DE69231405T2

DE69231405T2 - Mikrowellenplasma-bearbeitungsvorrichtung

Info

Publication number: DE69231405T2
Application number: DE69231405T
Authority: DE
Inventors: Ching-Hwa Chen; Takashi Inoue; Shunji Miyahara; David Pirkle; Masahiko Tanaka
Original assignee: Lam Research Corp
Current assignee: Lam Research Corp
Priority date: 1991-05-24
Filing date: 1992-05-22
Publication date: 2001-07-19
Anticipated expiration: 2012-05-23
Also published as: EP0586579A1; EP0586579B1; JPH08106994A; WO1992022085A1; US5234526A; DE69231405D1; EP0586579A4

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mikrowellen- Plasmaverarbeitungsvorrichtung, nutzbar als Ätzvorrichtung oder filmbildende Vorrichtung, in welcher Plasma mittels Mikrowellen mit oder ohne Elektronenzyklotronresonanzanregung generiert wird. Die Erfindung betrifft des weiteren die Verwendung solcher Vorrichtungen.

Hintergrund der Erfindung

Die Vorteile der Vorrichtungen, in denen Plasma durch Elektronenzyklotronresonanzanregung generiert wird, liegen darin, dass ein hochaktives Plasma bei niedrigen Gasdrücken generiert werden kann, Ionenenergien aus einer grossen Bandbreite von Größen ausgewählt werden können, große Ionenstrome realisiert werden können, dass sich eine ausgezeichnete Direktivität und Homogenität der Ionenstrome erzielen lässt, usw. Dies sind Gründe für die laufenden Forschungen und Entwicklungsarbeiten zu solchen Vorrichtungen, die als unverzichtbar für die Herstellung hochdichter Halbleiterelemente und anderer Vorrichtungen erachtet werden.
Fig. 1 ist ein Längsquerschnitt einer herkömmlichen Mikrowellenplasmaverarbeitungsvorrichtung (z. B. siehe US-Patent Nr. 4,401,054), die als Ätzvorrichtung vorgesehen ist und nach dem Prinzip der von Mikrowellen initiierten Zyklotronresonanzanregung funktioniert. Wie in Fig. 1 dargestellt, ist die Plasmagenerierungskammer 31 mit doppelten Peripherwänden versehen, die eine Kühlwasserleitungskammer 31a bilden; eine Mikrowelleneinführungsöffnung 31c, die mit der Quarzglasplatte 31b abgedichtet ist, befindet sich in der Mitte der oberen Wand, und die Plasmaabführungsöffnung 31d befindet sich in der Mitte der unteren Wand gegenüber der Mikrowelleneinführungsöffnung 31c. Der Hohlleiter 32 ist mit einem seiner Enden mit der Mikrowelleneinführungsöffnung 31c verbunden. Die Werkstückkammer 33 ist gegenüber der Plasmaabführungsöffnung 31d angeordnet, und die Erregerspulen 34 sind koaxial zu der Plasmagenerierungskammer 31 und zum damit verbundenen Hohlleiter 32 angeordnet, während die Spulen 34 sowohl die Kammer 31 wie den Endabschnitt des Hohlleiters 32 einschliefen.
Die Werkstückplattform 37 befindet sich gegenüber der Plasmaabführungsöffnung 31d im Inneren der Werkstückkammer 33. Ein Wafer oder ein anderes Werkstück S ist auf der Plattform 37 befestigt, indem es auf einfache Weise auf der Oberseite von Plattform 37 angebracht ist oder indem es abnehmbar mittels elektrostatischer Klammer oder eines anderen herkömmlichen Mittels befestigt ist. Des weiteren ist in der unteren Wand der Werkstückkammer 33 eine mit einer (nicht dargestellten) Abzugsvorrichtung verbundene Abzugsöffnung 33a vorgesehen. Das Gaszuführungssystem 31g ist mit der Plasmagenerierungskammer 31 verbunden, und das Gaszuführungssystem 33g ist mit der Werkstückkammer 33 verbunden. Die Kühlwasserversorgungs- und Ableitungssysteme 31h, 31i sorgen für die Zirkulation von Kühlwasser in der Kammer 31a.
