DE19756774A1 - Mikrowellenplasmaquelle - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einer Mikrowellenplasmaquelle mit einer in einer Vakuumkammer mit wenigstens einer Zu­ gangsöffnung angeordneten Plasmakammer mit wenigstens einer nichtmetallischen Wandung, der ein Prozeßgas dosiert zu­ führbar ist und in welcher ein Mikrowellenfeld geeigneter Frequenz sowie ggf. ein Magnetfeld bestimmter Intensität erzeugbar sind.

Derartige Plasmaquellen werden beispielsweise im Bereich der Dünnschichttechnologie dazu verwendet, während der Er­ zeugung von Halbleiterschichten diese mit Fremdteilchen zu bestrahlen. Weitere Anwendungsbeispiele sind das Sputtern, Probenreinigen oder reaktive Ionenätzen. Zur Optimierung der Ionenausbeute ist man bestrebt, in der Plasmakammer ei­ nen Resonanzzustand (ECR-Electron-Cyclotron-Resonance) zu erzeugen, in welchem die durch das Plasma erzeugten Elek­ tronen infolge des Magnetfeldes sich schnell auf Spiralbah­ nen bewegen und dadurch in der Lage sind, weitere Atome zu ionisieren. Bei der üblichen Industriefrequenz von 2,45 GHz stellen sich die Resonanzbedingungen bei einem Magnetfeld mit einer Dichte von ungefähr 86 mT ein. Unter bestimmten Druckbedingungen kann das Plasma auch ohne Magnetbedingun­ gen erzeugt werden.

Aufgrund der durch das Plasma entstehenden hohen Temperatu­ ren muß der die Plasmakammer bildende Körper aus einem hochtemperaturbeständigen Material bestehen, wie z. B. Quarzglas. Metallische Werkstoffe können deshalb als Wan­ dungen nicht eingesetzt werden, weil sie die eingestrahlten Mikrowellen abschirmen würden.

Die wenigstens zum Teil nichtmetallische Plasmakammer bil­ det bei den bisher bekannten Plasmaionenquellen auch gleichzeitig eine Trennstelle zwischen dem in der Plasma­ kammer selbst erforderlichen Vakuum und dem auf der Rück­ seite der meist aus Quarzglas bestehenden Plasmakammer vor­ herrschenden Umgebungsdruck (siehe z. B. US-PS 5,571,577 und US-PS 4,866,346). Da die Flanschteile im Bereich der Zu­ gangsöffnung zur Vakuumkammer aus Metall bestehen, ist es erforderlich, zwischen dem Quarzglaskörper und den metalli­ schen Flanschteilen eine Vakuumdichtung vorzusehen. Proble­ matisch ist dabei, daß es infolge der hohen Temperaturbela­ stung und der unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffizienten von Quarzglas und Metall zu hohen mechanischen Belastungen im Bereich der Vakuumdichtung kommen kann, die unter Um­ ständen zu einem schlagartigen Lufteinbruch in die Vakuum­ kammer führen können. Ein derartiger Lufteinbruch kann zum Zerstören der empfindlichen Vakuumpumpen führen. Die ein­ dringende Luft führt jedoch in jedem Fall zu einer Kontami­ nation des Innenraums der Vakuumkammer, der nach einem der­ artigen Schaden in einer langwierigen Prozedur gereinigt werden muß. Zudem reagieren einige Materialien, wie z. B. Tantal unter hoher thermischer Belastung, empfindlich auf den Kontakt mit Sauerstoffmolekülen.

Bei üblichen Lösungen sitzt ein Magnetron zum Erzeugen der Mikrowellen im Bereich der Zugangsöffnung zur Vakuumkammer, in deren Bereich auch die aus Quarzglas geformte Plasmakam­ mer angeordnet ist. Die US-PS 4,906,900 schlägt eine Lösung vor, bei welcher die Plasmakammer weiter in die Vakuumkam­ mer gerückt ist, leidet jedoch ebenfalls unter dem zuvor beschriebenen Problem, daß eine Vakuumdichtung zwischen dem Quarzglaskörper und einem metallischen Flanschteil vorgese­ hen sein muß.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Mikrowellen­ plasmaquelle zu schaffen, die über eine dauerhafte und be­ triebssichere Vakuumdichtung verfügt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der die Plasmakammer bildende Körper vollständig in der Vakuum­ kammer angeordnet ist und allseitig von im wesentlichen gleichen Druckverhältnissen umgeben ist und zwischen der Plasmakammer und der Abdichtung der Vakuumkammer zur Atmo­ sphäre ein räumlicher Abstand besteht.

