DE69218924T2

DE69218924T2 - System zur Erzeugung eines Plasmas mit hoher Dichte

Info

Publication number: DE69218924T2
Application number: DE69218924T
Authority: DE
Inventors: Gregor Campbell; Robert Conn; Alexis Dechambrier; David Pearson; Tatsuo Yomei-Ryo Yomei-C Shoji
Original assignee: Plasma & Materials Tech
Current assignee: SPP Process Technology Systems UK Ltd
Priority date: 1991-02-04
Filing date: 1992-02-04
Publication date: 1998-01-15
Anticipated expiration: 2012-02-05
Also published as: ES2102497T3; JPH06506084A; EP0570484A1; ATE151569T1; AU1352192A; EP0570484B1; KR100231221B1; JP3271765B2; KR930703694A; US5122251A; WO1992014258A1; DE69218924D1

Description

Technologischer Hintergrund der Erfindung

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Plasmaabscheide- bzw. ätzverfahren und verschiedene Vorrichtungen zum Abscheiden eines dünnen Films auf ein Substrat bzw. zum Entfernen (Ätzen) eines Films von einem Substrat.

2. Beschreibung verwandter Technologien

Ätzen

Plasmaätzen beruht auf der Verwendung von chemisch aktiven Atomen oder energiereichen Ionen zum Entfernen von Material von einem Substrat. Es stellt eine Schlüsseltechnologie bei der Herstellung von integrierten Halbleiterschaltungen dar. Vor dem Aufkommen von Mikrowellenplasmen unter Verwendung von Elektronen-Zyklotronresonanz (ECR) war es jedoch für herkömmliche Plasmaätztechniken schwierig, die durch den Anstieg der Gerätespeicherdichte bestimmten Anforderungen zu erfüllen. Speziell der Bedarf an Feinstrukturätzen ohne Hinterschneidung (anisotropes Ätzen) und die Forderungen nach geringer Beschädigung und hoher Trennschärfe konnten kaum gleichzeitig erfüllt werden.

Abscheiden

Bei vielen Anwendungen ist ein plasmaverstärktes chemisches Dampfabscheiden eine weit verbreitete Technik zum Abscheiden von Materialien auf Substraten Bei normaler CVD wird die chemische Reaktion durch die Temperatur des Substrats angetrieben und ist sie bei den meisten Reaktionen hoch (> 800ºC). Die benötigte hohe Temperatur des Substrats schließt die Verwendung dieses Verfahrens bei einer Vielzahl von Anwendungen insbesondere in der Mikroelektronik, bei Bildschirmen und optischen Beschichtungen aus. Die Rolle des Plasmas besteht darin, das chemische Gas zu dissozueren und aktivieren, so daß die Substrattemperatur verringert werden kann. Die Dissoziations-, Aktivierungs- und Ionisationsgeschwindigkeit ist proportional zu der Dichte des Plasmas. Es ist somit wichtig, das Plasma so dicht wie möglich zu machen.

Sputtern

Bei einer breiten Vielzahl von Anwendungen, wie z.B. die Herstellung von harten oder verzierenden Beschichtungen und die Beschichtung von Glas, ist das Sputtern auch ein weit verbreitetes Verfahren zum Abscheiden von Materialien auf Substraten Im allgemeinen wird ein Plasma bei dem Sputter-Zielmaterial erzeugt und das Sputter-Ziel auf eine negative Spannung von ungefähr 700 V vorgespannt Plasma-Ionen, im allgemeinen Argon, treffen auf die Oberfläche und Sputtern das Material, das dann als neutrale Atome zu einem Substrat übergeht. Es können Reaktionsgase eingeleitet werden, um mit den gesputterten Atomen an dem Trägersubstrat in einem Prozeß chemisch zu reagieren, der reaktives Sputter-Abscheiden genannt wird. Oft ist die Geschwindigkeit wichtig und ist es somit wichtig, das Plasma so dicht wie möglich zu machen. Eine Ionisation der Reaktionsgase ist auch wichtig und hilft dabei, ein Plasma in der Nähe des Substratmaterials zu haben. Sputtern wird auch durchgeführt, indem Ionen in einer Ionen- oder Plasmaquelle beschleunigt und dann veranlaßt werden, das Sputter-Ziel zu beschießen. In diesem Fall ist eine Vorspannung an dem Ziel nicht notwendig. Zum Sputtern von isolierenden Materialien kann eine HF-Vorspannung an das Sputter-Ziel angelegt werden.

Vorhandene Verfahren

Es gibt derzeit zwei in weiten Kreisen verwendete Verfahren zum Plasmaabscheiden und -ätzen, den Parallelplattenreaktor und das ECR-Plasmaabscheidesystem.

Parallelplattenreaktor (Diode)

Die HF-Diode ist in weiten Kreisen sowohl zum Abscheiden als auch zum Ätzen verwendet worden. Sie ist ausführlich in dem Buch von Chapman ("Glow Discharge Processes" John Wiley & Sons 1980) beschrieben. Sie verwendet Hochfrequenz (HF) bei 13,56 MHz, die mit einer Elektrode kapazitiv gekoppelt ist, während die andere Elektrode geerdet ist. Der Druck in dem System beträgt typischerweise 1,33 x 10&supmin;&sup5; bis 1,33 x 10&supmin;² Pa (1 mtorr bis 1 torr) und die Plasmadichte beträgt typischerweise 10¹&sup0; Elektronen pro cm³ (cc). Die Geschwindigkeit, mit der sowohl das Abscheiden als auch das Ätzen vonstatten geht, hängt von der Dichte des Plasmas und der Dichte (Druck) des zum Ätzen oder bei CVD-Prozessen zum Abscheiden verwendeten Reaktionsgases ab.
Beim Ätzen verursacht der zum Unterstützen der Entladung notwendige hohe Druck Kollisionen zwischen den Ionen und dem Hintergrundgas. Dies führt dazu, daß die Wege der Ätzionen oder -atome zufällig oder ungerichtet werden, was zu einem Unterschneiden der Maske führt. Dies wird als ein anisotropes Ätzen bezeichnet. Es ist wünschenswert, daß die Ätzatome oder -ionen gebündelt sind, so daß ein geradliniges anisotropes Ätzen erzielt werden kann. Bei dem bei den HF-Diode-Entladungen verwendeten hohen Druck ist es für die Ionen notwendig, daß sie eine hohe Energie (größer als mehrere 100 eV) aufweisen, um ein anisotropes Ätzen zu erzielen. Die hohe Energie der Ionen kann jedoch eine Beschädigung des Substrats, der Filmmaterialien oder des Photolackes verursachen.
Das Plasma wird durch Sekundärelektronen unterstützt, die von auf die Kathode treffenden Ionen emittiert werden. Diese Elektronen werden durch den Spannungsabfall quer über die Raumladungsschicht, der typischerweise 400 bis 1000 V beträgt, beschleunigt. Diese schnellen Elektronen können das Substrat beschießen, wodurch verursacht wird, daß es einen Hochspannungs-Raumladungsschichtverlust aufweist. Diese Hochspannung kann die Ionen beschleunigen, was zu einer Schädigung des Substrats oder Filmmaterials führt. Das Vorhandensein von Hochenergieelektronen, die zu Hochspannungs-Raumladungsschichtverlusten führen, ist unerwünscht.