In einer Ätzvorrichtung dieses Typs erfolgt die Gaszufuhr in die Plasmagenerierungskammer 31 über das Gaszuführungssystem 31g, nachdem ein erforderliches Vakuumausmaß in der Plasmagenerierungskammer 31 und in der Werkstückkammer 33 erreicht worden ist, und die Erregerspulen 34 bilden ein Magnetfeld, während die Mikrowellen durch die Mikrowelleneinführungsöffnung 31c in die Plasmagenerierungskammer 31 eingeführt werden, wobei infolge der Resonanzanregung im Gas in der Plasmagenerierungskammer 31, die als Hohlraumresonator dient, Plasma gebildet wird. Ein divergentes Magnetfeld, das von den Erregerspulen 34 gebildet wird und eine sich in Richtung der Werkstückkammer 33 verringernde magnetische Flussdichte aufweist, projiziert das generierte Plasma in den vom Werkstück S in der Werkstückkammer 33 besetzten Raum und sorgt damit dafür, dass die Oberfläche des Werkstücks S im Inneren der Werkstückkammer 33 geätzt wird (vgl. Offengelegte Japanische Patentanmeldung Nr. 57-133636). In der oben beschriebenen herkömmlichen Vorrichtung wird die Mikrowelleneinführungsöffnung 31c in der oberen Wand der Plasmagenerierungskammer 31 mittels der von Mikrowellen penetrierbaren Quarzglasplatte 31b luftdicht abgeschlossen. Die Quarzglasplatte 31b ist zusätzlich durch die Befestigung 32b gesichert, die entlang dem Außenumfang der Mikrowelleneinführungsöffnung 31c angeordnet ist, die Öffnung 31c abdichtet und den Flansch 32a am Endabschnitt des Hohlleiters 32 überlappt.
Wenn deshalb die Plasmagenerierungskammer 31 als Hohlraumresonator für Mikrowellen dient, wird der Innenabschnitt der Mikrowelleneinführungsöffnung 31c zu einem zusätzlichen Leerraum, womit eine scharfe Ausmaßänderung der inneren Oberfläche der Plasmagenerierungskammer 31 geschaffen und dadurch in diesem Bereich eine abnorme Reflexion von Mikrowellen verursacht wird, was die Homogenität der Plasmaverteilung beeinträchtigt. Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung wurde als Mittel zur Überwindung dieses Nachteils vorgeschlagen (vgl. Offengelegte Japanische Patenanmeldung Nr. 63- 318099).
Wie in Fig. 2 dargestellt, ist die Mikrowellen-penetrierbare Substanz 48 in die Mikrowelleneinführungsöffnung 31c eingeführt (die sich in die Plasmagenerierungskammer 31 hinein öffnet), und dies auf eine Weise, mit der sichergestellt ist, dass die Substanz, wenn sie den Raum auffüllt, uniplanar zur inneren Oberfläche der Plasmagenerierungskammer bleibt. Andere Elemente sind im wesentlichen die gleichen wie in Fig. 1 dargestellt, wobei gleichen Elementen die gleichen Bezugszeichen zugewiesen sind.
Die Mikrowellen-penetrierbare Substanz 48 besteht aus zwei Komponenten: (a) Scheibe 48a, deren Durchmesser und Axialdimension ungefähr jenen der Mikrowelleneinführungsöffnung 31c entspricht, und (b) der kreisförmige Flansch 48b, der auf der Scheibe 48a angeordnet ist und dessen Abmessungen größer sind als jene der Scheibe 48a. Die untere Oberfläche der Scheibe 48a ist auf eine Weise angeordnet, dass sie uniplanar zu der inneren Oberfläche der Plasmagenerierungskammer 31 ist, wobei die Scheibe 48a fest in die Mikrowellen-penetrierbare Öffnung 31c eingepasst ist und ein O-Ring entlang des Außenumfangs der Mikrowellen penetrierbaren Öffnung 31c zwischen der Öffnung 31c und dem Flansch 48b eingefügt ist. Deshalb ist die Mikrowelleneinführungsöffnung 31c in der oberen Wand der Plasmagenerierungskammer 31 per Vermittlung durch die Mikrowellenpenetrierbare Substanz 48 gut gefüllt, wodurch alle abnormalen Reflexionen von Mikrowellen ausgeschlossen sind. Das Ergebnis ist die entsprechende Reduzierung des Reflexionsfaktors von Mikrowellen und eine Zunahme der Homogenität des generierten Plasmas.
