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Die
Erfindung betrifft allgemein einen Magnetfeldgenerator und genauer
einen solchen Generator zur effektiven Eindämmung von Magnetronplasma,
das in einer Vakuumkammer erzeugt wird, in der ein Werkstück so positioniert
wird, daß es
einer Plasmabehandlung ausgesetzt wird.
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Dem
Fachmann ist die Erzeugung von Magnetronplasma innerhalb einer Bearbeitungskammer (d.
h. einer Vakuumkammer) zur Verwendung bei der Implementierung einer
Plasmabehandlung, wie etwa Ätzen,
Schichtwachstum usw., an dem Werkstück bekannt, wie z. B. einem
in der Kammer bereitgestellten Halbleiterwafer.
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Bevor
wir uns der vorliegenden Erfindung zuwenden, erscheint es vorteilhaft,
unter Bezugnahme auf 1 einen herkömmlichen Magnetfeldgenerator
kurz zu beschreiben, durch den das innerhalb der Vakuumkammer erzeugte
Plasma eingedämmt
wird. Bei der Durchführung
der Plasmabehandlung (Bearbeitung) an dem Werkstück ist es entscheidend, das Plasma
effektiv so einzudämmen,
daß es
das Werkstück
umgibt, um vorgesehene Ergebnisse zu erzielen.
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Wie
in 1 dargestellt, wird ein Halbleiterwafer (d. h.
ein Werkstück) 10 im
mittleren Bereich einer Vakuumkammer 12 so positioniert,
daß die
Oberfläche
des Werkstücks,
an der die Plasmabehandlung auszuführen ist, nach oben weist.
Obwohl dies nicht in 1 dargestellt ist, wird innerhalb
der Vakuumkammer 12 durch eine herkömmliche Technologie Plasma
erzeugt. Die Plasmaerzeugung an sich hat nicht direkt mit der vorliegenden
Erfindung zu tun, und daher wird ihre weitere Beschreibung weggelassen,
um die vorliegende Offenbarung zu vereinfachen.
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Um
Plasma wirksam um das Werkstück 10 herum
einzudämmen,
ohne ein Magnetfeld über
dem Wafer 10 auszubilden (oder durch Zulassen eines sehr
schwachen Magnetfelds über
dem Wa fer), wird außerhalb
der Vakuumkammer 12 ein Magnetfeldgenerator (oder eine
mehrpolige Magneteinheit) 14 bereitgestellt. Der Magnetfeldgenerator 14 besteht
aus einem ringförmigen
Magnetelement (Träger) 16 und mehreren
segmentartigen Dauermagneten 18 (nachstehend als Segmentmagnete
bezeichnet), die an der Innenseite des Elements 16 befestigt
sind. Genauer gesagt, die Segmentmagnete 18 sind so angeordnet,
daß sich
ihre Magnetisierungsrichtungen in Umfangsrichtung des Trägers 16 abwechselnd ändern, und
daher wird innerhalb der Vakuumkammer 12 ein magnetisches
Multipolfeld erzeugt, um das Plasma rund um das Werkstück 10 einzudämmen. Kleine
Pfeile an den Segmentmagneten 18 bezeichnen jeweils die
Magnetisierungsrichtungen der Magnete 18, und gekrümmte Linien 20 bezeichnen
jeweils magnetische Kraftlinien.
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In
der Technik werden beim Bau des Magnetfeldgenerators 14 typischerweise
eher Dauermagnete 18 als Elektromagnete verwendet, da der
Stromverbrauch auf null gebracht und die Konstruktion der Vorrichtung
vereinfacht werden kann. Andererseits hat eine vom Erfinder der
vorliegenden Patentanmeldung durchgeführte Untersuchung gezeigt,
daß die Plasmabehandlungsrate
(d. h. die Ätzrate)
der Waferoberfläche
von der Stärke
des magnetischen Multipolfelds abhängt. Es hat jedoch keinen Vorschlag zur
Steuerung des magnetischen Multipolfelds gegeben, das unter Verwendung
mehrerer Dauermagnete erzeugt wird. Mit anderen Worten, ein herkömmlicher Magnetfeldgenerator
vom Dauermagnettyp ist nicht imstande, die magnetische Feldstärke adaptiv
zu steuern.
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US-A-5
651 826 offenbart eine Plasmabearbeitungsvorrichtung mit einer Temperatursteuerungsvorrichtung
für die
Magnete. JP-A-03-257-159 offenbart einen Magnetkreis vom Dipolring-Typ
ohne jede Magnetfeldsteuerung.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Magnetfeldgenerator
bereitzustellen, in dem die Stärke
des dadurch erzeugten magnetischen Multipolfelds adaptiv gesteuert
werden kann. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche gelöst.
