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Die
Erfindung betrifft einen dielektrischen Fokusring, wie er in einer
Plasmaätzanlage
verwendet wird.
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Bei
der Herstellung von Halbleiterbauelementen werden Wafer häufig in
Plasmaätzanlagen bearbeitet.
Dabei werden die Wafer auf einer Unterlage gelagert, in der auch
eine Elektrode (Chuck) angeordnet ist.
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Bei
einer solchen Anlage wird der Wafer in der Regel von einem elektrostatischen
Chuck (ESC) gehalten, der wiederum mechanisch mit der Elektrode
verbunden ist. Der Wafer ragt dabei rings über den elektrostatischen Chuck
hinaus, so dass der elektrostatische Chuck vor dem Ionenbeschuss
beim Plasmaätzen
geschützt
ist.
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Die
Elektrode wird mit einer Hochfrequenzspannungsquelle verbunden,
entweder um Leistung in das Plasma einzukoppeln (im sog. capacitively coupled
plasma (ccp) Modus) oder um eine Bias-Spannung über der den Wafer haltenden
Elektrode zu erzeugen.
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Ein
Fokusring (auch 'Abdeckring', 'focus ring' oder 'cover ring' genannt) deckt metallische
Teile der Elektrode gegenüber
dem Plasma ab und erfüllt
dadurch drei Aufgaben: Er schützt
den Chuck vor Beschädigungen
während
des Ätzvorgangs,
stellt einen elektrischen Abschluss des Chucks bereit, um dadurch
die Homogenität
der Ätzung
zu erhöhen,
und schließlich
können
durch den Fokusring die Strömungseigenschaften
des Plasmas in der Plasmaätzanlage
eingestellt werden.
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Beim
Plasmaätzen
können
große
Potentialdifferenzen zwischen dem dielektrischen Fokusring und dem
Wafer bzw. dem elektrostatischen Chuck bzw. der Elektrode auftreten.
Diese Potentialdifferenzen liegen typischerweise bei einigen hundert
Volt. Die großen
Potentialunterschiede können
zu einem elektrischen Durchbruch (Überschlag) zwischen dem Wafer
und dem Fokusring führen.
Dabei kann parasitäres
Plasma brennen, was zu einer Randätzung des Wafers führt und
ihn unbrauchbar machen kann.
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Bislang
wird ein elektrischer Überschlag
zwischen Fokusring und Wafer dadurch vermieden, dass der Fokusring
eng an den Wafer angeschlossen wird. Dadurch verringern sich die
Potentialdifferenzen, Hohlräume
(wie z.B. unterhalb des Überhangs des
Wafers) werden verschlossen oder vermieden. Des weiteren besitzen
die Fokusringe eine große
Höhe, die
ebenfalls zu einer Verminderung der Überschlagswahrscheinlichkeit
führt.
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Die
bekannten dielektrischen Fokusringe weisen fertigungstechnische
Nachteile auf. Sowohl der enge Anschluss von Fokusring an den Wafer
als auch die große
Höhe der
Fokusringe sind bei der Produktion nicht vorteilhaft. Es ist vielmehr
wünschenswert,
die Toleranz zwischen Wafer und Fokusring zu erhöhen oder ein flacheres Design
des Fokusrings zu verwenden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, elektrische Durchschläge zwischen
Fokusring und Wafer zu vermeiden oder zumindest wesentlich zu reduzieren.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen
dielektrischen Fokusring mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Lösung zeichnet
sich dadurch aus, dass der dielektrische Fokusring eine Struktur
zur gezielten Beeinflussung eines elektrischen Potentialprofils
im Inneren des Fokusrings aus mindestens einem Material mit einer
anderen elektrischen Eigenschaft, insbesondere einer anderen Dielektrizitätskonstante
und/oder einer anderen Leitfähigkeit,
als der dielektrische Teil des Fokusrings aufweist. Dadurch wird
der Potentialverlauf im Inneren des Fokusrings so verändert, dass
die Wahrscheinlichkeit eines elektrischen Überschlags zwischen Wafer und
Fokusring verringert wird. Durch die Erfindung wird ein alternativer
Weg bereitgestellt, einen elektrischen Durchschlag zwischen Wafer
und Fokusring zu verhindern. Damit kann der Abstand zwischen Wafer
und Fokusring erhöht
werden und die Höhe
des Fokusrings erniedrigt werden, was ein Vorteil für die Fertigung
von Wafern ist.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltungsform sieht vor, dass die Struktur zur
gezielten Beeinflussung des Potentialprofils mindestens teilweise
aus einem elektrisch leitenden oder halbleitenden Material besteht.
