DE4445762A1

DE4445762A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen absoluter Plasmaparameter

Info

Publication number: DE4445762A1
Application number: DE4445762A
Authority: DE
Inventors: Michael Dr Klick
Original assignee: ADOLF SLABY INST FORSCHUNGSGES
Current assignee: ADOLF SLABY INST FORSCHUNGSGES
Priority date: 1994-12-21
Filing date: 1994-12-21
Publication date: 1996-06-27
Also published as: ES2109045T3; US5705931A; JP2872954B2; JPH08222396A; DE69500694D1; DE69500694T2; ATE158134T1; US5861752A; EP0719077A1; EP0719077B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bestimmen absoluter Plasmaparameter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und auf eine Vorrichtung insbesondere zum Messen des Entladungsstroms an einem Plasmareaktor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7.

Unter einem Plasma wird in der Physik ein ionisiertes Gas verstanden. Bei diesem Prozeß wird ein Gasmolekül ionisiert, d. h. in ein freies Elektron und ein positives Ion (ionisiertes Molekül) aufgespalten. Dieser Prozeß wird auch als Elektronenstoßionisation bezeichnet. Das Anlegen eines hochfrequenten Wechselfeldes führt zur Energieaufnahme durch die Elektronen für einen unelastischen Stoß. Die Elektronen treffen auf andere Gasmoleküle, die dann wieder, wie zuvor beschrieben, in freie Elektronen und positive Ionen aufgespalten werden. Durch diesen Prozeß bildet sich im gesamten Reaktor ein Plasmazustand. Da die Ladungsträger, nämlich die freien Elektronen und positiven Ionen, zu den Reaktorwänden hin abfließen, rekombinieren Elektronen und Ionen auf der Wand. Dadurch bildet sich wie der ein Gasmolekül, so daß sich im Reaktor letztlich ein Gleichgewicht einstellt.

Das hochfrequente Wechselfeld wird mittels einer Parallelplattenanordnung im Plasmareak tor erzeugt, bei welcher eine getriebene Hochfrequenz(HF)-Elektrode einer Masseelektrode gegenüberliegt. Die HF-Elektrode wird auch "heiße" Elektrode genannt. Nachfolgend wird unter dem Begriff "Masseelektrode" die eigentliche, der HF-Elektrode unmittelbar gegen überliegende, elektrisch die Masse darstellende Elektrode einschließlich der ebenfalls als Masse wirkenden Teile der Reaktorwand verstanden. In aller Regel sind die Elektroden des Plasmareaktors horizontal angeordnet, wobei sich die HF-Elektrode nahe und parallel zum Reaktorboden erstreckt.

Unter einem HF-Niederdruckplasma wird nachfolgend ein Plasma mit einer Anregungsfre quenz zwischen 10 und 100 MHz und einem Druck von 0,1 bis 100 Pa, vorzugsweise 0,1 bis 20 Pa, verstanden. Das Gas befindet sich also unter einem bestimmten konstanten Druck (Vakuum) im Reaktor. Es kann auch kontinuierlich in den Reaktor eingeleitet und aus die sem abgezogen werden.

Die Plasmaprozesse finden somit in einem evakuierten Reaktor statt. HF-Niederdruckplas men werden im Bereich der Grundlagenforschung und vor allem auf dem Gebiet der Halb leitertechnik verwendet. Bekannt sind z. B. Verfahren wie das Plasmaätzen (Plasma Etching, PE), das reaktive Ionenätzen (Reactive Ion Etching, RIE) und das plasmaunter stützte chemische Abscheiden (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD).

Für HF-Niederdruckplasmen sind im wesentlichen die nachfolgenden Methoden der Plas madiagnostik bekannt.

Bei den optischen Methoden handelt es sich vor allem um emissionsspektrometrische Verfah ren, wobei die Emission teilweise auch extern angeregt wird. Dem Vorteil einer kaum wahr nehmbaren Beeinflussung des Meßobjektes steht bei diesen Verfahren jedoch der Nachteil gegenüber, daß in aller Regel nur relative Meßergebnisse gewonnen werden können. Mas senspektrometrische Verfahren gestatten die Bestimmung der relativen Intensität oder auch die massenselektive Bestimmung der Ionenenergieverteilung. Die Bestimmung absoluter Werte für Teilchen- oder Stromdichten ist wegen des kleinen Öffnungswinkels und der nichtkonstanten Transmission im allgemeinen nicht möglich. Mit Hilfe von Langmuir-Son den ist die Bestimmung lokaler Plasmaparameter, wie z. B. der Elektronen- und Ionen stromdichte und der Elektronenenergie, möglich. In reaktiven oder schichtbildenden Plas men können Langmuir-Sonden jedoch nur sehr beschränkt eingesetzt werden. Mit Hilfe der Mikrowelleninterferometrie können integrale Plasmaparameter, wie z. B. die mittlere Elek tronendichte, bestimmt werden. Die Frequenz der Mikrowellen liegt über der lokalen Elek tronenplasmafrequenz, um die Wellenausbreitung im Plasma zu ermöglichen. Dieses Ver fahren erfordert im allgemeinen eine starre Referenzleitung (in Form eines Hohlleiters) und ist daher wenig flexibel. Außerdem ist für eine genaue Bestimmung der mittleren Elektro nendichte die Kenntnis der räumlichen Elektronendichteverteilung notwendig. Diese müßte zusätzlich beispielsweise mit einer Langmuir-Sonde ermittelt werden. Integrale Plasmapa rameter können aber auch mit Hilfe von Resonanzsonden bestimmt werden. Diese nutzen die Resonanzfähigkeit des Plasmas einschließlich seiner Randschichten zu umgebenden Festkörpern. Die Plasmaresonanzfrequenz liegt in Abhängigkeit von der Dicke der Rand schichten stets geringfügig unter der Elektronenplasmafrequenz. Resonanzsonden können bei HF-Entladungen nicht eingesetzt werden, da die Entladung selbst ein breites Spektrum an Oberwellen erzeugt und somit die Antwort der extremen Anregung über die Resonanz sonde überdeckt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art anzu geben, mit dem absolute Plasmaparameter zuverlässig und reproduzierbar bestimmbar sind. Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung insbesondere zum Mes sen des Entladungsstroms an einem Plasmareaktor zu schaffen.

