УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ПЛАЗМЫ ИЗ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ ПОСРЕДСТВОМ ЭЛЕКТРОННО-ЦИКЛОТРОННОГО РЕЗОНАНСА (ЭЦР) С ВЫСОКИМ ДИАПАЗОНОМ ВДОЛЬ ОДНОЙ ОСИ
DEVICE FOR GENERATION OF PLASMA FROM GAS MEDIUM BY MEANS OF ELECTRON-CYCLOTRON RESONANCE (ECR) WITH HIGH RANGE ALONG ONE AXIS

Изобретение относится к области генерирования плазмы посредством электронно-циклотронного резонанса (ЭЦР) из газовой среды, а конкретнее относится к области вакуумной обработки поверхности.
Как хорошо известно специалистам в данной области техники, электронно-циклотронный резонанс происходит, когда одновременно применяются электромагнитная волна и статическое магнитное поле, достаточно сильное, чтобы частота циклотронного движения электронов вокруг магнитных линий была равна частоте волны. Таким образом, электроны могут поглощать энергию волны, чтобы затем передавать ее газу для формирования плазмы. Плазма, генерируемая электронно-циклотронным резонансом, может применяться для обработки поверхности металлических или неметаллических деталей, такой как чистка деталей ионным травлением, применение ионов в методе физического осаждения из газовой фазы, активация компонентов газа для формирования покрытий путем плазмохимического газофазного осаждения. Такие методы обработки плазмой кроме прочего могут использоваться в механике, оптике, при защите от коррозии или обработке поверхности при производстве энергии.
В соответствие с уровнем техники многие виды обработки плазмой требуют источника плазмы с обширным расширением вдоль оси. Способ создания расширенной плазмы требует расположения рядом нескольких источников небольшого размера. Например, это описано в патенте EP 1075168, согласно которому плазму создают путем расположения рядом нескольких биполярных источников ЭЦР, создавая, таким образом, мульти-биполярную конструкцию. Описанная в этом патенте конфигурация показана на фиг. 1. Электронно-циклотронный резонанс (ЭЦР) на сверхвысоких частотах является технологией, хорошо приспособленной к таким множественным источникам, поскольку распределение энергии может осуществляться довольно легко. Однако при таком близком расположении источников сложно получить очень хорошую однородность осаждения. Кроме того, биполярная конструкция из таких источников не способна направлять плазму к обрабатываемым подложкам, что, таким образом, приводит к значительным потерям плазмы в направлении стенок. Такие потери соответствуют потерям энергии, которые представляют ограничения для скорости осаждения.
Другие источники ЭЦР имеют магнитные конфигурации, снижающие потери посредством направления плазмы ближе к обрабатываемым подложкам. Например, так происходит в случае источника, описанного в патенте WO 2008/017304 (фиг. 2). Как описано в патенте, несколько таких источников, расположенных рядом друг с другом, позволяют осуществлять обработку по ширине, превосходящей размер отдельного источника. Однако такая конфигурация не обеспечивает хорошую однородность обработки, обязательно будет иметь место снижение плотности плазмы в месте контакта источников вследствие магнитного взаимодействия между источниками.
Существуют другие источники ЭЦР плазмы, имеющие значительное истинное расширение в одном направлении. Такие источники описаны в патентах DE 4136297, DE 19812558 и WO 2005/027595. Сходство этих источников заключается в том, что активная плазма формирует часть внешнего проводника коаксиальной конструкции или полого волновода. Фиг. 3 согласно соответствующему уровню техники из патента DE 19812558 наглядно показывает конструкцию такого источника. Источник согласно патенту DE 4136297 содержит полый цилиндр, выполненный из диэлектрического материала, отделяющего внутреннюю часть волновода от плазмы. Недостатком этого элемента является то, что любое проводящее осаждение на его поверхности будет препятствовать формированию плазмы. Например, такой источник не может быть использован для снятия металлических частиц, поскольку пары металла вследствие снятия будут загрязнять диэлектрик. Несмотря на то, что источники из патентов DE 19812558 и WO 2005/027595 потенциально менее чувствительны к таким загрязнениям, они также не будут способствовать направлению потока плазмы к обрабатываемым деталям.
Изобретение нацелено на преодоление этих недостатков простым, эффективным и рациональным способом.
