RU2339191C2 - Focuser of gas-discharge plasma - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention is related to microelectronics and may be used in production of integral microchips on active and passive wafers and elements of diffraction optics on curvilinear surfaces. Focuser of gas-discharge plasma contains cathode, meshed anode, insulation and high-voltage bushing. Cathode and mesh anode are arranged with curvature equal to curvature of processed item surface, and are installed at the distance of 15λ<h>50λ, where λ - length of free electron range in gas-discharge plasma flux.

EFFECT: creation of plasma flux for processing of curvilinear surfaces.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области получения направленных потоков низкотемпературной плазмы и генерации, сходящихся и расходящихся ионно-электронных пучков с большим током и может быть использовано в микроэлектронике при производстве интегральных микросхем на активных и пассивных подложках и в дифракционной оптике при производстве элементов дифракционной оптики на криволинейных поверхностях.The invention relates to the field of producing directed flows of low-temperature plasma and generating convergent and diverging high-current ion-electron beams and can be used in microelectronics in the production of integrated circuits on active and passive substrates and in diffraction optics in the production of elements of diffractive optics on curved surfaces.

Известен источник ионов, основанный на инжекции электронов из плазмы тлеющего разряда через затянутое мелкоструктурной сеткой малое отверстие в полость генератора плазмы, в которой установлен основной тонкопроволочный анод (E.Oks, A.Vizir, and G.Yushkov, Rev. Sci. Instrum. 69, 853, 1998). В полости генератора в результате ионизации газа инжектируемыми электронами развивается несамостоятельный тлеющий разряд с полым катодом, из плазмы которого извлекаются ионы. Осциллирующие внутри катодной полости быстрые электроны обеспечивают генерацию однородной плазмы при очень низких давлениях газа.A known ion source is based on the injection of electrons from a glow discharge plasma through a small hole tightened by a fine-structure grid into the cavity of a plasma generator in which the main thin-wire anode is installed (E. Oks, A. Vizir, and G. Yushkov, Rev. Sci. Instrum. 69 853, 1998). A non-self-contained glow discharge with a hollow cathode develops in the cavity of the generator as a result of gas ionization by injected electrons, from which ions are extracted from the plasma. Fast electrons oscillating inside the cathode cavity provide the generation of a uniform plasma at very low gas pressures.

Однако доля извлекаемых из плазмы ионов в этом случае невелика и составляет около 4% от тока разряда, поэтому его эффективность оказывается невысокой.However, the fraction of ions extracted from the plasma in this case is small and amounts to about 4% of the discharge current; therefore, its efficiency is low.

Известен источник ленточного электронного пучка (Патент США US 3831052 А, 20.08.1974), содержащий цилиндрический полый катод с продольной щелью в боковой стенке, анод с эмиссионным окном, перекрытым металлической сеткой, ускоряющий электрод с окном для пропускания электронного пучка, в полом катоде которого повышение однородности пучка достигается многократной осцилляцией электронов.A known source of a tape electron beam (US Patent US 3831052 A, 08.20.1974) containing a cylindrical hollow cathode with a longitudinal slit in the side wall, an anode with an emission window covered by a metal grid, an accelerating electrode with a window for transmitting an electron beam, in the hollow cathode of which An increase in beam uniformity is achieved by multiple electron oscillations.

Однако наличие у катодной полости торцевых стенок вызывает различие в скорости образования ионно-электронных пар вблизи этих стенок и в остальной части полости. Это, в свою очередь, приводит к росту концентрации плазмы вблизи торцевых стенок полости и к наличию максимумов плотности тока по краям пучка.However, the presence of end walls in the cathode cavity causes a difference in the rate of formation of ion-electron pairs near these walls and in the rest of the cavity. This, in turn, leads to an increase in the plasma concentration near the end walls of the cavity and to the presence of current density maxima at the edges of the beam.

Известен плазменный электронный источник ленточного пучка (Патент РФ Плазменный электронный источник ленточного пучка. №2231164, С1, кл. Н01J 37/077, 20.06.2004), в котором в полом катоде для увеличения равномерности распределения частиц в потоке плазмы внутренние торцевые стенки катодной полости закрыты пластинами термостойкого неорганического диэлектрика.A known plasma electron source of a tape beam (RF Patent Plasma electronic source of a tape beam. No. 2231164, C1, CL H01J 37/077, 06/20/2004), in which the end walls of the cathode cavity are used to increase the uniformity of particle distribution in the plasma stream. closed by plates of heat-resistant inorganic dielectric.

