RU2178219C1

RU2178219C1 - Method and device for plasmachemical treatment of substrates

Info

Publication number: RU2178219C1
Application number: RU2000128990/28A
Authority: RU
Inventors: В.А. Рябый; В.П. Савинов; А.А. Спорыхин; Хион-Джу ЛИ
Original assignee: Рябый Валентин Анатольевич; Савинов Владимир Павлович; Спорыхин Андрей Алексеевич; Хион-Джу ЛИ
Priority date: 2000-11-21
Filing date: 2000-11-21
Publication date: 2002-01-10
Also published as: KR100391180B1; KR20020039638A

Abstract

FIELD: semiconductor engineering, microelectronics and power electronics. SUBSTANCE: substrates are treated in high-frequency capacitive discharge by feeding working gas along surfaces of pre-treatment discharge electrodes of coaxial geometry and adjusting its structure that dictates gas activation distribution. Plasmachemical reactor has wave trap and reverse-control dc power supply. Electrode surfaces may be developed by knurling or they may be covered with perforated insulating strap. Transformer-type matching device may be connected to device through isolating capacitor and substrate holder closed to common electrode through mentioned circuit with wave trap. Substrate holder may be enclosed in additional solenoid and pre-treatment plasma source may by surrounded by one or more circular rows of similar sources. EFFECT: enhanced surface uniformity of substrate treatment; enhanced speed of process. 18 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к технологии плазмохимической обработки подложек, в частности пластин полупроводникового производства от силовой электроники до микроэлектроники и других заготовок, и может быть использовано в различных электронных и машиностроительных отраслях производства. The invention relates to the technology of plasma-chemical processing of substrates, in particular wafers of semiconductor manufacturing from power electronics to microelectronics and other blanks, and can be used in various electronic and engineering industries.

Известны способы и соответствующие устройства плазмохимической обработки подложек путем подачи рабочего газа в зону обработки и его активации в разряде индукционного типа (см. , например, Данилин Б. С. и Киреев В. Ю. Применение низкотемпературной плазмы для травления и очистки материалов. М. : Энергоатомиздат, 1987, с. 147, рис. 7, 1a). Параметры плазмы, созданной в разряде данного вида, весьма неоднородны в пространстве, что существенно отражается на характере распределения степени активации рабочего газа, вызывая сильно неравномерную обработку подложек. Кроме того, в индукционном разряде отсутствуют области, пронизанные электронными пучками, а именно такие области максимально ответственны за активацию рабочего газа, вступающего далее в гетерогенные химические реакции на поверхности подложек. В этой связи уровень скорости процессов в рамках данной технологии невысок. Known methods and corresponding devices for plasma-chemical processing of substrates by supplying a working gas to the treatment zone and its activation in an induction-type discharge (see, for example, Danilin B. S. and Kireev V. Yu. Use of low-temperature plasma for etching and cleaning materials. M. : Energoatomizdat, 1987, p. 147, Fig. 7, 1a). The parameters of the plasma created in the discharge of this type are very heterogeneous in space, which significantly affects the distribution of the degree of activation of the working gas, causing a very uneven treatment of the substrates. In addition, there are no regions penetrated by electron beams in the induction discharge, namely, such regions are most responsible for the activation of the working gas, which then enters into heterogeneous chemical reactions on the surface of the substrates. In this regard, the level of speed of processes within the framework of this technology is low.

Известны аналогичный способ и устройство, в которых форму индуктора приблизили к геометрии газового потока, направляемого к подложке, а именно индуктор имеет форму конуса, обращенного к подложке своим основанием, а средства подачи газа при этом размещены на вершине данного конуса (авт. свид. СССР 762634 кл. H 01 L 21/00, 1979). Здесь несколько улучшена ситуация с равномерностью обработки, поскольку около вершины конуса весь газовый поток протекает через область плазмы с повышенной степенью ионизации, что помогает выравнять степень активации рабочего газа к моменту достижения им подложки. Однако здесь отсутствуют средства оперативного воздействия на данный параметр, поэтому улучшение оказывается не очень существенным. В отношении скорости процессов положение практически не изменилось. A similar method and device are known in which the shape of the inductor is approximated to the geometry of the gas flow directed to the substrate, namely, the inductor has the shape of a cone facing the substrate with its base, and the gas supply means are placed on top of this cone (ed. Certificate. USSR 762634 C. H 01 L 21/00, 1979). Here, the situation with processing uniformity is somewhat improved, since near the apex of the cone the entire gas stream flows through the plasma region with an increased degree of ionization, which helps to equalize the degree of activation of the working gas by the time it reaches the substrate. However, there are no means of operational impact on this parameter, so the improvement is not very significant. Regarding the speed of processes, the situation has not changed.