Die Erzeugung des Mikrowellenfeldes kann mittels eines in der Vakuumkammer angeordneten Magnetrons erfolgen. Aus Handhabungsgründen werden die Mikrowellen jedoch vorzugs­ weise außerhalb der Vakuumkammer erzeugt und mittels eines durch die Zugangsöffnung verlaufenden Mikrowellenleiters der Plasmakammer zugeführt.

Der Hauptvorteil der Erfindung besteht darin, daß die Plas­ makammer nicht mehr die Trennstelle zwischen der Umgebung und dem Vakuum bildet und damit keine Vakuumdichtung zwi­ schen dem meist aus Quarzglas bestehenden Körper der Plas­ makammer und metallischen Teilen der Umhüllung erforderlich ist. Die eigentliche Abdichtung der Vakuumkammer zur Umge­ bung kann zwischen der Umhüllung des Mikrowellenleiters bzw. der Zuleitung des Magnetrons und der Wandung der Vaku­ umkammer erfolgen. Bei evakuierten Mikrowellenleitern ist eine weitere Vakuumdichtung an dem außerhalb der Vakuumkam­ mer liegenden Ende des Mikrowellenleiters erforderlich. Beide Dichtstellen liegen in erheblicher Entfernung zu der thermisch hochbelasteten Plasmakammer, so daß selbst dann keine besonders zu beachtende thermische Belastung der Va­ kuumdichtungen auftritt, wenn durch die erhitzte Plasmakam­ mer eine Wärmeeinleitung beispielsweise in die Umhüllung des Mikrowellenleiters erfolgen sollte.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der die Plasmakammer bildende, nichtmetallische Körper eine sehr einfache Form besitzen kann und nicht über besonders ausgebildete Dichtflächen oder eine teuer herzustellende, beispielsweise hartgelötete Quarzglas-/Metallübergangs­ stelle verfügen muß. Je nach Material des Koaxialleiters kann eine zusätzliche Kühlung der Plasmakammer sogar voll­ ständig entfallen, was bei den bisherigen Lösungen wegen der empfindlichen Dichtstellen nicht möglich war.

Schließlich ist es bei der vorgeschlagenen Mikrowellenplas­ maquelle ohne weiteres möglich, die Plasmakammer optimal in der Vakuumkammer zu positionieren, um sie beispielsweise näher an ein zu beschießendes Target zu bringen.

In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der die Plasmakammer bildende Körper an einem Ende ei­ nes durch die Öffnung in die Vakuumkammer reichenden Ko­ axialleiters angeordnet ist, dessen Raum zwischen seinem Mittelleiter und seiner metallischen Umhüllung evakuiert ist, wobei die Umhüllung vakuumdicht in der Zugangsöffnung sitzt und an dem der Plasmakammer gegenüberliegenden Ende des Koaxialleiters außerhalb der Vakuumkammer der Mittel­ leiter über eine Vakuumdichtung aus dem evakuierten Raum zu einer Einrichtung zum Einkoppeln von Mikrowellen geführt ist.

Als Alternative zu einem Koaxialleiter bietet sich ein Hohlwellenleiter an, der jedoch zur Übertragung von Mikro­ wellen ähnlicher Wellenlänge einen größeren Durchmesser als ein Koaxialleiter mit entsprechenden Übertragungseigen­ schaften haben muß. Bei kleinen Flanschdurchmessern im Be­ reich der Zugangsöffnung sind daher Koaxialleiter von Vor­ teil.

Vorzugsweise steht die Vakuumkammer mit dem evakuierten Raum des Koaxialleiters unmittelbar in Verbindung, da bei einer getrennten Evakuierung zusätzliche Vakuumpumpen er­ forderlich sind.

Um eine optimale Einstrahlung der Mikrowellen in die Plas­ makammer zu erreichen, ist bei einer bevorzugten Ausfüh­ rungsform der Erfindung vorgesehen, daß der Mittelleiter in der Vakuumkammer kürzer als seine Umhüllung ist und der schalenförmige, die Plasmakammer bildende Körper in der Um­ hüllung mit seinem nichtmetallischen Boden auf dem Mittel­ leiter oder in dessen Nähe angeordnet ist. Bei dieser An­ ordnung, die zugleich einen sicheren Sitz des Schalenkör­ pers am Ende des Koaxialleiters gewährleistet, erreicht man eine sehr gleichmäßige Verteilung der Feldstärke, der Mi­ krowellen in der Plasmakammer.

