автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Исследования физико-химических процессов генерации и гибели частиц в плазме ВЧ разряда в планарном реакторе плазмохимического травления промышленного типа

Р Г Б ОД 2 2 АПР 1996

На правах рукописи

ПАШКОВ ВЛАДИМИР ЮРЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ГЕНЕРАЦИИ И ГИБЕЛИ ЧАСТИЦ В ПЛАЗМЕ ВЧ РАЗРЯДА В ПЛАНАРНОМ РЕАКТОРЕ ШАВМОХИМИЧЕСКОГО ТРАВЛЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ТИПА

05.27.01 - Твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлвктроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1996

- г -

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте точного машиностррения

Научный руководитель: доктор техничеишх наук

Киреев В.Ю.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Сорокин И.Н.

кандидат физико-математических наук Савинов В.П.

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт физических проблем им. Ф.В. Лукина " • , "

Защита диссертации состоится "_"_• 1996 г.

в _ часов на заседании диссертационного совета

Д.053.02.02 в Московском институте электронной техники по адресу: 103498, Москва К-498, МИЭТ (ТУ). .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ (ТУ).

Автореферат разослан "_

1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат физико-математических ,

наук, доцент

Орлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы, Микроэлектроника является катализатором научно-технического прогресса для всех важнейших отраслей промышленности и науки, а уровень развития и объемы производства ее основных изделий - интегральных схем (ИС) во многом характеризуют экономический, оборонный и культурный потенциал страны.

Ключевой технологической проблемой микроэлектроники в ближайшее десятилетие является освоение промышленного производства кремниевых СБИС и УБИС (сверх- и ультрабольших ИС) со степенью интеграции 10б-10а элементов на кристалл, с минимальными размерами элементов (0,35-1,2) мкм и площадью кристалла (0,652,0) см2.

Основой в разработке и освоении промышленного производства СБИС и УБИС является создание оборудования со стабильными технологическими характеристиками, обеспечивающими получение ИС с элементами субмикронных размеров при высоком показателе выхода годных.

Существенное место в технологии микроэлектроники при реализации травления топологических элементов ИС с высоким разрешением занимает плазмохимическое (ПХ) и ионно-плазменноо (ИП) оборудование. В ПХ оборудовании процессы 'Травления на основе высокочастотного (ВЧ) разряда пониженного давления реализуются в рабочих камерах, получивших название реакторы.

Плазмохимические процессы, протекающие в реактор.ах, представляют собой сложные, много^актсрные явления. Данные процессы включают в себя механизмы взаимодействия частиц в объеме ВЧ плазмы, на границе плазма-обрабатываемый объект, на границе плазма-конструкционные элементы реактора.

Без детального изучения и исследования механизмов и кинетики физико-химических взаимодействий и их особенностей в плазменных

- л -

пленарных.реакторах, представляющих собой наиболее расцространен-шй тип разрядной системы в серийных установках' ПХ травления, невозможны успешные разработки технологических процессов и оборудования сухого размерного травления (ОРТ) функциональных слоев для изготовления ИО с.субмикронными размерами элементов.

;Планарные реакторы в силу их универсальности при эксплуатации и технологичности при изготовлении до настоящего времени остаются одними из широко используемых в промышленном оборудований.

Необходимость совершенствования конструкции ПХ реакторов с целью достижения высоких технологических характеристик травления делает крайне актуальной проблему исследования механизмов й кине-тшш (^зико^зшшческих процессов в планарных реакторах.

Цель работы - исследования физико-химических процессов генерации и гибели частиц в объеме плазмы ВЧ разряда пониженного давления и на поверхностях планерного диодного реактора для установления особенностей возбуждения разряда и поддержания характеристик плазмы на заданном уровне, взаимодействия плазмейной среды с материалами внутренних -элементов реактора и обрабатываемыми изделиями, '

Задачи исследования. Для достижения поставленной-цели в работе решаются следующий задачи:- • ... •'

- экспериментальные исследования в пленарном реакторе в ВЧ рйзряде Аг пониженного давления.закономерностей радиального распределения внутренних параметров плазмы (электронные плотность 11е и■температура Т^), связи средней массовой,температуры газа (Т ) с внешними операционными параметрами, особенностей прост-,, ранственного распределения "характеристического излучения плазмы в межэлектродном зазоре ; ■.■'■?■

- экспериментальные исследования зависимости распределения энэрговыделения в планарном реакторе вводимой в'разряд в 5Р6 ВЧ

-"б -

мощности от внешних операционных параметров;

- разработка инженерной методики оптимизации геометрической конфигурации пленарной диодной разрядной системы на основе простой модели энерговыделения ВЧ мощности в объеме ПХ реактора;

- опредэление вероятностей (7ГР) и констант скорости (КГР) гибели атомов фтора (р) на различных конструкционных.материалах

в плазме в широком диапазоне внешних операционных параметров;

- экспериментальные исследования зависимости пространственного распределения концентрации р в межэлектродном зазоре в ВЧ вдазмэ БР6 от операционных параметров разряда и материала элементов рабочей камеры;

- исследования влияния материала покрытия элактрода-подложко-деркателя в ВЧ плазме на технологические характеристики процесса травления кремния, концентрацию атомов фтора в приэлектрод-ной области •разряда и тенденции изменения концентрации высоко-эцергатических электронов. •

• ■ • Для • исследования цлазмы использовались метод оптической ■ 'эмиссионной спектроскопии с элементами актинометрии (включая актинометрию о временным разрешением), метод электростатических-зондов Ленгмюра, метод контроля за плазменной средой по состоянию тестовых образцов. ' . -

Стабилизация температуры внутренних элементов реактора и как следствие этого стабилизация <|изико-химичвских характеристик разряда осуществлялась специально разработанным холо,-дилышм термостатотд.