Обсуждаемые параметры процессов и оборудования значительно улучшились с переходом к тлеющему ВЧ-емкостному разряду, используемому в промышленных условиях в форме аномального тлеющего разряда, при котором приэлектродные области полностью и относительно равномерно покрывают всю поверхность электродов с образованием около них значительных скачков потенциала, вызывающих появление в плазме пучков вторичных электронов сравнительно высоких энергий (~ 10²-10³ эВ). Известны способы и устройства для плазмохимической обработки подложек, согласно которым рабочий газ активируют в разряде такого вида (см. , например. Goto H. H. et al. , IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing, 1991, v, 4. No. 2, pp. 111-121). Технология приведенного типа оставалась пока на уровне предыдущих технических решений в связи с несогласованностью организации тлеющего ВЧЕ-разряда с газовой динамикой подачи рабочего газа в зону обработки, которая бы учитывала также и физику процессов активации газа.The discussed parameters of processes and equipment improved significantly with the transition to a glow RF capacitive discharge, which is used under industrial conditions in the form of an anomalous glow discharge, in which the near-electrode regions completely and relatively uniformly cover the entire surface of the electrodes with the formation of significant potential jumps around them, causing plasma beams of secondary electrons of relatively high energies (~ 10 ² -10 ³ eV). Known methods and devices for plasma-chemical processing of substrates, according to which the working gas is activated in a discharge of this kind (see, for example, Goto HH et al., IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing, 1991, v. 4. No. 2, pp. 111- 121). The technology of this type has remained at the level of previous technical solutions due to the inconsistency of the organization of a smoldering RF discharge with the gas dynamics of the supply of working gas to the treatment zone, which would also take into account the physics of gas activation processes.

Известны также способы и устройства для плазмохимической обработки подложек, согласно которым рабочий газ подают к подложке в виде почти равномерного потока, пропущенного через большинство зон ВЧ-разрядов, ответственных за активацию газа (см. , например, пат. США 6054013, кл. Н 05 Н 1/00 [нац. кл. 156/345] , 25.04.2000г. ). Объявлено о достигнутом повышении равномерности и производительности процессов. Данное техническое решение, как наиболее близкое к заявленному, принято в качестве прототипа в части способа. Соответствующее ему устройство, содержащее внешние антенны-индукторы, внутренние электроды возбуждения ВЧ-емкостного разряда, плоский подложкодержатель, средства подачи рабочего газа в зону обработки и ВЧ-генератор с согласующим устройством на выходе, также принято в качестве прототипа в части заявленного устройства. There are also known methods and devices for plasma-chemical processing of substrates, according to which the working gas is supplied to the substrate in the form of an almost uniform stream passed through most zones of RF discharges responsible for gas activation (see, for example, US Pat. No. 6,054,013, class H 05 H 1/00 [nats. Kl. 156/345], 04/25/2000). Announced the achieved increase in the uniformity and productivity of processes. This technical solution, as the closest to the claimed, is taken as a prototype in terms of the method. A corresponding device containing external antenna inducers, internal excitation electrodes of an RF capacitive discharge, a flat substrate holder, means for supplying a working gas to the treatment zone, and an RF generator with an output matching device are also adopted as a prototype in terms of the claimed device.

Техническая задача новой технологии состоит в дальнейшем повышении поверхностной равномерности плазмохимической обработки подложек и уровня скорости такой обработки. The technical task of the new technology is to further increase the surface uniformity of the plasma-chemical processing of substrates and the level of speed of such processing.