Проблема, на решение которой нацелено изобретение, заключается в обеспечении линейного источника плазмы с хорошей однородностью, направляющего плазму к обрабатываемым подложкам, снижая таким образом потери в сторону стенок, который мог бы стать нечувствительным к любому проводящему осаждению, образующемуся на его поверхности.
Для решения этой проблемы было разработано и сконструировано устройство для генерирования плазмы посредством электронно-циклотронного резонанса ЭЦР из газовой среды, содержащее по меньшей мере два коаксиальных волновода, сформированных центральным проводником и внешним проводником для направления сверхвысокочастотных волн в камеру обработки, отличающееся тем, что по меньшей мере два электромагнитных волновода соединены с магнитным контуром, вытянутым в одном направлении, при этом указанный магнитный контур окружает волноводы, создавая магнитное поле, способное достичь состояния ЭЦР вблизи указанных волноводов. «Вблизи» означает, что область ЭЦР должна находиться как можно ближе к антенне таким образом, чтобы линия магнитного поля, проходящая через область ЭЦР, не прерывалась антенной излучателя.
Из этих характеристик следует тот факт, что излучение электромагнитных волн является точечным, выровненным дрейфом электронов (обозначен стрелками (50) на фиг. 4) в поле магнитной системы (20), окружающей излучатели (4), при этом излучатель (4) выполнен посредством коаксиального волновода (1) - (2) и антенны (5-6 или 7). Дрейф означает медленное движение электронов перпендикулярно силовым линиям (40). Такое движение вызвано градиентом и кривизной этих линий. Действительно, пространство между двумя излучателями вследствие дрейфа содержит горячие электроны из областей резонанса двух излучателей. В ходе своего дрейфа электроны теряют свою энергию, создавая ионы. Скорость ионизации падает по мере увеличения расстояния от излучателя, но два противоположных дрейфа соединяются друг с другом, при этом интенсивность источника несколько изменяется в зависимости от положения вдоль его большей стороны.
Для решения поставленной проблемы формирования магнитной ловушки для электронов с целью снижения их потерь магнитный контур содержит два полюса с противоположной полярностью, расположенные вблизи волноводов. Первый полюс образует первую линию, окружающую один или несколько волноводов, тогда как второй полюс образует вторую линию, окружающую указанную первую линию.
Следует напомнить, что согласно изобретению излучатели волн сформированы коаксиальными волноводами, центральный проводник которых заканчивается антенной. Таким образом, для специалистов в данной области техники не очевидно, что после продления магнитного контура в одном направлении согласно формуле изобретения такая система не позволяет области ЭЦР окружать точку излучения, например, как в случае с источником из ранее упомянутого патента WO 2008/017304. Действительно, переход энергии к плазме становится более затрудненным, во-первых, поскольку объем ЭЦР вблизи излучателей меньше и, во-вторых, окружающая антенну среда не однородна: волна переходит из волновода с вращательной симметрией в среду (плазму), не имеющую такой симметрии и, таким образом, волна частично отражается. Этот второй момент является проблемой, особенно потому, что система подвергается переходу при воспламенении плазмы: до воспламенения плазмы среда (вакуум) является однородной, но после воспламенения она больше таковой не является. Такой переход создает изменение импеданса, которое трудно согласовать. Излучатели обычно оборудованы устройством согласования по импедансу, но такие устройства обычно управляются вручную и не предусматривают изменений во время самого процесса.
По этим различным причинам потребовалось разработать различные формы антенн, специально приспособленных для работы устройства с удлиненной магнитной системой.
С этой целью в первом варианте осуществления центральный проводник имеет концентрический диск, диаметр которого превышает диаметр отверстия волновода для защиты внутренней части указанного волновода, расположенный как можно ближе к области ЭЦР, и имеющий сверху стержень, выровненный по оси с центральным проводником.
Во втором варианте осуществления центральный проводник имеет на конце пластину, вытянутую вдоль большей оси магнитного контура, при этом по меньшей мере один из концов указанной пластины предусмотрен для соприкосновения с поверхностью источника для создания короткого замыкания, при этом ширина пластины превышает размер отверстия волновода.
