Способ ионно-плазменной обработки крупномасштабных подложек
METHOD FOR ION-PLASMA TREATMENT OF LARGE-SCALE SUBSTRATES

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к источникам индуктивно-связанной плазмы, и может быть использовано для осуществления широкого спектра ионно-плазменных процессов на поверхности полупроводниковых, металлических и диэлектрических подложек: плазмохимической модификации, реактивного ионного травления, плазмохимического осаждения из газовой фазы, ионной имплантации, распыления и других ионно-плазменных процессов, реализуемых с помощью источников индуктивно-связанной плазмы.
Известно газоразрядное устройство - высокочастотный источник индуктивно-связанной плазмы [US 5938883, 17.08.1999, H05H 1/00], включающий: металлическую газоразрядную камеру с диэлектрической стенкой, плоскую спиралевидную антенну, расположенную на внешней стороне диэлектрической стенки, и обрабатываемую подложку, расположенную внутри газоразрядной камеры напротив антенны. Высокочастотное магнитное поле антенны проникает сквозь диэлектрическую стенку в газоразрядную камеру и индуцирует переменное электрическое поле, обеспечивающее генерацию плазмы непосредственно над обрабатываемой подложкой.
Известен альтернативный способ ионно-плазменной обработки [US 20050045275, 03.03.2005, C23F 1/00] с помощью устройства, включающего: высокочастотный источник индуктивно связанной плазмы с диффузором и камеру ионно-плазменной обработки с размещенной подложкой. Плазмообразующие газы вводятся в высокочастотный источник индуктивно-связанной плазмы, поток генерируемой плазмы истекает из источника через диффузор в откачиваемую камеру ионно-плазменной обработки.
Вышеупомянутые устройства ионно-плазменной обработки подложек, а также другие аналогичные газоразрядные устройства на основе высокочастотных источников индуктивно-связанной плазмы обладают рядом физических ограничений, подробно описанных в научных публикациях (например, в обзоре [Valery Godyak. Ferromagnetic enhanced inductive plasma sources // Journal of Physics D: Applied Physics. 2013. V. 46. 283001]). К числу данных ограничений относятся плохая магнитная и существенная емкостная связи между индуктором и плазмой. Плохая магнитная связь между индуктором и плазмой приводит к существенному снижению коэффициента мощности индукционного газоразрядного устройства, что значительно усложняет задачу согласования источника питания и нагрузки (газового разряда), снижает КПД газоразрядного устройства. Наличие емкостной связи между витками индуктора и плазмой вызывает ионную бомбардировку стенок газоразрядной камеры и, как следствие, распыление материала стенки и загрязнение плазмы. Вышеупомянутые ограничения существенно усложняют задачу масштабирования источников индуктивно-связанной плазмы для обработки крупномасштабных подложек.
Известно, что введение замкнутого ферромагнитного сердечника в магнитную цепь источника индуктивно-связанной плазмы существенно улучшает его характеристики [Valery Godyak. Ferromagnetic enhanced inductive plasma sources // Journal of Physics D: Applied Physics. 2013. V. 46. 283001]. Концентрация магнитного потока в ферромагнитном сердечнике улучшает магнитную связь между индуктором и плазмой, повышает коэффициент мощности газоразрядного устройства, упрощает задачу согласования источника питания и нагрузки, повышает КПД источника плазмы. Усиление плотности магнитного потока в ферромагнитном сердечнике позволяет понизить частоту тока индукционного разряда на два порядка, с частот мегагерцового диапазона (~1-10 МГц) до частот килогерцового диапазона (~10-100 кГц). Существенное снижение частоты генерации индуктивно-связанной плазмы позволяет устранить нежелательную емкостную связь между индуктором и плазмой, упростить конструкцию источника питания. Вышеуказанные преимущества индукционных разрядов с ферромагнитным усилением обуславливают перспективы их использования при создании газоразрядных устройств крупномасштабной ионно-плазменной обработки.