Elektronen-Zyklotronresonanz-Plasmen

Der Beginn der Verwendung von Mikrowellen bei 2,45 GHz und einem Magnetfeld von 875 Gauss (0,0875 Tesla) beim Benutzen von Elektronen-Zyklotron-Resonanz erlaubte die Erzeugung von Plasmen mit hoher Dichte bei einem niedrigen Druck. Die Vorteile dieser Technik für Plasmaätzen sind von Suzuki in einem Artikel mit dem Titel "Microwave Plasma Etching", veröffentlicht in Vacuum 34 Nr. 10/11 1894, beschrieben. Aufgrund eines geringen Gasdruckes (0,04 bis 0,4 Pa) und einer hohen Plasmadichte (1,7 bis 7 x 10¹¹ Elektronen/cm³) ist ein anisotropes Ätzen mit hohen Ätzgeschwindigkeiten erzielbar.
Suzuki beschreibt in US-Patent 4,101,411 eine Plasmaätzvorrichtung, die ECR verwendet; Matsuo beschreibt in US-Patent 4,401,054 eine Plasmaabscheidevorrichtung, die ECR benutzt.
Während diese Technik gegenüber dem Parallelplattenreaktor in mehreren Aspekten wünschenswert ist, weist sie mehrere Einschränkungen auf. Das benötigte Magnetfeld ist sehr hoch (1 bis 2 kG) (0,1 bis 0,2 Tesla), was bedeutet, daß schwere, energieverbrauchende Elektromagneten verwendet werden müssen. Die maximale Dichte ist entweder durch eine Grenzfrequenz in bestimmten Konfigurationen oder durch Brechung in anderen Konfigurationen auf den Wert von 1 x 10¹² Elektronen/cm³ begrenzt. Die Ausgaben für die Stromversorgung und die notwendige Hardware zum Erzeugen und Übertragen der Mikrowellen sind hoch. Die Gleichförmigkeit (oder Breite des Plasmaprofils) ist nicht sehr gut.
EP-A-0 403 418, die am 5. Februar 1991 als US-Patent Nr. 4,990,229 erteilt wurde, beschreibt eine Plasmaätzvorrichtung, die eine Doppelringantennenkonfiguration verwendet, um Substanzen auf ein Substrat abzuscheiden oder zu ätzen Die physikalische Gestalt der verwendeten Antenne wird die Anregungsart der Ionen in dem Plasmaerzeuger bestimmen.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung verwendet niederfrequente HF-Whistlerwellen zum Erzeugen von Plasmen hoher Dichte für eine Plasmaätz-, -abscheide- und Sputter-Ausrüstung. In Verbindung mit einer Quellenröhre, in die ein Gas gespeist wird und entlang deren Mittelachse ein Magnetfeld aufgebaut ist, ist eine Einringantenne in einer zu der Mittelachse transversalen Ebene angeordnet. Der Winkel der Antennenebene beträgt 90º, wenn nur die M = 0-Schwingungsmode angeregt werden soll, oder weniger als 90º, wenn sowohl die M = 0- als auch M = 1-Schwingungsmode angeregt werden sollen. Das Gas ist ein Edelgas oder Reaktionsgas und weist einen Druck von 1,33 x 10&supmin;&sup6; bis 2,66 x 10&supmin;³ Pa) (0,1 mtorr bis 200 mtorr) auf. Die Magnetfeldstärke befindet sich im Bereich von 0,001 bis 0,1 Tesla (10 bis 1000 Gauss) und die Antenne wird mit einer HF-Energie von 100 W bis 5 kW in einem Frequenzbereich von 2 MHz bis 50 MHz betrieben. Mit der entlang der Röhrenquelle in einer ausreichenden Entfernung entlang der Achse von der Gasspeiseseite plazierten Antenne, wobei das andere Ende eine offene Austrittszone bildet, die zu einer Prozeßkammer führt, liefert die Einringantenne überraschenderweise eine hocheffiziente Wellenkopplung zum Aufbau eines Plasmas mit hoher Dichte und hohem Strom.
Gemäß weiteren Merkmalen der Erfindung wird das von dieser Plasmaquelle erzeugte Plasma zu einer Prozeßkammer geliefert, die ein Magneteimersystem zum Fernhalten des Plasmas von den Prozeßkammerwänden einschließt. Die Anordnung liefert in Kombination eine gleichförmige Plasmadichte über ein großes kreisförmiges Gebiet, so daß ein großes Substrat geätzt oder in anderer Weise bearbeitet werden kann. Ein weiteres Merkmal besteht darin, daß eine Magnetsichelzone an der zu bearbeitenden Materialoberfläche aufgebaut werden kann, um das Plasma an dem Ort zu homogenisieren und gleichförmiger zu machen. Ein Aspekt davon besteht darin, daß die Magnetsichelposition relativ zu dem Substrat zeitlich moduliert werden kann, um die Gleichförmigkeit zu verstärken und die Empfindlichkeit gegenüber dem Substratort zu verringern.
Außerdem kann das Magnetfeld ausgedehnt werden, um ein Abscheiden oder Ätzen über ein großes Gebiet zu ermöglichen, und können Stromflüsse durch serielles Betreiben von Antennen in Systemen mit mehr als einer Antenne geglättet werden. Weitere Merkmale bestehen in den Konfigurationen, die ein oder mehrere mehrfachgeometrische(s) Gebiet(e) zum Beschichten oder Ätzen von quadratischen oder rechteckigen Substraten oder eine lineare Nebeneinanderstellung zum Beschichten oder Ätzen von großen Substraten benutzen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm, das das Arbeitsprinzip und den HF-Stromfluß in einer gemäß der vorliegenden Erfindung konstruierten Plasmaquelle darstellt;
Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm der grundlegenden Konfiguration einer Plasmaabscheide- oder -ätzvorrichtung in Kombination mit einer Plasmaquelle, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist;
Fig. 3 ist ein schematisches Diagramm eines zweiten Beispiels für ein System gemäß der vorliegenden Erfindung, bei dem das Plasmaquellengebiet mit einem Magneteimergebiet verbunden ist, bei dem Anforderungen an die Gleichförmigkeit wichtig sind;
Fig. 3A ist eine Aufsicht auf die Anordnung von Fig. 3 entlang der Linie 3A-3A in Fig. 3;
Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht eines dritten Beispiels für ein System gemäß der vorliegenden Erfindung zum Abscheiden oder Ätzen über ein großes rechteckiges Gebiet, bei dem Gleichförmigkeit wichtig ist;
Fig. 4A ist eine Aufsicht auf die Anordnung von Fig. 4 entlang der Linie 4A-4A in Fig. 4;
Fig. 5 ist ein schematisches Diagramm eines weiteren Beispiels für ein System gemäß der vorliegenden Erfindung, bei dem ein unterer Magnet hinter der Ebene des Substrathalters hinzugefügt ist, um ein Magnetsichelfeld zu liefern, wobei die Ebene der Sichel näherungsweise dieselbe wie die Ebene des Substrathalters ist;
Fig. 5A ist eine Aufsicht auf die Anordnung von Fig. 5 entlang der Linie 5A-5A in Fig. 5,
Fig. 6 ist ein schematisches Diagramm eines Beispiels für ein System gemäß der Erfindung zum Sputter-Abscheiden;
Fig. 7 ist eine Graphik, die die Plasmastromdichte an dem Substratort gemäß dem Beispiel von Fig. 3 unter Verwendung der in
Fig. 1 dargestellten Plasmaquelle als eine Funktion des Magnetfeldes in dem Quellengebiet darstellt;
Fig. 8 ist eine Graphik derselben Daten wie in Fig. 7, aber in einem linearen Maßstab für das Magnetfeld, um die Plasmastromdichte an dem Substratort zu zeigen, wo das Magnetfeld gering ist und von 0 bis 0,016 Tesla (0 bis 160 Gauss) variiert;
Fig. 9 ist eine Graphik, die den gesamten Plasmastrom (oder gesamten Fluß) an dem Substratort gemäß der in Fig. 3 dargestellten Erfindung unter Verwendung der in Fig. 1 dargestellten Plasmaquelle als eine Funktion der HF-Energie für die Quelle bei einem Gasdruck von 2,66 x 10&supmin;&sup5; Pa (2 mtorr) darstellt;
Fig. 10 ist eine Graphik, die die Plasmastromdichte an dem Substratort gemäß der in Fig. 3 dargestellten Erfindung unter Verwendung der in Fig. 1 dargestellten Antenne als eine Funktion des Gasdruckes darstellt; und