Научная новизна работ« состоит в следующем: ' •

I.Впервые определены вероятности гибели атомов фтора в ВЧ плазме.пониженного•давления в смеси для различных ма-

териалов: 51 (пластина КДБ-10(100)), фторопласт-4, АМг2М', сит ал типа "Маоог", кварцевое стекла-'КВ, сталь 12Х18Н10Т, и, АХао3,

Zr02, Nbx0y yv5], ■ керамические композиции sio-AiN-Y2o3 и

Si„N .-Yo0„-Al_0_, a T8KJKB закономерности их изменения в зависи-

j 4 со со

мости от уровня вводимой в разряд ВЧ мощности (Vfd=I9-200 Вт), давления газа (Р=20-100 Па); межэлектродного зазора (Н=30-52 мм). Проведено сравнение вероятностей гибели. Р на Si и АМг2М, полученных в плазме и послесвечении.

2. В результате , исследоваш-'5 ВЧ плазмы Аг пониженного давления (Р=31,9 Па) в планарном диодном ассимметричном реакторе обнаружены!

- эффект вытеснения плазмы из центра реактора на периферию при сближении электродов с одновременным увеличением вводимой в разряд ВЧ мощности;

- взаимосвязанные эффекты повышения интенсивности излучения характеристической линии Аг в зоне "отрицательного свечения" к аномального нагрева газа' при определенных операционных парамет- ■ pax (Н=40 мм; W=r00-200 Вт). '

3. В зависимости от wd и Н определена средняя массовая температура газа в ВЧ разряде.Аг, которая в исследуемом диапазоне операционных параметров составляла значения 316-356 К.

4. Исследовано распределение энерговыделения вводимой в разряд ВЧ мощности в рабочем газе, на потенциальном и заземленном электроде-подложкодёржетеле, на заземленных частях реактора в ВЧ плазме в смеси SP6+2,5%Ar в диапазоне уровня ВЧ мощности 100-§00 Вт, давления рабочего газа 32-100 Па, межэлектродного зазора 20-52 мм.

5. Показано влияние материала покрытия заземленного электро-, да-подлжкодержателя (AMrZM, si, w, ZrO,, Nbxo ■ [злЗ, Sic-AiN-Y2o3, si3N4-Y2o -ai2o3) в планарном диодном реакторе на . технологические характеристики травления кремния тина КДБ-Ю(ЮО) в смеси SF +2,5%Аг в ВЧ плазме пониженного давления (32 Па),

тенденции изменения концентрации быстрых электронов с пороговой энергией £1Ь>13,5 эВ, относительную концентрацию атомов фтора в разряде.

6. Исследовано пространственное распределение концентрашш атомарного фтора в межэлектродном зазоре в диодном планарном ас-симметричном реакторе из алюминиевого сплава АМг2М, при наличии в зоне плазмы' технологической накладки из 31с-а1Г<-у2о3, наличии загрузочного эффекта в ВЧ плазме пониженного давления (32 Па) в смеси 31^+2,5ЯАг в широком диапазоне внешних операционных условий генерации разряда (11^=100-350 Вт, Н=20-52 мм). Показано, что на-рабйтка Р в.ллазме определяется во многом конкуренцией двух механизмов (гененрация электронами плазмы или высокоэнергетическими катодными электронами), а переход от одного механизма к другому связан с внешними операционными параметрами разряда.

Практическая ценность работы;

1. Разработан и внедрен холодильный термостат для тепловой стабилизации электрода-подложкодержателя, позволяющий уменьшить тепловые нагрузки на внутренние элементы реактора и обрабатываемые в плазме технологические объекты, значительно повысить-воспроизводимость процессов травления и стабилизировать кинетику реакций в активном объеме рабочей камеры.

2. На основе предложенной простой модели энерговнделения ВЧ мощности в объеме ПХ реактора разработана инженерная методика оптимизации геометрической конфигурации пленарной диодной разрядной системы. Инженерная методика позволяет настроить внешние операционные параметры разряда на достижение требуемых значений внутренних физических характеристик плазмы при оптимизации конфигурации разрядной электродной системы диодного реактора и отработке заданной технологической операции травления.

3. Определены тепловые нагрузки на внутренние конструкционные

элементы реактора и КЦЦ вклада мощности в исходный рабочих газ, на основе которых сформулированы технические требования при разработке системы термостабилизации конструктива рабочих камер установок ПХ травления. ' г

4.Разработана методика измерения вероятностей и констант скорости гибели атомов фтора с помощью двух модификаций актинометрии с временным разрешением•в плазме и послесвечении, а также показана ее эффективность для смеси БР6+2,БМг.

. Б. Впервые получены значения вероятности гибели атомов г в плазме на различных материалах и установлены закономерности воздействия материалов внутренних элементов рабочей камеры на состояние фторсодержащей плазменной среды, что открывает возможности целенаправленного выбора наиболее перспективных конструкционных материалов для плазмохимических.реакторов.