Из уровня техники известны различные варианты применения индукционных разрядов с ферромагнитным усилением для осуществления процессов ионно-плазменной обработки подложек, различающиеся между собой конструкцией газоразрядной камеры, ферромагнитных сердечников, индуктора и подложкодержателя: [US6755150, 29.06.2004, C23C 16/00; US20120212136, 23.08.2012, H01J37/32; US7166816, 23.01.2007, B23K10/00; US20140062285, 06.03.2014, H05H7/04; KR20160049635, 29.11.2016, H05H1/46; KR20170133995, 06.12.2017, H01J37/321; KR20040075122, 08.08.2005, H01J37/321; KR20180001799, 05.01.2018, H01J37/321; KR101336796, 04.12.2013, H01J37/32899; KR100845912, 11.07.2008, H01J37/3211; US20040226658, 18.11.2004, H01J37/32431; KR20090083253, 06.09.2010, H01J37/3244; US8169148, 01.05.2012, H01J37/32165].
В качестве прототипа заявляемого изобретения выбрано газоразрядное устройство [KR101660830, 29.09.2016, H01J37/3211]. Данное устройство включает в себя устройство для генерации плазмы, совмещенное с устройством для ионно-плазменной обработки подложек. В свою очередь, устройство для генерации плазмы состоит из: рабочей камеры, ВЧ индуктора, расположенного над центральной частью рабочей камеры, и нескольких источников индуктивно-связанной плазмы с ферромагнитным усилением, расположенных по периферии рабочей камеры. Источники индуктивно-связанной плазмы с ферромагнитным усилением представляют собой П-образные газоразрядные трубки, открытые торцы которых соединены с боковой стенкой рабочей камеры, образуя единую газоразрядную камеру. Каждая П-образная газоразрядная трубка имеет ввод рабочего (плазмообразующего) газа и замкнутый ферритовый сердечник, охватывающий сечение трубки. На каждом ферритовом сердечнике намотана первичная обмотка, подключенная к источнику питания №1. Высокочастотный индуктор устройства для генерации плазмы подключен к источнику питания №2.
В патенте KR101660830 заявлено, что рабочий плазмообразующий газ, подаваемый в П-образные трубки, активируется ферромагнитно-усиленными индукционными разрядами и истекает через открытые торцы трубок в рабочую камеру. С помощью высокочастотного индуктора, происходит дополнительная активация рабочего газа в центральной части рабочей камеры. Совместное действие периферийных ферромагнитно-усиленных индукционных разрядов и центрального высокочастотного индукционного разряда создает возможность управления радиальным профилем плотности плазмы, с целью получения больших объемов однородной плазмы для обработки крупномасштабных подложек (в частности, диаметром 450 мм). Управление профилем плотности плазмы в газоразрядной камере достигается путем варьирования мощностей источников питания №1 и №2. Работоспособность данного способа получения больших объемов однородной плазмы подтверждена экспериментальными исследованиями, выполненными при использовании в качестве рабочего газа аргона [Hyun Jun Kim et al. On uniform plasma generation for the large area plasma processing in intermediate pressures // Journal of Applied Physics V. 117, 153302 (2015)].
b
Известно, что большинство используемых в плазмохимических технологиях молекулярных газов (например, тетрафторид углерода, хлор) характеризуются весьма высокими значениями напряженности электрического поля индукционного разряда, на порядок и более превосходящих напряженность электрического поля индукционного разряда в аргоне (~1 В/см). Также известно, что в соответствии с формулой Штейнмеца тепловые потери в сердечнике на гистерезис растут как P ~ U, где U - напряжение на сердечнике в пересчете на единичный виток, показатель степени b для различных ферромагнитных материалов лежит в диапазоне 2 - 3. Таким образом, добавка молекулярного газа напрямую в П-образную газоразрядную трубку может привести к существенному росту напряжения ферромагнитно-усиленного разряда U и как следствие к резкому (на порядки) увеличению тепловых потерь в ферромагнитных сердечниках и снижению КПД вышеописанного газоразрядного устройства до неприемлемо низких значений.
Применение высокочастотного индукционного разряда для управления параметрами плазмы в рабочей камере также снижает эффективность данного газоразрядного устройства, ввиду низкого коэффициента мощности высокочастотных индукционных разрядов. Кроме того, при использовании высокочастотного индукционного разряда усиливается нежелательная ионная бомбардировка стенок рабочей камеры, ввиду наличия емкостной связи между витками высокочастотного индуктора и плазмы.
Задачей заявляемого изобретения является создание способа ионно-плазменной обработки крупномасштабных подложек, позволяющего увеличить коэффициент полезного действия (КПД) и уменьшить тепловые потери газоразрядного устройства, а также минимизировать емкостную связь между индуктором газоразрядного устройства и плазмой.