Allerdings liegt ein Nachteil einer solchen herkömmlichen Vorrichtung in der ungenügenden Homogenität der Plasmaverteilung, die auf eine Differenz der Durchmesser von Mikrowelleneinführungsöffnung 31c und Plasmagenerierungskammer 31 zurückzuführen ist, wobei die Verhinderung der von dieser Differenz bewirkten Reflexionsanomalie ungenügend ist, so dass eine komplexe Verteilung des Mikrowellenmagnetfelds generiert wird. US-Patent Nr. 4,960,073 ("Suzuki") an die Anelva Corp. in Japan offenbart einen herkömmlichen Mikrowellenplasmabehandlungsapparat, worin die Elektronenzyklotronresonanz (ECR) angewendet wird, um ein Plasma zu bilden, welches zur Durchführung von Oberflächenbehandlungen eines Substrats verwendet wird. Die Oberflächenbehandlungen umfassen Ätzen, Dünnfilmablagerung und die Bildung von Dünnfilmen. Der Apparat umfasst eine Plasmagenerierungskammer, die durch einen Quarzring, der eine Plasmaextraktionsöffnung bildet, von einer Reaktionskammer getrennt ist. Ein oder mehrere Solenoide sind um den Außenumfang der Plasmakammer vorgesehen, um ein Magnetfeld im Inneren der Plasmakammer zu bilden. Das Gas wird in die Plasmakammer über eine oder mehrere Leitungen eingeführt, die sich durch eine stromaufwärtige Endwand der Plasmakammer gegenüber dem Quarzring, der ein stromabwärtiges Ende der Plasmakammer bildet, in die Plasmakammer hinein öffnen. Die Plasma- und Reaktionskammern werden mittels geeigneter Vakuumpumpenmittel auf subatmosphärischem Druck gehalten. Das Plasma wird in der Plasmakammer durch Einführung von Gas in die Plasmakammer generiert, indem die beiden Solenoide so aktiviert werden, dass sie das Magnetfeld in der Plasmakammer erzeugen und indem durch ein Fenster in der stromaufwärtigen Wand Mikrowellen eingeführt werden. Suzuki sieht eine geradzahlige Mehrzahl von Zusatzmagneten zwischen dem Außenumfang der Plasmakammer und den Solenoidspulen vor. Die Zusatzmagneten sind symmetrisch umfänglich um die Mittelachse der Plasmakammer so angeordnet, dass die Polarität angrenzender Magneten umgekehrt ist und dass ein starkes lokales Magnetfeld in der Nähe der Innenwandoberfläche der Plasmakammer geschaffen wird, um die Plasmadichte in der Nähe der Innenwand zu erhöhen. Nach Suzuki ist die Plasmadichte wesentlich gleichmäßiger von der Mittelachse bis in die Nähe der Innenwand, und es lässt sich eine gleichmäßigere Verteilung der Ionenstromdichte in der Reaktionskammer erzielen. Suzukis Apparat enthält ein Mikrowelleneinführungsfenster aus einem Dielektrikum, wie beispielsweise Quarzglas oder Keramikmaterial mit gleichmäßiger Dicke. Zwischen einem Hohlleiterrohr und dem Fenster ist ein trichterartiger Abschnitt eingefügt. Zusätzlich ist in der Plasmakammer rund um das Fenster ein Block zur Ausbreitung von Mikrowellen vorgesehen, der mit einer trichterartigen Innenoberfläche versehen ist und dessen Durchmesser entlang der Mittelachse in einer vom Fenster wegführenden Richtung zunimmt. In einer anderen Anordnung ist das Mikrowelleneinführungsfenster durch eine weinglasförmige Wand ersetzt, d. h. durch eine Glasglocke. Die Wand ist an einem stromabwärtigen Ende offen und an einem stromaufwärtigen Ende geschlossen. Die Wand weist eine gleichmäßige Dicke auf und besteht aus dielektrischem Material. Das offene Ende der dielektrischen Wand stößt an einen Quarzring, der mit einer Plasmaextraktionsöffnung darin versehen ist, und das geschlossene Ende der dielektrischen Wand erstreckt sich einen Teil weit in ein breites Ende eines Trichters, der mit einer Wand zwischen den Zusatzmagneten und der dielektrischen Wand verbunden ist.