Vorzugsweise sind um die Plasmakammer Permanentmagneten oder Elektromagneten angeordnet, die ein Magnetfeld in der Plasmakammer erzeugen und in Verbindung mit den Mikrowellen die ECR-Bedingungen schaffen.

In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Koaxialleiter wenigstens im Bereich der Vakuumkammer doppelwandig ausgeführt ist, wobei der zwi­ schen den beiden Wandungen entstehende Raum an seinem Ende in der Vakuumkammer verschlossen ist und unter Atmosphären­ druck steht. Die Verbindung zwischen dem evakuierten Raum des Koaxialleiters und der Vakuumkammer kann dabei durch zwischen den Wandungen verlaufende, vakuumdichte Verbin­ dungskanäle hergestellt werden.

Durch die Doppelwandung wird ein unter Umgebungsdruck ste­ hender Raum geschaffen, der sich sehr gut als Zufuhrschacht eines Kühlmediums in den thermisch hochbelasteten Bereich der Plasmakammer eignet. Die ringförmige Kammer ermöglicht auch einen Austausch der Magneten um die Plasmakammer, ohne daß dazu wesentliche Umbaumaßnahmen durchgeführt werden müßten.

Zur Einkopplung der von einem Magnetron erzeugten Mikrowel­ len in den Mittelleiter ist vorzugsweise eine Koppelein­ richtung vorgesehen, die eine vorzugsweise zylindrische Kammer um den Mittelleiter mit fester oder variabler Länge aufweist. Eine variable Länge bietet den Vorteil, daß eine genaue Abstimmung der Kammerlänge auf die Mikrowellenfre­ quenz möglich ist.

Nachfolgend wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher auf ein Ausführungsbeispiel der Erfindung eingegangen. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze einer Vorrichtung zum Einleiten von Mikrowellen in eine Vakuumkammer;

Fig. 2 einen Schnitt des Koaxialleiters der Einrichtung nach Fig. 1 mit montierter Plasmakammer.

Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze einer Einrichtung 10 zum Einleiten von Mikrowellen in eine Vakuumkammer (nicht ge­ zeigt). Die von einem Mikrowellengenerator (Magnetron) 12 erzeugten Mikrowellen werden in einer zylindrischen Kammer 14 in einen stabförmigen Leiter 16 (siehe Fig. 2) eingekop­ pelt. Der Leiter 16 führt durch eine Hochspannungsvakuum­ durchführung 18 in einen Koaxialleiter 20, der im wesentli­ chen aus dem Mittelleiter 16 und einer metallischen Umhül­ lung 22 (siehe Fig. 2) besteht. Ein Vakuumflansch 24 bildet die Trennstelle zwischen der Umgebungsluft und der eigent­ lichen Vakuumkammer, wobei die Wandung der Vakuumkammer (nicht gezeigt) vakuumdicht mit dem Vakuumflansch 24 ver­ schraubt wird. An dem Vakuumflansch 24 besteht eine An­ schlußmöglichkeit 26 für verschiedene Zufuhrleitungen in die Vakuumkammer, auf die später näher eingegangen wird.

In der Vakuumkammer setzt sich der Koaxialleiter 20 doppel­ wandig fort, wobei der Raum zwischen den beiden Wandungen mit der Atmosphäre in Verbindung steht.

