AT504487A4 - Vorrichtung zur erzeugung von plasma oder radikalen mittels mikrowellen - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Plasma oder Radikalen für Ätz- und Abscheideprozesse in der Halbleitertechnologie, mit einem an beiden Enden abgeschlossenen Hohlleiter mit einer Gesamtlänge und einem rechteckigen Querschnitt mit einer inneren Länge und einer inneren Breite, einem Magnetron zur Einspeisung von Mikrowellenenergie in den Hohlleiter zur Bildung eines stehenden Mikrowellenfeldes mit einer Wellenlänge im Hohlleiter, und mit einem Reaktionsrohr aus dielektrischem Material zur Führung eines Prozessgases, welches Reaktionsrohr den Hohlleiter in Richtung der Querschnittslänge durchdringt, und mit einer Zuleitung für das Prozessgas verbunden ist und in einer Prozesskammer mündet,

   wobei in dem als Wechselwirkungsvolumen bezeichneten Bereich des Reaktionsrohres innerhalb des Hohlleiters das Prozessgas durch das Mikrowellenfeld angeregt wird.
Es sind mehrere Ausführungsformen von Plasma- oder Radikalerzeugern bekannt, bei denen ein Prozessgas durch Mikrowellenenergie in Ionen und neutrale Radikale zerlegt wird. Als Mikrowellenquelle dient meist ein mit einer Stabantenne versehenes Magnetron, dessen Mikrowellenenergie in einen Hohlleiter eingespeist wird. Die Enden des Hohlleiters sind mit Kurzschlussplatten abgeschlossen, sodass sich je nach Abstimmung im Inneren des Hohlleiters eine stehende Welle des Mikrowellenfeldes aufbauen kann, dessen Wellenlänge von den Dimensionen des Hohlleiters und von der Frequenz der eingespeisten Mikrowelle abhängt.
Das Prozessgas wird in einem aus dielektrischem Material bestehenden Reaktionsrohr durch den Hohlleiter geführt.

   Die im Bereich der Durchkreuzung des Reaktionsrohres mit dem Hohlleiter, dem sogenannten Wechselwirkungsvolumen entstehenden Ionen und Radikale werden in eine Prozesskammer eingeleitet, um dort die gewünschten chemischen Ätz- oder Abscheideprozesse zu bewirken.
Üblicherweise durchdringt das Reaktionsrohr den Hohlleiter im Bereich eines Schwingungsbauches des Mikrowellenfeldes in Richtung der Breite des rechteckigen Querschnitts, da diese Richtung parallel zur Richtung des elektrischen Feldes die beste Ankopplung der Mikrowelle in das im Wechselwirkungsvolumen erzeugte Plasma erlaubt. Es wird somit eine hohe Effizienz der eingesetz 9[Lambda]
ten Mikrowellenleistung erreicht.

   Eine solche Anordnung ist beispielsweise in der DE 41 32 558 CI beschrieben.
Der Nachteil dieser kompakten Anordnung mit kleinem Wechselwirkungsvolumen und hoher Leistungsdichte ist eine starke Erwärmung der Wände des dielektrischen Reaktionsrohres, wodurch die eingebrachte Leistung bzw. die Lebensdauer der Anordnung praktisch begrenzt wird.
Zur Erhöhung der Lebensdauer des Reaktionsrohres wurde beispielsweise in der JP 11-162937 eine Lösung vorgeschlagen, gemäss der das Reaktionsrohr den Hohlleiter entlang der Querschnittslänge durchtritt, wodurch das Wechselwirkungsvolumen vergrössert wird.
Die EP 0 863 536 A2 beschreibt eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas, bei der die Mikrowelle aus einem Hohlleiter in einen separaten Resonator gekoppelt wird, der von einem Reaktionsrohr durchdrungen ist.