Согласно данному предложению поставленная задача решена тем, что в способе плазмохимической обработки подложек путем подачи рабочего газа в зону обработки и активации его воздействием ВЧ-емкостного разряда указанные операции выполняются и дополнены следующим образом: рабочий газ подают в зону обработки вдоль поверхностей электродов подготовительного ВЧ-емкостного разряда, ориентированного поперек потока рабочего газа, а получаемое на выходе распределение степени его активации регулируют изменением структуры данного разряда. Кроме того, в качестве подготовительного используют электродный разряд коаксиальной геометрии и подбирают его радиальную структуру перераспределением приэлектродных статических скачков потенциала и регулировкой давления газа; радиальную структуру подготовительного разряда изменяют наложением на рабочие поверхности электродов равномерно распределенных пятен с коэффициентом вторичной эмиссии электронов, отличным от данной характеристики материала электрода; на указанный коаксиальный источник плазмы накладывают постоянное или переменное осевое магнитное поле короткого соленоида; магнитное поле короткого соленоида создают двумя встречно включенными его частями; удаление подложки от выходного сечения подготовительного разряда подбирают по времени жизни компонент активированного газа, ответственных за проводимый процесс. Поставленная задача решена также и в плазмохимическом реакторе, содержащем технологическую вакуумную камеру, размещенные в ней электроды возбуждения ВЧ-емкостного разряда, плоский подложкодержатель, средства подачи в камеру рабочего газа и ВЧ-генератор с согласующим устройством на выходе. В отличие от известных устройств электроды реактора образуют подготовительный коаксиальный источник плазмы с электропроводящими рабочими поверхностями электродов и средствами подачи рабочего газа в его глухой торец и далее вдоль электродов к подложкодержателю, причем указанные электроды соединены через фильтр-пробку и реверсивно регулируемый источник постоянного тока и окружены коротким соленоидом, подключенным к источнику постоянного или переменного тока. Кроме того, внешний соленоид реактора может быть разделен на две встречно включенные секции; центральный электрод подготовительного источника плазмы выполнен стержневым с плавно скругленным торцом, обращенным к подложкодержателю; одна или обе поверхности электродов подготовительного источника плазмы выполнены развитыми, например волнистыми; рабочая поверхность одного или обоих электродов подготовительного источника плазмы закрыта перфорированной диэлектрической накладкой; содержит согласующее устройство трансформаторного типа, подложкодержатель подключен к выходу согласующего устройства через разделительный конденсатор, образуя разрядную ветвь, параллельную подготовительному источнику плазмы и имеющую общий внешний цилиндрический электрод, причем подложкодержатель соединен с этим электродом через фильтр-пробку и реверсивно регулируемый источник постоянного тока; электрод-подложкодержатель окружен дополнительным соленоидом; параллельно разделительному конденсатору его подложкодержателя подключены последовательно соединенные индуктивность, переменный резистор и ключ, причем величина индуктивности обеспечивает резонанс на рабочей частоте с минимальной величиной указанного конденсатора, который подключен в свою очередь к проводнику, соединяющему согласующее устройство с разделительным конденсатором подготовительной разрядной ветви; на выходе согласующего устройства ВЧ-генератора установлен разделительный трансформатор; подготовительный источник плазмы окружен одним или несколькими круговыми рядами подобных источников, параллельных центральному, образуя связку независимо регулируемых источников плазмы от одного кругового ряда к другому; все подготовительные разрядные ветви реактора соединены с общим ВЧ-генератором параллельно центральному источнику плазмы, имея в своих цепях питания индивидуально регулируемые разделительные конденсаторы; подложкодержатель выполнен с возможностью осевого перемещения. According to this proposal, the problem is solved in that in the method of plasma-chemical processing of substrates by supplying the working gas to the treatment zone and activating it by exposure to the RF capacitive discharge, these operations are performed and supplemented as follows: the working gas is supplied to the treatment zone along the surfaces of the electrodes of the preparative RF capacitive a discharge oriented across the flow of the working gas, and the distribution of the degree of its activation obtained at the output is regulated by a change in the structure of this discharge. In addition, an electrode discharge of coaxial geometry is used as a preparatory discharge and its radial structure is selected by redistributing the near-electrode static potential jumps and adjusting the gas pressure; the radial structure of the preliminary discharge is changed by applying uniformly distributed spots on the working surfaces of the electrodes with a secondary electron emission coefficient different from this characteristic of the electrode material; on the specified coaxial plasma source impose a constant or alternating axial magnetic field of a short solenoid; the magnetic field of a short solenoid is created by two counter-included parts thereof; the removal of the substrate from the output section of the preparatory discharge is selected according to the lifetime of the activated gas component responsible for the process. The problem was also solved in a plasma-chemical reactor containing a technological vacuum chamber, excitation electrodes of an RF capacitive discharge, a flat substrate holder, means for supplying a working gas to the chamber, and an RF generator with an output matching device. In contrast to the known devices, the reactor electrodes form a preparatory coaxial plasma source with electrically conductive working surfaces of the electrodes and means for supplying the working gas to its blind end and further along the electrodes to the substrate holder, said electrodes being connected through a filter plug and a reversibly regulated direct current source and surrounded by a short a solenoid connected to a direct or alternating current source. In addition, the external reactor solenoid can be divided into two counterclockwise sections; the central electrode of the preparatory plasma source is made rod with a smoothly rounded end facing the substrate holder; one or both surfaces of the electrodes of the preparatory plasma source are made developed, for example, wavy; the working surface of one or both electrodes of the preparatory plasma source is closed by a perforated dielectric pad; contains a transformer-type matching device, the substrate holder is connected to the output of the matching device through an isolation capacitor, forming a discharge branch parallel to the preparation plasma source and having a common external cylindrical electrode, the substrate holder being connected to this electrode through a filter plug and a reversibly regulated DC current source; an electrode-substrate holder is surrounded by an additional solenoid; inductance, a variable resistor and a key are connected in parallel to the isolation capacitor of its substrate holder, and the inductance value provides resonance at the operating frequency with a minimum value of the indicated capacitor, which in turn is connected to a conductor connecting the matching device to the isolation capacitor of the preparatory discharge branch; an output transformer is installed at the output of the RF generator matching device; the preparatory plasma source is surrounded by one or more circular rows of similar sources parallel to the central one, forming a bunch of independently regulated plasma sources from one circular row to another; all preparatory discharge branches of the reactor are connected to a common RF generator parallel to the central plasma source, having individually adjustable isolation capacitors in their power circuits; the substrate holder is made with the possibility of axial movement.

