Устройство плазменной обработки полупроводниковых структур

Изобретение относится к области нанотехнологий и полупроводниковых производств и может быть использовано в различных технологических процессах изготовления полупроводниковых устройств высокой степени интеграции посредством нанесения и травления функциональных материалов, включая проводники, полупроводники и диэлектрики на подложках различных полупроводников, например кремния, германия, А3В5, карбида кремния, нитрида галлия, сапфира. Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве плазменной обработки полупроводниковых структур, содержащем вакуумную камеру с системой подвода газов и системой откачки, подложкодержатель, установленный в зоне основания вакуумной камеры и соединенный с блоком ВЧ смещения, систему генерации плазмы, состоящую из модуля термостабилизации с блоком теплообмена и модуля формирования газовых потоков, включающего газораспределитель и генератор плазмы с массивом сопел, каждое сопло включает первое отверстие с дном, сопряженное со вторым отверстием меньшего диаметра, расположенным в сторону подложкодержателя, в каждом сопле установлена заглушка, выполненная в виде первого цилиндрического модуля, включающего торец, соединенный со вторым цилиндрическим модулем с диаметром, меньшим диаметра первого цилиндрического модуля, причем первый цилиндрический модуль установлен в первом отверстии с первым зазором и второй цилиндрический модуль установлен во втором отверстии со вторым зазором. Техническим результатом изобретения является повышение надежности устройства. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области нанотехнологий и полупроводниковых производств и может быть использовано в различных технологических процессах изготовления полупроводниковых устройств высокой степени интеграции посредством нанесения и травления функциональных материалов, включая проводники, полупроводники и диэлектрики на подложках различных полупроводников, например, кремния, германия, А3В5, карбида кремния, нитрида галлия, сапфира.

Известны устройства плазменной обработки полупроводниковых структур, содержащие вакуумную камеру с системой подвода газов и системой откачки, подложкодержатель, установленный в зоне основания вакуумной камеры и соединенный с блоком ВЧ смещения, систему генерации плазмы, состоящую из модуля термостабилизации с блоком теплообмена и модуля формирования газовых потоков, включающего газораспределитель и генератор плазмы с массивом сопел [Патент US 6267074, патент US 8635971].

Недостатки этих реакторов связаны со сложностью изготовления сопел малого диаметра в генераторе плазмы.

Известно также устройство плазменной обработки полупроводниковых структур, содержащее вакуумную камеру с системой подвода газов и системой откачки, подложкодержатель, установленный в зоне основания вакуумной камеры и соединенный с блоком ВЧ смещения, систему генерации плазмы, состоящую из модуля термостабилизации с блоком теплообмена и модуля формирования газовых потоков, включающего газораспределитель и генератор плазмы с массивом сопел [заявка US 2013/0065396].

Это устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.

Недостаток этого устройства заключается в том, что модуль формирования газовых потоков во время технологических процессов подвергается разрушающему воздействию со стороны рабочей среды - химически активной плазмы, содержащей такие компонетны как высокоэнергетические ионы, приводящие к распылению материала газовой системы, а также свободные радикалы, такие как, например, атомы фтора, хлора.

Обычно модуль формирования газовых потоков потока в вакуумную камеру представляет собой душевую поверхность с множеством отверстий (душевой газораспределитель). При этом количество отверстий определяется площадью обрабатываемой поверхности подложки и требованиями равномерности ее обработки, то есть равномерностью технологического процесса.

С другой стороны, размер газовых отверстий (сопел) ограничен необходимостью защиты модуля формирования газовых потоков от проникновения в него плазмы и электрического пробоя. Это требование достигается тем, что размер сопел делают как можно меньшим, исходя из таких параметров плазмы как радиус дебаевского слоя и длина свободного пробега электронов при типичных давлениях газа в диапазоне около 1-100 мТорр и плотности плазмы 10(9)-10(12) см-3.

Размеры отверстий сопел ограничивается и возможностями механической обработки толстых элементов модуля формирования газовых потоков. Поэтому обычно отверстия в душевых газораспределителях имеют диаметр около 0,5-0,7 мм.