Достоверность результатов. . • ■

Достоверность полученных экспериментальных и теоретических результатов исследований обусловлена не противоречием данных результатов известным и апробированным постулатам химической кинетики, газодинимики, молекулярной физики, физики газовых разрядов и подтверждается контрольными экспериментами, количественными оценками погрешностей измерений и регулярными аттестациями диагностического оборудования.

На защиту выносятся следующие основные положения; .1. Значения вероятностей и констант скорости гибели атомов фтора на различных конструкционных материалах в ВЧ плазме пониженного давления в смеси ВР6+2,5ЯАг и в послесвечении в широком . диапазоне операционных параметров разряда (давление Р, мощность иа, межэлектродный зазор Н), полученные в результате экспериментальных исследований и открывающие возможность целенаправленного выбора конструкционных материалов для ПХ реакторов.

2. Закономерности энерговыделвния в рабочем газе, на потенциальном и заземленном электроде-подложкодержателе в планарном ас-симметричном диодном реакторе в ВЧ плазме пониженного давления в смеси 8Р6+2,Б^Аг в широком диапазоне операционных параметров разряда (р, «7(1, Н), определяющие энергоэффективность планарного реактора.

3. Результаты исследования влияния материалов покрытия элек-трода-подложкодержателя в ВЧ плазме вр6+2,Б^Ар на технологические характеристики травления кремниевой пластины, тенденции изменения концентрации быстрых электронов с энергией £1Ь>13,5 эВ и относительную концентрацию атомов фтора в межэлектродном зазоре в планарном ассимметричном диодном реакторе, позволяющие оптимизировать процесс ПХ травления 31.

4. Полученные зависимости средней массовой температуры газа в ВЧ плазме аргона от операционных параметров разряда (IV,, Н), характеризующие особенности генерации разряда в планарном реакторе.

5. Закономерности вытеснения плазмы из центра диодного реак-• тора на периферию при сближении электродов и увеличении вводимой

в разряд ВЧ мощности, зарегистрированные на основе измерений внутренних параметров плазмы (электронные температура и плотность) в "положительном столбе" ВЧ разряда аргона.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на научных семинарах НИИТМ, лаборатории СТИМО МИЭТ, ВНИИФТРИ, ФТИРАН, докладывались на 2-ой научно-технической конференции "Вакуумная наука и техника" (г.Гурзуф, октябрь 1995 г.), Ш-ем Российско-китайском симпозиуме "Актуальные проблемы современного материаловедения" (г.Калуга, октябрь 1995 г.).

■ Публикации. Результаты диссертационной работы изложены в 2-х научно-технических отчетах по НИР, 3-х статьях, 1-м препринте, тезисах 4-х докладов на конференциях.

- -

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти Ллав, заключения, списка используемой литературы и приложения. Диссертация изложена на 163 страницах основного текста, содержит 49 рисункоь И 8 таблиц к основному тексту, список литературы из 150 наименований и 3 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается общая характеристика работы, обосновывается актуальность темы, формулируются цель и задачи работы,излагаются выносимые на защиту научные положения, демонстрируются научная новизна и практическая значимость полученных результатов, определяются структура и объем диссертации.

Первая глава носит обзорный характер и посвящена анализу, литературных данных по теме, диссертации.

В данной главе рассмотрен вопрос применения плазмохимических процессов в технологии ОРТ. Показано широкое практическое использование ПХ пленарных реакторов в промышленном оборудовании микроэлектроники. Отмечены перспективность гексафторида серы (элегаза) и газовых смесей на его основе при реализации травления кремния, а также то, что элегаз может выступать модельным газом в исследованиях физико-химических процессов, происходящих в ПХ пленарных реакторах, в,том числе при их аттестации и оптимизации.

В.связи.с тем, что значения технологических характеристик процессов ПХ травления функциональных слоев в реакторе определяются внутренними физико-химическими параметрами обрабатывающих сред, обрабатываемых материалов и материалов рабочих камер сделан вывод об особой важности решения задачи установления объективных-закономерностей (точных связей) между внешними операционными и конструкционными параметрами и внутренними физико-химическими па-

рамэтрами для организации прецизионного управления процессом ОРТ. При этом в основе объективных закономерностей должны лежать результаты исследований особенностей механизмов объемных и поверхностных взаимодействий в разряде и на поверхностях ПХ реактора.

Проанализированы возможности известных методов регистрации состояния и состава ВЧ плазмы пониженного давления. В качестве одного из возможных вариантов набора средств и метода® диагностирования, позволящего в полном объеме описать состояние плазмы в пленарном ПХ реакторе, рассмотрен комплекс, объединяющий в себе оптическую эмиссионную спектроскопию с элементами актинометрии, метод цилиндрических электростатических зондов Ленгмюра, метод контроля за плазменной средой по состоянию тестовых образцов.

Обобщены результаты современных экспериментальных физико-химических исследований плазмы по вопросам структуры разряда, измерений концентрации химически активных частиц, концентрации

• и температуры электронов в пленарных реакторах промышленного и аналитического типа, представленные в отечественных и зарубежных

■ работах. Подробно рассмотрены методология и модификации оптической актинометрии, в частности в приложении к ВЧ плазме з^+аАг -(сЫЗ,5-Ю %) пониженного давления, а также способы расшифровки • вольт-амперных характеристик электростатического зонда Ленгмюра на ионной ветке с применением подходов Лафрамбруаза.