Главным отличием данного предложения от известных является компоновка подготовительного ВЧ-емкостного разряда, возбуждаемого поперек потока рабочего газа. Она позволяет свести задачу достижения равномерности степени активации газа при подходе к подложке к проблеме регулировки структуры такого разряда. Последняя включает в себя множество различных зон, из которых важнейшее значение для технологических приложений имеют области с высокоэнергетическими частицами. Таковыми являются приэлектродные слои объемного заряда, пронизанные быстрыми ионами из плазмы и встречными пучками вторичных электронов, и прилегающие к ним области отрицательного катодного свечения, где вторичные электроны рассеивают свою энергию в процессах столкновений с тяжелыми частицами. Известно, что электронный удар представляет собой основной механизм активации рабочего газа. Повышенную химическую активность по отношению к материалу подложки проявляют возбужденные молекулы и атомы рабочего газа, продукты их диссоциации различных видов и, наконец, ионизованные частицы в виде положительно или отрицательно заряженных ионов. Все эти частицы принято называть активированными. The main difference between this proposal and the known ones is the layout of the preparatory RF capacitive discharge, excited across the flow of the working gas. It allows us to reduce the problem of achieving uniformity in the degree of gas activation when approaching the substrate to the problem of adjusting the structure of such a discharge. The latter includes many different zones, of which areas with high-energy particles are of crucial importance for technological applications. These are the near-electrode layers of the space charge penetrated by fast ions from the plasma and counterpropagating beams of secondary electrons, and the adjacent areas of negative cathode luminescence, where secondary electrons dissipate their energy in collisions with heavy particles. It is known that electron impact is the main mechanism of activation of the working gas. Excited molecules and atoms of the working gas, products of their dissociation of various types and, finally, ionized particles in the form of positively or negatively charged ions show increased chemical activity with respect to the substrate material. All these particles are called activated.

Современное понимание физики ВЧ-емкостного разряда предоставляет множество путей и приемов регулирования структуры разряда данного вида, из которых в рамках данного предложения избраны наиболее эффективные. Учитывая форму подложек в производстве чипов, предложено выполнить подготовительный источник плазмы коаксиальным с регулировкой его радиальной структуры перераспределением приэлектродных статических скачков потенциала и регулировкой давления газа. Первый прием определяет соотношение "дальнобойности" активирующих приэлектродных слоев, а второй - абсолютный размер этих слоев, т. к. толщины структурных слоев ВЧЕ-разряда обратно пропорциональны давлению газа. Предложенная процедура регулирования структуры разряда позволяет увеличить внешний приэлектродный скачок потенциала по сравнению с внутренним, т. е. более интенсивно активировать газовый поток на его периферии. Регулировка давления дает возможность сомкнуть и частично перекрыть две встречные активирующие зоны, т. е. обеспечить плавный профиль активации потока газа такой формы, т. е. предискаженный так, чтобы при подходе к зоне обработки скомпенсировать рассасывающее влияние диффузионных процессов и обеспечить равномерность результирующего плазмохимического процесса на подложке. Указанное перераспределение предложено выполнить с помощью цепи, включенной параллельно ВЧЕ-разряду и содержащей фильтр-пробку с последовательно включенным регулируемым источником постоянного тока (который при необходимости можно реверсировать). Фильтр-пробка отсекает утечку ВЧ-мощности в данную цепь и в то же время не препятствует регулировке постоянного тока, параллельного ВЧЕ-разряду. Очевидно, что данная регулировка возможна только в том случае, когда электроды ВЧЕ-разряда гальванически контактируют с плазмой. Таким образом, подготовительный разряд в заявленном реакторе обязательно должен быть электродного типа, в котором рабочие поверхности электродов являются электрически проводящими. A modern understanding of the physics of the RF capacitive discharge provides many ways and methods of regulating the structure of the discharge of this type, of which the most effective are selected within the framework of this proposal. Given the shape of the substrates in the chip production, it is proposed to make the preparatory plasma source coaxial with the adjustment of its radial structure by redistributing the near-electrode static potential jumps and adjusting the gas pressure. The first method determines the ratio of the "range" of the activating electrode layers, and the second determines the absolute size of these layers, because the thickness of the structural layers of the RF discharge is inversely proportional to the gas pressure. The proposed procedure for regulating the structure of the discharge makes it possible to increase the external near-electrode potential jump as compared to the internal one, i.e., to more actively activate the gas flow at its periphery. Pressure adjustment makes it possible to close and partially overlap two opposing activating zones, i.e., to ensure a smooth profile of activation of a gas stream of this shape, i.e., to be distorted so that when approaching the treatment zone to compensate for the absorbable effect of diffusion processes and to ensure uniformity of the resulting plasma-chemical process on the backing. It is proposed to perform the indicated redistribution using a circuit connected in parallel with an RF discharge and containing a filter plug with an adjustable DC source connected in series (which can be reversed if necessary). The filter plug cuts off the leakage of RF power into this circuit and at the same time does not prevent the adjustment of direct current parallel to the RF discharge. Obviously, this adjustment is possible only if the electrodes of the RF discharge are in galvanic contact with the plasma. Thus, the preparatory discharge in the claimed reactor must be of the electrode type, in which the working surfaces of the electrodes are electrically conductive.

