RU2395134C2 - Device for plasma-chemical treatment of materials - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: device for plasma-chemical treatment of materials consists of series-arranged towards the centre of the system and placed in a high-vacuum chamber diametrically opposite sources of electrons and targets made from sputtering material, an electronic-optical system for transmitting a beam of electrons with current density of approximately 0.3 A/cm², external magnetic field coils with induction along the beam of electrons of the order of 50 Gs, beam-plasma discharge chambers with supply of working gas and a displacement-rotary motion feedthrough lying perpendicular to the path of the beam of electrons with an attached specimen and possibility of applying biasing voltage.

EFFECT: treatment of materials with anisotropy and reduction of defects in the structure with sufficient rate of exposure without using high-frequency voltage sources.

1 dwg

Description

Изобретение относится к технологии производства приборов микро- и наноэлектроники, связанной с травлением и выращиванием структур на поверхности материалов, в том числе материалов из полупроводников или диэлектриков.The invention relates to a technology for the production of micro- and nanoelectronics devices associated with etching and growing structures on the surface of materials, including materials from semiconductors or dielectrics.

На сегодняшний день обработку материалов путем травления и выращивания структур на их поверхности осуществляют различными плазмохимическими методами. При производстве приборов микро- и наноэлектроники требуется высокая точность контроля и управления процессом при минимальном рождении дефектов в структуре и достаточной скорости (временные затраты на обработку материала должны быть приемлемы для использования в промышленных целях), что возможно при обработке материалов с помощью неравновесной плазмы. Для этих целей в основном используются ВЧ и СВЧ-разряды.To date, the processing of materials by etching and growing structures on their surface is carried out by various plasma-chemical methods. In the manufacture of micro- and nanoelectronic devices, high precision control and process control is required with a minimum of defects in the structure and sufficient speed (the time spent on processing the material should be acceptable for industrial use), which is possible when processing materials using non-equilibrium plasma. For these purposes, RF and microwave discharges are mainly used.

Известно устройство для плазмохимической обработки полупроводниковых пластин [1], содержащее активационную камеру, выполненную в виде трубы из диэлектрического материала с патрубком напуска рабочего газа, индуктор, выполненный в виде катушки индуктивности, навитой снаружи трубы на части ее длины и соединенной с ВЧ-генератором, реакционную камеру с патрубком откачки газов, экранирующими сетками, расположенными у основания трубы и термостабилизированным подложкодержателем, установленным в основании камеры, дополнительно снабжено заземленным экраном, выполненным в виде цилиндра из проводящего немагнитного материала, имеющего по крайней мере один разрез вдоль образующей цилиндра, и установленным между индуктором и трубой, а экранирующие сетки в устройстве выполнены в виде набора тонких металлических пластин, установленных параллельно друг другу под заданным углом к подложкодержателю, в цилиндрическом держателе, внутренний диаметр которого превышает максимальный диаметр обрабатываемых пластин. При этом угол наклона, количество и параметры пластин выбирают из условия прозрачности сетки для газового потока и перекрытия пластинами друг друга не более чем наполовину.A device for plasma-chemical processing of semiconductor wafers [1], containing an activation chamber made in the form of a pipe made of a dielectric material with a working gas inlet pipe, an inductor made in the form of an inductor coiled outside the pipe for a part of its length and connected to an RF generator, the reaction chamber with a gas evacuation pipe, shielding nets located at the base of the pipe and a thermostabilized substrate holder installed at the base of the chamber is additionally provided with a gap a shield made in the form of a cylinder of a conductive non-magnetic material having at least one cut along the generatrix of the cylinder and installed between the inductor and the pipe, and the shielding nets in the device are made in the form of a set of thin metal plates mounted parallel to each other at a given angle to substrate holder, in a cylindrical holder, the inner diameter of which exceeds the maximum diameter of the processed plates. In this case, the angle of inclination, the number and parameters of the plates are selected from the condition of transparency of the grid for the gas flow and overlapping of the plates by no more than half.