, Анализ опубликованных результатов теоретических и экспериментальных Исследований показал, что не в полной мере рассмотрены вопросы пространственного распределения внутренних физических па-

• раметроп плазмы в пленарных реакторах, практически отсутствуют данные но распределению энерговыделения вводимой в разряд ВЧ мощ-

; ности и. вероятностям гибели химически активных частиц в плазме на конструкционных материалах.'. На основании обзора современных

• теоретических и экспериментальных данных сформулированы задачи'-

настоящей работы.

Во второй главе описаны экспериментальная установка, ее основные функциональные узлы, диапазоны операционных параметров, средства и методики диагностирования параметров плазмы.

Экспериментальная установка выполнена ка базе ассимметричного планарного реактора с потенциально развязанными от заземленного корпуса рабочей камеры электродами (верхний электрод с "Душем" для газоподзчл и нижний электрод - подложкодэржатель). Геомет-' рическая конфигурация электродной системы и принцип ее построения соответствовали пленарным реакторам серийных установок индивидуального ПХ и РИТ травления (08ПХ0.125/1-008, "Электроника ТМ 1105, 1106, 1107"), что обеспечивало прикладную практи- . ческую направленность проводимых исследований с целью дальней-■ шей оптимизации промышленных реакторов.

Исполнение реактора предусматривало возможность реализации■■ ВЧ разряда диодного (частота 13,56 МГц; режимы РИТ и ПХТ) и три-одного (основная частота 13,56 МГц; чвстота напряжения смещения на электроде - подложкодержателе 440 кГц)' типов. Давление рабочего газа в экспериментах контролировалось мембранным емкостным датчиком мкб "валаиШ" типа 127А. Задание и .поддержание расхода рабочего газа производилось с помощью 4-х канального газового блока, активными регулирующими элементами которого выступали РРГ-6. В качестве рабочих газов в исследованиях использовались бр6>. Аг, а также их смесь. Охлаждение верхнего электрода и нижнего заземленного кольца, окружающего электрод-подложкодержа-тель-, осуществлялось магистральной Водой с удельным теплосъемом qIг = (И,17±о,78) Вт/К. Термостабилизация электрода-подложкодер-кателя производилась холодоносителэм (40 % водяной раствор этиг ленгликоля), подаваемым из.специально разработанного холодильного термостата. Рабочими параметрами системы охлаждения электрода-

подложкодержателя являлись: температура холодоносителя Т = 283 К (10 °С), точность ее поддержания ± 0,7 К, удельный теплосъем ^=(20,05+1,08) Вт/К.

Холодильный термостат создан на основе фреоновой холодильной машины. Выбир технических характеристик функциональных элементов данной машины (компрессор, капиллярная трубка, конденсатор, отсасывающая трубка) определялся проведенным калориметрическим расчетом.

Эмиссионно-спектральные исследования ВЧ разряда пониженного давления в работе выполнены с помощью акустооптической спектральной системы, с временным разрешением , регистрируемого излучения АОСК "Микрохрон" (АА=400-800 НМ; б\=±1,5 А; д1пЯ=5 %; 2,5-3,5 А; *;отс>1 =50-32000 мкс) в режимах считывания информации о полном спектре излучения плазмы, хронограмм изменения интенсив-ностей излучения характеристических линий атомов фтора Р и аргона Аг (1пР (703,7 нм) и 1пАг(750,4 нм)), микрохронограмм изменения' интенсивностей излучения указанных выше линий при импульсной модуляции разряда.

На основании разработанной методики обработки участка гибели цинетической кривой для атомов фтора, построенной в процессе • регистрации микрохронограмм 1пР(703,7 нм) и 1пАг(750,4 нм), в предположении 1-го порядка реакций гибели атомов фтора в ВЧ разряде пониженного давления получены выражения для расчета константы скорсоти их гибели (К >:

- в послесвечении

- -I |* 1пР(703,7 нм)(-(;и») 1пР(703,7 нм) (1; > К 1л -: / -;-

г" . ■ 1"ГпАР(750,4 нм) ) 1пАг(750,4 НМЖ)

в плазме

-i ff IriF(703,7 HM)(tH2) IriF(703,7 HM)(to) "I kl "[i ínAr(750,4 нм)(tw2) - InAr(760,4 BM)(to) J

ГГ InP(703,7 HM)(t) InP(703,7 HM)(to) i [[ InAr(750,4 HM)(t) InAr(750,4'HM)(to) J

гдэ t - текущее значение времени на участке гибели; tril -. последняя Еременная точка участка накопления; tk=t-tH4; tM2 - начальная временная точка отсчета анализируемого участка гибели; tltí=t-ti)2; to - временная точка выхода кинетической кривой На участке гибели в стационарное состояние.

• Для диагностики внутренних физических параметров плазмы была использована измерительная схема на базе одиночного электростатического зонда Левгмюра (проволока' из Аи дааМетром 60 мкм и длиной 7 мм). Обоснован выбор реализованных в измерительной схеме функциональных элементов, а также представлена методика расшифровки вольт-амперных характеристик зонда.

Основными параметрами травления, контролируемыми в исследованиях, являлись скорость и равномерность травления пластины si диаметром 100 мм типа КДБ-Ю(ЮО). Приведены методики измерения данных параметров.

