DE4319717A1 - Vorrichtung zum Erzeugen planaren Niedrigdruckplasmas unter Verwendung einer Spule mit deren Achse parallel zu der Oberfläche eines Koppelfensters - Google Patents
Vorrichtung zum Erzeugen planaren Niedrigdruckplasmas unter Verwendung einer Spule mit deren Achse parallel zu der Oberfläche eines KoppelfenstersInfo
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Description
Die Erfindung betrifft Systeme und Verfahren zur
Erzeugung von Niedrigdruckplasmen im allgemeinen. Im besonderen
betrifft sie Ausrüstungen zum Erzeugen hochgleichförmiger
planarer Plasmen, die zur Behandlung von Halbleiterwafern in
Niedrigdruckverarbeitungsanlagen verwendet werden können.
Die Plasmaerzeugung ist bei einer Vielzahl von
Halbleiterherstellungsverfahren einschließlich Ätzen,
Abscheidung, Ionenimplantation und ähnlichem von Nutzen.
Plasmen werden im allgemeinen in einem Niedrigdruckgas durch
Beschleunigung natürlich auftretender freier Elektronen in dem
Gas bis zur Gasionisierungsenergie, typischerweise zwischen
fünf und zwanzig Elektronenvolt, erzeugt. Kollision zwischen
diesen energiegeladenen Elektronen und den Gasmolekülen
bewirken gelegentlich die Ionisierung eines Moleküls unter
Freigabe eines zusätzlichen freien Elektrons. Jedes zusätzliche
freie Elektron wird ebenfalls beschleunigt und kann ebenfalls
Gasmoleküle ionisieren. Das resultierende teilweise ionisierte
Gas wird Plasma genannt.
Materie existiert typischerweise hauptsächlich in einer
von vier Phasen: fest, flüssig, gasförmig und als Plasma.
Superheiße Plasmen werden in Gaschromatographen verwendet, um
injizierte Proben so aufzubrechen, daß diese für die Analyse
charakteristische Lichtspektren erzeugen, und in
Halbleiterverarbeitungsanlagen, um Material von einem Wafer
wegzuätzen. Auf Plasmen basierende Halbleiterausstattungen,
bzw. Halbleiteranlagen umfassen ebenfalls
Abscheidungsverfahren, Resiststrippen, bzw. Ablösung von
Resistfilmen und Plasma-unterstützte chemische
Gasphasenabscheidung (plasma enhanced chemical vapor
deposition).
Die Erzeugung größerer und gleichförmigerer Plasmen
wird derzeit benötigt, um mit den stetig ansteigenden Größen
der verarbeiteten Wafer Schritt zu halten. Unabhängig von dem
Verfahrensschritt, ob Ätzen, Abscheiden oder Implantieren, die
Wirkungen des Plasmas werden typischerweise gleichförmig über
der gesamten Oberfläche benötigt. Heutige Technologie umfaßt
die Acht-Inch-Wafer-Verarbeitung, und Zwölf-Inch-Wafer-
Verarbeitungs-Herstellungsanlagen (Fabrication-Facilities, oder
abgekürzt im englischsprachigen Raum auch als Fabs bezeichnet)
werden bereits geplant. Die herkömmlichen Ausstattungen, die
für Plasmaätzen von Zwei-Inch-Wafern geeignet sind, sind nicht
in der Lage, die Gleichförmigkeit zu erzeugen, die sich in
maximale Erträge und höhere Gewinne für technologisch aktuelle
Fabs umsetzt.
Vorhergehende magnetisch gekoppelte planare, d. h. ebene
Plasmen (planar magnetically coupled Plasma, PMCP) erzeugende
Verfahren verwenden ein sich änderndes magnetisches Feld, das
durch eine planare spiralförmige Spule erzeugt wird, um das
Plasma zu erzeugen, wahlweise mit einer unabhängigen funk- bzw.
hochfrequenten Leistungsquelle zum Beschleunigen der Ionen.
Dieses Verfahren ist geeignet, unabhängige Steuerung von Fluß
und Feld mit preiswerten Anlagen und einfachem Betrieb durch
sich ändernde Magnetfeld-Elektronenbeschleunigung
bereitzustellen. Es stellt aber, insbesondere in der Nähe der
Spulenachse, keine gleichförmige Elektronenbeschleunigung zur
Verfügung. Ein herkömmliches Plasmaätzsystem, das durch den
jetzigen Erfinder in dem US-Patent 4,948,458, erteilt am 14.
August 1990, beschrieben wird und durch Bezugnahme in die
vorliegende Beschreibung mit einbezogen wird, enthält eine
Kammer mit einem dielektrischen Fenster, wie z. B. Quarz. Eine
planare Spulen- und Kondensatorkombination ist dem Fenster
benachbart angeordnet, wobei die Achse der Spule senkrecht zu
dem Fenster ist und eine leistungsfähige Funkfrequenzquelle
wird an die Spule gekoppelt. Die Leistungsübertragung wird
durch Impedanzanpassung und Abstimmung zum Bereitstellen einer
Resonanz, beispielsweise bei 13,56 MHz, maximiert.
Einlaßöffnungen führen ein Prozeßgas zum Inneren der Kammer.
