Высокочастотные разряды низкого давления в технологии малоэнергоемкого вакуумно-плазменного травления микроструктур

В обзоре систематизированы основные результаты фундаментальных и прикладных исследований емкостного и индуктивного ВЧ разрядов, методы формирования интенсивных ионных потоков низкой энергии, полученные автором на протяжении 80-х – 90-х годов. Развита физическая концепция ВЧ разрядов низкого давлен...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2004
1. Verfasser:	Фареник, В.И.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України 2004
Schriftenreihe:	Физическая инженерия поверхности
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/98483
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Высокочастотные разряды низкого давления в технологии малоэнергоемкого вакуумно-плазменного травления микроструктур / В.И. Фареник // Физическая инженерия поверхности. — 2004. — Т. 2, № 1-2. — С. 117–145. — Бібліогр.: 85 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-98483
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-984832016-04-16T03:01:47Z Высокочастотные разряды низкого давления в технологии малоэнергоемкого вакуумно-плазменного травления микроструктур Фареник, В.И. В обзоре систематизированы основные результаты фундаментальных и прикладных исследований емкостного и индуктивного ВЧ разрядов, методы формирования интенсивных ионных потоков низкой энергии, полученные автором на протяжении 80-х – 90-х годов. Развита физическая концепция ВЧ разрядов низкого давления и ВЧ диодного эффекта в асимметричном плазменном конденсаторе. На ее основе разработана серия управляемых газоразрядных технологических системнизкой энергии для повторяемых операций в химически активных газовых средах. Диаметр вакуумных камер составляет 50-300 мм при энергии ионов от 50 до 500 эВ. Описаны различные типы экспериментально-технологических установок для плазменного, ионно-реактивного и ионно-лучевого травления при производстве микроэлектронных приборов, а также их технологическая реализация. В огляді систематизовані основні результати фундаментальних і прикладних досліджень ємнісного та індуктивного ВЧ розрядів, методи формування інтенсивних іонних потоків низької енергії, отримані автором протягом 80-х – 90-х років. Розвинуто фізичну концепцію ВЧ розрядів низького тиску і ВЧ діодного ефекту в асиметричному плазмовому конденсаторі. На її основі розроблена серія керованих газорозрядних технологічних систем низької енергії для повторюваних операцій у хімічно активних газових середовищах. Діаметр вакуумних камер складає 50-300 мм при енергії іонів від 50 до 500 еВ. Описано різні типи експериментально технологічних установок для плазмового, іонно-реактивного та іонно-променевого травлення при виробництві мікроелектронних приладів, а також їх технологічна реалізація. The present paper systemizes the results of fundamental and applied researches of capacitively and inductively coupled RF discharges and the methods of intense lowenergy ion flows formation, that were carried out by the author during 80-90’s. Physical conception of RF discharges at low pressures and diode RF-sheaths effects in asymmetrical plasma capacitor were developed. The series of low-energy and controlled gase discharge technology systems for the long-time operation with chemically active gases was designed on that base. Diameter of plasmas volume constitutes 50-300 mm in ion energy range of 50 to 500 eV. Advanced archetypes of industrial set-ups for the plasma etching, reactive ion plasma etching and reactive ion beam etching for manufacturing of microelectronic devices and their technological implementation are presented. 2004 Article Высокочастотные разряды низкого давления в технологии малоэнергоемкого вакуумно-плазменного травления микроструктур / В.И. Фареник // Физическая инженерия поверхности. — 2004. — Т. 2, № 1-2. — С. 117–145. — Бібліогр.: 85 назв. — рос. 1999-8074 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/98483 539.23 ru Физическая инженерия поверхности Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	В обзоре систематизированы основные результаты фундаментальных и прикладных исследований емкостного и индуктивного ВЧ разрядов, методы формирования интенсивных ионных потоков низкой энергии, полученные автором на протяжении 80-х – 90-х годов. Развита физическая концепция ВЧ разрядов низкого давления и ВЧ диодного эффекта в асимметричном плазменном конденсаторе. На ее основе разработана серия управляемых газоразрядных технологических системнизкой энергии для повторяемых операций в химически активных газовых средах. Диаметр вакуумных камер составляет 50-300 мм при энергии ионов от 50 до 500 эВ. Описаны различные типы экспериментально-технологических установок для плазменного, ионно-реактивного и ионно-лучевого травления при производстве микроэлектронных приборов, а также их технологическая реализация.
format	Article
author	Фареник, В.И.
spellingShingle	Фареник, В.И. Высокочастотные разряды низкого давления в технологии малоэнергоемкого вакуумно-плазменного травления микроструктур Физическая инженерия поверхности
author_facet	Фареник, В.И.
author_sort	Фареник, В.И.
title	Высокочастотные разряды низкого давления в технологии малоэнергоемкого вакуумно-плазменного травления микроструктур
title_short	Высокочастотные разряды низкого давления в технологии малоэнергоемкого вакуумно-плазменного травления микроструктур
title_full	Высокочастотные разряды низкого давления в технологии малоэнергоемкого вакуумно-плазменного травления микроструктур
title_fullStr	Высокочастотные разряды низкого давления в технологии малоэнергоемкого вакуумно-плазменного травления микроструктур
title_full_unstemmed	Высокочастотные разряды низкого давления в технологии малоэнергоемкого вакуумно-плазменного травления микроструктур
title_sort	высокочастотные разряды низкого давления в технологии малоэнергоемкого вакуумно-плазменного травления микроструктур
publisher	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
publishDate	2004
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/98483
citation_txt	Высокочастотные разряды низкого давления в технологии малоэнергоемкого вакуумно-плазменного травления микроструктур / В.И. Фареник // Физическая инженерия поверхности. — 2004. — Т. 2, № 1-2. — С. 117–145. — Бібліогр.: 85 назв. — рос.
series	Физическая инженерия поверхности
work_keys_str_mv	AT farenikvi vysokočastotnyerazrâdynizkogodavleniâvtehnologiimaloénergoemkogovakuumnoplazmennogotravleniâmikrostruktur
first_indexed	2025-07-07T06:38:27Z
last_indexed	2025-07-07T06:38:27Z
_version_	1836969160324677632
fulltext	ФІП ФИП PSE т. 2, № 1, vol. 2, No. 1 117 ВВЕДЕНИЕ В последнее время интенсивное внедрение ва- куумно-плазменных технологий (ВПТ) в промы- шленности инициировало исследования и разра- ботку широкого спектра источников ионов (ИИ) и генераторов низкотемпературной плазмы произ- водственного назначения, а так же создание на их основе разнообразных ионно-плазменных сис- тем (ИПС) для травления и нанесения покрытий [1, 2]. Из получивших наибольшее распростране- ние можно выделить ИПС на базе дуговых разря- дов (установки серий «Булат», «Пуск»), разрядов постоянного тока в скрещенных EH полях (магне- трон, разряд Пеннинга, ускорители с анодным слоем – УАС), высокочастотного разряда емкост- ного (ВЧЕ разряд) и индукционного (ВЧИ разряд) типов, СВЧ разрядов, которые перекрывают по параметрам потоков частиц весь практически значимый диапазон [3 – 6, 61, 62]. Поэтому, на современном этапе развития ИПС, уже недоста- точно проводить исследования и разрабатывать универсальные устройства, ориентируясь только на физические величины: рабочее давление, под- водимую мощность, плотность и температуру плазмы и т.д., а целесообразно идти от конкретной технической задачи к ее технологическому ре- шению и максимально простому и экономичному способу реализации технологии. Одним из перспективных направлений ВПТ, повышающих качество обработки поверхности изделий микроэлектроники (размерное травление пленок), машиностроения (упрочнение приповерх- ностных слоев материалов, нанесение антифрик- ционных, жаропрочных, коррозионно-стойких и других функциональных покрытий), оптики (полировка поверхности и нанесение просветля- ющих покрытий), медицины (нанесение пассиви- рующих и биосовместимых покрытий в имплан- тологии) является развитие методов, использую- щих комбинированные потоки низкоэнергетичных (εi< 1000 эВ) ионов, радикалов химически актив- ных веществ и нейтральных атомов [7]. В настоящее время, когда технология ваку- умно-плазменного травления изделий из полупро- водниковых материалов предъявляет все более сложные и разнообразные требования к харак- теристикам изделий и условиям их обработки, существующий парк узко специализированного оборудования не может в полной мере обеспе- чить совокупность всех необходимых технологи- ческих операций. Это связано с тем, что промыш- ленные установки не допускают независимого изменения различных параметров разряда и, соответственно, основных факторов воздействия активной плазменной среды на обрабатываемые объекты. Актуальной становится задача разра- ботки вакуумно-плазменных систем, реализую- щих широкий диапазон условий обработки, что возможно при использовании в них комбиниро- ванных устройств, позволяющих разделить механизм генерации плазмы и химически активных частиц, с одной стороны, и механизм формирования потоков ускоренных заряженных частиц, воздействующих на обрабатываемую поверхность, с другой. При решении упомянутых выше задач сфор- мировалось научно-техническое направление – разработка низкоэнергетичных, с малыми зат- ратами рабочих, как правило химически актив- ных, газов, малогабаритных ионно-плазменных и ВЧ-разрядных устройств для создания управляе- мого высокоэффективного плазменного мало- энергоемкого оборудования индивидуальной обработки пластин. УДК 539.23 ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ РАЗРЯДЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ В ТЕХНОЛОГИИ МАЛОЭНЕРГОЕМКОГО ВАКУУМНО-ПЛАЗМЕННОГО ТРАВЛЕНИЯ МИКРОСТРУКТУР В.И. Фареник Научный физико-технологический центр МОН и НАН Украины (Харьков) Украина Поступила в редакцию 15.06.2004 В обзоре систематизированы основные результаты фундаментальных и прикладных исследований емкостного и индуктивного ВЧ разрядов, методы формирования интенсивных ионных потоков низкой энергии, полученные автором на протяжении 80-х – 90-х годов. Развита физическая концепция ВЧ разрядов низкого давления и ВЧ диодного эффекта в асимметричном плазменном конденсаторе. На ее основе разработана серия управляемых газоразрядных технологических систем низкой энергии для повторяемых операций в химически активных газовых средах. Диаметр вакуумных камер составляет 50-300 мм при энергии ионов от 50 до 500 эВ. Описаны различные типы экспериментально-технологических установок для плазменного, ионно-реактивного и ионно-лучевого травления при производстве микроэлектронных приборов, а также их технологическая реализация. ФІП ФИП PSE т. 2, № 1, vol. 2, No. 1118 Это направление, имея стратегическое значе- ние, связанное с необходимостью микроминиатю- ризации электронных приборов и увеличением диаметра пластин-носителей, является актуаль- ным, также, в связи с решением постоянно возни- кающих этапных задач, которые сопровождают развитие плазменных технологий микроэлектро- ники, таких как, например: разработка ионных источников без накаливаемого катода для реа- лизации процессов ионно-химической обработки, которая тождественна уменьшению физико-энер- гетического влияния на поверхность; необходи- мость нанесения пленок на гибкие носители с низкой температурой плавления; малогабаритные технологические модули для космических стан- ций; применение, вместо кремниевых носителей, материалов группы А3В5 с низкой температурой деструкции; экологические проблемы, которые состоят в уменьшении выбросов вредных ве- ществ в атмосферу, в частности фтора и другое. В настоящее время, на пороге качественного преобразования процесса микроминиатюризации приборов и изделий электроники методами нано- технологий, минимизация комплексного влияния активированной технологической среды на нано- структуры, при сохранении его эффективности, тем более актуальна. Условием создания малоэнергоемкого управ- ляемого оборудования является комплексное изучение условий и особенностей совместного существования ВЧИ и ВЧЕ разрядов в газораз- рядных камерах (ГРК) различной геометрии. Это, в свою очередь, предполагает углубление знаний о ключевых характеристиках ВЧЕ и ВЧИ разрядов, как таковых, а также системы ВЧ гене- ратор-разряд, как целого. Важно также изучить особенности функционирования систем с ком- бинированным ВЧ разрядом в условиях реальных процессов плазмо-химического травления (ПХТ), реактивного ионно-плазменного травления (РИПТ), реактивного ионно-лучевого травления (РИЛТ) и др. Настоящий обзор ставит целью систематиза- цию основных экспериментальных и теоретичес- ких результатов, положенных в основу разработки серии малоэнергоемких газоразрядных систем для процессов ПХТ, РИПТ и РИЛТ на базе ВЧЕ и ВЧИ разрядов с ВЧ электродным смещением, а также экспериментальных технологических ус- тановок, построенных на их основе. Сюда вошли как неопубликованные ранее, по известным при- чинам, материалы НИР и ОКР, так и последова- тельно изложенные результаты ранее опублико- ванных работ, затрагивавших отдельные аспекты проблемы и выполненных автором обзора и сотрудниками кафедры физических технологий ХНУ им. В.Н. Каразина [9, 13, 14, 19, 20, 23 –25, 42, 52, 56 – 85]. Использован также ряд работ ведущих отечественных и зарубежных ученых в области физики и техники высокочастотных разрядов. ИССЛЕДОВАНИЯ САМОСТОЯТЕЛЬНО- ГО ВЧЕ РАЗРЯДА И ОПТИМИЗАЦИЯ ДИОДНЫХ СИСТЕМ ПХТ Главной особенностью ВЧЕ разряда, определя- ющей значительную часть его физических и тех- нологических свойств, является наличие ВЧ дио- дного эффекта. Диодный эффект является общим свойством плазмы, контактирующей с поверх- ностями, находящимися под ВЧ потенциалом. Проявляется он в образовании пристеночного слоя положительного пространственного заряда с большой постоянной разностью потенциалов плазма-стенка Vp >>kTe/e, где k – постоянная Больцмана, Te, e – температура и заряд электро- нов, зависящей от амплитуды приложенного к плазме ВЧ напряжения U0. В условиях само- стоятельного ВЧЕ разряда ВЧ напряжение элект- родов не только ответственно за образование при- электродных слоев, но и служит для поддержания плазмы. Основные особенности ВЧ диодного эффекта, позволяющие использовать его свойства для фор- мирования и управления потоками ионов, заклю- чаются в линейной зависимости квазистацио- нарного потенциала плазмы от амплитуды прило- женного ВЧ напряжения и в возможности сфор- мировать основное падение потенциала вблизи поверхности одного из электродов соответст- вующим выбором площадей ВЧ электродов и схемы их подключения к ВЧ генератору [9]. Зондовые исследования приэлектродных профилей потенциала и плотности плазмы в ВЧ диодном слое показывают, что такие параметры слоя как ширина d, Vp и плотность ионного тока через слой ji связаны соотношением, близким к закону «трех вторых» Чайльда-Ленгмюра, спра- ведливому для слоя положительного пространст- венного заряда (ППЗ) в режиме насыщения тока ионов (сходство этих соотношений, по-видимому, объясняется одинаковыми условиями ускорения ионов постоянным и квазистационарным полями). Ниже будет дан краткий перечень основных явлений в ВЧЕ разряде, так или иначе связанных с ВЧ-диодным эффектом. ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ РАЗРЯДЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ В ТЕХНОЛОГИИ МАЛОЭНЕРГОЕМКОГО ВАКУУМНО- ... ФІП ФИП PSE т. 2, № 1, vol. 2, No. 1 119 ДИОДНЫЙ ЭФФЕКТ И ЭЛЕКТРИЧЕС- КИЙ ИМПЕДАНС САМОСТОЯТЕЛЬНО- ГО ВЧЕ РАЗРЯДА Существование больших стационарных электри- ческих полей в приэлектродных слоях ВЧЕ раз- ряда и ускорение этими полями ионов плазмы в направлении электродов известно под названием ВЧ диодного эффекта [10], суть которого состоит в выпрямлении ВЧ емкостного тока в приэлект- родных слоях пространственного заряда. Поверх- ность потенциальных электродов является сто- ком для части электронов, ускоряемых потенциа- льным электрическим ВЧ полем, что приводит к формированию слоев положительного простран- ственного заряда и, как следствие, к появлению больших стационарных положительных потен- циалов квазинейтрального объема плазмы отно- сительно стенок газоразрядной камеры (ГРК). Абсолютное значение стационарного падения по- тенциала в приэлектродных слоях может дости- гать величины порядка амплитуды приложенного ВЧ напряжения [10, 21] и составлять сотни вольт. На частотах поля порядка 106 ÷ 108 с–1 ВЧ ток в плазме протекает благодаря колебаниям элект- ронов. Тяжелые ионы, находящиеся в плазме, эа период поля можно считать покоящимися, а их вкладом в ВЧ ток пренебречь. Прилегающий к электроду слой плазмы, име- ющий ширину порядка амплитуды пространст- венных колебаний электронов, оказывается обед- ненным электронами вследствие их падения на электрод при столкновениях с его поверхностью. В результате в этой области обнажается часть ионного остова плазмы и формируется осцилли- рующий приэлектродный слой положительного пространственного заряда. Отличная от нуля в среднем за период поля плотность положитель- ного пространственного заряда в слое диктует значение положительного стационарного (сред- него за период поля) потенциала квазинейтраль- ной плазмы относительно электрода. При наличии приэлектродных слоев ППЗ про- странственное распределение потенциала плазмы имеет форму потенциальной ямы для электронов. Потенциальные барьеры этой ямы, относящиеся к противоположным электродам ВЧЕ разряда, совершают в противофазе ВЧ колебания относи- тельно своего среднего значения, равного Vp. В моменты исчезновения барьеров разрешается кратковременный импульсный сток электронов плазмы на соответствующий электрод, компенси- рующий в среднем по времени постоянный ток ионов. Таким образом, объем квазинейтральной плазмы ВЧЕ разряда, для которого характерны слабые электрические поля, амбиполярный ре- жим диффузии заряженных частиц и достаточно высокая омическая проводимость, вследствие диодного эффекта отделен от ВЧ электродов пе- реходными слоями, в которых нарушается квази- нейтральность и сосредоточены основные паде- ния постоянного и ВЧ полей. ВЧ ток в слоях за- мыкается, преимущественно, токами смещения, поэтому они имеют емкостной импеданс. Более того, емкостное сопротивление приэлектродных слоев оказывается самым большим в цепи разрядного тока, что определяет, в конечном сче- те, характер импеданса всего ВЧЕ разряда. Ем- костный характер импеданса ВЧЕ разряда ил- люстрируют приведенные на рис. 1 эксперимен- тальные зависимости фазы ВЧ разрядного тока θ от приложенного напряжения U0. УСКОРЕНИЕ ИОНОВ В ВЧ ПРИЭЛЕКТ- РОДНЫХ СЛОЯХ И АНАЛОГ ЗАКОНА ЧАЙЛЬДА-ЛЕНГМЮРА В приэлектродных слоях ВЧЕ разряда наруша- ется амбиполярный режим диффузии зарядов. Положительные ионы, доставляемые из объема плазмы слабым амбиполярным полем, проникая в приэлектродный слой, захватываются и ускоря- ются приэлектродным падением стационарного потенциала плазмы Vр. Профиль ионной плотно- сти в слое, в результате, становится существенно неоднородным по координате и резко спадает в направлении к электроду. Энергия εi ускоренных ионов, бомбардирующих электрод, в зависимости от давления газа может достигать величины eVр и составлять сотни электронвольт. С ускоренным движением положительных ионов в приэлектродном падении стационарного потенциала Vр связано формирование ширины приэлектродного слоя d. Вследствие диодного Рис. 1. Зависимость фазы ВЧ тока ϑ от приложенного к ВЧЕ разряду напряжения U0 при различных давлениях азота N2. Расстояние между электродами l = 54 мм; P1 = 3.10–2 Тор; P2 = 8.10–2 Тор; P3 = 2,2.10–1 Тор; P4 = 6.10–1 Тор; P5 = 1,4 Тор; P6 = 2 Тор. ~ В.И. ФАРЕНИК ФІП ФИП PSE т. 2, № 1, vol. 2, No. 1120 эффекта поверхность ВЧ электрода в среднем по времени оказывается под большим отрицате- льным потенциалом относительно квазинейтра- льной плазмы. В отсутствие ионизации в слое собираемый электродом постоянный ионный ток не зависит от величины потенциала Vр и опреде- ляется только диффузионным потоком ионов из квазинейтральной плазмы, т.е. равняется ионному току насыщения электрода как плоского ленгмю- ровского зонда. Формирование профиля ионной плотности в слое и распределение постоянного потенциала также происходит во многом анало- гично случаю ленгмюровского слоя в режиме ионного тока насыщения. Отличие заключается в том, что объемный заряд ионов в ВЧ при- электродном слое частично компенсируется электронами плазмы, проникающими в процесс колебаний в слой. Теоретические расчеты [11, 12, 13] и экспери- ментальные исследования показывают, что ста- ционарные параметры ВЧ приэлектродного слоя (Vp, d) действительно связаны соотношением, по- добным закону Чайльда-Ленгмюра. Упомянутое отличие приводит к тому, что ширина ВЧ при- электродного слоя оказывается примерно в 2 раз больше ширины ленгмюровского слоя при прочих равных условиях. Известное выражение для закона Чайльда-Ленгмюра, полученное из решения уравнения Пуассона в бесстолкно- вительном приближении, имеет вид: 2 2321 2 9 1 d V M ej P i i ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ π = , (1) где Mi – масса иона. Однако, в условиях ВЧЕ разряда, для которго характерен диапазон дав- лений газа P = 10–2 ÷ 10 Тор, приэлектродный слой не является строго бесстолкновительным, а отношение длины свободного пробега ионов λi к d при этих давлениях составляет 1 ÷ 10–2. В ра- боте [14] получена приближенная интерполяцион- ная формула для закона Чайльда-Ленгмюра: ( ) 34 31 32 31 2 6 25 6 dd d dj e MV i i P ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ λ λ+ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ λ+ λ+π⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛= , (2) применимая в диапазоне промежуточных дав- лений. Формула сшивает бесстолкновительное решение (1) с другим известным решением дан- ной задачи для области давлений 10–2 –10 Тор, в которой справедливо приближение εi(x) ~ E(x), где E(x) – напряженность постоянного электри- ческого поля в слое. Использование функциональной связи (1), (2) стационарных параметров ВЧ приэлектродных слоев позволяет легко объяснить электрические свойства несимметричного ВЧЕ разряда, а также несимметричного ВЧ плазменного конденсатора, в общем случае. Учитывая, что ширина слоя d диктует его емкостное [15] сопротивление, легко рассчитать отношение ВЧ и, соответственно, ста- ционарных напряжений в слоях, как функцию от- ношения площадей электродов. Так, при V-вклю- чении электродов [10] (в цепи электродов вклю- чен разделительный конденсатор) отношение приэлектродных падений потенциала выражается в виде степени от обратного отношения площа- дей электродов: ∆V1/∆V2 = (S2/S1) n, причем пока- затель степени n равен четырем в области низких давлений (P < 10–2 Тор) и 5/2 в области про- межуточных давлений (P = 10–2 ÷ 1 Тор) газа [16, 17]. Указанное соотношение позволяет задавать распределение интенсивностей ионной бомбар- дировки электродов путем соответствующего выбора отношения площадей их поверхности и может быть эффективно использовано при проектировании ВЧ реакторных систем. ИОННАЯ БОМБАРДИРОВКА ЭЛЕКТРО- ДОВ И РЕЖИМЫ ВЧЕ РАЗРЯДА Для ВЧЕ разряда, таким образом, характерна ин- тенсивная ионная бомбардировка электродов и стенок разрядной камеры. Под действием этой бомбардировки развивается вторичная ионно- электронная эмиссия, играющая важную роль в механизме разряда. Основное количество эмис- сионных γ-электронов поступает с поверхности потенциальных ВЧ электродов, подвергающихся наиболее интенсивной бомбардировке. В отличие от объемных α-электронов, осциллирущих в слабом электрическом поле на дне потенциальной ямы в объеме квазинейтральной плазмы и обла- дающих низкой тепловой энергией (3 ÷ 5 эВ), электроны, выбитые с поверхности электрода, могут ускоряться в приэлектродном падении по- тенциала до энергий порядка eVp. В зависимости от давления газа и длины свободного пробега электроны могут рассеиваться как в глубине раз- ряда, так и в приэлектродном слое. Преобладание объемных или приповерхностных процессов в механизме поддержания плазмы определяет ре- жим горения ВЧЕ разряда и его пространствен- ную структуру. В литературе различают, соот- ветственно, слаботочный α- и сильноточный γ- разряды [18]. Экспериментально обнаружено, что при P > 1 Top и напряжении U0 = 300 ÷ 400 В наблюдается скачкообразное повышение разряд- ного тока, свечения плазмы и перестройка при- электродных слоев. При повышенных давлениях ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ РАЗРЯДЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ В ТЕХНОЛОГИИ МАЛОЭНЕРГОЕМКОГО ВАКУУМНО- ... ФІП ФИП PSE т. 2, № 1, vol. 2, No. 1 121 переход разряда в сильноточный γ-режим со- вождается падением ВЧ напряжения электродов и образованием отрицательного наклона у стати- ческой реактивной вольтамперной характерис- тики (ВАХ) разряда. Такое поведение разряда объясняется резким изменением характера иони- зационных процессов в приэлектродном слое. При определенных условиях возникает лавинообраз- ное ионизационное усиление тока γ-электронов и происходит так называемый пробой приэлектрод- ного слоя. Он сопровождается резким сокращени- ем размеров приэлектродного слоя над всем электродом или над частью его поверхности, уве- личением плотности плазмы в этих областях и уменьшением приэлектродного падения постоян- ного потенциала Vр. Как уже отмечалось, в от- личие от α-разряда, для γ-режима характерен существенно немонотонный вид статической ВАХ. Для сравнения на рис. 2 приведены зави- симости амплитуды ВЧ тока J0 от напряжения U0 для α- и γ-разрядов. С емкостным характером импеданса ВЧЕ разряда, а также с различным видом зависимости его собственной емкости от приложенного ВЧ напряжения в α- и γ-режимах, связаны особен- ности поведения этих разрядов в цепи ВЧ гене- ратора. При поддержании ВЧ разряда на часто- тах 1 – 40 МГц часто возникает необходимость в согласовании образованной разрядом нагрузки с генератором. Как правило, на таких частотах выходные цепи ВЧ генераторов представляют собой резонансный контур, включающий раз- рядное устройство, а согласование, в частности, заключается в настройке контура в резонанс. Возбуждение ВЧЕ разряда вносит вызванную его собственной емкостью расстройку, устранить которую можно, например, соответствующим уменьшением емкости контура C0. При давле- ниях ниже 1 Тор попытки настроить контур ино- гда приводят к скачкообразному уменьшению интенсивности разряда, падению ВЧ напряжения и расcтройке контура. В режиме разряда при давлениях выше 3 Тор уменьшение емкости контура при попытках настройки в резонанс приводит к дальнейшей расcтройке и даже к срыву разряда. Такое поведение системы гене- ратор-разряд объясняется различным видом зависимости собственной емкости плазмы Cp от напряжения U0 в α- и γ-режимах. На рис. 3 кривой 1 изображена резонансная зависимость напряжения в контуре U0 от пе- ременной емкости контура. Зависимость 1 можно пронаблюдать, изменяя емкость контура в пре- делах достаточно широких, чтобы пройти резо- нанс. Кривые 2 и 3 изображают эксперименталь- ную зависимость собственной емкости ВЧЕ раз- ряда от напряжения U0, соответственно, в α- и γ- режиме. Ось ординат этих зависимостей изобра- жена пунктиром, проходящим через С0. В усло- виях разряда суммарная емкость контура стано- вится больше на величину Cp. Устойчивым сос- тояниям системы генератор-разряд соответст- вуют точки А и С пересечений кривых. Характер перемещения и отрыва точек пересечения при изменении С0 и взаимном перемещении кривой 1 и кривых 2 и 3 объясняет наблюдаемые в экс- периментах явления [19]. Рис. 2. Статические реактивные ВАХ ВЧЕ разряда в α- и γ-режимах. Рабочий газ – N2, расстояние между электродами l = 54мм; Давление газа P1 = 6.10–2 Тор; P2 = 5,5.10–2 Тор. Пунктирная прямая – величина ВЧ тока конденсатора в отсутствии разряда. Рис. 3. Влияние собственной емкости ВЧЕ разряда в α- и γ- режиме на напряжение в контуре ВЧ генератора. Кривая 1 – резонансная зависимость ВЧ напряжения на разрядном устройстве от величины емкости контура. Кривые 2 и 3 – зависимость собственной емкости заряда в α- и γ-режимах ВЧЕ разряда от приложенного напряжения. C0 – емкость контура в отсутствие плазмы. В.И. ФАРЕНИК ФІП ФИП PSE т. 2, № 1, vol. 2, No. 1122 При альфа-гамма переходе ВЧ емкостного разряда происходит ряд явлений в газоразрядной плазме. На осевом профиле постоянного потен- циала плазмы возникает минимум, формируются стационарные двойные плазменные слои [69]. Особенностью альфа-гамма перехода ВЧ раз- ряда низкого давления является то, что критерий пробоя приэлектродного слоя не выполняется [70, 72, 73]. При низких давлениях альфа-гамма пе- реход в аргоне происходит скачком и имеет гис- терезисный характер. При промежуточных дав- лениях альфа-гамма переход происходит непре- рывно, без скачков, при этом появляется отри- цательная дифференциальная проводимость, в центре разряда наблюдается немонотонное поведение плотности плазмы. В ВЧ разрядах в аргоне и кислороде альфа-гамма переход сопро- вождается возникновением низкочастотных колебаний в килогерцовом диапазоне, имеющих релаксационную природу. Область устойчивого существования альфа-режима ВЧ разряда огра- ничена не только со стороны средних давлений (как было показано еще Яценко [74]), но и со сто- роны низких давлений газа [70, 72, 73]. Альфа- гамма переход сопровождается также уменьше- нием температуры нейтрального газа во всем разрядном промежутке [75, 76]. В альфа-режиме профили температуры нейтрального газа имеют максимумы в центре разряда, в то время как в гамма-режиме при промежуточных давлениях температура нейтрального газа практически по- стоянна во всем разрядном промежутке, кроме узких приэлектродных областей. Характеристики ВЧ асимметричного емкост- ного разряда в водороде (в том числе и альфа- гамма переход) были исследованы авторами [77, 78] зондовым (цилиндрическим и плоским лен- гмюровскими зондами) и оптическим методами в диапазоне частот ВЧ поля 13,56 МГц – 100 МГц. Получены зависимости потенциала плазмы, тем- пературы электронов, плотности плазмы, постоян- ного напряжения автосмещения между электро- дами и функции распределения электронов по энергиям от приложенного ВЧ напряжения при различных давлениях газа как в слаботочном, так и в сильноточном режимах горения разряда. ОСОБЕННОСТИ ПРОБОЯ САМОСТОЯ- ТЕЛЬНОГО ВЧЕ РАЗРЯДА И ЕГО СТАТИЧЕСКИХ АКТИВНЫХ ВАХ Как показали проведенные исследования, пробой газа в высокочастотном поле отличается от про- боя в постоянном электрическом поле. Экспери- ментально показано, что кривая зажигания ВЧЕ разряда имеет ряд особенностей [20, 79 – 85]. Экспериментальные результаты довольно хоро- шо согласуются с расчетами на основе диффузи- онной кинетической теории ВЧ пробоя [22, 85]. Особенности пробоя ВЧ разряда выражаются в том, что на левой ветви наблюдается неоднознач- ная зависимость напряжения зажигания от дав- ления, а на правой – в определенных условиях, имеется точка перегиба. На основе диффузионной кинетической теории ВЧ пробоя получены соот- ношения между значениями давления в точке перегиба, в точке минимума и в точке поворота кривой зажигания. Для исследования левой ветви применялась нестандартная экспериментальная методика, что позволило выявить неоднозначность. При дос- таточно низком давлении (10–3 Тор) устанавли- валась определенная величина ВЧ напряжения, а затем плавно увеличивалось давление газа в вакуумной камере до момента пробоя. На правой ветви кривой зажигания, при малых межэлектродных расстояниях, когда минимум кривой приходится на давления, при которых v >> ω (v – частота электрон-атомных соударе- ний, ω – частота электрического поля), имеется точка перегиба. На больших расстояниях, когда минимум кривой смещается в область низких давлений, перегиб не обнаруживается. Из экспериментальных кривых на рис. 4, 5 следует, что для описания высокочастотного про- боя газов в исследуемой области изменения пара- метров применима диффузионная кинетическая теория ВЧ пробоя. Параметры, соответствующие ветвям кривой зажигания справа и слева от мини- мума, удовлетворяют условиям применимости Рис. 4. Зависимость напряжения зажигания ВЧЕ разря- да от давления аргона. Расстояние между электродами 1 – l = 14 мм; 2 – l = 29 мм. ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ РАЗРЯДЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ В ТЕХНОЛОГИИ МАЛОЭНЕРГОЕМКОГО ВАКУУМНО- ... ФІП ФИП PSE т. 2, № 1, vol. 2, No. 1 123 диффузионной теории v >> ω, λe << d, e mdE e νω≤ 2lim , где λe – длина свободного пробега электрона, Elim – предельная амплитуда электрического поля, при которой все электроны достигают стенок разрядной камеры за половину периода изменения поля. Наряду с кривой зажигания ВЧЕ разряда, важ- ной его характеристикой является статическая активная ВАХ (зависимость омической составля- ющей ВЧ тока J0cosθ от напряжения U0). Про- веденные исследования показали, что активная вольт-амперная характеристика высокочастот- ного разряда резко отличается от аналогичной зависимости в разряде постоянного тока [23, 69 – 73]. Основные особенности поведения ВАХ на- блюдаются в области напряжений, близких к на- пряжению альфа-гамма перехода ВЧЕ разряда. При напряжении на разряде, большем потен- циала альфа-гамма перехода, для некоторых газов наблюдается спад тока проводимости. Ха- рактерные зависимости приведены на рис. 6. Как видно из приведенных графиков, чем тяжелее газ, тем более заметное уменьшение тока наблюдает- ся на вольтамперной характеристике. Минимум ВЧ тока проводимости приходится на меньшие напряжения для газа, у которого коэффициент вторичной ионно-электронной эмиссии выше. Чем ярче выражена зависимость сечения упру- гих соударений от энергии электронов (электрон- нейтральных), тем большее падение тока наблю- дается в эксперименте. Нетрудно убедиться, что аналогичное поведе- ние наблюдается также и для ВЧ мощности, вкла- дываемой в разряд. На участках с отрицательной дифференциальной проводимостью (ОДП) на активных ВАХ ВЧ мощность в разряде может не только замедлять свой рост при повышении ВЧ напряжения, но даже падать. Это означает, что относительные энергозатраты на создание в разряде приэлектродного падения потенциала Vp, линейно зависящего от U0, для этих участков бу- дут минимальными, а значит минимальными бу- дут также затраты ВЧ мощности на создание ус- коренного до соответствующей энергии потока ионов из плазмы. При равной энергетике ионной бомбардировки более экономичным будет режим разряда, соответствующий именно участкам с ОДП. Существенное уменьшение объема разрядной камеры и ограничение объема плазмы только размерами области, находящейся между электро- дами непосредственно над обрабатываемой пла- стиной, а также использование в качестве рабо- чих режимов реактора области параметров, в ко- торой наблюдается ОДП, позволило существенно снизить энергозатраты на проведение процессов ПХТ в ВЧ диодном разряде и разработать серию малоэнергоемких реакторов ВЧЕ типа, а также, экспериментальных технологических установок на их основе. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИ- ЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ ПХТ НА БАЗЕ ОПТИМИЗИРОВАННОГО РЕАКТОРА ВЧ ДИОДНОГО ТИПА На основании проведенных исследований высо- кочастотного емкостного разряда были разрабо- таны технологические реакторы для плазмохими- Рис. 5. Зависимость напряжения зажигания ВЧЕ разряда от давления для различных газов. Расстояние между электр- одами l = 20 мм. Газы: 1 – SF6; 2 – H2. Рис. 6. Статические активные ВАХ ВЧЕ разряда при p = 0,3 Тор и l = 50 мм для различных газов: 1 – гелий; 2 – аргон; 3 – ксенон. В.И. ФАРЕНИК ФІП ФИП PSE т. 2, № 1, vol. 2, No. 1124 ческого травления различных тонкопленочных структур на пластинах диаметром 75 и 100 мм [24, 65]. Исследования проводились с целью оп- тимизации режимов травления по уровню потре- бляемой мощности, давлению и расходу рабочих газов. Работы по изучению газовых потоков в реак- торе диодного типа позволили создать плазмохи- мический реактор с оригинальной системой на- пуска рабочих газов и откачки продуктов реакции, распределенных по поверхности электрода [25]. Реактор этого типа обеспечивает высокую одно- родность поступления газов-реагентов и отбор продуктов плазмохимической реакции, что позволяет проводить процессы травления с не- однородностью не более 5% при диаметре об- разцов 100 мм и более. Экспериментальные технологические уста- новки «Контур-01» и «Контур-03» (рис. 7, 8), осна- щенные реакторами такого типа, предназначены для индивидуального ПХТ пластин в плазме ВЧЕ разряда. В этих установках можно осуществлять травление тонких пленок нитрида кремния, поли- кремния, диоксида кремния, металлов, глубинное травление кремния в атмосфере рабочих газов и их смесей: аргон, водород, кислород, фреоны. Расходы рабочих газов не более 100 мл/мин, диапазон давлений в вакуумной камере 0,1 – 1,0 Тор. Частота высокочастотного генератора – 13,56 МГц. Мощность генератора установки «Контур-01» – не более 100 Вт. Мощность генератора установки «Контур-03» – не более 500 Вт. Установка «Контур-03» является усовершенс- твованной модификацией установки «Контур-01». Основные отличия заключаются в размерах обра- батываемых пластин (100 и 75 мм), мощности генераторов, габаритных размерах. «Контур-03», при улучшенных эргономических показателях, имеет значительно меньшие габариты. В устано- вке применена система газонапуска, обеспечива- ющая большую равномерность травления, усо- вершенствован блок управления. Конструкция реактора обеспечивает возможность использова- ния установки в составе линий плаамохимичес- кой обработки. Вакуумная реакционная камера установок представляет собой два дисковых электрода, между которыми вакуумно уплотнена диэлект- рическая кольцевая вставка, являющаяся боковой стенкой камеры. Рабочий объем камеры не более 100 мл. Диаметр электродов, практически, равен диаметру обрабатываемых пластин. Установки укомплектованы зондовыми датчиками контроля момента окончания процесса травления [64]. Вы- сокая однородность обработки, быстродействие и чувствительность зондового датчика контроля окончания травления позволяют проводить в ус- тановках процессы травления материалов с низ- кой селективностью. Благодаря малому энерго- вкладу в разряд, температура пластин, обрабаты- ваемых даже без охлаждения электродов, не превышает нескольких десятков градусов. При травлении нитрида кремния, поликремния, диок- сида кремния, кремния под маской фоторезиста изменений структуры резиста не наблюдалось. Рис.7. Реактор экспериментальной технологической уста- новки ПХТ «Контур – 01» в открытом виде. Справа – кремниевая пластина ∅ 100 мм Рис. 8. Экспериментальная технологическая установка ПХТ «Контур – 03». ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ РАЗРЯДЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ В ТЕХНОЛОГИИ МАЛОЭНЕРГОЕМКОГО ВАКУУМНО- ... ФІП ФИП PSE т. 2, № 1, vol. 2, No. 1 125 Выходной контур генераторов установок «Кон- тур-01, -03» выполнен таким образом, что ваку- умная камера является его составной частью. Такая схема включения разрядного конденсатора позволила упростить высокочастотную систему установок. МАЛОГАБАРИТНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТА- ЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСТАНО- ВКИ ПХТ «ТИТАН» С ОПТИМИ-ЗИРО- ВАННЫМ РЕАКТОРОМ ВЧ ДИОДНОГО ТИПА С развитием элементной базы установок ПХТ и благодаря исследованиям в области физики высо- кочастотного газового разряда возникла возмож- ность создания миниатюрных настольных уста- новок. Примером могут служить эксперимента- льные технологические установки типа «Титан» (рис. 9). Эти установки предназначены преиму- щественно для использования в научно-исследо- вательских и заводских технологических лабора- ториях. Установки серии «Титан» имеют габариты 60×30×50 см и менее. В состав установки входят следующие блоки: вакуумная реакционная каме- ра, блок газонапуска, вакууметр, генератор высо- кой частоты, блок управления, блок питания, ме- ханизм открывания камеры. Размеры обрабатываемых пластин 40, 76 и 100 мм. Пластины размещаются на нижнем по- тенциальном ВЧ электроде. Потенциальный элек- трод выполнен неподвижным, охлаждаемым во- дой. Верхний электрод – подвижный, охлаждае- мый водой, обеспечивает открывание и закрыва- ние вакуумной камеры. Через верхний электрод осуществляется напуск газов и вакуумная откач- ка. Напуск производится по периферии вакуумной камеры, а откачка продуктов плазмохимической реакции – душевая, со всей обрабатываемой по- верхности. Такое решение системы газонапуска позволило получить высокую степень однородно- сти травления при относительной простоте кон- струкции. По оси верхнего электрода расположе- но окно для контроля толщины стравлеваемых покрытий методом лазерного интерферометра. Межэлектродное растояние задается сменными кварцевыми кольцами разной высоты, что по- зволяет, кроме того, проводить диагностику про- цессов по оптическому излучению из плазмы. На установках «Титан» проводились процес- сы травления различных тонкопленочных струк- тур. Травление полиимидных пленок толщиной 12 – 36 мкм в атмосфере кислорода и фреона с кон- тактной никелевой маской показало высокую скорость и анизотропию. Скорость травления до- стигала 5 мкм/мин. Топология травления полностью повторяла ма- ску. Типичный профиль травления, полученный в реакторе данного типа, приведен на рис. 10. Сним- ки сделаны при помощи растрового электронного микроскопа РЭМ-100У. Также осуществлялось травление кремние- вых структур, органического и кремний-органи- ческого фоторезистов. Скорость травления по тонким пленкам нитрида кремния, диоксида кремния, поликремния составляла 1 мкм/мин и более. Проводились процессы глубинного трав- ления кремния. Скорость травления составляла 5 мкм/мин, глубина травления – до 100 мкм. Несмотря на все достоинства самостоятель- ного ВЧЕ разряда, как инструмента для ПХТ (простота реализации, высокая однородность условий обработки на поверхности электродов, высокие скорости обработки и т.д.), возможности его использования в технологии микроэлектрони- ки ограничены. Это объясняется как недостаточ- но низким рабочим давлением газа в реакторе, так и, главным образом, невозможностью раз- Рис. 9. Малогабаритная экспериментальная установка ПТХ серии «Титан» с оптимизированным реактором ВЧ диод- ного типа. Рис. 10. Профиль травления канавок в кремнии под фото- резистивной маской, полученный в оптимизированной ВЧ диодной системе (1985 г.). В.И. ФАРЕНИК ФІП ФИП PSE т. 2, № 1, vol. 2, No. 1126 дельно управлять физическим и химическим факторами воздействия плазмы ВЧЕ разряда на образец, поскольку они имеют общую зависи- мость от ВЧ разрядного напряжения. Поэтому актуальной является задача созда- ния таких комбинированных газоразрядных сис- тем, в которых создание плазмы и ускорение ионов осуществляется независимо, а в качестве плазмообразующей ступени применяется такой тип разряда, который обеспечивал бы более низ- кий диапазон давлений, более широкий интервал значений плотности плазмы и минимальное зна- чение собственного потенциала плазмы относи- тельно стенок. ИССЛЕДОВАНИЯ САМОСТОЯТЕЛЬНО- ГО ВЧИ РАЗРЯДА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ Тенденции развития методов вакуумно-плазмен- ного травления (ВПТ) и вакуумно-плазменного синтеза тонких пленок предполагают повышение производительности процессов травления и на- несения, улучшения пространственной однород- ности потока ионов при одновременном снижении их энергии до уровня нескольких десятков элект- ронвольт, что позволяет создавать благоприятные условия протекания химических реакций на по- верхности подложки, оказывать решающее воз- действие на стехиометрию пленок, минимизи- ровать радиационные повреждения поверхности. Соответственно, эти тенденции определяют сле- дующие общие требования, необходимые для эффективной реализации технологии ВПТ, к параметрам ИПС независимо от способа созда- ния плазмы: 1. Возможность независимого управления ве- личиной плотности потоков частиц j и их энер- гии e в широком диапазоне (j = 0,1 ÷ 10 мА/см2, ε = 50 ÷ 500 эВ). 2. Высокая однородность потоков на большой площади (до 1 м2). 3. Минимальное содержание примесей по массовому составу потока (менее 1%). 4. Зарядовая и токовая нейтрализация потоков заряженных частиц. 5. Возможность длительной работы с хими- чески активными газами. 