Fig. 11 ist eine Graphik, die die Plasmastromdichte an dem Substratort gemäß der in Fig. 3 dargestellten Erfindung und der Plasmaquelle von Fig. 1 als eine Funktion der Position darstellt, um die exzellente Gleichförmigkeit über eine erhebliche Breite zu zeigen.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Eine vereinfachte Ansicht der prinzipiellen Elemente und Anordnungen zueinander in einem Gerät gemäß der Erfindung wird durch die Darstellung von Fig. 1 bereitgestellt, in der ein Plasma mit hoher Dichte in einer Quellenröhre 10 mit einer im allgemeinen zylindrischen Form um eine Mittelachse (hier vertikal) zu erzeugen ist. An einem (hier oberen) Ende speist ein Injektor 11 zu ionisierendes Gas in das innere Volumen der Quellenröhre, wo das Gas von einer äußeren Ringantenne 12 angeregt wird, die ein Zwischengebiet der Quellenröhre 10 umfaßt. Der Antennenring 12 umfaßt in diesem Beispiel ein nicht vollkommen kreisförmiges Element, das in einer Ebene liegt, die unter 90º oder weniger in jeder Richtung relativ zu der Mittelachse liegt. Die Ausbreitungsrichtung des Plasmas verläuft hier nach unten in Richtung einer Ausgangsöffnung 13. Die gegenüberliegenden Enden des Antennenrings 12 sind mit dem äußeren Leiter 14 und mittleren Leiter 15 einer Koaxialtreiberleitung 16 gekoppelt, die über einen Anpassungskasten 18 von einer HF-Energiequelle 19 mit Energie versorgt wird. Ein Paar variable Vakuumkondensatoren 20, 21 in dem Anpassungskasten 18 ist zum Abstimmen der Schaltung einstellbar, so daß der Antennenwiderstand plus die Blindlast des Anpassungskastens 18 näherungsweise 50 Ohm beträgt, um die reflektierte Energie zu minimieren.
Die Antennenabstimmung und das Wellenspektrum werden zum Anpassen der Bedingungen in dem Plasmafeld und auch im Verhältnis zu einem von wenigstens einer Magnetfeldspule 22 um die Quellenröhre 10 erzeugten inneren axialen Magnetfeld eingestellt. Die Anpassungsbedingung wird in der Theorie bestimmt durch die Dispersionsbeziehung:
[c)/ω/-ωp/2/C²kz²]² = 1 + (3,83/kza)2.
Um eine Wellenkopplung zu bewirken und eine hohe Plasmastromdichte, gemessen in mA/cm³, aufzubauen, wird der Antennenring 12 bei 13,56 MHz und mit einer HF-Energie in der Größenordnung von 2,0 kW (im Bereich von 100 W bis 5 kW) von der HF-Energiequelle 19 angetrieben. Das von der Spule 22 aufgebaute Magnetfeld befindet sich im Bereich von 0,001 bis 0,1 Tesla (10 bis 1000 Gauss) für verschiedene nützliche Anwendungen. Das Gas ist Argon und wird in diesem Beispiel auf einem Druck von ungefähr 1,33 x 10&supmin;&sup5; Pa (1 mtorr) gehalten. Zusätzlich zu einem Edelgas, wie z.B. Argon, sind jedoch Reaktionsgase, wie z.B. SF&sub6;, Chlor, Sauerstoff und Gemische mit Sauerstoff mit vergleichsweise nützlichen Ergebnissen verwendet worden. Es kann ein Druckbereich von 1,33 x 10&supmin;&sup6; bis 2,66 x 10&supmin;³ Pa (0,1 mtorr bis 200 mtorr) verwendet werden, wenn andere Variablen richtig berücksichtigt werden. Mit einer 5 kW-Stromversorgung kann in Abhängigkeit von der Anwendung weniger als die maximal verfügbare Energie, und zwar bis zu einem um mehrere 100 W wesentlich niedrigeren Wert verwendet werden. Obwohl die 13,56 MHz-Frequenz bei vielen industriellen Quellen verfügbar ist, kann der Bereich von 2 MHz bis 50 MHz nutzbringend ausgenutzt werden.
In Fig. 1 ist der Antennenring 12 unter 90º zu der Längsachse der Quellenröhre 10 gezeigt. Diese Ausrichtung erzeugt die M = 0-Schwingungsmode, während eine Verringerung des Winkels von 90º in beiden Richtungen Komponenten der M = 1-Schwingungsmode sowie Komponenten der M = 0-Schwingungsmode einführt. Winkel von weniger als 90º zu der Längsachse erfordern entsprechend längere Antennenringe 12, so daß es eine praktische Grenze von ungefähr 45º für den verwendbaren Winkel gibt. Die meisten Ausrichtungen liegen bevorzugt im Bereich von 60 bis 90º. Es sollte bemerkt werden, daß der Ring 12 innerhalb einer flachen Ebene angeordnet ist, die zu der Längsachse direkt senkrecht oder gekippt ist. Bei den Konstruktionen im Stand der Technik mit Doppelringen und anderen Konfigurationen ist gewöhnlich die Theorie aufgestellt worden, daß die schleifenförmigen Teile einen spiralförmigen Weg beschreiben müssen, um eine Spiralwellen-Eigenschaft zu schaffen, aber dies ist durch die unten angegebenen Ergebnisse bezüglich der Wirksamkeit der vorliegenden Erfindung widerlegt. Es ist jedoch wichtig, daß der Antennenring 12 von dem geschlossenen (Gaseintritt) Ende der Quellenröhre 10 ausreichend beabstandet ist, damit die notwendigen Wechselwirkungen zwischen dem Plasma und der HF- Energie eintreten und die Dispersionsbeziehung erfüllt wird, so daß eine richtige Anregung realisiert und eine hohe Dichte erzielt werden kann. Eine zu lange Länge kann jedoch auch den Aufbau von geeigneten Wellenzahlen ausschließen. In der Praxis wurden Quellenröhren 10 mit einem Durchmesser von 2,5 cm bis 10 cm (1 Zoll bis 4 Zoll) und einer Länge von 20 cm bis 23 cm (8 Zoll bis 9 Zoll) verwendet, wobei der Antennenring sich ein Drittel oder mehr der Entfernung von dem geschlossenen Ende befand.
Diese Anordnung erzeugt niederfrequente Whistlerwellen, aber der Mechanismus der Wellenenergie-Plasma-Wechselwirkung ist nicht vollständig verstanden. Eine einfache Analyse gemäß der Dispersionsbeziehung ist nicht durchführbar. Das Vorhandensein des Plasmawiderstands in dem HF-Feld scheint unter geeigneten Bedingungen selektive Wechselwirkungen aufkommen zu lassen, bei denen die Gasdichte und dielektrischen Eigenschaften die auftretenden Wellenzahlen bestimmen. In gewisser Hinsicht scheint somit das Plasma selbst die wellenlängen für eine Wechselwirkung, und somit den Wert von kz, aus dem Spektrum der Strahlung von der Antenne zu bestimmen, die das Plasma anregt.
Die Physik der Ausbreitung von Whistlerwellen in Plasmen ist in anderen Zusammenhängen untersucht worden. Bei zylindrischen Geometrien werden diese Wellen im allgemeinen als Helikonwellen bezeichnet. Die klassische Helikonwelle wurde als erstes von Lehame und Thonemann untersucht und folgt den folgenden Gleichungen:
wobei das elektrische Feld, das Magnetfeld, j die Stromdichte, &sub0; das Vakuummagnetfeld, e die Ladung auf einem Elektron, n&sub0; die Dichte des Plasmas und η der spezifische elektrische Widerstand des Plasmas ist.
Wenn man der Ableitung von Chen folgt, kann man auf leichte Weise Störungen der Form B exp (i(m θ + kz - ω, t)) finden, und bei dem Übergang zu dem Grenzwert θ = 0 führen die obigen Gleichungen zu:
² + α²B = 0, wobei α = (ω/k) (µ&sub0;en&sub0;/B),
wobei = (α/µ&sub0;) B
und ω, die Kreisfrequenz der Welle, µ&sub0; die Dielektrizitätskonstante, k die Wellenzahl, 2π/λ ist, wobei λ die Wellenlänge ist. Diese Gleichungen können in zylindrischen Koordinaten gelöst werden, um die Dispersionsbeziehung zu liefern:
m α Jm(T a)+TkaJm' (T a) = 0,
wobei Jm eine Besselfunktion der ersten Art, Jm' eine Ableitung von Jm nach ihrem Argument ist, a der Plasmaradius und T eine Transversalwellenzahl ist, die definiert ist durch
T² = α² - k².
Es ist wichtig, sich daran zu erinnern, daß m die Modenzahl ist, die die θ-Abhängigkeit von Störungen der Form B exp (i(m θ + kz - ω)) beschreibt.
Die zwei niedrigsten Moden erfüllen
J&sub1; (T a) = 0 (m=0)
J&sub1; (T a) = T k a/2 α (J&sub2; - J&sub0;) (m=1)
Dies führt zu der einfachen Beziehung
[(ω/ωc) (ωp²/C²kz²)]² = 1 + (3,83/kza)²,
wobei
ωc = Zyklotron-Kreisfrequenz
ωp = Plasmafrequenz
für die m = 0-Mode sind. Die obige Ableitung ist zum Verständnis der Anregung der gewünschten Mode durch die Antenne wichtig.
Ein weiterer zu verstehender wichtiger Mechanismus besteht in der Dämpfung der Welle durch das Plasma. In den Papers von Boswell konnte eine Wellendämpfung durch Elektronenkollisionen nicht die experimentell beobachteten Ergebnisse erklären. Chen ermittelte jedoch, daß Landau-Dämpfung für die experimentell beobachtete große Dämpfung verantwortlich war. Landau-Dämpfung ist eine kollisionslose Dämpfung von Wellen in einem Plasma aufgrund von Partikeln in dem Plasma, die eine Geschwindigkeit aufweisen, die der Phasengeschwindigkeit der Welle nahezu gleicht. Diese Partikeln wandern mit der Welle, sehen kein schnell schwankendes elektrisches Feld und können somit wirksam Energie mit der Welle austauschen. In einem Plasma gibt es Elektronen, die sowohl schneller als auch langsamer als die Welle sind. In einer Maxwell-Verteilung gibt es jedoch mehr langsame Elektronen als schnelle, und somit nehmen mehr Partikeln Energie von der Welle auf als umgekehrt.