Диагностика средней массовой температуры газа и температуры нагрева .обрабатываемого объекта в ВЧ разряде была произведена с помощью термометрической системы, включающей в себя кварцевые держатели, пластину Si диаметром 100 мм , являющуюся собственно термометрическим телом, с прикрепленной к ней посредством , тепдопроводящей пасты КТП8 хромелыкопелевой термопары,а также измерительный прибор ЦУИП. Калибровка целиком всей термометрической системы выполнялась в"реакторе в условиях максимально, приближенных к рабочим, что позволяло учесть ряд неизбежных диагностических ошибок контактного метода.

Третья глава посвящена исследованию особенностей формирования аргоновой плазмы в ВЧ разряде пониженного давления в ассим-метричном пленарном диодном реакторе. Применение в качестве рабочего газа Аг давало возможность избежать проблемы, возникающие при расшифровке результатов физико-химических исследований состояния плазмы и вызванные наличием электроотрицательных ионов и сложных многоатомных' соединений.

Получэны пространственные диаграммы распределения интенсивности излучения характеристической линии Аг с А.=750,4 нм (1пАг(750,4 нм)) в межэлектродном зазоре ПХ реактора без обрабатываемы! объектов для широкого диапазона операционных пара-Петров. -

Пространственные диаграммы свидетельствуют о принадлежности разряда к категории 7 типа, при этом важная роль в его организации и поддержании принадлежит "катодному слою" и быстрым вторичным электронам. С ростом происходит увеличение 1пАг(750,4 нм) в области "положительного столба" разряда и размера зоны "отрицательного свечения". С уменьшением.Н наблюдается усиление влияния быстрых катодных электронов на формирование структуры разряда.

Из пространственных диаграмм обнаружен экспериментальный

* *

факт резкого повышения максимума интенсивности излучения линии Аг 750,4 нм в зоне "отрицательного свечения" при определенных фиксированных- операционных параметрах (Р=31,9 Па; Н=40 мм; уг,=100-200 Вт). Исходя из,выполненных оценок, данному экспериментальному факту дано качественное объяснение, связанное с геометрическим резонансом и чоренковской пучковой неустойчивостью. -; ■■ - - ••..,",;, .

Средняя массовая температура газа . (Тд) в ВЧ разряде Аг. . была определена по: переходной экспериментальной-характеристике, установления температуры термометрического тела после зажигания . -

разряда в результате решения уравнения теплопередачи. Получены зависимости Тд от Н и при фиксированных значениях Р. О ростом

Т^ увеличивается. Связь и Н имеет сложный характер, обусловленный проявлениями геометрического резонанса и вытеснения плазмы из центральной зоны реактора (область расположения термометрического тела) на периферию. В целом Тд имеет диапазон изменений 315-356 К при Р=31,9 Па, Н=20~52 мм, 1^=100-350 Вт.

Основным каналом нагрева технологического объекта в объеме ВЧ плазмы,Аг является теплоотдача от атомов (вклад составляет более 90 % от суммарного нагрева) и ионов (вклад составляет менее 10 % от суммарного нагрева ). Контрольные эксперименты с ВЧ разрядом- в ЗР&+2,5^Аг показали, что существенный вклад в нагрев технологического объекта в объеме химически активной плазмы вносит энергия химических реакций, протекающих на поверхности указанного объекта.

Зондовые измерения Т0 и были произведены в ВЧ плазме Аг пониженного давления (Р=31,9 Па) в области "положительного столба" в центре диодного реактора и на его периферии. Сняты зависимости Г10 и т0 от Н (30-52 мм) и (100-400 Вт). Характерные

значения Тп лежат в диапазоне 1,6-3,5 эВ, а яй - в Диапазоне ° ю

(1,2-4,6)*Ю см . На основании экспериментальных данных Т0, н0 и Т расчитаны значения электропроводности плазмы (о0 ), которые находятся в диапазоне изменений (1,б-8)*10 0м~1см~1.

Результаты исследований радиального распределения Т0, п0, ' о0 в ассимметричном планарно(л диодном реакторе подтверждают вывод о возникновении эффекта вытеснения плазмы в ВЧ разряде Аг пониженного давления из центра реактора на его' периферию с уменьшением Н. Увеличение в данных условиях усиливает картину вытрснения. ■ ■

•*• ' Чотьертая глава включает в себя'экспериментальные результаты по исследованию рассеяния' ВЧ мощности в разрлд.'- 5Г в планарнсм-

диодном реакторе и данные теоретических расчетов предельных (максимальных) значений основных физических параметров плазмы (Иео и Тео- оценки предельных значений электронных плотности и температуры; Е01~ оценка предельного значения напряженности электрического поля в "положительном столбе"; Д - оценка толщины "катодного слоя").

Исследования распределения энерговыделения ВЧ мощности в широком диапазоне операционных параметров («¿=100-400 Вт; Н=30-52 мм; Р=31,9-100,9 Па) были выполнены калориметрическим методом по известным величинам сц,, и ^ в системах охлаждения реактора и контролируемым перепадам температур холодоносителя на иходе и выхода рассматриваемых функциональных элементов рабочей камеры. Показано что, относительное энерговыделение в рабочем газе (плазме) составляет 23-50 %, на потенциальном электроде-подложкодержателе оно достигает 29-36 %, а на заземленном элек-троде-подложкодержателе данная величина равняется 8-25 %.