Поставленная задача решается тем, что в способе ионно-плазменной обработки крупномасштабных подложек, при котором рабочий плазмообразующий газ, подаваемый в П-образные газоразрядные трубки, активируется ферромагнитно-усиленными индукционными разрядами, при этом для управления параметрами плазмы в рабочей камере осуществляют дополнительную активацию рабочего плазмообразующего газа в центральной части рабочей камеры,  согласно изобретению, молекулярный газ (либо смесь молекулярных газов с инертным газом) вводят в рабочую камеру напрямую, при одновременном вводе инертного газа в рабочую камеру через П-образные газоразрядные трубки, при этом дополнительную активацию рабочего плазмообразующего газа в центральной части рабочей камеры осуществляют путем использования ферромагнитно-усиленных индукционных разрядов.
Поставленную задачу решают путем использования распределенного индукционного разряда с ферромагнитным усилением магнитной связи между индуктором и плазмой, совместно с системой раздельного ввода плазмообразующих газов в рабочую камеру. В заявляемом способе, плазма в рабочей камере формируется за счет одновременного действия нескольких источников индуктивно-связанной плазмы с ферромагнитным усилением магнитной связи между индуктором и плазмой. При этом управление радиальным профилем плотности плазмы в рабочей камере осуществляется за счет регулирования мощности отдельных источников плазмы. Использование распределенного принципа генерации газового разряда позволяет получить большой объем плазмы и достичь требуемую степень однородности плазмы в рабочей камере, необходимую для достижения равномерной скорости протекания ионно-плазменного процесса на всей поверхности обрабатываемой подложки. При этом использование в качестве источников ионов и химически активных частиц ферромагнитно-усиленных индукционных разрядов позволяет максимизировать коэффициент мощности устройства и минимизировать нежелательную емкостную связь между витками индуктора и плазмой. Высокая эффективность достигается за счет раздельного ввода плазмообразующих газов. В заявляемом способе предусмотрен ввод молекулярного газа (например, тетрафторида углерода, хлора) напрямую в рабочую камеру, при одновременном вводе инертного газа (например, аргона) в П-образные газоразрядные трубки. В отличие от прототипа, в заявляемом способе ионно-плазменной обработки крупномасштабных подложек высокочастотные индукционные разряды не используются для управления радиальным распределением параметров плазмы в рабочей камере.  Управление параметрами плазмы в рабочей камере осуществляют путем замены вспомогательных высокочастотных индукционных разрядов на ферромагнитно-усиленные индукционные разряды.
Известно, что при проведении плазмохимических процессов в настоящее время активно применяются смеси инертного (например, аргона) и молекулярного (например, тетрафторида углерода, хлора) газов, для улучшения показателей процесса. Например, добавка аргона к хлору позволяет стабилизировать газовый разряд и повысить показатель анизотропии травления [Ефремов А.М., Светцов В.И. Неравновесная плазма хлора: - свойства и применение. -М.: Физматлит, 2012]. В прототипе все используемые плазмообразующие газы, независимо от их химического состава, вводятся напрямую в П-образные газоразрядные трубки. Этот способ подачи плазмообразующих газов хорошо работает при использовании чистых инертных газов, однако даже малая добавка молекулярного газа (например, хлора) в аргон приводит к росту напряженности электрического поля разряда и соответственно к резкому росту тепловых потерь в ферромагнитных сердечниках. В заявляемом способе предложен принципиально иной подход к вводу плазмообразующих газов. В отличие от прототипа, в заявляемом способе в П-образные газоразрядные трубки вводится только инертный газ (например, аргон).