Однако, такие отверстия довольно быстро подвергаются плазмохимическому растраву и могут провоцировать электрические пробои в системе подвода газов со стороны плазмы. Это приводит к снижению надежности устройства.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности устройства.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве плазменной обработки полупроводниковых структур, содержащем вакуумную камеру с системой подвода газов и системой откачки, подложкодержатель, установленный в зоне основания вакуумной камеры и соединенный с блоком ВЧ смещения, систему генерации плазмы, состоящую из модуля термостабилизации с блоком теплообмена и модуля формирования газовых потоков, включающего газораспределитель и генератор плазмы с массивом сопел, каждое сопло включает первое отверстие с дном, сопряженное со вторым отверстием меньшего диаметра, расположенным в сторону подложкодержателя, в каждом сопле установлена заглушка, выполненная в виде первого цилиндрического модуля, включающего торец, соединенный со вторым цилиндрическим модулем с диаметром меньшим диаметра первого цилиндрического модуля, причем первый цилиндрический модуль установлен в первом отверстии с первым зазором и второй цилиндрический модуль установлен во втором отверстии со вторым зазором.

Существует вариант, в котором на образующей первого цилиндрического модуля сформирована, по меньшей мере, одна первая выборка.

Существует также вариант, в котором на торце первого цилиндрического модуля сформирована, по меньшей мере, одна вторая выборка, сопряженная с, по меньшей мере, одной первой выборкой.

Существует также вариант, в котором угол между поверхностью дна и поверхностью первого отверстия больше 90°.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства плазменной обработки полупроводниковых структур.

На фиг. 2 изображен вариант выполнения системы генерации плазмы.

Устройство плазменной обработки полупроводниковых структур содержит вакуумную камеру 1 с системой подвода газов 2 и системой откачки 3. В качестве системы откачки 3 можно использовать вакуумные агрегаты сухой откачки, включающие также турбонасос для обеспечения высокой скорости откачки при низком давлении и высоких потоках газа. Устройство плазменной обработки полупроводниковых структур содержит также подложкодержатель 4, выполненный, например, в виде механического или электростатического прижимного стола, установленный в зоне основания вакуумной камеры 6 и соединенный с блоком ВЧ смещения 7. Блок ВЧ смещения 7 может быть выполнен в виде высокочастотного генератора и конечного согласующего LC-устройства. Устройство плазменной обработки полупроводниковых структур содержит также систему генерации плазмы 8, состоящую из модуля термостабилизации 9 с блоком теплообмена 10 и модуля формирования газовых потоков 11, включающего газораспределитель 12 и генератор плазмы 13 с массивом сопел 14. Модуль термостабилизации 9 может быть выполнен в виде плоской плиты из алюминиевого сплава с внутренними каналами (не показаны) для организации протока жидкого теплоносителя. При этом блок теплообмена 10 может представлять собой теплообменник с контролируемой температурой теплоносителя и насосом (не показан) для прокачки теплоносителя. Газораспределитель 12 может быть выполнен из алюминиевого сплава, а генератор плазмы 13 из - высокоомного материала, например, кремния, кварца или алюминиевой керамики. При этом генератор плазмы 13 может включать электромагнитные индукционые антенны (не показано). Отличием предложенного устройства от известного является то, что каждое сопло 14 включает первое отверстие 15 с дном 16, сопряженное со вторым отверстием 17 меньшего диаметра, расположенным в сторону подложкодержателя 4. Первое отверстие 15 и второе отверстие 17 могут быть изготовлены с использованием боров значительного большего диаметра, чем при изготовлении душевых газораспределителей обычного типа. Диаметр D1 первого отверстия 15 может быть в диапазоне 3-10 мм, а его высота Н - 10-50 мм. Диаметр D2 второго отверстия 17 может быть в диапазоне 2-8 мм. В каждом сопле 14 установлена заглушка 18, выполненная в виде первого цилиндрического модуля 19, включающего торец 20, соединенный со вторым цилиндрическим модулем 21 с диаметром меньшим диаметра первого цилиндрического модуля 19. В качестве материала заглушки 18 можно использовать такие материалы как кремний, кварц, керамику, карбид кремния, совместимые с производственным процессом. При этом первый цилиндрический модуль 19 установлен в первом отверстии 15 с первым зазором и второй цилиндрический модуль 21 установлен во втором отверстии 17 со вторым зазором. Величина А1 первого зазора может быть в диапазоне 0,05-0,3 мм. Величина А2 второго зазора может быть в диапазоне 0,05-0,4 мм.

Существует вариант, в котором на образующей первого цилиндрического модуля 19 сформирована, по меньшей мере, одна первая выборка 22. Эта выборка может быть в форме лыски, V-й канавки, П-й канавки или U-образной канавки.

Существует также вариант, в котором на торце 20 первого цилиндрического модуля 19 сформирована, по меньшей мере, одна вторая выборка 23, сопряженная с, по меньшей мере, одной первой выборкой 22. Вторая выборка 23 может быть в форме V-й канавки, П-й канавки или U-образной канавки. Существует также вариант, в котором угол между поверхностью дна 16 и поверхностью первого отверстия 15 больше 90°.

