Способ создания однородной плазмы с рабочей зоной большой площади на основе разряда в вч-свч диапазонах и устройство для его осуществления (варианты)

 

Изобретение относится к оборудованию для плазменной технологии, а также к способам создания однородной плазмы с большой площадью рабочей поверхности. Способ создания плазмы однородной в рабочей зоне большой площади заключается в помещении внутрь вакуумной камеры волноведущей структуры (антенны), вдоль которой возбуждается поверхностная волна. Устройство генерации плазмы содержит узел генерации плазмы, основной элемент которого - антенна, состоящая из одного проводника, геометрически повторяющего форму обрабатываемой поверхности, либо из одного или большего количества удлиненных проводников с малыми поперечными размерами. Устройство обеспечивает эффективную передачу энергии в разряд в диапазоне ВЧ-СВЧ в отсутствие внешнего магнитного поля, а также малое значение напряженности электрического поля вблизи обрабатываемых поверхностей, что связано с локализацией этого поля вблизи антенны. В устройстве реализуется режим поверхностных волн, распространяющихся вдоль границы антенна - плазма. Возможно увеличение энергии ионов с помощью дополнительного генератора переменного напряжения, подсоединенного к подложкодержателю. 3 с. и 21 з.п. ф-лы, 17 ил.

Антенный проводник служит в заявляемом устройстве волноведущей структурой, вдоль которой распространяется поверхностная волна. Поле этой волны экспоненциально затухает внутрь плазмы, поэтому плазма снаружи не обязательно должна быть экранирована металлом. Однако в области подсоединения антенны к волноведущей линии необходимо замкнуть ток возбуждаемой поверхностной волны на нулевой проводник подводящей линии передачи. В заявляемом устройстве это достигается тем, что нулевой проводник подводящей линии (экран для коаксиальной линии) подключен к проводящему экрану, контактирующему с плазмой. Поперечный размер экрана должен быть не меньше глубины проникновения поверхностной волны в плазму, так как в противном случае не удастся полностью замкнуть ток поверхностной волны на экран и область соединения волноведущей линии с антенной будет интенсивно излучать в окружающее пространство. Максимальный размер экрана может быть любым, экран может быть замкнутой полостью, т.е. в качестве экрана может быть использована вся вакуумная камера.

Отметим, что поверхностную волну можно возбудить не только на границе плазмы с внутренним проводником, но и на внешней границе плазмы. В случае если полная площадь антенны много меньше площади внешней границы плазмы, амплитуда поверхностной волны на внешней границе плазмы будет существенно меньше амплитуды волны вблизи антенны за счет геометрического фактора. Дополнительно ослабить амплитуду поля поверхностной волны на внешней границе плазмы можно за счет выбора специальной конструкции соединителя антенны с подводящей линией, что обязательно для реактора с антенной в виде одного электрода большой площади (пп. формулы изобретения 4 - 8). Один из вариантов такого соединителя приведен на фиг.5. На рисунке цифрами обозначены: 2 - проводник антенны, переходящий в центральный проводник линии передачи, 1 - проводящий экран, 16 - слой пространственного заряда на границе плазмы с антенной. В соответствии с общими теоремами математической физики магнитное поле в разряде B может быть представлено в виде суммы внутренней b_i (17) и внешней b_е (18) поверхностных волн (в случае их сильной связи они ведут себя как симметричная и антисимметричная поверхностные волны), а также высших не распространяющихся мод поля Ψ_I(i=2,...,∞, номер функции означает число перемен знака функции Ψ_I) (19): Цифры в скобках соответствуют обозначениям качественных распределений этих полей, приведенных на фиг. 5. Там же приведено поперечное распределение поля в подводящей коаксиальной линии (20) B_c, которое также может быть представлено в виде суммы подводимой и отраженной волн, а также высших не распространяющихся мод коаксиальной линии. Это поле сосредоточено в области пространства, лежащей между внутренним и внешним проводниками коаксиальной линии. В точке соединения коаксиала с плазмой поля B и B_c совпадают: B=B_c. Умножив это равенство на соответственно b^*_i,b^*_e,Ψ^*_I и проинтегрировав по поперечному сечению плазмы, можно получить выражения для коэффициентов A: Из полученных соотношений следует, что поле должно возбуждаться линией в той области, где поле внутренней поверхностной волны максимально, а поле внешней волны минимально (поле не распространяющихся мод распределено по пространству равномерно). С другой стороны, чтобы минимизировать число возбуждаемых не распространяющихся мод, возбуждающееся поле должно быть распределено в пространстве возможно более равномерно (мы здесь не касаемся проблемы минимизации отраженной от плазмы мощности, так как последняя может быть минимизирована применением согласующего устройства). Таким образом, может быть сформулирован следующий вывод: для повышения эффективности возбуждения поверхностной волны вблизи антенны и уменьшения амплитуды внешней поверхностной волны расстояние l между концом проводника, подключенным к генератору, и экраном не должно превышать глубины проникновения поля поверхностной волны в плазму. Существенное уменьшение этого размера приводит к росту амплитуды паразитных не распространяющихся мод и нарушению условий электрической прочности зазора, что определяет минимальный размер зазора, обозначенный как A.