Die Dämpfungsgeschwindigkeit aufgrund der Landau-Dämpfung ist von Chen für Helikonwellen berechnet worden und kann ausgedrückt werden als:
Dämpfungsgeschwindigkeit
Jm(kz)/Re(kz) 2 π c² (3,8/a)² ³ e + ²,
wobei = ω/kz Vth
und Vth die thermische Geschwindigkeit der Plasmaelektronen ist. Es ist interessant zu demonstrieren, wie empfindlich die Dämpfungsgeschwindigkeit gegenüber dem Wert von k ist, da es eine steile Funktion von ist. Man nehme z.B. ein Plasma mit einer Dichte von 1012 Elektronen/cm³, eine Elektronentemperatur von 3 eV und eine Steuerfrequenz von 8 MHz an. Die Kollisionsdämpfungsgeschwindigkeit würde 0,065 und die Landau-Dämpfungsgeschwindigkeit würde 0,6 für kz = 0,25 cm¹ und 0,0005 für kz = 0,125 cm&supmin;¹ betragen. Es ist klar, daß die Landau-Dämpfung der wichtige Dämpfungsmechanismus ist und sehr von der Wellenzahl kz abhängt.
Es gibt eine Zahl von beim Ausdenken eines Antennenaufbaus, der Whistlerwellen zur Erzeugung von Plasmen anregt, wichtigen Faktoren, die a) die Anregungsfrequenz, b) Wellen-Mode und c) Wirksamkeit der Kopplung von HF-Energie in das Plasma einschließen. Die Frequenz der Wellen sollte derart sein, daß sie Ωc < ω < ωc erfüllt, wobei Ωc die Ion-Zyklotronfrequenz, e B&sub0;/Mi. und ωc die Elektron-Zyklotronfrequenz e B&sub0;/M ist. Diese Wellen sind niederfrequente Wellen, die weit unter der Elektron-Zyklotronfrequenz liegen.
Die Modenstruktur der Welle der elektrischen und magnetischen Felder sollte verstanden werden, so daß die Antennenanordnung die HF-Energie wirksam in die Wellenanregung koppelt. Wie oben dargestellt ist, sind die zwei niedrigsten Moden die m = 0- und m = 1-Moden. Die Modenstruktur der Welle des elektrischen Feldes für eine m = 0-Mode weist radiale und kreisumfängliche Vektoren des elektrischen Feldes auf, die in verschiedenen transversalen Ebenen entlang der Richtung der Wellenausbreitung, z, räumlich angeordnet sind. Innerhalb einer Wellenlänge eines Wellenlaufs variiert das elektrische Feld zwischen rein radial und rein azimutal. Das azimutale elektrische Feld variiert zwischen gegen den Uhrzeigersinn in einer Ebene laufend, während es eine halbe Wellenlänge entfernt mit dem Uhrzeigersinn läuft. Mit diesem Verständnis hat sich herausgestellt, daß die Welle in dieser Mode wirksam mit einer Antenne angeregt werden kann, die einen einzigen Ring aufweist, der sich in einer zu dem Magnetfeld senkrechten Ebene befindet, wodurch ein Spektrum von Wellenzahlen erzeugt wird, so daß ein Teil des erzeugten Spektrums 2ir/kz einschließt, wobei kz durch die angegebene Dispersionsbeziehung gegeben ist. Die Modenstruktur der Welle des elektrischen Feldes für eine m = 1-Mode übt eine natürliche spiralförmige Steigung auf die Vektoren des elektrischen und magnetischen Feldes aus, wenn die Welle sich entlang der z-Richtung ausbreitet. Der Vektor des elektrischen Feldes dreht sich in einem rechtshändigen Sinne, d.h., er dreht sich mit dem Uhrzeigersinn, wenn er entlang B&sub0; läuft, das in der z-Richtung liegt. Diese Mode kann mit der vorliegenden Erfindung angeregt werden, wenn der Einring in Schräglage unter einem Winkel zu dem Magnetfeld gebracht wird, so daß das erzeugte Wellenspektrum einen erheblichen Teil um 2π/kz enthält, wobei kz anhand der Dispersionsbeziehungen gegeben ist.
Die Wirksamkeit der Plasmaerzeugung hängt von dem Koppeln von HF-Energie in das Plasma ab. Wie oben erläutert ist, wird angenommen, daß der wichtige Mechanismus zur Dämpfung der HF- Energie die Landau-Dämpfung ist. Die Phasengeschwindigkeit der Whistlerwelle ist gegeben durch ω/kz, wobei kz durch die Dispersionsbeziehung gegeben ist und von der Plasmadichte und der Magnetfeldstärke ohne Plasma abhängt. Idealerweise sollte die Phasengeschwindigkeit der Welle in der Nähe des Maximums des Ionisationspotentials des Gases, das ionisieren soll, liegen. Anhand der obigen Dispersionsbeziehung für die m = 0-Mode gilt:
n = α B&sub0; kz (T² + kz²)1/2
wobei α = B&sub0; kz² für T < kz.
Mit anderen Worten gilt, je höher der Wert von kz ist, desto höher ist die Dichte. Die Phasengeschwindigkeit der Welle ist jedoch ω/kz und somit erniedrigt ein zunehmendes kz die Energie der Elektronen, die von der Welle beschleunigt werden. Wenn kz zu hoch ist, dann kann die Energie der Elektronen unter das lonisationspotential fallen. Es ist somit wichtig, kz zu steuern, um die Dichte erhöhen zu können und die Elektronentemperatur zu steuern.
Die vorliegende Erfindung verwendet niederfrequente Whistlerwellen zum Erzeugen von Plasmen mit hoher Dichte, die 10¹³ pro cm³ übersteigt. Die erste Verwendung von Whistlerwellen zum Erzeugen von dichten Plasmen wurde von Boswell beschrieben, der eine Antennenanordnung mit Stromflüssen entlang der Achse des Zylinders verwendete. Diese Antennenanordnung ist verwendet und früher von Ovchinnikov beschrieben worden und regt die m = 1-Mode aufgrund des Stromflusses in Leitern an, die parallel zu der Richtung des Magnetfeldes B&sub0; verlaufen. Die Anregungsfrequenz betrug 8 mHz, und das Dichteprofil des 10 cm- Plasmas wies insbesondere bei für höhere Dichten notwendigen höheren Magnetfeldstärken Spitzen auf. In diesen Veröffentlichungen konnte der Mechanismus zum wirksamen Koppeln der HF- Energie mit dem Plasma nicht erklärt werden. Chen erklärte den Mechanismus in einem Australian National University-Bericht als Landau-Dämpfung.
Chen beschrieb in einem im August 1988 präsentierten Paper ein System, das Whistlerwellen zum Erzeugen von dichten Plasmen für hochentwickelte Teilchenbeschleuniger verwendet. Die Art der in dieser Anordnung verwendeten Antenne ähnelte der von Boswell verwendeten, indem sie die m = 1-Mode anregte, und entsprach einer als Nagoya-Art-III-Antenne bekannten Art, die kreisförmige Axialringe in voneinander beabstandeten Zuständen aufweist, die mit Signalen entgegengesetzter Phase angeregt werden.
Es kann eine Vielzahl von Variablen verwendet werden, wenn erst einmal erkannt wird, daß die Einringantenne gemäß der vorliegenden Erfindung wirksam ein Plasma mit hoher Dichte aufbaut. Die Z-Achse-Wellenzahl, kz, variiert wie das Verhältnis n/B, und umgekehrt mit der Wellenzahl λ, was eine längere Quellenröhre erfordert. Wenn umgekehrt B verringert wird, ist die Plasmadichte relativ höher, da die kürzeren Wellenlängen benötigte Wellenzahlen unabhängig von der Röhrengröße hervorrufen.
Die Ergebnisse der vorliegenden Lösung werden am besten anhand einer Untersuchung von verschiedenen Prozeßeinheiten ersichtlich, wie sie unten beschrieben ist.
Die Grundkonfiguration einer Plasmaabscheide- oder -ätzvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 2 gezeigt. Die Plasmaerzeugungskammer 10' weist eine zylindrische Gestalt auf und ist aus einem nichtleitenden Material, wie z.B. Quarz oder Pyrex, hergestellt. Die Antenne 12' ist mit einer Neigung zu der Längsachse 10' angebracht, wie es in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben ist. Ein axiales Magnetfeld wird durch die in Fig. 2 gezeigten Magnetfeldspulen 24 und 25 bereitgestellt, aber das Plasma kann auch unter Verwendung nur einer der Spulen funktionieren.