Ширина пластины является постоянной вдоль всей ее длины или ширина пластины уменьшается с увеличением расстояния от центрального проводника и относительно указанной по меньшей мере одной стороны указанного проводника.
На основе присущих изобретению характеристик устройство применимо для камеры обработки, содержащей корпус с охлаждающим контуром, при этом указанный корпус содержит обшивку для установки удлиненного магнитного контура, образованного первой линией магнитов, соответствующей первой поляризации, и второй линией магнитов, соответствующей противоположной поляризации и окружающей первую линию, окружающую волноводы, установленные в отверстиях, выполненных в толще корпуса, при этом первая и вторая линии магнитов соединены с противоположной от плазмы стороны ферромагнитной пластиной, при этом корпус и магнитная система отделены от плазмы антимагнитным экраном.
Что касается различных форм антенн, для их адаптации к работе удлиненной магнитной системы:
либо центральный проводник каждого волновода является цилиндрическим стержнем, отцентрированным относительно внешнего проводника, установленного в корпусе с хорошим электрическим контактом, причем внутрь волновода помещено диэлектрическое окно, расположенное под отверстием, покрытым диском, имеющим сверху стержень, предусмотренный в качестве антенны;
либо центральный проводник каждого волновода является цилиндрическим стержнем, отцентрированным относительно внешних проводников, установленных в корпусе с образованием хорошего электрического контакта, причем внутрь волновода помещено диэлектрическое окно, расположенное под отверстием, покрытым пластиной, удлиненной вдоль оси излучателей, при этом указанное удлинение является ассиметричным относительно центрального проводника для волновода, расположенного на закругленном конце магнитного контура, при этом удлинение выполнено только с противоположного конца и симметрично относительно центрального проводника для волновода, расположенного на линейном участке магнитного контура, при этом каждый удлиненный участок содержит элемент, применяемый для короткого замыкания.
Далее изобретение будет описано более подробно в сопровождении прилагаемых графических материалов, на которых:
фиг. 1 – упрощенный вид устройства из уровня техники, описанного в патенте EP 1075168.
Фиг. 2 – упрощенный вид устройства из уровня техники, описанного в патенте WO 2008/017304.
Фиг. 3 – упрощенный вид устройства из уровня техники, описанного в патенте DE 19812558.
Фиг – 4 упрощенный вид основной идеи настоящего изобретения.
Фиг. 5A и 5B – возможные варианты осуществления магнитной конструкции согласно настоящему изобретению.
Фиг. 6 – первая форма антенны согласно настоящему изобретению.
Фиг. 7A, 7B и 7C – другие формы антенны согласно настоящему изобретению.
Фиг. 8 – вид в перспективе первого варианта осуществления настоящего изобретения с поперечным сечением на уровне сверхвысокочастотного входа.
Фиг. 9 – вид в перспективе второго варианта осуществления настоящего изобретения с поперечным сечением в плоскости сверхвысокочастотных излучателей и вторым поперечным сечением между двумя излучателями, перпендикулярно к этой плоскости.
Основная идея изобретения, т. е. удлиненный магнитный контур, окружающий несколько сверхвысокочастотных излучателей, схематически показана на фиг. 4 и 5.
Магнитный корпус вблизи поверхности источника имеет два полюса противоположной полярности для образования магнитной ловушки для электронов. Первый полюс образует первую линию (21), окружающую волноводы (4) излучателей электромагнитных волн, а второй полюс образует вторую линию (22), окружающую первую линию.
На фиг. 5 показаны две возможных формы магнитного контура. Преимуществом первой (фиг. 5A) является более простое формирование, но область ЭЦР проходит по касательной к излучателям на линейном участке. Вторая форма (фиг. 5B) направлена на оптимизацию величины ЭЦР вблизи излучателей.
Путем установки относительной силы 2 полюсов магнитной конструкции можно влиять на поток плазмы к обрабатываемым подложкам. Например, посредством усиления внешнего полюса контура (22) можно свести вместе 2 полосы плазмы из линейного участка в пространстве перед источником, что позволит увеличить скорость обработки детали в этом месте. Это полезно для снижения боковых потерь, если стенки вакуумной оболочки расположены поблизости. Однако если усилить внутренний полюс контура (21), 2 полосы плазмы будут смещены в стороны друг от друга. В некоторых случаях это может быть преимуществом, как, например, для цилиндрической обрабатываемой подложки, для которой могут быть созданы 2 области обработки, проходящие по касательной к цилиндрической поверхности.
