DE19548657A1

DE19548657A1 - Large surface plasma generator, using inductive HF coupling

Info

Publication number: DE19548657A1
Application number: DE1995148657
Authority: DE
Inventors: Friedhelm Dr Heinrich; Ulrich Baenziger
Original assignee: PLASMA ANALYTICS SYSTEMS DR FR
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1995-12-17
Filing date: 1995-12-17
Publication date: 1997-06-19
Anticipated expiration: 2015-12-18
Also published as: DE19548657C2

Abstract

The inductive, HF coupling is linked via an antenna, consisting of several, parallel, short circuit lines of any arbitrary geometry, with individual branches coupled together in a star-shaped configuration. The HF energising uses a single HF transmitter and an adaptor with a single output. Preferably several or all short circuit lines are led to an earthing point, the short circuit lines may consists of several, parallel, linear conductors, interconnected on the HF side and led to adaptor output.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Plasmaerzeugung basierend auf einer induktiv gekoppelten Hochfrequenzanregung.The invention relates to a device for plasma generation based on a inductively coupled high-frequency excitation.

Für die Erzeugung von Plasmen stehen prinzipiell eine Reihe unterschiedlicher Methoden zur Verfügung: Neben Mikrowellenanregung - wie z. B. Elektron-Zyklotron-Resonanz (ECR) - sind die in der Oberflächenbearbeitung (Ätzen, Beschichten, etc.) am häufigsten verwendeten Methoden die "kapazitive und die "induktive" Hochfrequenzeinkopplung.In principle, there are a number of different methods for generating plasmas available: In addition to microwave excitation - such as B. Electron Cyclotron Resonance (ECR) - are the most common in surface processing (etching, coating, etc.) methods used "capacitive and" inductive "radio frequency coupling.

Grundsätzlich haben induktive Verfahren gegenüber kapazitiven Verfahren den Vorteil, daß eine effektivere Leistungseinkopplung möglich ist und damit bei gleicher Leistung höhere Plasmadichten, d. h. höhere Ionen- und Elektronendichten erzielt werden können. Ein weiterer Vorteil der induktiven Einkopplung besteht darin, daß die resultierenden Plasmapotentiale - d. h. die maximalen Ionenbombardementenergien auf die dem Plasma ausgesetzten Flächen (Wände und zu bearbeitende Substrate) und damit deren Schädigung vergleichsweise gering sind. Durch ein zusätzliches "Biasing" der Substratelektrode (Anlegen einer Gleich- oder HF-Spannung) kann die kinetische Energie mit der die Ionen die Elektrode treffen gezielt beeinflußt werden. Für eine Übersicht über induktive Plasmaerzeugung siehe Referenz 1.Basically, inductive processes have the advantage over capacitive processes that a more effective power coupling is possible and therefore higher with the same power Plasma densities, d. H. higher ion and electron densities can be achieved. On Another advantage of inductive coupling is that the resultant Plasma potentials - d. H. the maximum ion bombardment energies on that of the plasma exposed surfaces (walls and substrates to be processed) and thus their damage are comparatively small. By additional "biasing" of the substrate electrode (Applying a DC or RF voltage) can be the kinetic energy with which the ions the electrode hit can be influenced in a targeted manner. For an overview of inductive For plasma generation see reference 1.

