Конспект лекций Бордусов

80

7. Оборудование для плазменной обработки материалов и изделий электронной техники

7.1. Плазменное технологическое оборудование неравновесной плазмы

7.1.1. Классификация вакуумно-плазменного оборудования по механизму воздействия плазмы на обрабатываемый материал

Термин «Вакуумно-плазменное оборудование» используется для обозначения аппаратуры, в которой основным инструментом или средой для обработки изделий электронной техники служит либо сама плазма инертных или активных газов, либо ее компоненты (заряженные или нейтральные активные частицы, фотоны и т.д.).

К неравномерной плазме относят разряды с

Tе>Ti>Tn,

(7.1)

де Te — температура электронов; Ti — температура ионов;

Tn — температура нейтральных частиц.

Неравновесная плазма, как правило, холодная, низкотемпературная, име-

ющая среднемассовую температуру газа от комнатной до примерно равной

5∙104 К.

Для квазиравновесной или термической низкотемпературной плазмы характерно соотношение

Te ≈ Ti ≈ Tn

(7.2)

и среднемассовая температура до 5∙104 К и выше.

Схема классификации оборудования по механизму воздействия плазмы на обрабатываемый материал и среду представлена на рис. 7.1:

В основу такой классификации положено выделение трех основных механизмов обработки с использованием плазмы: ионного, плазмохимического и ионно-химического (иногда называемого реактивно-ионным).

Ионная обработка идет за счет распыления твердого вещества бомбардировкой ускоренными положительными ионами инертных газов.

При плазмохимической обработке основными ответственными за процесс частицами выступают химически активные нейтральные атомы, молекулы, радикалы, часто объединяемые под общим названием — химически активные частицы (ХАЧ).

Ионно-химическая обработка представляет совместное воздействие физического распыления и химических реакций с участием ионов различных веществ. Если же из объема плазмы с помощью системы вытягивающих, ускоря-

81

ющих или фокусирующих устройств выделяется поток ионов, такое оборудование носит название ионно-лучевого или реактивного ионно-лучевого.

Вакуумно-плазменное оборудование

Ионной обработки		Ионно-химической обработки		Плазмохимической обработки
Физическим распылением		Физическим распылением и		Химическими реакциями с ак-
ионами высоких энергий		химическими реакциями		тивными газовыми частицами

Ионно-плазменное оборудование

Физическим распылением в плазме разряда

Ионно-лучевое оборудование

Физическим распылением в вакууме

Реактивное ионное оборудование

Физическим распылением и химическими реакциями в плазме разряда

Реактивное ионно-лучевое оборудование

Физическим распылением и химическими реакциями в плазме разряда

Плазмохимическое оборудование

Химическими реакциями в плазме разряда

д)

Рис. 7.1. Схема классификации плазменного технологического оборудования по механизму воздействия плазмы на обрабатываемый материал

В оборудовании, использующем термическую низкотемпературную плазму, основным видом воздействия на обрабатываемый материал является термическое воздействие. В условия высокой среднемассовой температуры плазмы (104 — 105 К) и высоких скоростей газа реализуются высокие скорости нагрева (до 108 К/с), что позволяет осуществлять быстрое плавление и даже взрывное испарение порошкообразных твердых и жидких материалов в такой среде. Обеспечиваются условия для неравновесных химических процессов с высокими скоростями реакций.

7.1.2. Типовая структура и состав плазменного технологического оборудования неравновесной плазмы

Плазменное технологическое оборудование, использующее неравновесную плазму, может различаться технологическим назначением и способом обработки. Оно может быть предназначено для создания определенных слоев материалов, очистки или травления.

Конкретные установки могут представлять собой объемные системы, в которых происходит групповая обработка партий пластин или изделий в объеме плазмы, либо системы для индивидуальной обработки одиночной пластины.

82

Однако практически во всех случаях плазменное технологическое оборудование можно представить в виде типовой структуры, состоящей, как правило, из следующих блоков:

—реактора или блока из нескольких реакторов;

—вакуумной системы низкого или высокого вакуума;

—одного или нескольких источников питания для создания плазмы;

—газовой системы, состоящей обычно из нескольких газовых магистралей для различных газов или их смесей;

—системы контроля, управления и стабилизации параметров, последнее время в микропроцессорном исполнении;

—системы автоматической загрузки и выгрузки пластин со шлюзовой ка-

меры;

—различного рода автоматических систем контроля.

Установки могут различаться не только по типу реакторов, но и по применяемым средствам откачки, схемам построения вакуумных систем и другим конструктивным признакам, плазменного оборудования.