Наиболее простой вариант реализации устройства генерации плазмы по п. 9 в вакуумной камере 1 с антенной в виде прямолинейного одиночного проводника 2 приведен на фиг. 6. Поперечный размер D проводника 2 по крайней мере в 1,5 раза меньше расстояния H до внешней границы плазмы, определяемой положением стенок вакуумной камеры 1, а его поперечный периметр по крайней мере в 4 раза меньше длины поверхностной волны. Наличие экрана 3 из проводящего материала в устройстве возбуждения плазмы является необходимым в случае, когда вакуумная камера 1 выполнена из диэлектрика. При этом экран 3, подключенный к линии передачи 4, позволяет замкнуть электрическую цепь, по которой течет переменный ток: генератор переменного напряжения 5 с согласующим устройством 6, линия передачи 4, проводник 2 антенны, плазма (окружающая проводник 2 со всех сторон и контактирующая с экраном 3), экран 3 устройства возбуждения плазмы, снова линия передачи 4 и генератор переменного напряжения 5 с согласующим устройством 6.

В представленных на фиг. 6, 8-14 вариантах выполнения устройства функцию экрана 3 выполняет вакуумная камера.

На фиг. 7 приведена схема соединений устройства, представленного на фиг. 6, в котором линия 4 является коаксиальной (этот вариант наиболее удобен, так как не требует специальных переходников для соединения линии с устройством возбуждения плазмы, что было бы необходимо, например, для прямоугольного волновода; в дальнейшем подразумевается на фиг. 6-14, что линии передачи являются также коаксиальными). Центральная жила коаксиальной линии 4, идущей от источника переменного напряжения, электрически соединяется с одним концом проводника 2 антенны, а наружный проводник 21 линии 4 - с проводящим экраном 3 (а на последующих рисунках с проводящей стенкой вакуумной камеры). Причем второй конец проводника может быть либо соединен со стенкой вакуумной камеры 1 экраном 3, либо свободен, либо соединен с устройством с переменным импедансом, как это показано на фиг. 3. Необходимость выполнения антенны в виде проводника и выбор частоты генератора 5 обсуждены ранее.

Данное устройство (фиг. 6, 7), в котором реализован способ, заявленный в данном патенте, работает следующим образом. При приложении переменного напряжения между проводником 2 антенны и экраном 3 возникает разряд и образуется плазма, заполняющая объем вакуумной камеры 1 полностью или частично. При этом на границе проводника 2 антенны с плазмой распространяются электромагнитные колебания, движущиеся от точки подвода переменного напряжения к противоположному концу. По мере продвижения эти волны затухают, передавая свою энергию плазме. (В случае, когда длины проводника 2 недостаточно для полного затухания колебаний, возможно образование стоячей волны вдоль проводника 2). Малые поперечные размеры D проводника 2 в сравнении с расстоянием до внешней границы плазмы обеспечивают быстрое уменьшение напряженности поля волны в направлении, перпендикулярном поверхности проводника как минимум пропорционально D/r, где r - поперечная координата, а D - характерный поперечный размер проводника антенны. Эксперименты показали, что удовлетворительная степень снижения напряженности поля на внешней границе за счет геометрического фактора достигается при выполнении условия D<H/1,5, где H - расстояние до внешней границы плазмы. При работе в диапазоне частот генератора ω_Pi<ω<ω_Pe√2, где ω_Pi= (4πn_ee²/M)^1/2,ω_Pe= (4πn_ee²/M)^1/2- ионная и электронная Ленгмюровские частоты плазмы, ω/2π - частота генератора, е - заряд электрона, m, M - массы электрона и иона, n_e - плотность электронов в плазме, волны, распространяющиеся вдоль проводника 2 антенны, являются поверхностными, сосредоточенными в слое пространственного заряда на границе плазмы и в самой плазме и спадают в поперечном направлении с дополнительным экспоненциальным множителем exp(-r/λ_s), где λ_s - глубинна проникновения поверхностной волны в плазму. Указанные факторы (геометрический и экранировка поля) позволяют добиться значительного ослабления напряженности поля волны на относительно небольших расстояниях от поверхности антенны.

