Исследование физических процессов, определяющих возможность масштабирования реакторов газофазного осаждения с активацией СВЧ разрядом при средних давлениях

л.

Получение однородной плазмы на больших площадях (порядка 0.1−1 м) вблизи поверхности раздела вакуум — диэлектрик или вакуум — металл при давлениях 1 Тор и выше является важной задачей для множества приложений. Эта проблема в настоящее время удовлетворительным образом не решена, несмотря на ее актуальность для целого ряда задач, в частности, для современной микроэлектроники. Такая плазма используется в процессах, связанных с плазменной обработкой поверхностей, таких как плазмохимическое травление различных типов материалов, модификация поверхности, и в ряде других задач. В числе важнейших приложений такого разряда можно назвать осаждение тонких, в частности углеродных, плёнок из газовой фазы в плазмохимическом синтезе (thin films chemical vapor deposition, CVD). Из существующих в настоящее время методов получения плазмы наиболее обещающими с точки зрения обработки больших площадей являются методы горячей нити, мультикатодного тлеющего разряда и СВЧ разряда. Однако первые два из них не отвечают требованиям микроэлектроники из-за загрязнения плазмы материалами испарения электродов и оказываются чрезвычайно негибкими при попытке использовать их для обработки сложных (неплоских) поверхностей.

На сегодняшний день поведение плазмы в СВЧ CVD реакторах хорошо изучено. Известной особенностью этого типа разряда является появление интерференционных неоднородностей на расстояниях порядка половины длины волны СВЧ генератора. В случае наиболее широко используемой частоты v=2.45 ГГц это является препятствием для получения плёнок на поверхностях, линейные размеры которых сравнимы с длиной волны или больше её. Обычно останавливают выбор на частоте 2.45 ГГц потому, что из числа разрешённых частотных диапазонов этот диапазон наиболее оптимален для целей СВЧ CVD. Излучение этой длины волны (А,=12.2 см в вакууме) позволяет создавать плазму при давлении до сотен Тор на площади, достаточной для большинства лабораторных и промышленных применений, оставляя на невысоком уровне затраты на создание установки.

Важным обстоятельством, которое усложняет осмысленное масштабирование такого типа реакторов, является практически полное отсутствие опубликованных исследований, посвящённых характеристике разряда с точки зрения масштабирования установок для получения однородных тонких плёнок.

Целью работы являлось: классификация существующих подходов к масштабированию СВЧ CVD реакторов, исследование свойств разряда в них при увеличении его площади и, основываясь на результатах этих исследований, разработка метода создания масштабируемого плазменного реактора для обработки поверхностей и получения тонких пленок большого размера из газовой фазы в плазме СВЧ разряда. В рамках работы предложено возбуждать разряд с помощью системы синхронизованных магнетронов (излучающих согласованно во времени), работающих в импульсном режиме. Такой подход привлекателен дешевизной технической реализации и гибкостью конструктивных решений, позволяющих создавать плазменные реакторы различной конфигурации в соответствии с дополнительными технологическими требованиями.

В Главе I проведён обзор существующих методов создания СВЧ плазмы для целей газофазного осаждения тонких плёнок. Особое внимание уделено рассмотрению каждой методики с точки зрения её гибкости при масштабировании. В Главе II в установке с реактором резонаторного типа проведены эксперименты по росту тонких углеродных плёнок с целью выяснения режимов роста различных углеродных наноструктур для их последующего переноса на разрабатываемую многомагнетронную установку. С помощью метода оптической эмиссионной спектроскопии проведена работа по выяснению зависимости состава радикалов импульсного СВЧ разряда («радикальный» состав плазмы), обычно применяемого при росте тонких плёнок и травлении различных типов материалов, от таких задаваемых макропараметров, как давление газа, длительность СВЧ — импульсов, СВЧ мощность и состав исходной газовой смеси и концентрации отдельных её компонентов. Реактор резонаторного типа был выбран вследствие того, что установки этого класса хорошо изучены и позволяют проводить эксперименты в широком диапазоне макропараметров процесса роста. Был также исследован импульсный режим активации разряда как интересный метод понижения температуры для роста плёнок на легкоплавких подложках. Влияние параметров импульсов на эмиссионные характеристики плазмы, состав осаждаемых плёнок и стабильность разряда изучено в Главе III. Особое внимание уделено плазмохимии разряда как в импульсном, так и в постоянном режиме активации, а также определению одного из важнейших параметров % разряда — газовой температуры. Глава IV посвящена описанию экспериментальной многомагнетронной установки, использующей в качестве системы «точечных» СВЧ излучателей, расположенных вблизи рабочей поверхности реактора (вне вакуумированного объема), стандартные 1 кВт магнетроны, обычно использующиеся в бытовых СВЧ печах. Предложенная система имеет ряд важных отличий от обычных установок для плазменной обработки поверхностей с использованием СВЧ плазмы, таких как импульсный режим возбуждения разряда, отсутствие резонанса электромагнитного поля, перекрытие пространственных зон генерации независимых магнетронов, поэтому в Главе V проведён их анализ для определения границ применимости методики. Особенное внимание было уделено однородности разряда по поверхности подложки, которая была охарактеризована при помощи оптической эмиссионной спектроскопии, в том числе с пространственным разрешением, и роста углеродных плёнок с последующим исследованием равномерности их морфологического и фазового состава. Продемонстрирована возможность создания достаточно однородной плазмы на площади диаметром 250 мм. В Главе VI исследуется одно из возможных применений многомагнетронного реактора для роста алмазных плёнок на большой площади — предложено и реализовано использование алмазной мембраны для умножения электронного потока с сохранением его распределения в плоскости, перпендикулярной направлению движения электронов, в качестве усилителя электронного потока для электрооптических преобразователей.