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Die
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung lassen sich aus
der nachstehenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen,
in denen gleiche Elemente oder Teile durch gleiche Bezugszeichen
bezeichnet werden, klarer einschätzen.
Dabei zeigen:
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1 eine
Draufsicht, die schematisch einen herkömmlichen Magnetfeldgenerator
zusammen mit einem Teil einer Vakuumkammer darstellt, auf den in
den einleitenden Abschnitten Bezug genommen wurde;
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2 eine
Draufsicht, die schematisch einen Magnetfeldgenerator zusammen mit
einem Teil einer Vakuumkammer gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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3 Schnittansicht
entlang der Schnittlinie A-B in 2;
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4 eine
Draufsicht, die schematisch eine Modifikation der bevorzugten Ausführungsform
von 2 darstellt;
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5 eine
Draufsicht, die schematisch eine weitere Modifikation der bevorzugten
Ausführungsform
von 2 darstellt;
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Die 6(A) und 6(B) zeigen
schematisch eine Radialverschiebung der Elemente, die einen Teil
des Magnetfeldgenerators gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
und deren Modifikationen bilden; und
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Die 7(A) bis 7(C) sind
Zeichnungen zur schematischen Erläuterung der Erzeugungsweise
von Magnetflüssen
in Magnetelementen mit unterschiedlichen Konfigurationen, wobei
die Elemente einen Teil des Magnetfeldgenerators gemäß den 2 und 5 bilden.
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Nachstehend
wird Bezug auf die 2 und 3 genommen,
in denen eine bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt wird.
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2 zeigt
eine Draufsicht eines Magnetfeldgenerators (oder einer mehrpoligen
Magneteinheit) 22 und einer Vakuumkammer 24 (allerdings
ist nur deren vertikale Wand 24a dargestellt). Innerhalb der
Vakuumkammer 24 ist ein Werkstück 26 angeordnet,
wie z. B. ein Halbleiterwafer. In 2 ist zur bequemen
Darstellung des Inneren der Kammer 24 eine obere Wand der
Vakuumkammer 24 weggelassen. 3 zeigt
einen Schnitt entlang der Schnittlinie A-B von 2.
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Wie
in 3 dargestellt, sind innerhalb der Vakuumkammer 24 obere
und untere plattenförmige Elektroden 28a und 28b vorgesehen.
Obwohl nicht in 3 dargestellt, wird an die zwei
Elektroden 28a und 28b eine hochfrequente Wechselspannung
angelegt, um dazwischen ein Plasma zu erzeugen. Ein offener Pfeil 29 bezeichnet
die Richtung eines elektrischen Hochfrequenzfelds in einem Zeitpunkt,
in dem die obere bzw. die untere Elektrode 28a bzw. 28b positiv
bzw. negativ geladen sind. Das Werkstück 26, das auf der
unteren Elektrode 28b angeordnet ist, wird der Plasmabehandlung
ausgesetzt, wie z. B. Ätzen,
Schichtwachstum usw. Die Plasmaerzeugung an sich ist dem Fachmann
bekannt, und die vorliegende Erfindung hat nicht direkt damit zu
tun, und daher wird die Plasmaerzeugung nicht weiter beschrieben,
um die vorliegende Offenbarung zu vereinfachen.
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Der
Magnetfeldgenerator 22 (2) wird
so installiert, daß er
die Vakuumkammer 24 umgibt, um ein magnetisches Multipolfeld
zum Einschluß des Magnetronplasmas
zu erzeugen. Der Magnetfeldgenerator 22 weist im allgemeinen
mehrere Segmentmagnete 28 und mehrere Magnetelemente 30 auf. Wie
in 2 dargestellt, sind die Segmentmagnete 28 abwechselnd
an den Magnetelementen 30 befestigt, die so angeordnet
sind, daß sie
aneinander angrenzen und eine ringförmige Konfiguration bilden. Wie
am besten in 3 dargestellt, werden die Magnetelemente 30 an
ihren oberen bzw. unteren Enden durch ein Paar ringförmige Elemente 32a bzw. 32b unterstützt, die
jeweils aus einem nichtmagnetischen Material bestehen, wie z. B.
aus Aluminium, Edelstahl, Messing, Kunstharz usw.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
sind die Anzahlen der Magnetelemente 30 bzw. der Segmentmagnete 28 gleich 32 bzw. 16 (siehe 2).
Die vorliegende Erfindung ist jedoch keineswegs auf diese Zahlen
beschränkt.
Beispielsweise kann die Anzahl der Magnetelemente 30 im
Bereich von 8 bis 64 liegen, während die Anzahl der Segmentmagnete 28 kleiner
oder gleich der Anzahl der Magnetelemente 30 ist. Der Schlüssel zu
der vorliegenden Erfindung liegt in der Tatsache, daß der Magnetfeldgenerator 22 aus
einer Vielzahl von Magnetelementen 30 besteht.