Diese Aufgabe wird verfahrensseitig durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung basiert auf einem hochfrequenten Meßsystem, das unempfindlich gegen dünne, aber im allgemeinen optisch dichte Schichten ist, so daß das erfindungsgemäße Ver fahren relativ unempfindlich gegen Verschmutzungen, Schichtbildung und reaktive Stoffe ist. Daraus folgt ferner eine hohe Langzeitstabilität des Verfahrens und damit eine hohe Zu verlässigkeit und Reproduzierbarkeit der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimm ten absoluten Plasmaparameter.

Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird aus dem zeitlichen Verlauf des Entladungsstroms wenigstens eine Resonanzfrequenz der Entladung bestimmt, auf welcher sich die Entladung durch infolge der Nichtlinearität der Raumladungsschicht vor der HF-Elektrode erzeugte Oberwellen im Entladungsstrom selbst anregt. Bei dieser Reso nanzfrequenz handelt es sich nicht um die eigentliche Plasmafrequenz, die die Resonanz im Plasma selbst ohne Beteiligung der Randschichten beschreibt, sondern um eine um einen Geometriefaktor darunterliegende geometrische Resonanz. Diese ist bei einer stark unsym metrischen HF-Entladung besonders ausgeprägt. Günstig ist dabei, daß durch die Selbstan regung eine erzwungene, d. h. externe, Anregung nicht erforderlich ist.

Vorteilhafterweise wird aus dem zeitlichen Verlauf des Entladungsstroms die Ionendichte verteilung in der Raumladungsschicht vor der HF-Elektrode bestimmt, wobei der gemes sene Entladungsstrom einen frequenzunabhängigen Tell des gesamten Entladungsstroms bildet und wobei der frequenzunabhängige Teil des gesamten Entladungsstroms vorzugs weise über die Flächenverhältnisse von als Masseelektrode wirkendem Teil des Reaktors zur HF-Elektrode bestimmt wird. Günstig ist dabei, daß aus der ermittelten Ionendichtevertei lung bei Kenntnis der zeitlich mittleren Potentialdifferenz zwischen Plasma und HF-Elek trode die mittlere Ionenenergie der Ionen beim Auftreffen auf die Elektrodenoberfläche ermittelt werden kann. Die mittlere Ionenenergie ist ein wichtiger Prozeßparameter beim Bearbeiten eines sich auf der HF-Elektrode befindenden Substrats, wie z. B. einer Halblei terplatte.

Günstig ist ferner, daß aus dem zeitlichen Verlauf des Entladungsstroms die Dämpfungs konstante des durch Stöße der Elektronen mit Neutralteilchen des Plasmas gedämpft schwingenden Systems bestimmt wird. Aus der Dämpfungskonstante läßt sich nämlich eine effektive Elektronenanstoßrate (auch effektive Elektronenstoßfrequenz genannt) bestimmen, welche ein Maß für die Stöße der Elektronen mit den Neutralteilchen des Plasmas ist.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Be stimmung des Absolutwertes der mittleren Schichtdicke der Raumladungsschicht vor der HF-Elektrode und/oder zur Bestimmung der mittleren Ionenenergie ferner das an der HF- Elektrode anliegende Potential oder zumindest dessen Gleichanteil bestimmt. Dadurch las sen sich auf zuverlässige und letztlich kostengünstige Weise wichtige, das Plasma charakte risierende Parameter ermitteln, die beispielsweise Rückschlüsse auf den Ätzprozeß zulassen.

Die vorgenannte Aufgabe wird auch durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des An spruchs 7 gelöst.