На величину приэлектродного скачка потенциала ВЧЕ-разряда можно также повлиять выбором материала электрода. В частности, известно, что увеличение коэффициента вторичной электронной эмиссии приводит к уменьшению приэлектродного скачка потенциала. Этот факт позволяет наложить, например, на поверхность малого центрального электрода равномерно распределенные пятна из такого вещества, что позволит сохранить электродный характер разряда и уменьшить скачок потенциала около внутреннего электрода, чтобы уменьшить глубину дальнейшей регулировки этого параметра в соответствии с изложенным выше. Той же цели можно достичь, придав, например, центральному электроду волнистую форму, т. е. увеличив площадь его рабочей поверхности. The value of the near-electrode jump in the potential of an RFE discharge can also be affected by the choice of electrode material. In particular, it is known that an increase in the secondary electron emission coefficient leads to a decrease in the near-electrode potential jump. This fact makes it possible to apply, for example, uniformly distributed spots of such a substance to the surface of a small central electrode, which will allow maintaining the electrode character of the discharge and reducing the potential jump near the internal electrode in order to reduce the depth of further adjustment of this parameter in accordance with the above. The same goal can be achieved by giving, for example, a wavy shape to the central electrode, i.e., by increasing the area of its working surface.

Заявленная компоновка подготовительного разряда обеспечивает также общее повышение степени активации рабочего газа в реакторе за счет увеличения времени взаимодействия атомов рабочего газа с высокоэнергетическими частицами разряда. Эта особенность обусловлена подачей газа к подложкам вдоль рабочих поверхностей подготовительного источника плазмы. Следствием является увеличение скоростей проводимых в реакторе технологических процессов. The claimed arrangement of the preparatory discharge also provides a general increase in the degree of activation of the working gas in the reactor by increasing the interaction time of the working gas atoms with high-energy particles of the discharge. This feature is due to the supply of gas to the substrates along the working surfaces of the preparatory plasma source. The consequence is an increase in the rates of the processes carried out in the reactor.

Дальнейшего общего повышения степени активации рабочего газа с акцентом на наружных слоях газового потока предлагается достичь наложением на подготовительный разряд постоянного или переменного осевого магнитного поля короткого соленоида. Такое поле явится поперечным для данного разряда, т. е. при пониженных давлениях, характерных для ВЧЕ-разряда, оно повышает степень ионизации и, следовательно, активации газа до двух порядков величины. Это обстоятельство позволяет еще больше повысить скорости проводимых процессов. Кроме того, поле короткого соленоида (длины не более внутреннего диаметра) характерно увеличением напряженности к периферии его внутреннего пространства. Следовательно, такое поле способствует достижению упомянутого выше предискажения профиля степени активации рабочего газа. Рассечение соленоида на две встречно включенные секции послужит гарантией фиксации разряда в центральной зоне под соленоидом, чтобы не допустить ухода разряда из зоны номинальной напряженности внешнего поля соленоида, возможного в случае энергетической выгоды его поддержания в одной из торцевых зон источника плазмы. Переменное магнитное поле способствует повышению азимутальной однородности степени активации рабочего газа, что соответствует задаче, решаемой данным предложением. Кроме того, сетевое питание соленоида дешевле применения источников постоянного тока, что дополнительно приводит к снижению стоимости технологии. It is proposed to achieve a further general increase in the degree of activation of the working gas with a focus on the outer layers of the gas flow by applying a short solenoid to the preparatory discharge of a constant or variable axial magnetic field. Such a field will be transverse for a given discharge, i.e., at reduced pressures characteristic of an RFE discharge, it increases the degree of ionization and, therefore, gas activation up to two orders of magnitude. This circumstance allows us to further increase the speed of ongoing processes. In addition, the field of a short solenoid (of a length not exceeding the inner diameter) is characterized by an increase in tension to the periphery of its inner space. Therefore, this field contributes to the achievement of the aforementioned predistortion profile of the degree of activation of the working gas. Dissection of the solenoid into two opposed sections will guarantee the fixation of the discharge in the central zone under the solenoid in order to prevent the discharge from leaving the zone of the nominal intensity of the external field of the solenoid, which can be maintained if it is energetically maintained in one of the end zones of the plasma source. An alternating magnetic field increases the azimuthal uniformity of the degree of activation of the working gas, which corresponds to the problem solved by this proposal. In addition, the mains supply of the solenoid is cheaper than the use of direct current sources, which further reduces the cost of the technology.