Однако конструкция устройства обладает рядом недостатков: необходимость перекрытия эмиссионного окна сеткой; наличие в конструкции устройства ускоряющего электрода; возможность формирования потока плазмы только одной стороной поверхности полого катода, что вытекает из конструкции анода; отсутствие возможности формирования потоков плазмы, способных обрабатывать криволинейные поверхности.However, the design of the device has several disadvantages: the need to overlap the emission window with a grid; the presence in the design of the device of the accelerating electrode; the possibility of forming a plasma stream with only one side of the surface of the hollow cathode, which follows from the design of the anode; the inability to form plasma flows capable of processing curved surfaces.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является электронно-лучевая установка для пайки элементов полупроводниковых приборов (Журнал «Приборы и техника эксперимента», 1984, №5, с.218-220), содержащая плоские катод и сетчатый анод, изоляцию между ними, высоковольтный ввод. Минимальное расстояние между катодом и сетчатым анодом принималось равным темному астонову пространству тлеющего разряда, т.е. если изготовить анод и катод из сплошного материала, то между ними не возникнет газовый разряд; например, при р=0,5 Торр это расстояние составляло 0,3-0,4 см. Однако из-за плоской их конструкции данное устройство не способно обрабатывать криволинейные поверхности, т.к. большинство частиц плазмы будут взаимодействовать с криволинейной поверхностью под некоторым углом, что приведет к неравномерному распределению энергии поглощаемой поверхностью обрабатываемого материала. С другой стороны, травление дифракционного микрорельефа таким устройством приведет к искажению формы его микропрофиля.Closest to the technical nature of the present invention is an electron beam installation for soldering elements of semiconductor devices (Magazine "Instruments and experimental equipment", 1984, No. 5, p.218-220), containing a flat cathode and a mesh anode, insulation between them, high voltage input. The minimum distance between the cathode and the mesh anode was taken equal to the dark aston space of the glow discharge, i.e. if you make the anode and cathode from a solid material, then there will not be a gas discharge between them; for example, at p = 0.5 Torr, this distance was 0.3-0.4 cm. However, due to their flat design, this device is not able to process curved surfaces, because most plasma particles will interact with a curved surface at a certain angle, which will lead to an uneven distribution of energy absorbed by the surface of the processed material. On the other hand, etching of the diffraction microrelief by such a device will lead to a distortion of the shape of its microprofile.

В основу поставлена задача формирования потока газоразрядной плазмы, частицы которой бомбардируют криволинейную поверхность в направлении нормали к любой ее точки при одновременном увеличении тока газоразрядной плазмы, снижении напряжения на электродах газоразрядного устройства.It is based on the task of forming a gas-discharge plasma flow, particles of which bombard a curved surface in the direction normal to any point with a simultaneous increase in the gas-discharge plasma current and a decrease in the voltage on the electrodes of the gas-discharge device.

Указанная задача при осуществлении изобретения достигается тем, что в фокусаторе газоразрядной плазмы, содержащем катод, сетчатый анод, изоляцию, высоковольтный ввод, согласно изобретению катод и сетчатый анод выполнены с кривизной, равной кривизне поверхности обрабатываемого изделия, и располагаются на расстоянии 15λ<h>50λ, где λ - длина свободного пробега электрона в потоке газоразрядной плазмы (см. чертеж).The specified task in the implementation of the invention is achieved by the fact that in the focuser of a gas discharge plasma containing a cathode, a mesh anode, insulation, a high voltage input, according to the invention, the cathode and the mesh anode are made with a curvature equal to the curvature of the surface of the workpiece, and are located at a distance of 15λ <h> 50λ where λ is the mean free path of the electron in the gas-discharge plasma flow (see drawing).

На чертеже изображена конструкция фокусатора газоразрядной плазмы.The drawing shows the design of the focus of the discharge plasma.

Содержит высоковольтные ввод 1, кабель 2, через которые на катод 3 подается электропитание.It contains high-voltage input 1, cable 2, through which power is supplied to cathode 3.

Катод 3 коаксиально установлен в полый корпус 5, а между катодом и анодом проложена изоляция 6, корпус 5 закрыт крышкой 7 и сетчатым анодом 4, образуя электродную систему газоразрядного устройства, по образующей поверхности анод 4 прижимается кольцом 8 к корпусу 5, образуя с ним электрическую цепь.The cathode 3 is coaxially mounted in the hollow body 5, and insulation 6 is laid between the cathode and the anode, the housing 5 is closed by a cover 7 and the mesh anode 4, forming the electrode system of the gas-discharge device, along the forming surface the anode 4 is pressed by the ring 8 to the housing 5, forming an electric one chain.

Устройство осуществляется следующим образом.The device is as follows.

В сформированной конструкции анод-изоляция-катод со стороны поверхности анода 4 устанавливают обрабатываемое изделие, кривизна поверхности которого по фазе совпадает с кривизной поверхностей катода и анода. При подаче на полученную конструкцию напряжения от 0,3 до 6 кВ в области ячеек сетки анода возникает искривление силовых линий электрического поля. Свободные электроны, не встречая на своем пути ограничения, выходят за пределы анода и осуществляют ионизацию атомов остаточного газа, т.к. длина свободного пробега электрона находится в пределах, когда он успевает набрать энергию в ускоряющем поле, достаточную для осуществления процесса ионизации. Если электрон ионизирует один и более атомов, то в области анод-подложка возникает облако газоразрядной плазмы, которое является эффективным источником химически активных частиц для формирования криволинейной поверхности и на криволинейной поверхности дифракционного микрорельефа.In the formed structure, the anode-insulation-cathode, from the side of the surface of the anode 4, a workpiece is installed, the surface curvature of which coincides in phase with the curvature of the surfaces of the cathode and anode. When a voltage of 0.3 to 6 kV is applied to the resulting structure, a curvature of the electric field lines arises in the cell region of the anode. Free electrons, without meeting any restrictions on their path, go beyond the anode and ionize the atoms of the residual gas, because the mean free path of an electron is within the range when it manages to gain energy in an accelerating field, sufficient to carry out the ionization process. If an electron ionizes one or more atoms, a gas-discharge plasma cloud appears in the region of the anode-substrate, which is an effective source of chemically active particles for the formation of a curved surface and on a curved surface of a diffractive microrelief.