US-Patent Nr. 4,857,809 ("Torii") an Nippon Telegraph and Telephone in Japan offenbart eine Mikrowellen-Ionenquelle, die sich einer Mikrowelle und eines Magnetfeldes bedient, wobei die Mikrowelle durch ein Fenster eingeführt wird, das eine mehrschichtige Struktur aus Platten mit unterschiedlichen elektrischen Feldkonstanten aufweist. Torii nützt einen Magnetkreis außerhalb der Plasmagenerierungskammer, um zumindest in der Nähe eines Mikrowelleneinführungsfenster eine Magnetfeldintensität zu produzieren, die höher ist als die zur Generierung von ECR benötigte. Als Ergebnis wird ein enger Hochintensitäts-Plasmamodus generiert, so dass die Plasmadichte im Mittelbereich der Plasmagenerierungskammer höher ist. Torii schafft ein Ionenextraktions-Elektrodensystem zwischen den Plasma- und Reaktionskammern, um einen Ionenstrahl vom Mittelbereich des engen Plasmas hoher Dichte zu extrahieren. Das mehrschichtige Fenster enthält ein Hauptfenster, welches den Hohlleiter von der Plasmakammer abdichtet, und ein Zusatzfenster in der Plasmakammer zum Schutz des Hauptfensters vor einem Rückstrom von Elektronen, der ansonsten das Hauptfenster beschädigen könnte. Das Hauptfenster kann Quarz sein, und das Zusatzfenster kann aus Aluminiumoxid oder einer Doppelschicht aus Aluminiumoxid und Bornitrid sein.
US-Patent Nr. 4,987,346 ("Katzschner") an die Leybold AG in Deutschland offenbart einen Apparat für die reaktive Ionenstrahlätzung oder Plasmaabscheidung. Katzschner offenbart, dass der Apparat einen Plasmastrahl mit einem effektiven Durchmesser von über 200 mm und einer Homogenität der Partikelstromdichte von über 95% zu generieren vermag. Der Apparat verwendet eine Kombination von torusförmigen Magnetfeldern, wobei die Mikrowelle via einem E-Sektor, H-Sektor, pyramidenförmigen oder konischen Trichterstrahler eingekoppelt wird. Ein oder zwei Gruppen ringförmiger Magnetanordnungen können ebenfalls verwendet werden, und die Plasmakammer umfasst einen Quarzbehälter, um Plasmaunreinheiten zu minimieren. Beispielsweise kann sich ein konusförmiger Trichterstrahler zwischen einem Mikrowellen-Hohlleiter und der Endfläche des Quarzbehälters erstrecken, und zwei ringförmige Dauermagneten mit umgekehrten Polaritäten können den Quarzbehälter mit einem ringförmigen Eisenjoch umgeben, das beide Magneten einschließt, wodurch das torusförmige Magnetfeld innerhalb des Quarzbehälters generiert wird. Ein Elektromagnet umgibt den Trichterstrahler, um Feldlinien parallel zur Mittelachse des Trichters zu generieren. Am Ausgang des Quarzbehälters befindet sich eine Extraktionsvorrichtung mit drei Extraktionsgittern. Andere Anordnungen von Mikrowellenfenstern sind in US-Patent Nr. 4,414,488 ("Hoffmann"), 4,409,520 ("Koike") und 4,393,333 ("Sakudo") dargestellt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß der Erfindung wird eine Plasmagenerierungsvorrichtung geschaffen, umfassend:
Eine Plasmabildungskammer mit in axialer Richtung beabstandeten ersten und zweiten Enden, einer ersten Öffnung im ersten Ende zum Einführen von Mikrowellenenergie in die Plasmabildungskammer und einer zweiten Öffnung im zweiten Ende zum Ausführen von Plasma aus der Plasmabildungskammer heraus;
eine Reaktionskammer angrenzend an das zweite Ende der Plasmabildungskammer, wobei die Reaktionskammer eine Substratunterlage enthält, die in axialer Richtung an der zweiten Öffnung ausgerichtet ist; und
ein Mikrowellenübertragungsfenster, das die erste Öffnung abdichtet, wobei das Fenster ein Gehäuse aus dielektrischem Material aufweist, welches in axialer Richtung beabstandete erste und zweite Oberflächen aufweist und einen Außenumfang aufweist, der sich zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche erstreckt, wobei die erste Oberfläche planar ist und sich senkrecht zur axialen Richtung erstreckt und die zweite Oberfläche so zurück versetzt ist, dass das Gehäuse zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche eine ungleichmäßige Dicke aufweist, wobei die Dicke in einer Richtung gegen den Außenumfang des Gehäuses zunimmt und eine Linsenwirkung mit Bezug auf das elektrische Feld hervorruft und die Homogenität des in der Plasmabildungskammer produzierten Plasmas verstärkt.