Erfindungsgemäß ermöglicht die Meßelektrode, den Entladungsstrom an der Reaktorwand zu messen, wobei die Meßelektrode einen virtuellen Teil der Wand darstellt. Die durch die Meßelektrode bewirkte Potentialänderung (Spannungsabfall) soll erfindungsgemäß hinrei chend klein gegenüber dem Potential zwischen Plasma und Masseelektrode sein. Die vorge nannte Potentialänderung beträgt etwa zwischen 5 und 100 mV, vorzugsweise etwa 10 bis 20 mV, und liegt damit um mehrere Größenordnungen unter dem Plasmapotential.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Meß elektrode mittels einer elektrisch isolierenden Vakuumdurchführung am Reaktor befestigt und weist einen stabförmigen, außerhalb des Reaktors geerdeten elektrischen Leiter auf der mit einem aus dem gemessenen Strom eine Spannung erzeugenden Stromwandler verbun den ist. Diese Weiterbildung stellt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vor richtung mit einfachem konstruktivem Aufbau und der möglichen Verwendung handelsübli cher Vakuumdurchführungen dar. Aufgrund der möglichen großen Elektrodenfläche hat diese Meßelektrode eine relativ hohe Empfindlichkeit.

Vorteilhafterweise ist ein mittels einer elektrisch isolierenden Vakuumdurchfahrung am Re aktor befestigter Meßaufnehmer vorgesehen, der einen mit der Meßelektrode verbundenen Innenleiter, einen diesen mantelförmig umgebenden Isolierkörper, die Isolierung der Meß elektrode und einen mit der Reaktorwand verbundenen Außenleiter aufweist. Dieser Meß aufnehmer stellt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar. Günstig ist dabei, daß ein solcher Meßaufnehmer eine hohe Bandbreite hinsichtlich der zu messenden Frequenz hat. Diese reicht von der Anregungsfrequenz des Plasmas, z. B. von 13,56 MHz, bis über die Plasmaresonanzfrequenz, so daß Messungen des Entladungsstro mes mit einer Frequenz von mehr als 300 MHz bis etwa 500 MHz möglich sind.

Vorteilhafterweise ist die Vakuumdurchfürung bei der vorerwähnten zweiten Ausfüh rungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung beidseitig mit einem Koaxialanschluß verse hen, der mit einem entsprechenden, mit dem Innenleiter, dem Isolierkörper und dem Außen leiter verbundenen Gegenauschluß verbindbar ist. Damit ist es möglich, den Meßaufnehmer auch im Reaktor bis an die eigentliche Meßelektrode heran als Koaxialkabel auszubilden, um die vorgenannte möglichst hohe Bandbreite zu erreichen. Der Meßaufnehmer kann des halb auf einfache und kostengünstige Weise ein "abgeschnittenes" Koaxialkabel mit einer unmittelbar daran angefügten Meßelektrode darstellen. Ein Trennen von Meßelektrode und Vakuumdurchführung ist durch die Koaxialanschlüsse ohne weiteres möglich, so daß die Einzelteile des Meßaufnehmers, sollte dies gewünscht sein, schnell ausgetauscht werden können.

Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden nachfolgend anhand der Zeich nung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaubild, in dem der gemessene Teil des Entladungsstrom über der normierten Zeit aufgetragen ist;

Fig. 2 ein Schaubild, in dem das Fourier-Spektrum des gemessenen Stroms über der normierten Frequenz aufgetragen ist;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Bestimmen absoluter Plasma parameter;

Fig. 4 eine schematische, teilweise geschnittene Ansicht einer Vorrichtung zum Messen des hochfrequenten Entladungsstroms an einem Reaktor gemäß einer ersten Aus führungsform;

Fig. 5 eine schematische, teilweise geschnittene Ansicht einer Vorrichtung zum Messen des hochfrequenten Entladungsstroms an einem Reaktor gemäß einer zweiten Aus führungsform; und

Fig. 6 eine schematische, teilweise geschnittene Ansicht einer Vorrichtung zum Messen des hochfrequenten Entladungsstroms an einem Reaktor gemäß einer dritten Aus führungsform.

Eine Vorrichtung 1 zum Bestimmen absoluter Plasmaparameter unsymmetrischer Hochfre quenz (HF)-Niederdruckplasmen ist schematisch in Fig. 3 gezeigt.

In einem Reaktor 2, nachfolgend auch Plasmareaktor genannt, befindet sich eine Elektrode 3, die sich horizontal unter Belassung eines Abstandes parallel zur Oberwand 4 des Reak tors 2 erstreckt und elektrisch mit der Oberwand verbunden ist. Ferner weist der Reaktor 2 Seitenwände 5, 6 auf die einerseits mit der Oberwand 4, andererseits mit einer Bodenwand 7 verbunden sind.

Nahe der Bodenwand 7 und parallel zu dieser erstreckt sich in horizontaler Richtung die Hochfrequenz (HF)-Elektrode 10, die elektrisch über eine Leitung 11 mit einem Anpaß netzwerk 12 und über eine weitere Leitung 13 mit einem Generator 14 verbunden ist. Der Generator 14 erzeugt eine Spannung mit sinusförmigem Verlauf. Die Leitung 11 weist zu mindest im Bereich ihrer Durchführung durch die Bodenwand 7 eine Isolierung 15 auf so daß die HF-Elektrode 10 und die Leitung 11 elektrisch nicht mit der Bodenwand 7 verbun den sind. Wie bereits weiter oben erwähnt, wird die Elektrode 3 einschließlich der Wände 4, 5, 6 und 7 des Reaktors 2 nachfolgend als Masseelektrode bezeichnet. In dem Reaktor 2 befindet sich im Bereich 16 zwischen der HF-Elektrode 10 und der Elektrode 3 das Plasma 17. Es wird darauf hingewiesen, daß in Fig. 3 der Bereich 16 lediglich aus zeichnerischen Gründen in Form von geraden Linien dargestellt ist.