Действительная часть волнового сопротивления структуры проводник 2 - плазма в соответствии с расчетами и экспериментальными данными, полученными авторами, составляет, как правило, десятки Ом при поперечном размере проводника антенны в единицы мм, рабочем давлении 10^-2 - 10 Па и плотности плазмы от 10⁹ до 10¹¹ см^-3. Если требуемый диапазон изменения рабочего давления и плотности плазмы лежит в пределах одного порядка (что часто бывает на практике), то использование специального согласующего устройства с широким диапазоном согласования не является обязательным. Например, в экспериментальном устройстве с поперечным размером вакуумной камеры 20 см и длиной проводника 2, равной 80 см, и рабочей частотой 150 МГц однократной настройкой системы подбором длины линии передачи 4 была обеспечена степень согласования генератора с нагрузкой не хуже 80% при изменении рабочего давления от 7·10^-2 до 1,2 Па и плотности плазмы от 2·10⁹ 1/см³ до 2·10¹⁰ 1/см³ (в качестве рабочего газа использовались Ar, O₂, N₂).

На фиг. 8 приведена схема соединений в системе генерации плазмы, отличающейся от приведенной на фиг. 6 и 7 наличием дополнительного проводника 2 антенны и отсутствием экрана, функции которого выполняют проводящие стенки вакуумной камеры 1. Проводники 2 на фиг. 8 располагаются параллельно и навстречу друг другу, что обеспечивает более равномерное распределение плотности плазмы n_e вдоль этих проводников. Отрезки линий передачи 22 имеют одинаковую длину, что обеспечивает симметричность подключения проводников 2 и к источнику переменного напряжения (генератору 5 с согласующим устройством 6). Цифрой 23 обозначены вакуумные коаксиальные ВЧ-вводы, через которые линия передачи подсоединяется к проводникам 2 и 8.

На фиг. 9 продемонстрирована схема устройства, обеспечивающего генерацию плазмы на большей по сравнению с устройством, представленным на фиг. 8, площади за счет дополнительной пары проводников 2, причем все проводники ориентированы параллельно и навстречу друг другу. Следует отметить, что прямолинейность данных проводников не является обязательным условием ни в предыдущих, ни в последующих примерах. Симметричное включение проводников 2 обеспечивается за счет равенства между собой длин отрезков линии передачи 22, а также равенства между собой отрезков 24. Возможны другие симметричные схемы подсоединения четырех проводников антенны к источнику переменного напряжения.

На фиг. 10 продемонстрирован еще один способ улучшения равномерности распределения плотности плазмы вдоль линий проводника 2 антенны: проводник 2 изгибается посередине на 180^o и образует две параллельные линии.

На фиг. 11 площадь области генерации плазмы увеличивается за счет дополнительного проводника 2, включенного навстречу аналогичному проводнику 2. Равенство длин отрезков 22 линии передачи обеспечивает симметричность подсоединения обоих проводников антенны к генератору переменного напряжения 5 с согласующим устройством 6.

На фиг. 12 и 13 представлены соответственно вид сбоку и вид сверху системы генерации плазмы, содержащей два проводника 2 антенны, образующих четыре параллельных линии. Плоскость линий проводников 2 с одной стороны прилегает к проводящей стенке вакуумной камеры 1 с небольшим зазором, исключающим образование разряда внутри зазора. При этом расстояние от этой плоскости до другой стенки вакуумной камеры является достаточным для возникновения разряда при соответствующих условиях. Такое расположение проводников антенны (независимо от их количества и формы) является более удобным при обработке одиночных подложек. Симметричное же (по центру) расположение в рабочей камере антенны позволяет располагать подложки с обеих сторон от ее поверхности. Следует отметить, что изменение размера зазора между проводниками антенны и ближней стенкой, а также типа изолятора 24 и степени заполнения им зазора (если такой изолятор используется) позволяет изменять длину и коэффициент затухания электромагнитной волны, распространяющейся вдоль проводника антенны, вместе с волновым сопротивлением антенны. Это дает дополнительную возможность управления режимами работы антенны (бегущей или стоячей волны) и степенью ее согласования с генератором переменного напряжения.

Приведенные на фиг. 6-13 варианты систем генерации плазмы не являются единственно возможными. Особенностью данного изобретения является то, что оно позволяет создавать большое число вариантов систем генерации плазмы, основываясь на том факте, что именно поверхность, образованная проводниками антенны, задает форму рабочей поверхности. Причем эта рабочая поверхность (а следовательно, поверхность обрабатываемых изделий) может быть не только плоской, но и объемной: круглой, цилиндрической и т.д. (и не обязательно правильной формы). Если необходимо обработать внутреннюю полость (также практически любой формы) образца, то антенну соответствующей формы можно также разместить внутри этой полости. Во всех вариантах систем генерации плазмы допустимо также второй конец проводника антенны оставлять свободным (не подсоединять к стенке экрана вакуумной камеры), что может оказаться более удобным с точки зрения свободы перемещения объектов обработки внутри вакуумной камеры. При этом изменение комплексного сопротивления устройства генерации плазмы может быть компенсировано с помощью согласующего устройства.