Das Plasma wird von dem Magnetfeld zu einer separaten Prozeßkammer 27 überführt. Die Gestalt des in die Prozeßkammer 27 kommenden Plasmas kann durch Änderung des Betrags und der Richtung des Stroms gesteuert werden, der durch eine Spule 28 um den Ausgang der Kammer 27 fließt. Ein zu beschichtendes oder zu ätzendes Substrat 30 ist auf einem Substrathalter 31 angebracht, der elektrisch isoliert ist. Das Plasma, das das Substrat 30 beschießt, läßt das Substrat 30 eine negative Eigenvorspannung von zwischen 0 bis 10 V erreichen. Für gewisse auszubildende Filme ist es für den Film vorteilhaft, mit Ionen beschossen zu werden, die eine größere Energie aufweisen, als sie aufgrund der Eigenvorspannung erhalten würden. In diesem Fall ist es wünschenswert, HF-Energie von einer zweiten HF- Quelle 33 über einen zweiten Anpassungsschaltkreis 34 anzulegen. Der Substrathalter 31 ist ein Kupferblock, der von einem Heiz-/Kühlschaltkreis 35 gekühlt bzw. erwärmt wird. Ein Gas wird über ein Edelstahl-Speiserohr 11' eingespeist, das mit der Quelle für die Plasmaerzeugungskammer 10' verbunden ist. Ein Edelstahl-Ring 36 weist einen Durchmesser auf, der im Vergleich mit der Größe der Löcher 37, die gleichmäßig um den Ring 36 verteilt sind, groß ist. Diese Anordnung ist derart, daß eine gleichförmige Gasströmung zu dem Substrat gerichtet wird. Die HF-Spannung wird mittels eines Anpassungsschaltkreises 18 und einer HF-Quelle 19, wie sie in Verbindung mit Fig. 1 gezeigt sind, an die Antenne 12' gelegt. Es wird eine Abstimmung in dem Anpassungsschaltkreis 18 vorgenommen, um die Energie zu maximieren, die in das Plasma gekoppelt wird, und die Energie zu minimieren, die entlang eines 50 Ohm-Kabels 38 zu der HF-Energieversorgung 19 zurückreflektiert wird.
Fig. 3 zeigt eine Anordnung, in der eine hohe Gleichförmigkeit über ein großes Gebiet erforderlich ist. Die Plasmaerzeugungskammer 10' weist eine zylindrische Gestalt auf und ist aus einem nichtleitenden Material, wie z.B. Quarz oder Pyrex, hergestellt. Die Antenne 12 ist unter einem Winkel angebracht, der kleiner als ein rechter Winkel ist, aber ansonsten entspricht sie der in Fig. 1 beschriebenen Konfiguration. Ein axiales Magnetfeld wird durch die Magnetfeldspulen 24 und 25 bereitgestellt. Das Plasma wird von dem Magnetfeld zu einem Prozeßvolumen übertragen, das einen Teil einer Magneteimerkammer 40 umfaßt.
In einem Paper von Limpaecher und MacKenzie (R. Limpaecher und K.R. MacKenzie, Rev. Sci. Instrum. 44, 726 (1973)) ist offenbart, daß die Verwendung von Magneten in einer äußeren Mehrfachsichelanordnung sehr gleichförmige Plasmaparameter in einem Zentralgebiet des von den Magneten eingeschlossenen Volumens liefern kann. Die Anordnung der Magnete um den Kreisumfang eines Zylinders ist eine für Ionenquellen verwendete übliche Anordnung und wird als ein Magneteimer bezeichnet. Es ist wichtig, das Magnetfeld in der Art zu gestalten, daß es eine gute Anpassung zwischen dem von der unteren Magnetfeldspule 25 gelieferten axialen Feld und dem Feld in dem Magneteimer 40 gibt. Das Plasma von dem Erzeuger 10' zerstreut sich entlang der Magnetfeldlinien und dehnt sich aus, um den Eimer 40 zu füllen. Die Wand 41 für den Magneteimer 40 ist aus Edelstahl hergestellt und kann z.B. einen kreisförmigen oder rechteckigen Querschnitt aufweisen. In jedem Fall sind die inneren Abmessungen des Magneteimers 40 derart, daß er größer als der Innendurchmesser des Plasmaerzeugers 10' ist. Das Magnetfeld innerhalb des Eimers wird durch eine Vielzahl von Permamentmagneten 43 bereitgestellt, die mit ihren Polen senkrecht zu der Wand 41 der Eimerkammer und mit sich abwechselnden Nord N- und Süd S-Polen angeordnet sind.
Bei dieser Anordnung folgen die Magnetfeldlinien 44 einem Mehrfachsichelmuster, wobei das von den Magneten gelieferte Feldmuster in Fig. 3A gezeigt ist. Nochmals Bezug nehmend auf Fig. 3 ist ein zu beschichtendes oder zu ätzendes Substrat 45 auf einem Substrathalter 46 in dem unteren Gebiet des Plasmafelds in dem Magneteimer angebracht. Der Substrathalter ist ein Kupferblock, der von einem Heiz-/Kühl-Schaltkreis 47 gekühlt bzw. erwärmt wird. Wie in dem System von Fig. 2 wird Gas über ein Edelstahl-Rohr 11', das mit der Gasquelle für die Plasmaerzeugungskammer 10' verbunden ist, und in den Magneteimer 40 über einen Edelstahl-Ring 36 gespeist, der mit der Gaszufuhr verbunden ist und Löcher 37 mit einem kleinen Durchmesser einschließt, die gleichmäßig um den Ring 36 verteilt sind. Es wird eine gleichförmige Plasmaströmung auf das Substrat 45 gerichtet, wenn eine HF-Spannung von einer Stromversorgung 19 mittels eines Anpassungsschaltkreises 18, der aus zwei Vakuumkondensatoren besteht, wie sie in Fig. 1 beschrieben sind, an die Antenne 12' angelegt wird.
Fig. 4 zeigt eine Anordnung, in der eine hohe Gleichförmigkeit über ein großes rechteckig gestaltetes Gebiet erforderlich ist, wie es z.B. bei dem Beschichten von großen flachen Bildschirmen benötigt wird. Die Plasmaerzeugungseinheiten entsprechen der oben beschriebenen Art, aber in dieser Anordnung können in Abhängigkeit von der Größe und der Form des benötigten Plasmas Mehrfacherzeuger verwendet werden. In Fig. 4 sind drei Plasmaerzeuger 49, 50 und 51 gezeigt, die entlang der Mittelachse der Oberseite einer Prozeßkammer angeordnet sind. Jede Plasmaerzeugungskammer weist eine zylindrische Gestalt auf und ist aus einem nichtleitenden Material, wie z.B. Quarz oder Pyrex, hergestellt und schließt eine separate Einringantenne 52, 53 oder 54 der in Fig. 1 beschriebenen Art ein. Um die Erzeugung von gleichförmigen Plasmen sicherzustellen, sind die Antennen 52, 53, 54 jedoch in elektrischer Reihe mit dem Anpassungskasten 18 und der HF-Stromversorgung gekoppelt, so daß gleiche HF-Stromflüsse sichergestellt werden. Durch Magnetfeldspulen 55, 56, 57, 58, 59 und 60 wird für jeden Erzeuger ein axiales Magnetfeld bereitgestellt. Die auf diese Weise separat erzeugten Plasmen werden durch das Magnetfeld in eine herkömmliche rechteckige Magneteimerkammer 61 überführt. Die Plasmen zerstreuen sich entlang der Feldlinien und dehnen sich aus, um den Eimer 61 zu füllen. Das Magnetfeld innerhalb der Eimerkammer 61 wird durch Permanentmagneten 62 bereitgestellt, die mit ihren Polen senkrecht zu der Oberfläche der Eimerkammer und mit sich abwechselnden N- und S-Polen angeordnet sind. Das von den Magneten gelieferte Magnetfeldmuster ist in Fig. 4A gezeigt. Das zu beschichtende oder zu ätzende Substrat 63 ist auf einem Substrathalter 64 angebracht, der elektrisch isoliert ist. Das Plasma, das das Substrat beschießt, läßt das Substrat eine negative Eigenvorspannung von zwischen 0 und 10 V erreichen. Für gewisse auszubildende Filme oder bei gewissen Ätzanwendungen ist es für das Substrat 63 vorteilhaft, mit energiereichen Ionen beschossen zu werden. In diesem Fall ist es wünschenswert, HF-Energie von einer zweiten HF-Stromversorgung (nicht gezeigt) über einen Anpassungsschaltkreis an den Substrathalter 64 anzulegen, der wieder ein Kupferblock sein kann, der von einem Heiz-/Kühl-Schaltkreis 65 gekühlt oder erwärmt wird.
Fig. 5 ist ein weiteres Beispiel für eine Vorrichtung gemäß der Erfindung zum Bereitstellen einer weiteren Steuerung der Plasmagleichförmigkeit über ein großes Gebiet. Die Plasmaerzeugungskammer 10' weist eine zylindrische Gestalt auf, ist aus einem nichtleitenden Material, wie z.B. Quarz oder Pyrex, und wird von einer Antenne 12' unter einem Winkel von weniger als 90º umgeben. Ein axiales Magnetfeld wird in dem Quellengebiet von den Magnetfeldspulen 69 und 70 oder von nur einer derartigen Spule bereitgestellt. Das Plasma wird von dem Magnetfeld von der Quelle 67 zu einer Magnetemerkammer 71 überführt, die im wesentlichen dieselbe Gestalt aufweist, wie sie für Fig. 3 beschrieben ist. Um die Gleichförmigkeit zu verstärken und den Übergang des Plasmas in die Eimerkammer 71 zu erleichtern, befindet sich eine zusätzliche Magnetfeldspule 72, die zu der Mittelachse der Plasmaerzeugungskammer 10' konzentrisch ist, unter dem Substrathalter 74, der von einem Heiz-/Kühl-Schaltkreis 75 gekühlt oder erwärmt wird. Die Dauermagneten 76 um die Eimerkammer 71 sind in der in Fig. 2 beschriebenen Form angeordnet und schaffen ein Magnetsichelfeld 77, wie es in Fig. 5A zu sehen ist. Der Strom in der zusätzlichen Magnetfeldspule 72 wird erzeugt, um einen Strom in der zu derjenigen der in den Spulen 69 und 70 fließenden Ströme entgegengesetzten Richtung zu tragen. Die Wirkung besteht darin, eine weitere magnetische Sichel, nun eine Ringsichel, zu schaffen, die sich näherungsweise in der Ebene des Substrats 78 befindet, wobei die Ebene im wesentlichen senkrecht zu den von den Nord-Süd-Permanentmagneten 76 geschaffenen Liniensichel befindet.