Недостатками плазмохимических устройств на основе ВЧ-разрядов являются сложность управления параметрами плазмы, большой расход рабочего газа для обеспечения достаточной скорости обработки и (или) увеличение ВЧ-напряжения, что приводит к радиационным повреждениям обрабатываемой поверхности и, как следствие, к понижению качества обрабатываемого материала, а также необходимость надежно экранировать электрические поля для обеспечения безопасности при использовании устройств.The disadvantages of plasma-chemical devices based on RF discharges are the difficulty in controlling the plasma parameters, the high consumption of the working gas to ensure a sufficient processing speed and (or) an increase in the RF voltage, which leads to radiation damage to the treated surface and, as a consequence, to a decrease in the quality of the processed material, and the need to reliably shield electric fields to ensure safety when using devices.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в плазмохимической обработке материалов (травление, напыление пленок из материала мишени иного состава и структуры, в том числе с использованием масок) с обеспечением анизотропии и уменьшения рождения дефектов в структуре при достаточной скорости воздействия (временные затраты на обработку материала должны быть приемлемы для использования в промышленных целях) на обрабатываемый материал без применения источников ВЧ напряжения.The technical result, to which the claimed invention is directed, consists in plasma-chemical processing of materials (etching, deposition of films from the target material of a different composition and structure, including using masks), ensuring anisotropy and reducing the birth of defects in the structure at a sufficient speed of exposure (temporary the cost of processing the material should be acceptable for industrial use) on the processed material without the use of sources of RF voltage.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в применении пучково-плазменного разряда для обработки материалов путем генерации плазмы с помощью воздействия на рабочий газ пучка электронов. В предлагаемом устройстве последовательно по направлению к центру системы расположены и помещены в высоковакуумную камеру диаметрально противоположные источник электронов и мишень, применяемая в случае режима нанесения покрытий из материала мишени при подаче соответствующего напряжения (смещения) на мишень, в зависимости от состава мишени; электронно-оптическая система для транспортировки пучка электронов в камеру пучково-плазменного разряда, внешние катушки для создания магнитного поля, обеспечивающие индукцию вдоль пучка электронов порядка 50 Гс. В центре системы находятся камера пучково-плазменного разряда с подачей рабочего газа и расположенный перпендикулярно траектории пучка электронов ввод вращения-перемещения с закрепленным образцом и возможностью подачи напряжения смещения.The essence of the invention lies in the use of a beam-plasma discharge for processing materials by generating plasma by applying an electron beam to the working gas. In the proposed device, diametrically opposite electron source and target are arranged and placed in a high-vacuum chamber sequentially in the high-vacuum chamber, which is used in the case of the coating mode of the target material when a corresponding voltage (bias) is applied to the target, depending on the composition of the target; an electron-optical system for transporting an electron beam to a beam-plasma discharge chamber, external coils for creating a magnetic field, providing induction along the electron beam of about 50 G. In the center of the system are a beam-plasma discharge chamber with a working gas supply and a rotation-displacement input perpendicular to the path of the electron beam with a fixed sample and the possibility of applying a bias voltage.

На чертеже показана схема устройства, которое состоит из высоковакуумной камеры 1, диаметрально противоположно расположенных относительно центра системы источника электронов 2 и мишени 3 из материала для напыления, электронно-оптической системы 4 для транспортировки пучка электронов, внешних катушек магнитного поля 5, камеры пучково-плазменного разряда 6, инициируемого с помощью пучка электронов в присутствии слабого магнитного поля при подаче внутрь камеры рабочего газа, и расположенного перпендикулярно траектории пучка электронов ввода вращения-перемещения 7 с образцом 8 из обрабатываемого материала.The drawing shows a diagram of a device that consists of a high-vacuum chamber 1, diametrically opposed to the center of the electron source system 2 and a target 3 of a material for sputtering, an electron-optical system 4 for transporting an electron beam, external coils of a magnetic field 5, a beam-plasma chamber discharge 6, initiated by an electron beam in the presence of a weak magnetic field when a working gas is introduced into the chamber, and perpendicular to the trajectory of the electron beam ode of rotation-displacement 7 with a sample 8 of the processed material.

Устройство для плазмохимической обработки материалов работает следующим образом.A device for plasma-chemical processing of materials works as follows.