Рассмотрим теперь физические явления, определяющие выбор его конструктивных параметров вариантов устройства по пп. 9-24 изобретения. Выбор формы антенны (для передачи энергии в плазму) в виде удлиненного проводника с малыми поперечными размерами (по сравнению с вакуумной камерой) позволяет решить две задачи: сформировать поверхность, в которой лежат проводники антенны, нужной формы (ориентированной на форму обрабатываемого изделия, в общем случае произвольную) и обеспечить низкий уровень напряженности переменного поля вблизи обрабатываемой поверхности, обусловленный быстрым, пропорциональным D/r падением напряженности поля в окрестности проводника. Выбор частоты ω генератора переменного поля и условия эффективного возбуждения поверхностных волн обсуждены ранее при описании устройства по п. 4.

Условие D<H/1,5, где H - ближайшее расстояние от проводника антенны до внутренней поверхности рабочей камеры (т. е. до внешней границы плазмы), обеспечивает дополнительное уменьшение напряженности переменного поля на этой поверхности в 3 раза и более за счет геометрического фактора. Поэтому выполнение условия A<1<λ_s не является обязательным (в отличие от устройства по п. 4-8) при реализации данного устройства (п. 9). Выполнение условия A<1<λ_s приводит к дополнительному уменьшению поля поверхностной волны у внешней границы плазмы (п. 10). Сравнивая варианты выполнения устройств по п. 4 и п. 9, отметим, что в варианте по п. 4 реализуется меньшая напряженность поля вблизи антенны проводника, что обусловливает возможность работы при больших мощностях основного генератора и большую стойкость к распылению антенны. В то же время использование отдельных проводников (п. 9) обеспечивает большую гибкость в обработке объектов сложной формы, потери заряженных частиц на антенне из отдельных проводников также существенно ниже, чем для одного электрода большой площади (п. 4). Поперечный периметр проводника антенны при выполнении устройства по пп. 9-22 выбран в четыре раза меньшим, чем длина поверхностной волны. Это связано с необходимостью исключить возможность формирования неоднородного распределения поля по поперечному периметру антенны за счет образования стоячей волны или самофокусировки поля поверхностной волны, что ведет к усилению распыления материала антенны, ухудшению условий передачи энергии вдоль проводника и возможности появления резонансов на вольт-амперной характеристике разряда. Поскольку длинноволновой резонанс соответствует равенству периметра половине длины волны, для исключения указанных эффектов достаточно, чтобы длина периметра поперечного сечения проводника не превышала четверти длины поверхностной волны.

Диапазон рабочих давлений P данной системы генерации плазмы приблизительно ограничивается пределами 10^-2 - 10 Па. Величина P в первую очередь определяет механизм поглощения электромагнитной волны. При низких давлениях (когда ν_e<ω, где ν_e - частота столкновений электрон-нейтрал, ω - частота генератора) существенную роль играет бесстолкновительное резонансное поглощение электромагнитной волны в той области плазмы, где ω_pe= ω (такая область на границе плазмы всегда существует, если в объеме плазмы ω_pe>ω) [9], обеспечивая малое значение нижнего порога рабочего давления. Нижняя граница рабочего давления определяется в основном размерами системы. Частота ионизации в стационарной плазме низкого давления равна обратному времени разлета плазмы на стенку τ^-1= v_s/L(c^-1), v_s - ионно-звуковая скорость (см/с), L - поперечный размер камеры (см). Как известно, частота ионизации ограничена сверху значением ν_i= v₁σ_maxn_a(c^-1), где σ_max- максимальное значение сечения ионизации (см), n_a - плотность нейтрального газа (см^-3), v_I - скорость электронов, соответствующая максимальной частоте ионизации (см/с). Таким образом Здесь k - постоянная Больцмана (1,38·10^-16 эрг/K), T - температура газа (K). Давление в дин/см² может быть пересчитано в Паскали по формуле P(Па) = P(дин/см²)/10. Реально достижимое минимальное давление превышает эту оценку в 5-10 раз.

