-
HINTERGRUND
-
Plasmaentladungen
können
zur Anregung von Gasen zum Erzeugen von aktivierten Gasen verwendet
werden, die Ionen, freie Radikale, Atome und Moleküle enthalten.
Aktivierte Gase werden für
zahlreiche industrielle und wissenschaftliche Anwendungen verwendet,
einschließlich
der Verarbeitung von Feststoffen wie Halbleiterscheiben, Pulver
und anderen Gasen. Die Parameter des Plasmas und die Bedingungen
für die
Einwirkung des Plasmas auf das zu verarbeitende Material variieren
je nach Anwendung beträchtlich.
-
Zum
Beispiel erfordern einige Anwendungen die Verwendung von Ionen mit
geringer kinetischer Energie (d. h. wenigen Elektronenvolt), weil
das zu verarbeitende Material beschädigungsempfindlich ist. Andere
Anwendungen, wie z. B. anisotropes Ätzen oder planarisierte dielektrische
Abscheidung, erfordern die Verwendung von Ionen mit hoher kinetischer
Energie. Bei noch anderen Anwendungen, wie z. B. reaktivem Ionenstrahlätzen, muss
die Ionenenergie präzise
geregelt werden.
-
Bei
einigen Anwendungen ist der direkte Kontakt des zu verarbeitenden
Materials mit einem hochdichten Plasma erforderlich. Eine derartige
Anwendung ist das Erzeugen von durch Ionen aktivierten chemischen
Reaktionen. Zu weiteren derartigen Anwendungen gehören das Ätzen und
die Abscheidung von Material in Strukturen mit großem Seitenverhältnis. Bei anderen
Anwendungen werden neutrale aktivierte Gase, die Atome und aktivierte
Moleküle
enthalten, benötigt,
während
das zu verarbeitende Material von dem Plasma abgeschirmt ist, da
das Material gegenüber
von Ionen verursachten Beschädigungen
empfindlich ist oder weil der Prozess hohe Selektivitätsanforderungen
hat.
-
Verschiedene
Plasmaquellen können
Plasmas auf zahlreiche Weisen erzeugen, einschließlich Gleichstromentladung,
Hochfrequenzentladung und Mikrowellenentladung. Gleichstromentladungen
werden durch Anlegen eines Potentials zwischen zwei Elektroden in
einem Gas erzielt. HF-Entladungen werden entweder durch elektrostatische
oder induktive Einkopplung von Energie aus einer Stromversorgung
in ein Plasma erzielt. Für
die elektrostatische Einkopplung von Energie in ein Plasma werden
meist parallele Platten verwendet. Zum Induzieren von Strom in das
Plasma werden gewöhnlich
Induktionsspulen verwendet. Mikrowellenentladungen werden durch
direkte Einkopplung von Mikrowellenenergie durch ein mikrowellendurchlässiges Fenster
in eine ein Gas enthaltende Entladungskammer erreicht. Mikrowellenentladungen
können
zur Unterstützung
eines weiten Bereichs von Entladungsbedingungen, einschließlich hoch
ionisierten Elektron-Zyklotron-Resonanz-Plasmas (EZR-Plasmas), verwendet werden.
-
Verglichen
mit Mikrowellen- oder anderen Arten von HF-Plasmaquellen hat eine ringförmige Plasmaquelle
Vorteile durch niedriges elektrisches Feld, geringer Plasmakammererosion,
Kompaktheit und Wirtschaftlichkeit. Die ringförmige Plasmaquelle wird mit
einem niedrigen elektrischen Feld betrieben und eliminiert grundsätzlich strombegrenzende
Elektroden und den damit verbundenen Kathodenpotentialabfall. Die
geringere Erosion der Plasmakammer macht den Betrieb von ringförmigen Plasmaquellen bei
höheren
Leistungsdichten als andere Plasmaquellentypen möglich. Außerdem koppelt die Verwendung
von Magnetkernen mit hoher Permeabilität elektromagnetische Energie
effizient ins Plasma ein, so dass die ringförmige Plasmaquelle bei relativ
niedrigen HF-Frequenzen betrieben werden kann, während die Stromversorgungskosten
gesenkt werden. Ringförmige
Plasmaquellen wurden bereits zur Erzeugung chemisch reaktiver atomare
Gase einschließlich
Fluor, Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff usw. zur Verarbeitung
von Halbleiterscheiben, Flachbildschirmen und verschiedenen Materialien
verwendet.