Ein Problem - das allen unterschiedlichen Antennenkonfigurationen zur induktiven Plasmaerzeugung gemeinsam ist - besteht darin, daß aufgrund der endlichen Induktivitäten die elektrischen Spannungsabfälle auf den Antennenleitungen nicht null sind und damit immer auch ein gewisser Teil der ins Plasma eingekoppelten Leistung auf kapazitiver Anregung basiert. Um diesen unerwünschten kapazitiven Anteil, der die Plasmapotentiale heraufsetzt, klein zu halten, kann man zum Beispiel Schlitzblenden verwenden, die die elektrischen Felder kurzschließen (sogenanntes "Faraday shielding"/1,2/). Dies ist allerdings mit einem nicht unerheblichen zusätzlichen technischen Aufwand verbunden, der zudem den Wirkungsgrad herabsetzt.One problem - that of all different antenna configurations for inductive Plasma generation is common - is that due to the finite inductance the electrical voltage drops on the antenna lines are not zero and therefore a certain part of the power coupled into the plasma is always capacitive Suggestion based. To this undesirable capacitive portion, which the plasma potentials For example, you can use slit diaphragms that keep the Short-circuit electrical fields (so-called "Faraday shielding" / 1,2 /). However, this is with a not inconsiderable additional technical effort, which also reduces efficiency.

Die bisher verwendeten Antennen zur induktiven Plasmaerzeugung benutzen Induktionsschleifen mit kreis- bzw. spiralförmigen Geometrien. Ein Nachteil der bisher verwendeten Antennen besteht darin, daß eine Anpassung an beliebige Geometrien der Plasmaanlagen nicht einfach zu bewerkstelligen ist. Insbesondere ist eine flächenhafte Plasmaerzeugung, d. h. eine Plasmaerzeugung mit guter Homogenität über große Flächen so nicht zu erreichen, ohne die Leitungslängen und damit die Induktivität der Antennen auf inaktzeptable Werte zu erhöhen.Use the antennas previously used for inductive plasma generation Induction loops with circular or spiral geometries. A disadvantage of so far Antennas used is that an adaptation to any geometry of the Plasma systems are not easy to do. In particular, is an areal Plasma generation, d. H. plasma generation with good homogeneity over large areas cannot be achieved without the cable lengths and thus the inductance of the antennas increase unacceptable values.

Eine mögliche Antennenform mit kleiner Induktivität wurde in Ref. 3 vorgeschlagen. Die in Ref. 3 vorgeschlagene Lösung - ein kreisförmiger Ring, der einen Quarzzylinder (die Plasmaquelle) umschließt hat aber den Nachteil, daß sie nicht beliebig hochskalierbar ist und deshalb für eine großflächige Plasmaerzeugung wie z. B. bei der Herstellung flacher Bildschirme nicht einsetzbar ist. Es wurde deshalb vorgeschlagen mehrere solcher Plasmaquellen simultan zu betreiben, das heißt, die Quellen auf einer gemeinsamen Prozeßkammer, der das zu bearbeitende Substrat enthält derart zu montieren, daß ein möglichst gleichmäßiges Plasma auf Substratebene resultiert /3/. Eine Hochskalierung wäre dann durch die Erhöhung der Anzahl der Plasmaquellen möglich. Aber auch hier ist der erreichbare Grad der Anpassung an beliebige Geometrien und Größen der Plasmaanlagen sehr begrenzt, da die Plasmaerzeugung selbst nicht wirklich flächenhaft ist. Wie in Ref. 3 beschrieben wird, kann zwar eine gewisse Homogenisierung des Plasmas durch Diffusionsvorgänge in der Plasmakammer erreicht werden wenn die Substratebene einen ausreichendem Abstand von den Quellenöffnungen besitzt. Bei kleinen Abständen sind die Produktionszentren - nämlich die Quellen selbst - jedoch klar auszumachen. Dies demonstrieren die in Ref. 3 vorgestellten ortsaufgelösten Messungen der Plasmadichten die bei geringen Abständen von der Quelle eine Überhöhung der Plasmadichten in Quellennähe anzeigen.A possible antenna shape with a small inductance was suggested in Ref. 3. In the Ref. 3 proposed solution - a circular ring containing a quartz cylinder (the However, the plasma source) has the disadvantage that it cannot be scaled up as desired and therefore for large-area plasma generation such. B. flatter in the manufacture Screens cannot be used. Therefore, several such have been proposed To operate plasma sources simultaneously, that is, the sources on a common Process chamber that contains the substrate to be processed in such a way that a plasma as uniform as possible results at substrate level / 3 /. Upscaling would be then possible by increasing the number of plasma sources. But here's the one too achievable degree of adaptation to any geometry and size of the plasma systems very limited, since the plasma generation itself is not really extensive. As in Ref. 3 is described, a certain homogenization of the plasma can Diffusion processes in the plasma chamber can be achieved when the substrate level is one has a sufficient distance from the source openings. At small distances they are However, production centers - namely the sources themselves - can be clearly identified. This 3 demonstrate the spatially resolved measurements of the plasma densities at short distances from the source, an increase in the plasma densities near the source Show.