При раздельном вводе инертного и молекулярного газов поток инертного газа вытесняет молекулярный газ из газоразрядных трубок в рабочую камеру [M. Isupov et al. Distributed Ferromagnetic Enhanced Inductively Coupled Plasma for Large-Scale Plasma Processing // Proceedings of 7th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE). 2020. pp. 496-500]. Таким образом, внутри газоразрядных трубок разряд горит в атмосфере инертного газа и характеризуется относительно низкой напряженностью электрического поля. Внутри рабочей камеры разряд горит в смеси инертного и молекулярного газов и характеризуется относительно высокой напряженностью электрического поля. Соответственно, в отличие от прототипа, в заявляемом устройстве происходит перераспределение потребляемой плазмой мощности от  газоразрядных трубок в пользу рабочей камеры. В этом случае большая часть мощности, потребляемой источниками индуктивно-связанной плазмы с ферромагнитным усилением, вкладывается в плазму в непосредственной близости от обрабатываемой подложки. Соответственно, возрастает эффективность использования ионов и химически активных частиц, генерируемых в плазме (увеличивается доля ионов и химически активных частиц, попадающих на обрабатываемую подложку). Уменьшение напряженности электрического поля в газоразрядных трубках также приводит к существенному уменьшению общего напряжения горения разряда и соответственно тепловых потерь в магнитопроводе. Таким образом, применение раздельной подачи плазмообразующих газов приводит к существенному повышению эффективности заявляемого способа ионно-плазменной обработки подложек по сравнению с прототипом, как за счет уменьшения потерь в магнитопроводах, так и за счет более эффективного использования генерируемых активных частиц плазмы.
На фиг. 1 представлено газоразрядное устройство, где:
1 - рабочая камера; 2 - П-образные газоразрядные трубки; 3 - ферритовые сердечники; 4 - первичные обмотки; 5 - вводы инертного газа.
Газоразрядной устройство для осуществления способа ионно-плазменной обработки крупномасштабных подложек содержит  рабочую камеру 1 для размещения обрабатываемой подложки с одним или более герметично закрываемых отверстий для ввода обрабатываемой подложки, и не менее двух газоразрядных трубок 2, каждая из которых выполнена в виде трубы П-образной либо С-образной формы. Каждая газоразрядная трубка имеет систему магнитопроводов (ферритовые сердечники 3) с первичными обмотками 4 и установлена так, что вместе рабочая камера и газоразрядная трубка образуют единую газоразрядную камеру с замкнутым путем для тока газового разряда. При этом замкнутый плазменный виток фактически является вторичной нагрузкой электрического трансформатора. Первичные обмотки магнитопроводов могут быть соединены между собой последовательно либо параллельно, и подключены к одному (или нескольким) источникам питания переменного тока. Газоразрядные трубки размещаются на сторонах рабочей камеры таким образом, чтобы совместное действие отдельных ферромагнитно-усиленных индукционных разрядов формировало наиболее однородное распределение плотности плазмы в рабочей камере. Дополнительное управление профилем плазмы в рабочей камере может быть достигнуто за счет использование двух или более источников питания, за счет независимого изменения мощности отдельных ферромагнитно-усиленных индукционных разрядов. Рабочая камера и газоразрядные трубки изготовлены из металла и электрически развязаны друг от друга с помощью диэлектрических прокладок. Однако, и рабочая камера, и газоразрядные трубки могут быть также изготовлены из диэлектрического материала.
На фиг. 1 по периметру рабочей камеры расположены восемь П-образных газоразрядных трубок с установленными на них ферритовыми сердечниками 3. Первичные обмотки сердечников соединены последовательно и подключены к источнику питания переменного тока №1 (не показан на рисунке). На верхней крышке рабочей камеры расположены две П-образные газоразрядные трубки с ферритовыми сердечниками. Первичные обмотки сердечников соединены последовательно и подключены к источнику питания переменного тока № 2 (не показан на рисунке). Таким образом, плазма в рабочей камере формируется под одновременным действием восьми периферийных и двух центральных источников индуктивно-связанной плазмы с ферромагнитным усилением. Наличие двух источников питания позволяет независимо варьировать мощность, вкладываемую в периферийную и центральную области рабочей камеры. Например, в случае недостатка ионов в центральной части рабочей камеры можно увеличить мощность центральных источников плазмы либо, в случае избытка ионов на периферии, уменьшить мощность периферийных источников плазмы. Оптимальное количество газоразрядных трубок, их конструкция, их расположение на стенках газоразрядной камеры, равно как конструкция магнитопроводов, первичных обмоток и способы соединения первичных обмоток определяются реализуемым плазмохимическим процессом и могут варьироваться в широких пределах. Все вышеуказанные возможные варианты реализации заявляемого устройства объединяет единый принцип – генерация плазмы и управление характеристиками плазмы в рабочей камере осуществляется исключительно с помощью источников индуктивно-связанной плазмы с ферромагнитным усилением. В отличие от прототипа, в заявляемом изобретении высокочастотные индукционные разряды не используются для осуществления управления параметрами плазмы в рабочей камере.