выводы.

1. Предложена новая концепция создания СВЧ плазмы на большой площади, на основе распределённого ввода СВЧ энергии в нерезонаторный реактор при помощи системы синхронизованных магнетронов, работающих в импульсном режиме.

2. Создана и исследована работа многомагнетронной установки, использующей в качестве системы «точечных» СВЧ излучателей, расположенных вблизи рабочей поверхности реактора, стандартные магнетроны от бытовых СВЧ печей.

3. В экспериментах на многомагнетронной установке продемонстрирована возможность создания однородной плазмы на площади диаметром 250 мм.

4. Эксперименты с неполной модуляцией импульсов или частичным наложением периодов работы магнетронов выявили преимущество режима полного разделения во времени в этой системе, хотя установка специальных экранирующих перегородок и разнесение магнетронов в пространстве значительно уменьшает связь между ними. Установлено, что повышение мощности генерации магнетронов приводит к расширению диапазона давлений, при которых не происходит сегментации слоя плазмы на раздельные области горения разряда, причём характер этой зависимости близок к линейной. Показано, что присутствие подложкодержателя на границе плазмы практически не оказывает влияния на распределение разряда в реакторе, что говорит о высокой степени поглощения СВЧ энергии в плазме.

5. Были проведены успешные эксперименты по росту углеродных нанотруб на большой площади в многомагнетронном реакторе. Несмотря на некоторое различие в скорости роста на отдельных участках подложки, достигнута высокая однородность фазового состава на всей площади плёнки диаметром 140 мм. Площадь плёнки была лимитирована лишь размером подложкодержателя. Таким образом, продемонстрирована возможность роста тонких плёнок высокой степени однородности и масштабирования результатов на большие поверхности путём установки дополнительных магнетронов, работающих в режиме разделения по времени.

6. На основе исследований оптических эмиссионных спектров плазмы предложен и апробирован метод оценки однородности разряда, базирующийся на параллельной регистрации ОЭС плазмы. С помощью предложенной схемы параллельной регистрации излучения плазмы в определённых спектральных диапазонах, проведены исследования однородности разряда и показано, что, несмотря на значительное изменение интенсивности линий излучения плазмы по поверхности, однородность распределения отношения концентраций радикалов высока и растёт при увеличении СВЧ мощности, что коррелирует с однородностью осаждаемых плёнок.

7. Проведены эксперименты по осаждению углеродных плёнок в импульсном режиме возбуждения плазмы. Показана возможность изменения фазового состава плёнок при изменении частоты и скважности импульсов, при постоянной средней мощности, а также продемонстрированы преимущества импульсного режима при росте нанографитовых плёнок при пониженных температурах. В экспериментах в газовой смеси Н2: СН4:Аг выявлена стабилизирующая разряд роль импульсного режима при частотах модуляции выше 500 Гц.

8. Использованием импульсного режима активации плазмы, при осаждении углеродных наноусов, температура образца была понижена на 100 °C без заметной потери в скорости роста.

9. Предложено и реализовано одно из применений легированной алмазной плёнки в качестве алмазной мембраны для умножения электронного потока. Было исследовано влияние обработки эмитирующей поверхности (цезирование, гидрогенизация, отжиг в вакууме) на выход вторичных электронов. Показана большая важность размера, структуры и ориентации кристаллитов плёнки для достижения высокого выхода. Получен коэффициент усиления «на просвет» больше 10 при малых (1 кВ) энергиях первичных электронов, что позволяет использовать мембрану в качестве усилителя электронного потока в электрооптических преобразователях. Ш.

Благодарности.

В заключение хочу выразить глубокую признательность Николаю Николаевичу Дзбановскому за всемерную поддержку проводимых исследований, Филиппову А. В. (ТРИНИТИ) за помощь в части работы, касающейся измерения газовой температуры, Юрьеву А. Ю. за поддержку в организации спектроскопических исследований, Сеню В. В. за помощь в создании многомагнетронной установки, а также П. В. Пащенко, осуществлявшего подготовку образцов. Хочу поблагодарить группу Э. А. Полторацкого (НИИФП, Зеленоград) за исследование вторичной электронной эмиссии из алмазных мембран. Также выражаю благодарность коллективу Отдела микроэлектроники НИИЯФ МГУ за внимательное отношение к работе.