Ein sich änderndes magnetisches Feld wird durch die Spule in
dem Prozeßgas bei Leistungspegeln induziert, die ausreichen,
ein Plasma des Prozeßgases mit einem zirkulierenden Fluß an
Elektronen zu erzeugen. Die Elektronenbewegung ist auf eine
Ebene parallel zur planaren Spule eng beschränkt, so daß die
Übertragung kinetischer Energie in Nicht-Plasma-Richtungen
minimal ist. Der Fluß an Elektronen ist planar, wenn auch
ringförmig, und hat deshalb ein Auge in der Achse mit einem
niedrigeren Energiepegel als die anderen Teile des planaren
Plasmas. Das Auge ist mit einer in einer Spirale gewundenen
planaren Spule mit der Achse der Spule senkrecht zur
Plasmaebene, wie in Fig. 1, 3, 6 und 7 des Patentes gezeigt,
unvermeidbar.
Ein sehr übliches Verfahren zum Beschleunigen freier
Elektronen für Plasmen bei der Halbleiter-Waferverarbeitung
besteht darin, ein funkfrequentes elektrisches (HF-)Feld
zwischen einem Paar elektrisch leitfähiger Platten, oder
Elektroden, an gegenüberliegenden Seiten einer
Verarbeitungskammer anzulegen, die mit einem
Niedrigdruckprozeßgas gefüllt wurde. Ein zu verarbeitender
Wafer ist typischerweise auf einer dieser Elektroden befestigt.
Somit wird das elektrische HF-Feld die Elektronen in dem Raum
zwischen den Elektroden mit einer Ionisationsenergie senkrecht
zur Oberfläche des Wafers beschleunigen. Die beschleunigten
Elektronen werden mit Prozeßgasmolekülen bei einer von der
Gastemperatur abhängigen Frequenz kollidieren. Die Kollisionen
erzeugen Ionen des Gases, das das Plasma bildet. Wenn die
Elektronen auf den Wafer treffen, werden diese eingefangen und
dies führt zu einer negativen elektrischen, auf dem Wafer
ausgebildeten Ladung. Eine derartige Ladung wird die in der
Nähe in dem Plasma zirkulierenden positiven Ionen anziehen und
diese bei hoher Geschwindigkeit auf den Wafer ziehen. Ob die
daraus folgenden Ioneneinschläge zum Ätzen, Abscheiden oder zu
anderen Wirkungen führen, ist eine Funktion des
ionenerzeugenden Gastyps, der Oberflächenmaterialien auf dem
Wafer und anderer Verfahrensbedingungen.
Ein einziges elektrisches HF-Feld bestimmt die Pegel
sowohl des Ionenflusses, der der Anzahl von Ionen entspricht,
und des Ionenfeldes, das der Energie entspricht, mit welcher
die Ionen den Wafer treffen. Unabhängige Steuerung des
Ionenflusses und -feldes ist daher nicht einfach zu erreichen.
Jedoch kann eine teilweise unabhängige Steuerung des
Ionenflusses und -feldes durch Verändern des Gasdruckes
erreicht werden. Wenn der Gasdruck gesenkt wird, steigt der
Abstand zwischen den Molekülen an, so daß Elektronenkollisionen
mit Molekülen weniger häufig auftreten. Da weniger Kollisionen
entstehen, werden weniger Ionen erzeugt. Somit ist das
Verhältnis des Ionenflusses zum Ionenfeld im allgemeinen
erniedrigt. Bei Drücken von unter ungefähr 20 Pascal (0,15
Torr) wird das Verhältnis des Ionenflusses zum Ionenfeld extrem
niedrig. Da Drücke unter 20 Pascal zunehmend wichtiger werden,
wenn Halbleiterbauteil-Linienbreiten abnehmen, hat das einfache
Parallelplattenverfahren der Plasmaherstellung erkennbare
Beschränkungen. Verschiedene Verfahren wurden entwickelt, um
die Niedrigdruckbeschränkungen des Parallelplattensystems zu
umgehen.
In einer Anordnung zur Erzeugung magnetisch
unterstützten Plasmas, die auch als magnetisch unterstütztes
reaktives Ionenätzen bezeichnet wird (magnetically enhanced
reactive Ion-Etching, MERIE) wird ein feststehendes
transversales magnetisches Feld verwendet, um den Pfad
energetischer Elektronen zu krümmen. Dies erhöht den Abstand,
welchen die Elektronen zurücklegen müssen, bevor sie letztlich
in einer Elektrodenplatte oder einem Wafer enden. Während
dieses Verfahren das Verhältnis des Ionenflusses zum Ionenfeld
erhöht und einen niedrigeren Druck für ein vorgegebenes
Verhältnis erlaubt, bestehen schwerwiegende
Verarbeitungsnachteile durch das intensive transversale
magnetische Feld in derart enger Nähe zu einem Wafer. Dies
beschränkt den unteren Druck auf ungefähr 4 Pascal. Die jeweils
für Maydan et al. und Foster et al. erteilten US-Patente
4,668,338 und 4,668,365 beschreiben einen gemeinsamen
Lösungsversuch für die magnetisch unterstützte Plasmaerzeugung.