An der Seitenwand 5 ist ein Meßaufnehmer 20 befestigt, mit dessen Hilfe ein Teil des hoch frequenten Entladungsstroms, nämlich der Teil des Stroms, der auf die in der Seitenwand 5 sitzende Meßelektrode 21 trifft, gemessen wird. Der Meßaufnehmer 20 ist mit einem Ana log/Digital (A/D)-Wandler 22, beispielsweise einem digitalen Speicheroszilloskop, verbun den. Der A/D-Wandler 22 ist an eine Datenverarbeitungsanlage 23, beispielsweise einen Personal Computer, angeschlossen.

Die von dem Meßaufnehmer 20 gemessenen analogen Signale gelangen über die Leitung 24 zum A/D-Wandler 22, welcher die analogen Signale (Daten) in digitale Signale umwandelt und über die Leitung 25 zur Datenverarbeitungsanlage 23 weitergibt. Die Steuerung des A/D-Wandlers 22 erfolgt mittels der Datenverarbeitungsanlage 23 über die Leitung 26.

Über einen Spannungsteiler 27, vorzugsweise einen Tastkopf, ist die das Anpaßnetzwerk 12 mit der HF-Elektrode 10 verbindende Leitung 11 mit Hilfe der Leitung 30 an den AT)- Wandler 22 angeschlossen.

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren mit Bezug auf die Fig. 1 bis 3 näher be schrieben.

Durch das Anlegen eines hochfrequenten Wechselfeldes werden die sich in dem Reaktor 2 befindenden Gasmoleküle ionisiert, d. h. in freie Elektronen und positive Ionen aufgespalten. Im Plasmazustand bilden sich im Reaktor 2 Stromlinien 31 mit jeweils in bezug auf die Symmetrieachse 32 radialer und axialer Komponente aus. Der besseren Übersicht halber sind in Fig. 3 lediglich zwei Stromlinien 31 dargestellt. Die Stromlinien verlaufen von der HF-Elektrode 10 zur Masseelektrode (Elektrode 3, Oberwand 4, Seitenwände 5, 6, Bo denwand 7). Sie stehen sowohl auf der HF-Elektrode als auch auf dem betreffenden Teil der Masseelektrode senkrecht. Der Einfachheit halber sind in Fig. 3 die Stromlinien 31 lediglich innerhalb des Bereichs 16 dargestellt.

Mit Hilfe der Meßelektrode 21 des Meßaufnehmers 20 wird ein Teil des hochfrequenten Entladungsstroms, nämlich der auf die Meßelektrode 21 auftreffende Teil des Entladungs stroms, gemessen. In Fig. 1 ist dieser gemessene Teil des Entladungsstroms I_p über der normierten Zeit aufgetragen. Für die normierte Zeit gilt die Beziehung:

ϕ = ω_o × t

wobei ω_o die Anregungsfrequenz [1/s] und t die Zeit [s] bezeichnen. Dieses Schaubild gilt für einen Druck p von 10 Pa und für eine Anregungsfrequenz von 13,56 MHz.

Ferner ist in Fig. 1 das Elektrodenpotential U, welches an die HF-Elektrode 10 und die Elektrode 3 angelegt wird, über der normierten Zeit aufgetragen.

Fig. 1 verdeutlicht einen sägezahnlichen Verlauf mit überlagerten Schwingungen des über der normierten Zeit aufgetragenen gemessenen Entladungsstroms. Ein solcher Verlauf bedeutet innerhalb der Periodendauer einer Schwingung zunächst einen steilen Anstieg und einen sich daran anschließenden allmählichen Abfall des gemessenen Stroms. Dieser säge zahnähnliche Verlauf ergibt sich infolge nichtlinearer Verzerrungen aufgrund der Nichtli nearität einer Raumladungsschicht 33 vor (in der Darstellung gemäß Fig. 3 über) der HF- Elektrode 10. Durch die Nichtlinearität der Raumladungsschicht werden im Entladungs strom Oberwellen erzeugt. Durch die Abhängigkeit der Schichtdicke der Raumladungs schicht von der Potentialdifferenz zwischen dem Plasma und der HF-Elektrode wirkt die Raumladungsschicht als nichtlineare Kapazität. Die nichtlineare Wirkung der Raumladungs schicht wird deutlich durch die Ionendichteverteilung in der Raumladungsschicht vor der HF-Elektrode 10 beeinflußt.

Das über der normierten Zeit in Fig. 1 aufgetragene Elektrodenpotential U zeigt einen an ei ne sinusförmige Schwingung angenäherten Verlauf. Der besseren Darstellung halber ist die ser etwa sinusförmige Verlauf in Fig. 1 punktiert dargestellt.

Durch die träge Masse der Elektronen und die rückstellende Kraft aufgrund der elektrischen Felder in den Raumladungsschichten zwischen dem Plasma und der Masseelektrode auf der einen Seite bzw. zwischen dem Plasma und der HF-Elektrode auf der anderen Seite stellt die Entladung im Plasma und den Raumladungsschichten ein schwingungsfähiges System dar, dessen Eigenfrequenz unterhalb der Elektronenplasmafrequenz (auch Langmuir-Frequenz genannt) liegt. Durch die Stöße der Elektronen mit den Gas-Neutralteilchen wird das Sy stem gedämpft, so daß dieses letztlich eine gedämpfte Schwingung ausführt.