Столкновительное поглощение определяется, как известно, столкновительной проводимостью плазмы
Поэтому эффективность поглощения энергии переменного поля при давлениях выше определенного значения (определяемого примерно условием ν_e>ω ) начинает падать. Второй механизм, ограничивающий рабочее давление сверху, связан с уменьшением длины λ_e свободного пробега заряженных частиц плазмы с ростом давления (например, при P=10^-2 тор λ_e≈ 1 см). Поскольку в описываемом устройстве напряженность поля сконцентрирована на малом расстоянии от поверхности проводника (имеющего малый поперечный размер), величина λ_t/ (длина теплопроводности электронного газа) определяет характерный размер неоднородности средней энергии электронов в поперечном к поверхности проводника направлении: λ_t= λ_e/δ, δ - средняя доля теряемой электронами в столкновениях энергии (при упругих столкновениях δ =2m/M). Остывание электронов вдали от проводника приводит к уменьшению частоты ионизации и, следовательно, неоднородности плазмы в пространстве. Верхняя граница по давлению, при которой плазма, создаваемая устройством, однородна, определяется равенством расстояния между проводниками антенны характерной длине неоднородности средней энергии электрона (т.е. длины теплопроводности электронного газа). Перемещение обрабатываемых изделий в направлении поперек линий проводников антенны позволяет компенсировать возникающую при повышенных давлениях неравномерность обработки.

Минимальное значение удельной мощности, при которой поддерживался разряд в экспериментальном устройстве с рабочей площадью 0,6x0,6 м² при давлении от 6·10^-2 до 0,8 Па в среде Ar, O₂ и N₂, составило около 0,01 Вт/см² при работе на частотах 13,56 МГц и 150 МГц.

При выборе расстояния между отрезками проводников антенны при стационарной обработке подложки для обеспечения равномерности обработки должно выполняться условие Min[1,5D, λ_s]<d<2λ_t. При этом первое неравенство обеспечивает малость взаимного влияния соседних проводников и ограничивает возможность образования стоячей волны и связанной с ней неравномерностью плотности плазмы вдоль проводников антенны.

Условие h>d/2 служит, с одной стороны, обеспечению выравнивания исходной неоднородности плотности плазмы за счет ее диффузии, а с другой - ослаблению напряженности переменного поля вблизи обрабатываемой поверхности (т.е. внешней границы плазмы).

Другой параметр, имеющий важное значение при работе настоящего устройства, - это расстояние λ_d вдоль проводника антенны, на котором происходит существенное поглощение электромагнитной волны (например, с ослаблением напряженности поля в e= 2,7 раз). Эксперименты, а также расчеты, выполненные авторами данного изобретения, показали, что λ_d может изменяться от десятков сантиметров до единиц метров. Практическим следствием данного факта является то, что, выбирая длину отдельного проводника антенны большей либо меньшей λ_d, можно обеспечить режим бегущей либо стоячей волны соответственно. При этом в первом случае плотность плазмы будет монотонно спадать по длине проводника антенны, а во втором изменяться периодически с шагом, соответствующим длине волны в плазме (т.е. от единиц см и больше). Таким образом, имеются два режима работы устройства, из которых можно выбирать при обработке изделий заданной формы с заданной равномерностью.

Ранее при определении ориентировочного значения минимального расстояния между проводниками антенны была принята во внимание возможность нежелательного их взаимного влияния. Данное ограничение снизу на величину d можно снять, если использовать как минимум два генератора с некратными друг другу частотами. При этом необходимо проводники антенны расположить и подключить к генераторам таким образом, чтобы каждые два соседних отрезка проводников работали на некратных частотах. Эта мера исключает возможность образования стоячих волн при взаимодействии полей, создаваемых соседними отрезками антенны (см. п. 20 формулы).

Длина волны λ и длина λ_d, на которой происходит существенное затухание волны вдоль проводника антенны, зависят от основных параметров разряда (давления, рода газа, плотности электронов и др.). Но этими величинами можно управлять независимо от параметров разряда, используя диэлектрические покрытия проводников антенны различной толщины и с различной диэлектрической проницаемостью ε. Диэлектрическое покрытие может потребоваться и для увеличения химической стойкости антенны при работе в химически активной среде.

На фиг. 14 и 15 представлена система генерации для обработки плоских изделий, содержащая устройство возбуждения плазмы с антенной в виде двух проводников 2, образующих четыре параллельных линии в одной плоскости, и два симметрично расположенных подложкодержателя 12 с подложками 15. Линии передачи 22 (одинаковой длины) и 4 соединяют проводники 2 с источником переменного напряжения (генератором 5 с согласующим устройством 6). Подложкодержатели 12, в свою очередь, подсоединены к генераторам переменного напряжения 13 (обеспечивающим отрицательное смещение на подложках) с согласующими устройствами 14. Вакуумная камера 1 снабжена средствами напуска рабочих газов и откачки.

Устройство генерации плазмы с рабочей зоной цилиндрической формы представлено на фиг. 16. Цилиндрический подложкодержатель 25 (способный вращаться вокруг своей оси) частично окружен четырьмя проводниками 2 антенны, образующими восемь линий, параллельных оси подложкодержателя. Отрезки линий передачи 22 (равной длины), 25 (равной длины) и 4 соединяют проводники 2 с генератором переменного напряжения 5 через согласующее устройство 6. Подложкодержатель 12 соединен с генератором переменного напряжения 13, обеспечивающим отрицательное смещение на нем через согласующее устройство 14. Система напуска газов и откачки, а также подложки на рисунке не указаны. Использование в антенне дополнительных проводников с тем, чтобы линии этих проводников образовали замкнутую цилиндрическую поверхность, охватывающую подложкодержатель полностью, позволяет отказаться от вращения подложкодержателя. Размещение подложек возможно также и на внутренней поверхности стенок вакуумной камеры.