Ein anderes herkömmliches Verfahren,
Elektronenzyklotronresonanz (Electron-Cyclotron-Resonance, ECR)
genannt, verwendet Mikrowellen, um die freien Elektronen, die
das Plasma erzeugen, in einem sorgfältig kontrollierten
transversalen Magnetfeld zu beschleunigen. Das Magnetfeld wird
derart eingestellt, daß die Rotationsfrequenz eines Elektrons,
bei Ablenkung durch das magnetische Feld, gleich der
Mikrowellenfrequenz ist. Die Elektronenenergie wird durch eine
Anzahl von Mikrowellenzyklen erhöht, bis diese die
Ionisationsenergie erreicht. Bei einer Mikrowellenfrequenz von
2,45 GHz beträgt das magnetische ECR-Feld 875 Gauß. Die ECR-
Plasmaerzeugung wird häufig mit einer separaten HF-
Leistungsquelle kombiniert, die an die Elektrode, auf welcher
der Wafer befestigt ist, angelegt wird. Die separate Quelle
stellt die Ionenbeschleunigung bereit. Die Mikrowellenleistung
steuert somit in unabhängiger Weise den Ionenfluß und die HF-
Leistung steuert in unabhängiger Weise das Ionenfeld. Obwohl
dieses Verfahren unabhängige Fluß- und Feldsteuerung zur
Verfügung stellt und bei niedrigen Drücken arbeiten kann,
benötigt es ebenfalls große und teure Magnete zusammen mit
kritischen Justierungen für den korrekten Betrieb.
Andere Verfahren, insbesondere induktiv gekoppeltes
Plasma (ICP) und spiralförmige Induktorresonatoren (Helicon)
werden ebenfalls zur Plasmaerzeugung verwendet, jedoch hat
jedes im Hinblick auf den Wirkungsgrad, die Fähigkeit
wirkungsvoll Niederdruckplasmen zu erzeugen und die Fähigkeit,
unabhängige Fluß- und Feldsteuerung zur Verfügung zu stellen,
Nachteile. Siehe z. B. die US-PS 4,421,690, die eine
Plasmaerzeugungsvorrichtung (ICP) mit induktiv gekoppeltem
Plasma beschreibt und die US-PS 4,160,392, die eine
Plasmaerzeugungsanordnung mit einem spiralförmigen induktiven
Resonator beschreibt.
Herkömmliche Plasmaerzeugungssysteme sind im Hinblick
auf ihren Wirkungsgrad bei der Erzeugung eines gleichförmigen
planaren Plasmas nicht zufriedenstellend. Die unabhängige
Steuerung des Ionenflusses und des Feldes in einer einfachen,
preisgünstigen Anordnung ohne kritische Justierungen fehlt
ebenfalls. Obwohl das System mit planarem magnetisch
gekoppelten Plasma bei Verwendung einer planaren spiralförmigen
Spule die meisten dieser Ziele erfüllen kann, besteht eine
Diskontinuität der Elektronenbeschleunigung im Zentrum der
Spule, die eine Abweichung der erwünschten
Plasmagleichförmigkeit darstellt. Jedoch existieren Vorteile
beim Bereitstellen transversaler Elektronenbeschleunigung durch
die Verwendung eines gesteuerten Betrags an sich ändernden
sowohl elektrischen als auch magnetischen Feldern. Bei Drücken
unterhalb von ungefähr 10 Pascal ist ein oszillierendes
Magnetfeld beim Koppeln von Energie an ein Plasma im
allgemeinen effizienter als ein oszillierendes elektrisches
Feld. Jedoch kann ein oszillierendes elektrisches Feld benötigt
werden, um das Plasma einzuleiten. Bei Drücken oberhalb von
ungefähr 100 Pascal ist das oszillierende elektrische Feld
effizienter.
Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung
hochgleichförmiger Plasmen innerhalb von Halbleiteranlagen wird
benötigt, um Anwendungen in Ätz-, Abscheidungs- und
Ionenimplantationsanlagen zu unterstützen. Sowohl elektrische
als auch magnetische oszillierende Felder zur Beschleunigung
der ionisierenden Elektronen sind erwünscht. Die Vorrichtung
sollte vorzugsweise eine Plasmaerzeugungsfähigkeit aufweisen,
die in der Lage ist, hohe Ionenflußdichten über einen weiten
Druckbereich mit einer niedrigen, auf einen zu verarbeitenden
Wafer gerichteter Ionenenergie zu erzeugen. Die Fähigkeit zur
unabhängigen Ionenbeschleunigung wird zur unabhängigen
Steuerung des Ionenflusses und -feldes zur Handhabung der auf
den Wafer treffenden Ionen benötigt. Eine einfache Justierung
und ein einfacher Betrieb, sowie ein effizienter Betrieb im
Hinblick auf Leistungsnutzung und geringe Größe sind ebenfalls
Ziele, die realisiert werden sollen.
Demzufolge werden Verbesserungen in der
Plasmaerzeugungstechnologie benötigt. Die vorliegende Erfindung
bewältigt die herkömmlichen, mit der Plasmaerzeugung
verbundenen Probleme.
Deshalb besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung
darin, ein Plasma durch Elektronenbeschleunigung zur Verfügung
zu stellen, das im wesentlichen parallel zu und beabstandet von
einem Halbleiterwafer ist, der einem durch das Plasma
ermöglichten Verfahren unterliegt.
