способ управления пространственным распределением плотности плазмы в микроволновом источнике плазмы с электронно- циклотронным резонансом

Формула изобретения

Способ управления пространственным распределением плотности плазмы в микроволновом источнике плазмы с электронно-циклотронным резонансом, включающий возбуждение в круглом волноводе бегущей электромагнитной волны и наложение на область плазмообразования продольного постоянного магнитного поля с напряженностью, соответствующей электронно-циклотронному резонансу, отличающийся тем, что возбуждают электромагнитную волну двух или более типов с одинаковыми азимутальными числами и изменяют разность фаз между этими типами волн.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области плазменных технологий и может быть использовано для вакуумно-плазменной обработки материалов в микроэлектронике.

Известно техническое решение, направленное на получение низкотемпературной плазмы в условиях электронно-циклотронного резонанса (ЭЦР) и основанное на возбуждении в круглом волноводе бегущей электромагнитной волны и наложении продольного магнитного поля с помощью постоянных магнитов (Европ. патент N 286132, МКИ H 01 J 37/32, опубл. 1988 г. вып. 128). Однако в данном техническом решении отсутствует возможность управления пространственным распределением плотности плазмы, а следовательно, и равномерностью обработки пластин.

Известно другое техническое решение, также направленное на получение низкотемпературной плазмы в условиях ЭЦР, в котором реализован способ управления пространственным распределением плотности плазмы путем изменения токов через катушки соленоида (Патент России N 2106716, H 01 J 37/32, опубл. 10.03.98, Б. И. N 7). Изменение пространственной локализации области ЭЦР позволяет в определенных пределах управлять распределением плотности плазмы. Однако область управления ограничена неизменностью структуры электромагнитной волны, возбуждающей плазму.

Наиболее близким к заявляемому является техническое решение, в котором возбуждают в круглом волноводе бегущую электромагнитную волну, а управление плотностью плазмы реализуют путем изменения тока питания нескольких соленоидов, установленных вдоль распространения волны (Европ. патент N 275965, МКИ H 01 J 37/32, опубл. 19.01.88). Недостатком данного технического решения, как и в предыдущем случае, является ограниченный диапазон управления пространственными характеристиками плазмы.

В описанных выше технических решениях управление распределением плазмы по объему осуществлялось путем изменения магнитного поля. Если, например, пространственная структура волны такова, что в данной локальной точке электрон в условиях ЭЦР неэффективно набирает энергию, то невозможно путем изменения магнитного поля увеличить в этой точке скорость ионизации. Остается только одна возможность: изменить структуру электромагнитной волны таким образом, чтобы в рассматриваемой точке увеличить эффективность передачи энергии от поля к электрону.

В основу данного изобретения положена обнаруженная авторами закономерность, при которой увеличивается диапазон управления пространственным распределением плотности плазмы при электронно-циклотронном резонансе.

Для достижения данного технического результата в микроволновом источнике плазмы с электронно-циклотронным резонансом возбуждают в круглом волноводе бегущую электромагнитную волну двух или более типов с одинаковыми азимутальными числами. На область плазмообразования накладывают продольное постоянное магнитное поле с напряженностью, соответствующей электронно-циклотронному резонансу. Управление пространственным распределением плотности плазмы осуществляют путем изменения разности фаз между этими типами волн.

Пространственное распределение плотности плазмы определяется главным образом структурой области ионизации, которая в свою очередь зависит от структуры электромагнитного поля, возбуждающего плазму. Однако структура области ионизации при ЭЦР явным образом не следует из структуры поля, т.к. скорость ионизации в данной точке определяется не столько локальной напряженностью электрического поля волны, сколько средней за период поля энергией, которую набирает электрон, совершающий циклотронное вращение в постоянном поле. Иначе говоря, скорость ионизации в данной точке тем выше, чем больше величина эффективного электрического поля в этой точке [см. Кудряшов С. А., Яфаров Р.К. Влияние структуры электромагнитного поля на распределение интенсивности ионизации в плазме газового СВЧ разряда с электронно-циклотронным резонансом // Радиотехника и электроника, 1998, Т. 43, N 1, С. 96-99] .

При изучении ионизации плазмы в условиях ЭЦР одновременно несколькими типами волн авторами обнаружена новая закономерность. Если плазма возникает под действием нескольких типов волн с разными азимутальными числами (например, H₁₁ и E₀₁), то реализуется азимутально неоднородный газовый разряд. Изменение фазы между волнами не меняет пространственную структуру разряда, а лишь поворачивает его относительно продольной оси волновода. Напротив, если в генерации плазмы участвуют типы волн с одинаковыми азимутальными числами (например, H₁₁ и E₁₁), то газовый разряд азимутально однороден, а изменение разности фаз между волнами приводит к существенному изменению структуры области ионизации. Таким образом, возбуждение волн двух и более типов с одинаковыми азимутальными числами позволяет в условиях ЭЦР увеличить диапазон управления пространственным распределением плотности плазмы.

Таким образом, приведенная совокупность существенных признаков достаточна для достижения обеспечиваемого изобретением технического результата. Обнаруженные авторами закономерности, лежащие в основе данного изобретения, являются новыми и явным образом не следуют из уровня техники, а само изобретение промышленно применимо.

На чертеже изображены распределения эффективного электрического поля по диаметру круглого волновода волн H₁₁ и E₁₁ для различных значений разности фаз.

Для осуществления данного изобретения необходимо в круглом волноводе возбудить бегущую электромагнитную волну нескольких типов с одинаковыми азимутальными числами и реализовать возможность изменения разности фаз между этими типами. Кроме того, для генерации плазмы в условиях электронно-циклотронного резонанса (ЭЦР) на область плазмообразования, которая обычно находится в вакуумной зоне и отделена от остальной части с помощью диэлектрического окна, необходимо наложить продольное постоянное магнитное поле. Для типичной частоты электромагнитной волны f = 2.45 ГГц величина магнитной индукции, необходимая для осуществления ЭЦР, составляет 0.0875 Т и легко может быть реализована с помощью электромагнитов соленоидного типа или постоянных магнитов.

Принцип возбуждения в волноводах заданных типов волн также хорошо известен и состоит в использовании элементов возбуждения (штырь, петля или отверстие в стенках волновода) с такой конфигурацией, при которой электромагнитное поле, создаваемое элементом возбуждения, близко по структуре к полю возбуждаемого типа. Например, для возбуждения в круглом волноводе волны H₁₁ можно использовать металлический штырь, пересекающий ось волновода под прямым углом. Волну E₁₁ можно возбудить с помощью двух металлических штырей, расположенных параллельно оси волновода на расстоянии 0.48/D друг от друга, где D - диаметр волновода, и запитанных противофазно.

Изменение разности фаз между волнами можно осуществить с помощью одного или нескольких фазовращателей, включенных между источником электромагнитных колебаний и элементами возбуждения волн.