6. Низкие давления в рабочей камере (менее 10–2 Тор). В известных конструкциях плазменных ИПС используются практически все типы газовых раз- рядов для создания плазмы в ГРК, однако без- электродные электрические разряды, в которых передача энергии плазме осуществляется не по- тенциальным, а вихревым электрическим полем, в частности, ВЧИ разряд низкого давления, явля- ются наиболее перспективными для разработки на их базе широкоапертурных ИПС низкой энер- гии. Как будет показано в данной работе, преиму- ищества использования ВЧИ разряда как плазмо- образующей ступени ИПС низких энергий обу- словлены высокой плотностью плазмы (до 1012 частиц/см3), минимальным разбросом ионов по энергиям (∆ei ≤ 5 эВ), относительно низким рабочим давлением (10–4 ÷ 10–3 Тор), высокой эко- номичностью (энергетическая цена иона η ~ (30 ÷ 80) эВ/ион), отсутствием накаливаемых узлов и, поэтому, большим ресурсом работы с химиче- ски активными газами, возможностью независи- мого управления энергией и плотностью заряжен- ных частиц. В настоящий момент эти достоинства ВЧИ разряда признаны многими исследователями в области физики низкотемпературной плазмы, что вызвало в последние годы, особенно в США и Японии, всплеск теоретических и эксперимента- льных работ по ВЧИ разряду и его техническим применениям [26]. Вместе с тем, систематичес- ки проводятся фундаментальные и прикладные исследования ВЧИ разряда и способов формиро- вания интенсивных низкоэнергетичных потоков ионов, а также была проведена серия НИР и ОКР для НПО «Электроника» (г. Воронеж), НПО «Орион» и НПО Вакууммашприбор (г. Москва), НИИ «Сатурн» (г. Киев) и НФТЦ, результатом которых явилась разработка серии ИПС для осуществления процессов ПХТ, РИПТ и РИЛТ с диаметром ГРК от 50 до 300 мм, изготовление экспериментальных специализированных уста- новок «Контур-02», «Контур-04», «Каштан 5», «Контур-05» и «Контур-06», и проведение цикла работ по апробации и технологическому обеспе- чению этих установок для производства элемен- тов оптоэлектроники, быстродействующих микро- электронных приборов, финишной полировки лазерной оптики, плазменного проявления много- слойного кремний-органического резиста, раз- мерного травления кремния и т. д. Начало детальному рассмотрению ВЧИ раз- ряда было положено в работах Дж. Дж. Томсона [27, 28], где была доказана возможность сущест- вования разряда, поддерживаемого вихревым индукционным ВЧ полем. В этих работах была предложена теория и установлен критерий зажи- гания безэлектродного разряда. Д. Таунсенд и Р. Дональдсон [29] получили в подобной системе разряд, возбуждаемый электростатическим по- лем соленоида и поставили под сомнение резу- льтаты, полученные Томсоном. Дискуссия меж- ду Томсоном и Таунсендом привлекла внимание многих экспериментаторов. Спор был разрешен в статье Мак Киннона [30], в которой автор по- казал, что, как в экспериментах Томсона имел ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ РАЗРЯДЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ В ТЕХНОЛОГИИ МАЛОЭНЕРГОЕМКОГО ВАКУУМНО- ... ФІП ФИП PSE т. 2, № 1, vol. 2, No. 1 127 место кольцевой ВЧИ разряд, вызванный пере- менным магнитным полем, так и в опытах Таун- сенда и Дональдсона был аналогичный разряд, однако, его природа маскировалась ВЧЕ разря- дом, поддерживаемым потенциальным электри- ческим полем соленоида. Оценки, предложенные Дж. Дж. Томсоном, позже были уточнены в работах [31, 32]. Экспериментальному изучению компонент безэлектродного разряда в парах ртути была по- священа статья [33]. Авторам удалось получить кривые зажигания каждой фазы в отдельности и установить принципиальную роль потенциального электрического поля в пробое газа. Роль продо- льной потенциальной компоненты электрического поля Ec в пробое индукционного разряда обсуж- дается также в статье [34], в которой предлага- ется простое выражение для составляющих поля индуктора: Ec/Ei = 2πR/(l/N), где R – радиус, l – длина индуктора, N – количество витков, Еi – ази- мутальная вихревая (индукционная) составляю- щая электрического поля. Таким образом, еще в 20 – 30 годах была од- нозначно установлена роль потенциальной и вих- ревой составляющих электрического поля в ВЧИ разряде, сформулирована его феноменологичес- кая модель. Доказано, что ВЧИ разряд поддержи- вается вихревым ВЧ электрическим полем Еi , что делает независимыми процесс нагрева плаз- мы и уход частиц на стенки ГРК. Кольцевые электронные токи, создаваемые ВЧИ полем, не вызывают образования приэлектродных слоев пространственного заряда, как это происходит в случае постоянного или ВЧ емкостного токов, за- мыкающихся через стенку ГРК, поэтому, в от- сутствие внешних потенциальных постоянных или ВЧ полей в ВЧИ разряде, температура электрон- ного газа и потенциал плазмы относительно сте- нок ГРК определяются только балансом рожде- ния и ухода заряженных частиц в объеме плазмы. Для технологии ВПТ представляет интерес стационарный режим ВЧИ разряда в области низких давлений при небольшой степени иони- зации рабочего газа, когда основными каналами диссипации энергии являются ионизация и уско- рение рабочего вещества, а длины свободных пробегов атомов и ионов значительно превосхо- дят размеры системы. Поэтому, в последующие годы число публикаций по практическому ис- пользованию ВЧИ разряда низкого давления силь- но возросло [35, 36, 37, 38]. Отметим некоторые, наиболее принципиа- льные результаты для понимания физики разряда и для разработки плазменных ИПС. Вычислению электромагнитных полей в индукционном разряде при низких давлениях была посвящена работа [39]. Авторами показано, что в диапазоне дав- лений 10–4 ÷ 10–2 Тор, высоких частот (более 10,7 МГц) и плотности заряженных частиц n < 1012 см–3, распределение полей индуктора можно считать близким к вакуумному. В работе [37] изучалось влияние потенциального электри- ческого ВЧ поля, наведенного разностью потен- циалов между витками индуктора, на энерге- тический спектр ионов, покидающих ВЧИ разряд низкого давления. Было установлено, что исполь- зование многосекционного проводящего экрана витков соленоида, возбуждающего ВЧИ разряд, снижает энергетический разброс ионов с вели- чины ∆εi = 20 ÷ 40 эВ до ∆εi ≤ 5 эВ. Условие существования ВЧИ разряда низкого давления обсуждалось в работе [40]. В ней отме- чается, что когда длина ионизации λi превосходит размер газоразрядной камеры D, пробой газа и создание плазмы только с помощью индуктора затруднено. Тем не менее, поддержание само- стоятельного разряда при давлении рабочего газа p ~ 10–3 Тор и ниже, когда длина свободного про- бега электронов λ ≥ D, индукционным способом осуществимо. Это обусловлено тем, что в плот- ной плазме (радиус Дебая rD << D) электроны удерживаются в объеме ГРК пристеночными слоями нескомпенсированного пространствен- ного заряда ионов. При отсутствии объемной ре- комбинации, отражаясь многократно (~(Mi/me) 1/2 раз, где Mi и me– соответственно, массы иона и электрона) от слоев, электроны проходят путь в ~(D/l)(Mi/me) 1/2 раз превышающий длину иониза- ции. Поэтому, по мнению авторов, условием поддержания разряда является выполнение более слабого, чем λi< D неравенства: λi< D(Mi/me) 1/2 . В приближении максвелловской функции распре- деления электронов по энергиям (ФРЭЭ) и ли- нейной аппроксимации сечения ионизации, можно получить аналитическое решение уравнения ба- ланса рождения и ухода частиц, из которого сле- дует, что Тe является функцией только произве- дения давления рабочего газа p в ГРК и характер- ного размера системы d [40]. При этом перепад потенциала в области квазинейтральной плаз- мы составляет величину порядка Тe, а потенциал плазмы относительно стенок ГРК – ϕpl = 0,5⋅Te⋅ln(Mi/me) [41]. При снижении значе- ния pD менее 10–1 Тор⋅см равновесная Te повы- шается от величины порядка 3 эВ до 10 ÷ 15 эВ, соответственно, увеличивается и ϕpl. Отметим, что равновесные состояния плазмы чисто индук- ционного разряда, т.е. ВЧИ разряда без внешних В.И. ФАРЕНИК ФІП ФИП PSE т. 2, № 1, vol. 2, No. 1128 потенциальных электрических полей, близки по своим параметрам плазме положительного стол- ба тлеющего разряда [42]. КРИВЫЕ ЗАЖИГАНИЯ И АНАЛОГИ СТАТИЧЕСКИХ РЕАКТИВНЫХ ВАХ ДЛЯ ВЧИ РАЗРЯДА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ Для разработки и эксплуатации различных ус- тройств на основе ВЧИ разряда низкого давления необходимо знание его электрических характе- ристик, обеспечивающих поджег разряда в за- данных условиях и получение индукционной плазмы требуемой плотности. Изучению облас- тей существования ВЧИ разряда и особенностей его пробоя в физической литературе уделено дос- таточно много внимания [27 – 34]. В то же время, разные авторы для описания пробоя часто используют разные физические ве- личины (ВЧ ток или напряжение соленоида, напряженность Ei вихревого электрического поля и т. д.), характеризующих не только сам разряд, но и разрядное устройство с конкретной системой ВЧ возбуждения. Это усложняет непосредствен- ное использование их данных. Экспериментальные исследования самостоя- тельного ВЧИР проводились в отсутствие электр- одов в разрядной камере и ставили своей целью получение таких данных об условиях зажигания разряда и о его электрических параметрах в ста- ционарном режиме, которые облегчали бы расчет системы ВЧ возбуждения для газоразрядных устройств с различным диаметром. На рис. 11 показаны кривые зажигания ВЧИР в воздухе на частоте ВЧ поля f = 13,56 МГц в камерах с различными наружными диаметрами. Кривые зажигания строились при наличии предва- рительно возбужденного слаботочного емкостно- го разряда, поддерживаемого полем Ec витков со- леноида. В качестве аналога напряжения, прило- женного к разряду, как и в [33], использовалось значение Ui вихревой э.д.с., индуцируемой на внешнем периметре разрядной камеры. Вели- чина Ui наиболее удобна для практических рас- четов, поскольку позволяет легко определить оп- тимальное число N витков соленоида по извест- ным характеристикам ВЧ генератора. Гораздо меньше известно о параметрах уста- новившегося индукционного разряда и о его элек- трическом импедансе в стационарном режиме. В частности, непонятна природа скачков напря- жения соленоида, а также мощности W, вклады- ваемой в разряд, возникающих при его поджоге. Неясно, чем определяется величина этих скачков, каким образом можно управлять энерговкладом и плотностью плазмы в установившемся разря- де и как его согласовать с ВЧ генератором. Чтобы ответить на эти вопросы для ВЧИР, необходимо построить характеристику, аналогич- ную статической реактивной ВАХ ВЧЕ разряда. Однако, ни амплитуду, ни фазу замкнутого в объе- ме плазмы индукционного тока нельзя измерить непосредственно. Поэтому в качестве аналога реактивных ВАХ для ВЧИ разряда строились его вольт-ваттные характеристики (ВВтХ), представляющие собой зависимость амплитуды напряжения Ui и оми- ческой ВЧ мощности W вкладываемой в плазму. Параметры Ui и W объективно характеризуют состояние разряда и могут быть легко измерены во внешней цепи [43, 44]. На рис. 12 а) и рис. 12 б) приведены семейс- тва ВВтХ ВЧИ разряда в воздухе для различных разрядных камер. Крутые начальные участки за- висимостей соответствуют незначительному энерговкладу в предварительно возбужденный слаботочный емкостный разряд, обладающий, как известно, возрастающей зависимостью пара- метров плазмы от приложенного напряжения. На вольт-ваттных характеристиках, отвечающих давлениям правее минимумов на кривых зажигания разряда, хорошо заметны максимумы ВЧ напряжения Ui и следующие за ними участки с отрицательным наклоном зависимости Ui от W. Таким образам, ВВтХ индукционного разряда имеют вид, напоминающий характеристику обычного газоразрядного или полупроводникового стабилитрона постоянного тока. Способность ВЧИР стабилизировать амплитуду ВЧ разрядного напряжения требует теоретического объяснения. Кроме того, напряжение Ui в этих условиях не- удобно рассматривать как независимый «вне- шний» параметр ВЧИР, поскольку его величина играет подчиненную роль и устанавливается в Рис. 11. Кривые поджига ВЧ индукционного разряда в ци- линдрических камерах различного диаметра: D1 – 21 см; D2 – 12 см; D3 – 6,5 см. ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ РАЗРЯДЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ В ТЕХНОЛОГИИ МАЛОЭНЕРГОЕМКОГО ВАКУУМНО- ... ФІП ФИП PSE т. 2, № 1, vol. 2, No. 1 129 зависимости от значения мощности W, разрядно- го тока и концентрации плазмы. Форма ВВтХ индукционного разряда позво- ляет объяснить происхождение скачков тока и на- пряжения соленоида, а также параметров плазмы, возникающих при возбуждении ВЧИР. Для этого удобнее рассмотреть не ВВтХ, а зависимость «разрядного» напряжения Ui от эквивалентного омического тока разряда JΩ, значения которого легко найти из соотношения W = UiJΩ. Постро- енные таким образом для двух различных дав- лений зависимости Ui(JΩ) показаны на рис. 13. Прямой А – В на этом рисунке обозначена на- грузочная характеристика ВЧ генератора, пока- зывающая, что при фиксированном значении ВЧ э.д.с. и увеличении омического тока нагрузки про- исходит снижение выходного напряжения (так называемое «подсаживание»). Наклон нагрузоч- ной характеристики определяется внутренним сопротивлением источника ВЧ э.д.с., а также добротностью контура и соленоида. Зависимость типа А – В на рис. 13 легко построить, нагрузив соленоид через виток связи на достаточно мощ- ный безиндуктивный потенциометр. Рассмотрим аналог статической ВАХ для ВЧИ разряда, соответствующей давлению P >10–2 Тор, т. е. правой ветви кривой зажигания разряда. Точкой А на рисунке обозначено состояние системы, соответствующее слаботочному ВЧЕ разряду. По мере увеличения ВЧ э.д.с. генера- тора происходит смещение прямой А – В вверх, а также приближение точки А к точке максимума на зависимости Ui(JΩ). В момент достижения этого максимума происходит поджиг ВЧИ разря- да и скачкообразное переключение системы в состояние, соответствующее точке В. Разрядное напряжение Ui (а также напряжение и ток соле- ноида) при этом падает, а омический ток нагрузки, образованной разрядом, резко возрастает. При этом происходит также скачкообразное увеличе- ние яркости свечения разряда и плотности плаз- мы. Величина скачков определяется формой за- висимости Ui(JΩ), а также наклоном нагрузочной характеристики генератора (т.е. его внутренним сопротивлением). На левой ветви кривой зажигания, т.е. при давлении P < 10–2 Тор, переход системы в режим индукционного разряда не сопровождается скач- ками и происходит плавно независимо от внут- реннего сопротивления источника ВЧ э.д.с. Это объясняется отсутствием участка с отрицатель- ным наклоном на ВВтХ, а также на зависимостях Ui(JΩ) для этой области давлений. АНАЛОГИ СТАТИЧЕСКИХ РЕАКТИВ- НЫХ ВАХ ДЛЯ ВЧИ ПЛАЗМЕННОГО КОНДЕНСАТОРА Введение металлических электродов ПК в объем индукционной плазмообразующей ступени при- водит к некоторому «угнетению» параметров ВЧИР, проявляющемуся в смещении кривых его зажигания в сторону больших Ui, а также в изме- нении вида его ВВтХ. Типичная ВВтХ индукци- онного разряда в электродной системе, показыва- ющая влияние электродов, приведена на рис. 14. а) б) Рис. 13. Скачки токов и напряжений в системе генера- тор-разряд, возникающие при поджоге ВЧИ разряда. 1 – статическая вольтамперная характеристика ВЧИР; 2 – нагрузочная характеристика ВЧ генератора. Рис. 12. Вольт-ваттные характеристики ВЧИ разряда в камерах с диаметрами D =12 см (а) и D = 6,5 см (б) при давлениях газа: P1 – 0,015 Тор; P2 – 0,06 Тор; P3 – 0,1 Тор; P4 – 0,14 Тор. В.И. ФАРЕНИК ФІП ФИП PSE т. 2, № 1, vol. 2, No. 1130 Уменьшение осевого размера камеры до 7,5 см, а также введение электродов приводит к повы- шению значений напряжения поджига, к более плавному переходу в режим ВЧИР, а также к появлению положительного наклона у зависи- мости Ui от W. На рис. 14 «возмущенная» кривая зажигания ВЧИР (сплошная линия) показана в сравнении с невозмущенной в отсутствие элект- родов (пунктир). Как и в случае самостоятель- ного ВЧЕ разряда, в плоскосимметричном кон- денсаторе электроды ПК можно использовать как большой двойной плоский зонд для измерений ионных токов на электроды, а также для оценок значений плотности плазмы на границах приэлект- родных слоев. В данной системе, которая явля- ется несимметричным плазменным конденсато- ром, зондовые ВАХ ВЧ электродов, кроме того, показывают значения постоянных токов и на- пряжений, возникающих вследствие диодного эффекта в цепи электродов. На рис. 15. показано типичное семейство «зондовых» ВАХ электродов ВЧ индукционного плазменного конденсатора, измеренных при раз- личных значениях мощности W в ВЧИ разряде в воздухе при P = 3.10–2 Тор и ВЧ напряжения между электродами 170 B. Все кривые имеют хорошо выраженные учас- тки насыщения, позволяющие достаточно точно определить токи положительных ионов на элект- роды. Для токов ионов на электроды Ii1, Ii2 и пло- щадей электродов S1, S2 выполняется соотно- шение Ii1/S1 = ji1 ≈ Ii2/S2= ji2, которое показывает, что плотности ионных токов на поверхности про- тивоположных электродов имеют примерно равные значения. Последнее наблюдается в том случае, когда ВЧ соленоид расположен симмет- рично по отношению к электродам, а профиль плотности плазмы в межэлектродной области имеет симметричную форму. Сумма токов Ii1+Ii2 является нижним пре- делом для скорости ионизации q� в объеме ВЧИ разряда. Зависимость от мощности W в условиях экспериментов была близкой к линейному закону вида: ( ) ( ) WАq ⋅÷≤ 21� (кВт). (3) Оценка (3), естественно, занижена, поскольку не учитывает стока зарядов на боковые стенки. Суммарная площадь ВЧ электродов S1 + S2 сос- тавляла около 1/6 от общей площади внутренней поверхности камеры. Поэтому для скорости ионизации в объеме ВЧИ разряда можно ожидать в несколько раз большее значение, что согласует- ся с данными [45]. Измерения q� позволяют оце- нить энергетическую цену η иона в ВЧИ разряде. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЦЕНА ИОНА В ВЧИ РАЗРЯДЕ В результате проведения комплекса методичес- ких работ по диагностике ВЧИ разряда было ус- тановлено, что наиболее оптимальными величи- нами для сравнения эффективности плазмообра- зующих ступеней различных ИПС являются ин- тегральные токовые и энергетические парамет- ры: энергетическая цена иона η; ВЧ мощность Wi , поглощаемая в объеме плазмы; ВЧ мощность Wloss, рассеиваемая в электрических цепях и про- водящих конструктивных элементах системы; затраты мощности на ускорение ионов Wa; их за- висимости от давления и сорта рабочего газа, полной подводимой мощности W, а так же вольт- ваттные и ватт-амперные характеристики раз- ряда [63]. Рис. 14. Влияние проводящих электродов плазменного кон- денсатора на форму вольт-ваттной характеристики ВЧИ разряда в камере диаметром 12 см при давлении 0,03 Тор. 1 – вольт-ваттная характеристика разряда при наличии электродов; 2 – «невозмущенная» характеристика. Рис. 15. Вольтамперные характеристики электродов ВЧ индукционного плазменного конденсатора как двойного плоского зонда при давлении Р = 0,03 Тор и ВЧ мощностях в разряде: W1 – 100 Вт; W2 – 200 Вт; W3 = 300 Вт. ВЧ напряжения между электродами: U1 = 170 В; U2 = 190 В; U3 = 210 В. ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ РАЗРЯДЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ В ТЕХНОЛОГИИ МАЛОЭНЕРГОЕМКОГО ВАКУУМНО- ... ФІП ФИП PSE т. 2, № 1, vol. 2, No. 1 131 Если мощность W, идущую от генератора в согласующее устройство (СУ) – падающую мощность, легко определить с помощью стан- дартного рефлектометра, которым сегодня обо- рудованы почти все промышленные ВЧ гене- раторы, то измерения Wloss встречают значитель- ные трудности. Так, Wloss включает в себя оми- ческий нагрев элементов СУ– подводящих про- водов, индуктора, конденсаторов, – реактивным ВЧ током, амплитуда которого может достигать нескольких десятков ампер, индукционный нагрев проводящих элементов ГРК – фланцев, электро- статических экранов и т.д., электромагнитным полем, т.е. процессы, которые трудно контроли- ровать и измерять. Величина Wloss нелинейно зависит от абсолютного значения W, амплитуды ВЧ напряжения на индукторе Uin резонансного контура, температуры радиоэлементов и может достигать более 90% падающей мощности. Именно поэтому, важным этапом в исследова- ниях ВЧИ разряда и в работах по оптимизации ГРК явилась разработка методики определения Wloss и технологии ее снижения. Суть методики определения Wloss заключалась в построении семейства калибровочных кривых для Uin в зависимости от W на «холостом ходу» (т.е. без разряда, при минимальной отраженной ВЧ мощности и установившейся температуре) для каждого экспериментального устройства пу- тем последовательного введения различных фун- кциональных элементов. При этом, величина Uin при фиксированном W играет вспомогательную роль – является показателем настройки контура в резонанс и его добротности, критерием нагрузки контура на активное сопротивление, а так же ин- дикатором зажигания разряда, и необходимо до- биваться его максимального значения. Экспериментальные данные по Wloss позволи- ли провести достоверные вычисления η в ВЧИ разряде. Здесь необходимо сделать следующие уточ- нения. Разные авторы, в зависимости от постав- ленной задачи, по-разному определяют энерге- тическую цену иона. Так, в теоретических ра- ботах (см., например, [46]) эта величина харак- теризует суммарные потери энергии электронами в результате упругих и неупругих столкновений при образовании одного иона в объеме разряда. В технических приложениях, например для источников ионов, энергетическая цена иона определяется как отношение полной подводимой мощности к току ионного пучка [3]. При сравнении эффективности ионно-образующих ступеней различных ИПС, как показывает практика, более удобной характеристикой является величина η = eWi/I, где ( )∫ ξξ= S djI – суммарный ток ионов на стенки ГРК, S – площадь поверхности элект- родов, ограничивающих плазму, j – плотность то- ка ионов на границе плазмы, а Wi – поглощаемая в объеме мощность, которая включает в себя как потери энергии электронов при упругих и неуп- ругих соударениях, так и неизбежные затраты энергии, выносимой потоками заряженных частиц на границу плазмы вследствие их теплового дви- жения. При таком определении энергетической цены иона, величину η для ВЧИ разряда низкого дав- ления легко выразить через непосредственно измеряемые в эксперименте параметры I и по- глощаемую разрядом мощность Wi = W – Wloss. Действительно, в условиях, когда длина релакса- ции энергии электронов превосходит размеры ГРК, даже при локальном нагреве электронного газа, связанного с неоднородностью распределе- ния электромагнитного поля в плазме, диссипация энергии электронов на неупругие столкновения происходит равномерно во всем объеме ГРК, за исключением тонких пристеночных слоев про- странственного заряда, и формируется плазма с высокой однородностью скорости генерации час- тиц. Это подтвердили многочисленные измерения распределений плотности тока ионов j на границе плазмы в ГРК различной формы и размеров. Поэтому в расчетах h можно использовать про- стое выражение η =Wi/(j⋅S), где S – площадь внутренней поверхности ГРК. Основными результатами проведенных систе- матических исследований зависимостей η от Wi, p, сорта рабочего газа, размеров ГРК, а так же параметров плазмы Te, ϕpl и заряженных частиц j, εi, Dei является следующее: 1. Величина h не зависит от поглощаемой раз- рядом ВЧ мощности в диапазоне Wi/S = 0,1 ÷ 10 Вт/см2 для характерных размеров ГРК от 50 до 400 мм. При этом плотность ионного тока j равномерно распределена по поверхности ГРК, пропорциональна Wi и может достигать десят- ков мА/см2 (рис. 16). Верхний предел по вклады- ваемой в разряд мощности, как правило, огра- ничен выходной мощностью и степенью согла- сования ВЧ генератора. 2. Величина η существенно зависит от давле- ния в ГРК и сорта рабочего газа (рис. 17). Харак- терным является наличие минимума ηmin = 60 ÷ 80 эВ/ион при Popt = (0,8 ÷ 2)⋅10–3 Тор. Абсолют- ные величины ηmin и Wopt зависят от сорта рабо- чего газа и характерного размера ГРК D, однако, В.И. ФАРЕНИК ФІП ФИП PSE т. 2, № 1, vol. 2, No. 1132 в исследованном диапазоне D = 50 ÷ 400 мм для Ar, O2, N2, CF4 и воздуха их изменение не пре- вышало 30%. Данный результат для чисто индукционного разряда, а так же абсолютные значения h хорошо согласуются с теоретическими расчетами рабо- ты [40], проведенными в приближении макс- велловской функции распределения электронов по энергиям, когда поток энергии, выносимой заряженными частицами на стенки ГРК, про- порционален электронной температуре Тe. На основании этих результатов можно утверждать, что рост h при низких давлениях обусловлен по- вышением затрат мощности на ускорение ионов, а при высоких давлениях h увеличивается вследствие растущих потерь энергии на возбуж- дение и диссоциацию рабочего газа. 3. Величина ηmin снижается до 30 эВ/ион при воздействии на плазму потенциального электри- ческого ВЧ поля (рис. 17, 18) и не изменяется при инжекции в плазму пучка высокоэнерге- тичных электронов. На основании теоретических моделей ВЧ раз- ряда емкостного типа [47, 48, 49] можно предполо- жить, что снижение энергетической цены иона при росте ϕpl обусловлено увеличением доли быст- рых электронов в ФРЭЭ. Такое изменение может быть связано либо со стохастическим нагревом электронного газа при его взаимодействии с ВЧ приэлектродными слоями, либо с вкладом оми- ческого нагрева в плазменной фазе емкостного слоя [48]. Однако, для окончательных выводов о природе данного явления требуется проведение экспериментальных исследований динамики ФРЭЭ при воздействии на индукционный разряд слабого потенциального ВЧ электрического поля. 4. Измерения параметров ионного потока подтвердили известные результаты [50], что энергетический разброс ионов не превышает электронной температуры ∆εi ~ (3 ÷ 10) эВ, а их средняя энергия определяется потенциалом плаз- мы ϕpl = 0,5⋅Te⋅ln(Mi/me) и составляет величину εi = (10 ÷ 80) эВ в зависимости от давления. Представленные на pис. 16 – 18 зависимости в указанном диапазоне параметров D, p, W/S являются, в значительной степени, общими для чисто индукционных разрядов низкого давления независимо от формы ГРК, но все-таки не носят универсальный характер (вопрос о параметрах подобия для безэлектродных разрядов в нас- тоящее время еще остается открытым). Тем не менее, приведенные данные послужили доста- Рис. 18. График зависимости плотности тока ионов ji и энергетической цены иона η от ВЧ потенциала на элект- роде при постоянном параметрическом давлении рd = 3⋅10–3 Тор⋅см и постоянной суммарной мощности W, нормированной на единицу поверхности (Р/S = 0,25 Вт/см2). Рабочий газ – аргон. Рис. 16. График зависимости плотности тока ионов ji на стенки ГРК в зависимости от Р/S – подводимой мощности, нор-мированной на единицу площади поверхности ГРК. График соответствует области давления с минимальной для аргона величиной η = (75 – 80) эВ/ион. Рис. 17. Графики зависимости плотности тока ионов ji и энергетической цены иона η от параметрического давления рd для ВЧИ разряда (ϕ = 0 В) и для ВЧИ разряда с пода- чей ВЧ потенциала на электрод (ϕ = 300В). Значение мощ- ности W, нормированной на единицу поверхности составляло Р/S = 0,25 Вт/см2. Рабочий газ – аргон. ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ РАЗРЯДЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ В ТЕХНОЛОГИИ МАЛОЭНЕРГОЕМКОГО ВАКУУМНО- ... ФІП ФИП PSE т. 2, № 1, vol. 2, No. 1 133 точной физической основой для разработки и кон- струирования оптимальных ГРК для плазменных ИИ на базе ВЧИ разряда низкого давления. ВЧ ИНДУКЦИОННЫЙ ПЛАЗМЕННЫЙ КОНДЕНСАТОР – УПРАВЛЯЕМАЯ ГАЗО- РАЗРЯДНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ УС- ТРОЙСТВ ВАКУУМНО-ПЛАЗМЕННОГО ТРАВЛЕНИЯ Выше были изложены результаты исследований электрического импеданса и диодных свойств плазменного конденсатора как в условиях само- стоятельного ВЧЕ разряда, так и в случае ВЧ индукционной плазмообразующей ступени. Эти свойства, как показано выше, главным образом определяются характеристиками ВЧ приэлект- родного слоя. Знание простой взаимосвязи пара- метров слоя в совокупности с данными об элект- рических и пространственных характеристиках самостоятельного ВЧИ разряда позволяет сос- тавить достаточно простую картину основных электрических и физических свойств индукци- онного плазменного конденсатора (ИПК) и оце- нить его технологические возможности. Основным из этих свойств является возмож- ность раздельного изменения средней энергии и плотности потока ионов, бомбардирующих элект- роды конденсатора. Как технологическая систе- ма плазменной обработки, такое устройство поз- воляет независимо управлять двумя основными факторами воздействия активной плазмы на об- разец: химическим (поток нейтральных ради- калов) и физическим (бомбардировка положи- тельными ионами), а также создавать оптималь- ные условия для обработки при заданном дав- лении газа. Управление характеристиками фи- зического воздействия осуществляется при этом электрическими средствами, т.е. соответствую- щим выбором энерговклада в ВЧИ разряд и ВЧ напряжения, приложенного к электродам. По- током нейтральных химически активных частиц при неизменной мощности и давлении в разряде легко управлять путем изменения состава рабо- чей газовой смеси. Другое свойство несиммет- ричного ИПК позволяет сосредоточить основную мощность ионной бомбардировки на поверхности одного (рабочего) электрода, который может быть как потенциальным, так и заземленным, и снизить до минимума распыление остальных де- талей устройства. Для этого достаточно площадь поверхности нерабочего электрода выбрать в 2 – 3 раза больше площади рабочего (см. выра- жения (2), (3)). Относительно равномерное распределение то- ка ионов на внутренней поверхности ИПК по- зволяет делать простые оценки целого ряда внут- ренних технологических параметров плазмы все- го лишь по значениям таких «внешних» пара- метров как мощность W в разряде, напряжения между электродами конденсатора, объем V ка- меры и площадь S электродов. ВЧ ИНДУКЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ НИЗКОЭНЕРГЕТИЧНЫХ ИОНОВ ДЛЯ РИЛТ Чтобы превратить ИПК в источник ионов (ИИ) низких энергий достаточно его рабочий (т.е. меньший по площади) электрод выполнить в виде сетки. Такое простейшее устройство дает ряд важных преимуществ в сравнении с аналогами [51]. Электрод – сетка при этом выполняет двой- ную роль. С одной стороны, он формирует ионный пучок, проникающий через ячейки сетки в об- ласть транспортировки пучка. С другой – запи- рает индукционную плазму в объеме источника, препятствуя проникновению разряда в область транспортировки. Поэтому, в варианте источника ионов, рабочий электрод ИПК заземлен. Это тем более удобно, т.к. существенно облегчается зада- ча эффективного охлаждения сетки. Эмиттером ионов в этом случае служит граница квазиней- тральной плазмы в приэлектродной области индукционного разряда, а приэлектродный слой с электродом – сеткой выполняют роль односе- точной ионно-оптической системы (ИОС), не нуждающейся в применении катода нейтрализа- тора. Последнее обстоятельство объясняется тем, что в ВЧ приэлектродном слое при V-вклю- чении электродов формируется автоматически скомпенсированный по току (в среднем за период поля) пучок ускоренных ионов. Другими словами, при наличии стационарного напряжения на слое постоянный ток через него равняется нулю, что является специфической особенностью ВЧ диодного эффекта и ВЧ приэлектродного слоя. ИОС НА ОСНОВЕ ВЧ ПРИЭЛЕКТРОД- НОГО СЛОЯ При выборе параметров односеточной ИОС не- обходимо знать функциональную взаимосвязь между шириной приэлектродного слоя d, ста- ционарным падением потенциала Uэ и значением плотности ионов на границе квазинейтральной плазмы. Зондовые исследования приэлектродных профилей потенциала и плотности плазмы в ВЧ диодном слое [9] показывают, что стационарные параметры слоя d, Uэ и плотность ионного тока через слой ji связаны соотношением, близким к закону «трех-вторых» Чайльда-Ленгмюра, В.И. ФАРЕНИК ФІП ФИП PSE т. 2, № 1, vol. 2, No. 1134 справедливому для слоя в режиме насыщения по- стоянного тока ионов и, поэтому, параметры яче- ек электрода-сетки в зависимости от требуемой плотности тока пучка и его энергии легко оценить. Так, при ji = 10 мА/см2 и разности потенциалов Uу ≈ 100 В ширина слоя составляет ~ 0,8 мм, т.