На фиг. 1 показаны вводы 5 инертного газа в газоразрядные трубки. Молекулярные газы (либо смесь молекулярных газов с инертным газом) вводятся напрямую в рабочую камеру. На фиг. 1 ввод молекулярного газа расположен в центральной части верхней крышки (не показан). В общем случае, расположение и число вводов молекулярного газа определяется реализуемым плазмохимическим процессом.
Способ осуществляется следующим образом. Предварительно, в рабочей камере 1 размещается обрабатываемая подложка (например, подложка из кремния). Рабочая камера герметично закрывается, производится откачка рабочей камеры до требуемого остаточного давления. Конкретная величина остаточного давления определяется реализуемым процессом, как правило, остаточное давление воздуха в камере должно быть <0,1 Па. В вводы 5 подается инертный газ (например, аргон), рабочая камера заполняется инертным газом до требуемого давления. Диапазон давлений при осуществлении процессов ионно-плазменной обработки подложек, как правило, составляет 0,1 - 10 Па. На первичные обмотки 4 П-образных газоразрядных трубок 2 подается переменное напряжение от одного (или нескольких) источников питания, осуществляется инициация распределенного индукционного разряда с ферромагнитным усилением внутри рабочей камеры 1 в атмосфере чистого инертного газа. После инициации распределенного индукционного разряда в атмосфере инертного газа, в рабочую камеру 1 начинает подаваться требуемый молекулярный газ (например, хлор), в количестве, определяемом реализуемым плазмохимическим процессом. Следует подчеркнуть, что одновременно с подачей плазмообразующих газов осуществляется откачка рабочей камеры, что позволяет организовать непрерывное протекание инертного газа через П-образные газоразрядные трубки и как следствие - вытеснение молекул химически активного газа (например, хлора) встречным потоком инертного газа из П-образных трубок.  Даже при относительно невысоком расходе аргона 25 нсм3/мин, реализованном в эксперименте [M. Isupov et al. Distributed Ferromagnetic Enhanced Inductively Coupled Plasma for Large-Scale Plasma Processing // Proceedings of 7th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE). 2020. pp. 496-500] на установке, показанной на рис. 1, напряжение горения ферромагнитно-усиленного индукционного разряда при раздельной подаче аргона и хлора  было в 1.5 раз меньше напряжения горения разряда для случая одновременной подачи аргона и хлора в П-образные газоразрядные трубки. При этом потери в ферритовых сердечниках 3 установки были меньше в 2.6 раза. Использование высокопроизводительных откачных систем позволяет увеличить расход инертного газа до значений порядка 100 нсм3/мин и более, что в свою очередь позволяет существенно снизить концентрацию молекулярного газа внутри П-образных газоразрядных трубок, уменьшить величину напряжения горения ферромагнитно-усиленных индукционных разрядов (и соответственно тепловые потери в ферритовых сердечниках 3), увеличить долю электрической мощности, поглощаемой плазмой непосредственно в рабочей камере (за счет существенно более высокой концентрации молекулярного газа над подложкой).
После подачи молекулярного газа, мощность центральных и периферийных ферромагнитно-усиленных индукционных разрядов регулируется таким образом, чтобы достичь требуемого для однородной обработки подложки радиального распределения плотности плазмы в рабочей камере 1. При необходимости, на подложку подается потенциал смещения, осуществляется процесс ионно-плазменной обработки.
Таким образом, использование заявляемого изобретения позволяет увеличить коэффициент полезного действия (КПД) и уменьшить тепловые потери газоразрядного устройства, а также исключить использование высокочастотных индукционных разрядов из процесса управления параметрами плазмы в рабочей камере. Применение раздельной подачи плазмообразующих газов приводит к существенному повышению эффективности газоразрядного устройства, как за счет уменьшения потерь в магнитопроводах, так и за счет более эффективного использования генерируемых активных частиц плазмы. Использование индукционных разрядов с ферромагнитным усилением магнитной связи между индуктором и плазмой в качестве единственных источников ионов и химически активных частиц позволяет максимизировать коэффициент мощности газоразрядного устройства, улучшить согласование между источниками питания и плазмой, минимизировать нежелательную емкостную связь между витками индуктора и плазмой.