ПОДЛОЖКОДЕРЖАТЕЛЬ ДЛЯ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО ТРАВЛЕНИЯ В НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ИНДУКТИВНО-СВЯЗАННОЙ ПЛАЗМЕ

Область техники
Полезная модель относится к конструкции подложкодержателя установки плазмохимической обработки пластин из различных материалов электронной техники в низкотемпературной индуктивно-связанной плазме при пониженном давлении, а именно к установке плазмохимического травления. Процесс плазмохимического травления позволяет создавать различные структуры на поверхностях подложек, используемые в микроэлектронике.
Уровень техники
Известно устройство плазмохимического травления [RU 2529633 С1 Устройство для плазмохимического травления], состоящее из вакуумной камеры, генератора переменного напряжения высокой частоты, соединенного высокочастотным кабелем и взаимодействующего через согласующее устройство с генерирующей плазму спиральной антенной, расположенной внутри вакуумной камеры, а также из подложкодержателя с обрабатываемым изделием. При этом подложкодержатель возможно вращать посредством зубчатой передач для увеличения равномерности травления. Патент направлен на изобретение устройства плазмохимического травления, позволяющего автоматически управлять равномерностью травления, на понижение потребления мощности, а также на уменьшение габаритов устройства. Известное устройство не позволяет нагревать подложкодержатель во время проведения процесса, что является основным недостатком приведенного изобретения.
1
Для проведения контролируемого процесса травления используют различные дополнительные устройства. Например, известно устройство [US 5290381 А Plasma etching apparatus], которое позволяет проводить контролируемый процесс травления при очень низких температурах. Установка плазмохимического травления состоит из реакционной камеры, токоприемника, секции охлаждения с охлаждающей жидкостью, а также блока подачи газа в реакционную камеру. Вид охлаждающей жидкости зависит от необходимой температуры подложки во время процесса плазмохимического травления. Основным недостатком изобретения является также отсутствие возможности нагрева подложки во время проведения процесса, что позволит расширить возможности плазмохимического травления.
Известен патент [CN 100440422 С Substrate support having dynamic temperature control], в котором описано устройство, позволяющее охлаждать и нагревать подложку с помощью жидкости необходимой температуры, но нагрев с использованием жидкости является незначительным. Сложность реализации охлаждения/нагревания и невозможность получения высоких температур подложки являются основными недостатками известного изобретения.
В патенте [KR 100707996 В1 Wafer chucking for plasma process apparatus] предложена конструкция подложкодержателя, состоящая из двух частей: верхняя - на которой расположена обрабатываемая пластина, нижняя - на которой возможно расположить несколько подложек. Верхняя часть изготовлена из тефлона для того, чтобы уменьшить поток нежелательного тепла, которое образуется во время процесса плазмохимического травления. Известная конструкция позволяет минимизировать тепловой поток, генерируемый в краевой области подложки во время процесса плазмохимического процесса, и увеличивать селективность травления, но не позволяет проводить процесс травления с контролируемой повышенной температурой подложки.
Известен патент [US 4615755 A Wafer cooling and temperature control for a plasma etching system], который решает недостатки приведенных выше изобретений. Система травления состоит из реакционной камеры, включающей в себя два электрода. Подложка располагается на одном из электродов, который называется зажимным электродом. Нагрев или охлаждение подложки осуществляется посредством подачи сжатого газа между пластиной и зажимным электродом с помощью круглой распределительной канавки. Недостатками этого изобретения являются сложность конструкции устройства, а также изменение состава плазмы при проведении процесса травления, так как напуск охлаждающего/нагревающего газа осуществляется одновременно с плазмообразующим рабочим газом. Можно выделить еще один основной недостаток изобретения, который заключается в ограниченном узком диапазоне регулируемой температуры, обусловленный также использованием различных газов в качестве охлаждения/нагрева подложки во время процесса травления, так как передача тепла зависит от коэффициентов аккомодации энергии на поверхности молекул, а также от значений теплопроводности.
Прототипом предложенного изобретения является патент [US 6951587 В1 Ceramic heater system and substrate processing apparatus having the same installed therein]. В патенте предложен вариант конструкции нагревательного элемента, который представляет собой керамическое дискообразное основание, в котором в виде змеевика установлен резистивный элемент, подключенный к источнику питания, также в основании нагревателя предусмотрен канал для жидкости. Жидкость используется для быстрого нагрева и охлаждения. Основная часть изобретения относится к процессам химического осаждения пленок из газовой фазы и плазмостимулированному химическому осаждению из газовой фазы, но также может быть применимо и для некоторых процессов травления. Недостатком данного изобретения является отсутствие коррозионностойкого корпуса с максимально возможной теплопроводностью для нагревательной системы в условиях плазменных процессов с применением агрессивных газов. Для процессов травления ключевым является контроль температуры подложки, а в данном патенте не отмечено расположение термопары, положение которой должно обеспечивать контроль температуры непосредственно подложкодержателя, а не нагревательного элемента, а также термопара должна быть вынесена из реактивной зоны во избежание внесения электрических помех и загрязнений во время плазменных процессов как осаждения, так и травления.
Техническая проблема, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, заключается в увеличении скоростей травления пластин, изготовленных из различных материалов электронной техники, обеспечение процесса плазмохимического травления с измерением температуры подложкодержателя с высокой точностью без внесения помех и загрязнений от термопары, а также в совмещении операций плазмохимического травления и полировки пластин в единый технологический процесс, получая при этом поверхности с низкой шероховатостью.