е., изготовив эмиссионный электрод с размерами отверстий менее 0,8 мм, можно уменьшить «про- висающий» потенциал в ячейках ИОС и радиус кривизны эмитирующего ионы плазменного ме- ниска, что позволит снизить угол разлета частиц и их потери на стенках выходных отверстий. Повышение плотности тока или понижение энер- гетики пучка накладывают жесткие ограничения на максимальный размер отверстий, а при рас- чете толщины эмитирующей сетки необходимо учитывать ряд противоречивых требований – с одной стороны, увеличение толщины электрода- сетки приводит к повышению газовой экономич- ности и механической прочности, с другой рас- тут потери ионов на стенках выходных каналов. Оценки показывают, что сетка с размером от- верстий 0,4 ÷ 0,95 мм, толщиной 1,5 мм и прозрач- ностью ~ 50% позволяет получать плотность тока пучка ионов аргона 1 ÷ 5 мА/см2 с энергией 100 эВ. Однако, окончательные возможности из- готовленной ИОС необходимо устанавливать на основе экспериментальных данных. ХАРАКТЕРИСТИКИ ИИ НА БАЗЕ ИПК И ИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ АПРОБАЦИЯ На базе ИПК была разработана и испытана се- рия источников низкоэнергетичных ионов с ди- аметром пучка от 50 мм до 250 мм, энергией ионов 50 ÷ 300 эВ и плотностью тока ионов до 5 мА/см2 [52, 58]. Индукционными ИИ с диаметром пучка 250мм были оснащены установки «Каштан-5» (разработанная и изготовленная в НПО «Вакуум- машприбор») и «Контур-06» (разработанная и из- готовленная в НФТЦ), показанные на рис. 19 а,б. Как пример реализации технологических воз- можностей ВЧИ источника низкоэнергетичных ионов, приведем характеристики установки «Каштан 5», изготовленной по заказу НИИ «Са- турн» для производства СВЧ электронных прибо- ров с субмикронными размерами элементов на подложках из соединений типа A3B5 (рис. 19 а). Установка имеет технологическую вакуумную камеру с четырьмя окнами диаметром 400 мм, четыре подложкодержателя диаметром 250 мм, каждый из которых охлаждается водой, вращает- ся вокруг своей оси и может независимо устанав- ливаться под углом (0 ÷ 60)° к оси пучка для полу- чения профиля «перевернутая трапеция». Под- ложкодержатели изолированы от земли, что поз- воляет контролировать процесс окончания трав- ления по изменению тока в цепи подложкодер- жатель – земля [53]. Технологическая камера от- качивается высоковакуумным турбомолекуляр- ным насосом ТМН 3500 (∅ 400 мм), изготов- ленным в химически стойком исполнении, и двумя механическими насосами НВР 16Д до остаточ- ного давления 10–6 Тор. В установке предусмот- рен ручной и автоматический режимы управле- ния. Установка «Каштан 5» оснащена двумя ис- точниками ионов – «Радикал М 300» [52] и одно- сеточным ИИ на базе ВЧИ разряда с диаметром пучка 250 мм, на характеристиках которого остановимся более подробно. Принципиальная схема индукционного ИИ представлена на рис. 19в. ВЧ напряжение часто- той 13,56 МГц от генератора типа УВ 1 через согласующее устройство подавалось как на внут- ренний экранированный индуктор 3, так и на ци- линдрический корпус ГРК 4, который одновре- а) б) в) Рис. 19. а) промышленная установка РИЛТ «Каштан-5», б) экспе- риментальная установка «Контур-06» с ионными источниками индукционного типа; в) конструкция источника. ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ РАЗРЯДЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ В ТЕХНОЛОГИИ МАЛОЭНЕРГОЕМКОГО ВАКУУМНО- ... ФІП ФИП PSE т. 2, № 1, vol. 2, No. 1 135 менно являлся ВЧ электродом. Заземленным электродом системы была многощелевая сетка 1 диаметром 250 мм, прозрачностью 60% и с раз- мерами элементарных ячеек 0,8×20 мм, изготов- ленная электро-эррозионным способом из лис- товой нержавеющей стали толщиной 1,5 мм с последующим вакуумно-термическим отжигом. Геометрические размеры ГРК: длина 80 мм, ди- аметр 250 мм. Диапазон изменения внешних па- раметров источника был следующим: давление в ГРК р = 10–4 ÷ 10–2 Тор, амплитуда напряжения на ВЧ электроде U0 = 0 ÷ 500 В, подводимая ВЧ мощность Р = 0,2 ÷ 1 кВт. На рис. 20 представлены основные характе- ристики индукционного ИИ: зависимость тока пучка ионов и напряжения на индукторе Uинд от давления p в рабочей камере. На расстоянии 150 мм от источника неоднородность jb состав- ляла менее 5% на диаметре 200 мм. Испытания и технологическая апробация ус- тановки «Каштан-5» проводились в НИИ «Са- турн». На данной установке исследовалась воз- можность глубинного анизотропного травления GaAs и слоев AlGaAs с целью выяснения воз- можности получения «грани лазерного зеркала» – вертикальной и гладкой поверхности боковой стенки, которая используется для изготовления оптоэлектронных интегральных схем, и отра- батывался процесс бездефектного травления функциональных слоев GaAs в щелях субмик- ронных размеров для последующего формирова- ния на подтравленной поверхности контакта Шотки. Эта работа преследовала цель замены жидкостного травления GaAs сухим в процессе формирования затворного электрода ПТШ. В обоих случаях в качестве газа травителя исполь- зовался молекулярный хлор, получаемый при термическом разложении хлорида меди. Этот метод позволяет получать чистый хлор в коли- честве, достаточном для проведения процесса, причем, величина давления газа определяется температурой. Технология получения хлора из хлорида меди подробно описана в работе [54]. Для процесса глубинного травления образцы GaAs (САГ 2БК) и гетероэпитаксиальные струк- туры AlGaAs покрывались слоем никеля тол- щиной 0,2 мкм, наносимым путем электронно-лу- чевого испарения, в котором через маску фото- резиста жидкостным травлением вскрывались окна. Образцы для бездефектного травления пред- ставляли собой пластину GaAs (САГ 2БК) со сформированными омическими контактами и нанесенным на его поверхность слоем электрон- ного фоторезиста ЭП 9 толщиной 0,5 мкм, в ко- тором методом электронно-лучевой литографии получены окна под затворы, причем длина затворов в маске резиста составляла 0,3 мкм. Электронный резист задубливался в течении 4 минут при T = 120°C. После травления канавки под затвор на всю поверхность пластины напыля- лись Ti – 0,1 мкм, Al – 0,5 мкм и проводился процесс «взрывной» литографии. Полученные образцы, для определения вели- чины повреждения поверхности при РИЛТ срав- нивались по показателю идеальности N и высоте барьера Шотки ϕШ с контрольными, получен- ными с использованием неразрушающего жид- костного травления. Для проведения процесса РИЛТ использо- валась установка «Каштан-5», для напыления Ti-Al – УРМЗ.279.068, экспонирование электрон- ного фоторезиста проводилось на ZBA-20, кон- троль полученных структур – на электронном микроскопе ZRM-12, определение N-величины идеальности барьера Шотки определялись из вольтамперных характеристик перехода по из- вестной методике [55]. ГЛУБИННОЕ ТРАВЛЕНИЕ GaAs РИЛТ образцов проводилось с использованием ВЧ индукционного низкоэнергетического источ- ника ионов при давлении газа в рабочей камере (в разрядной камере ионного источника давление не измерялось) равном 6⋅10–4 Тор (режим 1) и 9⋅10–4 Тор (режим 2). Расход газа при этом сос- тавлял 0,8 л/ч и 1,2 л/ч, а ионный ток на подложку 1 мА/см и 0,4 мА/см соответственно. Средняя Рис. 20. Зависимость тока пучка ионов и напряжения на ин- дикаторе от давления. В.И. ФАРЕНИК ФІП ФИП PSE т. 2, № 1, vol. 2, No. 1136 энергия ионов в ионном пучке составляла 350 эВ и 160 эВ. ВЧ мощность, вкладываемая в разряд ионного источника, во всех экспериментах была постоянной и равнялась 1 кВт. Скорость травления GaAs составляла 0,3 мкм/мин для режима 1 и 0,1 мкм/мин для ре- жима 2. Были получены канавки травления глу- биной 4 мкм и 1,5 мкм. Маска Ni при этом сохра- нилась без повреждений и, впоследствии, легко была удалена жидкостным травлением (рис. 21). В обоих случаях были получены строго вер- тикальные и прямые боковые стенки без при- знаков подтравливания. Дно канавки у образцов, протравленных в режиме 1 было шероховатым с явно выраженными пиками и ямками, а для ре- жима 2 характерно гладкое дно канавки со скру- гленными боковыми стенками у дна канавки. РИЛТ ГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СТРУКТУР СО СЛОЯМИ В данном процессе, в основном, изучалась ско- рость травления слоев AlGaAs и ее отношениe к скорости травления GaAs. Режимы травления были те же, что и при глубинном травлении GaAs. Здесь следует, отметить, что отношение скорос- тей травления AlGaAs/GaAs в режиме 1 сос-а- вило 1/5, т.е. скорость травления AlGaAs соста- вила 0,06 мкм/мин, для режима 2 наблюдалась значительная неповторяемость результатов, от полной остановки процесса травления, до про- травливания слоя AlGaAs толщиной 0,15 мкм за время 20 мин. Можно предположить, что такое значительное различие скоростей травления GaAs и AlGaAs объясняется влиянием остаточ- ных паров воды и кислорода в рабочeй камере, вызывающих окисление Al в ходе процесса трав- ления А1GaAs до Al2O3, а выход Al2O3 при рас- пылении намного ниже выхода А1GaAs, GaAs, А1 при РИЛТ в Cl. БЕЗДЕФЕКТНОЕ ТРАВЛЕНИЕ Для исследования повреждений, вносимых РИЛТ, образцы подвергались обработке в режимах 1 и 2, а также в режиме 3 при давлении порядка 103 Top, при котором энергия ионов оценивалась в 100 эВ. Глубина травления составила около 0,3 мкм. После РИЛТ на структуры наносили барьерный Ti и высокопроводящий Al для формирования электрода-затвора ПТШ. На сформированных структурах измеряли вольтамперные характериcтики полученного дио- да Шотки, а по ним определяли показатель иде- альности N и высоту барьера ϕШ. Было получено, что для первого режима N >2, для второго – N =1,45, для третьего – N =1,15 ÷ 1,2. Для срав- нения, при жидкостном травлении контрольный образец дал значение N = 1,06, т.е. наблюдается явная зависимость N от энергии ионов. Термо- обработка в течении 30 мин при 300 °С дает не- которое улучшение значения N. Образцы, пр- травленные во 2 режиме и обработанные в сла- бом перекисно-аммиачном травителе короткое время (был снят слой порядка 0,01 мкм), дали значение N такое же, как и при полностью жид- костном химическом травлении. Значение величины высоты барьерного кон- такта Шотки для режима 1 не оценивалось, для режимов 2 и 3 составило ϕ Ш= 0,93 эВ и ϕШ= 0,9 эВ соответственно. Для контрольных структур ϕШ = 0,82 эВ. Видимо, здесь сыграло свою роль влияние загрязнений, имеющих место в нашем случае из-за несовершенства откачных средств и используемых материалов. Таким образом, технологические испытания ВЧИ источника низкоэнергетичных ионов пока- зали, что по совокупности таких показателей, как анизотропия, скорость и селективность травле- ния, стойкость резиста при обработке, он может быть эффективно использован для целого ряда операций в технологии изготовления полупровод- никовых приборов на основе А3В5. Источник по- казал себя надежным и удобным в эксплуатации, легко перестраивался по режимам и был стабилен в работе. Источник одинаково хорошо работал на фтор- и хлорсодержащих газах, кислороде, аргоне, азоте, водороде и их смесях. С помощью источника были разработаны лабораторные технологии глубинного и бездефектного РИЛТ, а так же РИЛТ гетероэпитаксиальных слоев. В то же время, в некоторых технологических операциях выявлено, что поверхность полупро- водникового материала требует дополнительной очистки после РИЛТ источником. Это указывает, что дальнейшее усовершенствование источника необходимо вести в направлении снижения ос- таточного давления в камере и поиска новых хи- мически стойких конструкционных материалов. СИСТЕМЫ ПХТ И РИПТ НА БАЗЕ ИПК Путем комплексного изучения различных ВЧ газоразрядных систем во взаимосвязи их внешних Рис. 21. Профиль канавки, протравленной в арсениде галлия в первом (а) и во втором (б) режиме. а) б) ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ РАЗРЯДЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ В ТЕХНОЛОГИИ МАЛОЭНЕРГОЕМКОГО ВАКУУМНО- ... ФІП ФИП PSE т. 2, № 1, vol. 2, No. 1 137 физических, электрических и геометрических характеристик со значениями и распределениями внутренних параметров активной плазмы были установлены основные факторы ее воздействия, а также определены пути для независимого управления ими. Было показано, что наиболее просто добиться раздельного управления физи- ческим и химическим факторами воздействия технологической плазмы можно в условиях ком- бинированной газоразрядной системы, представ- ляющей собой ВЧ плазменный конденсатор с индукционным разрядом в качестве плазмообра- зующей ступени. В процессе создания данных систем ПХТ тре- бовалось не только найти конструкцию реактора, оптимально реализующую преимущества асим- метричного ВЧ плазменного конденсатора и ин- дукционного разряда, но также провести разра- ботку системы ВЧ возбуждения, обеспечиваю- щей независимое управление ВЧ смещением электродов и ВЧ мощностью в индукционной плазме. В ходе оптимизации устройства были разработаны экспериментальные установки «Контур-02», «Контур-04» и «Контур-05» [59, 60, 66, 67]. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИ- ЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ПХТ «КОНТУР-02» С РЕАКТОРОМ НА БАЗЕ ИПК В установке ПХТ «Контур-02», предназначенной для индивидуальной обработки пластин диамет- ром 76 мм, применен реактор универсального типа (Рис. 22). Сочетание мощной индукционной разрядной ступени, обеспечивающей высокую степень ионизации и диссоциации рабочего газа с управляемым ВЧ диодным слоем на поверхности электрода-подложкодержателя, позволяет создать спектр условий, необходимый для реализации, по крайней мере, трех типов плазменной обработки. Лабораторные испытания установки показа- ли высокую эффективность и универсальность реактора. Скорость травления пленок диокси- да кремния в условиях РИПТ составила 0,3 ÷ 0,5 мкм/мин при давлении СF4 в камере 3.10–2 ÷ 6.10–2 Тор и мощности в разряде 300 ÷ 400 Вт. Скорость ПХТ пленок поликремния и нитрида кремния при давлении СF4 в камере 10–1 Тор составляет 1 ÷ 2 мкм/мин при той же мощности в разряде и селективности, соответственно, 10 и 20. Установка «Контур-02» снабжена управля- ющей ЭВМ, что позволяет автоматизировать ее работу во всех режимах обработки. Помимо только ручного или автоматического режимов управления возможно их совместное использо- вание, что позволяет вносить коррективы в режим работы установки и присваивать новые числен- ные значения параметрам режима в памяти ЭВМ непосредственно в процессе работы установки с пульта ручного управления. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИ- ЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ПХТ «КОНТУР-04» С КОМБИНИРОВАННЫМ ИНДУКЦИ- ОННО-ЕМКОСТНЫМ РЕАКТОРОМ Вакуумная реакционная камера установки «Кон- тур-04» совмещает в себе два типа разрядов: вы- сокочастотные индукционный и емкостной, рас- положенных последовательно друг за другом (рис. 23). Камера универсального типа предназначена для обработки пластин диаметром до 100 мм и представляет собой кварцевый конус с индук- тором снаружи и напуском рабочих газов через вершину конуса, конус расположен вертикально, плазма отсекается сеткой с протяженными от- верстиями малого диаметра, под сеткой нахо- дится нижний электрод, на котором распола- гается обрабатываемая пластина. Разряд в реакторе может создаваться как в объеме кварцевого конуса индукционным спо- собом, так и в области между электродами – ВЧ электростатическим. Режим радикального травления реализуется при низких рабочих давлениях в камере, в об- ласти горения индукционного разряда. Сетка, эк- ранирующая плазму, в этом случае заземляется. Рис. 22. Экспериментальная технологическая установка для ПХТ и РИЛТ «Контур-02», оснащенная реактором на основе ВЧ индукционного плазменного конденсатора. В.И. ФАРЕНИК ФІП ФИП PSE т. 2, № 1, vol. 2, No. 1138 Рис. 24. Конструкция реактора на базе ИПК. 1 – потен- циальный электрод-подложкодержатель; 2 – электростати- ческий экран; 3 – сетка; 4 – корпус; 5 – диэлектрическая ка- мера; 6 – ВЧ индуктор; UL,UC – источники питания индук- тора и электрода. На установке «Контур-04» проводились про- цессы травления поликремния толщиной 0,6 мкм на пленке диоксида кремния толщиной 0,4 мкм в диодном режиме работы реактора. Травле- ние осуществлялось 2,5 мин со скоростью 0,2 мкм/мин. Травление производилось, также, в режиме с индукционным возбуждением разряда в течении 20 сек со скоростью 0,5 мкм/мин. Се- лективность поликремния к оксиду кремния в этом режиме более 20. В данном случае перетрав оксида кремния составил не более 50 ангстрем. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИ- ЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ РИПТ «КОНТУР- 05М» НА БАЗЕ ИПК Тем не менее, испытания и эксплуатация реакто- ров установок «Контур-02», «Контур-04» в области давлений 10–2 – 10–1 Тор, показали недостаточно высокую равномерность обработки и необходи- мость снижения рабочего давления до 10–3 Тор, что обеспечивает существенное повышение не- однородности плазмы в объеме камеры и сниже- ние напряжения на ВЧИ разряде. Это потребовало применения более совер- шенной откачной системы и усовершенствования конструкции реактора. В качестве примера технологической систе- мы травления на базе ИПК, наиболее полно реа- лизующей преимущества комбинированного разряда, ниже приведено описание установки «Контур-05», как наиболее совершенной в техническом отношении. КОНСТРУКЦИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬ- НОГО ОБРАЗЦА РЕАКТОРА Конструкция комбинированного реактора долж- на обеспечивать оптимальное сочетание преиму- ществ плазменного конденсатора и ВЧ индукци- онного разряда. С одной стороны, в условиях плазменного конденсатора наиболее легко уп- равлять ВЧ диодным эффектом и параметрами приэлектродных слоев. ВЧ индукционный разряд, с другой стороны, обеспечивает возможность по- лучения плазмы в широком диапазоне ее плот- ностей (до 1012 см–3), при минимальных значениях ее потенциала (≤ 20 В), в области давлений газа 10–2 ÷ 10–3 Тор. Управление диодным эффектом в данном случае сводится к такому выбору соот- ношения площадей поверхности и схемы вклю- чения электродов плазменного конденсатора, которое обеспечивало бы, во-первых, минималь- ную интенсивность распыления металлических и диэлектрических частей реактора, а во-вторых – максимальную эффективность ионной бомбар- дировки электрода-подложкодержателя. Размещение ВЧ электродов не должно при этом препятствовать проникновению ВЧ вихре- вого (т.е. индукционного) поля в объем камеры и нарушать пространственную однородность пара- метров ВЧИ разряда. Кроме того, в конструкции должны быть предусмотрены меры, препятст- вующие проникновению разряда в область на- пуска и откачки газа. Устройство реактора, удовлетворяющего пе- речисленным требованиям, показано на рис. 24. Рис. 23. Экспериментальная технологическая установка для РТ, ПХТ и РИПТ «Контур-04», оснащенная реактором с ВЧИ и ВЧЕ ступенями ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ РАЗРЯДЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ В ТЕХНОЛОГИИ МАЛОЭНЕРГОЕМКОГО ВАКУУМНО- ... ФІП ФИП PSE т. 2, № 1, vol. 2, No. 1 139 Диэлектрическая камера реактора имеет фор- му усеченного конуса с диаметрами D1 = 160 мм, D2 = 120 мм и высотой 70 мм. ВЧ электрод-под- ложкодержатель диаметром 102 мм расположен в плоскости основания конуса на его оси. Снизить интенсивность травления не предназ- наченных для обработки деталей реактора мож- но, только понизив относительно них значение потенциала плазмы. Для этого больший по пло- щади электрод (4) конденсатора – заземлен, а меньший (подложкодержатель 1) подключен к источнику ВЧ напряжения смещения UC через разделительный конденсатор С. Площадь кон- тактирующего с плазмой участка эдектрода-под- ложкодержателя составляет S < 0,5 от площади заземленного электрода. При этом, в диапазоне значений напряжения смещения UС < 250 В, по- стоянный потенциал плазмы относительно «зем- ли» не превышает + 50 В, в то время, как его значение относительно электрода 1 достигает +200 В. Относительно «земли» постоянный по- тенциал ВЧ электрода 1 составляет при этом око- ло –150 В. Оба ВЧ электрода расположены по одну сто- рону от индуктора и объема плазмы. Такое вве- дение электродов в камеру не приводит к значи- тельному вытеснению магнитного поля индукто- ра из ее объема и не вызывает ухудшения индук- тивной связи с разрядом. Рабочее напряжение ВЧИ разряда при этом увеличивается незна- чительно, что создает дополнительный резерв мощности ВЧ генератора для энерговклада в разряд. Индуктор независимо питается от от- дельного источника ВЧ напряжения. Проникновению ВЧ разряда в область откачки препятствует электростатический экран 2, закры- вающий нерабочие участки поверхности под- ложкодержателя, а также кольцевая сетка 3, имеющая минимальный диаметр отверстий (dc = 0,3 мм). Уменьшение диаметра отверстий сетки до такой величины продиктовано соот- ношением dc < ds, где ds – ширина приэлект- родного слоя над сеткой при максимальной плот- ности плазмы и минимальном напряжении. При соблюдении этого условия сетка исключает про- никновение плазмы разряда через ее ячейки в область откачки. С другой стороны, сетка не должна заметно снижать эффективную скорость откачки камеры. Поэтому площадь и прозрачность сетки выбраны максимально возможными. Вакуумный зазор между ВЧ электродом 1 и экраном 2 составляет 1 мм. Такая величина за- зора по изложенным выше причинам исключает существование разряда в этой области при указан- ных ВЧ напряжениях электрода и, таким образом, надежно препятствует проникновению плазмы в область напуска. Такая конструкция реактора при диаметре подложкодержателя Dп = 102 мм и наружном диаметре заземленного электрода D1 = 160 мм обеспечивает при давлении 10–2 – 10–3 Тор в камере радиальную неоднородность ВЧИ плаз- мы над образцом не более 5%. СИСТЕМА ВЧ ПИТАНИЯ И УПРАВЛЕ- НИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТ- РАМИ РЕАКТОРА Для независимого управления плотностью ин- дукционной плазмы и энергией ионной бомбар- дировки в ВЧ приэлектродном слое требуется независимое питание цепи индуктора, возбуж- дающего ВЧИ разряд, и цепи ВЧ электродов, от- ветственных за формирование слоев. Попытки использовать для этой цели один ВЧ генератор и общий согласующий контур сталкиваются с се- рьезными трудностями. Из-за взаимного влия- ния импедансов индуктора и плазменного конден- сатора на общий резонансный контур невозможно добиться стабильности электрических парамет- ров в одной цепи при регулировании параметров другой. Для устранения этой трудности было разработано и изготовлено согласующее устройство, обеспе- чивающее независимое питание ВЧ цепей реак- тора от двух раздельных резонансных контуров и двух сфазированных ВЧ генераторов. Электрическая блок-схема системы ВЧ пита- ния реактора показана на рис. 25. В качестве ос- новного узла системы использован стандартный промышленный ВЧ генератор типа УВ-5. При этом, часть согласующего устройства (СУ1), на- груженная через индуктор на ВЧИ разряд, пита- ется непосредственно от его коаксиального выхо- да. Для настройки согласующего устройства СУ1 для дистанционного управлениями емкостями С1 и С и резонансного П-контура используются ре- флектометр и органы управления генератора. Емкостью С2 осуществляется настройка контура в резонанс. Емкость С1 служит для согласования нагрузки с генератором по модулю электричес- кого сопротивления. Алгоритм настройки кон- тура, а также его электрическая схема не отлича- ются ничем от стандартных, за исключением емкости. В состоянии, соответствующем оп- тимальному согласованию с ВЧИ разрядом, значение емкости С1 примерно в 4 – 5 раз пре- вышает емкость С2. ВЧ напряжения на противо- положных концах индуктора, имеющие относи- В.И. ФАРЕНИК ФІП ФИП PSE т. 2, № 1, vol. 2, No. 1140 тельно «земли» разный знак, существенно отли- чаются при этом по амплитуде. В результате, весь индуктор, как целое, имеет относительно «земли» (и плазмы) большое ВЧ электростатическое на- пряжение, которое может служить источником неуправляемых стационарных полей в плазме и воздействовать на цепь питания ВЧ электродов. Введение емкости Ск и выбор ее значения обеспечивает выравнивание амплитуд напря- жений в разных плечах П-контура. При равенст- ве этих напряжении, их влияние на цепь ВЧ смещения электродов взаимно компенсируется. Это устраняет влияние контуров С3LcС4 и С1СкLiС2 друг на друга, а также исключает необ- ходимость электростатической экранировки объема плазмы. Остальные элементы на рис. 25 служат для подачи и управления ВЧ смещением электродов и являются специфичными для данного реактора ПХТ. К этим элементам относится другая часть со- гласующего устройства (СУ2) и блок управления ВЧ смещением электродов (БУВС). БУВС пред- ставляет собой своего рода приставку к основ- ному ВЧ генератору, т.к. в ней отсутствует собст- венный задающий генератор и источник анодного напряжения выходной лампы. Использование одного общего задающего генератора, а также балансировка плеч П-контура в СУ1 делает регулировку цепей реактора независимой. Для стабилизации ВЧ напряжения и, установленного на электроде, в БУВС предусмотрена обратная связь. Таким образом, описанная выше система ВЧ питания реактора обеспечивает независимое уп- равление плотностью ВЧИ плазмы и напря- жением смещения при раздельной стабилизации каждого из этих параметров. ПРИМЕНЕНИЕ ИНДУКЦИОННОГО РЕ- АКТОРА ПХТ ДЛЯ ПЛАЗМЕННОГО ПРО- ЯВЛЕНИЯ МНОГОСЛОЙНОГО РЕЗИС- ТОРА Для отработки технологии анизотропного реа- ктивного ионно-плазменного травления (РИПТ) двухслойного резиста были использованы специа- льно заготовленные образцы, представлявшие собой кремниевую пластину со слоем органи- ческого фоторезиста толщиной 1,2 мкм, поверх которого был нанесен слой (0,05 – 0,1 мкм) крем- ний-органической маски с тестовым рисунком. Рисунок, представляющий собой группы элемен- тов различной формы (квадраты, окружности, по- лосы, щели) с линейными размерами 0,5; 0,8; 1,0; 1,2; 1,5; 2; 3; 4; 5 мкм, был сформирован методом оптической проекционной ультрафиолетовой литографии с последующим проявлением жидкостным травлением. Задачей ионно- плазменной обработки являлось: – удаление на проявленных участках остатков верхнего кремний-органического слоя фото- резиста (дотрав) фторсодержащим газом до вскрытия органического слоя; – анизотропное травление кислородом основного органического слоя до кремния. Обработка контрольных образцов осущест- влялась в цикле в трех режимах: 1) Травление обоих слоев без подачи ВЧ напря- жения на подложкодержатель (энергия ионов εI 10 – 15 эВ). 2) Дотравливание верхнего слоя без подачи ВЧ напряжения, травление основного слоя при амплитуде ВЧ напряжения 50, 100, 200 В (средняя энергия ионов – 30, 70 и 120 эВ соответственно). 3) Травление обоих слоев при подаче ВЧ на- пряжения амплитудой 100 В. Контроль окончания процесса травления слоя осуществлялся визуально с последующим анализом сформированных элементов на элект- ронном микроскопе РЭМ-100У. В процессе обработки основные параметры реактора поддерживались постоянными и сос- тавляли: – давление рабочего газа в реакторе, Тор – 10–3 – мощность, подводимая к индуктору, Вт – 200 – амплитуда ВЧ напряжения на подложкодержа- теле, В – 0,50, 100, 200 – рабочие газы – кислород, фреон-14. Основные результаты проведенных исследо- ваний следующие: – время дотравливания верхнего слоя составля- ло 10 – 15 секунд и слабо зависело от энергии ионов; Рис. 25. Электрическая блок-схема системы ВЧ питания реактора. ГЗ – задающий генератор УВ-5; БУВС – блок управления ВЧ смещением электрода; L – ВЧ соленоид; СУ-1 – устройство согласования генератора с ВЧИ разря- дом; СУ-2 – устройство согласования БУВС с импедан- сом ВЧ электрода. ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ РАЗРЯДЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ В ТЕХНОЛОГИИ МАЛОЭНЕРГОЕМКОГО ВАКУУМНО- ... ФІП ФИП PSE т. 2, № 1, vol. 2, No. 1 141 – средняя скорость травления основного слоя равнялась 0,2 – 0,3 мкм/мин при энергии ионов 10 – 20 эВ и увеличивалась до 1,3 – 1,5 мкм/мин при энергии ионов 100 эВ. Равномерность травления на подложкодер- жателе составляла около 90%. Задубливания фоторезиста не наблюдалось. Анализ профилей протравленных структур на электронном микроскопе дал следующие резуль- таты: В режиме «1» наблюдался сильный боковой подтрав основного слоя резиста, характерный для радикального травления, в результате эле- менты с линейными размерами 0,5; 1,0; 1,5 мкм (квадраты и полоски) полностью разрушались. В режиме «2» на всех элементах обнаружен характерный «бутылочный» профиль. Было ус- тановлено, что глубина «подтрава» зависит от времени обработки верхнего слоя, что свиде- тельствует о плохой селективности травления слоев фоторезиста при использовании фреона. В третьем режиме получено хорошее раз- решение всех элементов на образце. На рис. 26а показан внешний вид установки «Контур-05», а также структура тестового образца после обра- ботки в третьем режиме (рис. 26б). Таким образом, независимое управление плот- ностью потока и энергией ионов в разработанном устройстве позволило достаточно оперативно от- работать технологию проявления двухслойного фоторезиста с размерами элементов менее 1 мкм. В соответствии с межотраслевой программой развития наиболее конкурентоспособных направ- лений микроэлектроники в Украине в 2004 году в рамках договора “Исследование и создание ком- плекса реакторных модулей для проведения ос- новных технологических процессов вакуумно- плазменного травления при производстве совре- менных изделий микроэлектроники и интеграль- ных схем” начато изготовление эксперимента- льно-технологического образца установки “Кон- тур-05М” – автоматизированного, универсально- го по типам обработки ВЧ комплекса (рис. 27а,б). ЗАКЛЮЧЕНИЕ Таким образом, в работе изложены результаты комплексных экспериментальных и теорети- ческих исследований ВЧ диодного эффекта, приэлектродных слоев, электрического импедан- са ВЧ плазменного конденсатора в условиях самостоятельного и несамостоятельного ВЧЕИР, а также описаны разработки на базе этих иссле- дований эффективных устройств для ионно-лу- чевого и плазмо-химического травления. Зондовыми методами были измерены абсо- лютные значения и пространственные распре- деления потенциала и плотности плазмы в плоско- симметричном и несимметричном ВЧЕР, а также в ПК с ВЧИ разрядом. Радиотехническими средствами были изме- рены основные электрические характеристики ВЧЕ и ВЧИ разрядов. Изучены особенности со- гласования этих разрядов с ВЧ генератором. Использование полученных эксперименталь- ных данных и теоретических оценок позволило создать ВЧ индукционный ПК с независимым управлением плотностью и потенциалом плазмы и разработать на его основе источник низкоэнер- Рис. 26. а) Экспериментальная технологическая установка ПХТ и РИПТ «Контур-05» с реактором типа ИПК. б) Профили плазменного проявления в кремнийорганическом фоторезисте элементов с линейными размерами 1 мкм, полученные в реакторе. б) а) В.И. ФАРЕНИК ФІП ФИП PSE т. 2, № 1, vol. 2, No. 1142 гетичных ионов, реакторы ПХТ и серию устано- вок «Контур» на их основе. Технологическая апробация установок пока- зала их высокую эффективность и широкие воз- можности для их применения в самых различных областях современной технологии микроэлект- роники. Управляемые малоэнергоемкие установ- ки серии «Контур» позволяют решать самые со- временные и сложные технические задачи в со- ответствии с нынешним уровнем требований к качественным и количественным характеристи- кам вакуумно-плазменных технологий в серий- ном производстве микроприборов субмикронного масштаба. Отраженные в обзоре результаты автора бы- ли получены при выполнении госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских и опыт- но-конструкторских работ на протяжении 80-х – 90-х годов и до настоящего времени в Харьковс- ком национальном университете им. В.Н. Карази- на и НФТЦ. Автор выражает благодарность за помощь в подготовке настоящего обзора сотрудникам ла- боратории компьютерных технологий НФТЦ и кафедры физических технологий ХГУ. ЛИТЕРАТУРА 1. Данилин Б.С., Киреев В.Ю. Применение низкотем- пературной плазмы для травления и очистки мате- риалов. – М.: Энергоатомиздат, 1987.– 125 с. 2. Данилин Б.С. Применение низкотемпературной плазмы для нанесения тонких пленок. – М.: Энерго- атомиздат, 1987.– 252 с. 3. Габович М.Д. Физика и техника плазменных ис- точников ионов. – М.: Атомиздат, 1972.– 190 с. 4. Обухов В.А., Григорян В.Г., Латышев Л.Н. Источ- ники тяжелых ионов/ В кн.: Плазменные ускорители и ионные инжекторы/Под ред. Козлова Н.П., Моро- зова А.И. – М.: Наука, 1984. – С. 169188. 