Fig. 2 verdeutlicht den näheren Aufbau des Koaxialleiters 20, der Hochspannungsvakuumdurchführung 18 und einer in der Vakuumkammer am Ende des Koaxialleiters 20 angeordneten Plasmakammer 28. Die Hochspannungsvakuumdurchführung 18 be­ steht im wesentlichen aus einem metallischen Flansch 30 und einem Isolator 32, der den Mittelleiter 16 gegenüber dem Flansch 30 vakuumdicht elektrisch isoliert. Der Koaxiallei­ ter 20 selbst besitzt im Bereich des Flansches 30 einen entsprechenden Befestigungsflansch 34, der eine vakuum­ dichte Verbindung zwischen der Umhüllung 22, einem Adapter 35 und dem Flansch 30 schafft. Ein seitlich an der Umhül­ lung 22 angeflanschter Anschluß 36 ermöglicht das An­ schließen einer Vakuumpumpe zum Evakuieren des Raumes 38 zwischen dem Mittelleiter 16 und der Umhüllung 22 des Ko­ axialleiters 20. Der Vakuumflansch 24 bildet die Grenze zwischen der Umgebung und dem evakuierten Raum der Vakuum­ kammer (nicht gezeigt). Die Versorgungskanäle durch den Va­ kuumflansch 24, die in erster Linie die Leitungen für das Zuführen des Quellengases in die Plasmakammer 28 betreffen, sind in Fig. 2 nicht dargestellt. Im Bereich der Vakuumkam­ mer verfügt der Koaxialleiter 20 über eine zweite Wandung 40, die die Umhüllung 22 konzentrisch umgibt. Der zwischen der Umhüllung 22 und der zweiten Wandung 40 bestehende Raum ist am Ende des Koaxialleiters zur Kammer hin verschlossen. Zwischen den Wandungen sind Verbindungskanäle 42 vorgese­ hen, die eine Verbindung zwischen der Vakuumkammer und dem evakuierten Raum 38 des Koaxialleiters 20 herstellen, so daß die Evakuierung über gemeinsame Vakuumpumpen beispiels­ weise über den Anschluß 36 erfolgen kann. Statt des An­ schlusses 36 kann die Evakuierung des Koaxialleiters auch über die Verbindungskanäle 42 durch eine unmittelbar aus der Vakuumkammer absaugende Vakuumpumpe erfolgen.

Der Mittelleiter 16 ist an dem in der Vakuumkammer liegen­ den Ende des Koaxialleiters 20 kürzer als die Umhüllung 22 ausgeführt. Der die Plasmakammer 28 bildende, schalenför­ mige Körper aus Quarzglas besitzt im wesentlichen einen dem Innendurchmesser der Umhüllung 22 entsprechenden Außen­ durchmesser und sitzt mit seinem Boden auf dem Ende des Mittelleiters 16. Zwischen der Umhüllung 22 und der zweiten Wandung 40 sind im Bereich der Plasmakammer 28 Permanent­ magneten 44 angeordnet, die ein Magnetfeld in der Plasma­ kammer 28 erzeugen. Die zur Vakuumkammer hin offene Seite der Plasmakammer 28 ist durch mehrere Lagen von Beschleuni­ gungsgittern 46 abgedeckt, die mit einer elektrischen Hoch­ spannung beaufschlagt werden und dadurch für eine Beschleu­ nigung der in der Plasmakammer 28 erzeugten Ionen sorgen.

Abschirmungen 48 verhindern ein Ablagern von Metallatomen, die beispielsweise bei der Herstellung von Metallschichten in der Vakuumkammer auftreten können, auf den Beschleuni­ gungsgittern 46, die ansonsten einen Kurzschluß erleiden könnten.

Gegebenenfalls kann durch den Raum zwischen der Umhüllung 22 und der zweiten Wandung 40 ein Kühlmedium zugeführt wer­ den, um den Bereich der Plasmakammer 28 zu kühlen und die Permanentmagneten 44 vor zu hoher thermischer Beanspruchung zu schützen. Auch ein Austausch der Permanentmagneten 44 ist durch diese Kammer möglich. Statt der Permanentmagneten 44 können auch Elektromagnete vorgesehen werden, deren elektrische Anschlüsse vorzugsweise zwischen der Umhüllung 22 und der zweiten Wandung 40 hindurchgeführt sind.

Die Erzeugung eines Plasmas in der Plasmakammer erfolgt in der nachstehend beschriebenen Art und Weise. Zunächst wer­ den die Vakuumkammer und der Raum 38 zwischen dem Mittel­ leiter 16 und der Umhüllung 22 des Koaxialleiters 20 evaku­ iert. Anschließend wird über eine nicht gezeigte Zuführein­ richtung eine genau dosierte Menge eine Quellengases, z. B. Sauerstoff oder ein Inertgas, der Plasmakammer 28 zuge­ führt. Anschließend werden in den Mittelleiter 16 des Ko­ axialleiters 20 Mikrowellen mit einer Frequenz von vorzugs­ weise 2,45 GHz in an sich bekannter Weise eingekoppelt. Am Ende des Koaxialleiters 20 bildet sich zwischen dem Ende des ein Hochpotential bildenden Mittelleiters 16 und der das Nullpotential darstellenden Umhüllung 22 ein elektro­ magnetisches Feld, das die Plasmakammer 28 durchflutet. Die hohe Energiedichte des Mikrowellenfeldes sorgt für eine Entstehung eines Plasmas in der Plasmakammer 28. Die Perma­ nentmagneten 44 sorgen dabei für eine ECR-Resonanz, die die Plasmaausbildung verstärkt und zur zusätzlichen Bildung von Ionen beiträgt. Die Ionen werden durch das Beschleunigungs­ gitter 46 beschleunigt und beispielsweise auf eine zu bear­ beitende Oberfläche gerichtet.