Das im folgenden dargelegte erfindungsgemäße Prinzip hat den Vorteil, daß daraus resultierende spezielle Antennenformen - unter Beibehaltung niedriger Induktivität - auf wesentlich einfachere Art eine nahezu beliebige Hochskalierung von Plasmaanlagen zulassen, wobei trotz der Parallelschaltung mehrerer Einzelantennen das Anpaßnetzwerk mit nur einem Ausgang auskommt (Das in Ref. 3 zu verwendende Anpaßnetzwerk besitzt entsprechend der Anzahl der parallelgeschalteten Einzelplasmaquellen 4 Ausgänge). Das Grundprinzip der Anordnung ist in Abb. 1 dargestellt.The principle according to the invention set out below has the advantage that the resulting special antenna shapes - while maintaining low inductance - permit an almost arbitrary upscaling of plasma systems in a much simpler manner, although the matching network manages with only one output despite the parallel connection of several individual antennas (The in Ref 3 adapter network to be used has 4 outputs according to the number of individual plasma sources connected in parallel). The basic principle of the arrangement is shown in Fig. 1.

Die Antenne besteht aus einem Ensemble von zentral gespeisten sternförmig angeordneten Kurzschlußleitungen. Die Gesamtinduktivität L_ges eines solchen Ensembles ergibt sich bei n Zweigen aus der Beziehung L_ges ^-1 = L_i ^-1 + L₂^-1 + . . . L_n ^-1 wobei L_i die Induktivität einer einzelnen Kurzschlußleitung bezeichnet; d. h. die Gesamtinduktivität sinkt - bei unveränderter Länge der einzelnen Zweige mit steigender Anzahl der Kurzschlußleitungen. Im Gegensatz zu bekannten herkömmlichen Anordnungen, bei denen bisher immer Induktionsschleifen mit spiralförmigen bzw. kreisförmigen Geometrien verwendet wurden, lassen die in dieser Patentanmeldung beschriebenen Antennenformen auch Einzelzweige (Kurzschlußleitungen) mit anderen Geometrien zu, die auf die entsprechende Geometrie einer Plasmaanlage zugeschnitten werden kann; dabei kann eine perfekte Symmetrie bzgl. der Höhe der in den Einzelleitungen fließenden HF-Ströme erreicht werden.The antenna consists of an ensemble of centrally fed short-circuit lines arranged in a star shape. The total inductance L _tot of such an ensemble results for n branches from the relationship L _tot ^-1 = L _i ^-1 + L₂ ^-1 +. . . L _n ^-1 where L _i denotes the inductance of a single short-circuit line; ie the total inductance decreases - with unchanged length of the individual branches with increasing number of short-circuit lines. In contrast to known conventional arrangements, in which so far induction loops with spiral or circular geometries have always been used, the antenna forms described in this patent application also allow individual branches (short-circuit lines) with other geometries, which can be tailored to the corresponding geometry of a plasma system; perfect symmetry with regard to the level of the HF currents flowing in the individual lines can be achieved.