Описанный выше способ создания плазмы и устройство для его реализации позволяют минимизировать поля вблизи внешних границ плазмы и таким образом снизить до минимума энергию ионов, бомбардирующих подложку. Использование дополнительного генератора переменного напряжения (более низкой частоты), подсоединенного к подложкодержателю (или непосредственно к обрабатываемому изделию), позволяет обеспечить дополнительное ускорение ионов на подложку. Частота используемых для этих целей генераторов лежит в пределах от единиц до 30 МГц. Приведем в качестве примера реализации изобретения систему генерации плазмы с площадью рабочей зоны 0,6x0,6 м² (фиг. 17). В направлении, перпендикулярном плоскости антенны, зона разряда ограничена подложкодержателями, расстояние между которыми составляет 10 см. Антенна состоит из двух проводников, причем каждый проводник образует по четыре параллельных линии, расположенных в одной плоскости. Отрезки коаксиальной линии 4 симметрично соединяют проводники 1 антенны с генератором переменного напряжения 5, работающим на частоте 150 МГц. В ходе испытаний были получены следующие результаты. В диапазоне давлений аргона от 0,8 до 0,06 Па при мощности, вложенной в разряд, от 50 до 700 Вт плотность плазмы изменялась от 0,4 до 3·10¹⁰ см^-3, что соответствовало изменению ионного тока на подложкодержатель от 0,15 до 1 мА/см². В отсутствие дополнительного ВЧ-смещения на подложкодержателях средняя энергия ионов, падающих на их поверхность, измеренная электростатическим сеточным анализатором, составляла от 20 до 60 эВ. Неравномерность распределения плотности плазмы в рабочей области (площадью 0,6x0,6 м²) составила не более ± 10%.

Аналогичные результаты были получены при работе с парами циклогексана. Измерение скорости осаждения пленок (при работе с C₆H₁₂ в качестве рабочего газа) показало соответствие распределений плотности плазмы и скорости осаждения пленок в рабочей области.

Источники информации
1. Asmussen J. Microwave Plasma processing for material synthesis. In.: "Microwave plasma and its applications", edited by Yury A. Lebedev. Moscow: "The Moscow Physical Society", 1995, pp. 52-83.

2. Pelletier J., Lagarde Т., Durandet A. and Tynelis-Diez K. Distributed ECR Plasma sources: Reactor scale-up and performance. In: "Microwave plasma and its applications", edited by Yury A. Lebedev. Moscow: The Moscow Physical Society, 1995, pp.352-365.

3. Moisan M., Zakrzevski Z. Surface wave launcher to produce plasma columns and means for producing plasma of different shares. Патент США N 4906898 от 06.03.1990, US C1. 315/39 (МКИ H 01 J 1/04).

4. Collins K. S. , Roderick C.A., Yang C.-L., Wang D.N.K., Maydan D. VHF/UHF reactor System. Патент США N 5210466, 11.05.93, US C1. 315/111.21, МКИ H 05 H 1/24.

5. Технология тонких пленок (Справочник). Под ред. Л.Майссела, Р.Глэнга. Нью-Йорк, 1970, Пер. с англ. Под ред. М.И.Елинсона, Г.Г.Смолко. T.1. М., "Сов. Радио", 1977, с. 448.

6. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Под ред. акад. Н.Д.Девяткова. М.: "Высшая школа", 1970, с. 216-226.

7. Вайнштейн Л.А. Электромагнитные волны. М.: "Радио и связь", 1988, с. 116.

8. Кондратенко А. Н. Поверхностные и объемные волны в ограниченной плазме. М.: "Энергоатомиздат", 1985, с. 178-186.

9. Там же, с. 20-24.

10. Taillet J. Resonance sustained radiofrequency discharges. American Journal of Physics, 1969, v.37, p. 423-433. Taillet J. The radiofrequency sheath in self-sustained plasmoids. Journal de Physique, 1979, v.40, NC7, p. C7-159.

11. Savas S. E., Plavidal R.W. Spatial variations in the electrode potential of capasitive radiofrequency plasmas due to transverse electromagnetic modes. J. Vac. Sci. Technol. A, Vac. Surf. films. V.6, N 3, Pt.2, P. 1777, 1988.