Die erste Oberfläche kann eine durchgehende, ununterbrochene Oberfläche sein, die sich vom Außenumfang einwärts erstreckt, und die zweite Oberfläche kann eine durchgehende, ununterbrochene Oberfläche sein, die sich vom Außenumfang einwärts erstreckt. Der Außenumfang kann eine durchgehende, ununterbrochene Oberfläche sein, die sich axial von der ersten Oberfläche zu der zweiten Oberfläche erstreckt, und der Außenumfang kann in Querrichtung im rechten Winkel zur axialen Richtung eine gleichförmige Breite aufweisen. Das Gehäuse kann einen zylindrischen oder rechtwinkeligen Axialquerschnitt aufweisen.
Die zurück versetzte Oberfläche kann hinsichtlich der Axialrichtung konisch oder kugelförmig oder hyperbolisch oder parabolisch sein. Ansonsten kann die zurück versetzte Oberfläche einen konischen Mittelabschnitt und einen kegelstumpfförmigen äußeren Abschnitt aufweisen, wobei sich der kegelstumpfförmige äußere Abschnitt in bezug auf die Achsrichtung weniger stark verjüngt als der konische Mittelabschnitt. Die zurück versetzte Oberfläche kann pyramidenförmig sein und aus vier dreieckigen Oberflächen bestehen, oder die zurück versetzte Oberfläche kann einen pyramidenförmigen, aus vier dreieckigen Oberflächen gebildeten Mittelabschnitt und einen abgeschnittenen, aus vier trapezförmigen Oberflächen gebildeten äußeren Abschnitt umfassen. Der abgeschnittene äußere Abschnitt kann sich in bezug auf die Achsrichtung weniger stark verjüngen als der pyramidenförmige Mittelabschnitt.
Die zurück versetzte Oberfläche kann sich vom Außenumfang des Gehäuses einwärts erstrecken, oder die zweite Oberfläche kann einen äußeren planaren Abschnitt umfassen, der sich vertikal zur Achsrichtung erstreckt, und die zurück versetzte Oberfläche kann sich radial einwärts vom äußeren planaren Abschnitt erstrecken. Die zurück versetzte Oberfläche kann auch kegelstumpfförmig sein, wobei die zweite Oberfläche einen planaren äußeren Abschnitt und einen planaren Mittelabschnitt umfasst, wobei sich die kegelstumpfförmige Oberfläche vom Mittelabschnitt zum äußeren Abschnitt erstreckt.
Ein Metallschild kann einen Mittelabschnitt der zurück versetzten Oberfläche bedecken. Ein Flansch kann sich vom Außenumfang des Gehäuses radial nach außen erstrecken, und der Flansch kann angrenzend an die erste Oberfläche des Gehäuses angeordnet sein.