Схемы вариантов плазмохимического реактора, выполненного согласно заявленному предложению, представлены на фиг. 1-5. Здесь приняты следующие обозначения: 1 - стержневой электрод подготовительного источника плазмы, 2 - внешний цилиндрический электрод подготовительного источника плазмы, 3 - ВЧ-генератор, 4 - согласующее устройство, 5 - ВЧ-трансформатор, 6 - входной параллельный конденсатор, 7 - выходной разделительный конденсатор, 8 - подложкодержатель, 9 - подложка, например кремниевая пластина, 10 - коллектор подачи рабочего газа, 11 - патрубок подачи рабочего газа, 12 - пористая вставка равномерной подачи рабочего газа, 13 - откачной патрубок, 14 - фильтр-пробка, 15 - источник постоянного тока с возможностью реверса его включения в цепь, 16 - соленоид в виде двух секций, 17 - скругленный торец стержневого электрода 2, 18 - поперечное сечение электрода 2 с развитой поверхностью за счет ее рифления, 19 - поперечное сечение электрода 2 с перфорированной накладкой на его рабочей поверхности, например из керамики, 20 - разделительный конденсатор отвода ВЧ-мощности в разряд между подложкодержателем и внешним электродом 3; 21 - дополнительный соленоид, 22 - катушка индуктивности, 23 - переменный резистор, 24 - ключ. Schemes of options for a plasma chemical reactor made in accordance with the claimed proposal are presented in FIG. 1-5. The following notation is used here: 1 - the rod electrode of the preliminary plasma source, 2 - the external cylindrical electrode of the preliminary plasma source, 3 - the RF generator, 4 - the matching device, 5 - the RF transformer, 6 - the input parallel capacitor, 7 - the output isolation capacitor 8 - substrate holder, 9 - substrate, for example a silicon wafer, 10 - working gas supply manifold, 11 - working gas supply pipe, 12 - porous insert for uniform working gas supply, 13 - pumping outlet, 14 - filter plug, 15 - source DC nickname with the possibility of reversing it into the circuit, 16 - a solenoid in the form of two sections, 17 - the rounded end of the rod electrode 2, 18 - the cross section of the electrode 2 with a developed surface due to its corrugation, 19 - the cross section of the electrode 2 with a perforated plate on its working surface, for example, made of ceramics, 20 is an isolation capacitor for removing the RF power to the discharge between the substrate holder and the external electrode 3; 21 - additional solenoid, 22 - inductor, 23 - variable resistor, 24 - key.

На фиг. 1 представлена схема реактора с подготовительным источником плазмы коаксиального типа. На фиг. 2 и 3 показаны варианты исполнения центрального электрода с развитой рабочей поверхностью за счет ее рифления и с перфорированной накладкой на рабочей поверхности, например, из керамики. На фиг. 4 и 5 представлен вариант подготовительного источника плазмы в виде связки коаксиальных ячеек, подключенных к общему ВЧ-генератору через индивидуальные конденсаторы. In FIG. 1 shows a diagram of a reactor with a coaxial type preparatory plasma source. In FIG. Figures 2 and 3 show versions of the central electrode with a developed working surface due to its corrugation and with a perforated lining on the working surface, for example, made of ceramic. In FIG. Figures 4 and 5 show a variant of a preliminary plasma source in the form of a bunch of coaxial cells connected to a common RF generator through individual capacitors.

Отметим, что скругленная форма торца 17 центрального электрода 2 обеспечивает плавный ход профиля активации рабочего газа в его центральной части. Трансформаторное согласующее устройство 10 позволяет сохранить заземление на генераторе 9, что важно с точки зрения электробезопасности, и локализовать около реактора промежуточный потенциал его общего электрода 3, который может опасно отличаться от потенциала земли. Подключение подложкодержателя ко вторичной обмотке ВЧ-трансформатора согласующего устройства через конденсатор 20 обеспечивает подачу на этот электрод ВЧ-смещения, что необходимо в ряде процессов на подложках. При необходимости уменьшения энергии Е_i ионной бомбардировки подложки, например в процессах осаждения, можно уменьшить конденсатор 20 до минимума. Это даст E_i~ 10¹эВ. Подключение к нему цепи 22-23 (фиг. 1) позволит плавно поднять его потенциал до уровня плавающего, т. е. Е_i~ 10⁰ эВ. Далее, подавая источником 15 через фильтр 14 положительный потенциал к подложкодержателю, начиная от нуля, можно полностью выравнять потенциал подложкодержателя с плазмой в зоне обработки. Такая ситуация может быть весьма полезной при мягком осаждении пленки на подложке. Если пленка является диэлектриком, то в процессе ее осаждения потенциал подложкодержателя плавно опустится до плавающего. Возникающая при этом мягкая ионная бомбардировка не сможет ухудшить качества полученной пленки, т. к. граница ее раздела с подложкой к данному времени уже будет сформирована при полном отсутствии такого процесса.Note that the rounded shape of the end face 17 of the central electrode 2 provides a smooth course of the activation profile of the working gas in its central part. Transformer matching device 10 allows you to save grounding on the generator 9, which is important from the point of view of electrical safety, and to localize near the reactor an intermediate potential of its common electrode 3, which can dangerously differ from the potential of the earth. The connection of the substrate holder to the secondary winding of the RF transformer of the matching device through the capacitor 20 provides the RF bias to this electrode, which is necessary in a number of processes on the substrates. If it is necessary to reduce the energy E _{i of the} ion bombardment of the substrate, for example in the deposition processes, it is possible to reduce the capacitor 20 to a minimum. This will give E _i ~ 10 ¹ eV. Connecting to it a circuit 22-23 (Fig. 1) will smoothly raise its potential to a floating level, that is, E _i ~ 10 ⁰ eV. Further, by supplying the source 15 through the filter 14 a positive potential to the substrate holder, starting from zero, it is possible to completely equalize the potential of the substrate holder with the plasma in the treatment zone. Such a situation can be very useful for soft deposition of a film on a substrate. If the film is an insulator, then in the process of its deposition, the potential of the substrate holder gradually decreases to floating. The resulting soft ion bombardment will not be able to degrade the quality of the resulting film, since its interface with the substrate will already be formed by this time in the complete absence of such a process.