-
Keine
bestehende ringförmige
Plasmaquelle kann bei einem NF3-Durchfluss über 24 Standardliter pro
Minute (slm) funktionieren. Es besteht ein wachsender Bedarf an
Hochleistungs-Plasmaquellen mit hohem Gasdurchfluss zur Steigerung
des Durchsatzes in der Plasmaverarbeitung, insbesondere der Herstellung
von Flachbildschirmen und Sonnenkollektoren. Der für diese
Anwendungen erforderliche Gasdurchfluss kann zig bis hunderte slm
betragen. Bei derart hohen Durchflusswerten wird die Gas-Plasma-Wechselwirkung
oder der Dissoziationsgrad des Prozessgases sowie die Stabilität des Plasmas
von Strömungsdynamik
und Gasströmungsbild
stark beeinflusst.
-
Es
wurden Methoden zur Regelung des Gasdurchflusses zur Verbesserung
der Plasmastabilität und
zur Steigerung der Gas-Plasma-Wechselwirkung
entwickelt. In bestehenden Plasmaquellenbauweisen werden Prozessgase
aber entweder durch ein einzelnes Gaseinblasloch oder mehrere, in
einem kleinen Bereich in dem Plasmakanal befindliche Löcher in
den Plasmakanal eingeführt,
wodurch nahe dem Gaseinblaspunkt eine hohe Plasma-Impedanz erzeugt
wird. Die örtlich
beschränkte
Gaskonzentration und hohen Strömungsgeschwindigkeiten
verursachen Strömungsinstabilitäten und
begrenzen die Menge der Gase, die durch eine Plasmaquelle verarbeitet
werden können.
-
Die
hierin beschriebenen Ausführungsformen
stellen eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Reduzierung örtlich konzentrierter
hoher Plasma-Impedanz und Gasströmungsinstabilität in einem
Plasmakanal zur Verfügung.
-
Die
Vorrichtung besteht aus einer Plasmakammer zur Verwendung mit einer
Reaktionsgasquelle mit wenigstens vier Abschnitten, die einen ringförmigen Plasmakanal
bilden, wobei jeder Abschnitt eine Querschnittsfläche hat,
und einem an einem Abschnitt gebildeten Auslass, wobei der Auslass
eine größere Querschnittsfläche als
die Querschnittsfläche
der anderen Abschnitte hat, um höheren
Gasdurchfluss aufgrund von Dissoziation von Einlassgas durch das
Plasma aufzunehmen. Die Plasmakammer weist ferner einen Einlass
zur Aufnahme des Prozessgases und einen Verteilerkanal zum Einführen des
Prozessgases über
einen breiten Bereich entlang des ringförmigen Plasmakanals auf, um örtlich konzentrierte
hohe Plasma-Impedanz und Gasströmungsinstabilität zu reduzieren.
In einer Ausführungsform
führt der
Verteilerkanal das Prozessgas entlang des Plasmakanalabschnitts,
der dem Auslass gegenüberliegt, über eine
Vielzahl von Löchern
ein, um eine spiralförmige
Gasrotation in dem Plasmakanal bereitzustellen.
-
In
einer Ausführungsform
können
die Löcher im
Wesentlichen tangential zu den Innenflächen des Plasmakanals sein
und sind so abgewinkelt oder ausgerichtet, dass sie in dem Plasmakanal
eine spiralförmige
Gasrotation erzeugen. Die Löcher
können im
Winkel zwischen 30 Grad und 90 Grad relativ zu einer axialen Richtung
des Plasmakanalabschnitts und im Winkel zwischen 45 Grad und 90
Grad relativ zu einer Richtung senkrecht zur Achse des Plasmakanalabschnitts
abgewinkelt sein. In einer Ausführungsform
werden während
der Gaseinblasung zwei separate aber kohärente Gasrotationen eingeführt, um
die Gas-Plasma-Wechselwirkungen
zu verbessern und die Strömungsstabilität aufrecht
zu erhalten.
-
In
einer Ausführungsform
kann die Plasmakammer ferner wenigstens eine Zündvorrichtung zum Einleiten
der Plasmaentladung aufweisen. Die Zündvorrichtung kann sich zwischen
dem Verteilerkanal und dem Abschnitt, der dem Auslass gegenüberliegt,
befinden, durch einen Rohrabschnitt aus dem Plasmakanal zurückversetzt
sein und eine Reinigungsöffnung
im Rohrabschnitt zur Unterstützung bei
der Zündung
des Plasmas aufweisen.
-
In
einer Ausführungsform
kann ein Übergangswinkel
zwischen den vertikalen Abschnitten des Plasmakanals und dem Auslass
größer als
95 Grad sein. Der Übergangswinkel
kann zur Minimierung von Strömungsturbulenz
zwischen 100 und 180 Grad betragen.