Durch die zuvor beschriebene Nichtlinearität der Raumladungsschicht vor der HF-Elektrode und die daraus resultierenden Oberwellen im Entladungsstrom regt sich das Plasma selbst zu Schwingungen an, die in der Nähe der Resonanzfrequenz besonders stark ausgeprägt sind. Dadurch ergibt sich im in Fig. 2 dargestellten Fourier-Spektrum des gemessenen Entla dungsstroms ein Maxinium etwa im Bereich der 10. bis 11. Oberwelle. Da in Fig. 2 das Fourier-Spektrum über der normierten Frequenz ω/ω_o aufgetragen ist, folgt daraus, daß die Resonanzfrequenz ω_r etwa zehnmal so groß wie die Anregungsfrequenz ω_o ist. Es wird darauf hingewiesen, daß die vorerwähnte Resonanzfrequenz nicht mit der Elektronenplas mafrequenz ω_pe gleichzusetzen ist.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß innerhalb der Periodendauer einer Schwingung etwa 10 über lagerte Schwingungen ausgeführt werden. Dies deckt sich in etwa mit der Darstellung in Fig. 2, gemäß der die Resonanzfrequenz etwa im Bereich der 10. bis 11. Oberwelle auftritt.

Die zuvor beschriebene Eigenanregung des Systems ist bei einer stark unsymmetrischen Hochfrequenzentladung besonders ausgeprägt. Bei einer solchen Entladung dominiert die Raumladungsschicht 33 vor der HF-Elektrode 10. Demgegenüber kann die Raumladungs schicht vor der Masseelektrode vernachlässigt werden. Da sich die Eigenanregung wenig stens bis zur 10. Oberwelle erstreckt, ist eine externe Anregung des Systems nicht erforder lich.

Erfindungsgemäß wird der hochfrequente Entladungsstrom in Form analoger Signale an ei nem als Masseelektrode wirkenden Teil des Reaktors 2 mit Hilfe der Meßelektrode 21 des Meßaufnehmers 20 gemessen und über die Leitung 24 zum A/D-Wandler 22 geleitet. Dort werden die gemessenen analogen Signale in digitale Signale umgewandelt. Letztere werden über die Leitung 25 zur Datenverarbeitungsanlage 23 geleitet. Mittels eines mathematischen Algorithmus werden die Plasmaparameter aus den von dem A/D-Wandler abgegebenen Si gnalen berechnet.

Der mathematische Algorithmus beruht auf einer geeigneten Darstellung für den Span nungsabfall über der Raumladungsschicht vor der HF-Elektrode nach dem Verschiebungs fluß an der Oberfläche der Elektrode in der das System beschreibenden Differentialglei chung. Letztere erfaßt auch die träge Masse der Elektronen, ihre Stöße mit den Neutralteil chen des Gases und den Ionenstrom zur Wand (Masseelektrode) bzw. zur HF-Elektrode. Durch eine anschließende Fourier-Transformation kann der die zu bestimmenden Parameter enthaltende Parametersatz durch algebraische Umformungen gewonnen werden.

Aus dem zeitlichen Verlauf des gemessenen Entladungsstroms läßt sich die bereits oben er wähnte wenigstens eine Resonanzfrequenz bestimmen, auf welcher sich die Entladung durch infolge der Nichtlinearität der Raumladungsschicht vor der HF-Elektrode erzeugte Oberwel len im Entladungsstrom selbst anregt. Wegen der Zweidimensionalität des Stromflusses (jede Stromlinie 31 in Fig. 3 hat eine axiale und eine radiale Komponente) und der Nichtli nearität der Raumladungsschicht können auch mehrere Resonanzfrequenzen auftreten. Bei höheren Drücken ergibt sich lediglich eine Resonanzfrequenz. Ferner läßt sich aus dem zeit lichen Verlauf des Entladungsstroms die Ionendichteverteilung in der Raumladungsschicht vor der HF-Elektrode bestimmen, wobei der gemessene Entladungsstrom einen frequenzun abhängigen Teil des gesamten Entladungsstrom bildet. Dieser frequenzunabhängige Teil des gesamten Entladungsstroms wird über die Flächenverhältnisse von als Masseelektrode wir kendem Teil des Reaktors zur HF-Elektrode bestimmt. Außerdem läßt sich aus dem zeitli chen Verlauf des Entladungsstroms die Dämpfungskonstante des gedämpft schwingenden Systems bestimmen. Sofern zusätzlich das an der HF-Elektrode anliegende Potential oder zumindest dessen Gleichanteil beispielsweise an einer Stelle 34 außerhalb des Reaktors 2 in Fig. 3 gemessen wird, können ferner der Absolutwert der mittleren Schichtdicke der Raum ladungsschicht vor der HF-Elektrode und die mittlere Ionenenergie bestimmt werden.