Устройство плазменной обработки полупроводниковых структур работает следующим образом.

После откачки вакуумной камеры 1 и стабилизации температуры в ней, в систему подвода газов 2 подают рабочие смеси газов. Модуль формирования газовых потоков 11, обеспечивает равномерное распределение потоков газов через каждое сопло 14. Это достигается тем, что предварительно газовый поток распределяется внутри модуля формирования газовых потоков 11 выполненного совместно с модулем термостабилизации 9 и подводится к каждому соплу 14 при одинаковом давлении, например, 0,1-1 МПа. Далее поток газа проходит через первое отверстие 15 и второе отверстие 17 сопла 14 и выходит в рабочую зону вакуумной камеры 1. При этом скорость истечения газа из каждого сопла 14 определяется выходным сечением сопла 14 между вторым отверстием 17 и вторым цилиндрическим модулем 21, а также давлением в газораспределителе 12. Поскольку давление в вакуумной камере 1 ниже более, чем на порядок величины, по сравнению с давлением газа перед соплом 14, скорость истечения газа из сопла 14 не зависит от давления в вакуумной камере 1 и определяется только давлением газа в газораспределителе 12.

То, что в устройстве плазменной обработки полупроводниковых структур каждое сопло 14 включает первое отверстие 15 с дном 16, сопряженное со вторым отверстием 17 меньшего диаметра, расположенным в сторону подложкодержателя 4, в каждом сопле 14 установлена заглушка 18, выполненная в виде первого цилиндрического модуля 19, включающего торец 20, соединенный со вторым цилиндрическим модулем 21 с диаметром меньшим диаметра первого цилиндрического модуля 19, причем первый цилиндрический модуль 19 установлен в первом отверстии 15 с первым зазором и второй цилиндрический модуль 21 установлен во втором отверстии 17 со вторым зазором приводит к выравниванию давлений газовой смеси перед вторым зазором, образованным вторым цилиндрическим модулем 21 и вторым отверстием 17 каждого сопла 14. Тем самым достигается равномерное истечение газа по всей площади генератора плазмы при том, что каждое сопло 14 защищено от электрического пробоя со стороны плазмы за счет его малого поперечного размера. Это повышает надежность устройства.

То, что на образующей первого цилиндрического модуля 19 сформирована, по меньшей мере, одна первая выборка 22 приводит к увеличению сечения прохода для газа. Тем самым уменьшается влияние погрешности изготовления отверстия 15 и заглушки 18, определяющей сечение первого зазора, по которому течет газ и повышается надежность устройства.

То, что на торце 20 первого цилиндрического модуля 19 сформирована, по меньшей мере, одна вторая выборка 23, сопряженная с, по меньшей мере, одной первой выборкой 22 приводит к гарантированному равномерному истечению газа из каждого сопла и повышает надежность устройства.

То, что угол между поверхностью дна 16 и поверхностью каждого первого отверстия 15 больше 90° приводит к упрощению изготовления этих отверстий.

1. Устройство плазменной обработки полупроводниковых структур, содержащее вакуумную камеру с системой подвода газов и системой откачки, подложкодержатель, установленный в зоне основания вакуумной камеры и соединенный с блоком ВЧ смещения, систему генерации плазмы, состоящую из модуля термостабилизации с блоком теплообмена и модуля формирования газовых потоков, включающего газораспеределитель и генератор плазмы с массивом сопел, отличающееся тем, что каждое сопло включает первое отверстие с дном, сопряженное со вторым отверстием меньшего диаметра, расположенным в сторону подложкодержателя, в каждом сопле установлена заглушка, выполненная в виде первого цилиндрического модуля, включающего торец, соединенный со вторым цилиндрическим модулем с диаметром, меньшим диаметра первого цилиндрического модуля, причем первый цилиндрический модуль установлен в первом отверстии с первым зазором и второй цилиндрический модуль установлен во втором отверстии со вторым зазором.

2. Устройство плазменной обработки полупроводниковых структур по п. 1, отличающееся тем, что на образующей первого цилиндрического модуля сформирована по меньшей мере одна первая выборка.

3. Устройство плазменной обработки полупроводниковых структур по п. 2, отличающееся тем, что на торце первого цилиндрического модуля сформирована по меньшей мере одна вторая выборка, сопряженная с по меньшей мере одной первой выборкой.

4. Устройство плазменной обработки полупроводниковых структур по п. 1, отличающееся тем, что угол между поверхностью дна и поверхностью первого отверстия больше 90°.