In Kürze dargestellt enthält eine Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ein Plasmasystem, das eine Hauptspule
mit einer abgeflachten Seite und einen Kondensator umfaßt, die
einen abgestimmten Kreis bilden, wobei durch eine HF-
Frequenzanpassungsstufe durch einen Generator HF-Energie
eingekoppelt wird. Eine Verarbeitungskammer mit einem
Quarzfenster, die ein Niedrigdruckgas enthält, ist der flachen
Seite der Hauptspule benachbart, wobei die Achse der Spule
parallel zu der Oberfläche des Fensters angeordnet ist und ein
zweidimensionales Plasma in der Form einer kreisförmigen
Scheibe durch eine hohe Änderungsrate des in der Hauptspule
fließenden Stroms gezündet bzw. initiiert und aufrechterhalten
wird. Eine in der Kammer dem Fenster gegenüberliegend
angeordnete Elektrode wird zum Befestigen eines
Halbleiterwafers für das Bearbeiten verwendet und ein an die
Elektrode angelegtes Potential steuert die Ionenenergie der
angezogenen und aus dem Plasma heraus beschleunigten Ionen in
unabhängiger Weise.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin,
daß diese ein System zur Verfügung stellt, in welchem die
Ionendichte und Energie unabhängig steuerbar sind.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht
darin, daß ein System zur Verfügung gestellt wird, in welchem
ein planares bzw. ebenes Plasma erzeugt wird, das über
mindestens zwölf Inch Durchmesser gleichförmig sein kann.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht
darin, daß ein System zur Verfügung gestellt wird, in welchem
Plasmen bei Verarbeitungskammerdrücken in der Größenordnung von
bis zu mindestens einem Zehntel Pascal gezündet und
aufrechterhalten werden können.
Diese und weitere Aufgaben und Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden nachstehend in Zusammenschau mit
den beigefügten Zeichnungen anhand von bevorzugten
Ausführungsbeispielen detaillierter beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht eines Plasmaätzsystems gemäß
der vorliegenden Erfindung in aufgebrochener Darstellung,
Fig. 2A, 2B und 2C jeweils perspektivische
Seitenansichten eines Induktors und einer Spule, die relativ zu
einem benachbarten Fenster eines Gehäuses angeordnet sind, in
welchen der Induktor und die Spule den in Fig. 1 dargestellten
ähnlich sind,
Fig. 3 eine perspektivische Darstellung einer
alternativen Spulen- und Kondensatorausführungsform der
vorliegenden Erfindung und
Fig. 4 eine perspektivische Darstellung einer nochmals
weiteren alternativen Spulen- und Kondensatorausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
Fig. 1 stellt ein Plasmaätzsystem als Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar, auf welches unter dem
allgemeinen Bezugszeichen 10 verwiesen wird, das einen
Vakuumkondensator 12 mit veränderbarem Wert hat, der durch
einen Motor 14 über eine Getriebeübersetzung 16 eingestellt
wird, und eine Hauptspule 18 hat. Der Kondensator 12 muß ein
hochspannungsfester, hochstromfester Typ in einem Bereich von
drei bis dreißig Picofarad sein. Ein Hersteller geeigneter
Bauteile ist die Jennings Corporation (San Jose, CA). Die
Kosten derartiger einstellbarer Vakuumkondensatoren sind
beträchtlich. Für eine kostengünstigere aber dennoch akzeptable
Alternative kann ein Parallel-Seriell-Netzwerk aus Festwert-HF-
Übertragerkondensatoren den variablen Vakuumkondensator 12
ersetzen, wie es z. B. von High Energy Components (HEC) und CRL-
Components hergestellt wird, wobei die Justierungen in einer
externen HF-Anpassungsstufe verwendet werden. Beispielsweise
können zwei parallele Ketten aus vier, fünfzehn-KV-
Kondensatoren, die jeweils einen Wert von fünfzig Picofarad
haben, mit zusätzlichen kleineren Kondensatoren die zur
Grobabstimmung hinzugefügt werden, verwendet werden. Diese
Kombination ergab gute Resultate. (Diese Kombination ergibt bei
sechzig KV einen kombinierten Kondensator von ungefähr
achtundzwanzig Picofarad.) Die Windungen der Hauptspule 18 sind
in dem äußeren Bereich der Hauptspule 18 kleiner und enger
beieinander, um ein magnetisches Feld 20 zu formen, das
wiederum ein planares Plasma 22 gleichförmiger macht.
Typischerweise sind die äußeren Windungen mit 60% des Abstandes
der Windungen in der Mitte beabstandet.
Die Hauptspule 18 kann aus 3/8 inch Weich-Kupferrohren
bestehen, wie sie in üblicher Weise für Hausinstallationen
verwendet werden. Bei HF-Frequenzen fließt der Hauptteil des
Stromes in der Oberfläche, so daß die Rohre sehr gut
funktionieren und wie benötigt geformt und abgeflacht werden
können. In dem einen Extremfall sollte die Hauptspule 18
ausreichende Windungen haben, um das Plasma 22 gleichförmig zu
halten, wobei ungefähr fünf Windungen das Minimum darstellen.
Als Maximum sollte die Hauptspule 18 nicht so viele Windungen
enthalten, daß die freien Zwischenabstände zwischen den
Wendungen so klein sind, daß Überschläge auftreten. Ungefähr
fünfzehn Windungen stellt das Maximum dar. Die Hauptspule 18
ist typischerweise zwanzig bis fünfunddreißig Zentimeter lang,
mit einer Breite an ihrem breitesten Teil von ebenfalls
typischerweise zwanzig bis fünfunddreißig Zentimetern und einer
Verjüngung auf zehn bis zwanzig Zentimeter an jedem Ende. Die
sich ergebende Induktivität beträgt ungefähr vier bis zwanzig
Microhenry. Der freie Zwischenraum zwischen den Windungen kann
durch Plastikabstandsstücke aufrecht erhalten werden. Eine
Plastikspulenform kann verwendet werden, um der Hauptspule 18
ihre Form zu geben und um ihre mechanische Festigkeit derart zu
erhöhen, daß sich die Form beim Betrieb oder bei der Handhabung
nicht ändert. Überschläge bzw. Funkenstrecken oder
Entladungsstrecken können, falls diese zum Problem werden,
durch Immersion der Hauptspule 18 in einem Ölbad vermieden
werden. Die Stromtragfähigkeit der Hauptspule 18 kann durch
Silberbeschichtung der Kupferrohre, aus der sie aufgebaut ist,
verbessert werden. Die Form und Größe der Hauptspule 18 und der
Abstand zwischen den Windungen wird typischerweise empirisch
bestimmt, um die erwünschten magnetischen und elektrischen
Feldverteilungen für eine bestimmte Anwendung zu erhalten.