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Der
an jedem der Segmentmagnete 28 angebrachte Pfeil kennzeichnet
dessen Magnetisierungsrichtung, und mehrere Kurven 34 symbolisieren jeweils
eine magnetische Kraftlinie bzw. Magnetfeldlinie zwischen den benachbarten
Segmentmagneten 28.
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Wie
in 2 dargestellt, sind die Segmentmagnete 28 so
angeordnet, daß sich
ihre Polaritäten abwechselnd ändern, wobei
diese Anordnung zur Erzeugung eines magnetischen Multipolfelds um
das Werkstück 26 herum
(oder in Umfangsrichtung entlang der Innenwand 24a der
Vakuumkammer 24) führt.
Die magnetische Flußdichte
der Feldstärke
des magnetischen Multipolfelds kann im Bereich von 0,005 bis 0,2
T (oder 50 bis 2000 G) liegen und könnte zum Beispiel vorzugsweise
im Bereich von 0,03 bis 0,045 T (300 bis 450 G) liegen. In einem
solchen Fall ist die Stärke
des magnetischen Multipolfelds nahe der Mitte des Werkstücks 26 im
wesentlichen gleich null (oder das Feld ist sehr schwach).
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Nach
einem Experiment des Erfinders, das unter den folgenden Bedingungen
durchgeführt
wurde, war eine magnetische Flußdichte
in der Nähe
der Innenwand 24a der Kammer 24 gleich 0,03 T
(300 G). Die Versuchsbedingungen waren derart, daß der Durchmesser
D eines in die Segmentmagnete 28 einbeschriebenen Kreises
450 mm betrug. Ferner hatte jedes der Magnetelemente 30 einen
trapezförmigen
Querschnitt in einer zur Mittelachse des Magnetfeldgenerators 22 senkrechten
Richtung. Ferner hatte jeder Segmentmagnet 28 eine Breite
W von 40 mm, eine Dicke TM von 7 mm und eine Höhe L von 120 mm, und die Oberseite
und die Grundlinie des Trapezes hatten Abmessungen von 45,7 mm bzw. 47,4
mm. Ferner hatte jedes der Magnetelemente 30 eine Dicke
TY von 9 mm und eine Höhe
L von 120 mm. In diesem Experiment war jeder Segmentmagnet 28 ein
Seltenerdmagnet mit einer Restmagnetisierungsflußdichte von 1,3 T, und jedes
Magnetelement 30 bestand aus kohlenstoffarmem 915C-Stahl, und
der Träger 32a, 32b bestand
aus Aluminium.
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Der
Segmentmagnet 28 ist keineswegs auf eine spezielle Ausführung beschränkt und
kann die Form eines Seltenerdmagneten, eines Ferritmagneten, eines
AlNiCo-Magneten usw. annehmen, während
das Magnetelement 30 aus Reineisen, Kohlenstoffstahl, Eisen-Cobalt-Edelstahl
usw. bestehen kann. Andererseits kann der Träger 32a (32b)
aus nichtmagnetischem Material bestehen, wie z. B. aus Aluminium,
Edelstahl, Messing, Kunstharz usw.
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Wie
oben erwähnt,
ist die magnetische Feldstärke
vorzugsweise in der Nähe
der Mitte des Werkstücks 26 im
wesentlichen gleich null. Es ist jedoch praktisch ausreichend, wenn
das Magnetfeld in dem Raum, in dem das Werkstück 26 positioniert
wird, so schwach ist, daß es
die Plasmabehandlung des Werkstücks
nicht beeinträchtigt.
In dem oben erwähnten
Experiment war eine Magnetflußdichte
von weniger als 420 μT
(4,2 G) in der Nähe
des Umfangs des Werkstücks 26 vorhanden.
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4 zeigt
eine erste Modifikation der oben erwähnten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wobei die Magnetelemente 30, die
jeweils keine Segmentmagnete 28 tragen, entfernt oder nicht
installiert werden. Bei dieser Modifikation kann die magnetische
Feldstärke
in der Nähe der
Innenwand 24a der Vakuumkammer 24 reduziert werden.
Der Erfinder führte
ein weiteres Experiment unter den gleichen Bedingungen wie den oben
erwähnten
durch, wobei die Magnetelemente 30, die jeweils keinen
Segmentmagnet 28 aufweisen, entfernt werden, wie in 4 dargestellt.
Das Versuchsergebnis zeigte, daß die
magnetische Flußdichte
in der Nähe
der Innenwand der Kammer 24 auf 0,023 T (230 G) reduziert
werden konnte.
