Способ плазменной обработки поверхности твердого тела струей газообразного теплоносителя

 

Использование: для очистки и термообработки подложек интегральных микросхем. Сущность изобретения: способ включает формирование непрерывного потока газообразного теплоносителя в виде дозвуковой высокотемпературной струи с температурой на выходе из источника струи не ниже 2х 10 К и воздействие им на поверхность твердого тела с плотностью теплового потока 10-105кВт/мг путем управляемого по скорости пересечения этим телом струи теплоносителя при гидродинамически непрерывном истечении теплоносителя вдоль обрабатываемой поверхности в газовой среде при давлении не ниже атмосферного. Способ позволяет снизить энергозатраты, повысить производительность при одновременном обеспечении равномерности обработки и сохранности пластин 2 злф-лы

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 50127В9/25 (23) 27.1191 (46) 30.10.93 Бюл. NQ 39-40 (76) Агриков Юрий Михайлович (54) СПОСОБ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА СТРУЕЙ ГАЗООБРАЗНОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ (57) Использование: для очистки и термообработки подложек интегральных микросхем. Сущность изобретения: способ включает формирование непрерывного потока газообразного теплоносителя в виде дозвуковой высокотемпературной струи с температурой на выходе из источника струи не ни(щ )Щ (щ 2ЯЗзДЯ Я1 (51) Н 1L 1 3 б же 2х10 К и воздействие им на поверхность тверз до го тела с плотностью теплового потока

10-10 кВт/м путем управляемого по скорости

5 г пересечения этим телом струи теппоносителя при гидродинамически непрерывном истечении теплоносителя вдоль обрабатываемой поверхности в газовой среде при давлении не ниже атмосферного.

Способ позволяет снизить энергозатратц повысить производительность при одновременном обеспечении равномерности обработки и сохранности пластин. 2 зл.ф-лы

2002339

Изобретение относится к технологии полупроводниковых приборов и интегральных микросхем и может быть использовано, в частности, для очистки, нейтрализации электростатического заряда, антистатической и термической обработки полупроводниковых подложек, а также в машиностроении для закалки, очистки и нанесения покрытий.

В технологии микроэлектроники интен- сивно разрабатываются способы реализации новых так называемых быстропротекающих тепловых процессов, основанных на методах кратковременного нагрева полупроводниковых подложек .с применением когерентных и некогерентных источников света, резистивных нагревателей, включая многопереходные процессы и процессы in situ.

Протекающие в течение короткого промежутка времени (от 10 до 10 с) тепловые процессы на поверхности рассматриваются в качестве основного технологического элемента для осуществления не только очистки и отжига, но и многих других перспективных производственных процессов, Рассматриваемые термические процессы подразделя1отся на три группы в зависимости от длительности протекания процесса и времени выхода на требуемый режим нагрева образца, определяемом согласно в основном уровне теплового потока на обрабатываемую поверхность (который должен быть не менее «О кВт/м ), толщиной образца и его температуропроводностью: адиабатический тепловой режим, промежуточный режим (2) или режим прохождения теплового потока, режим теплового баланса или изотермический режим.

Основным недостатком способов осуществления быстропротекающих термических процессов в условиях производства интегральных микросхем, является невозможность реализации очистки поверхности от фоторезистивных масок, а также недостаточная защищенность обрабатываемой поверхности от микрочастиц и возникающих в ряде случаев поверхностных электростатических зарядов. В случае осуществления этих процессов в вакууме, кроме энергозатрат на поддержание вакуума в рабочей камере, возникают трудности эксплуатации вакуумных систем в условиях поточного производства. Поэтому предпочтение отдается способам реализации этих процессов при атмосферном давлении в рабочей камере, например, для очистки„отжига, рекри5

55 сталлизации, вжигания контактов, активации легирующей примеси и др, В случае больших плотностей тепловых потоков на обрабатываемую поверхность, превышающих «О кВт/м, например, при

5 2 использовании мощных лазеров, кроме значительных энергозатрат, все известные способы осуществления быстропротекающих тепловых процессов на поверхности полупроводниковых подложек характеризуются рядом недостатков. К ним относятся значительные механические напряжения, возникающие при локальном нагреве кристаллической подложки, а также большие температурные градиенты и скорости охлаждения, вызывающие недопустимые концентрации точечных дефектов, для снижения которых необходим последующий низкотемпературный отжиг при меньших тепловых потоках (не более 10 кВтlм ). Поэтому для обработки подложек интегральных микросхем целесообразно при реализации быстропротекающих тепловых процессов ограничиться значениями плотности тепловых потоков в интервале iO-10

5 кВт/м .