-
In
einer Ausführungsform
kann der Plasmakanal geglättet
sein, um Strömungsturbulenz,
Druckaufstau oder Wechselwirkung von Plasma mit Wänden des
Plasmakanals zu verhindern. Die NF3- Durchflussfähigkeit der Plasmakammer kann wenigstens
30 slm betragen.
-
Ein
Pufferbereich zur Einführung
eines Prozessgases in eine Plasmakammer kann einen Einlass zur Aufnahme
des Prozessgases und einen Verteilerkanal zur Einführung des
Prozessgases über
einen breiten Bereich des Plasmakanals aufweisen, um örtlich konzentrierte
hohe Plasma-Impedanz und Gasströmungsinstabilität in dem
Plasmakanal zu reduzieren. Der Verteilerkanal kann eine Vielzahl
von Löchern
zur Bereitstellung einer spiralförmigen
Gasrotation in dem Plasmakanal festlegen. Die Löcher können im Wesentlichen tangential
zu den Innenflächen
des Plasmakanals sein und sind so abgewinkelt oder ausgerichtet,
dass sie in dem Plasmakanal eine spiralförmige Gasrotation erzeugen.
Die Löcher
können
im Winkel zwischen 30 Grad und 90 Grad relativ zu der axialen Richtung
des Plasmakanalabschnitts und im Winkel zwischen 45 Grad und 90
Grad relativ zu der Richtung senkrecht zur Achse des Plasmakanalabschnitts
abgewinkelt sein. Ein Verfahren zum Einführen eines Prozessgases in
eine Plasmakammer umfasst das Einführen des Prozessgases über einen
breiten Bereich eines Plasmakanals und das Erzeugen einer spiralförmigen Gasrotation
in dem Plasmakanal, um örtlich
konzentrierte hohe Plasma-Impedanz und Gasströmungsinstabilität in dem Plasmakanal
zu reduzieren. Das Verfahren umfasst ferner das Bereitstellen von
wenigstens zwei separaten aber kohärenten Gasrotationen während der
Gaseinführung,
um Gas-Plasma-Wechselwirkungen
zu verbessern und die Strömungsstabilität aufrecht
zu erhalten. Ferner umfasst das Verfahren das Ausgeben des Gases
an einer Auslassstelle mit einer Querschnittsfläche, die größer als die Querschnittsfläche des Plasmakanals
ist, um Strömungsturbulenz
in der Nähe
der Auslassstelle zu verhindern.
-
Eine
Plasmakammer zur Verwendung mit einer Reaktionsgasquelle weist Mittel
zum Bilden von wenigstens vier Abschnitten zum Bilden eines ringförmigen Plasmakanals
auf, wobei jeder Abschnitt eine Querschnittsfläche hat, und Mittel zum Bilden
eines Auslasses an einem Abschnitt, wobei der Auslass eine größere Querschnittsfläche als
die Querschnittsfläche
der anderen Abschnitt hat. Die Plasmakammer weist ferner Mittel
zum Aufnehmen eines Prozessgases und Mittel zum Einführen des
Prozessgases über
einen breiten Bereich des dem Auslass gegenüberliegenden Abschnitts auf,
um örtlich konzentrierte
hohe Plasma-Impedanz und Gasströmungsinstabilität zu reduzieren,
wobei der dem Auslass gegenüberliegende
Abschnitt eine Vielzahl von Löchern
zum Bereitstellen einer spiralförmigen
Gasrotation in dem Plasmakanal festlegt.
-
Die
hierin beschriebenen Ausführungsformen
erbringen die folgenden Vorteile gegenüber dem Stand der Technik.
Die Plasmaquelle kann hohe Durchflussraten von aktivierten Gasen
erzeugen, die zum Ätzen,
für die
Dünnschichtabscheidung
und zur Kammerreinigung verwendet werden. Die Plasmaquelle kann
zum Mindern schädlicher
oder unerwünschter
Gase verwendet werden. Die Plasmaquelle erweitert die Betriebsfähigkeit
von ringförmigen Plasmaquellen,
wodurch Benutzer einen höheren Prozessdurchsatz
und geringere Prozesskosten erzielen können. Die Plasmaquelle kann
bei hohen Gasdurchflussraten betrieben werden und einen hohen Gasanregungs-
oder Dissoziationsgrad erreichen. Die Plasmaquelle kann die NF3-Durchflussfähigkeit
der ringförmigen
Plasmaquelle auf 30 slm oder mehr erweitern.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Die
vorangehenden und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile werden
aus der nachfolgenden spezielleren Beschreibung der Ausführungsformen
ersichtlich, wie sie in den beigefügten Zeichnungen illustriert
werden, in denen gleiche Bezugszeichen sich in den verschiedenen
Ansichten durchgehend auf dieselben Teile beziehen. Die Zeichnungen sind
nicht unbedingt maßstabgerecht,
die Betonung liegt stattdessen auf der Veranschaulichung der Grundsätze der
Ausführungsformen.