Der Quarzglaskörper der Plasmakammer 28 stellt ein Ver­ schleißteil dar, insbesondere weil sich beim Sputtern me­ tallischer Überzüge Metallatome auch auf dem Glaskörper ab­ setzen und mit der Zeit eine Abschirmung der Mikrowellen bewirken. Da der Quarzglaskörper bei dem beschriebenen Aus­ führungsbeispiel eine sehr einfache Form besitzt, läßt er sich sehr kostengünstig herstellen bzw. austauschen.

Claims (11)

1. Mikrowellenplasmaquelle mit einer in einer Vakuumkammer mit wenigstens einer Zugangsöffnung angeordneten Plas­ makammer (28) mit wenigstens einer nichtmetallischen Wandung, der ein Prozeßgas dosiert zuführbar ist und in welcher ein Mikrowellenfeld erzeugbar ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der die Plasmakammer (28) bildende Körper vollständig in der Vakuumkammer angeordnet ist und allseitig von im wesentlichen gleichen Druckver­ hältnissen umgeben ist und zwischen der Plasmakammer (28) und der Abdichtung der Vakuumkammer zur Atmosphäre ein räumlicher Abstand besteht.

2. Mikrowellenplasmaquelle nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in der Plasmakammer (28) ein Magnet­ feld erzeugbar ist.

3. Mikrowellenplasmaquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der die Plasmakammer (28) bildende Körper an einem Ende eines durch die Öffnung in die Va­ kuumkammer reichenden Koaxialleiters (20) angeordnet ist, dessen Raum (38) zwischen seinem Mittelleiter (16) und seiner metallischen Umhüllung (22) evakuiert ist, wobei die Umhüllung (22) vakuumdicht in der Zugangsöff­ nung der Vakuumkammer sitzt und an dem der Plasmakammer (28) gegenüberliegenden Ende des Koaxialleiters (22, 34) außerhalb der Vakuumkammer der Mittelleiter (16) über eine Vakuumdichtung (30, 32) aus dem evakuierten Raum (38) zu einer Einrichtung (14) zum Einkoppeln von Mikrowellen geführt ist.

4. Mikrowellenplasmaquelle nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Vakuumkammer mit dem evakuierten Raum (38) des Koaxialleiters (20) in Verbindung steht.

5. Mikrowellenplasmaquelle nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelleiter (16) in der Vaku­ umkammer kürzer als seine Umhüllung (22) ist und der schalenförmige, die Plasmakammer (28) bildende Körper in der Umhüllung (22) mit seinem nichtmetallischen Bo­ den auf dem Mittelleiter (16) oder in dessen Nähe ange­ ordnet ist.

6. Mikrowellenplasmaquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß um die Plasma­ kammer (28) Permanentmagneten oder Elektromagneten an­ geordnet sind, die ein Magnetfeld in der Plasmakammer (28) erzeugen.

7. Mikrowellenplasmaquelle nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Koaxialleiter (16) wenigstens im Bereich der Vakuumkammer doppelwandig ausgeführt ist, wobei der zwischen den beiden Wandungen (22, 40) entstehende Raum an seinem Ende in der Vakuum­ kammer verschlossen ist und unter Atmosphärendruck steht.

8. Mikrowellenplasmaquelle nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen den Wandungen (22, 40) va­ kuumdichte Verbindungskanäle zwischen der Vakuumkammer und dem evakuierten Raum (38) des Koaxialleiters (20) vorgesehen sind.

9. Mikrowellenplasmaquelle nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Raum zwischen den Wandun­ gen (22, 40) des Koaxialleiters (20) ein Kühlmedium zum Bereich der Plasmakammer (28) zuführbar ist.

10. Mikrowellenplasmaquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der zur Va­ kuumkammer hin offenen Seite der Plasmakammer (28) Be­ schleunigungsgitter (46) vorgesehen sind.

11. Mikrowellenplasmaquelle nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Koppeleinrichtung (14) eine zylindrische Kammer um den Mittelleiter (16) mit fester oder variabler Länge vorgesehen ist, in wel­ che die von einem Magnetron erzeugten Mikrowellen ein­ strahlen.