Используемый источник электронов представляет собой накаливаемый либо полый катод. Формирование и транспортировка пучка электронов с плотностью тока около 0.3 А/см² (ток пучка электронов при этом около 1 А) в область пучково-плазменного разряда осуществляются с помощью стандартной электронно-оптической системы, например, подобной Пирсовой. Наличие внешних катушек магнитного поля (могут быть использованы как электрокатушки, так и постоянные магниты), обеспечивающих индукцию вдоль пучка электронов порядка 50 Гс, и электронно-оптической системы позволяют получить практически параллельный пучок электронов (плоский, в частном случае ленточный пучок), направленный внутрь камеры пучково-плазменного разряда. Разделение высоковакуумной камеры и помещенной в нее камеры пучково-плазменного разряда электронно-оптической системой создает дифференциальную откачку в области эмиссии электронов, что значительно увеличивает ресурс используемого катода. «Поджиг» плазмы и зажигание пучково-плазменного разряда с генерацией в нем потока ионов с энергией 70-150 эВ и плотностью, обеспечивающими технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, происходит в присутствии продольного магнитного поля порядка 50 Гс вдоль электронного пучка с плотностью тока около 0.3 А/см² при введении в камеру рабочего газа до рабочего давления порядка 1·10^-3 Торр, например аргона. В центре системы, перпендикулярно траектории пучка электронов, расположен ввод вращения-перемещения, являющийся держателем обрабатываемого образца так, что электронный пучок проходит вдоль обрабатываемой поверхности, а в случае ленточного пучка электронов - параллельно поверхности обрабатываемого образца. Используя возможность подачи на держатель образца ДС импульсного или радиочастотного смещения, меняются режимы травления и нанесения покрытий. При обработке образца без приложения дополнительного смещения на держатель используется режим автоколебаний в пучково-плазменном разряде. Вращение и перемещение перпендикулярно пучку электронов обрабатываемого образца обеспечивают равномерную обработку материала, а следовательно, повышает качество получаемой продукции.The electron source used is an incandescent or hollow cathode. The formation and transportation of an electron beam with a current density of about 0.3 A / cm ² (the current of the electron beam in this case is about 1 A) to the region of the beam-plasma discharge is carried out using a standard electron-optical system, for example, similar to Pirsova. The presence of external coils of the magnetic field (both electrocoils and permanent magnets can be used), which provide induction along an electron beam of the order of 50 Gs, and an electron-optical system make it possible to obtain an almost parallel electron beam (a planar, in the particular case ribbon beam) directed inward beam-plasma discharge chambers. The separation of the high-vacuum chamber and the beam-plasma discharge chamber placed in it by the electron-optical system creates differential pumping in the field of electron emission, which significantly increases the resource of the cathode used. "Ignition" of the plasma and ignition of a beam-plasma discharge with the generation of an ion flux with an energy of 70-150 eV and a density that provides a technical result to which the claimed invention is directed, occurs in the presence of a longitudinal magnetic field of about 50 G along an electron beam with a density a current of about 0.3 A / cm ² when a working gas is introduced into the chamber to a working pressure of the order of 1 · 10 ^-3 Torr, for example argon. In the center of the system, perpendicular to the trajectory of the electron beam, there is a rotation-displacement input that is the holder of the processed sample so that the electron beam passes along the surface to be processed, and in the case of a tape electron beam, parallel to the surface of the processed sample. Using the possibility of applying pulsed or radio-frequency bias to the sample holder DS, the etching and coating regimes change. When processing a sample without applying additional bias to the holder, the self-oscillation mode in a beam-plasma discharge is used. Rotation and movement perpendicular to the electron beam of the processed sample ensure uniform processing of the material, and therefore improves the quality of the resulting product.

Данное устройство может быть выполнено в виде встраиваемого узла в серийно выпускаемые установки.This device can be made in the form of an embedded unit in a commercially available installation.

Источники информацииInformation sources

1. Патент RU 2249883 С1, кл. H01L 21/3065, 18.07.2003, опубл. 10.04.2005.1. Patent RU 2249883 C1, cl. H01L 21/3065, 07/18/2003, publ. 04/10/2005.

Claims (1)

Устройство для плазмохимической обработки материалов, состоящее из последовательно расположенных по направлению к центру системы и помещенных в высоковакуумную камеру диаметрально противоположных источника электронов и мишени из материала для напыления, электронно-оптической системы для транспортировки пучка электронов с плотностью тока около 0.3 А/см², внешних катушек магнитного поля с индукцией вдоль пучка электронов порядка 50 Гс, камеры пучково-плазменного разряда с подачей рабочего газа и расположенного перпендикулярно траектории пучка электронов ввода вращения-перемещения с закрепленным образцом и возможностью подачи напряжения смещения. A device for plasma-chemical processing of materials, consisting of diametrically opposite electron sources and targets from a material for sputtering, diametrically opposed electron source and a target from a material for sputtering, an electron-optical system for transporting an electron beam with a current density of about 0.3 A / cm ² , external coils of a magnetic field with induction along an electron beam of the order of 50 G, a beam-plasma discharge chamber with a working gas supply and a perpendicular trajectory A beam of electrons of input of rotation-displacement with a fixed sample and the possibility of applying bias voltage.