-
1 ist
eine schematische Darstellung einer ringförmigen Niederfeld-Plasmaquelle
zur Erzeugung von aktivierten Gasen,
-
2 zeigt
eine Ausführungsform
einer Wirbelgasmischvorrichtung,
-
3 zeigt
eine Querschnittansicht einer Ausführungsform einer ringförmigen Plasmakammer,
-
4 zeigt
Betriebsdaten der Plasmaquelle, die ihren Betrieb bei einer NF3-Durchflussrate
bis zu 45 slm und bei einem Druck von 100 torr demonstrieren,
-
5A zeigt
eine Draufsicht eines Gasverteilerkanals,
-
5B zeigt
eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform eines Gasverteilerkanals,
-
5C zeigt
eine Querschnittansicht des Gasverteilerkanals aus 5A oder 5B,
-
6A zeigt
eine Seite eines internen Gasvolumens des Plasmakanals,
-
6B zeigt
die spiralförmige
Gasrotation in dem Plasmakanal mit Bezug auf in einer vertikalen Richtung
von 6A strömendes
Gas,
-
6C zeigt
die spiralförmige
Gasrotation in dem Plasmakanal mit Bezug auf in einer horizontalen Richtung
von 6A strömendes
Gas,
-
7A zeigt
eine Ansicht einer Ausführungsform
eines Gasauslasses von unten,
-
7B zeigt
eine Querschnittansicht des Gasauslasses von 7A,
-
8A zeigt
den berechneten Druckabfall in der Plasmaquelle auf der Basis einer
Gesamtdurchflussrate von 120 slm am Gasauslass,
-
8B zeigt
das Gasströmungsgeschwindigkeitsprofil
in der Plasmaquelle auf der Basis einer Gesamtdurchflussrate von
120 slm am Gasauslass,
-
9A zeigt
eine Kühlstruktur 200 für die ringförmige Plasmaquelle
und
-
9B zeigt
eine Querschnittansicht der Kühlstruktur
aus 9A.
-
AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG
-
1 ist
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer ringförmigen Niederfeld-Plasmaquelle 10 zur
Erzeugung von aktivierten Gasen. Die Quelle 10 weist einen
Netztransformator 12 auf, der elektromagnetische Energie
in ein Plasma 14 einkoppelt. Der Netztransformator 12 weist
einen Magnetkern 16 mit hoher Permeabilität, eine
Primärspule 18 und
eine Plasmakammer 20 auf. Die Plasmakammer 20 lässt das
Plasma 14 einen Sekundärkreis
des Transformators 12 bilden. Der Netztransformator 12 kann
zusätzliche
Magnetkerne und Leiterwicklungen (nicht gezeigt) aufweisen, die
zusätzliche Primär- oder
Sekundärkreise
bilden.
-
Die
Plasmakammer 20 kann aus einem metallischen Material wie
Aluminium oder einem hochschmelzenden Metall, einem beschichteten
Metall wie eloxiertem Aluminium hergestellt sein oder sie kann aus
einem dielektrischen Material wie Quarz hergestellt sein. Eine oder
mehrere Seiten der Plasmakammer 20 können einer Prozesskammer 22 ausgesetzt
sein, so dass von dem Plasma 14 erzeugte geladene Teilchen
in direktem Kontakt mit einem zu verarbeitenden Material (nicht
gezeigt) sein können. Alternativ
kann die Plasmakammer 20 von der Prozesskammer 22 entfernt
angeordnet sein, so dass aktivierte neutrale Gase zu der Prozesskammer 22 strömen können, während geladene
Teilchen während
des Gastransports rekombinieren. In der Prozesskammer 22 kann
ein Probenhalter 23 positioniert sein, um das zu verarbeitende
Material zu tragen. Das zu verarbeitende Material kann relativ zu
dem Potential des Plasmas unter Spannung gesetzt sein.
-
Die
Plasmaquelle 10 umfasst auch ein Schaltnetzteil 50.