Das Gehäuse kann mindestens zwei voneinander getrennte Teile umfassen. Ansonsten kann das Gehäuse mit einem Element aus dielektrischem Material mit einer planaren Oberfläche kombiniert werden, welche an die planare Oberfläche des Gehäuses anstößt. Das Element kann einen Außenumfang aufweisen, der radial einwärts vom Außenumfang des Gehäuses beabstandet ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 und 2 sind jeweils schematische Querschnitte herkömmlicher Anordnungen von Teilen einer Plasmagenerierungsvorrichtung;
Fig. 3 ist ein Längsquerschnitt einer Mikrowellenfensteranordnung einer Plasmagenerierungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 ist ein schematischer Querschnitt einer anderen Mikrowellenfensteranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 ist ein schematischer Querschnitt einer weiteren Mikrowellenfensteranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6a-b sind perspektivische und Querschnittansichten eines Mikrowellenfensters gemäß der Erfindung;
Fig. 7a-c sind Querschnittansichten herkömmlicher Mikrowellenfenster;
Fig. 8 stellt einen Querschnitt eines Apparats dar, der das in Fig. 6a-b dargestellte Mikrowellenfenster enthält;
Fig. 9a-b stellt Elektrofeldmuster von Mikrowellen dar (transversale elektrische TE-Wellen) dar, die in Systemen mit Metallwänden angeregt wurden;
Fig. 10a-b stellen elektromagnetische Feldmuster (transversale magnetische TM-Wellen) dar, die in Systemen mit Metallwänden angeregt wurden;
Fig. 11a stellt ein Feldmuster (E) für die TEII-Welle ohne dielektrische Einsätze dar;
Fig. 11b stellt ein Feldmuster (E) für die TEII-Welle mit einem ringförmigen Einsatz mit einer elektrischen Feldkonstante von 2,5 dar;
Fig. 11c-e stellt Feldmuster (E) für die TEII-Welle mit ringförmigen Einsätzen mit einer elektrischen Feldkonstante von 9 dar, wobei die Einsätze den gleichen Außendurchmesser und zunehmend kleinere Innendurchmesser in den Fig. 11c-e aufweisen;
Fig. 12 stellt eine Modifizierung des in Fig. 6a dargestellten Fensters dar;
Fig. 13a stellt eine Modifizierung des in Fig. 6a dargestellten Fensters dar, wobei die konkave Oberfläche konisch ist;
Fig. 13b stellt eine Modifizierung des in Fig. 6a dargestellten Fensters dar, wobei die konkave Oberfläche mit einem konischen Mittelabschnitt und einem kegelstumpfförmigen äußeren Abschnitt abgestuft ist, so dass sich die Oberfläche des kegelstumpfförmigen Abschnitts in geringerem Ausmaß verjüngt als die Oberfläche des konischen Abschnitts;
Fig. 13c stellt eine Modifizierung des in Fig. 6a dargestellten Fensters dar, wobei die konkave Oberfläche hyperbolisch ist;
Fig. 13d stellt eine Modifizierung des in Fig. 6a dargestellten Fensters dar, wobei die konkave Oberfläche parabolisch ist;
Fig. 13e stellt eine Modifizierung des in Fig. 6a dargestellten Fensters dar, wobei die konkave Oberfläche kugelförmig ist;
Fig. 13f stellt eine Modifizierung des in Fig. 6a dargestellten Fensters dar, wobei die konkave Oberfläche auf einem Fenster gebildet ist, welches im Seitenquerschnitt rechteckig ist, und wobei die konkave Oberfläche pyramidenförmig ist und aus vier dreieckigen Oberflächen besteht;
Fig. 13g stellt eine Modifizierung des in Fig. 6a dargestellten Fensters dar, wobei die konkave Oberfläche auf einem Fenster gebildet ist, welches im Seitenquerschnitt rechtwinkelig ist, und wobei die konkave Oberfläche mit einem vierseitigen pyramidenförmigen Mittelabschnitt und einem vierseitigen, abgeschnittenen äußeren Abschnitt abgestuft ist, wobei sich der äußere Abschnitt in geringerem Ausmaß verjüngt als der pyramidenförmige Mittelabschnitt;
Fig. 14a stellt eine weitere Modifizierung des in Fig. 6a dargestellten Fensters dar, wobei ein mittlerer konischer Abschnitt der konkaven Oberfläche mit einem Metallschild bedeckt ist und sich das Fenster über die komplette Länge der Plasmagenerierungskammer erstreckt, wobei die konkave Oberfläche des Fensters einen Plasmagenerierungsbereich der Plasmagenerierungskammer bildet;
Fig. 14b stellt dar, dass der Großteil des Mikrowellen-Elektrofeldes an Position 21 in Fig. 14a im dielektrischen Fenster enthalten ist; und
Fig. 14c stellt dar, dass das elektrische Feld das Plasma an Position 22 in Fig. 14a durchdringt, wobei die Position 22 der ECR-Zone entspricht.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Die vorliegende Erfindung schafft eine Mikrowellen- Plasmaverarbeitungsvorrichtung mit einem niedrigen Mikrowellen- Reflexionsfaktor, die geeignet ist, homogenes Plasma auf stabile und wirksame Weise zu erzeugen.