В условиях конфигурации пленарного диодного реактора с потен-гиальным (активным) электродоМ-подложкодержателем для указанного Еыше диапазона операционных параметров произведена регистрация вмплитуды ВЧ напряжения (и0) и напряжения постоянного смещения (автосмещения) потенциального электрода (и^). Отмечено измене,-ние амплитуда ВЧ напряжения в диапазоне 115-215 В, при "этом напряжение постоянного смещения принимает значения 16-147 В.

Результаты измерений и0, п^ и энерговыделения в плазме («р1) дали возможность расчитЭть по предложенной модели зависимости Л0С), Т0Й, Е01, <1 от Р, Н, ^ для ВЧ разряда в 5Р6+2,5$Аг. Предложенная модель энерговыделения мощности в объеме ВЧ разряда (плазме) построена в: предположении допущений о нарушении диффузного режима движения электровоз на электроды ("электронный газ" как целое совершает колебания в* среде совершенно ноподвиж-

ных и равномерно распределенных по межэлектродному зазору ионов), а также об основной роли "положительного столба" в нагреве плазмы (проходящего через разряд газа). Оценкам предельных значений отвечают следующие полученные диапазоны изменений : И6о=(0,85-2,7)*Ю9 см-3, Т0О=1,1-Ю эВ, Е01=7-28,6 В/ом, ¿1=1,9-4,1 мм. Закономерности и масштаб изменений зависимостей расчитанных значений внутренних параметров плазмы хорошо совпадают с опубликованными экспериментальными результатами.

На основе предложенной модели энерговыделения ВЧ мощности в плазме пониженного давления разработана инженерная методика оптимизации, геометрической конфигурации Планерной разрядной . системы диодного ПХ реактора.

Решение прямой задачи в рамках разработанной инженерной методики сводится к расчету Тео, ы0о, Е01, А по известным величинам Р, У0, иас, и» и геометрическим размерам разрядной системы (Б0ф- эффективная поперечная площадь электродной системы, Ър-эффективный межэлектродный зазор)

рассмотрение обратной задачи связано с определением и0, иа, Ьр, (или и0, Е01, а, №а)по известным (или заданным) предельным значениям Е0,, Н0О, Т0О, Бвф, Р, и^. «р1/ (или Тео, Мео, Ьр, йдф, Р,иао). •

В пятой главе представлен анализ экспериментальных результатов по измерению вероятностей и констант скорости гибели атомов-р на различных -материалах, а такие влиянию конструкционных материалов реактора на состояние ВЧ плазмы гексафторида серы в нем и технологические характеристики ПХ травления Б1 типа КДБ-10(100). Исследования показали, что ВЧ разряд пониженного1давления?в . БР6+2,5Мг в ассимметричном пленарном диодном реакторе является '''разрядом 7 типа. При этом наработка атомов I' в реакторе во многом зависит от конкуренции двух механизмов (генерация шшзмон-

шми или высокоэнергвтическими катодныш электронами). Переход наиболее значимой роли в генерации Р от одного механизма к другому связан с внешними операционными парамерами. Использование технологической накладки из многокомпозиционной керамики типа кс-Ат-УдОд на заземленное электроде-подложкодержателе вызывает снижение энергии пучка быстрых электронов в "катодном слое" и как следствие этого уменьшает концентрацию атомов Р с одновременным увеличением однородности плазмы. На стационарную концентрацию ■зтомов Р в межэлектродном зазоре в ВЧ разряде при наличии кремниевой пластины в реакторе оказывают воздействие гибель Р на и непосредственно продукты травления. Относительная убыль концентрации Р тем больше, чем больше уровень вводимой ВЧ мощности и площадь обрабатываемой Б1 пластины.

Экспериментальные данные свидетельствуют о 1-ом порядке реакции гибели Р в пленарном ассимметричном реакторе промышленного типа для используемых в .работе операционных параметров (Р=20-100 Па; «а=19-200 Вт; Н=30-52 мм). С помощью метода оптической актинометрии с временным, разрешением в указанном выше диапазоне операционных'параметров впервые определены вероятности гибели Р в'ВЧ плазме 5Р&+2,5$Аг на ряде конструкционных материалов (АМг2М; 12Х18Н10Т; 31 типа КДБ-Ю(ЮО); стекло типа КВ; Б1с-АШ-Уго3; ситал типа "Маоог"; З13ыд-Уг03-А1г03; А1го3; ггОг; КЪхОу [х\2, ]; фторопласт 4), а также в послесвечении (импульсная модуляция разряда) на алюминиевом сплаве АМг2М и типа КДБ-Ю(ЮО). В реакторе триодного типа из АМг2М выполнена регистрация зависимости константы скорости гибели Р от напряжения сме-цения (г=440 кГц) на электроде-подложкодержателе. Исследована временная динамика изменения 7гг в планарнсм диодном реакторе из !Шг2М при его выходе на рабочий режим. Сделан вывод о том_ что, :!ремя выхода реактора.в рабочее стационарное состояние после га-

кигания в нем ВЧ разряда пониженного давления в ЗР6+2,5ХАг составляет 36-40 мин.

В целом полученные экспериментальные значения 7ГГ обобщена в таблице I.

Таблица I

Материал . накладки Ттр(Б1). мкм/мин ^тр»' % 7*10 ~3 Примеч.

АМг2М 0,08-0,28 5,5 11,5-19,2 плазма

10,2-11 позлесвеч.