In einer Ausführungsform
weist das Schaltnetzteil 50 eine Spannungsversorgung 24 auf, die
direkt mit einem Schaltnetz 26 verbunden ist, das eine
Halbleiterschaltvorrichtung 27 enthält. Die Spannungsversorgung 24 kann
eine Leitungsspannungsversorgung oder eine Busspannungsversorgung
sein. Die Halbleiterschaltvorrichtung 27 kann ein Satz
von Schalttransistoren sein. Das Schaltnetz 26 kann ein
Festkörperschaltnetz
sein. Ein Ausgang 28 des Schaltnetzes 26 kann
direkt mit der Primärwicklung 18 des
Transformators 12 verbunden sein.
-
Die
ringförmige
Niederfeld-Plasmaquelle 10 kann ein Mittel zur Erzeugung
freier Ladungen aufweisen, das ein anfängliches Ionisationsereignis
bereitstellt, das ein Plasma in der Plasmakammer 20 zündet. Das
anfängliche
Ionisationsereignis kann ein kurzer Hochspannungsimpuls sein, der
an die Plasmakammer angelegt wird. Der Impuls kann eine Spannung
von etwa 500–10.000
Volt haben und kann etwa 0,1 bis 10 Mikrosekunden dauern. Zur Erzeugung
des anfänglichen
Ionisationsereignisses kann auch eine kontinuierliche hohe HF-Spannung
von 500–10.000
Volt verwendet werden und die Spannung wird nach dem Aufspalten
des Gases abgeschaltet. Ein Edelgas wie Argon kann in die Plasmakammer 20 eingeführt werden,
um die zum Zünden eines
Plasmas erforderliche Spannung zu reduzieren. Zum Erzeugen der freien
Ladungen in der Plasmakammer 20, die das anfängliche
Ionisationsereignis, das das Plasma in der Plasmakammer 20 zündet, bereitstellen,
kann auch Ultraviolettstrahlung verwendet werden.
-
In
einer Ausführungsform
wird der elektrische Hochspannungsimpuls an eine Elektrode 30 angelegt,
die sich in der Plasmakammer 20 befindet. In einer anderen
Ausführungsform
wird der kurze elektrische Hochspannungsimpuls direkt an die Primärspule 18 angelegt,
um das anfängliche
Ionisationsereignis bereitzustellen. In einer weiteren Ausführungsform
wird der kurze elektrische. Hochspannungsimpuls an eine Elektrode 32 angelegt,
die durch ein Dielektrikum kapazitiv mit der Plasmakammer 20 verbunden
ist. In einer weiteren Ausführungsform
ist die Plasmakammer 20 einer Ultraviolettstrahlung ausgesetzt,
die von einer Ultraviolettlichtquelle 34 ausgegeben wird,
die optisch mit der Plasmakammer 20 verbunden ist. Die
Ultraviolettstrahlung verursacht das anfängliche Ionisationsereignis,
das das Plasma zündet.
-
Die
ringförmige
Niederfeld-Plasmaquelle 10 kann auch eine Schaltung 36 zum
Messen elektrischer Parameter der Primärwicklung 18 aufweisen. Zu
den elektrischen Parametern der Primärwicklung 18 gehören der
die Primärwicklung 18 treibende Strom,
die Spannung an der Primärwicklung 18,
die von der Spannungsversorgung 24 erzeugte Bus- oder Leitungsspannungsversorgung,
die durchschnittliche Leistung in der Primärwicklung 18 und die
Spitzenleistung in der Primärwicklung 18.
-
Außerdem kann
die Plasmaquelle 10 Mittel zum Messen relevanter elektrischer
Parameter des Plasmas 14 aufweisen. Zu den relevanten elektrischen
Parametern des Plasmas 14 gehören Plasmastrom und -leistung.
Zum Beispiel kann die Quelle 10 eine Stromsonde 38 aufweisen,
die um die Plasmakammer 20 positioniert ist, um den im
Sekundärkreis des
Transformators 12 fließenden
Plasmastrom zu messen. Die Plasmaquelle 10 kann auch einen
optischen Sensor 40 zum Messen der optischen Emission aus
dem Plasma 14 aufweisen. Außerdem kann die Plasmaquelle 10 eine
Leistungsregelungsschaltung 42 aufweisen, die Daten von
der Stromsonde 38 und/oder dem Leistungssensor 40 und/oder
dem Schaltnetz 26 empfängt
und dann die Leistung in dem Plasma durch Verstellen des Stroms
in der Primärwicklung 18 einstellt.