   Der Aufbau ist relativ aufwändig und komplex.
Die US 4 935 661 A beschreibt eine Vorrichtung zur Erzeugung von Plasma, wobei die Zuführung des Prozessgases gepulst wird. Der Aufbau und die Anwendung der Vorrichtung unterscheidet sich von jener der gegenständlichen Anmeldung.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer oben genannten Vorrichtung, mit der die Plasma- oder Radikalerzeugung bei gleicher oder verringerter Leistungsdichte verbessert werden kann. Die Lebensdauer der Komponenten der Vorrichtung soll möglichst hoch sein und die Vorrichtung soll weiters durch einen möglichst einfachen Aufbau gekennzeichnet sein.

   Nachteile des Standes der Technik sollen vermieden oder zumindest reduziert werden.
Gelöst wird die erfindungsgemässe Aufgabe dadurch, dass das Reaktionsrohr in Längsrichtung des Hohlleiters im Bereich maximaler magnetischer und minimaler elektrischer Feldstärke des Mikrowellenfeldes positioniert ist, dass das Magnetron mit einer Einrichtung zur Lieferung einer gepulsten Spannungsversorgung verbunden - ist, und dass das Prozessgas einen Druck zwischen 50 Pa und 500 Pa aufweist. Das Reaktionsrohr wird in Längsrichtung des Hohlleiters im Bereich maximaler magnetischer und minimaler elektrischer Feldstärke des Mikrowellenfeldes positioniert. Im Gegensatz dazu wurde bisher das Reaktionsrohr meist über die Querseite des Hohlleiters an einer Stelle, wo die elektrische Feldstärke ein Maximum aufweist, positioniert.

   Bei der gegenständlichen Vorrichtung wird ein besonders grosses Wechselwirkungsvolumen erzielt, wodurch die thermische Belastung des Reaktionsrohres verringert bzw. der Einsatz höherer Leistungen der Mikrowellenquelle ermöglicht wird. Ein weiterer Vorteil der Anordnung besteht in einer höheren Aufenthaltszeit des Reaktionsgases im Wechselwirkungsvolumen, wodurch die Ausbeute an Radikalen und Ionen verbessert wird. Durch die Verwendung getakteter oder gepulster Mikrowellen hält das Reaktionsrohr den zeitlichen Mittelwert der freigesetzten Wärme trotz hoher kurzzeitiger Leistungsdichten im Wechselwirkungsvolumen stand. Die Taktung der Mikrowellenquelle erfolgt mit Hilfe einer Einrichtung zur Lieferung einer gepulsten Spannungsversorgung für das Magnetron, was insbesondere durch Anspeisung des Magnetrons mit einer halbwellengleichgerichteten Hochspannung realisierbar ist.

   Durch die Vergrösserung des Wechselwirkungsvolumens in Kombination mit der getakteten oder gepulsten Mikrowellenquelle kann der Anteil von nicht mit der Mikrowelle in Wechselwirkung getretenem und daher nicht aktiviertem Prozessgas verringert oder überhaupt verhindert werden. Durch die letzte erfindungsgemässe Massnahme gemäss der das Prozessgas einen Druck zwischen 50 und 500 Pa aufweist, kann schliesslich ein besonders stabiles Plasma gezündet werden.

   Durch die erfindungsgemässe Vorrichtung kann eine verbesserte Plasmaoder Radikalerzeugung durch eine Verbesserung der Kopplung oder der Erhöhung der zugeführten Mikrowellenleistung durch eine Maximierung des Wechselwirkungsvolumens und gleichzeitige Maximierung der Aufenthaltsdauer des Prozessgases im Wechselwirkungsvolumen bei gleich bleibender oder verringerter Leistungsdichte im Wechselwirkungsvolumen erreicht werden.
Gemäss einem Merkmal der Erfindung ist in der Zuleitung für das Prozessgas ein Ventil angeordnet, welches Ventil durch die Einrichtung zur Lieferung einer gepulsten Spannungsversorgung steuerbar ist, sodass während der Taktpausen ein reduzierter Anteil an Prozessgas in das Reaktionsrohr zuleitbar ist. Durch diese Massnahme können allenfalls noch vorhandene Restmengen an nicht angeregtem Prozessgas verhindert werden.