51 типа 315-428 плазма

КДБ-Ю(ЮО) 231-278 яослесвеч.

V? 0,02-0,21 2,5 . 199-255 плазма

"Маоог" 106-146 плазма

НЪхОу[х-25у-5] 0,04-0,22 5,3 86-140 плакма

"зМЛГ 0,06-0,22 1.9 64-125 югаг-ша

А12°3

стекло КВ 59-86 плазма

А12о3 . 56-60 плазма

гго2 0,06-0,26 6,9 57-73 плазма

12Х18Н10Т 47-85 плазма

Б1С-А1Ы-У203 0,05-0,27 0,9 9-14,1 плазма

фторопласт 4 .2,8-4,5 пла:зма'

Состав рабочего газа: + 2,5% Аг

В рассматриваемой главе было проанализировано влиянии различных материалов покрытая элект; ода-подложкодержателя (51с-• 1Н-Уг03; В13И4-Уг03-А1г03; уу; ггОг; Г№1(Оу г-5];А№2М) на

... стг.цис:'арную концентрацию атомов-Р, технологические характеристики' травления кремния типа КДБ--10(100) -и тенденции изменения концентрации быстрых электронов с порогом энергии £1Ь>13,5 эВ в

ВЧ разряде пониженного давления (Р=32 Па) в 8Р6+2,5%Аг в ассим-метричном планарном диодном реакторе. Наибольшая скорость травления монокристаллического (УТр(з1)) соответствует АМг2М, 31с-АШ-Уа03, ZrOг. Наименьшая неравномерность травления пластина Б1 (г51(Утр)) диаметром. 100 мм (0,9-2,5 %) достигнута при использовании з!с-а:ш-у_о_, 31„н,-у„0_-А1о0_, V».

¿3 3 4 2 3 2 3

Овод технологических характеристик травления (КДБ-10(100)), регистрация которых осуществлена в ПХ ректоре (Р= Е2 Па; Н=20-52 мм; У?а=100-400 Вт) с применением различных конструкционных материалов внутренних элементов рабочей камеры, представлен в таблице, I.

В качестве перспективных конструкционных материалов ПХ реактора для фторосодержащей среда рекомендованы 31с-аш-у2о3, Б13Л4-У2о3-А12о3, V, ситал типа "Маоог".

Приложение содержит графические материалы, касающиеся актинометрии с временным разрешением 8 ВЧ разряде ЗР6+2,595Аг, а также технические акты, подтверждающие внедрение результатов работы.

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ.РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В процессе выполнения диссертационной работы-решены актуальные научно-технические задачи, связанные с исследованиями физико-химических процессов генерации и гибели частиц в плазме ВЧ разряда в ассйммвтричном планарном реакторе промышленного типа. Получены следующие результаты:

I. Показано, что ВЧ разряд пониженного давления в Аг и 5Рб в планарном ассимметричном диодном реакторе является разрядом 7 типа со следующими экспериментальными параметрами плазмы (зон-, довые и термометрические измерения) для аргона: Тэ=316-356 К, Пе=(1,2-4,6)«10юсм~3, Те=1,6-3,5 эВ*- и теоретическими оценками внутренних физических" параметров по модели для элегаза:

Н0О= (0,85-2,7)*Ю9см~3, Т0о=1,1-1О эВ, Е01=7-28 В/см, (1-1.94,1 мм. ' . ■ .

2. В ВЧ разряде Аг пониженного давления (Р=31,9 Па) в ассим-метричном диодном реакторе-обнаружены:

- эффект вытеснения плазмы из центра реактора на периферию-при сближении электродов с одновремынным увеличением ебодимой в разряд ВЧ мощности;

- взаимосвязанные эффекты повышения интенсивности излучения характеристической линии Аг в зоне "отрицательного свечения" и аномального нагрева газа при определенных операционных параметрах (Н=40 мм; УУа=100-200 Вт)', качественное объяснение которых-' может быть связано с возникновением пучковой неустойчивости и геометрического резонанса.

3. Разрабртана методика регистрации вероятностей и констант скорости гибели Р с помощью двух модификаций актинометрии с временным разрешением в плазме Б?6+2,Ъ%кг и послесвечении. На основании данной методики впервые определены вероятности гибели Р в ВЧ плазме пониженного давления в БР6+2,5%Аг для широкого диапазона операционных параметров на 12 различных конструкционных материалах. Методика регистрации Кгр и анализ полученных значений 7ГР в. плазме открывают возможность целенаправленного выбора конструкционных материалов при проектировании ПХ реакторов.

4. Выполнено экспериментальное исследование распределения энерговыделения мощности в диодном реакторе для широкого диапазона операционных параметров ВЧ разряда пониженного давления в

^Бг^+г.БЗДг. Показано, что относительное энерговыделение в рабочем газе (плазме) составляет 23-50 %, на потенциальном электроде ' подлсжкодеркателе оно достигает 25-36 %, ы на заземленном элект ' роде-подложкодержателе данная величина равняется 8-25-Ж.

В качестве основного канала нагрева технологического объек-

та в объеме ВЧ плазмы аргона пониженного давления для используемых операционных параметров выступает теплоотдача от атомов (>90 %) и ионов (<10 Ж). Существенный вклад в нагрев технололо-гического осъекта в химически активной ВЧ плазме БРб вносит тепловой эффэкт химических реакций травления, протекающих на поверхности данного объекта.