-
Im
Betrieb wird ein Gas in die Plasmakammer 20 eingelassen,
bis ein Druck von im Wesentlichen zwischen 1 mtorr und 100 torr
erreicht wird. Das Gas kann ein Edelgas, ein Reaktionsgas oder ein Gemisch
aus wenigstens einem Edelgas und wenigstens einem Reaktionsgas umfassen.
Das Halbleiterschaltvorrichtungen enthaltende Schaltnetz 26 führt der
Primärwicklung 18 einen
Strom zu, der in der Plasmakammer 20 ein Potential induziert.
Die Größe des induzierten
Potentials hängt
gemäß dem faradayschen
Induktionsgesetz von dem vom Kern produzierten Magnetfeld und von
der Frequenz ab, mit der die Halbleiterschaltvorrichtungen betrieben werden.
Ein Ionisationsereignis, das das Plasma bildet, kann in der Kammer
eingeleitet werden. Das Ionisationsereignis kann das Anlegen eines
Spannungsimpulses an die Elektrode 30 in der Kammer 20 oder
an die Elektrode 32, die kapazitiv mit der Plasmakammer 20 verbunden
ist, sein. Das Ionisationsereignis kann auch das Anlegen einer hohen
Spannung an die Primärwicklung
sein. Alternativ kann das Ionisationsereignis auch das Aussetzen
von Ultraviolettstrahlung auf die Kammer sein.
-
Wenn
das Gas ionisiert worden ist, wird ein Plasma gebildet, das einen
Sekundärkreis
des Transformators schließt.
Das elektrische Feld des Plasmas kann im Wesentlichen zwischen 1–100 V/cm
betragen. Wenn nur Edelgase in der Plasmakammer 20 vorhanden
sind, können
die elektrischen Felder im Plasma 14 schon ab 1 Volt/cm
betragen. Wenn in der Kammer aber elektronegative Gase vorhanden
sind, sind die elektrischen Felder im Plasma 14 beträchtlich
starker.
-
2 zeigt
eine Ausführungsform
einer Wirbelgasmischscheibe 60 gemäß dem Stand der Technik. Die
Wirbelgasmischscheibe 60 enthält eine Anzahl konzentrischer
Löcher 62,
die tangential zu der Innenfläche
des Plasmakanals (nicht gezeigt) ausgerichtet sind. Im Betrieb bläst die Wirbelgasmischscheibe 60 Gas
spiralförmig
in die Plasmakammer 20, so dass eine spiralförme Strömung entsteht
und das Trägergas
zur Vermischung und Reaktion mit dem Plasma 14 gezwungen
wird. Die Wirbelgasmischscheibe 60 führt das Gas aber an einer festgelegten
Position in den Plasmakanal ein, was durch von dem Gas erzeugte
hohe Impedanz an dieser Position zu Erosion führt.
-
3 zeigt
eine Querschnittansicht einer Ausführungsform der ringförmigen Plasmakammer 100 zur
Minimierung von Strömungsturbulenz
und strömungsinduzierten
Plasma-Instabilitäten und
zur Verbesserung der Gas-Plasma-Wechselwirkungen. Die
ringförmige
Plasmakammer 100 weist einen Gaseinlass 110, einen
ringförmigen
Plasmakanal 120 und einen Gasauslass 130 auf.
Die Plasmakammer ist mit mehreren Sektionen und mit mehreren dielektrischen
Unterbrechungen 136 entlang des Plasmakanals ausgebildet.
Die dielektrischen Unterbrechungen hindern induzierten elektrischen
Strom daran, in der Plasmakammer zu strömen, und verteilen induzierte
elektrische Spannung gleichmäßig über die mehreren
dielektrischen Unterbrechungen 136, wodurch elektrische
Spitzenfelder im Plasmakanal verringert werden.
-
Der
Gaseinlass 110 weist einen Pufferbereich oder einen Gasverteilerkanal 140 zur
Einführung
von Gas in den Plasmakanal 120 über einen breiten Bereich auf,
um örtlich
konzentrierte hohe Plasma-Impedanz und Gasströmungsinstabilität zu reduzieren.
Der Plasmakanal 120 weist einen oberen Abschnitt 122,
einen unteren Abschnitt 124 und zwei Seitenabschnitte 126 auf,
die eine rennbahnförmige ringförmige Plasmatopologie
bilden. Eine Vielzahl von Gaseinblaslöchern 142 (in den 5A–5C besser
dargestellt) erzeugt während
der Gaseinblasung zwei separate aber kohärente Gasrotationen zur Verbesserung
von Gas-Plasma-Wechselwirkungen
und zur Erhaltung der Strömungsstabilität. Es ist zu
beachten, das der Gasströmungsweg
im Plasmakanal 120 geglättet
ist (z. B. keine scharfen Ecken hat), um Strömungsturbulenz, Druckaufstau
oder eine Wechselwirkung von Plasma mit den Kanalwänden zu
verhindern. In einer Ausführungsform
weist der obere Abschnitt 122 wenigstens eine Zündvorrichtung 144 zum
Bereitstellen eines Ionisationsereignisses auf, das das Plasma bildet.