Diese Art der Anordnung ist insbesondere ein Vorteil bei Anwendungen, bei denen es darauf ankommt einen möglichst großflächigen und homogenen Plasmaerzeugungsbereich zu haben. Eine leicht modifizierte Variante des in Abb. 1 dargestellten Antennenprinzips, ist in Abb. 2 gezeigt, sie demonstriert den Vorteil dieser Art der Plasmaerzeugung. Die Antenne besteht aus 4 Zweigen, von denen jeweils 2 Zweige auf einen gemeinsamen Masseanschluß geführt werden. Durch eine entsprechende geometrische Ausformung der einzelnen Zweige kann sie an nahezu jede beliebige Reaktorgeometrie angepaßt werden. Insbesondere ist es so möglich auch bei rechteckigen Geometrien, wie sie z. B. in der Flat Panel Display Technik eine Rolle spielen /4/ einen weitgehend homogenen Plasmaerzeugungsbereich herzustellen. Ein Vergleich mit der in Ref. 3 vorgeschlagenen Lösung zeigt, daß bei etwa gleicher Gesamtinduktivität eine wesentlich größere Fläche für die Plasmaerzeugung ausgenutzt wird, was gleichmäßigere Plasmadichten erwarten läßt. Auf der anderen Seite sind die Zuleitungsverluste kleiner und damit die Effektivität der Leistungseinkopplung größer als bei der in Ref. 3 vorgeschlagenen Lösung.This type of arrangement is particularly advantageous in applications in which it is important to have the largest possible, homogeneous plasma generation area. A slightly modified variant of the antenna principle shown in Fig. 1 is shown in Fig. 2, it demonstrates the advantage of this type of plasma generation. The antenna consists of 4 branches, of which 2 branches are led to a common ground connection. By means of an appropriate geometric shape of the individual branches, it can be adapted to almost any reactor geometry. In particular, it is also possible with rectangular geometries such as z. B. play a role in flat panel display technology / 4 / to produce a largely homogeneous plasma generation area. A comparison with the solution proposed in Ref. 3 shows that, with approximately the same total inductance, a much larger area is used for the plasma generation, which means that more uniform plasma densities can be expected. On the other hand, the supply losses are smaller and thus the effectiveness of the power coupling is greater than with the solution proposed in Ref. 3.

Abb. 3 zeigt einen Schnitt durch einen möglichen Plasmareaktor bei der die Antenne sich in der Plasmakammer befindet. Die HF-Durchführung befindet sich hier in der Mitte der oberen Kammerwand. Die Masseverbindung kann einfach durch einen elektrischen Kontakt mit der Wand hergestellt werden. Prinzipiell ist es auch vorstellbar, die obere Kammerwand oder Teile davon als dielektrische Platte auszuführen und die Antenne darauf zu legen, so daß sie nicht mit dem Plasma in Berührung steht. Die Antenne kann auch mit einem dielektrischen Material beschichtet sein oder in ein Dielektrikum (z. B. Quarz oder Keramik) eingehüllt sein. Fig. 3 shows a section through a possible plasma reactor in which the antenna is located in the plasma chamber. The HF feedthrough is located in the middle of the upper chamber wall. The ground connection can be made simply by electrical contact with the wall. In principle, it is also conceivable to design the upper chamber wall or parts thereof as a dielectric plate and to place the antenna on it so that it is not in contact with the plasma. The antenna can also be coated with a dielectric material or encased in a dielectric (e.g. quartz or ceramic).

Weitere Varianten des in Abb. 1 dargestellten Grundprinzips - vorzugsweise bei zylindrischen Geometrien zu verwenden - sind in den Abb. 4-7 dargestellt. Eine leichte Variation dieses Prinzips zeigen die Abb. 8-10.Further variants of the basic principle shown in Fig. 1 - preferably to be used with cylindrical geometries - are shown in Fig. 4-7. Fig. 8-10 shows a slight variation of this principle.