При необходимости обработки очень больших подложек может оказаться, что формирование плавно предыскаженного профиля активации рабочего газа в коаксиальном источнике плазмы с диаметром электрода до 500 мм и больше потребует применения очень низкого давления (см. закономерности, упомянутые выше), которое противоречит сути реализуемого процесса. Тогда может оказаться разумным использование связки коаксиальных источников плазмы согласно фиг. 4 и 5. Каждый из источников при этом может быть настроен на получение примерно однородно активированного потока газа, а кольцевой слой наружных источников при этом может быть настроен на некоторое завышение степени активации для создания нужного предискажения общей активации газа, достигающего большой подложки. На фиг. 5 представлен вариант питания всей связки от одного общего ВЧ-генератора. If it is necessary to process very large substrates, it may turn out that the formation of a smoothly predistorted profile of the working gas activation in a coaxial plasma source with an electrode diameter of up to 500 mm and more will require the use of very low pressure (see the laws mentioned above), which contradicts the essence of the process being implemented. Then it may be reasonable to use a bunch of coaxial plasma sources according to FIG. 4 and 5. In this case, each of the sources can be configured to receive a roughly uniformly activated gas flow, and the annular layer of external sources can be set to some degree of activation degree increase in order to create the necessary prediction of the total gas activation reaching a large substrate. In FIG. Figure 5 shows the option of supplying the entire bundle from one common RF generator.

Работает заявленное устройство следующим образом. Предварительно фиксируют удаление подложкодержателя 8 с подложкой 9 от выхода подготовительного источника плазмы 2, 3 (фиг. 1). Устанавливают выходное напряжение источников 15 согласно рекомендациям технолога. Включают охлаждение электродов 1, 2 и др. элементов при необходимости (не показано), включают откачку полости реактора, затем подачу рабочего газа в патрубок 11 и генератор 3. После поджига разряда включают электропитание соленоидов 16, 21 согласно технологической карте, уточняют давление в зоне обработки, а также подстраивают согласование генератора 3 с разрядом заданного вида конденсаторами 6, 7, 20 (при необходимости включают цепь 22-23) и одновременно уточняют напряжения источников 15. В ходе технологического процесса контролируют скачок статического потенциала и концентрацию ионов плазмы перед подложкой. The claimed device operates as follows. Preliminarily record the removal of the substrate holder 8 with the substrate 9 from the output of the preparatory plasma source 2, 3 (Fig. 1). Set the output voltage of sources 15 according to the recommendations of the technologist. They include cooling of the electrodes 1, 2 and other elements, if necessary (not shown), include pumping out the reactor cavity, then supplying working gas to the pipe 11 and generator 3. After ignition of the discharge, the power supply of the solenoids 16, 21 is turned on according to the flow chart, the pressure in the zone is specified processing, and also adjust the coordination of the generator 3 with a discharge of a given type by capacitors 6, 7, 20 (if necessary, turn on the circuit 22-23) and at the same time specify the voltage of the sources 15. During the process, the static jump is controlled Skog capacity and concentration of plasma ions to the substrate.