Dies kann beispielsweise dazu benutzt werden, die Struktur zur gezielten
Beeinflussung des Potentialprofils relativ zu dem elektrostatischen
Chuck und/oder der Elektrode so anzuordnen, dass ein elektrisches
Potential der Struktur im Wesentlichen durch den elektrostatischen
Chuck bzw. die Elektrode beeinflusst wird. Vorteilhafterweise wird
die Struktur direkt an die Elektrode bzw. an den elektrostatischen
Chuck gekoppelt. Dies ist eine Möglichkeit, das
Potentialprofil im Inneren des dielektrischen Fokusrings gezielt
durch ein elektrisch leitendes Material zu beeinflussen und beispielsweise
zu verzerren.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltungsform ist die Struktur (11)
im Fokusring so angeordnet, dass kein Kontakt zum Plasma der Plasmaätzvorrichtung besteht.
Dies verhindert speziell im Fall einer metallischen Struktur das Ätzen der
Struktur und verhindert somit, dass metallische Partikel die Ätzkkammer
kontaminieren.
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Vorteilhafterweise
beeinflusst die Struktur zur gezielten Beeinflussung des Potentialprofils
des Fokusrings das elektrische Potentialprofil im Inneren des Fokusrings
dahingehend, dass die elektrische Potentialdifferenz zwischen der
dem Wafer am nächsten
liegenden Seite des Fokusrings und dem Wafer gering gehalten wird.
Das Potentialprofil weist dann eine stufenartige Form auf. Das elektrische
Potential fällt
bzw. steigt somit erst im Inneren des Fokusrings auf den Potentialnormalwert,
auf den sich der Fokusring auflädt.
Da die elektrische Durchbruchswahrscheinlichkeit zwischen zwei Punkten
u. a. abhängig
ist vom Abstand der beiden Punkte zueinander und der Potentialdifferenz
zwischen den beiden Punkten, ermöglicht
eine kleinere Potentialdifferenz zwischen Wafer und Fokusring eine
Vergrößerung der
Toleranz zwischen Wafer zu Fokusring. Ein elektrischer Durchbruch
könnte
sich bei einem solch stufenartigen Potentialprofil nur im äußeren Bereich
des Fokusrings und nicht mehr in der Nähe des Wafers ereignen.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Fokusring einen dielektrischen
Anteil aus Quarz auf oder besteht aus Quarz, wie er z.B. zum Plasmaätzen von
Silizium eingesetzt wird. Die Struktur kann beispielsweise aus einem
Halbleiter bestehen, speziell aus dotiertem Silizium. Durch die
elektrisch leitende Struktur im Inneren des Dielektrikums wird das Potentialprofil
im Inneren des Fokusringes verändert. Je
nach Form der Struktur zur Beeinflussung des Potentialprofils im
oder am Fokusring sind unterschiedliche Potentialprofile im Fokusring
realisierbar.
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Vorteilhafterweise
sind der dielektrische Fokusring und die Struktur mehrteilig ausgebildet.
Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass der Fokusring und die
Struktur zusammen und auseinander steckbar sind. Dies hat den Vorteil,
dass nur der durch das Plasma angegriffene dielektrische Teil des Fokusrings
ein Verbrauchsteil ist, während
die beispielsweise aus Silizium bestehende Struktur wieder verwendet
werden kann.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass
der dielektrische Fokusring auf der dem Plasma abgewandten Seite
des Wafers zum Schutz des elektrostatischen Chucks und/oder der
Elektrode vor Beschädigungen
einen Vorsprung unter einen Überhang
des Wafers über
den elektrostatischen Chuck ausbildet. Dabei greift der Vorsprung
in einen Freiraum zwischen dem Überhang des
Wafers, dem Fokusring und dem elektrostatischen Chuck und eventuell
der Elektrode, die sich im Kontakt mit dem elektrostatischen Chuck
befindet.