Die Hauptspule 18 und der Kondensator 12 bilden eine
Resonatorschaltung, deren Eigenfrequenz durch den Motor 14
abstimmbar ist. Ein Hochfrequenz-(HF)-Generator 23 stellt einer
HF-Anpassungsstufe 24, die eine optimale Leistungsübertragung
in die Hauptspule 18 bereitstellt, Leistung zur Verfügung. Der
HF-Generator 23 kann von einem beim Betrieb von
Halbleiterverarbeitungsanlagen allgemein verwendeten Typ sein
und sollte von ungefähr 13,56 MHz bis 100 MHz, wenngleich 13,56
MHz bevorzugt wird, betreibbar sein. Der HF-Generator 23 wird
üblicherweise eine niedrige Ausgangsimpedanz, typischerweise
fünfzig Ohm, haben und sollte in der Lage sein, 2,5 Kilowatt
bereitzustellen. Die HF-Anpassungsstufe 24 kann eine von der
ENI Corporation vertriebene MATCHWORKS 25 sein, die eine
automatische Abstimm- und eine automatische Anpassungsfunktion
hat. Die HF-Anpassungsstufe 24 speist eine Koppelspule 26. Die
Koppelspule 26 ist vorzugsweise nahe dem Zentrum der Hauptspule
18 befestigt und kann derart angeordnet werden, daß diese
drehbar ist, um die Kopplung zu variieren, die zwischen dieser
und der Hauptspule 18 auftritt. Ein Aluminiumzylinder 29 trägt
die HF-Anpassungsstufe 24 und unterstützt den Einschluß der
Strahlung elektromagnetischer Störungen (electromagnetic
Interference, EMI). Der Motor 14 wird verwendet, um die
Resonanzschaltung an die Frequenz des HF-Generators 24
anzupassen. Die sich ergebende transformatorähnliche Kopplung
ist so beschaffen, daß das Feld 20 leistungsstark genug ist,
ein Plasma 22 innerhalb der Kammer 30 zu zünden und
aufrechtzuerhalten. Ein Isolator 32 ist zwischen einer
elektrostatischen Abschirmung 34 und der Hauptspule 18
angeordnet, um Überschläge zu verhindern. Die elektrostatische
Abschirmung 34 läßt nur elektromagnetische Felder durch und
hält elektrostatische Felder vom Eintritt in die Kammer 30 ab.
Ein planares Fenster 36, vorzugsweise aus Quarz, dichtet das
Innere der Kammer 30 vor der Außenatmosphäre ab und gestattet
den Einschluß von Gasen bei Vakuumdrücken. Das Fenster 36
gestattet dem magnetischen Feld 20 den Eintritt in die Kammer
30 und ist typischerweise größer als die Länge und Breite der
Hauptspule 18. Die Hauptspule 18 ist vorzugsweise auf einer dem
Fenster 36 benachbarten Seite derart abgeflacht, daß der
Durchtritt des Feldes 20 durch das Fenster 36 verbessert ist.
Das Fenster 36 kann ebenfalls aus Keramik hergestellt sein.
Jedoch gestattet ein transparentes Fenster 36 die Verwendung
eines Interferometers bei Lichtfrequenzen, die durch das Plasma
22 nicht gestört werden, um Messungen bezüglich des
Fortschreitens der Arbeiten innerhalb der Kammer 30
durchzuführen.
Das System 10 enthält ferner eine Elektrode 38, die von
der Kammer 30 durch einen Ringisolator 40 elektrisch isoliert
ist. Ein Anschluß 42 gestattet das Anlegen externer
elektrischer Potentiale an die Elektrode 38 in einer solchen
Weise, daß durch das Plasma 22 erzeugte Ionen auf einen Wafer
44 zu angezogen werden können, der auf einer Elektrode 38
befestigt ist. Die longitudinale Achse X-X der Hauptspule 18
ist im wesentlichen parallel zum Plasma 22, dem Fenster 36 und
dem Wafer 44 ausgerichtet. Elektronen innerhalb des Plasmas 22
oszillieren typischerweise parallel zum Wafer 44 über einen
Abschnitt von ungefähr 4,5 Zentimetern hin und her. Dieser
relativ große Abstand der Elektronenoszillation unterstützt die
Gleichförmigkeit des Plasmas 22. Die Rate an Stromänderung
(dI/dt) innerhalb der Hauptspule 18 erzeugt den prinzipiellen
Koppelungsmechanismus mit diesen Elektronen. Die sogenannte
Nicht-Gleichförmigkeit des Systems 10 wurde als geringer, bzw.
als besser als 5% gemessen. Das Plasma 22 ist im wesentlichen
zweidimensional und erstreckt sich vorzugsweise nicht in den
Bereich des Wafers 44. In dem Plasma 22 durch das Hin- und
Herlaufen der Elektronen erzeugte Ionen werden typischerweise
in eine Richtung "C" durch die Elektrode 38 beschleunigt.