Die Zündvorrichtung 144 kann
vom Plasmakanal zurückversetzt sein,
um Wärme
vom Plasma auf die Elektrode oder das dielektrische Fenster zu reduzieren.
Fakultativ kann eine Reinigungsöffnung 146 vorgesehen
sein, die einen Teil des Einlassgases in den Rohrabschnitt 148 einbläst, der
die Zündvorrichtung 144 und
den Plasmakanal 120 verbindet, um die Plasmazündung zu
unterstützen.
Die Reinigungsöffnung 146 liefert
frisches Einlassgas zu der Zündvorrichtung 144 und hilft,
an der Zündvorrichtung 144 erzeugte
geladene Teilchen zum Plasmakanal 120 zu bringen. Der Gasauslass 130 ist
wesentlich größer als
die Querschnittsfläche
des Plasmakanals 120, um eine aufgrund von Dissoziation
des Prozessgases größere Gasmenge
an dem Gasauslass 130 aufzunehmen und einen ruhigen Übergang
von dem ringförmigen Plasmakanal
zu dem Gasauslass 130 zu ermöglichen.
-
4 zeigt
Betriebsdaten der Plasmaquelle 100 (3), die
ihren Betrieb bei NF3-Durchflussraten bis zu 45 slm und einem Druck
von 100 torr demonstrieren. Wie gezeigt, kann die Plasmaquelle 100 bei
hohen Gasdurchflussraten betrieben werden und einen hohen Gasanregungs-
oder Dissoziationsgrad erreichen. In einer Ausführungsform kann die NF3-Durchflussfähigkeit
der ringförmigen
Plasmaquelle 100 wenigstens 30 slm oder höher sein.
-
5A und 5B zeigen
Draufsichten von zwei Ausführungsformen
des Gasverteilerkanals 140 (3) und 5C zeigt
eine Querschnittansicht des Gasverteilerkanals 140. Der
Gasverteilerkanal 140 weist eine Vielzahl von Löchern 142 zum
Einführen
von Prozessgas in den Plasmakanal 120 (3) auf.
Die Gaseinblaslöcher 142 erzeugen
eine spiralförmige
Gasrotation in dem Plasmakanal 120. Die Ausführungsform
von 5A lässt
ein symmetrisches Rotationsmuster in den beiden Hälften des oberen
Abschnitts des Plasmakanals 120 entstehen, während die
Ausführungsform
von 5B ein antisymmetrisches Rotationsmuster entstehen
lässt. 6A zeigt
eine Seite eines inneren Gasvolumens des Plasmakanals 120 (3).
Die Löcher 142 sind im
Wesentlichen tangential zu der Innenfläche des Plasmakanals 120 und
sind so abgewinkelt oder ausgerichtet, dass sie in dem Plasmakanal 120 eine
spiralförmige
Gasrotation erzeugen. 6B zeigt entlang der Achse eines
Seitenabschnitts 126 des Plasmakanals 120 betrachtete
Gasströmungsbahnen. 6C zeigt
die entlang des oberen Abschnitts des Plasmakanals 120 betrachteten
Gasströmungsbahnen.
Die spiralförmige Gasrotation
zwingt das Plasma zur Mitte des Plasmakanals, wodurch die Plasmastabilität verbessert
und auch die Erosion im Plasmakanal 120 verringert wird.
Die spiralförmige
Gasrotation verbessert auch die Wechselwirkung zwischen dem Prozessgas
und dem Plasma. Die Löcher 142 sind
im Winkel zwischen 30 Grad und 90 Grad relativ zu einer axialen
Richtung des Plasmakanals 120 (allgemein als A gezeigt)
und im Winkel zwischen 45 Grad und 90 Grad relativ zu einer zur
Achse des Plasmakanals 120 senkrechten Richtung (allgemein
als B gezeigt) abgewinkelt. Die Einblaslöcher 142 sind über einen
breiten Bereich in dem Plasmakanal 120 verteilt, um eine örtlich beschränkte Gaskonzentration
von Einlassgas und eine hohe lokale Plasma-Impedanz zu verhindern.