   Durch die Synchronisation der Zuführung des Prozessgases mit dem Takt der Mikrowellenquelle kann während der Taktpausen der Zufluss von nicht angeregtem Gas unterbunden oder gezielt eingestellt werden.
Vorteilhafterweise ist die Gesamtlänge des Hohlleiters um einen Faktor (n/2 + 0,75 +- 0,03) grösser als die Wellenlänge des im Hohlleiter aufgebauten Mikrowellenfeldes, wobei n eine natürliche ganze Zahl ist. Bei der Einspeisung der Mikrowellenenergie über ein mit einer Stabantenne versehenes Magnetron ist es besonders vorteilhaft, die Gesamtlänge des Hohlleiters auf diese Werte auszulegen.
Vorteilhafterweise liegt das Verhältnis des Innendurchmessers des Reaktionsrohres zur Wellenlänge des im Hohlleiter aufgebauten Mikrowellenfeldes im Bereich 0,20 +- 0,04.

   Durch eine derartige Dimensionierung des Innendurchmessers etwas unterhalb einem Viertel der Wellenlänge wird das Feldstärkenmaximum gut überdeckt.
Zur Kühlung des Reaktionsrohres kann der Hohlleiter an seinen Enden mit Leitungen zur Führung eines Kühlgases in Längsrichtung des Hohlleiters verbunden sein. Dadurch wird eine effiziente Kühlung des Reaktionsrohres durch das in Längsrichtung des Hohlleiters strömende Kühlgas erzielt.
Zur Kühlung der Stabantenne des Magnetrons kann der Hohlleiter auch im Bereich der Verbindung mit dem Magnetron entlang der Breite mit Leitungen zur Führung eines Kühlgases zur Kühlung der Stabantenne des Magnetrons verbunden sein.
Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Aussendurchmesser des Reaktionsrohres um maximal 5 mm kleiner als die innere Breite des rechteckigen Querschnitts des Hohlleiters.

   Wenn der Luftspalt zwischen Reaktionsrohr und der Innenwand des Hohlleiters auf jeder Seite unter 2,5 mm gehalten wird, kann eine wesentlich bessere Kühlwirkung erzielt werden, da das durch den Hohlleiter strömende Kühlgas in der Verengung beschleunigt wird. Das Verhältnis der Länge zur Breite des Hohlleiters mit rechteckigem Querschnitt beträgt vorzugsweise 2,05 bis 2,2.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Figur, welche ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Vorrichtung in schematischer Form zeigt, näher erläutert.
Die Figur zeigt einen Hohlleiter 2 mit rechteckigem Querschnitt mit einer inneren Länge a und einer inneren Breite b. Der Hohlleiter 2 weist eine Gesamtlänge L auf und ist zur Bildung eines Hohlleiterresonators an den Enden abgeschlossen.

   Bei Abstimmung der Wellenlänge [lambda] der eingespeisten Mikrowellenenergie mit der Gesamtlänge L und der Länge a und Breite b des Querschnitts des Hohlleiters 2 kann eine stehende Welle im Hohlleiter 2 erzielt werden. Erfindungsgemäss wird ein Reaktionsrohr 1 zur Führung eines Prozessgases in der Richtung der Querschnittslänge a (xRichtung) des Hohlleiters 2 an einer Stelle in z-Richtung des Hohlleiters 2 angeordnet, an der das elektrische Feld ein Minimum und das magnetische Feld ein Maximum aufweist. Das Reaktionsrohr 1 ist aus dielektrischem Material hergestellt und weist einen Innendurchmesser Di und einen Aussendurchmesser Daauf. Mittels eines Magnetrons 3 wird eine entsprechende Mikrowellenenergie in den Hohlleiter 2 eingespeist. Zur Versorgung des Magnetrons 3 mit gepulster Energie wird eine Einrichtung 4 zur Lieferung einer gepulsten Spannungsversorgung vorgesehen.