Газовые системы установок плазменной обработки обычно состоят из четырех или пяти стандартных газовых каналов на расходы от 10-6 — 10-4 м3/с с точностью поддержания расхода 1 %.

Для расширения технологических возможностей оборудования газовые системы часто снабжаются испарителями жидкого реагента.

Система источников питания обычно представляет собой блоки стабилизированных по мощности источников постоянного или переменного тока, или ВЧ-генераторы на стандартных промышленных частотах в килогерцовом или мегагерцовом диапазонах. Их мощность колеблется от 0,25 до 3 кВт. ВЧ-генераторы обязательно подключаются к реакторному блоку через согласующее устройство и снабжены измерителями импеданса. Мощность, выделяемая на единицу площади обрабатываемых пластин, в системах групповой обработки, составляет обычно 0,1 — 0,5 Вт/см3, в установках индивидуальной обработки установках реактивно-ионного травления она может достигать больших значений.

Загрузка и выгрузка пластин либо непосредственно в реактор, либо через шлюзовую камеру, соединяющую с рабочим объемом реактора. Эти операции осуществляются с помощью различного рода переукладчиков, перемещающих пластины из кассеты в шлюзовую камеру, из нее в рабочую и обратно. В современных установках должен полностью исключаться контакт оператора с обрабатываемой пластиной.

7.1.3. Классификация по конструктивным особенностям плазменных реакторов

Плазменные реакторы представляют собой технологическую разрядную камеру пониженного давления, в которой осуществляются операции нанесения, травления или очистки поверхностных слоев обрабатываемых изделий. Конструктивные особенности реакторов в первую очередь определяются механиз-

83

мом взаимодействия активных частиц со средой и обрабатываемой поверхностью.

Воснову деления плазменных реакторов на классы может быть положен способ создания плазмы и активных частиц. Для создания плазмы чаще всего используются электрические разряды при пониженном давлении: разряды постоянного тока (в двух и многоэлектронных системах), НЧ-, ВЧ- и СВЧразряды. В каждом случае возможно применение дополнительных магнитных полей как для увеличения концентрации активных и заряженных частиц, так и для управления плазменной зоной с максимальной концентрацией этих частиц.

Способ создания плазмы и активных частиц определяет также диапазон рабочего давления активного газа и смеси в реакторе. При использовании раз-

рядов постоянного тока и электронных ВЧ-разрядов с катодной связью диапазон рабочих давлений составляет 1 —10 Па, электродных ВЧ-разрядов — 102 — 103 Па, а СВЧ-разрядов — от 10-3 — 102 Па. Использование скрещенных электрического и магнитных полей в различных системах позволяет при сохранении и даже увеличении концентрации электронов на порядок понизить нижние пределы рабочего давления.

Воснову деления плазменных реакторов на подклассы положено место расположения реакционной зоны (т.е. зоны взаимодействия плазменных частиц

собрабатываемой поверхностью) по отношению к разрядной области. Реакционная зона может располагаться на электродах (или в приэлектрод-

ном пространстве), в плазме разряда, изоляция реакционной зоны от плазмы разряда может осуществляться различными способами:

—путем создания отдельных конструктивных камер;

—с помощью локализации плазмы магнитным полем;

—разделением этих двух зон металлическими сетчатыми элементами, препятствующими проникновению заряженных частиц плазмы в реакционную зону.

Существенным отличительным признаком плазменного реактора является расположение обрабатываемых пластин в реакционной зоне, которое может быть поверхностным и объемным. При объемном расположении возможна обработка обеих поверхностей полупроводниковых пластин либо изделия в целом. Поверхностное расположение характерно больше для установок индивидуальной обработки, объемное — для групповой, хотя групповая обработка может осуществляться и при поверхностном расположении пластин.

Реакционно-разрядные системы различаются также по способам организации газового потока в реакционной зоне. Это могут быть комбинации характерных случаев подвода газа и отвода газообразных продуктов реакции: централизованного, распределенного, коллекторного и индивидуального.

Следующими достаточно важными конструктивными особенностями плазменных реакторов являются:

—характер движения газового потока относительно пластин в реакционной зоне;

—наличие систем нагрева или тепловой стабилизации пластин.

10 Па

84

Характер движения газового потока относительно обрабатываемой поверхности имеет существенное значение для равномерности обработки, особенно в области вязкостного или молекулярновязкостного режимов течения, которые характерны для диапазонов рабочего давления выше 10-1 Па. В различных типах реакторов используется продольное и поперечное обтекание пластин. Однако при перемещении пластин в реакторе, например при вращении, изменении их ориентации с вертикальной на горизонтальную, возможно и циклическое изменение характера движения газового потока. В этом случае газодинамические особенности выступают на первый план, когда минимальной стадией процесса является скорость доставки активных частиц к поверхности.