Раскрытие сущности изобретения
Решение указанной технической проблемы достигается тем, что равномерный нагрев подложкодержателя до определенных температур позволяет совместить операции плазмохимического травления и полировки пластин в единый технологический процесс [Способ обработки поверхности пластин карбида кремния в низкотемпературной индуктивно-связанной плазме RU 2708812 С1], а также увеличить скорость травления различных материалов в низкотемпературной индуктивно-связанной плазме. Технический результат достигается созданием подложкодержателя со стальным корпусом, в котором расположены термопара и нагревательный элемент, температура которого может достигать 1273 К. В качестве материала нагревателя используется нихромовая проволока марки Х20Н80 диаметром 0.5 мм. Отрезок проволоки длиной 7.7 м свит в спираль длиной 38 см с диаметром витка 3.6 мм. Изготовленная таким образом нагревательная спираль, укладывается в пазы керамической формы шириной 4 мм и глубиной 8 мм. Нагревательный элемент монтируется в корпус подложкодержателя. Объем внутри подложкодержателя находится при атмосферном давлении. В качестве материала изоляции используется каолиновая вата марки МКРР-130, расположенная под керамической формой и по ее периметру. Схематичное изображение модели конструкции подложкодержателя с нагревательным элементом приведена на фиг.1. Под цифрой 1 обозначена хромель-алюмелевая термопара, расположенная в непосредственной близости от нижней плоскости верхней крышки подложкодержателя, которая позволяет контролировать температуру нагреваемой поверхности, а не температуру нагревательного элемента. Конструкция подложкодержателя позволяет перемещать термопару по высоте, таким образом, при необходимости возможно измерение температуры нагревательного элемента. Цифрой 2 обозначена керамическая форма, в которой размещается нагреватель в разрезе; 3 - стальной корпус подложкодержателя.
Внешний вид предложенного подложкодержателя приведен на фиг.2. Общая высота подложкодержателя составляет 795 мм, диаметр нагреваемой поверхности составляет 110 мм, длина опоры равна 750 мм. Подложкодержатель выполнен из нержавеющей стали марки 12Х18Н10, что позволяет использовать его при проведении плазменных процессов в среде агрессивных газов. Нержавеющая сталь обладает теплопроводностью в несколько раз выше теплопроводности керамики, что обеспечивает более высокую скорость передачи тепла от нагревательного элемента к подложке. Корпус подложкодержателя имеет полностью сварную конструкцию, что обеспечивает абсолютную герметичность, так как не имеется винтовых и каких-либо других соединений.
Подложкодержатель монтируется в реакционную камеру, как показано на фиг. 3. Для сохранения внутри реакционной камеры необходимого вакуума, подложкодержатель монтируется с помощью уплотнения Вильсона, приваренного к нижней части реактора. Контроль температуры осуществляется с помощью хромель-алюмелевой термопары. Термопара вводится в зону измерения через полую ножку подложкодержателя и далее, через центральное отверстие в керамической форме нагревательного элемента.
Пример 1
Пластину из монокристаллического ниобата лития (z-срез) толщиной 370 мкм с металлической маской из Cu-Cr-Ni пленки толщиной 7 мкм, в которой были созданы окна размером 3×10 мм плотно крепят к поверхности столика и после герметизации реактора проводят откачку внутреннего объема до давления Р=0,75 Па. Затем осуществляют нагрев подложки до заданной температуры, по окончании которого поверхность пластины обрабатывают в аргоновой плазме в течение 10 минут (расход Аг=21,75 seem, давление=0,7 Па, ВЧ мощность=750 Вт, потенциал смещения 25 В) с целью ее очистки от нежелательных загрязнений. Затем осуществляют процесс плазмохимического травления при следующих параметрах: мощность ВЧ, расход SF6, расход Ог, потенциал смещения и * давление во всех экспериментах фиксированы и равны 700 Вт, 10.15 seem, 3.0 seem, -50 В и 0,75 Па, соответственно. Время травления составляет 10 мин, а диапазон изменения температуры подложки равно [373; 598] К. По окончании процесса осуществляют отключение всех систем и перекрытие всех газовых магистралей. С целью удаления продуктов реакции, образовавшихся после процесса ПХТ, в течение 10 минут проводят откачку реактора. Выгрузку образца осуществляют после напуска воздуха в камеру. Скорость травления материалов рассчитывается, исходя из глубины профиля травления, достигаемой за определенное время.
Зависимость скорости травления от температуры подложкодержателя имеет сложный характер с относительно широким интервалом температур, в пределах которого изменение температуры дает существенный выигрыш в скорости травления. Зависимость может быть разделена на три участка в соответствии с поведением скорости травления. На первом участке (373-423 К) изменение температуры подложки на 50 градусов дает очень незначительное увеличение скорости травления на 31 нм/мин по отношению к скорости травления при комнатной температуре. Затем следует второй участок (423-523 К), где термическая стимуляция процесса травления дает ощутимое увеличение скорости травления. На этом участке скорость травления возрастает практически линейно с ростом температуры и разность скоростей на граничных значениях температуры достигает 615 нм/мин. При еще более высоких температурах подложки (третий участок, интервал 523-598 К), величина приращения скорости травления как функции температуры резко уменьшается и увеличение температуры от 523 до 598 К приводит к росту скорости только на 101 нм/мин. В итоге, максимальная скорость травления в экспериментах составила 812 нм/мин (Т равна 598 К). Список документов, цитируемых в отчете о поиске:
RU 2529633 C1; US 5290381 A; CN 100440422 С; KR 100707996 B1, US 6951587 В1.