б. Проведено изучение влияния 6 различных материалов покрытия электрода-подложкодержателя на относительную концентрацию Р, технологические характеристики травления пластины и тенденции изменения концентрации быстрых электронов в ВЧ разряде БРб+;г,5ЖАг в пленарном диодном реакторе. Наименьшая неравномер-нбсть травления пластины 81 диаметром 100 мм (0,9-2,5 %) зафиксирована при использовании в качестве материалов электрода-под-локяодержателя 81с-А1Ы-у2о3, 313п4-у2о3-А12о3 и и. Обнаружено язл91ше снижения энергии пучка быстрых электронов в "катодном слое" при установке на заземленный электрод-подложкодержатель накладки из БЮ-АШ-у^д. Снижение анергии быстрых электронов Елечет за собой уменьшение концентрации атомов Р в разряде и одновременно с этим увеличение однородности плазмы по сечению межэлектродного зазора.

6. На основе предложенной модели энерговыделения ВЧ мощности в объеме ПХ реактора разработана инженерная методика оптимизации геометрической конфигурации планарной диодной разрядной системы. Инженерная методика позволяет настроить внешние операционные параметры разряда на достижение требуемых значений внутренних физических характеристик плазмы при оптимизации конфигурации разрядной электродной системы диодного реактора и отработке заданной технологической операции травления. Получено хорошее совпадение мзультатов расчетов по предложенной модели энерговыделения ВЧ ющности с экспериментальными данными.

7. Разработан и внедрен холодильный термостат для тепловой стабилизации электрода-подложкодержателя, позволяющий уменьшить тепловые нагрузки на внутренние элементы реактора и обрабатываемые в плазме технологические объекты, значительно повысить воспроизводимость процессов травления и стабилизировать кинетику реакций в ПХ реакторе.

Результаты диссертационной работы внедрены и могут найти широкое применение в проектировании новых технологических установок и прцессов СРТ, оптимизации и совершенствовании ПХ реакторов, целенаправленном выборе конструкционных материалов для внутренних элементов реакторов (прижимы, электроды, обечайки и др.) при создании физико-математических моделей разряда и проверке' адекватности реальным условиям их решений.

Экономический эффект от внедрения одного холодильного термостата составляет более. 40 млн.руб./год в ценах 1995 года.

ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В (УЩЩЩХ РАБОТАХ?' ■ '' \ •' .

1. Прблемы- выбора конструкционных материалов реакторов шюзмохимического травления / В.Ю. Киреев, В.Ю, Пашков,

,В.А. Слогуб и др.// Электронная техника,'Сер.3. Микроэлектроника, 1991. - Вып,6(145). - С. 32-37..

2. Имерение температуры газа в плазме высокочастотного разряда в пленарном реакторе промышленного типа / В.Ю. Пашков, В.Ю. Киреев, В,А. Галперин и др.// Микроэлектроника,

. ' 1996, - Т.25, « I', - 0, 76 - 80 .

3. Пашков В.Ю., Иванов А.И, Исследование рассеяния ВЧ модности в плазме БР6 в планарном диодном реакторе про'мыш- 1 ленного типа // Препринт ИОФ РАН, 1995. - МЗ/ - 17 с,

4. Разработка технологических процессов нанесения покрытий

на элемэнты ПХ реакторов и исследование свойств покрытий. Отет по НИР. Шифр "Обновление 507/1". - М.:НЖГМ, 1991.80 с.

Б. Поиск принципов создания сверхселективных процессов ПХТ

■ Для технологии суймикронных СБИС. Отчет по НИР. Шифр "Поиск". - М.:НИИ "Субмикрон", 1994. - 184 с.

6. Йиреев В.Ю. , Пашков' В.Ю. вероятности и константы гибели' атомов фтора ,на различных конструкционйых материалах пла-нарного реактора в ВЧ плазма sr6 низкого давления // Тези-

. сы докладов 2-ой научно-технической конференции "Вакуумная наука и техника". - Гурзуф, 1995. -,С. 53.

7. Киреев В.Ю., Пашков'В.Ю. Измерение средней массовой температура газа в ВЧ аргоновой плазме низкого давления в пленарном диодном реакторе // Тезисы докладов 2-ой научно-технической конференции "Вакуумйая наука и техника". -Гурзуф, 1995. - С. 45. ,

8. К5феев В.Ю., Пашков В.Ю. Рассеяние ВЧ мощности в плазме SP6 низкого давления на элементах разрядного контура пленарного реактора // Тезисы докладов 2-ой научно-техничес-кЬй конференции "Вакуумная наука и техника". - Гурзуф,

' 1995. - С. 62, * *

9. Problem of the ohoise constructional materials for plasma reactors / V.Yu. Kireev, Y.Yu. Pasohoov, V.A. Sologub // Abstracts of the Advanoed Materials and Prooesseei Third Bussian-Chinese Symposium. - Kaluga, Russia, October 9-12, 1995-P. 78.

10. Исследование энерговыделения ВЧ мощности в плазме SF6 и на электродах планарного реактора /В.Ю. Пашков, В.Ю. Киреев, В.А. Галперин и др.// Тр. ФТИРАН: Проблемы субмикронной

■ технологии,' I99G.' -Ji 10. - 7 с.

Подписано в печать 26 марта 1996 года Тираж 80 экз. Объем 1,4 уч.изд.л. Отпечатано в типографии 1ШИТМ