Fig. 3 ist ein Längsquerschnitt einer Mikrowellen- Plasmaverarbeitungsvorrichtung, die zu der vorliegenden Erfindung gehört. Die Vorrichtung umfasst die Plasmagenerierungskammervorrichtung 1, den Hohlleiter 2, die Werkstückkammer 3 zur Aufnahme des Werkstücks S. welches geätzt oder mit einem Film versehen werden soll, und die Erregerspulen 4.
Die Plasmagenerierungskammer 1 ist mit doppelten Außenwänden versehen, die einen Hohlzylinder bilden, der mit der Kühlwasserleitungskammer 1a versehen ist und so beschaffen ist, dass die Kammer 1 die Funktion eines Hohlraumresonators für Mikrowellen erfüllen kann. Die Mikrowelleneinführungsöffnung 1c ist in der Mitte der oberen Wand vorgesehen, und die Plasmaabführungsöffnung 1d ist in der Mitte der unteren Wand gegenüber der Mikrowelleneinführungsöffnung 1c angebracht.
Ein Ende des Hohlleiters 2 ist mit der Mikrowelleneinführungsöffnung 1c verbunden, während die Werkstückkammer 3 so angeordnet ist, dass sie der Plasmaabführungsöffnung 1d gegenüber liegt, und die Erregerspulen 4 sind sowohl um die Plasmagenerierungskammer 1 wie um ein Ende des mit der Kammer 1 verbundenen Hohlleiters 2 angeordnet.
Das andere Ende des Hohlleiters 2 ist mit einem (nicht dargestellten) Mikrowellengenerator verbunden, der die in, die Plasmagenerierungskammer 1 einzuführenden Mikrowellen generiert. Des weiteren sind die Erregerspulen 4 mit einer (nicht dargestellten) Gleichstromquelle verbunden und bilden ein magnetisches Feld, wenn ein Gleichstrom durch sie hindurch geleitet wird. Das Plasma wird generiert, weil Mikrowellen in die Plasmagenerierungskammer 1 eingeführt werden, wobei die Erregerspulen 4 ein divergentes Magnelfelds erzeugen, dessen magnetische Flussdichte in Richtung der Werkstückkammer 3 abnimmt. Das in der Plasmagenerierungskammer 1 generierte Plasma wird durch das divergente Magnetfeld in die Werkstückkammer 3 projiziert.
In der unteren Wand der Werkstückkammer 3, gegenüber der Plasmaabführungsöffnung 1d, ist die Abzugsöffnung 3a vorgesehen, die mit einer (nicht dargestellten) Evakuierungsvorrichtung verbunden ist. Im Inneren der Kammer 3 ist die Werkstückplattform 7 unmittelbar unterhalb und gegenüber der Plasmaabführungsöffnung 1d angeordnet, wobei das Werkstück S auf der Werkstückplattform 7 gegenüber der Plasmaabführungsöffnung 1d platziert ist.
Die Mikrowellen penetrierbaren Substanzen 8 und 9 sind sowohl innerhalb der Mikrowelleneinführungsöffnung 1c wie innerhalb jenes Endabschnitts der Plasmagenerierungskammer 1 vorgesehen, weicher der Mikrowelleneinführungsöffnung 1c gegenüberliegt. Die Mikrowellenpenetrierbare Substanz 8 ist aus zwei Teilen zusammengesetzt: (a) der Scheibe 8a, deren Durchmesser und Achsdimension beinahe identisch mit jenen der Mikrowelleneinführungsöffnung 1c sind, und (b) einem kreisförmigen Flansch 8b, der auf der Scheibe 8a angebracht ist und dessen Dimensionen größer als jene der Scheibe 8a sind. Die untere Oberfläche der Scheibe 8a ist so positioniert, dass sie uniplanar mit der inneren Oberfläche der Plasmagenerierungskammer 1 ist, wobei die Scheibe 8a fest in die Mikrowellen-penetrierbare Öffnung 1c eingepasst und ein O- Ring auf luftdichte Weise entlang des äußeren Außenumfangs der Mikrowellen penetrierbaren Einführungsöffnung 1c zwischen der Öffnung 1c und dem Flansch 8b eingefügt ist. Die Manschette 2a passt über ein Ende des Hohlleiters 2 und den Flansch 8b.