Нагрев и тепловая стабилизация пластин являются факторами определяющими равномерность обработки по поверхности если лимитирующей стадией процесса становиться скорость химической реакции на поверхности материала. Для реакторов с объемным расположением пластин характерен самопроизвольный нагрев за счет бомбардировки частицами. В реакторах с поверхностным расположением пластин чаще всего применяется прямой или косвенный принудительный нагрев или охлаждение. Примером могут служить установки для травления кремния и двуокиси кремния активными частицами, образующимися в плазме тетрофторметана. При энергии активации этих реакций соответственно 6,28 и 18 кДж/моль для обработки материалов с неравномерностью не хуже 5% требуется стабилизация температуры образцов кремния с точностью ±2° С, а двуокиси кремния — ±5° С.

Реализованные к настоящему времени плазменные реакторы можно разделить на ряд базовых конструктивных схем в зависимости от технических требований и назначения можно выбрать наиболее рациональную конструкцию.

7.1.4. Реактор для ионной обработки

Реакторы для ионной обработки можно разделить на два типа: реакторы для ионно-плазменной обработки и реакторы для ионно-лучевой обработки. Обработка заключается в распылении поверхности материалов ионами инертных газов.

Основное применение реакторов для ионно-плазменной обработки — нанесение пленочных покрытий. Ионно-плазменная обработка (распыление) как метод создания рисунков в пленках практически не применяется т.к. существуют альтернативные методы, обеспечивающие лучшее качество и большую производительность.

На рис. 7.2 представлены схемы наиболее применяемых устройств для ионно-плазменного нанесения пленок.

Диодная система распыления на постоянном токе — система катодного распыления (а) позволяет наносить пленки проводящих материалов при давлении газа 5∙10-1 — 10 Па. При наложении на область электрического разряда магнитного поля рабочее давление может быть снижено до .

Триодная система распыления (б) позволяет проводить распыление при еще более низких давлениях (5 — 6 ∙10-2 Па). Снижение давления, приводящее

85

к улучшению качества пленок достигается введением дополнительных термокатодов и анода, между которыми зажигается разряд. Ленточный поток плазмы, создаваемый в результате ионизации рабочего газа электронами, эмигрирующими с термокатода, инжектируются в зону распыления. Формированию ленточного потока способствует магнитное поле.

При подаче на катод-мишень высокого отрицательного потенциала происходит отбор ионов из плазмы, их ускорение и распыление материала мишени. Подача отрицательного смещения на подложку обеспечивает ее очистку и энергетическую стимуляцию роста пленок.

Распыление на постоянном токе не возможно для диэлектриков, т.к. на ионизированную поверхность не может быть подан электрический потенциал. Для распыления диэлектриков, как и металлов, используются разнообразные устройства ВЧ-распыление с индуктивным и емкостным возбуждением электрического разряда.

Наиболее распространенными устройствами ионно-плазменного нанесения материалов является устройство магнетронного распыления. Они наиболее производительны, обеспечивают максимальные скорости ионно-плазменного нанесения материалов. В зависимости от вида материала и вкладываемой мощности скорость нанесения пленок составляет от 5 —30 нм/с.

Рис. 7.2. Схемы реакторов для ионной обработки:

а– диодная система распыления; б – триодная система распыления;

в– устройство магнетронного распыления; г – система для ионно-лучевой обработки; д – ионный источник-с термокатодом; в – ионный источник о холодным катодом; 1 – катод; 2 – обрабатываемые пластины; 3 – анод; 4 – дополни-

тельный анод; 5 – термокатод; 6 – автономный ионный источник; 7 – нейтрализатор; 8 – магнит; 9 – ионно-оптические сетки; 10 – ускоряющая сетка; 11 – область плазмы разряда; 12 – ионный пучок; 13 – подложкодержатель.

86

Постоянные магниты, установленные на обратной стороне катода, формируют на его лицевой стороне замкнутое магнитное поле, перпендикулярно которому направлено электрическое поле, создаваемое между анодом и катодоммишенью. Высокие скорости распыления материалов в магнетроне определяются высокой эффективностью захвата электронов в скрещенных электрическом и магнитном полях вблизи поверхности распыляемой мишени.

