаимодействие между тороидальной плазмой и газом, содержащим металл, дает один из металлических материалов, а именно, оксид металла или нитрид металла.
В указанном устройстве скорость процесса и качество обработки материалов имеют ограничения, так как при данной конструкции газоразрядной камеры невозможно добиться однородности плазмы. В указанном устройстве размер обрабатываемых материалов (деталей, заготовок) ограничен размером газоразрядной камеры, а увеличение размера газоразрядной камеры приведет к ухудшению режимных параметров процесса, к увеличению энергопотребления, к росту габаритов и веса устройства.
Задачей заявляемого изобретения является создание недорогого, компактного и энергоэффективного устройства для ионно-плазменной обработки поверхности материалов, позволяющего существенно увеличить скорость и качество процесса ионно-плазменной обработки поверхности материалов, уменьшить затраты энергии.
Поставленную задачу решают путем использования для ионно-плазменной обработки поверхности различных материалов плазмотрона трансформаторного типа низкого давления с замкнутой газоразрядной камерой особой конструкции.
При ионно-плазменной обработке поверхности различных материалов, принципиально важное значение имеет однородность плазмы. Например, при плазменном травлении полупроводниковых материалов очень важно, чтобы скорость травления во всех точках обрабатываемой заготовки была одинакова. При плазмохимическом осаждении пленок толщина и состав пленки также определяется параметрами плазмы. При ионно-плазменном азотировании твердость поверхности детали будет одинаковой только в том случае, если плазма однородна. Таким образом, в большинстве плазмохимических процессов обработки заготовок, деталей, поверхностей однородность плазмы играет принципиально важное значение. Кроме однородности плазмы, также принципиально важное значение имеет объем, занимаемый плазмой. Чем больше объем - тем большего размера детали и заготовки могут быть обработаны.
За счет выбранной конструкции разрядной камеры достигается существенное увеличение однородности и объема плазмы, что позволяет проводить процесс качественно и с большой скоростью, затрачивая при этом меньше энергии. Кроме того, при обработке изделий с одинаковым размером в заявляемом устройстве и в прототипе затраты энергии меньше в заявляемом устройстве, что достигается за счет конструктивных особенностей газоразрядной камеры заявляемого устройства.
В трансформаторном плазматроне низкого давления для ионно-плазменной обработки поверхности материалов, включающем замкнутую газоразрядную камеру с охватывающими ее часть магнитопроводами с первичными обмотками (вторичной обмоткой является плазменный виток), держатель для фиксирования обрабатываемого материала, источник питания, согласно изобретению газоразрядная камера содержит рабочую часть (рабочую камеру) для размещения обрабатываемого материала с одним или более герметично закрываемых отверстий для ввода обрабатываемого материала, и одну или более одинаковых частей (П-образных камер), каждая из которых выполнена в виде трубы П-образной формы с внутренним диаметром меньшим внутреннего диаметра рабочей камеры и длиной меньшей либо равной длине рабочей камеры, имеет систему разборных магнитопроводов с первичными обмотками, и установлена так, что вместе рабочая камера и П-образная камера образуют замкнутый путь для тока газового разряда, причем П-образные камеры расположены симметрично относительно оси рабочей камеры.
В трансформаторном плазматроне низкого давления для ионно-плазменной обработки поверхности материалов согласно изобретению рабочая камера может быть выполнена из электроизолированных одна от другой металлических секций или полностью из диэлектрического материала с пластиной из электропроводного материала, установленной внутри рабочей камеры.
П-образные камеры трансформаторного плазматрона для ионно-плазменной обработки поверхности материалов могут быть выполнены из электроизолированных одна от другой металлических секций или из диэлектрического материала.
4
2
4
2
4
3
2
6
3
4
3
4
2
2-
4
2
2
6
3
2
3
3
4
2
3
3
4
2
2
3
6
2
4
6
2
2
2
2
Заявляемое устройство можно использовать для ионно-плазменного азотирования, травления, выращивания пленок, оксидирования, очистки поверхности, обработки полимеров. Для выполнения перечисленных операций используют соответствующий рабочий газ или смесь газов. Для ионно-плазменного азотирования может использоваться как чистый азот, так и смесь азота с водородом или аммиаком. Например, для выращивания тонких пленок могут использоваться различные смеси газов: SiH+H - для выращивания пленок кремния; SiH+O - пленок диоксида кремния; SiH+NH+H - пленок нитрида кремния. Для травления различных материалов могут использоваться различные газы и смеси газов, так для травления Si можно использовать: SF+CHF; CF+CHF; CF+O, для травления SiOCF; CClF; SF+CHF, для травления Поли Si-Cl или BCl+CHF, или CCl, для травления Al-Cl; BCl, для SiN-CClF; CHF, для травления W-SF+Cl+CCl, для травления Ti-SF+Cl+O, для травления GaAs-CClF. В заявленном устройстве можно получать плазму агрессивных химических соединений, таких как кислород, хлор и фтор содержащие среды.
На фиг.1 представлена схема трансформаторного плазматрона для ионно-плазменной обработки поверхности материалов. Где: 1 - газоразрядная камера; 2 - рабочая часть газоразрядной камеры (рабочая камера); 3 - П-образная часть газоразрядной камеры (П-образная камера); 4 - магнитопроводы; 5 - первичная обмотка; 6 - низкочастотный источник питания; 7 - газовая линия; 8 - вакуумная линия; 9 - форвакуумный насос; 10 - обрабатываемый материал; 11 -держатель обрабатываемого материала; 12 - высоковольтный источник питания.