Быстропротекающие тепловые процессы могут быть реализованы при кратковременном натекании на обрабатываемую поверхность непрерывной струи газообразного теплоносителя. Так, струю воздуха, нагретого до 1000 К, направляют под некоторым углом к окрашенной поверхности и перемещают ее относительно этой поверхности с заданной скоростью для очистки последней от слоя краски, который разрушается под действием теплового потока. Газодинамический напор струи используется при этом для слущивания с поверхности твердых продуктов термодеструкции слоя краски. Кратковременность воздействия струи горячего воздуха на каждую точку обрабатываемой поверхности не приводит к перегреву и разрушению основы, на которую был нанесен слой краски, например металлической поверхности.

Однако эффективность такой очистки низка, как правило, краска частично пригорает и требуется дополнительная операция механического удаления с поверхности зольных остатков краски в виде чешуек, а реализуемые в способе уровень теплового потока и максимальная температура на поверхности недостаточны для осуществления, например, быстрого отжига дефектов структуры или высокоэффективной тонкой очистки поверхности от органических загрязнений и покрытий на основе эффекта

2002339 абляции, Абляция защитного покрытия широко используется в аэрокосмической технике для защиты спускаемых аппаратов от перегрева при входе их в верхние достаточно плотные слои атмосферы Со сверхзвуковой скоростью, когда перед этими аппаратами за счет торможения набегающего холодного сверхзвукового потока воздуха за скачком уплотнения образуется плотная плазма с температурой несколько тысяч градусов. При этом энтальпия торможения сверхзвукового набегающего потока воздуха превышает величину 10 Дж/кг, а плотность теплового потока на поверхности защитного покуытия достигает величины (10 -106) кВт/м, достаточной для эффектов абляции и вдува, В результате этих эффектов газообразные продукты абляции защитного покрытия и остаточный слой его экранируют аппарат от контакта со слоем образующейся плазмы, температура которой порядка 10 К.

Абляционная очистка поверхности производится способом динамической плазменной обработки поверхности твердого тела, выбранным в качестве прототипа, который наряду с эффективной активацией и очисткой поверхности позволяет осуществить также в обрабатываемом твердом теле быстропротекающие тепловые и другие процессы.

В этом способе формируют плазменную среду в виде стационарного набегающего непрерывного плазменного потока или струи, а обрабатываемому телу создают режим нестационарного нагрева, сходный с тепловым режимом при действии излучения лазера большой мощности на металлы, и проводят обработку, обеспечивая управляемое по скорости взаимное пересечение сформированного плазменного потока и поверхности обрабатываемого твердого тела.

Последнее в процессе динамической плазменной обработки перемещают относительно плазменного потока с некоторой скоростью. Выбором величины этой скорости задают длительность плазменного воздействия на поверхность. При этом температура плазмы 10 К, скорость ее иса течения из сопла источника плазмы 10 м/с э (сверхзвуковая), а плот ость теплового потока на обрабатываемой поверхности 10—

10 кВт/м . При динамической плазменной обработке реализуется, согласно описанному способу, гидродинамически непрерывное истечение стационарного набегающего потока ниэкотемпературатурной плотной плазмы вдоль обрабатываемой поверхно5

55 сти в условиях атмосферного давления с образованием на ней пограничного слоя термически и химически неравновесной сильно ионизированной неидеальной плазмы с параметром неидеальности для ионной компоненты порядка 10.

К недостаткам способа относятся сложность осуществления управляемого по температуре заранее заданного режима нестационарного нагрева обрабатываемого твердого тела в сверхзвуковом стационарном набегающем на поверхность потоке плазмы, в частности, из-за того, что нагрев происходит в том числе и за счет торможения потока на обрабатываемой поверхности при соответствующем преобразовании за образующимся скачком уплотнения части кинетической энергии потока, определяемой величиной энтальпии торможения, в тепловую энергию, поглощаемую обрабатываемой поверхностью, так как обычно этот процесс при укаэанных параметрах потока плазмы в условиях атмосферного давления сопровождается огромными звуковым давлением и гидродинамическим напором, резко неоднородным распределением тепловых потоков и сооТВВТсТВВННо температуры как в приповерхностной плазме, так и в обрабатываемом твердом теле.