Поскольку в промежутке анод-катод свободный электрон не успевает набрать энергию для ионизации атомов остаточного газа, то вне ячеек сетки анода разряд не возникает. Это позволило получать потоки газоразрядной плазмы в сотни и тысячи миллиампер при напряжениях 0,3-1 кВ. Формирование потока газоразрядной плазмы за пределами электродов устройства устранило зависимость ее параметров от площади обрабатываемой поверхности (эффект загрузки).Since a free electron does not have time to gain energy in the gap between the anode and cathode to ionize the atoms of the residual gas, no discharge occurs outside the cells of the anode grid. This made it possible to obtain gas-discharge plasma flows of hundreds and thousands of milliamps at voltages of 0.3-1 kV. The formation of a gas-discharge plasma flow outside the device’s electrodes eliminated the dependence of its parameters on the area of the treated surface (loading effect).

При выполнении такого устройства в области ячеек сетки возникает поток плазмы, направление которого строго соответствует нормали к площади каждой ячейки сетки, т.е. возникает множество разнонаправленных микропотоков. Тогда если на криволинейной поверхности образца сформировать маскирующий слой, например, дифракционного микрорельефа, то травление будет осуществляться только в области незащищенной маской поверхности, что и приведет к формированию дифракционного микрорельефа на криволинейной поверхности. Однако если образец расположить на расстоянии от анода менее 15λ то газовый разряд приобретает неустойчивость условий своего существования, т.е. вместо стабильного горения наблюдаются вспышки, и процесс травления поверхности прекращается. Расположение образца более 50λ от анода приводит значительному искажению формы формируемого микрорельефа. Это происходит в связи с тем, что частицы плазмы в этой области движутся уже не прямолинейно, а подобно частицам плазмы в положительном столбе тлеющего разряда. Хаотичное их движение приводит к искажению формы формируемого микрорельефа поверхности образца и значительному уменьшению скорости травления.When such a device is implemented, a plasma flow arises in the region of the grid cells, the direction of which strictly corresponds to the normal to the area of each grid cell, i.e. there are many multidirectional microflows. Then, if a masking layer, for example, of a diffractive microrelief is formed on the curved surface of the sample, then etching will be carried out only in the area of the unprotected surface mask, which will lead to the formation of a diffractive microrelief on the curved surface. However, if the sample is placed at a distance of less than 15λ from the anode, then the gas discharge becomes unstable under its conditions of existence, i.e. instead of stable burning, flares are observed, and the surface etching process stops. The location of the sample more than 50λ from the anode leads to a significant distortion of the shape of the formed microrelief. This is due to the fact that plasma particles in this region no longer move in a straight line, but like plasma particles in the positive column of a glow discharge. Their random movement leads to a distortion of the shape of the formed microrelief of the surface of the sample and a significant decrease in the etching rate.

С другой стороны, если требуется вытравить микрорельеф криволинейной поверхности, то взаимодействие разнонаправленных потоков плазмы с плоской поверхностью происходит под разными углами, что соответствует разной величине энергии, поглощаемой обрабатываемой поверхностью. Отсюда следует, что каждая точка поверхности будет иметь разную скорость травления, за счет чего и формируется криволинейная поверхность обрабатываемого плазмой образца, равная по кривизне форме поверхностей катода и анода.On the other hand, if it is required to etch the microrelief of a curved surface, then the interaction of multidirectional plasma flows with a flat surface occurs at different angles, which corresponds to different amounts of energy absorbed by the treated surface. This implies that each point on the surface will have a different etching rate, due to which a curved surface of the sample processed by the plasma is formed, which is equal in curvature to the shape of the surfaces of the cathode and anode.

Claims (1)

Фокусатор газоразрядной плазмы, содержащий катод, сетчатый анод, изоляцию, высоковольтный ввод, отличающийся тем, что катод и сетчатый анод выполнены с кривизной, равной кривизне поверхности обрабатываемого изделия, и располагаются на расстоянии 15λ<h>50λ, где λ - длина свободного пробега электрона в потоке газоразрядной плазмы.A gas-discharge plasma focuser comprising a cathode, a mesh anode, insulation, a high voltage input, characterized in that the cathode and the mesh anode are made with a curvature equal to the surface curvature of the workpiece, and are located at a distance of 15λ <h> 50λ, where λ is the mean free path of the electron in a gas discharge plasma stream.