Газоразрядная камера 1 состоит из двух основных частей: рабочей камеры для размещения обрабатываемого материала (деталей, заготовок, пластин) 2 и П-образной камеры 3.
Рабочая камера 2 может иметь форму цилиндра либо другую требуемую форму. В рабочей камере предусмотрены одно или более герметично закрываемых отверстий для ввода обрабатываемого материала. П-образная камера 3 выполнена в виде трубы П-образной формы с внутренним диаметром меньшим внутреннего диаметра рабочей камеры. Длина П-образной камеры меньше либо равна длине рабочей камеры.
Комбинация рабочей камеры большого диаметра и одной или нескольких П-образных камер меньшего диамелра позволяет уменьшить энергопотребление трансформаторного плазматрона при увеличении полезного объема рабочей камеры, улучшить однородность плазмы в рабочей камере, уменьшить потери энергии в стенки камеры, уменьшить напряжение горения разряда и, соответственно, теплопотери в магнитопроводах, по сравнению с прототипом.
На П-образной камере смонтирована система разборных магнитопроводов 4 с первичными обмотками 5. Количество магнитопроводов может быть два и более. Обмотки могут быть включены параллельно, последовательно, либо в комбинации, и подключены к источнику питания 6. Вместе, рабочая камера 2 и П-образная камера 3 образуют замкнутый путь для тока газового разряда. Количество П-образных камер, каждая из которых имеет систему разборных магнитопроводов 4 с первичными обмотками 5, может быть более одной, что позволяет создавать однородную плазму. П-образные камеры расположены симметрично относительно оси рабочей камеры.
Рабочая камера 2 и П-образные камеры могут быть изготовлены из отдельных охлаждаемых водой, воздухом, или иным теплоносителем, секций из металла, например, нержавеющей стали, электрически изолированных друг от друга посредством прокладок, например, из силиконовой резины. Эти прокладки также служат для вакуумного уплотнения газоразрядной камеры.
Рабочая камера 2 и П-образные камеры могут быть изготовлены из диэлектрического материала, например кварца, что позволяет исключить электрические пробои, и, следовательно, появляется возможность использовать газы, требующие для поддержания разряда высокой напряженности электрического поля, например, газы, содержащие водород.
В случае использования рабочей камеры, изготовленной из диэлектрика, внутрь рабочей камеры устанавливают металлическую пластину, которая может быть расположена, например, напротив обрабатываемой поверхности у стенок рабочей камеры. На пластину подают положительный или отрицательный относительно обрабатываемой поверхности потенциал. Возможны и другие варианты расположения металлической пластины относительно обрабатываемой поверхности.
С помощью держателя 11 в рабочей камере фиксируют обрабатываемый материал. Держатель может быть выполнен из диэлектрического материала, например из керамики, или из электропроводного материала. Если держатель и стенки газоразрядной камеры сделаны из электропроводного материала, должна быть предусмотрена электрическая изоляция между держателем и стенками газоразрядной камеры. Конструкция держателя может предусматривать возможность подачи электрического потенциала на обрабатываемую поверхность, например, с помощью высоковольтного провода, расположенного внутри держателя. Возможны и другие варианты подачи электрического потенциала, например, если держатель сделан из электропроводного материала.
Трансформаторный плазматрон работает следующим образом.
Обрабатываемый материал 10 крепят к держателю 11. Держатель 11 вводят в газоразрядную камеру через отверстие (на фигуре не обозначено), позволяющее позиционировать материал в нужную точку газоразрядной камеры. Газоразрядную камеру 1 откачивают через вакуумную линию 8 с помощью форвакуумного насоса 9. Разряд зажигают в газоразрядной камере при пониженном давлении, от долей паскаля до нескольких мм. рт. ст. Разряд инициируют, используя низкие частоты порядка 10 - 400 кГц. Одновременно в разрядной камере устанавливают рабочее давление, соответствующее проводимому процессу. Рабочий газ подают в газоразрядную камеру через газовую линию 7. При необходимости, на обрабатываемый материал с помощью источника питания 12 подают отрицательный или положительный по отношению к стенкам газоразрядной камеры (или установленной внутрь газоразрядной камеры металлической пластины) потенциал. Процесс можно осуществлять при давлении порядка 1-1000 Па, температура нейтральных частиц в плазме может достигать нескольких тысяч кельвин, температура электронов может варьироваться от долей до десятков электрон-вольт.
Таким образом, при использовании заявляемого изобретения выполнена следующая совокупность условий:
- средство, воплощающее заявляемое изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно, в микроэлектронике (обработка полупроводниковых материалов, осаждение тонких пленок), в металлообработке для плазмохимического модифицирования поверхности металлов (ионно-плазменное азотирование, оксидирование, очистка поверхности), при обработке полимерных материалов, а также в других технологических процессах, требующих применения низкотемпературной плазмы низкого давления.
- средство, воплощающее заявляемое изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Основным преимуществом предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом является возможность получения больших объемов плазмы при высокой степени однородности плазмы. Это позволит существенно увеличить размер обрабатываемых деталей и заготовок, а также использовать установку в областях, особо критичных к однородности плазмы (обработка полупроводниковых материалов для микроэлектроники, осаждение тонких пленок).