Излучатели волн образованы коаксиальными волноводами, центральный проводник которых заканчивается антенной.
Изобретение предоставляет два способа оптимизации формы антенн.
Следующие количественные примеры приведены для источника плазмы, содержащего коаксиальные волноводы с внешними проводниками, имеющими внутренние диаметры 17 мм, и внутренними проводниками, имеющими внешние диаметры 8 мм.
В первом варианте осуществления, показанном на фиг. 6, центральный проводник (1) сначала расширяется в диск (5). Такой диск имеет больший диаметр, чем отверстие волновода (1) – (2), что позволяет защищать внутреннюю часть волновода от возможных осаждений и приводить волну как можно ближе к области ЭЦР. Его кромка действительно расположена в нескольких миллиметрах от области ЭЦР. Толщина диска составляет несколько миллиметров, обычно в диапазоне от 1 до 5 мм, и образует с поверхностью источника зазор в несколько миллиметров, предпочтительно от 2 до 5 мм. Сверху на диске находится стержень (6), продолжающий центральный проводник (1). Этот стержень имеет длину в диапазоне от λ/8 до λ/2, где λ – длина сверхвысокочастотной волны. Точная длина зависит от диаметра диска и от формы области ЭЦР. Антенна оптимизирована путем подбора длины указанного стержня. Например, в варианте осуществления диаметр диска составляет 25 мм, а оптимальная длина стержня находится в диапазоне от 30 до 35 мм для длины волны 122,4 мм (2,45 ГГц). Таким образом, несмотря на вращательную симметрию, эта антенна образует хорошую связь сверхвысокочастотного поля с плазмой. Функция стержня заключается в согласовании по импедансу вакуума и плазмы.
Во втором варианте осуществления на конце центрального проводника находится пластина (7) с толщиной в несколько миллиметров, которая на этот раз не имеет вращательной симметрии, а является удлиненной вдоль большей оси магнитной системы (фиг. 7A-7B). В ширину эта пластина проходит над отверстием волновода и заканчивается в нескольких миллиметрах от области ЭЦР. Ее общая длина находится в диапазоне от λ/4 до λ. Посредством регулирования длины можно оптимизировать связь с плазмой. Концы пластины входят в контакт (8) с поверхностью источника, создавая короткое замыкание и таким образом исключая излучение микроволн в сторону соседних пластин. Такое короткое замыкание приводит к тому, что волна образует в этом месте узел в электрическом поле. Волна отражается и возвращается в точку испускания. Расстояние между точкой испускания и замыкания через землю устанавливает фазу отраженной волны, когда она достигает точки испускания. Путем изменения этого расстояния можно регулировать эту фазу в соответствии с фазой волны, отраженной плазмой. «Естественным» решением кажется то, при котором общая длина пластины составляет λ/2, т.е. 61 мм для частоты 2,45 ГГц, при этом для такой длины между 2 концами формируется стоячая волна. В реальности, однако, было обнаружено, что такая теоретическая длина не является оптимальной для эффективности плазмы, и что длину следует увеличить приблизительно на 10% для получения удовлетворительных результатов.
Ширина пластины может оставаться одинаковой вдоль всей длины пластины (фиг. 7A) или уменьшаться с увеличением расстояния от точки излучения (фиг. 7B). В предпочтительном варианте осуществления ширина пластины увеличивается к ее концам. Например, для пластины с шириной 25 мм в середине ширина на ее концах будет составлять всего 10 мм.
При расположении излучателя внутри витка магнитного контура форма второй антенны изменена таким образом, чтобы пластина была удлиненной только в направлении от витка (фиг. 7C). Длина этого участка от центра центрального волновода находится в диапазоне от λ/8 до λ/2. Со стороны витка пластина имеет форму полудиска. В одном варианте осуществления полудиск имеет радиус 12,5 мм, удлиненный участок составляет 34 мм, также для λ, составляющей 122,4 мм (2,45 ГГц).
На одном и том же источнике можно сочетать несколько типов антенн для оптимизации общей эффективности. Также можно сочетать два решения, предлагаемых изобретением, например, посредством удлиненной пластины со стержнем наверху.