12. Lieberman M.A., Savas S.E. Bias voltage in finite length cylindrical coaxial radiofrequency discharges. J. Vac. Sci. Technol. A, Vac. Surf. films. V.8. N 3, Pt.l, p. 1632-1641, 1988.

Формула изобретения

1. Способ создания плазмы с рабочей зоной большой площади с помощью поверхностных волн, возбуждаемых антенной, соединенной с генератором переменного напряжения, отличающийся тем, что поверхностную волну возбуждают на границе плазмы с антенной, которую используют в качестве волноведущей структуры, содержащей по крайней мере один проводник, которую помещают внутри плазмы на расстоянии H от внешней границы плазмы, превышающем глубину проникновения поверхностной волны в плазму λ_s (см), а частоту волны выбирают из условия

где ω_pe = (4πn_ee²/m)^1/2, ω_pi = (4πn_ee²/M)^1/2-электронная и ионная Ленгмюровские частоты плазмы, с^-1,
n_e - плотность электронов в плазме, см^-3;
ω_d = H/V_d, c^-1, где V_d=e(E/300)/m(ω² + ν²_e)^1/2 - максимальная скорость дрейфа электронов в переменном электрическом поле см/с;
E - напряженость электрического поля в плазме В/см;
ν_e - частота столкновений электрон-нейтрал, c^-1;
m, M - массы электрона и иона, г;
е - заряд электрона, 4,8·10^-10 СГСЭ_q.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что максимальный поперечный размер D проводников антенны выбирают из условия D<H/1,5, где H - расстояние от поверхности антенны до внешней границы плазмы (см).

3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что нижнюю границу частоты электромагнитных волн устанавливают равной 50 Мгц.

4. Устройство генерации плазмы, включающее: вакуумную камеру, средства для откачки вакуумной камеры, средства для напуска газа в рабочую камеру, генератор переменного напряжения, узел генерации плазмы, линию передачи электромагнитных колебаний, соединяющую генератор переменного напряжения с узлом генерации плазмы, отличающееся тем, что узел генерации плазмы состоит из антенны в виде проводника с поверхностью, геометрически соответствующей форме обрабатываемой поверхности, равноудаленной от нее и полностью или частично перекрывающей ее, и проводящего экрана, контактирующего с плазмой, имеющего размеры в поперечном к поверхности антенны направлении не менее удвоенной глубины проникновения поля в плазму 2 λ_s, выход генератора соединен с антенной, а шина заземления генератора с экраном, генератор имеет частоту ω переменного напряжения, находящуюся в пределах

расстояние H от поверхности антенны до внешней границы плазмы удолетворяет условию H > λ_s, а подвод переменного напряжения к антенне выполнен таким образом, что расстояние l между антенной в месте подвода переменного напряжения и экраном лежит в пределах
A < l < λ_s,
A - критическое расстояние электрической прочности зазора,
где ω_pe = (4πn_ee²/m)^1/2, ω_pi = (4πn_ee²/M)^1/2 - электронная и ионная Ленгмюровские частоты плазмы (c^-1);
n_e - плотность электронов в плазме, см^-3;
ω_d = H/V_d(c^-1);V_d = e(E/300)/m(ω² + ν²_e)^1/2 - - максимальная скорость дрейфа электронов в переменном электрическом поле см/c;
E - напряженность электрического поля в плазме, В/см;
ν_e - частота столкновений электрон-нейтрал, c^-1;
m, M - массы электрона и иона, г;
e - заряд электрона 4,8·10^-10 СГСЭ_q.

5. Устройство по п.4 отличающееся тем, что проводники антенны покрыты изолирующим слоем.

6. Устройство по любому из пп. 4 и 5, отличающееся тем, что содержит дополнительный генератор переменного напряжения с частотой Ω не выше частоты ω основного генератора, проводящий подложкодержатель, с укрепленным на нем обрабатываемым объектом, подсоединенный линией передачи к дополнительному генератору, узел согласования, включеный между дополнительным генератором переменного напряжения и подложкодержателем.

7. Устройство по любому из пп. 4 - 6, отличающееся тем, что объект обработки находится под плавающим потенциалом.

8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что поверхности антенны, подложки и подложкодержателя - плоские и ориентированные параллельно друг другу.