Da der Plasmaproduktionsbereich wesentlich homogener ist, als bei der in Ref. 3 beschriebenen Anordnung, kann das zu bearbeitende Substrat sehr nahe an die Antenne gebracht werden, was gegenüber der in Ref. 3 beschriebenen Anlage zu einer deutlich reduzierten Bauhöhe der Plasmaanlage führt. Durch die damit verbundene Reduktion der dem Plasma ausgesetzten Verlustoberflächen (Wände) wird der Wirkungsgrad dieser Antennenform nochmals erhöht.Since the plasma production area is much more homogeneous than that in Ref. 3 described arrangement, the substrate to be processed can be very close to the antenna brought, which compared to the system described in Ref. 3 to a clear reduced height of the plasma system leads. The associated reduction in the loss surfaces (walls) exposed to the plasma become the efficiency of these Antenna shape increased again.

Ein anderer aus der Literatur bekannter Ansatz benutzt eine flache Induktionsspule, die durch eine dielektrische Wand von der Prozeßkammer getrennt ist, zur Plasmaerzeugung /5/. Eine Hochskalierung müßte bei dieser Technik durch eine Erhöhung der Anzahl der Spulenwindungen erfolgen. Dies hat den Nachteil, daß die Gesamtleitungslänge und damit die Induktivität sehr groß wird, was mit einer sehr starken kapazitiven Komponente der Einkopplung einhergeht. Dieser Effekt einer hohen kapazitiven Einkoppelkomponente und damit verbundene Effekte für die Oberflächenbearbeitung wurde zum Beispiel in Ref. 6 beschrieben.Another approach known from the literature uses a flat induction coil, the is separated from the process chamber by a dielectric wall, for plasma generation / 5 /. Upscaling would have to be done with this technique by increasing the number of Coil turns are made. This has the disadvantage that the total line length and therefore the inductance becomes very large, which with a very strong capacitive component of the Coupling goes hand in hand. This effect of a high capacitive coupling component and related effects for surface processing was described for example in Ref. 6 described.

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß die vorliegende Erfindung es ermöglicht, auf einfache Weise ein homogenes induktiv angeregtes Plasma über große Flächen zu erzeugen wobei die Gesamtinduktivität und damit die kapazitive Komponente der Hochfrequenzeinkopplung klein gehalten werden kann. Dabei ist es nicht von Bedeutung ob die Antenne direkt mit dem Plasmabereich in Berührung ist oder über eine dielektrische Wand (z. B. Quarz oder Keramik) vom Plasma getrennt ist. Auch eine Einhüllung der Antenne in ein dielektrisches Medium (z. B. Quarzummantelung) ist möglich.In summary it can be said that the present invention makes it possible to easily generate a homogeneous inductively excited plasma over large areas the total inductance and thus the capacitive component of the High frequency coupling can be kept small. It doesn't matter whether the antenna is in direct contact with the plasma area or via a dielectric Wall (e.g. quartz or ceramic) is separated from the plasma. Also an encapsulation of the Antenna in a dielectric medium (e.g. quartz coating) is possible.

Im Unterschied zu den aus der Literatur bekannten Antennenformen, läßt das hier vorgeschlagene Prinzip zur Plasmaerzeugung eine nahezu beliebige Hochskalierung der Plasmaanlagen zu.In contrast to the antenna forms known from the literature, this leaves here proposed principle for plasma generation almost any scaling up Plasma systems too.

Bei den Abb. 1-10 ist vorausgesetzt, daß die Hochfrequenz der Antenne in der Regel über ein Anpaßnetzwerk zugeführt wird auch wenn das Anpaßnetzwerk nicht explizit dargestellt ist. In Fig. 1-10 it is assumed that the radio frequency of the antenna is usually supplied via a matching network, even if the matching network is not explicitly shown.