Недостаточная управляемость процесса обусловлена также принципиальной невозможностью контролировать ряд параметров плазмы в пограничном слое изза ее неравновесности и неидеальности, Высокая энергоемкость процесса обусловлена тем, что потребляемая мощность, как правило, превышает 100 кВт.

Низкая воспроизводимость результатов объясняется недостаточной управляемостью процесса, Изобретение направлено на решение задачи снижения энергоемкости безвакуумной плазменной обработки поверхности твердого тела для реализации термообработки на базе быстропротекающих тепловых процессов, очистки и активации поверхности, нейтрализации поверхностных зарядов, адсорбционно-газовой защиты поверхности, травления и нанесения покрытий.

В предлагаемом способе плазменной обработки поверхности твердого тела с целью существенного снижения энергоемкости процесса формируют непрерывный поток газообразного теплоносителя в виде дозвуковой высокотемпературной струи плазмы или пламени горючей газовой смеси, скорость истечения которой из сопла

2002339

55 источника струи не превышает скорости звука в воздушной среде при нормальных условиях (330 м/с). Сформированной таким образом струей воздействуют, как и в прототипе, иа обрабатываемую поверхность твердого тела путем управляемого по скорости пересечения этим телом струи газообразного теплоносителя в плоскости ее поперечного сечения при обеспечении контакта обрабатываемой поверхности с теплоносителем за счет гидродинамически непрерывного истечения теплоносителя вдоль обрабатываемой поверхности с образованием на ней в момент набегания струи сплошного пограничного слоя. При этом температура теплоносителя на выходе иэ сопла источника в центральной части струи в заявляемом способе не ниже 2 10 К, а плотность теплового потока на обрабатываемой поверхности в области контакта последней со струей теплоносителя находится в пределах интервала 10 — 10 кВт/м .

Как.и в прототипе, выбором величины скорости перемещения обрабатываемой поверхности относительно струи при ее пересечении или струи относительно обрабатываемой поверхности задают длительность воздействия теплоносителя на поверхность, причем при этом воздействии обрабатываемая поверхность прерывает струю теплоносителя. Воздействие струей на обрабатываемую поверхность осуществляют при давлении газовой среды не ниже атмосферного. В отличие от прототипа это позволяет s необходимых случаях при избыточном дарении в рабочей камере избежать попадания в нее извне воздуха, загрязненного микрочастицами или нежелательными примесями, например парами воды, что очень важно для обеспечения возможности реализации на базе предлагаемого способа адсорбционно-газовой защиты очищенной поверхности от загрязнений в условиях сверхчистого производства и, следовательно, возможности антистатической обработки поверхности оксидных диэлектриков.

Кроме того; указанный отличительный признак позволяет избежать дополнительных энергозатрат, связанных с осуществлением в ряде случаев в зоне обработки необходимой газодинамической защиты обрабатываемой поверхности от микрочастиц, которая требует вдува в зону обработки вдоль обрабатываемой поверхности защит; ного потока обеспыленного очищенного от примесей газа и в отличие от прототипа перестает быть необходимой в предлагае5

50 мом способе для реализации рассматриваемых процессов обработки, например, в условиях сверхчистого производства интегральных микросхем.

Как и в прототипе, достаточно высокая температура теплоносителя гарантирует отсутствие в нем микрочастиц органического происхождения, что также резко снижает при осуществлении способа возможность загрязнения микрочастицами обрабатываемой поверхности.

Указанная выше совокупность существенных признаков изобретения позволяет снизить энергоемкость процесса плазменной обработки и является достаточной во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый обьем правовой охраны.

Из указанных признаков отличительными признаками изобретения, а именно способа плазменной обработки поверхности твердого тела струей газообразного телпоносителя, являются: формирование дозвуковой (8 прототипе сверхзвуковой) высокотемпера турной струи газообразного теплоносителя с температурой его на выходе из сопла источника струи не ниже 2. 10 К (в прототипе

10 К), и плотностью теплового потока на .4 обрабатываемой поверхности 10-10

5 кВт/м, (в прототипе 10 -10 кВт/м ), а также то, что воздействие струи на поверхность твердого тела осуществляют в газовой среде при давлении не ниже атмосферного (в прототипе при атмосферном давлении).