В качестве базового объекта для сравнения технико-экономической эффективности избран прототип. В нем рабочий газ подается через несколько зон индукционного разряда, характерных невысокой степенью активации газа, как это отмечалось выше, а также через ряд более "жестких" приэлектродных областей дополнительного емкостного разряда, включая зону около подложки, размещенной на нижнем электроде. Можно отметить, что во всех вариантах исполнения реактора-прототипа газ пересекает указанные приэлектродные зоны в направлении нормали к поверхностям электродов, т. е. подвергается лишь кратковременному воздействию вторичных пучков электронов. Исключение составляет область, непосредственно прилегающая к пластине, т. е. к зоне ее обработки. Но здесь активация газа не является предварительной. Кратковременность пребывания газа в зонах активации предопределяет невысокую эффективность данного реактора, препятствующую получению высоких скоростей процессов. Что касается равномерности процессов на подложке, то данный параметр фактически лишь декларируется в описании патента. Реальное достижение нужного качества процесса остается делом искусства технолога и составляет цель трудоемких экспериментов по эмпирическому подбору большого количества операционных параметров различных конкретных процессов, унифицированных технических мер для выравнивания скорости обработки по всей поверхности пластины в изобретении не предложено. Заявленное же техническое решение, основанное на глубоком понимании физики ВЧЕ-разряда, содержит набор планомерных технических операций по регулировке равномерности процессов на подложках больших площадей, а также обеспечивает реальное повышение скоростей процессов. Эти особенности заявленного технического решения и его новизна позволяют рассматривать предложенный реактор как инструмент нового поколения. A prototype was chosen as the base object for comparing technical and economic efficiency. In it, the working gas is supplied through several zones of the induction discharge, characterized by a low degree of gas activation, as noted above, as well as through a number of more “hard” electrode regions of the additional capacitive discharge, including the zone near the substrate located on the lower electrode. It can be noted that in all variants of the prototype reactor, the gas crosses the indicated near-electrode zones in the direction normal to the surfaces of the electrodes, i.e., it is exposed only to short-term effects of secondary electron beams. The exception is the area immediately adjacent to the plate, i.e., to the zone of its processing. But here, gas activation is not preliminary. The short duration of gas in the activation zones predetermines the low efficiency of this reactor, which prevents the obtaining of high process speeds. As for the uniformity of processes on the substrate, this parameter is actually only declared in the patent description. The real achievement of the desired quality of the process remains the work of the technologist’s art and is the goal of laborious experiments on the empirical selection of a large number of operational parameters of various specific processes, unified technical measures to equalize the processing speed over the entire surface of the plate in the invention are not proposed. The claimed technical solution, based on a deep understanding of the physics of the RF discharge, contains a set of systematic technical operations for adjusting the uniformity of processes on substrates of large areas, and also provides a real increase in the speed of processes. These features of the claimed technical solution and its novelty allow us to consider the proposed reactor as a new generation tool.

Claims

1. A method for plasma-chemical processing of substrates by supplying a working gas to the treatment zone and activating it by exposure to an RF capacitive discharge, characterized in that the working gas is supplied to the treatment zone along the surfaces of the electrodes of the preparative RF capacitive discharge, oriented across the working gas stream, and obtained the output, the transverse distribution of the degree of its activation is controlled by changing the structure of the discharge by redistributing the near-electrode static potential jumps and adjusting the gas pressure.

2. The method according to p. 1, characterized in that as the preparatory discharge using an electrode discharge of coaxial geometry.

3. The method according to p. 2, characterized in that the radial structure of the preparatory discharge is changed by applying uniformly distributed spots on the working surfaces of the electrodes with a secondary electron emission coefficient different from this characteristic of the electrode material.

4. The method according to PP. 1-3, characterized in that on the specified coaxial plasma source impose a constant or alternating axial magnetic field of a short solenoid.

5. The method according to p. 4, characterized in that the magnetic field of the short solenoid is created by two counter-included sections.

6. The method according to PP. 1-5, characterized in that the removal of the substrate from the output section of the preparatory discharge is selected according to the lifetime of the component of the activated gas responsible for the process.

7. Plasma-chemical reactor containing excitation electrodes of an RF capacitive discharge, a flat substrate holder, means for supplying a working gas to the chamber, a pump nozzle and an RF generator with an output matching device, characterized in that its electrodes have electrically conductive working surfaces and form a preparatory coaxial source plasma with means for supplying the working gas to the blank end and further along the electrodes to the substrate holder, said electrodes being connected through a filter plug and reversibly adjustable a direct current source and are surrounded by a short solenoid connected to a direct or alternating current source.

8. The reactor according to claim 7, characterized in that its external solenoid is divided into two interconnected sections.

9. The reactor according to paragraphs. 7 and 8, characterized in that the central electrode of its preparatory plasma source is made rod with a smoothly rounded end facing the substrate holder.

10. The reactor according to paragraphs. 7-9, characterized in that one or both surfaces of the electrodes of its preparatory plasma source are made developed.

11. The reactor according to paragraphs. 7-10, characterized in that the working surface of one or both electrodes of the preparatory plasma source is closed by a perforated dielectric pad.

12. The reactor according to paragraphs. 7-11, characterized in that it uses a matching device of a transformer type.

13. The reactor according to paragraphs. 7-12, characterized in that its substrate holder is connected to the output of the matching device through a separation capacitor, forming a discharge branch parallel to the preparation plasma source and its separation capacitor and having a common external cylindrical electrode, the substrate holder being connected to this electrode through a filter plug and reversibly adjustable direct current source.

14. The reactor according to paragraphs. 7-13, characterized in that its electrode-substrate holder is surrounded by an additional solenoid.

15. The reactor according to paragraphs. 7-14, characterized in that in series with the isolation capacitor of its substrate holder, inductance, a variable resistor and a key are connected in series, the magnitude of the inductance providing resonance at the operating frequency with a minimum value of said capacitor.

16. The reactor according to paragraphs. 7-15, characterized in that its preparatory plasma source is surrounded by one or more circular rows of similar sources parallel to the central one, forming a bunch of independently regulated plasma sources from one circular row to another.

17. The reactor according to paragraphs. 7-16, characterized in that all the preparatory discharge branches of the reactor are connected to a common RF generator parallel to the central plasma source, having individually adjustable isolation capacitors in their power circuits.

18. The reactor according to paragraphs. 7-17, characterized in that its substrate holder is made with the possibility of axial movement.