Один из вариантов реакторов для ионно-лучевой обработки представлен на рис. 7.2, г. Основным отличительным признаком этого реактора является разделение областей образования энергетических частиц — ионов и обработки материалов. Зажигание разряда, формирование плазмы и ускорения ионов осуществляется в автономном устройстве — источнике ионов. Сформированные пучки ионов выходят из одного отверстия, множества отверстий или узких щелей той или иной формы, имеющих ограниченную газовую проницаемость. Это позволяет обеспечить перепад давления в области ионизации газа и области обработки материалов. Высокое давление (10-1 — 10 Па) в разрядной камере источника позволяет достичь высокой степени ионизации газа. Относительно низкое давление (10-2 — 10-3 Па) в области обработки позволяет сохранить энергию и направленность движения ионов, энергию распыленных частиц. Обрабатываемый объект (подложка или распыляемая мишень) находиться под потенциалов земли, что позволяет обеспечить его эффективное охлаждение и свободные манипуляции с ним. Направленное движение ионов обеспечивает создание элементов с субмикронными размерами. В таких реакторах, однако, не достигается высокая производительность и селективность обработки, поэтому они чаще используются в лабораторных целях.

В качестве ионных источников применяются источники с термокатодом типа «кауфман» (рис. 7.2, д) и холодным катодом типа «радикал» (рис. 7.2, е). Ионизация и ускорение ионов в источниках происходят в скрещенных электрическом и магнитном полях.

7.1.5. Реакторы для ионно-химической обработки

Первоначально для ионно-химической обработки использовались реакторы, предназначенные для ионной обработки. Однако использование химически активной среды потребовало решения ряда проблем, связанных в основном с быстрым выходом из строя накачиваемых катодов компенсаторов заряда, эрозией элементов реактора и полимеризацией продуктов реакций. Поэтому возникла необходимость в разработке специальных реакторов для ионнохимической обработки.

Так же, как и реакторы для ионной обработки, реакторы для ионнохимической обработки могут быть разделены на два типа: реакторы для реактивной ионно-плазменной обработки и реакторы для реактивной ионнолучевой обработки.

87

Реакторы для реактивной ионно-плазменной обработки применяются в основном для создания рисунка в пленках. Одновременное распыление и химическая реакция приводят к высокой скорости и селективности травления пленок. Движение ионов перпендикулярно поверхности обеспечивает анизотропию процесса травления и позволяет получить элементы интегральных схем с субмикронными размерами. Такие качества делают эти реакторы наиболее перспективными для применения в технологии СБИС.

Указанные реакторы широко используются также для нанесения пленок методом распыления мишени в среде химически активного газа, например, для нанесения окислов в кислородосодержащей среде, для нанесения нитридов в азотосодержащей. Нанесение пленок осуществляется в реакторах аналогичных реакторам для ионно-плазменной обработки.

К основным конструкциям реакторов для ионно-плазменного травления относятся двухэлектродные ВЧ-системы. Если образцы размещаются на потенциальном ВЧ-электроде, то систему называют ВЧ-диодной системой с катодной связью (рис. 7.3, а – г); если образцы находятся на заземленном электроде (аноде), то систему называют ВЧ-диодной системой с анодной связью (рис. 7.3, д – з). Если электроды располагаются горизонтально — это планарный реактор.

Рис. 7.3. Схемы реакторов для ионно-химической обработки:

а, б, в, г – ВЧ диодные системы с катодной связью; д, е, ж, з – планарные ВЧ диодные системы с катодной связью; и – многоэлектродная ВЧ-система с катодной связью; 1 – вакуумная камера; 2 – коллектор (отверстие} для напуска газа; 3 – откачное отверстие; 4 –обрабатываемые пластины; 5 – ионный источ-

ник; 6 – высокочастотный электрод;.7 – заземленный электрод.

88

Различие установок с диодными ВЧ-системами заключается в степени автоматизации, способах подачи газовой смеси, откачки реактора, контроля за технологическими параметрами, в размерах электродов и межэлектродного промежутка.

Диодные ВЧ-системы с анодной связью, в которых образцы располагаются на заземленном электроде и подвергаются воздействию ионов с меньшей энергией, чем в системах с катодной связью, получили более широкое распространение.

Впланарных ВЧ-реакторах с анодной связью ВЧ-электрод может быть расположен как вне вакуумной камеры (рис. 7.3, д) так и внутри на (рис. 7.3, е – з). На равномерность травления материалов сильное влияние оказывает организация газового потока в зоне травления. В реакторе, приведенном на (рис. 7.3, д), газовый поток организован неоптимальным образом, в результате наблюдается уменьшение концентрации активных частиц над подложкодержателем слева направо. Более совершенными являются реакторы с радиальным распределением газового потока (рис. 7.3, е – з). В последнее время появились разработки многоэлектронных ВЧ-систем с катодной связью для групповой обработки пластин (рис. 7.3, и).