Innerhalb der Kammer 30 existieren vorzugsweise eine oder
mehrere Oberflächen zum Befestigen eines zu bearbeitenden
Gegenstandes oder von zu bearbeitenden Gegenständen. Der Wafer
44 ist typischerweise ein Silicium-Wafer mit sechs inch
Durchmesser. Andere Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung können Plasmen erzeugen, die für Wafer mit zwölf inch
Durchmesser und größer geeignet sind. Um die größeren Wafer-
Abmessungen aufzunehmen, wird die Größe des Systems 10, wie
z. B. die Größe der Hauptspule 10 und der Kammer 30 proportional
vergrößert. Die Flußdichte der im Plasma 22 erzeugten Ionen
kann durch Einstellen der Leistungsabgabe des Generators 23
gesteuert werden. Die Ionenenergie der auf den Wafer 44
auftreffenden Ionen kann durch Einstellen des an die Elektrode
38 angelegten Potentials in unabhängiger Weise gesteuert
werden. Eine Quelle von Prozeßgas 46 versorgt die Kammer 30
durch eine Einlaßöffnung 48. Eine Vakuumpumpe 50 regelt den
Druck innerhalb der Kammer 30 durch eine Auslaßöffnung 52.
Systeme für das Zuführen von Prozeßgasen und zum Steuern des
Druckes innerhalb des Gehäuses sind auf diesem Fachgebiet gut
bekannt und benötigen keine weitere Beschreibung. Die
Ionendichte wird natürlich von den in der Kammer 30 verwendeten
Gasen und Drücken abhängen, da die Dichte des Plasmas 22 von
diesen Parametern abhängt.
Die Fig. 2A, 2B und 2C stellen eine Hauptspule 60 und
einen Kondensator 62 dar, die in ihrer Funktion und in ihrem
Zweck der Hauptspule 18 und dem Kondensator 12 aus Fig. 1
ähnlich sind. Ein Fenster 64 gestattet es einem durch die Spule
60 erzeugten Feld, in ein Gehäuse 66 einzutreten, in welchem
ein zu bearbeitender Wafer 68 angeordnet ist. Die Hauptspule 60
umfaßt eine Vielzahl von Windungen 70 bis 77. Wie am besten aus
Fig. 2C zu erkennen ist, sind die Windungen 70 bis 77 dem
Fenster 64 benachbart abgeflacht. Dies gestattet eine stärkere
magnetische Feldänderung für den Eintritt in das Gehäuse 66.
Die Fig. 3 und 4 stellen alternative Ausführungsformen
des in Fig. 2A bis 2C Gezeigten dar. In Fig. 3 umfaßt eine
Hauptspule 80 eine Serie von Abgriffen 81 bis 87, die mit jeder
Windung verbunden sind. Ein Kondensator 88 ist parallel zur
Hauptspule 80 angeschlossen. Ein Abgriff oder ein Satz von
Abgriffen nahe dem Zentrum bzw. der Mitte der Hauptspule 80
kann somit verwendet werden, um einen Pfad nach Masse oder zu
einer zweiten Quelle elektrostatischer HF-Leistung zur
Verfügung zu stellen, um die Ionen in der Kammer 30 zu
beschleunigen. Die Abgriffe 81 bis 87 sind jeweils mit einer
Serie parallel ausgerichteter langgestreckter Platten 91 bis 97
auf einem dielektrischen Fenster 98 verbunden. Die
elektrischen Verbindungen der Platten 91 bis 97 zu Punkten an
der Hauptspule 80 sind derart vorgenommen, daß ein Anteil der
Spannung über der resonanten Schaltung mehr oder weniger
gleichmäßig über die Platten verteilt ist und ein planares
Plasma innerhalb eines in enger Nähe und parallel zu dem
Fenster 98 angeordneten Gehäuses induzieren wird.
Fig. 4 zeigt eine alternative Abgriffanordnung. Diese
Abgriffe können ebenfalls vorteilhaft bei Spulen 18 und 60
verwendet werden. Die Plasmaerzeugung unter Verwendung
elektrischer Feldkopplung ist manchmal effektiver als die
magnetische Feldkopplung, insbesondere für Gasdrücke oberhalb
einiger hundert Pascal. In Fig. 4 umfaßt eine Hauptspule 100
ein Paar Abgriffe 102 und 104, die jeweils mit der Außenseite
einer Spulenwindung verbunden sind. Ein Kondensator 106 ist an
der Spule 100 angeschlossen und bildet eine induktiv-
kapazitive-resonante Schaltung. Eine sehr große Spannung wird
sich zwischen den Abgriffen 102 und 104 entwickeln, wenn
hochfrequente Leistung bei der Resonanzfrequenz, beispielsweise
durch das in Fig. 1 dargestellte Verfahren bzw. die in Fig. 1
dargestellte Vorrichtung, in die Spule 100 eingekoppelt wird.