Wie oben beschrieben, wird Gas durch eine Einspeiseöffnung 11 in den Plasmaerzeuger 10' und durch ein weiteres Speiserohr 11' in einen Edelstahl-Ring 36 in die Eimerkammer 71 gespeist. Der Ring 36 weist einen im Vergleich mit der Größe der Löcher 37, die eine gleichförmige Gasströmung zu dem Substrat 78 richten, großen Durchmesser auf. Der Ring 36 kann auch die Gaszufuhr für die Quelle sein, wenn die Hauptzufuhr nicht verwendet wird. Kleine Amplitudenänderungen mit der Zeit in dem in der Spule 72 fließenden Strom werden von einem Modulationstreiber 73 erzeugt, um die Ringsichelebene um die Ebene des Substrats 78 auf- und abschwanken zu lassen, wodurch das quer über das Substrat einfallende Plasmaprofil zeitlich gemittelt wird und außerdem die Gleichförmigkeit verstärkt wird. Diese Lösung der Verwendung der zeitlichen Änderung einer unteren Spule kann auch zur Verstärkung der Gleichförmigkeit verwendet werden, wenn ein Magneteimer nicht verwendet wird, indem die in Fig. 2 gezeigte Anordnung verwendet wird und der Strom in Spule 28 darin in dem Austrittsgebiet entgegengesetzt zu demjenigen in den Spulen 24 und 25 bei der Plasmaerzeugungskammer 10' laufengelassen wird, wodurch die Ringsichel in der Ebene des Substrats geschaffen wird, wie es gerade beschrieben wurde.
Fig. 6 ist ein weiteres Beispiel gemäß der vorliegenden Erfindung, die zur Verwendung des HF-Erzeugungssystems in Verbindung mit einem Sputter-Ziel geeignet ist. Die Plasmaerzeugungskammer 10" weist eine zylindrische Gestalt auf, ist aus einem nichtleitenden Material und wird von einer Antenne 12' umgeben, die, wie in dem Beispiel von Fig. 1, in einer zu der Längachse senkrechten Ebene angebracht ist. Ein axiales Magnetfeld wird von den Magnetfeldspulen 80 und 81 um die Kammer 10" und 82 und 83 um eine Prozeßkammer 91 bereitgestellt. Das Plasma 90 wird von dem Plasmaerzeuger 10" in die Prozeßkammer 91 überführt und fließt entlang des Magnetfeldes zu einem untersten Sputter-Ziel 93, das auf eine große negative Spannung (ungefähr -700 V) von einer Stromversorgung 94 vorgespannt ist. Es wird eine Gleichstrom (DC)-Stromquelle verwendet, um eine Ladung aufrechtzuerhalten, wenn der Substrathalter leitend ist, aber wenn der Substrathalter nicht leitend ist, wird stattdessen eine Wechselstrom(AC)-Stromquelle benutzt. Der Plasmadurchmesser wird durch Steuern des Magnetfeldes derart eingestellt, daß er demjenigen des Ziels entspricht. Das von dem Ziel 93 gesputterte Material wird auf den nebeneinanderliegenden Substraten 96 angeordnet. Ein horizontales Ablenkblech 97 in einer Ebene oberhalb des Ziels 93 kann dazu verwendet werden, den Gasdruck in der Nähe des Substrates zu steuern, und andere Gase können in der Nähe des Substrates durch einen Auslaß 98 eingeleitet werden. Die Substrate 96 sind auf einem Substrathalter 101 angebracht und über dem Sputter-Ziel positioniert. Der Substrathalter 101 kann sich um die vertikale Achse drehen, um die Gleichförmigkeit des Abscheidens von gesputtertem Material zu verstärken. Der Substrathalter 101 weist eine zentrale Öffnung auf, um Plasma entlang des Magnetfeldes von dem Plasmaerzeuger 10" zu dem Sputter-Ziel 93 gelangen zu lassen.
In Fig. 7 sind Daten bezüglich der in mA/cm² gemessenen Plasmastromdichte gezeigt, die gemäß der vorliegenden Erfindung in der in Fig. 3 gezeigten Anordnung unter Verwendung der in Fig. 1 gezeigten Antenne erzeugt und unter Verwendung einer Schnelleinspritz-Langmuir-Sonde an einem Ort genau oberhalb der Ebene des Substrates gemessen wurde. Die HF-Frequenz betrug 13,56 MHz und wurde unter Verwendung einer herkömmlichen HF-Stromversorgung geliefert, die 2,0 kW erzeugt, die durch einen in Fig. 1 gezeigten Anpassungskasten hindurchtritt. Die Daten wurden für die Plasmastromdichte als eine Funktion des Magnetfeldes in der Quellenkammer 10' von 0 bis 0,1 Tesla (0 bis 1000 Gauss) erhalten. Die Daten für ein von 0 bis 0,016 Tesla (0 bis 160 Gauss) variierendes Feld sind in Fig. 8 gezeigt. Der Gasdruck beträgt ungefähr 1,33 x 10&supmin;&sup5; Pa (1 mtorr). Eine wesentliche Stromdichte, die sich 40 mA/cm² nähert, wurde bei einem niedrigen Feldwert von 0,02 Tesla (20 Gauss) festgestellt. Ein Anstieg des Magnetfeldes auf 0,01 Tesla (100 Gauss) und darüber erzeugt auch hohe Werte für die Plasmastromdichte, die Werte von 140 mA/cm² erreichen. Diese Daten beweisen, daß Resonanzen bei niedrigen Feldwerten existieren, um zu überraschend hohen und neuen Plasmastromdichten zu führen. Resonanzen treten wiederum monoton steigend mit der Feldstärke nach einem Zwischenbereich auf, in dem die Stromdichten geringer sind.
In Fig. 9 sind Daten für den in Ampere gemessenen gesamten Plasmafluß, der die Substratebene erreicht, als eine Funktion der HF-Energie für einen Gasdruck von 2,66 x 10&supmin;&sup5; Pa (2 mtorr) und ein Magnetfeld in der Quellenkammer von 0,025 Tesla (250 Gauss) gezeigt. Der erzielte gesamte Fluß erstreckt sich über einen Durchmesser von 8 Zoll (20 cm). Der gesamte auf das Substrat einfallende Fluß erreicht 15 Ampere von einer Quelle mit einem Kammerdurchmesser von ungefähr 4 Zoll (10 cm).
Fig. 10 stellt den Betrieb der Plasmaquelle in der in Fig. 3 beschriebenen Anordnung und mit der in Fig. 1 beschriebenen Antenne als eine Funktion des Gasdruckes in der Kammer dar, wobei gezeigt wird, daß die Quelle bei niedrigen Drücken (unter 1,33 x 10' Pa (1 mtorr)) bis zu höheren Drücken wirksam arbeitet. Die Quelle ist bei Drücken erfolgreich betrieben worden, die größer als 1,33 x 10&supmin;³ Pa (100 mtorr) sind.
Die Gleichförmigkeit des Plasmas ist in Fig. 11 gezeigt, wobei die Gleichförmigkeit in einer Entfernung von 15 cm (6 Zoll) unter dem Ausgang der Quellenkammer 10' in der Eimerkammer 40 mit einem Substrat 45 an seinem Platz unter Verwendung der in Fig. 3 gezeigten Anordnung und der in Fig. 1 dargestellten Antenne gemessen wurde. Das Magnetfeld in der Quellenkammer 10' beträgt 0,015 Tesla (150 Gauss) und der Druck beträgt ungefähr 2,66 x 10&supmin;&sup5; Pa (2 mtorr). Das Plasma ist über eine 8 Zoll (20 cm) überschreitende Breite höchst gleichförmig. Ein ähnlicher Gleichförmigkeitsgrad wird unter Verwendung der in Fig. 5 dargestellten Sichelmagnetanordnung erzielt, wobei die Magnetspule 72 benutzt wird, die einen Strom in einer zu dem in den Magnetfeldspulen 69 und 70 fließenden Strom entgegengesetzten Richtung trägt.
Demzufolge wird es ersichtlich sein, daß die Systeme und Vorrichtungen gemäß der Erfindung gleichförmige Plasmen unter Verwendung von niederfrequenten Whistlerwellenanregungen unter Verwendung einer Einringantenne mit einer Quellenkammer liefern. Durch Wechselwirkung mit dem Plasmawiderstand unter einer geeigneten Magnetfeldbedingung und mit einer ausgewählten HF-Energie kann ein ausgedehntes Plasma in einer Prozeßkammer ein weites Gebiet mit gestalteter Flächeneigenschaft mit einer hohen Plasmastromdichte und einem hohen gesamten Plasmastrom abdecken. Es sind Moden sowohl mit einer niedrigen als auch mit einer hohen Magnetfeldstärke aufrechtzuerhalten, und es können Ätz-, Abscheide- und Sputter-Prozesse benutzt werden.
Während die Erfindung bezüglich einer Zahl von Formen und Variationen beschrieben worden ist, wird es ersichtlich sein, daß die Erfindung nicht darauf beschränkt ist, sondern alle Modifikationen gemäß dem Umfang der beigefügten Ansprüche umfaßt.