9. Устройство генерации плазмы, включающее: вакуумную камеру, средства для откачки вакуумной камеры, средства для напуска газа в рабочую камеру, генератор переменного напряжения, узел генерации плазмы, линию передачи электромагнитных колебаний, соединяющую генератор переменного напряжения с узлом генерации плазмы, отличающееся тем, что узел генерации плазмы состоит из антенны в виде по крайней мере одного удлиненного проводника, поперечный периметр которого по крайней мере в 4 раза меньше длины поверхностной волны λ_o, а наибольший поперечный размер D (см) по крайней мере в 1,5 раза меньше расстояния H от поверхности антенны до внешней границы плазмы, и проводящего заземленного экрана, контактирующего с плазмой, имеющего размер 2 h в поперечном к поверхности антенны направлении не меньше, чем 2·Min (λ_s, H), причем выход генератора соединен с одним концом проводника антенны, а шина заземления генератора - с экраном, генератор имеет частоту ω переменного напряжения, находящуюся в пределах

где λ_s глубина проникновения переменного поля в плазму;
ω_pe= (4πn_ee²/m)^1/2, ω_pi= (4πn_ee²/M)^1/2 - электронная и ионная Ленгмюровские частоты плазмы c^-1; n_e- плотность электронов в плазме см^-3; ω_d = H/vd, c^-1; v_d=e(E/300)/m(ω² + ν²_e)^1/2 - максимальная скорость дрейфа электронов в переменном электрическом поле, см/c;
E - напряженность электрического поля в плазме, В/см;
ν_e - - частота столкновений электрон-нейтрал c^-1;
m, M - массы электрона и иона г;
e - заряд электрона 4,8·10^-10 СГСЭ_q.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что расстояние L между концом проводника антенны, подключенным к генератору и экраном лежит в пределах A < l < λ_s, λ_s - - глубина проникновения поля в плазму, A - критическое расстояние электрической прочности зазора, а расстояние H от поверхности антенны до внешней границы плазмы превышает глубину проникновения поля в плазму λ_s.
11. Устройство по любому из пп.9 и 10, отличающееся тем, что антенна выполнена в виде по крайней мере одного проводника, изогнутого посредине на 180^o и образующего две параллельные линии.

12. Устройство по любому из пп.9-11, отличающееся тем, что антенна выполнена в виде по крайней мере двух проводников, расположенных параллельно друг другу, причем концы проводников, симметрично подключенные к генератору переменного напряжения, расположены в противоположных областях вакуумной камеры.

13. Устройство по любому из п.9-12, отличающееся тем, что проводники антенны расположены несимметрично ближе к одной из стенок вакуумной камеры, причем зазор между антенной и ближней стенкой открыт или заполнен диэлектриком, покрывающим полностью или частично данную стенку, причем минимальная и максимальная величина зазора определяется из условия сохранения им изолирующих свойств.

14. Устройство по любому из пп.9-13, отличающееся тем, что антенна состоит из проводников, расположенных эквидистантно на поверхности, полностью или частично охватывающей изделие для обработки и геометрически повторяющей форму обрабатываемой поверхности.

15. Устройство по любому из пп.9-14, отличающееся тем, что антенна состоит из проводников, расположенных эквидистантно на поверхности полностью или частично охватываемой данной полостью и геометрически повторяющей форму ее поверхности.

16. Устройство по любому из пп.9-15, отличающееся тем, что второй конец проводников, составляющих антенну, свободен от гальванических соединений.

17. Устройство по любому из пп.9-16, отличающееся тем, что нижняя граница частоты ω генератора переменного напряжения выбрана в диапазоне 50 Мгц<
18. Устройство по любому из пп.9-17, отличающееся тем, что расстояние d между соседними участками проводников лежит в пределах
Min[1,5·D, λ_s] < d < 2·λ_t,
где D - поперечный размер проводника см;
λ_s - глубина проникновения поверхностной волны в плазму, см;
H - расстояние от поверхности антенны до внешней границы плазмы см;
λ_t - длина теплопроводимости электронного газа, см.

19. Устройство по любому из пп.9-18, отличающееся тем, что расстояние H от поверхности антенны до внешней границы плазмы, удолетворяет условию H>d/2, где d (см) - расстояние между соседними участками проводников.

20. Устройство по любому из пп.9-19, отличающееся тем, что проводники антенны подключены к генераторам переменного напряжения с различными некратными друг другу частотами, при этом используются по крайней мере два генератора, причем проводники антенны так размещены в пространстве, что любые два соседних участка различных проводников подключены к генераторам, имеющим различные частоты.

21. Устройство по любому из пп.9-20, отличающееся тем, что проводники антенны покрыты изолирующим слоем.

22. Устройство по любому из пп.9-21, отличающееся тем, что содержит дополнительный генератор переменного напряжения с частотой Ω не выше частоты ω основного генератора, проводящий подложкодержатель, подсоединенный линией передачи к дополнительному генератору, согласующее устройство, включенное между дополнительным генератором переменного напряжения и подложкодержателем.

23. Устройство по п.22, отличающееся тем, что объект обработки находится под плавающим потенциалом.

24. Устройство по любому из пп. 22 и 23, отличающееся тем, что поверхности подложки и подложкодержателя - плоские и ориентированные параллельно друг другу, а отрезки антенных проводников расположены эквидистантно на плоской поверхности симметрично относительно подложкодержателей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17