УДК 537.523.74 НЕФЕДОВ Д.В., ЯФАРОВ Р.К.

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЭЦР СВЧ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ.

СО ИРЭ РАН, г. Саратов, 410009, а/я 1072.
Тел. (8452)722401. E-mail: pirpc@renet.ru

Длительное практическое использование ЭЦР СВЧ плазменных
установок для низкоэнергетичных сухого субмикронного травления и
осаждения тонких пленок различных материалов микроэлектроники [1]
показало, что наибольшая долговечность волноводных СВЧ плазменных
устройств реализуется при конфигурациях магнитного поля в виде
пробкотрона или в том случае, когда ввод СВЧ энергии в разрядную
камеру осуществляется со стороны большего магнитного поля. При таких
конфигурациях эффективно осуществляется удержание плазмы от
попадания на керамическое окно ввода СВЧ энергии и, тем самым,
обеспечиваются более щадящие тепловые условия его эксплуатации.
Кроме того, согласно теоретическому рассмотрению, проведенному в
работах [2], при этом должны реализовываться условия наиболее
эффективного поглощения СВЧ мощности в плазме в областях магнитного
поля близких к ЭЦР.
Целью настоящей работы являлось исследование влияния
основных технологических параметров: величины и конфигурации
убывающего внешнего магнитного поля в направлении распространения
СВЧ электромагнитных волн, подводимой СВЧ мощности и расстояния
обрабатываемой подложки от окна ввода СВЧ энергии на величину
поглощенной в плазме мощности, равномерность и производительность
процесса плазменной обработки.
Исследования проводились с использованием СВЧ плазменной
установки описанной в [1], в которой, взамен одномодового волновода для
низшего типа волны на частоте 2,45 ГГц, использовался ступенчатый
открытый волновод диаметром 178 мм. Давление плазмообразующего газа
в экспериментах составляло 0,1 Па. При этом обеспечивалась
анизотропность травления свыше 40 при энергии ионов 20-30 эВ и
наблюдалась зависимость скорости травления от плотности ионного тока
близкая к линейной. Относительная величина поглощённой мощности
рассчитывалась из выражения Рпогл./Pпад = 1 - 2, где Pпад - мощность,
поступающая от СВЧ генератора, - коэффициент отражения, который, в
свою очередь, рассчитывался из соотношения измеренных с помощью
направленных ответвителей Pотр и Pпад. В качестве характеристики
равномерности травления использовались измеренные распределения


плотности тока на многозондовом коллекторе диаметром 150 мм, который
устанавливался взамен обрабатываемой пластины в многоступенчатом
СВЧ плазмотроне на расстояниях 170 и 220 мм от окна ввода СВЧ
энергии. Производительность обработки определялась в условных
единицах как произведение радиуса обработки с равномерностью
распределения плотности тока 90% на величину плотности этого тока.
На рис. 1 и 2 приведены экспериментальные зависимости диаметра
зоны плазменной обработки с равномерностью 90% и производительности
процесса от интегральной индукции магнитного поля для расстояний
коллектора от окна ввода энергии 170 мм и 220 мм при различных токах
магнетрона. Согласно [2], интегральная индукция магнитного поля S ( S =
B(x)dx, где В(х) - текущее значение индукции магнитного поля на оси
плазмотрона на различных расстояниях от окна ввода энергии;
интегрирование проводилось для двух расстояний коллектора от окна
ввода энергии: 170 мм и 220 мм) может служить величиной
характеризующей обобщенный коэффициент диффузии заряженных
частиц поперек магнитного поля. Диффузия частиц осуществляется за
счет градиента концентрации из центральной ЭЦР области на стенки
цилиндрического реактора.
160
350
140
300
120
250
100
м
. 200
м
80

D,
150

60
П 100
40
50
20
0
0
40000
50000
60000
70000
80000
90000 100000 110000 120000
40000
50000
60000 70000
80000
90000 100000 110000 120000
S,Гс*мм
S,Гс*мм
a)
b)
Рис.1. Зависимость диаметра (а) и производительности (b) обработки от интегральной
индукции магнитного поля для расстояния 170 мм и различных значений СВЧ мощности:
- 250 Вт; ■ - 280 Вт; - 320 Вт.
Анализ полученных экспериментальных результатов позволил
сделать следующие выводы.
1. Наибольший диаметр обработки, достигающей 120-130 мм,
наблюдается в режимах генерации плазмы не имеющих области ЭЦР и в
режимах, где она имеет минимальные размеры и максимально удалена от
обрабатываемой пластины. Этому соответствуют значения интегральной
индукции магнитного поля от 50000 до 60000 Гс мм. Недостатком
режимов без ЭЦР является, как известно, низкие плотности токов и
производительности процессов (рис.1).
2. В интервале значений S от 60000 до 90000 Гс мм наблюдается
стабилизация диаметра области равномерной обработки на уровне 80 - 90


мм, которая практически не зависит от величины введенной СВЧ
мощности. С увеличение интегральной индукции магнитного поля больше
90000 Гс мм, когда область ЭЦР отодвигается от окна ввода энергии
больше, чем на 50 мм наблюдается увеличение диаметра области
равномерной обработки на 15 - 20 мм, по сравнению с предыдущим
интервалом величины S. Однако при этом наблюдается достаточно
сильная зависимость производительность процесса от его параметров,
которая имеет устойчивую тенденцию к увеличению, как с увеличением
интегральной индукции, так и величины введенной мощности.
140
160
120
140
120
100
м
100
.
80
м

D,
80

60
П 60
40
40
20
20
0
0
40000
50000
60000
70000
80000
90000 100000 110000 120000
40000
50000
60000
70000
80000
90000 100000 110000 120000
S,Гс*мм
S,Гс*мм
a)
b)
Рис.2. Зависимость диаметра (а) и производительности (b) обработки от интегральной
индукции магнитного поля для расстояния 220 мм и различных значений СВЧ мощности:
- 250 Вт; ■ - 280 Вт; - 320 Вт.
3. С увеличением расстояния между коллектором и окном ввода
СВЧ энергии от 170 до 220 мм уменьшаются максимальные значения
интегральной индукции магнитного поля, при которых становится
возможным поддержание СВЧ газового разряда при первоначально
фиксированном минимальном значении вводимой СВЧ мощности. Кроме
того, увеличивается нестабильность генерации плазмы в зависимости от
этого параметра (точки с D = 0 на рис. 1а и 2а, в которых генерация
плазмы отсутствовала). Последнее вызывает необходимость в увеличении
вводимой СВЧ мощности. Производительность процесса обработки при
удалении подложки от 170 мм до 220 мм уменьшается для различных
параметров процесса в 1,5 - 3 раза. Диаметр зоны равномерной обработки
с увеличением расстояния подложки от окна ввода СВЧ энергии
практически не изменяется (рис.2).
Во всех рассмотренных режимах генерации плазмы, имеющих
области с ЭЦР, поглощенная мощность находилась в интервале от 94 до
96% от величины мощности, поступающей от СВЧ генератора.

1. Яфаров Р.К., Терентьев С.А., Телицын А.П., Балакин А.О. СВЧ ионно-
плазменный источник.// ПТЭ. 1989. N3. С.142-145.
2. Тимофеев А.В. Циклотронные колебания плазмы в неоднородном
магнитном поле.//УФН. 1973. Т.110. N3. С.325-328.