ВЧ-системы по сравнению с системами, в которых использован разряд постоянного тока, более сложны и дороги, так как требуют применения ВЧгенераторов, сложных согласующих и измерительных устройств. Однако применение разряда постоянного тока в химически активных средах требует решения ряда технических задач, основной из которых является взаимодействие материала электродов с плазмой. Это может вызывать образование на поверхности пленки, приводящей к затуханию разряда искрение при пробоях пленки и загрязнению обрабатываемой поверхности продуктами распыления катода.

Реакторы для реактивной ионно-лучевой обработки используются для создания рисунков в пленках. В таких реакторах одновременно достигается высокая анизотропия и селективность травления. Однако производительность таких реакторов не высока. Производительность ограничивается в первую очередь недостаточной плотностью ионного тока на обрабатываемую поверхность, что связано с трудностями получения больших токов в пучках, формируемых в ионных источниках.

Реакторы для реактивного ионно-лучевого травления выполняются так же, как и реакторы для ионно-лучевого травления (см. предыд. рис. 7.2, г). Отличие состоит в том, что в качестве ионных источников применяются источники с холодным катодом, например источники, аналогичные приведенному на (рис. 7.2, е). Возможно использование источников с накаливаемым катодом (см. пред. рис. 7.2, д), но они имеют очень огромный срок службы, так как в химически активной среде катод быстро сгорает.

Внастоящее время большое применение для реактивного ионно-лучевого травления находят источники с магнитным разрядом (их конструкция аналогична приведенной на рис. (пред. рис. 7.2, е). Постоянные самарий — кобальто-

вые магниты обеспечиваю высокую плотность магнитного потока (примерно 0,4 Вб/см2) в кольцевом зазоре, из которого извлекается пучок ионов цилин-

89

дрической формы. Формирование плазмы происходит вблизи кольцевого зазора источника в результате ионизации газов, например CF4, SF6, C3F8 и др. электронным ударом в скрещенных электрическом и магнитном полях, где происходит замкнутый дрейф электронов. Ионы направленно экстрагируются из плазмы в электрическом поле между анодом и заземленным катодом. Разрядное напряжение в таких источниках является одновременно и ускоряющим напряжением.

Для проведения процесса реактивного ионно-лучевого травления используются источники с «седловидным» электрическим полем. Это источники с холодным катодом. конструкция их такова: симметричный в плоскости источник состоит из анода в виде двух стержней, окруженных заземленным цилиндрическим катодом. Рабочий газ подается в объем катода. Возникающие в разряде электроны осциллируют между противоположными стенками камеры-катода, проходя через «точку седла» между анодами. Между анодами для них создается электростатическая ловушка. Большая траектория электронов обеспечивает высокую вероятность столкновения их с молекулами газа и, следовательно, условия высокой степени ионизации газа, особенно в области анода. Отличительной особенностью этих источников является отсутствие магнитного поля. Ускорение ионов происходит в области выходного зазора или сетки ионного источника.

Разработан большой класс источников ионов, в которых образование плазмы обеспечивается СВЧ-разрядом в результате электронного циклотронного резонанса происходит ионизация газа. Частота возбуждения электронного разряда f = 2,45 ГГц. Из ионного источника отбирается ионный пучок диаметром порядка 15 см. Отбор ионов обеспечивается двухсеточной ионнооптической системой. Энергия отбираемых из источника ионов соответствует энергиям ионов, извлекаемых из источников кауфмана (500 —1000 эВ). Плотность тока на мишени 0,5 — 1 мА/см2 обеспечивают скорости травления от 2 до 3 нм/с.

Дальнейшие разработки ионных источников связаны с повышением плотности тока для увеличения скорости травления и уменьшением энергии ионов до десятков электрон-вольт для снижения радиационного воздействия на обрабатываемые структуры.

7.1.6. Реакторы для плазмохимической обработки

Генерацию энергетических и химически активных частиц для осуществления плазмо-химической обработки производят в реакторах, которые в зависимости от вида конкретного процесса должны удовлетворять определенным требованиям. В первую очередь должны обеспечиваться заданные скорость и равномерность обработки при приемлемых мощности разряда и расходе рабочего газа.

Таким требованиям удовлетворяют реакторы с объемным расположением подложек в плазме (рис. 7.4) и реакторы диодного типа, в которых подложки размещаются на электродах.