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Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass die dem Wafer am nächsten ausgebildeten Stellen
des Fokusrings nicht aus einem elektrisch leitenden Teil der Struktur
bestehen. Außerdem
kann beispielsweise das elektrisch leitende Material der Struktur
flächenartig
auf der einen wie oben beschriebenen Vorsprung unter den Überhang
des Wafers aufweisende und zum Wafer parallele Seite des Fokusrings
angeordnet sein. Dabei ist ein elektrisch leitender Anteil der Struktur
relativ zu dem elektrostatischen Chuck und/oder der Elektrode so
angeordnet, dass ein elektrisches Potential der Struktur im Wesentlichen
durch den elektrostatischen Chuck bzw. die Elektrode beeinflusst
wird. Dadurch wirkt der elektrisch leitende Anteil der Struktur
des Fokusrings wie eine Erweiterung der Elektrode, die sich im Kontakt
zum elektrostatischen Chuck befindet, und verändert dadurch den Potentialverlauf
im Inneren der Fokusrings. Diese Ausgestaltung weist eine kleinere
Potentialdifferenz zwischen Fokusringoberfläche und Wafer auf als ein Fokusring
nach dem Stand der Technik.
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Eine
besonders bevorzugte Ausgestaltung sieht ebenfalls vor, dass der
Fokusring einen Vorsprung unter den Waferüberhang aufweist. Der elektrisch
leitende Anteil der Struktur hat in dieser Ausführungsform eine L-förmige Schnittfläche. Die
Struktur verläuft
ein Stück
weit längs
der einen Vorsprung unter den Waferüberhang aufweisenden und zum Wafer
parallelen Seite des Fokusrings. Die Struktur weist des weiteren
einen Knick von dieser Seite des Fokusrings weg in sein Inneres
auf. Dabei befindet sich zwischen dem Wafer und jedem Teilstück der Struktur
noch ein dielektrisches Teilstück
des Fokusrings. Hier wirkt die Struktur des Fokusrings wie eine L-förmige Erweiterung
der Elektrode, die sich im Kontakt zum elektrostatischen Chuck befindet,
und beeinflusst den Potentialverlauf im Fokusring. Diese Ausgestaltung
weist eine deutlich geringere Potentialdifferenz zwischen Fokusringoberfläche und
Wafer auf als ein Fokusring nach dem Stand der Technik.
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In
einer Ausgestaltungsform, in der die Struktur beispielsweise wie
oben beschrieben zumindest teilweise auf der Unterseite der zum
Wafer parallelen Seite des dielektrischen Fokusrings angeordnet
ist, ist auf der dem Wafer abgewandten Seite der Struktur der dielektrische
Fokusring weiter ausgebildet und somit ist die Struktur vom dielektrischen
Fokusring Sandwich-artig umschlossen. Dies kann beispielsweise so
ausgestaltet sein, dass in die zum Wafer parallele Seite des Fokusrings
eine Vertiefung gefräst
ist, in die eine Struktur aus beispielsweise leitendem Material
eingebracht ist. Ein weiteres dielektrisches Teilstück ist wiederum
auf der Struktur angebracht. Dadurch befindet sich die Struktur
selber zwischen zwei Teilstücken
des dielektrischen Fokusrings wie in einem Sandwich.
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Eine
Ausgestaltungsform sieht vor, dass die Struktur ganz im Inneren
des dielektrischen Fokusrings ausgebildet ist. Dadurch weist sie
keinen Kontakt zu einem anderen Bauteil ausser dem Fokusring selber
auf.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der
Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 Schematischer Schnitt
durch einen Ausschnitt einer Plasmaätzanlage nach dem Stand der
Technik;
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2 Schematischer Schnitt
durch einen Ausschnitt einer Plasmaätzanlage;
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3 Schematischer Schnitt
durch einen Ausschnitt einer weiteren Plasmaätzanlage;
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1a Diagramm der normierten
Potentialverteilung in der Region Fokusring/Wafer der Plasmaätzanlage
der 1;
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2a Diagramm der normierten
Potentialverteilung in der Region Fokusring/Wafer der Plasmaätzanlage
der 2;
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3a Diagramm der normierten
Potentialverteilung in der Region Fokusring/Wafer der Plasmaätzanlage
der 3; und
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4 Diagramm der Potentialunterschiede über einem
normierten Abstand für
die Ausgestaltungen der 1, 2 und 3 sowie eine typische Paschenkurve.