Очевидно, повышенная равномерность обработки, например, подложек интегральных схем большого диаметра (150 мм и более) может быть достигнута; если при обработке разместить их на вращающемся подложкодержателе, обеспечивающем вращение подложек с угловой скоростью вокруг оси, перпендикулярной обрабатываемой поверхности. При этом эффективная площадь обработанной поверхности подложки при однократном пересечении струи теплоносителя подложкой с линейной скоростью ее относительно струи может быть существенно больше, чем в случае отсутствия вращения обрабатываемого тела. Соответственно сокращается и кратность обработки, т.е. количество необходимых для обработки всей поверхности пересечений струи обрабатываемой поверхностью, что может существенно снизить энергозатраты на весь цикл обработки поверхности подложки.

Однако при использовании вращения обрабатываемого тела в процессе его обработки целесообразно для исключения воэ10

2002339

N >Ч/Й, 40

50

55 газообразного теплоносителя с температурой его на выходе из источника струи не ниже 2 ° 10 К и с плотностью теплового потока на обрабатываемой поверхности 10

- 10 кВт/м, а воздействие струей теплоносителя на,.поверхность твердого тела действия плазменной струи на неподвижный относительно струи участок обрабатываемой поверхности с целью предотвращения возможного перегрева и термодеструкции этого участка выбирать угловую скорость вращения тела, удовлетворяющей соотношению где R — расстояние от оси вращения тела до максимально удаленной от нее точки на обрабатываемой поверхности этого тела.

Как правило, при введении ультразвуковых колебаний в технологическую среду, в которой осуществляют очистку или травление поверхности, длительность этих процессов сокращается, а эффективность их резко возрастает. Поэтому для возможного сокращения длительности очистки и травления по предлагаемому способу и соответствующего снижения энергозатрат целесообразно в струю газообразного теплоносителя ввести ультразвуковые колебания.

Таким образом,. отличительными признаками изобретения являются: осуществление вращения обрабатываемого твердого тела вокруг оси, перпендикулярно обрабатываемой поверхности, причем угловая скорость этого вращения иудовлетворяет указанному соотношению и введение в струю газообразного теплоносителя ультразвуковых колебаний.

Дозвуковые непрерывные струи плазмы или пламени горючей газовой смеси, которые в изобретении используются в качестве газообразного теплоносителя, осуществляющего направленный перенос тепловой энергии от зоны энерговыделения (источник струи) до зоны поглощения тепла (обрабатываемая поверхность твердого тела), широко используются в технике. Источниками таких струй с температурой плазмы или пламени на выходе из сопла не ниже

Формула изобретения

1. СПОСОБ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА

СТРУЕЙ ГАЗООБРАЗНОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ, включающий формирование непрерывного потока газообразного теплоносителя и воздействие им на поверхность твердого тела путем управляемого по скорости пересечения этим телом струи теплоносителя в плоскости ее поперечного

2 10 К являются плазменные или газовые (бунзеновские) горелки. Средства и методы получения, контроля и измерения плотности теплового потока в интервале 10-10

5 кВ/м на поверхности, на которую набегают газообразный непрерывный поток теплоносителя, описаны. Избыточное по отношению к атмосферному давление в рабочей камере может поддерживаться наиболее просто за счет использования газодинамического напора сформированной в камере согласно изобретению струи газообразного теплоносителя путем создания на выходе газов из камеры некоторого газодинамического сопративлейия, например, подбором величины сечения газоотводящих (выхлопных) каналов, техйологических отверстий в стенках камеры и..т,п.

В случае использования бунзеновской горелки в качестве источника струи пламени введение в струю ультразвуковых колебаний возможно беэ дополнительных затрат энергии, Для этого в газоподводящих каналах горелки или в камере смещения устанавливают обычные статические ультразвуковые сирены (газоструйные свистки), работающие как акустические излучатели в потоке газа и используемые в технике для ускорения процессов тепло- и массообмена, коагуляции аэрозолей и др, В случае использования плазменных горелок, например электродуговых, возможно введение в струю плазмы ультразвуковых колебаний путем модуляции соответствующей частотой тока или напряжения на дуге (так называемая "звучащая дуга"), а также с помощью других методов и средств. (56) J. Арр! Phys (USA), v, 63, hk 8, р. R

59-R104, 1988.

Кулик А.П., Динамическая плазменная обработка (ДПО) поверхности твердого тела. В сб.: Плазмохимия-87. Изд. ИНХС

AHCCCP, M.. 1987, с, 7. чения при гидродинамически непрерывном истечении теплоносителя вдоль обрабатываемой поверхности, отличающийся тем, что поток формируют в виде дозвуковой высокотемпературной струи