Московский физико-технический институт
(государственный университет) (МФТИ)

Россия, 141700, Московская обл., г. Долгопрудный, Институтский пер., д. 9
Лаборатория кафедры общей физики: «Физика лазерных и ионно-плазменных технологий»
Арсенин Алексей Владимирович
Тел.:+79057128698, +70954088298
Факс: +70954088298
E-mail:  arsenin@nm.ru, leiman@pop3.mipt.ru 
Интернет: http://physics.fizteh.ru/science/center/

Лаборатория «Физика лазерных и ионно-плазменных технологий» (руководитель проф. Гладун А.Д.) организована в 2004 году на базе кафедры общей физики МФТИ. Результаты работы лаборатории в области физики низкотемпературной плазмы представлены научной группой «Моделирование вакуумных и плазменных электродинамических систем» (руководитель проф. Лейман В.Г.), основным направлением исследований которой является разработка и моделирование источников низкотемпературной плазмы для современных технологий микроэлектроники.

Одной из наиболее актуальных задач современной микроэлектронной промышленности является создание технологий, обеспечивающих производство микроэлектронных компонентов с размерностью микроструктур 0.065 мкм на подложках диаметром 300 – 450 мм. Решение этой задачи связано, в том числе, и с разработкой новых источников плазмы, например, для технологий плазменного травления. Наиболее перспективным для использования в качестве источника плазмы в ионно-плазменных технологических установках, предназначенных для обработки подложек больших диаметров, считается ВЧ индукционный разряд с нейтральным контуром (Neutral Loop  Discharge). В настоящее время источники плазмы на его основе используются для глубокого травления при производстве микроэлектромеханических устройств. Несмотря на значительные успехи в прикладной области, физика этого разряда еще не достаточно хорошо изучена и таким образом потенциальные преимущества разряда не могут быть использованы в полной мере. В течение 2004 года нашей научной группой были выполнены численные исследования ВЧ индукционного разряда с нейтральным контуром, которые позволили получить новые результаты по физике этого разряда.

ВЧ индукционный разряд с нейтральным контуром характеризуется высокой плотностью плазмы (10¹¹ – 10¹² см^-3) при низком давлении рабочего газа (~ 10^-3 Торр) и низкой температурой электронов (1 – 4 эВ). Существенную роль в генерации плазмы и формировании структуры разряда исследуемого типа играет нейтральный (бессиловой) контур, представляющий собой непрерывную последовательность точек с нулевым магнитным полем. Возможность управления параметрами плазмы посредством изменения радиуса нейтрального контура является одним из важных преимуществ разряда.

В теории ВЧ индукционного разряда с нейтральным контуром наиболее важным остается вопрос о механизмах бесстолкновительного нагрева электронов. Для исследования этих механизмов были выполнены численные расчеты на основе электромагнитного кода KARAT, реализующего метод "частица в ячейке" с учетом столкновений по методу Монте-Карло. Задача решалась в 2.5D приближении, т.е. с учетом аксиальной симметрии в r-z геометрии. Разработанная модель учитывает коллективное взаимодействие частиц и самосогласованные поля, пространственное затухание ВЧ электрического поля антенны, наличие стенок рабочей камеры и ионизацию электронами атомов рабочего газа (аргон). В рамках бесстолкновительного приближения упругие столкновения электронов с нейтралами из рассмотрения выпадают.

Численные расчеты позволили получить полные данные о структуре разряда в области нейтрального контура. На рис. 1 представлено пространственное распределение плотности электронов в этой области. На основе анализа результатов численного моделирования показана особая роль в формировании структуры разряда тех областей, в которых магнитное поле является ловушкой для электронов плазмы.

Рис. 1. Пространственное распределение плотности электронов.

Рис. 2. Радиальное распределение температуры электронов.

Результаты наших исследований доказывают, что при определенных условиях в ВЧ индукционном разряде с нейтральным контуром, помимо стохастического механизма нагрева электронов в области нейтрального контура, существенную роль в нагреве плазмы играет локальный электронно-циклотронный резонанс. При давлении ~ 10^-3 Торр и плотности плазмы, позволяющей пренебречь кулоновскими столкновениями, разряд переходит в режим, характеризующийся наличием двух максимумов по температуре. На рис. 2 представлено радиальное распределения температуры электронов, свидетельствующее о существовании кроме области нейтрального контура еще одной области бесстолкновительного нагрева электронов – области, в которой находятся точки, удовлетворяющие условию электронно-циклотронного резонанса на частоте внешнего ВЧ поля, т.е. области локального электронно-циклотронного резонанса. Этот результат хорошо согласуется с имеющимися в литературе экспериментальными данными. Существование ЭЦР-нагрева в обычном индукционном разряде в резонансном магнитном поле доказано в недавней экспериментальной работе Chung et all.[Phys. Rev. E 2004, v. 69, 016406] и косвенно подтверждается в теоретической работе [Вавилин К.В. и др. Физика плазмы 2004, т. 30, 739].

Предложена новая схема для ВЧ индукционного разряда с нейтральным контуром планарного типа, отличительной особенностью которой является наличие нескольких нейтральных контуров. Наличие дополнительных контуров увеличивает область стохастического нагрева и, кроме того, позволяет увеличить диаметр плазменного реактора при сохранении степени однородности плотности плазмы. Предварительные результаты моделирования планарной конфигурации разряда свидетельствуют о перспективности его применения в качестве источника плазмы в технологических установках для обработки кремниевых пластин большого диаметра (от 300 мм) с высокой степенью однородности.

Разработана численная модель, позволяющая рассчитать поглощение мощности микроволнового излучения в источнике столкновительной плазмы на основе электронно-циклотронного резонанса. Найдена зависимость поглощаемой в источнике мощности микроволнового излучения от внешнего магнитного поля при заданных параметрах плазмы (плотности и температуры). Показано, что наиболее эффективное поглощение подводимой мощности излучения имеет место при магнитных полях, превышающих резонансное значение.

В качестве наиболее значимых результатов, полученных нашей лабораторией в 2004 году, отметим доказательство наличия в ВЧ индукционном разряде с нейтральным контуром нового бесстолкновительного механизма нагрева электронов – локального электронно-циклотронного резонанса и расчет поглощения мощности микроволнового излучения в источнике столкновительной плазмы на основе электронно-циклотронного резонанса.