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In 1 ist schematisch ein Schnitt
durch den Rand einer drehsymmetrischen Lagerungsvorrichtung für einen
Wafer 2 in einer Plasmaätzanlage nach
dem Stand der Technik dargestellt.
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Der
Wafer 2 wird in einer Bearbeitungsposition von einem elektrostatischen
Chuck 3 gehalten, der sich in einer nicht näher dargestellten
weise mit einer Elektrode (auch genannt "Chuck") in elektrischem Kontakt befindet.
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Der
im wesentlichen runde Wafer 2 wird an seinem Umfang von
einem Fokusring 10 umgeben, der Plasma 5 von der
Elektrode fernhalten soll.
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Der Überhang 2a am
Rand des Wafers 2 steht etwas über den elektrostatischen Chuck 3 hinaus,
um den elektrostatischen Chuck 3 vor Beschädigungen
durch das Plasma 5 zu schützen. Dadurch entsteht ein
Freiraum zwischen dem Wafer 2, dem elektrostatischen Chuck 3 und
dem Fokusring 10. In diesen Freiraum unter dem Waferüberhang 2a greift ein
Vorsprung 10a des Fokusrings ein.
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Die
Elektrode ist mit einer hier nicht dargestellten Hochspannungsquelle
verbunden, um Leistung in das Plasma 5 einzukoppeln oder
um eine Bias-Spannung über
der den Wafer 2 haltenden Elektrode zu erzeugen.
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Der
Fokusring 10 deckt die Elektrode ab und verhindert, dass
metallische Teile der Elektrode geätzt werden und damit Partikel,
insbesondere metallische Partikel, die Plasmaätzkammer kontaminieren. Auch
dient der Fokusring 10 dazu, die Ätzrate zu homogenisieren, da
der Fokusring 10 für
einen gleichmäßigen Abschluss
von Wafer 2 und Elektrode zum Plasma 5 sorgt.
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Da
der Fokusring 10 aus einem Dielektrikum (beispielsweise
Quarz) besteht und über
ihn kaum Leistung in das Plasma 5 eingekoppelt wird, liegt
dort das sogenannte "floating" Potential an, welches üblicherweise
bei einigen zehn Volt liegt. Die Gleichspannungspotentialwerte des
Wafers 2 und der Elektrode bzw. des elektrostatischen Chucks 3 betragen mehrere
hundert Volt. Zwischen dem Fokusring 10 und dem Wafer 2 besteht
somit eine Potentialdifferenz, die so groß ist, dass es zu elektrischen
Durchschlägen
zwischen Wafer 2 und Fokusring 10 kommen kann.
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In 2 ist schematisch ein Schnitt
durch den Rand einer drehsymmetrischen Lagerungsvorrichtung für einen
Wafer 2 in einer Plasmaätzanlage dargestellt.
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Die
Plasmaätzanlage
der 2 ist genau wie
die bekannte Plasmaätzanlage
der 1 aufgebaut.
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Zusätzlich verläuft jedoch
auf der den Vorsprung 10a unter den Waferüberhang 2a aufweisende
und zum Wafer 2 parallele Seite 100 des Fokusrings eine
flächige
Struktur 11. Diese besteht aus einem elektrisch leitenden
Material, z.B. dotiertem Silizium. Die Struktur 11 verläuft drehsymmetrisch
entlang der gesamten Seite 100 bis an oder nahe an den elektrostatischen
Chuck 3. Dabei befindet sich zwischen dem Wafer 2 und
der Struktur 11 noch ein dielektrisches Teilstück des Fokusrings 10.