На фиг. 8 и 9 показан вид в поперечном сечении двух вариантов осуществления источника плазмы со встроенным устройством согласно изобретению.
На фиг. 8 камера обработки содержит антимагнитный металлический корпус (10), охлаждаемый водой, циркулирующей в охлаждающем контуре (11). В корпусе предусмотрена обшивка, вмещающая магнитный контур. В этом варианте осуществления магнитная система сформирована первой линией (21) магнитов первой поляризации (31) и второй линией (22), окружающей первую линию и имеющей противоположную поляризацию (32). Внутри корпуса (10) две магнитные линии (21) и (22) соединены ферромагнитной пластиной (23). Корпус (10) и магнитная система отделены от плазмы экраном (12). В корпусе (10) и листе (12) предусмотрены цилиндрические отверстия для сверхвысокочастотного излучения посредством нескольких коаксиальных волноводов, внешние проводники (2) которых установлены в корпус источника в хорошем электрическом контакте с ним. Центральный проводник каждого волновода выполнен в виде цилиндрического стержня (1), отцентрированного относительно внешнего проводника и проходящего за пределы щита. Диэлектрическое окно (3) расположено внутри волновода в нескольких сантиметрах от отверстия. Это смещенное положение обеспечивает низкую вероятность загрязнения диэлектрика любым осаждением и особенно проводящим осаждением, что может помешать прохождению электроволн. Диэлектрик способен обеспечить герметичность между внутренней и внешней частью вакуумной оболочки для обработки. В этом первом варианте осуществления отверстие волновода покрыто диском (5), предотвращающим проникновение осаждений в волновод и позволяющим довести сверхвысокочастотные волны до области ЭЦР. Пластина (5) сверху содержит стержень (6), позволяющий оптимизировать связь с плазмой.
Таким образом, в применении, при котором круглый диск имеет диаметр 25 мм и толщину 3 мм, длина стержня была установлена от 16 мм до 35 мм для частоты сверхвысокочастотных волн 2,45 ГГц и мощности каждой антенны 90 Вт. В каждой конфигурации наблюдалась легкость воспламенения. Воспламенение считается легким, если оно не требует изменений настроек устройств согласования импеданса на каждой линии излучения.
Были выполнены измерения электрического тока, полученного от плазмы и накопленного на подложках, расположенных в 8 см от источника при мощности 20 В, как отображено в следующей таблице:
Длина стержня
16 мм
20 мм
30 мм
35 мм
Измеренная сила тока
1,37 A
1,38 A
1,41 A
1,41 A
Легкость воспламенения
нет
да
да
да
Несмотря на то что разница в силе тока невысока, вследствие того, что в каждой конфигурации было оптимизировано согласование по импедансу для обеспечения оптимальной передачи энергии плазме, достаточно большое значение имеет возможность определения оптимальной длины, находящейся между 30 и 35 мм в этой конфигурации.
В варианте осуществления, показанном на фиг. 9, основная конструкция камеры для обработки остается прежней. Различие заключается в антеннах. В этом варианте осуществления пластины (7a) и (7b) антенн являются удлиненными вдоль оси излучателя. Удлинение (7a) является симметричным относительно центрального проводника (1) для антенны, который расположен на одном конце источника плазмы в центре витка магнитного контура, при этом удлинение выполнено только в сторону противоположного конца. Удлинение (7b) является симметричным относительно центрального проводника для антенны, расположенного на линейном участке магнитного контура. Каждый удлиненный участок заканчивается цепью (8) короткого замыкания, предотвращающей излучение антенны в сторону соседней. В настоящем варианте осуществления изобретения ширина пластины уменьшается при увеличении расстояния до центрального проводника (1) и в сторону точки замыкания через землю.
Такая конфигурация была впервые испытана с антеннами, для чего расстояние между точкой замыкания через землю и центральным проводником волновода находилось в диапазоне 31 и 32 мм и таким образом было приближено к λ/4 (30,6 мм). Это обеспечило повышение силы тока приблизительно на 3% относительно первого варианта осуществления. Когда это расстояние было принято равным 34 мм, сила тока выросла на дополнительные 3%, то есть на 6% относительно первого варианта осуществления. В обоих случаях пластина имеет толщину 3 мм.