Mit Hilfe des zuvor beschriebenen Verfahrens können somit wichtige Plasmaparameter in absoluten Größen bestimmt werden, die die Betriebsbedingungen im Reaktor eindeutig charakterisieren. Mit Hilfe dieser Parameter lassen sich deshalb Rückschlüsse auf den Plas mazustand und den konkreten Anwendungsfall, beispielsweise einen Ätzprozeß von Halblei terscheiben, ziehen. Es ist somit möglich, unsymmetrische Hochfrequenz-Niederdruckplas men reproduzierbar, d. h. zuverlässig, und schnell zu charakterisieren. Mit Hilfe des erfin dungsgemäßen Verfahrens kann deshalb auch eine "In-situ"-Kontrolle der Plasmaparameter erfolgen. Durch die ausschließliche Messung eines hochfrequenten Stromes verursachen Verschmutzungen oder Schichtabscheidungen auf der Meßelektrode unterhalb von etwa 0,1 mm keinen nennenswerten Fehler. Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch an Plasmen mit kombinierter Anregung, d. h. einer HF-Anregung und einer Anregung mittels Mikro welle, angewendet werden, da die Anregungsfrequenz der Mikrowellen mit etwa 2,45 GHz im allgemeinen wesentlich über der zuvor genannten HF-Anregung liegt.

Nachfolgend wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung anhand mehrerer Ausführungsbei spiele beschrieben, welche insbesondere zum Messen des hochfrequenten Entladungsstroms an einem als Masseelektrode wirkenden Teil des Plasmareaktors geeignet ist.

Eine Vorrichtung 35 zum Messen des hochfrequenten Entladungsstroms an dem Plasmare aktor 2 ist beispielhaft in den Fig. 4 bis 6 gezeigt, wobei das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 auch in Fig. 3 schematisch angedeutet und enthalten ist.

Erfindungsgemäß weist die Meßelektrode 21 auf ihrer Umfangsfläche 36 eine elektrische Isolierung 37 auf welche vorzugsweise ringförmig ausgebildet ist. Die Meßelektrode 21 ist derart in einer Ausnehmung 40 der als Teil der Masseelektrode 3 bis 7 wirkenden Reaktor wand 5 angeordnet, daß sich die Isolierung 37 wenigstens zwischen Meßelektrode 21 und der Wand 5 des Reaktors 2 befindet und die Stirnfläche 41 der Meßelektrode 21 mit der zum Reaktorinnenraum 42 gerichteten Innenwand 43 des Reaktors 2 fluchtet. Dadurch bil den die Meßelektrode 21 und die Isolierung 37 einen Teil der Reaktorwand. Erfindungsge mäß ist ferner die Stirnfläche 41 der Meßelektrode 21 so bemessen, daß die durch die Meßelektrode 21 bewirkte Potentialänderung im Reaktor 2 vernachlässigbar klein gegen über dem Potential zwischen Plasma 17 und Masseelektrode 3 bis 7 ist.

Gemäß einem ersten, in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 35 ist die Meßelektrode 21 mittels einer elektrisch isolierenden und in Fig. 4 lediglich gestrichelt an gedeuteten Vakuumdurchführung 44 an der Wand 5 des Reaktors 2 befestigt. Die Meßelek trode 21 weist einen stabförmigen, außerhalb des Reaktors 2 geerdeten elektrischen Leiter 45 auf der mit einem aus dem gemessenen Strom I eine Spannung U erzeugenden Strom wandler 46 verbunden ist. Letzterer ist über eine Leitung 47 wieder mit Masse, d. h. mit der Wand 5 des Reaktors, verbunden. Diese Spannung U wird, wie zuvor beschrieben, als Ein gangsgröße zum A/D-Wandler 22 geleitet und gelangt von dort als digitales Signal zur weiteren Verarbeitung in die Datenverarbeitungsanlage 23.

Der Vorteil dieser Ausführungsform ist der einfache konstruktive Aufbau und die Verwen dung handelsüblicher Vakuumdurchführungen. Die Vorrichtung dieser ersten Ausführungs form weist eine relativ hohe Empfindlichkeit wegen der hier möglichen großen Elektroden fläche auf. Die Bandbreite dieser Vorrichtung ist durch die obere Grenzfrequenz des Stromwandlers und parasitäre Induktivitäten der Zuleitungen sowie durch Streukapazitäten auf etwa 150 MHz begrenzt.

Gemäß einer anderen, nicht näher gezeigten Ausführungsform ist es auch möglich, in Fig. 4 den Stromwandler 46 durch einen Abschlußwiderstand 50, wie er beispielsweise in Fig. 5 gezeigt ist, von vorzugsweise 50 Ohm zu ersetzen.

Es wird daraufhingewiesen, daß im Innenraum der Vakuumdurchführung 44 ebenso wie im Reaktorinnenraum 42 ein Vakuum anliegt. Dieses ist gasdicht gegenüber der umgebenden Atmosphäre abgedichtet.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 35 ist schematisch teilweise im Schnitt in Fig. 5 dargestellt, wobei nachfolgend für gleiche oder ähnliche Ele mente dieselben Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 verwendet werden.

Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein mittels der Vakuumdurchführung 44 an der Wand 5 des Reaktors 2 befestigter Meßaufnehmer 20 vorgesehen, der einen mit der Meß elektrode 21 verbundenen Innenleiter 51, einen diesen mantelförmig umgebenden Isolier körper 52, die Isolierung 37 der Meßelektrode 21 und einen mit der Wand 5 des Reaktors 2 verbundenen Außenleiter 53 aufweist. Dieser Meßaufnehmer 20 ist damit vergleichbar wie ein Koaxialkabel mit einem konstanten Wellenwiderstand von vorzugsweise 50 Ohm aufge baut, wobei der Innenleiter 51 den von der Meßelektrode 21 gemessenen Strom I zum reel len Abschlußwiderstand 50 weiterleitet. Dieser ist über die Leitung 47 mit dem Außenleiter 53 und der Wand 5 des Reaktors, also mit Masse, elektrisch verbunden. Der Strom im In nen- und Außenleiter ist vom Betrag her gleich groß. Bei einem derartigen Meßaufnehmer treten deshalb keine externen Magnetfelder auf.

Der Meßaufnehmer 20 ist gemäß Fig. 5 auf nicht näher gezeigte Weise mit einem Koaxial kabel 54 verbunden. Diese Verbindung kann beispielsweise über sogenannte BNC-An schlüsse, also über eine Buchsen-Stecker-Anordnung, erfolgen. Es ist auch möglich, daß sich die Vakuumdurchführung 44 lediglich bis in Höhe des äußeren Endes des Meßaufneh mers 20 erstreckt und diesem gegenüber abgedichtet ist. Die Isolierung 37 besteht ebenso wie der Isolierkörper 52 vorzugsweise aus Teflon (PTFE).

Der in den Fig. 5 und 6 gezeigte Meßaufnehmer 20 ist gemäß Fig. 3 an den Ana log/Digital-Wandler 22 mit einem Abschlußwiderstand 50 von vorzugsweise 50 Ohm über das den Innenleiter 51, den Isolierkörper 52 und den Außenleiter 53 aufweisende Koaxialkabel 54 angeschlossen, dessen Wellenwiderstand demjenigen des Meßaufneh mers 20 und dem Abschlußwiderstand 50 entspricht.

Da die erfindungsgemäße Vorrichtung 35 gemäß Fig. 5 bis an die eigentliche Meßelektrode 21 heran als Koaxialkabel ausgebildet ist, kann mit diesem Meßaufnehmer eine hohe Band breite bezüglich der Frequenz des zu messenden Entladungsstroms realisiert werden. Damit ist von der Meßelektrode bis beispielsweise zum Eingang des A/D-Wandlers 22 eine reflexionsfreie Übertragung des Meßsignals mit hoher Bandbreite möglich. Bei einem Abschlußwiderstand 50 von beispielsweise 50 Ohm, welcher dem Wellenwiderstand des Kabels ent spricht, ist der Eingangswiderstand des Meßaufnehmers 20 klein gegen die Kapazität der Meßelektrode 21, so daß die durch die Meßelektrode bewirkte Potentialänderung im Reak tor vernachlässigbar klein gegenüber dem Potential zwischen Plasma und Masseelektrode ist. Für technische Plasmen und die dabei verwendeten Anregungsfrequenzen unterhalb von 50 MHz beträgt der Durchmesser der Meßelektrode 21 etwa 5 mm.

Eine weitere, bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 35 ist schematisch teilweise im Schnitt in Fig. 6 dargestellt.

Die hier gezeigte Vakuumdurchführung 44 ist mit einem Abschluß 55 versehen, der mittels nicht näher gezeigter Klemmen 56 über eine Ringdichtung 57 mit einem flanschartigen An satz 60 am freien Ende der Vakuumdurchführung 44 fest verbunden ist. Der Abschluß 55 weist beidseitig einen Koaxialanschluß 61 aufs wobei der eine Anschluß vorzugsweise als Stecker und der andere Anschluß vorzugsweise als Buchse ausgebildet ist. Der zur Reak torwand 5 weisende Koaxialanschluß 61 ist mit einem entsprechenden in Fig. 6 nicht näher gezeigten Gegenanschluß 62 verbunden. Die Elemente dieser Verbindung (Innenleiter 51, Isolierkörper 52, Außenleiter 53) entsprechen denjenigen des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 5. Daraus folgt, daß der Innenleiter 51 unmittelbar mit der eigentlichen Meßelektrode 21 und der Außenleiter 53 über ein Wandelement 63 mit der Wand 5 des Reaktors 2 elek trisch verbunden sind. Zwischen dem Innenleiter 51 und der Meßelektrode 21 einerseits und dem Außenieiter 53 mit dem Wandelement 63 andererseits erstrecken sich der Isolierkörper 52 und die Isolierung 37. Diese sind ebenso wie der Abschluß 55 vorzugsweise aus Teflon gefertigt. Gemäß Fig. 6 ist der zylindrische Teil der Vakuumdurchführung 44 mit der Sei tenwand 5 des Reaktors verschweißt.