Die Struktur 11 des Fokusrings 10 wirkt wie eine
Erweiterung der Elektrode, die sich im Kontakt zum elektrostatischen Chuck 3 befindet.
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Durch
die leitende Struktur 11 wird die Potentialdifferenz zwischen
dem Wafer 2 und den dem Wafer 2 am nächsten liegenden
Stellen des Fokusrings 10 verkleinert und die Gefahr eines
elektrischen Durchschlags verringert.
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In 2a ist in einem Diagramm
eine Simulation für
den normierten Potentialverlauf in der Region Fokusring/Wafer der
Plasmaätzanlage
der 2 dargestellt. Schematisch
ist ein Schnitt durch einen Ausschnitt des Fokusrings 10 zu
erkennen, sowie durch den Waferüberhang 2a und
die Struktur 11, wie sie der Anordnung der 2 entsprechen.
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Die
mit –0.1
bis –0.9
bezeichneten Linien zeigen Äquipotentiallinien
des elektrischen Potentials. Hierbei liegt der Wafer 2 auf
einem Potential von –530
Volt (entsprechend einer nicht dargestellten Äquipotentiallinie –1), der
Fokusring 10 auf einem Potential von +45 Volt (entsprechend
einer nicht dargestellten Äquipotentiallinie
0) .
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Aus
dem Diagramm ist ersichtlich, dass der dem Waferüberhang 2a am nächsten gelegene
Rand des Fokusrings 10 auf einem Potential von weniger als –415 Volt
(entsprechend der Äquipotentiallinie –0.8) liegt,
was einer Potentialdifferenz zwischen Waferüberhang 2a und Fokusring 10 von
etwa 115 Volt entspricht.
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Die
Größe dieser
Potentialdifferenz ist ausschlaggebend für die Wahrscheinlichkeit eines
elektrischen Überschlags
zwischen Wafer 2 und Fokusring 10.
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Vergleicht
man die im Diagramm der 1a dargestellte
Simulation für
den normierten Potentialverlauf in der Region Fokusring/Wafer der
Plasmaätzanlage
der 1 nach dem Stand
der Technik, so fällt
zunächst
auf, dass der schematische Schnitt durch einen Ausschnitt des Fokusrings 10,
sowie durch den Waferüberhang 2a der
Anordnung der 2 entsprechen.
Nach dem Stand der Technik weist der Fokusring keine Struktur auf.
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Hier
liegt nun der Waferrand auf der Äquipotentiallinie –0.7 (also
etwa –358
Volt), was einer Potentialdifferenz zwischen Waferüberhang 2a und
Fokusring 10 von etwa 172 Volt entspricht und somit deutlich
größer ist
als die Potentialdifferenz in 2a.
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In 3 ist schematisch ein Schnitt
durch den Rand einer drehsymmetrischen Lagerungsvorrichtung für einen
Wafer 2 in einer anderen Plasmaätzanlage dargestellt.
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Bei
dieser Plasmaätzanlage
hat die Struktur 11 eine L-förmige Schnittfläche. Die
Struktur 11 verläuft
ein Stück
weit längs
der den Vorsprung 10a unter den Waferüberhang 2a aufweisenden
und zum Wafer 2 parallelen Seite 100 des Fokusrings 10 bis an oder
nahe an den elektrostatischen Chuck 3. Die Struktur 11 weist
des weiteren einen rechtwinkligen Knick von dieser Seite 100 weg
in das Innere des Fokusrings 10 auf.
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Dabei
befindet sich zwischen dem Wafer und jedem Teil der Struktur noch
ein dielektrisches Teilstück
des Fokusrings 10. Auch in diesem Ausführungsbeispiel wirkt die Struktur 11 des
Fokusrings 10 wie eine Erweiterung der Elektrode, die sich
im Kontakt zum elektrostatischen Chuck 3 befindet.
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Diese
Ausgestaltungsform ist besonders bevorzugt. Ihr Potentialverlauf
wird in 3a gezeigt.