credentials

1 J. Hopwood, Review of induktively coupled plasmas for plasma processing, Plasma Sources Sci. Technol. 1, 109 (1992)
2 Comparison of electrostatic shielded and unshielded inductively coupled plasma sources, Wayne L. Johnson, Prototech Research, Inc., presented to: Plasma etch users group, a working subgroup of the nothern chapter of the American Vacuum Society, April 9, 1992
3 Vorrichtung zur Plasmaerzeugung, Patenteinreichung der Fraunhofer Gesellschaft, Nr. 93/30522-ISIT
4 F. Heinrich, U. Bänziger, A. Jentzsch, G. Neumann, C. Huth, Novel high density plasma tool for Iarge area flat panel display etching, Proceedings of the Eighth International Vacuum Microelectronics Conference, IVMC "95" Portland, Oregon (USA), July 30 - August 3, 1995
5 John S. Ogle, United States Patent Nr. 4 948 458, August 14, 1990
6 G. S. Oehrlein, N. R. Rüger, M. Schaepkens, J.J. Beulens, M. Doemling, and J. Mirza, Mechanistic studies of SiO2 etching in high density plasmas, Supplement a la Revue "LE Vide": science, technique et applications No. 275, 187 (1995)1 J. Hopwood, Review of induktively coupled plasmas for plasma processing, Plasma Sources Sci. Technol. 1, 109 (1992)
2 Comparison of electrostatic shielded and unshielded inductively coupled plasma sources, Wayne L. Johnson, Prototech Research, Inc., presented to: Plasma etch users group, a working subgroup of the nothern chapter of the American Vacuum Society, April 9, 1992
3 Device for plasma generation, patent application of the Fraunhofer Society, No. 93/30522-ISIT
4 F. Heinrich, U. Bänziger, A. Jentzsch, G. Neumann, C. Huth, Novel high density plasma tool for Iarge area flat panel display etching, Proceedings of the Eighth International Vacuum Microelectronics Conference, IVMC "95" Portland, Oregon (USA), July 30-August 3, 1995
5 John S. Ogle, United States Patent No. 4,948,458, August 14, 1990
6 GS Oehrlein, NR Rüger, M. Schaepkens, JJ Beulens, M. Doemling, and J. Mirza, Mechanistic studies of SiO2 etching in high density plasmas, Supplement a la Revue "LE Vide": science, technique et applications No. 275, 187 (1995)

Claims

1. Device for large-area plasma generation by an inductive high-frequency coupling via an antenna, characterized in that the antenna consists of several short-circuit lines of any geometry connected in parallel, the individual branches being connected together in an arrangement which in the broadest sense can be described as star-shaped. Only one HF transmitter and a matching network with only one output are required for HF control ( Fig. 1, 4-7).

2. Device according to claim 1, characterized in that several or all short-circuit lines are led to a ground point ( Fig. 2).

3. Device according to claim 1, characterized in that the individual short-circuit branches of the antenna from several parallel linear conductors exist, all of which are electrically connected to one another on the HF side and are led to an output of a matching network.

4. The device according to claim 3, characterized in that the individual antenna branches of number n each have a separate output of a matching network, i.e. the matching network has n outputs, or that the individual conductors are each led to their own matching network, i.e. n Matching networks are required.

5. The device according to claim 3, characterized in that not all lines be electrically connected together before being routed to the adapter network are, but only a certain number of individual lines connected in parallel z. B. with 4 individual conductors each z. B. only two are electrically connected to each other, and the this results in parallel branches (here 2) each on one output of the matching network (that in this case has 2 outputs) or each with its own matching network be performed.

6. Device according to claims 1-5, several antennas connected in parallel for plasma generation are used, each of which is also operated with its own RF transmitter (z. B. Fig. 8, 9).

7. The method according to claims 1-6, characterized in that the line surfaces of the antennas are directly connected to the plasma.

8. The method according to claim 1-6, characterized in that the line surfaces of the antennas have a dielectric coating or in a dielectric are encased.

9. The method according to claim 1-6, characterized in that the antennas are separated from the plasma chamber by a dielectric plate.

10. Device according to claims 1-9, characterized in that the substrate electrode is acted upon by an additional direct or alternating voltage ( Figs. 3 and 5).

11. The device according to claims 1-10, characterized in that the walls of the Plasma system can be provided with magnets (permanent magnets or coils).