5. Kaufman H.R. Technology of ion beam sources used in sputtering// J. Vac. Sci. Technol. – 1991. – Vol.15, № 2 – P. 272-276. 6. Kaufman H.R., Reader P.D. Experimental performance of ion rockets, employing electron-bombardment ion sources// Ai.AA Progress in Astronautics and Aeronautics. Electron Propulsion. –1961. – Vol. 13. – P. 3-27. 7. Маишев Ю.П. Ионные и ионно-плазменные сис- темы и пути их развития для задач микроэлектро- ники//Микроэлектроника.– 1977. – Т.3, № 2 (81). – С. 21-34. 8. Плазменные технологии в производстве СБИС/ Сб. под ред. Н. Айнспрука, Д.Брауна.– М: Мир, 1987. 9. Будянский А.М., Покроев А.Г. Диодный эффект в несамостоятельном ВЧЕ разряде//Письма в ЖТФ.– 1992. – Т. 18, Вып. 1. – С. 3-6. 10. Годяк В.А., Кузовников А.А. О вентильных свойст- вах ВЧ разрядов//Физика плазмы.– 1975.– Т. 1, Вып. 3. – С. 496. 11. Liberman M.A. Analytical solution for Capatisitive RF Sheath//IEEE Trasactions on Plasma Science. – 1988. – Vol. 16, № 6. – P. 638. 12. Liberman M.A. Dynamics of a Collisional Capasitive RF Sheath//IEEE Trasactions on Plasma Science.– 1989. – Vol. 17, № 2. – P. 338. 13. Будянский А.М., Покроев А.Г. Механизм ВЧ диод- ного слоя в ВЧ разряде//V Конференция «Взаимо- действие электромагнитных излучений с плазмой». Тезисы докладов. – Ташкент. – 1989. – С. 172. 14. Будянский А.М. Закон «трех вторых» в переходном режиме плоского ленгмюровского слоя//II Все- союзное совещание «Высокочастотный разряд в Рис. 27. а) Внешний вид экспериментального образца реактора на базе ВЧИЕ разряда. б) Внешний вид экспериментального образца реактора на базе ВЧИЕ разряда. а) б) ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ РАЗРЯДЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ В ТЕХНОЛОГИИ МАЛОЭНЕРГОЕМКОГО ВАКУУМНО- ... ФІП ФИП PSE т. 2, № 1, vol. 2, No. 1 143 волновых полях». Тезисы докладов.– Куйбышев. – 1989. – С. 15. 15. Ковалев А.С. и др. Исследование структуры высо- кочастотного несамостоятельного разряда в пото- ке газа // Физика плазмы. – 1985. – Т.11, Вып. 7. – С. 882. 16. Keller J.H., Pennebaker W.B. Electrical properties of RF sputtering system// IBM J. Res. Develop.– 1979. – Vol. 23, № 1. – P. 23. 17. Kohler K., Coburn I.W., Horde D.E., Kay E., Kel- ler I.H. Plasma potentials of 13.56 MHz rf argon dis- charges in a planar system// J. Appl. Phys. –1985.– Vol. 57, № 1. – P. 59 66. 18. Яценко Н.А. Связь высокого потенциала плазмы с режимом горения высокочастотного емкостного разряда среднего давления// Журн. техн. физ. – 1981. – Т. 51, Вып. 6.– С. 1195. 19. Будянский А.М. Нелинейные явления в цепи ВЧЕ разряда//II Всесоюзное совещание «Высокочас- тотный разряд в волновых полях». Тезисы докладов. – Куйбышев. – 1989. – С. 42. 20. Кропотов Н.Ю., Качанов Ю.А., Лисовский В.А., Егоренков В.Д., Фареник В.И. Особенности пробоя газа низкого давления в ВЧ однородном поле// Письма в ЖТФ. – 1988. – Т.14, Вып. 4. – С. 359-363. 21. Левитский С.М. Потенциал пространства и распы- ление электродов в высокочастотном разряде// Журн. техн. физ. – 1957. – Т. 27, Вып. 5. – С. 1001 22. Kihara T. Reviews of Modern Physics. – 1952. – Vol. 24, № 1. – P. 45. 23. Лисовский В.А. Отрицательная дифференциаль- ная проводимость в слаботочном форме ВЧЕ раз- ряда// Межотраслевой научно-технический семи- нар «Физические основы и новые направления плазменной технологии в микроэлектронике». Материалы семинара. – Харьков. – 1991.– С. 48. 24. Способ плазмохимического травления микрост- руктур: А. С. № 1443689/ Фареник В.И. 1986. 25. Устройство для плазмохимического травления покрытия образцов: А.С. № 1355053/Фареник В.И. 1985. 26. 25th IEEE International Conference on Plasma Scien- ce// Conference Record-Abstracts. USA. – 1998. 27. Thomson J.J. The electrodeless discharge through gases//Phil. Mag. – 1927. – Vol. 4, № 25. – P. 1128 1141. 28. Townsend J.S., Wykeham M.A., Donaldson R.H. Electrodeless discharge//Phil. Mag. – 1928. – Vol. 5, № 27. – P. 178-191. 29. MacKinnon K.A. On the origin of the electrodeless discharge//Phil. Mag. – 1929. – Vol. 8, №52. P. 605- 617. 30. Бурмистров А.В., Маношкин Ю.В. Пробой газа в высоко частотном разряде//ЖТФ. – 1976. – Т. 49, Вып. 12. – С. 2517-2577. 31. Бузыкин О.Г., Бурмистров А.В. Пробой воздуха в высокочастотном индукционном разряде//ЖТФ. – 1983. – Т. 53, Вып. 1. 32. Smith H., Lynch W.A., Hilberry N. The electrodeless discharge in mercury vapor// Phys. Rev. – 1931. – Vol. 37. – P. 1091-1101. 33. Contaxes N., Hatch J. High-frequency fields in sole- noidal coil//J. Appl. Phys. – 1969. – Vol. 40, № 9. – P. 3548-3550. 34. W.F.DiVergilio, H.Goede and W.Fosnight. Develop- ment of radio-frequency induction plasma generation for neutral beams. Rev.Sci.Instrum. – 1986. – № 57(7). – P. 1254-1260. 35. DiVergilio W.F., Goede H. and Fosnight W. at all. Ra- dio-frequency induction plasma generator 80 kV test stend operation//Rev.Sci.Instrum. – 1986. – № 57(7). – P. 261-265. 36. Горбатов Ю.В., Зиненко В.И. Высокочастотный ис- точник химически активных ионов//ПТЭ. – 1988. – № 5. – C. 131-133. 37. Дьячков Б. и др. Высокочастотный источник ионов малой энергии//ПТЭ. – 1978. – №2. – С.191-193. 38. Henriksen B.P., Keefer D.R., Clarkson M.N. Electro- magnetic field in electrodeless discharge//J. Appl. Phys. – 1971. – Vol. 42, № 13. – P. 5460-5464. 39. Бондаренко В.Г., Денисов В.П., Еремин Б.Г. и др. Индукционный разряд низкого давления//Физика плазмы. – 1991. – Т.17, № 6. – С. 756-758. 40. Голант В.Е., Жилинский А.П., Сахаров И.Е. Основы физики плазмы. – М.: Атомиздат, 1977. – 384 с. 41. Грановский В.Л. Электрический ток в газе. – М.: Наука, 1971. – 544 с. 42. Дудин С.В. Нахождение энергетического спектра электронов при зондовых измерениях в плазме// ПТЭ. – 1994. – № 4. – С. 78-82. 43. Будянский А.М., Зыков А.В. Статические вольтам- перные характеристики ВЧИ разряда//II Межотрас- левой научно-технический семинар «Физические основы и новые направления плазменной техноло- гии в микроэлектронике». Материалы семинара. – Харьков. – 1991. – С. 22. 44. Budyansky A., Zykov A. Static current-voltage cha- racteristics for radio-frequency induction dischar- ge // IEEE ICOP’S 95. – 1995. – P. 146. 45. DiVergillio W.F., Goede H., Fosnight W. Development of radio-frequency induction plasma generator for neutral beams //Rev. Sci. Instrum. – 1986. – Vol. 57, № 7. – P. 1254. 46. Liberman M.A. J. Appl. Phys. – 1986. – Vol. 65, – P. 4186. 47. Kaganovich I.D., Tsendin L.D. The Space-Time-Ave- raging Procedure and Modelling of the RF Dischar- ge// IEEE Transactions on Plasma Science. – 1992. – Vol. 20, № 2. – P. 66-75. 48. Kaganovich I.D., Tsendin L.D. Low-Pressure RF Dis- charge in the Free-Flight Regime//IEEE Transactions on Plasma Science. – 1992. – Vol. 20, No 2. – P. 86-92. 49. B.P. Wood, M.A. Lieberman, and A.J. Lichtenberg.// IEEE Transactions on Plasma Science. – 1995. Vol. 23, № 1. – P. 89-96. 50. Лавров В.М., Щемиликин С.Г. Разброс энергии ионов, выходящих из высокочастотных источников В.И. ФАРЕНИК ФІП ФИП PSE т. 2, № 1, vol. 2, No. 1144 с экранированным разрядом//ПТЭ. – 1971. – № 4. – С.41-43. 51. Дьячков Б.А., и др. Высокочастотный источник ионов малой энергии//ПТЭ. – 1978. – № 2. – С. 191- 193. 52. Будянский А.М., Зыков А.В., Фареник В.И. ВЧ индукционный источник низкоэнергетичных ионов//Межотраслевой научно-технический семи- нар «Физические основы и новые направления плазменной технологии в микроэлектронике». Мат. семинара. – Харьков. – 1991. – С. 26-27. 53. Aston G., Kaufman H.R. Ion beam divergence characteristics of three grid accelerator system//AiAA Pap.– 1978.– № 78-669. – P. 1-14. 54. Aston G., Kaufman H.R. The ion optic of two-grid electron bombardment thruster//AiAA Pap.– 1978.– № 76 -1029. – P. 1-16. 55. Friesiinger J. et al. Radiofrequency Ion Beam Source RIM 10 for Material Processing//Kerntechnick. –1987. – Vol. 51. – P. 125. 56. Будянский А.М. О механизме приэлектродных слоев в ВЧЕ разряде// Письма в ЖТФ. – 1992. – Т. 18, Вып. 1. – С. 17-20. 57. Будянский А.М., Покроев А.Г. Диодный эффект в несамостоятельном ВЧЕ разряде//Письма в ЖТФ.– 1992.– Т. 18, Вып. 1. – С. 3-6. 58. Высокочастотный источник ионов: А.С. № 1570549 СССР /Фареник В.И. от 08.02.90. Пат. РФ № 1570549 от 27.06.1993; Пат. Украины №2426 от 15.02.94. 59. Устройство для плазмохимического травления ма- териалов: А.С. СССР №1573896/ Фареник В.И. от 22.02.90. 60. Способ плазмохимического удаления пленок фоторезиста. А.С. СССР №1653484/ Будянский А.М. от 01.02.91. 61. Источник ионов. А.С. СССР № 976805/Фареник В.И. от 21.06.82. 62. Источник ионов. А.С. СССР № 1144548/Фареник В.И. от 08.11.84. 63. Дудин С.В., Зыков А.В., Положий К.И, Фареник В.И. Энергетическая цена иона в комбинированном индукционно-емкостном ВЧ-разряде//Письма в ЖТФ. – 1998. – Т. 24, Вып. 22. – С. 33-39. 64. Будянский А.М., Зыков А.В., Фареник В.И. Зондовый контроль процессов вакуумно- плазменного травления в технологии микроэлектроники// Вісник Харківського університету. Серія фізична “Ядра, частинки, поля”. – 1999. – № 438, Вып. 2. – С. 23-27. 65. Качанов Ю.А., Кропотов Н.Ю., Фареник В.И. Экс- периментальные технологические установки ПХТ «Контур-01» и «Контур-03» на основе оптимизи- рованного ВЧЕ-разяда// Межотраслевой научно- технический семинар «Физические основы и новые направления плазменной технологии в микроэлектронике». Мат. семинара. – Харьков. – 1989. – С. 118-119. 66. Бизюков В.И., Будянский А.М., Покроев А.Г., Фа- реник В.И. Экспериментальная автоматическая установка плазмохимического травления индиви- дуальной обработки «Контур-02» с реактором комбинированного типа//Межотраслевой научно- технический семинар «Физические основы и но- вые направления плазменной технологии в микро- электронике». Мат. семинара. – Харьков. – 1989. – С. 99-100. 67. Будянский А.М., Качанов Ю.А., Фареник В.И. Экс- периментальная установка ПХТ «Контур-04» с и- дукционным возбуждением разряда//Межотрас- левой научно-технический семинар «Физические основы и новые направления плазменной техноло- гии в микроэлектронике». Мат. семинара. – Харьков. – 1989. – С. 105-106. 68. Кропотов Н.Ю., Качанов Ю.А., Лисовский В.А., Егоренков В.Д., Фареник В.И. Особенности вольт- амперных характеристик слаботочной формы высокочастотного разряда E-типа//Письма в ЖТФ. – 1989. – Т. 15, Вып. 21. – С. 17-21. 69. Лисовский В.А., Красников О.В. Поведение пос- тоянного потенциала плазмы в ВЧ разряде низкого давления// Письма в ЖТФ. – 1995. – Т. 21, Вып. 21. – С. 57-61. 70. Лисовский В.А. Особенности a-g перехода в ВЧ разряде низкого давления в аргоне//ЖТФ. – 1998.– Т. 68, Вып. 5. – С. 52-60. 71. Фареник В.И. Применение высокочастотных раз- рядов низкого давления для разработки малоэнер- гоемких управляемых систем вакуумно-плазмен- ного травления // Вестник Харьковского государст- венного политехнического университета. – 1999. – Вып. 55. “Новые решения в современных тех- нологиях”. – С. 56-74. 72. Лисовский В.А. Особенности альфа-гамма пе- рехода в ВЧ емкостном разряде в кислороде низ- кого давления//Вісник Харківського університету. – 2002. – № 574. – С. 67-70. 73. Lisovskiy V.A., Yegorenkov V.D. Alpha-gamma tran- sition in RF capacitive discharge in low-pressure oxygen//Vacuum.– 2004. – Vol. 74. – P. 19-28. 74. Райзер Ю.П., Шнейдер М.Н., Яценко Н.А. Высо- кочастотный емкостный разряд: Физика. Техника эксперимента. Приложения. – М.: Изд-во МФТИ, Наука-Физматлит, 1995. 75. Лисовский В.А., Мышко Е.В., Яковин С.Д. Пове- дение температуры нейтрального газа в ВЧЕ раз- ряде низкого давления в воздухе//Прикладная физика. – 2001. – №. 3. – С. 20-24. 76. Лисовский В.А., Яковин С.Д., Мышко Е.В., Крас- ников О.В. Температура нейтрального газа в ВЧ разряде низкого давления//Вісник Харківського університету. – 2001. – № 522. – С. 87-90. 77. Dine S., Lisovskiy V., Jolly J., Guillon J. Frequency effects in a RF capacitive discharge in hydrogen// Bulletin Am. Phys. Soc.– 2002. – Vol. 47, № 7. – P. 62. 78. Лисовский В.А., Дине С., Жоли Ж., Гуйон Ж., Бут Ж-П. Экспериментальное исследование асим- ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ РАЗРЯДЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ В ТЕХНОЛОГИИ МАЛОЭНЕРГОЕМКОГО ВАКУУМНО- ... ФІП ФИП PSE т. 2, № 1, vol. 2, No. 1 145 метричного ВЧ емкостного разряда в водороде низ- кого давления//Вісник Харківського університету. – 2003. – № 601. – С. 97-100. 79. Лисовский В.А., Егоренков В.Д. Пробой газа низ- кого давления в комбинированных полях//Письма в ЖТФ. – 1992. – Т. 18. – С. 66-71. 80. Lisovskiy V.A., Yegorenkov V.D. Low-pressure gas breakdown in combined fields//J. Phys. D: Appl. Phys. – 1994. – Vol. 27, № 11. – P. 2340-2348. 81. Лисовский В.А. Определение коэффициентов пе- реноса электронов в аргоне из кривых зажигания ВЧ и комбинированного разрядов низкого давления//Письма в ЖТФ. – 1998. – Т. 24, Вып. 8. – С. 49-55. ВИСОКОЧАСТОТНІ РОЗРЯДИ НИЗЬКОГО ТИСКУ У ТЕХНОЛОГІЇ МАЛОЕНЕРГОЭМНОГО ВАКУУМНО-ПЛАЗМОВОГО ТРАВЛЕННЯ МІКРОСТРУКТУР В.І. Фареник В огляді систематизовані основні результати фун- даментальних і прикладних досліджень ємнісного та індуктивного ВЧ розрядів, методи формування інтен- сивних іонних потоків низької енергії, отримані автором протягом 80-х – 90-х років. Розвинуто фізичну концеп- цію ВЧ розрядів низького тиску і ВЧ діодного ефекту в асиметричному плазмовому конденсаторі. На її основі розроблена серія керованих газорозрядних технологіч- них систем низької енергії для повторюваних операцій у хімічно активних газових середовищах. Діаметр вакуумних камер складає 50-300 мм при енергії іонів від 50 до 500 еВ. Описано різні типи експериментально- технологічних установок для плазмового, іонно-реак- тивного та іонно-променевого травлення при вироб- ництві мікроелектронних приладів, а також їх техно- логічна реалізація. HIGH-FREQUENCY DISCHARGES OF LOW PRESSURE IN VACUUM-PLASMA T ECHNOLOGY OF LOW POWER-CONSUMING FOR MICROSTRUCTURE ETCHING V.I. Farenik The present paper systemizes the results of fundamental and applied researches of capacitively and inductively coupled RF discharges and the methods of intense low- energy ion flows formation, that were carried out by the author during 80-90’s. Physical conception of RF discharges at low pressures and diode RF-sheaths effects in asymmetrical plasma capacitor were developed. The series of low-energy and controlled gase discharge technology systems for the long-time operation with chemically active gases was designed on that base. Diameter of plasmas volume constitutes 50-300 mm in ion energy range of 50 to 500 eV. Advanced archetypes of industrial set-ups for the plasma etching, reactive ion plasma etching and reactive ion beam etching for manufacturing of microelectronic devices and their technological implementation are presented. 82. Лисовский В.А. Определение дрейфовой скорости электронов в водороде из кривых зажигания ВЧ разряда низкого давления// Известия ВУЗов. Физика. – 1998. – Вып. 4. – С. 108-112. 83. Lisovskiy V.A., Yegorenkov V.D. RF breakdown of low-pressure gas and a novel method for deter- mination of electron-drift velocities in gases// J. Phys. D: Appl. Phys. – 1998. – Vol. 31, № 23. – P. 3349-3357. 84. Lisovskiy V.A., Yegorenkov V.D. Electron-drift velocity determination in CF4 and SF6 in a strong electric field from breakdown curves of low-pressure RF discharge//J. Phys. D: Appl. Phys. – 1999. – Vol. 32, № 20. – P. 2645-2648. 85. Lisovskiy V.A., Booth J.-P. Simulation of the ignition of a low pressure RF capacitive discharge// Physical surface engineering. – 2003. – Vol. 1, № 1. – P. 34-36. В.И. ФАРЕНИК

Высокочастотные разряды низкого давления в технологии малоэнергоемкого вакуумно-плазменного травления микроструктур

Institution

Ähnliche Einträge