   Das Reaktionsrohr 1 ist über eine entsprechende Zuleitung 7 mit einer Quelle (nicht dargestellt) für das Prozessgas verbunden. Auf der anderen Seite mündet das Reaktionsrohr 1 in einer Prozesskammer 8. In jenem Volumen, in dem das Reaktionsrohr 1 den Hohlleiter 2 durchdringt, dem sogenannten Wechselwirkungsvolumen 9 folgt eine Anregung des Prozessgases mit dem Mikrowellenfeld und somit eine Erzeugung von Plasma oder Radikalen.
Erfindungsgemäss ist das Wechselwirkungsvolumen 9 besonders gross, wodurch auch die Verweilzeit des Prozessgases im Wechselwirkungsvolumen 9 verlängert und somit eine effizientere Anregung des Prozessgases ermöglicht wird.
Zur Kühlung des Reaktionsrohres 1 wird vorzugsweise an den Enden des Hohlleiters 2 über entsprechende Leitungen 6 ein Kühlgas zuund abgeführt, welchen den Hohlleiter 2 in Längsrichtung (zRichtung) durchströmt.

   Dabei ist es von Vorteil, wenn der Aussendurchmesser Dades Reaktionsrohres 1 nur geringfügig kleiner ist als die innere Breite b des Hohlleiters 2. Beispielsweise ist es von Vorteil, wenn der Aussendurchmesser Dades Reaktionsrohres 1 um maximal 5 mm kleiner ist als die innere Breite b des Hohlleiters 2. Dadurch resultieren beiderseits Luftspalten unter 2,5 mm zwischen Reaktionsrohr 1 und Innenwand des Hohlleiters 2, wo das Kühlgas beschleunigt und somit eine wesentlich bessere Kühlwirkung erzielt wird.

   Die üblicherweise vorhandene Stabantenne des Magnetrons 3 kann ebenfalls durch entsprechendes eingespeistes Kühlgas gekühlt werden (nicht dargestellt) .
Beim Pulsen oder Takten der Mikrowellenenergie besteht jedoch ein Nachteil darin, dass während der Taktpausen nicht aktiviertes Prozessgas ungehindert in die Prozesskammer 8 gelangen kann, sofern das während der Taktpausen durch das Reaktionsrohr 1 strömende Volumen am Prozessgas grösser ist als das Wechselwirkungsvolumen 9. Dies ist in der Regel dann der Fall, wenn einerseits grosse Mengen an Prozessgas angeregt werden sollen (typisch 1 bis 2 Standardliter/min.) oder die Impulsdauer kurz gehalten wird, um hohe Leistungsspitzen zu erzielen. Unter diesen Bedingungen ist näherungsweise nur der Anteil des Prozessgas angeregt, der dem Taktverhältnis der Energieeinspeisung entspricht.

   Der in die Prozesskammer 8 eingeleitete Gasstrom besteht somit auch bei vollständiger Aktivierung des Prozessgases während der Energieeinspeisung aus einer Mischung angeregter Teilchen mit Molekülen des nicht angeregten Prozessgases. Diese nicht angeregten Bestandteile beeinflussen die Reaktionskinetik so, dass die gewünschten Prozesse im Allgemeinen verlangsamt werden. Zudem werden die Reaktionsgleichgewichte beeinflusst, sodass auch qualitative Änderungen des Endzustands bewirkt werden können. Um zu verhindern, dass während der Taktpausen nicht aktiviertes Prozessgas in die Prozesskammer 8 gelangt, kann in der Zuleitung 7 des Prozessgases ein Ventil 5 angeordnet sein, das mit der Einrichtung 4 zur Lieferung einer gepulsten Spannungsversorgung für das Magnetron 3 synchronisiert wird.