Claims

1. Ein System zur Erzeugung eines Plasmas mit hoher Dichte, mit einer Plasmaeinschlußkammer (10) mit zylindrischer Form; einer Einrichtung (11) zum Einspeisen eines zu ionisierenden Gases in die Kammer (10); benachbart zu der Kammer angeordnete Einrichtungen (80, 81) zur Erzeugung eines Magnetfeldes in Längsrichtung in der Kammer (10); und einer Einrichtung (19) zur Erzeugung von Hochfrequenz-Energie; dadurch gekennzeichnet, daß eine Antenneneinrichtung umfaßt:

ein Einringelement (12) das die zylindrische Kammer (10) umgibt und in einem Zwischengebiet entlang der Länge der Kammer (10) angeordnet ist und in einer Ebene unter einem Winkel von mehr als 45º zu der Mittelachse der Kammer (10) angeordnet ist, wobei das Einringelement (12) mit der Einrichtung (19) zur Erzeugung von Hochfrequenz-Energie gekoppelt ist.

2. Ein System nach Anspruch 1, worin das Magnetfeld kleiner als 0,1 Tesla (1000 Gauss) ist, die Plasmadichte mehr als 10¹³/cm³ beträgt, und das Ringelement (12) sich unter einem Winkel von ungefähr 90º relativ zu dem Magnetfeld befindet.

3. Ein System nach Anspruch 2, worin das System einen ersten Plasmastrom- und -dichte-Peak im Bereich von ungefähr 50 Gauss (0,005 Tesla) und einen zweiten Plasma- und -dichte-Peak im Bereich von ungefähr 0,04 Tesla (400 Gauss) aufweist.

4. Ein System nach Anspruch 3, worin die Hochfrequenz-Energie im Bereich von 13,56 MHz liegt und die Einrichtung (19) zur Anregung weiterhin eine Widerstandsanpassungseinrichtung (18, 20, 21) einschließt.

5. Ein System nach Anspruch 1, worin die Moden-Struktur des von dem Ringelement (12) übertragenen elektrischen Wellenfeldes die m=0-Mode ist und eine Steigung von 2π/kz aufweist, wobei kz durch die Dispersionsbeziehung

[ω/ωc - ωp²/C²Kz²]² = 1 + (3,83kza)²

und eine Phasengeschwindigkeit von ω/kz bestimmt wird, wobei ω, die Anregungsfrequenz, ωc die Elektron-Zyklotron-Kreisfrequenz, ωp die Plasmafrequenz, kz die axiale Wellenzahl in dem Plasma und a der Plasmaradius ist.

6. Ein System nach Anspruch 5, worin das Plasma mit niederfrequenten Whistlerwellen mit der Beziehung Ωc < ω < ωc wobei Q die Ion-Zyklotronfrequenz ist, angeregt wird.

7. Ein System nach Anspruch 6, worin die Plasmadichte mehr als 10'³/cm³ beträgt und die Kammer (10) eine nichtmagnetische isolierende Kammer ist.

8. Ein System nach Anspruch 1, worin die zylindrische Kammer (10') eine Austrittsöffnung (13) entlang der Längsachse einschließt, das System außerdem eine Prozeßkammer (27) benachbart zu der zylindrischen Kammer (10') und über die Austrittsöffnung (13) in Verbindung mit der zylindrischen Kammer (10') und eine Einrichtung (31, 46) zum Halten eines darin zu bearbeitenden Teils einschließt, und worin die Prozeßkammer (27) ein größeres Querschnittsgebiet als die zylindrische Kammer (10') aufweist.

9. Ein System nach Anspruch 8, worin die Prozeßkammer (27) eine Einrichtung zum darin Aufrechterhalten eines Plasmas einschließt.

10. Ein System nach Anspruch 9, worin die Einrichtung zum Aufrechterhalten eines Plasmas Magneteinrichtungen (24, 25) um die Prozeßkammer (27) zum Bilden einer Magneteimerkammer (40) umfaßt.

11. Ein System nach Anspruch 10, worin die Magneteimerkammer (40) in Aufsicht rechteckig ist und worin das System wenigstens zwei Plasmaeinschlußkammern (10') aufweist, die dort herum verbundene Einringantennenelemente (12') aufweisen und entlang der Magneteimerkammer (40) angeordnet sind.

12. Ein System nach Anspruch 8, worin das System wenigstens zwei Plasmaeinschlußkammern (10'), von denen jede eine dort herum verbundene Einringantenne (12') aufweist, und Schaltkreiseinrichtungen umfaßt, die die Antennen zum Anregen der Antennen mit Hochfrequenz-Energie in Reihe koppeln.