Bei dem letztgenannten Ausführungsbeispiel fließt der Entladungsstrom von der Meßelek trode 21 über den Innenieiter 51 und die in Fig. 3 gezeigte Leitung 24 zum A/D-Wandler 22 und von dort über die Leitung 24, welche ebenfalls als Koaxialkabel ausgebildet ist, über den Außenleiter 53 und das Wandelement 63 zurück zu der als Teil der Masseelektrode wirkenden Seitenwand 5 des Reaktors 2. Es ist klar, daß die Ringdichtung 57 als Vakuum dichtung ausgebildet ist und daß ein einwandfreier elektrischer Kontakt zwischen der Man telfläche des Wandelements 63 und der Seitenwand 5 des Reaktors besteht.

Die Vorrichtung gemäß dem letztgenannten Ausführungsbeispiel ist in der Lage, die Anre gung im Entladungsstrom mit hoher Bandbreite bis etwa 500 MHz zu messen. Diese Mes sung erfolgt relativ unabhängig von der Entfernung zwischen dem Meßaufnehmer 20 und dem A/D-Wandler 22.

Claims

1. Verfahren zum Bestimmen absoluter Plasmaparameter unsymmetrischer Hochfre quenz(HF)-Niederdruckplasmen,
gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

a) Messen des in einem Plasmareaktor erzeugten hochfrequenten Entladungs stroms in Form analoger Signale an einem als Masseelektrode wirkenden Teil des Reaktors;
b) Umwandeln der unter a) gemessenen analogen Signale in digitale Signale; und
c) Berechnen der Plasmaparameter aus den unter b) erhaltenen digitalen Signalen mittels eines mathematischen Algorithmus.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem zeitlichen Ver lauf des Entladungsstroms wenigstens eine Resonanzfrequenz der Entladung bestimmt wird, auf welcher sich die Entladung durch infolge der Nichtlinearität der Raumla dungsschicht vor der HF-Elektrode erzeugte Oberwellen im Entladungsstrom selbst anregt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem zeitli chen Verlauf des Entladungsstroms die Ionendichteverteilung in der Raumladungs schicht vor der HF-Elektrode bestimmt wird, wobei der gemessene Entladungsstrom durch eine näherungsweise frequenzunabhängige Teilung des gesamten Entladungs stroms entsteht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die frequenzunabhängige Teilung des gesamten Entladungsstroms über die Geometrieverhältnisse von als Mas seelektrode wirkendem Teil des Reaktors zur HF-Elektrode bestimmt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem zeitlichen Verlauf des Entladungsstroms die Dämpfungskonstante des durch Stöße der Elektronen mit Neutralteilchen des Plasmas gedämpft schwingenden Systems bestimmt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung des Absolutwertes der mittleren Schichtdicke der Raumladungs schicht vor der HF-Elektrode und/oder zur Bestimmung der mittleren Ionenenergie ferner das an der HF-Elektrode anliegende Potential oder zumindest dessen Gleichan teil gemessen wird.

7. Vorrichtung insbesondere zum Messen des hochfrequenten Entladungsstroms an ei nem als Masseelektrode wirkenden Teil eines Plasmareaktors,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Meßelektrode (21) auf ihrer Umfangsfläche (36) eine elektrische Isolierung (37) aufweist und derart in einer Ausnehmung (40) der zumindest als Teil der Mas seelektrode (3 bis 7) wirkenden Reaktorwand (5) angeordnet ist, daß sich die Isolie rung (37) wenigstens zwischen Meßelektrode (21) und Reaktorwand (5) befindet und die Stirnfläche (41) der Meßelektrode (21) mit der zum Reaktorinnenraum (42) ge richteten Innenwand (43) des Reaktors (2) etwa fluchtet, und
daß die Stirnfläche (41) der Meßelektrode (21) so bemessen ist, daß die durch die Meßelektrode (21) bewirkte Potentialänderung im Reaktor (2) vernachlässigbar klein gegenüber dem Potential zwischen Plasma (17) und Masseelektrode (3 bis 7) ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektrode (21) mittels einer elektrisch isolierenden Vakuumdurchrührung (44) am Reaktor (2) befe stigt ist und einen stabförmigen, außerhalb des Reaktors (2) geerdeten elektrischen Leiter (45) aufweist, der mit einem aus dem gemessenen Strom (1) eine Spannung (U) erzeugenden Stromwandler (46) verbunden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein mittels einer elek trisch isolierenden Vakuumdurchführung (44) am Reaktor (2) befestigter Meßaufnehmer (20) vorgesehen ist, der einen mit der Meßelektrode (21) verbundenen Innen leiter (51), einen diesen mantelförmig umgebenden Isolierkörper (52), die Isolierung (37) der Meßelektrode (21) und einen mit der Reaktorwand (5) verbundenen Außen leiter (53) aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßaufnehmer (20) an einen Analog/Digital-Wandler (22) mit einem Abschlußwiderstand (50) von vorzugsweise 50 Ohm über ein den Innenleiter (51), den Isolierkörper (52) und den Außenleiter (53) aufweisendes Koaxialkabel (54) angeschlossen ist, dessen Wellenwi derstand demjenigen des Meßaufnehmers (20) und dem Abschlußwiderstand (50) ent spricht.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuum durchführung (44) beidseitig mit einem Koaxialanschluß (61) versehen ist, der mit ei nem entsprechenden, mit dem Innenleiter (51), dem Isolierkörper (52) und dem Au ßenleiter (53) verbundenen Gegenanschluß (62) verbindbar ist.