   Das Ventil 5 kann durch ein mechanisch oder elektrisch schaltbares Ventil realisiert sein, das während der Taktpausen den Zufluss von Prozessgas über die _ _
Zuleitung 7 in das Reaktionsrohr 1 verhindert oder deutlich verringert. Für einen minimalen Anteil an nicht aktiviertem Prozessgas ist bei der Synchronisation eine Zeitverschiebung einzustellen, die der Strömungszeit des Prozessgases vom Ventil 5 bis zum Wechselwirkungsvolumen 9 entspricht.
Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, dass zum Zwecke der Anpassung zum Schutz des Magnetrons 3 vor reflektierter Leistung bzw. für Mess- und Regelzwecke zwischen dem Magnetron 3 und dem Reaktionsrohr 1 auch aus der Mikrowellentechnik bekannte Bauelemente, wie beispielsweise Stifttuner, Zirkulatoren mit Wasserlast, Messrichtkoppler oder Potentialsonden eingefügt werden können.

Claims (8)

- Patentansprüche :

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Plasma oder Radikalen für Ätzund Abscheideprozesse in der Halbleitertechnologie, mit einem an beiden Enden abgeschlossenen Hohlleiter (2) mit einer Gesamtlänge (L) und einem rechteckigen Querschnitt mit einer inneren Länge (a) und einer inneren Breite (b) , einem Magnetron (3) zur Einspeisung von Mikrowellenenergie in den Hohlleiter (2) zur Bildung eines stehenden Mikrowellenfeldes mit einer Wellenlänge ([lambda]) im Hohlleiter (2), und mit einem Reaktionsrohr (1) aus dielektrischem Material zur Führung eines Prozessgases, welches Reaktionsrohr (1) den Hohlleiter (2) in Richtung der Querschnittslänge (a) durchdringt, und mit einer Zuleitung (7) für das Prozessgas verbunden ist und in einer Prozesskammer (8) mündet, wobei in dem als Wechselwirkungsvolumen (9) bezeichneten Bereich des Reaktionsrohres (1) innerhalb des Hohlleiters (2)

das Prozessgas durch das Mikrowellenfeld angeregt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsrohr (1) in Längsrichtung des Hohlleiters (2) im Bereich maximaler magnetischer und minimaler elektrischer Feldstärke des Mikrowellenfeldes positioniert ist, dass das Magnetron (3) mit einer Einrichtung (4) zur Lieferung einer gepulsten Spannungsversorgung verbunden ist, und dass das Prozessgas einen Druck zwischen 50 Pa und 500 Pa aufweist.

(2) verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zuleitung (7) für das Prozessgas ein Ventil (5) angeordnet ist, welches Ventil (5) durch die Einrichtung (4) zur Lieferung einer gepulsten Spannungsversorgung steuerbar ist, sodass während der Taktpausen ein reduzierter Anteil an Prozessgas in das Reaktionsrohr (1) zuleitbar ist.

(3) verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtlänge (L) des Hohlleiters (2) um einen Faktor (n/2 + 0,75 +- 0,03) grösser ist als die Wellenlänge ([lambda]) des im Hohlleiter (2) aufgebauten Mikrowellenfeldes, wobei n eine natürliche ganze Zahl ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Innendurchmessers (Di) des Reaktionsrohres (1) zur Wellenlänge ([lambda]) des im Hohlleiter (2) aufgebauten Mikrowellenfeldes im Bereich 0,20 +- 0,04 liegt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlleiter (2) an seinen Enden mit Leitungen (6) zur Führung eines Kühlgases in Längsrichtung des Hohlleiters

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlleiter (2) im Bereich der Verbindung mit dem Magnetron (3) entlang der Breite (b) mit Leitungen zur Führung eines Kühlgases zur Kühlung der Stabantenne des Magnetrons

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Aussendurchmesser (Da) des Reaktionsrohres (1) um maximal 5 mm kleiner ist als die innere Breite (b) des rechteckigen Querschnitts des Hohlleiters (2) .

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Länge (a) zur Breite (b) des Hohlleiters (2) mit rechteckigem Querschnitt 2,05 bis 2,2 beträgt.

GH/pl