13. Ein System nach Anspruch 8, worin das System außerdem eine Einrichtung zum Halten eines zu bearbeitenden Substrats (30) in den Weg des Plasmas in der Prozeßkammer (27) umfaßt.

14. Ein System nach Anspruch 13, worin das System außerdem eine Einrichtung zum Aufrechterhalten eines Magnetsichelfeldes (77) in dem Gebiet des Substrates (78) einschließt, wobei das Magnetsichelfeld (77) zu dem Magnetfeld in Längsrichtung der Kammer (10') entgegengesetzt ist.

15. Ein System nach Anspruch 14, worin die Einrichtung zum Aufrechterhalten eines Magnetsichelfeldes (77) eine Einrichtung zur Änderung der Intensität des Magnetsichelfeldes (77) umfaßt, um die Plasmaflußdichte an dem Substrat (78) zeitlich zu mitteln.

16. Ein System nach Anspruch 8, worin das System ein Sputter- Ziel (93) und einen Sputter-Ziel-Halter in der Prozeßkammer (91) in dem Weg des Plasmas, eine Einrichtung (94) zum Vorspannen des Sputter-Ziel-Halters und eine Substrateinrichtung (98) um den Plasmaweg zwischen der zylindrischen Kammer (10") und dem Sputter-Ziel (93) in dem Weg des davon gesputterten Materials umfaßt.

17. Das System nach Anspruch 1, wobei:

die Einrichtung (11) zum Einspeisen einen oder mehrere Flüssigkeitsinjektor(en) zum Einleiten einer Flüssigkeit in die Plasmaeinschlußkammer (10') umfaßt, wodurch die Schaffung eines Plasmas innerhalb der Plasmaeinschlußkammer (10') ermöglicht wird; und

die Einrichtungen (80, 81) zur Erzeugung einen Magnetfelderzeuger zur Erzeugung eines Magnetfeldes; einen Stromsteuerer zur Steuerung des Stromes innerhalb des Magnetfelderzeugers, wodurch die Plasmagestalt gesteuert wird;

eine Prozeßkammer (27), wobei das Plasma von dem Magnetfeld zu der Prozeßkammer (27) überführt wird;

einen Substrathalter (31, 46, 64, 74), der sich innerhalb der Prozeßkammer (27) befindet; und

ein Substrat (30) umfassen, das auf dem Substrathalter (31) angebracht ist, wobei das Substrat (30) dadurch dem Plasma ausgesetzt ist.

18. Das System nach Anspruch 17, mit:

einem Hilfs-Hochfrequenz-Erzeuger (33) zum Anlegen von Hochfrequenz-Energie an ein Substrat (30), das auf dem Substrathalter (31) liegt;

einem Hochfrequenz-Anreger (19), wobei der Hochfrequenz-Anreger (19) eine Hochfrequenz-Spannung und einen Hochfrequenz- Strom erzeugt; und

einem Anpassungsnetzwerk (18), wobei das Anpassungsnetzwerk (18) den Hochfrequenz-Anreger (19) und die Antenneneinrichtung (12') miteinander verbindet, wodurch der wirksame Übergang von Hochfrequenz-Energie von dem Hochfrequenz-Anreger (19) zu der Antenneneinrichtung (12') gefördert wird.

19. Das System nach Anspruch 17, worin das erzeugte Magnetfeld (24, 25) im wesentlichen zu der Längsachse der Plasmaeinschlußkammer (10') parallel ist.

20. Das System nach Anspruch 19, worin der Substrathalter (31) innerhalb der Prozeßkammer (27) im wesentlichen elektrisch isoliert gehalten wird.

21. Das System nach Anspruch 20, worin der zweite Flüssigkeitsinjektor (11') als ein poröses Element ausgebildet ist, wodurch ein Gas in das Element eingeleitet werden kann und wobei das Gas aus dem Element in die Prozeßkammer (27) entweicht.

22. Das System nach Anspruch 21, worin das poröse Element als ein Ring (36) ausgebildet ist, wobei der Ring (36) aus Rohren zusammengesetzt ist, wobei die Rohre perforiert (37) sind, um das Gas aus dem Ring (36) in die Prozeßkammer (27) entweichen zu lassen.

23. Das System nach Anspruch 22, worin die Plasmaeinschlußkammer (10') ein Quarz-Zylinder ist.

24. Das System nach Anspruch 17, mit mehreren Magneten (43, 62, 76), wobei die Magnete (43, 62, 76) auf einem Kreisumfang in der Nähe der Prozeßkammer (27, 40) angeordnet sind und aufeinanderfolgende Magnete (43, 62, 76) entgegengesetzte Ausrichtungen der Nord- und Süd-Pole aufweisen.

25. Das System nach Anspruch 24, worin die Prozeßkammer (27, 40) ein Querschnittsgebiet aufweist, das größer als ein Querschnitt der Plasmaerzeugungskammer (10') ist.

26. Das System nach Anspruch 25, worin die Prozeßkammer (27, 40) im wesentlichen aus Edelstahl geformt ist.

27. Das System nach Änspruch 26, worin der Querschnitt der Prozeßkammer (27, 40) eine regelmäßige geometrische Gestalt aufweist.

28. Das System nach Anspruch 24, mit einem zusätzlichen Magnetfelderzeuger (72, 73), wobei der Erzeuger sich hinter dem Substrathalter (74) auf der Seite des Substrates (78), die derjenigen der Plasmaerzeugungskammer (10') gegenüberliegt, und in einer zu derjenigen der anderen Magnetfelderzeuger (69, 70) im wesentlichen parallelen Ebene befindet und ein Magnetfeld erzeugt, das zu demjenigen der anderen Magnetfelderzeuger (69, 70) entgegengesetzt ist.

29. Das System nach Anspruch 28, worin der Magnetfelderzeuger (72, 73), der sich hinter dem Substrathalter (74) befindet, ein zeitlich veränderliches Magnetfeld erzeugt.

30. Das System nach Anspruch 17, mit einem zusätzlichen Magnetfelderzeuger (72, 73), wobei der Erzeuger sich hinter dem Substrathalter (74) auf der Seite des Substrates (78), die derjenigen der Plasmabegrenzungskammer (10') gegenüberliegt, und in einer zu derjenigen der anderen Magnetfelderzeuger (69, 70) im wesentlichen parallelen Ebene befindet und ein Magnetfeld erzeugt, das zu demjenigen der anderen Magnetfelderzeuger (69, 70) entgegengesetzt ist.

31. Das System nach Anspruch, worin der Magnetfelderzeuger (72, 73), der sich hinter dem Substrathalter (74) befindet, ein zeitlich veränderliches Magnetfeld erzeugt.

32. Das System nach Anspruch 17, mit:

wenigstens einem Ziel (93);

einer Vorspanneinrichtung (94), wobei die Vorspanneinrichtung (94) eine Spannung an das Ziel (93) anlegt, wodurch Ionen des Plasmas das Ziel (93) beschießen und Material von dem Ziel (93) sich auf dem Substrat (96) abscheiden lassen.

33. Das System nach Anspruch 17, mit:

mehreren Plasmaeinschlußkammern (10"), wobei jede Plasmaeinschlußkammer (10") mit der Prozeßkammer (91) zusammenwirkend verbunden ist;

mehreren Ringantennen (12'), wobei jede Antenne (12') mit jeder Plasmaeinschlußkammer (10") elektromagnetisch gekoppelt ist; und

mehreren Magnetfelderzeugern (80, 81), wobei jeder Magnetfelderzeuger mit der Plasmaeinschlußkammer (10") magnetisch gekoppelt ist.

34. Das System nach Anspruch 17, mit:

mehreren Plasmaeinschlußkammern (10"), wobei jede Plasmaeinschlußkammer (10") mit der Prozeßkammer (91) zusammenwirkend verbunden ist und jede Plasmaeinschlußkammer (10") zu der Längsachse der Prozeßkammer (91) koaxial liegt;

mehreren Antennen (12'), wobei jede Antenne (12') mit einer Plasmaeinschlußkammer (10") elektromagnetisch gekoppelt ist;

mehreren Magnetfeldspulen (82, 83), wobei die Magnetfeldspulen (82, 83) sich in der Nähe der Prozeßkammer (91) befinden;

mehreren Magnetfelderzeugern (80, 81,) wobei jeder Magnetfelderzeuger (80, 81) mit einer Plasmaeinschlußkammer (10") magnetisch gekoppelt ist; und

mehreren Substrathaltern (101), die innerhalb der Prozeßkammer (91) angebracht sind.