Während
der Gaseinblasung werden zwei separate aber kohärente Gasrotationen eingeführt, um
die Gas-Plasma-Wechselwirkungen zu verbessern und die Strömungsstabilität aufrecht
zu erhalten. Die Löcher 142 sind
außerdem
tangential zu der Plasmakanaloberfläche ausgerichet, um zu vermeiden,
dass das Plasma vom Einlassgas zu den Oberflächen des Plasmakanals 120 gedrückt wird.
-
7A zeigt
eine Ansicht des Gasauslasses 130 des Plasmakanals 120 (3)
von unten und 7B zeigt eine Querschnittansicht
des Gasauslasses 130 des Plasmakanals 120. In
einer Ausführungsform
ist die Querschnittsfläche
des Gasauslasses 130 größer als
das Zweifache der Querschnittsfläche
des Plasmakanals 120, um Strömungsturbulenz in der Nähe des Gasauslasses 130 zu
verhindern. In einigen Ausführungsformen
ist ein Übergangswinkel 128 zwischen
den vertikalen Abschnitten 126 des Plasmakanals 120 und
dem Gasauslass 130 größer als
95 Grad. In einigen Ausführungsformen
kann der Übergangswinkel 128 zur
Minimierung der Strömungsturbulenz
im Bereich zwischen 100 und 180 Grad liegen.
-
8A zeigt
den berechneten Druckabfall in der Plasmaquelle 100 (3)
auf der Basis einer Gesamtdurchflussrate von 120 slm am Gasauslass 130. 8B zeigt
das Gasströmungsgeschwindigkeitsprofil
in der Plasmaquelle 100 auf der Basis einer Gesamtdurchflussrate
von 120 slm am Gasauslass 130. Es ist zu beachten, dass
der höchste
Druckabfall und die höchste
Strömungsgeschwindigkeit
am Übergangssektion
zwischen dem Plasmakanal 120 und dem Gasauslass 130 stattfinden,
wodurch veranschaulicht wird, wie wichtig ein Übergangswinkel zwischen 100
und 180 Grad zur Minimierung der Strömungsturbulenz ist.
-
9A zeigt
eine Kühlstruktur 200 für die ringförmige Plasmaquelle 100 (3). 9B zeigt eine
Querschnittansicht der Kühlstruktur 200 von 9A.
Die Kühlstruktur
ist auf den beiden Seiten der Plasmakammer symmetrisch und in 9A und 9B wird
jeweils nur eine Seite gezeigt. Die Kühlstruktur 200 weist
ein Einlassrohr 202, ein Auslassrohr 204 und mehrere
Kanäle 206 auf.
Die Kühlstruktur 200 ist ähnlich der
Plasmakammer 100 in viele Sektionen segmentiert. Einzelen
Kühlsektionen
sind auf jede Plasmakammersektion entlang eines Plasmakanals montiert.
Dielektrische Rohre verbinden die verschiedenen Kühlsektionen,
damit ein Kühlmittel
wie z. B. Wasser zwischen den Kühlsektionen
fließen
kann. Zur Verbesserung der Wärmeleitung
von dem Plasmakanal zur Kühlstruktur
wird eine wärmeleitfähige Unterlage
oder ein wärmeleitfähiges Schmiermittel
verwendet. Im Betrieb wird ein Kühlmittel
zur Kühlung
der ringförmigen
Plasmaquelle 100 durch die Kanäle 206 getrieben.
Die Fähigkeit, die
Plasmaquelle 100 zu kühlen,
ist nützlich,
weil sie die Temperatur der Plasmakammer senkt, was das Plasmakammermaterial
und die Vakuumdichtungen schützt.
Die Kühlfähigkeit
lässt es
auch zu, dass die Plasmaquelle bei hohem Leistungspegel und hoher Gasdurchflussrate
betrieben wird, was den Prozessdurchsatz verbessert und Prozesskosten
senkt.
-
Fachkundige
Personen werden erkennen, dass die Erfindung in anderen spezifischen
Formen ausgestaltet werden kann, ohne von ihrem Sinn oder ihren
kennzeichnenden Eigenschaften abzuweichen. Die vorangehenden Ausführungsform
sind daher in jeder Hinsicht als veranschaulichend zu betrachten und
nicht als die hierin beschriebene Erfindung begrenzend. Der Umfang
der Erfindung wird daher von den angehängten Ansprüchen anstatt von der vorangehenden
Beschreibung angezeigt und es ist daher vorgesehen, dass alle Änderungen,
die in die Bedeutung und den Äquivalenzbereich
der Ansprüche
fallen, in ihnen eingeschlossen sind.