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In 3a ist in einem Diagramm
eine Simulation für
den normierten Potentialverlauf in der Region Fokusring/Wafer der
Plasmaätzanlage
der 3 dargestellt. Schematisch
ist ein Schnitt durch einen Ausschnitt des Fokusrings 10 zu
erkennen, sowie durch den Waferüberhang 2a und
die Struktur 11, wie sie der Anordnung der 3 entsprechen.
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Aus
dem Diagramm ist ersichtlich, dass der dem Waferüberhang 2a am nächsten gelegene
Rand des Fokusrings 10 auf einem Potential von etwa –473 Volt
(entsprechend der Äquipotentiallinie –0.9) liegt, was
einer Potentialdifferenz zwischen Waferüberhang 2a und Fokusring 10 von
etwa 57 Volt entspricht.
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Dies
resultiert in einer erniedrigten Wahrscheinlichkeit eines elektrischen
Durchschlags im Vergleich zum Stand der Technik (1 bzw. 1a)
aber auch zu dem Ausführungsbeispiel
aus 2 bzw. 2a.
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4 zeigt in einem Diagramm
die Potentialunterschiede ΔU
zwischen Waferkante und Fokusring für die verschiedenen Ausgestaltungen
der 1, 2 und 3 über einem
normierten Abstand pd. Hierbei steht pd für das Produkt aus Druck p und
Abstand d von Waferkante zu Fokusring.
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Für dieses
Diagramm wurde der Potentialverlauf in einem dielektrischen Fokusring
aus Quarz simuliert. Als typischer Wert für den Druck p in einer Plasmaätzanlage
wurde 200mTorr verwendet.
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Zusätzlich wurde
in das Diagramm der 4 ein
typische sog. Paschenkurve PK eingezeichnet, den die zum elektrischen
Durchbruch nötige
Potentialdifferenz ΔU
zwischen Waferkante und Fokusring angibt. Verläuft die Kurve der Potentialunterschiede oberhalb
der Paschenkurve PK, so ergibt sich eine erhöhte Durchbruchwahrscheinlichkeit.
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Für einen
kleinen normierten Abstand pd unter 0.2 cm Torr liegen die Potentialdifferenzen
aller drei Fokusringe unterhalb der Paschenkurve, was einer niedrigen
Wahrscheinlichkeit eines elektrischen Durchbruchs entspricht. Sowohl
die Kurve der simulierten Potentialdifferenz nach einem Fokusring
der 1 PD1 als auch die
nach einem Fokusring der 2 PD2
verlaufen ab einem normierten Abstand pd von etwa 0.2 cm Torr oberhalb
der Paschenkurve PK, weisen also ab einem Abstand zwischen Waferkante
und Fokusring von 10 mm ein erhöhten
Risiko eines elektrischen Durchbruchs auf. Dabei zeigt die Kurve
PD2 noch bei einem minimal größeren Abstand
zwischen Waferkante und Fokusring eine niedrige Durchbruchswahrscheinlichkeit
und somit ein gegenüber
dem Stand der Technik PD1 minimal verbessertes Verhalten.
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Andererseits
verläuft
die Kurve der simulierten Potentialdifferenz nach einem Fokusring
der 3 PD3 erst ab einem
normierten Abstand pd von etwa 0.3 cm Torr oberhalb der Paschenkurve
PK und zeigt damit auch für
Abstände
zwischen Waferkante und Fokusring von etwa 15 mm ein niedriges Risiko für elektrische
Durchbrüche.
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- 2
- Wafer
- 2a
- Überhang
des Wafers
- 3
- elektrostatischer
Chuck
- 5
- Plasma
- 10
- Fokusring
- 10a
- Vorsprung
- 100
- die
eine Vorsprung 10a unter den Waferüberhang 2a aufweisende und
zum Wafer 2 parallele Seite des Fokusrings 10
- 11
- Struktur
- –0.1 bis –0.9
- Äquipotentiallinien
- ΔU
- Potentialdifferenz
- pd
- normierter
Abstand
- PK
- Paschenkurve
- PD1
- Potentialdifferenz
bei einem Fokusring nach 1
- PD2
- Potentialdifferenz
bei einem Fokusring nach 2
- PD3
- Potentialdifferenz
bei einem Fokusring nach 3