Die Abgriffe 102 und 104 sind mit einer Vielzahl
langgestreckter planarer Platten 108, 110, 112 und 114 auf
einer Ebene mit einem dielektrischen planaren Fenster 116
verbunden. Die elektrischen Verbindungen der Platten 108, 110,
112 und 114 zur Hauptspule 80 koppeln eine Spannung über der
resonanten Schaltung innerhalb des das Gas einschließenden
Gehäuses ein, um ein planares Plasma darin zu erzeugen. Das
Plasma ist parallel zu dem Fenster 116 Das in dem Gasgehäuse
bzw. in der Kammer für das Gas induzierte elektrostatische Feld
ist hauptsächlich für die Erzeugung des Plasmas verantwortlich
und das magnetische Feld der Spule 100 wird durch Trennen der
Spule 100 von der das Gas enthaltenden Kammer reduziert oder
herausgefiltert. Die Platten 108, 110, 112 und 114 sind wie
Abschnitte eines einzelnen Kreises geformt, um eine äußere
kreisförmige Grenze für das planare Plasma zu unterstützen.
Diese besondere Form ist bei der Halbleiterwafer-Bearbeitung
nützlich, da die Wafer typischerweise runde Scheiben aus einem
zylindrischen Körper eines Kristalls aus Halbleitermaterial
sind.
Die Theorie des Betriebs der Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung kann in Termen der mittleren freien
Weglänge der Elektronen in dem Prozeßgas, des Elektronen-
Oszillationsabstands für die Ionisationsenergie und den
Dimensionen der Kammer 30 verstanden werden. Die mittlere freie
Weglänge der Elektronen ist als die mittlere Distanz definiert,
die ein Elektron zwischen Kollisionen mit den Gasmolekülen
zurücklegt. Diese ist durch den Gasdruck in der Kammer
bestimmt. Die mittlere freie Weglänge der Elektronen wird
ferner durch die Größe der Gasmoleküle, die Energie der
Elektronen und durch andere Faktoren beeinflußt. Für einen
Druck von einem Pascal und einer Maximumenergie von 10
Elektronenvolt ist der Abstand der mittleren freien Weglänge
der Elektronen bei üblichen Prozeßgasen ungefähr drei
Zentimeter. Dieser Abstand ändert sich invers (bzw. im
wesentlichen umgekehrt proportional) zum Druck. Für eine
sinusförmige Elektronenoszillation mit zehn Elektronenvolt
Spitzen-Elektronenenergie bei einer HF-Frequenz von 13,56 MHz
(eine üblicherweise verwendete Plasmaerzeugungsfrequenz)
beträgt der Elektronenoszillationsabstand ungefähr 4,4
Zentimeter. Da die Masse eines Ions so viel größer als die
Masse eines Elektron ist, wird unter der Voraussetzung, daß die
leistungseinkoppelnde Frequenz bei 13,56 MHz bleibt, keine
signifikante Bewegung der positiven Ionen innerhalb des Plasmas
22 stattfinden.
Sowohl die mittlere freie Weglänge der Elektronen bei
einem Druck von einem Pascal als auch der Elektronen-
Oszillationsabstand für die Ionisierungsenergie sind größer als
der normalerweise zwischen parallelen Plattenelektroden in
einer Plasmakammer verwendete Abstand. Deshalb ist eine
wirkungsvolle Plasmaerzeugung bei Drücken von einem Pascal oder
weniger allein durch Anlegen von HF-Leistung zwischen einem
Satz paralleler Elektroden nicht möglich. Bei der vorliegenden
Erfindung, wie z. B. dem System 10, betragen die
Kammerabmessungen parallel zu den Elektroden typischerweise
zwanzig bis vierzig Zentimeter, so daß Elektronen mit
Ionisierungsenergie mehrfache Oszillationen parallel zum Wafer
44, ohne auf die Elektroden oder die Kammerwände aufzutreffen,
durchführen können. Dies stellt hohen Wirkungsgrad im Hinblick
auf die Wandelung von Elektronenenergie in Ionisationsenergie,
selbst für die relativ großen mittleren freien Weglängen der
Elektronen bei niedrigem Druck, zur Verfügung.
Das die Elektronen aufgrund des elektrischen Feldes
beschleunigende Feld ist im wesentlichen parallel zu der Achse
der Hauptspule ausgerichtet, während das die Elektronen
aufgrund des sich ändernden magnetischen Feldes beschleunigende
Feld im wesentlichen parallel zu den Windungen der Hauptspule
benachbart zu dem Fenster ist, das im wesentlichen senkrecht zu
der Achse der Hauptspule verläuft. Somit kann entweder eines
oder beide der sich ändernden elektrischen und magnetischen
Felder der Hauptspule 18 zur im wesentlichen zur Oberfläche des
Fensters 36 parallelen Elektronenbeschleunigung in dem
Prozeßgas innerhalb der Kammer 30 verwendet werden. Die
maximale Kopplung sowohl elektrischer als auch magnetischer
Felder aus der Hauptspule durch das Fenster in die Kammer wird
mit der an einer Seite zum Bilden einer Serie von Stegen
benachbart zu dem Fenster abgeflachten Hauptspule zur Verfügung
gestellt.
Da verschiedene Anwendungen unter verschiedenen
Bedingungen sowohl von dem elektrischen als auch dem
magnetischen Feld profitieren können, kann jedes Feld
dominierend ausgebildet werden. Die elektrische Abschirmung 34
Fig. 1) umfaßt isolierte Leiter, die im wesentlichen parallel
zu der Achse der Hauptspule 18 und dem Fenster 36 verlaufen.