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5 zeigt
eine zweite Modifikation der oben erwähnten bevorzugten Ausführungsform,
in der acht Paare von Segmentmagneten 18 so angeordnet
sind, daß sie
an den Magnetelementen 30 in Abständen von zwei Elementen angebracht
sind. Diese Anordnung kann ohne Schwierigkeit durch Verlagern der
Magnetelemente 30 mit und ohne Segmentmagnete 28 realisiert
werden. Zu diesem Zweck müssen
die Magnetelemente 30 lösbar
an den Trägern 32a und 32b installiert
werden. In dem in 5 dargestellten Fall wird innerhalb
der Vakuumkammer 24 ein achtpoliges Magnetfeld erzeugt,
und die magnetischen Kraftlinien erstrecken sich im Vergleich zu der
in 2 dargestellten Ausführungsform weiter zur Mitte
der Kammer 24 hin. Dementsprechend kann bei dieser Modifikation
die magnetische Feldstärke
in einem das Werkstück 26 umgebenden Raum
gegenüber
dem in 2 dargestellten Fall erhöht werden.
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Als
Erweiterung der zweiten Modifikation können vier Gruppen von Segmentmagneten 18 vorgesehen
werden, wobei jede Gruppe aus vier nahe beieinander angeordneten
Magneten 28 besteht. In diesem Fall wird ein vierpoliges
Magnetfeld erzeugt. Mit abnehmender Anzahl der Magnetpole erstrecken sich
die Magnetflüsse
weiter ins Innere der Vakuumkammer 24.
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Die
Magnetelemente 30, die jeweils mit einem Segmentmagnet 28 verbunden
sind, wie in den 2, 4 und 5 dargestellt,
werden in dem Träger 32a und 32b in
auswärts-radialer
Richtung verschiebbar installiert. Insbesondere werden die Magnetelemente 30 von 4 in
dem Träger 32a und 32b sowohl
in auswärts-
als auch in einwärts-radialer
Richtung verschiebbar installiert. Es versteht sich, daß die Radialverschiebung
der Magnetelemente 30 eine Steuerung der Feldstärke des
magnetischen Multipolfelds innerhalb der Vakuumkammer 24 ermöglicht.
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6(a) zeigt schematisch eine Kombination aus einem
Magnetelement 30 und einem Segmentmagnet 28 vor
der Verschiebung in radialer Richtung, während 6(b) die
radial verschobene Kombination darstellt.
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Gemäß einem
weiteren, vom Erfinder durchgeführten
Experiment wurden alle Magnetelemente 30 von 2,
von denen jedes den Segmentmagneten trägt, um 20 mm radial nach außen verschoben. Die
Versuchsergebnisse zeigten, daß die
magnetische Flußdichte
in der Nähe
der Innenwand 24a der Vakuumkammer 24 auf 0,01
T (100 G) reduziert werden konnte.
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Um
unerwünschte
Magnetflußverluste
zwischen den speziell in den 2 und 5 dargestellten
Magnetelementen 30 zu verhindern, ist es besonders vorzuziehen,
die Magnetelemente in engen Kontakt miteinander zu bringen, um keinen Luftspalt
dazwischen freizulassen. Zu diesem Zweck wird jedes Magnetelement 30 günstigerweise
so konfiguriert, daß es
einen trapezförmigen
oder fächerförmigen Querschnitt
in einer zur Mittelachse des Magnetfeldgenerators senkrechten Richtung
aufweist, wie in den 7(A) und 7(B) dargestellt. Falls beispielsweise das Magnetelement 30 einen
rechteckigen Querschnitt (7(C))
aufweist, verringert sich der Magnetfluß infolge magnetischer Sättigung, die
durch Luftspalte verur sacht wird, mit dem Ergebnis einer unerwünschten
Verminderung der Feldstärke
des magnetischen Multipolfelds.
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Es
ist jedoch möglich,
die Luftspalte zwischen den Magnetelementen 30 positiv
zu nutzen, um die Feldstärke
des magnetischen Multipolfelds zu steuern. Das heißt, wenn
die Magnetelemente 30 (2 und 5),
an denen jeweils kein Segmentmagnet angebracht ist, radial nach
außen
verschoben werden, dann werden die Luftspalte zwischen den benachbarten
Magnetelementen 30 erzeugt. Daher wird die Feldstärke des
magnetischen Multipolfelds innerhalb der Vakuumkammer 24 vermindert. Mit
anderen Worten, eine solche Verschiebung der Magnetelemente 30 kann
die gleichen Wirkungen aufweisen wie ihr Ausbau aus dem Magnetfeldgenerator 22.
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Die
vorstehenden Beschreibungen stellen eine bevorzugte Ausführungsform
und mehrere Modifikationen davon dar. Für den Fachmann sind jedoch
verschiedene andere Varianten ohne Abweichung vom Umfang der vorliegenden
Erfindung ersichtlich, die nur durch die beigefügten Patentansprüche beschränkt wird.
Daher sind die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen
und Modifikationen nur als Erläuterung
und nicht als Einschränkung
gedacht.