Das sich ändernde elektrische Feld, welches durch das Fenster
36 in die Kammer 30 eintritt, wird minimiert und das sich
ändernde magnetische Feld dominiert. Fig. 3 zeigt, daß durch
Befestigung von Stegen auf Ständern und deren Befestigung
entlang der Hauptspule parallel zu der Achse der Hauptspule,
wobei die Hauptspule von dem Fenster 36 durch die Länge der
Stege beabstandet ist, das durch das Fenster tretende
magnetische Feld reduziert wird und das elektrische Feld
dominieren kann.
Die zum Beschleunigen der Ionen senkrecht zu dem Wafer
verwendete unabhängige HF-Quelle wird zwischen der Elektrode,
auf welcher der Wafer angeordnet ist, und eine entweder durch
die parallelen Stege der Hauptspule benachbart zu dem Fenster
gebildeten Elektrode oder durch eine elektrische Abschirmung
zwischen dem Fenster und der Hauptspule gebildet. Diese
unabhängige HF-Quelle kann an entweder an die Wafer-Elektrode
38 oder die durch die Stege der Hauptspule oder die elektrische
Abschirmung gebildete Elektrode angelegt werden.
Die Trennung beider Funktionen, Ionendichte (-fluß,
Fluß) und Ionenenergie (-feld, Feld) ist möglich, da das Plasma
selbst einen relativ guten Leiter bildet, der von den
Kammeroberflächen und dem Wafer durch eine Umhüllung relativ
hoher Impedanz, oder einem Leerraum, beabstandet ist, so daß
die Spannung von einer Seite des Plasmas zur anderen relativ
gering ist, obwohl die Spannung zwischen der durch die Stege
gebildeten Elektrode und der anderen Elektrode groß sein kann.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht
aus einem Plasmasystem, das eine Hauptspule mit einer
abgeflachten Seite und einen Parallelkondensator enthält, die
einen abgestimmten Kreis bilden, wobei in diese durch eine HF-
Frequenz-Anpassungsstufe durch einen Generator Energie
eingekoppelt wird. Eine Verarbeitungskammer mit einem
Quarzglas, die ein Gas mit niedrigem Druck umschließt, ist der
flachen Seite der Hauptspule benachbart und ein
zweidimensionales Plasma in der Form einer kreisförmigen
Scheibe wird durch eine hohe Änderungsrate des durch die
Hauptspule fließenden Stroms gezündet und aufrechterhalten.
Eine in der Kammer dem Fenster gegenüberliegende Elektrode wird
zum Befestigen eines Halbleiterwafers für die Bearbeitung
verwendet und ein an die Elektrode angelegtes Potential steuert
die Ionenenergie angezogener und aus dem Plasma heraus
beschleunigter Ionen.
Claims (7)
1. Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmas mit einer gasdichten
Umhüllung, die wenigstens zum Teil durch ein im
wesentlichen ebenes elektrisch isolierendes Fenster
berandet ist,
einer Einrichtung zum Einführen einer Vielzahl von Prozeßgasen in die Umhüllung,
einer Einrichtung zum Steuern des Druckes des Prozeßgases,
einer außerhalb in der Nähe der Umhüllung und zu dem isolierenden Fenster benachbart befestigten Spule, wobei eine Achse der Spule im wesentlichen parallel zu dem isolierenden Fenster angeordnet ist, und
einer Einrichtung zum Koppeln einer hochfrequenten Leistungsquelle an die Spule, um das Fließen eines Stroms durch die Spule zu bewirken, wobei ein Plasma gezündet und parallel zu dem isolierenden Fenster aufrechterhalten werden kann.
einer Einrichtung zum Einführen einer Vielzahl von Prozeßgasen in die Umhüllung,
einer Einrichtung zum Steuern des Druckes des Prozeßgases,
einer außerhalb in der Nähe der Umhüllung und zu dem isolierenden Fenster benachbart befestigten Spule, wobei eine Achse der Spule im wesentlichen parallel zu dem isolierenden Fenster angeordnet ist, und
einer Einrichtung zum Koppeln einer hochfrequenten Leistungsquelle an die Spule, um das Fließen eines Stroms durch die Spule zu bewirken, wobei ein Plasma gezündet und parallel zu dem isolierenden Fenster aufrechterhalten werden kann.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
eine dem Fenster benachbarte Seite der Spule abgeflacht
ist, um die Kopplung zwischen der Spule und dem Plasma
innerhalb der Umhüllung zu verbessern.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch
eine Einrichtung zum Erzeugen eines stabilen magnetischen
Feldes mit einer Feldrichtung im wesentlichen senkrecht zu
dem isolierenden Fenster.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Elektrode innerhalb der Umhüllung
dem isolierenden Fenster gegenüberliegend befestigt ist und
eine Verbindung zu einer HF-Leistungsquelle hat, wobei auf
innerhalb des Plasmas erzeugte Ionen eine
Beschleunigungsenergie in Richtung der Elektrode
aufgebracht werden kann.
5. Vorrichtung nach Anspruch einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß eine hochfrequente
Leistungsquelle zwischen einem Punkt der Spule und einem
durch das Potential der leitfähigen Abschnitte der
Umhüllung definierten Massepotential angelegt ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrostatische
Abschirmung zwischen der Spule und der Umhüllung angeordnet
ist, in welcher nur ein durch die Spule erzeugtes
elektromagnetisches Feld stark genug ist, um ein planares
Plasma zu zünden und aufrechtzuerhalten.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
eine isolierende Schicht zwischen der Spule und der
elektrostatischen Abschirmung zum Verhindern elektrischer
Überschläge von der Spule zur elektrostatischen Abschirmung
angeordnet ist.
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