Des weiteren ist die Mikrowellen-penetrierbare Substanz 9 als Scheibe geformt, die eine bestimmte Dicke und einen Durchmesser aufweist, der dem Durchmesser der Plasmagenerierungskammer 1 annähernd entspricht. Fig. 3 zeigt nicht das Merkmal der Erfindung, dass die Substanz 9 eine Aussparung in der auf die Plasmagenerierungskammer 1 gerichteten Oberfläche aufweist. Die scheibenförmige Substanz 9 wird eingeführt und fest an der oberen Oberfläche der Plasmagenerierungskammer 1 auf eine Weise befestigt, dass sichergestellt ist, dass die scheibenförmige Substanz 9 in Kontakt mit der oberen Wand der Plasmagenerierungskammer 1 und mit der unteren Wand der Mikrowellen penetrierbaren Substanz 8 ist. Ein zufriedenstellender Ausgleich wird erreicht, wenn die Dicke der Mikrowellenpenetrierbaren Substanz 9 ein Viertel der Wellenlänge innerhalb des Hohlleiters 2 beträgt, multipliziert mit einem Faktor, der eine ganze Zahl ist, wobei die Wellenlänge durch die Wellentypvergleichsanalyse in bezug auf die Mikrowellenausbreitungstheorie festgestellt wird. Wenn beispielsweise die Plasmagenerierungskammer 1 die Funktion eines Kreisresonators ausübt, der sich mit Bezug auf Mikrowellen mit einer Frequenz von 2,45 GHz im TE113-Modus befindet, ist bekannt, dass die Mikrowellenreflexion zurückgeht, wenn die Dicke der Mikrowellenpenetrierbaren Substanz 9 annähernd 16 mm beträgt, bei einem Durchmesser der Plasmagenerierungskammer 1 von 200 mm. Die Mikrowellen penetrierbaren Substanzen 8 und 9 können aus Quarzglas, Keramiken (Al&sub2;O&sub3;, BN), feuerfestem Makromolekularmaterialien (Teflon®, Polyimiden), usw. bestehen. Die Substanzen können auf die in Fig. 3 dargestellte Weise angeordnet werden, nachdem sie als massive Körper geformt oder zu Körnern gemacht wurden, die dann dazu verwendet werden, die Zwischenräume zwischen den Unterteilungen auszufüllen. Die Vorrichtung enthält die Gaszuführungsrohre 1g und 3g sowie die Kühlwasserzufuhr- und -ableitungssysteme 1h bzw. 1i. Das Gaszuführungsrohr 1g führt durch die obere Wand der Plasmagenerierungskammer 1 und durch die Mikrowellen-penetrierbare Substanz 9 und öffnet sich in die Plasmagenerierungskammer 1. In einer solchen Vorrichtung der vorliegenden Erfindung wird das Werkstück S auf die Werkstückplattform 7 innerhalb der Werkstückkammer 3 gelegt, und Gas wird über die Gaszuführungsrohre 1g und 3g in die Plasmagenerierungskammer 1 und in die Werkstückkammer 3 geleitet, nachdem in der Werkstückkammer 3 ein erforderliches Vakuumausmaß hergestellt wurde, wobei begleitend Gleichstrom durch die Erregerspulen 4 geleitet und gleichzeitig Mikrowellen in die Plasmagenerierungskammer 1 durch den Hohlleiter 2, die Mikrowelleneinführungsöffnung 1c und die Mikrowellen penetrierbaren Substanzen 8 und 9 eingeführt wurden. Als Ergebnis wird Gas auf wirksame Weise abgesondert, und das generierte Plasma wird mit Hilfe eines von den Erregerspulen 4 produzierten divergenten Magnetfeldes in die Werkstückkammer 3 eingeführt, wodurch das Gas in der Werkstückkammer 3 aktiviert und für das Ätzen oder die Filmbildung auf der Oberfläche des Werkstücks S vorgesorgt wird. Fig. 4 ist ein schematischer Querschnitt eines praktischen Beispiels zu der vorliegenden Erfindung. In diesem Beispiel befindet sich die Mikrowellenpenetrierbare Substanz 18 in dem Hohlleiter 2, und die untere Oberfläche der Mikrowellen-penetrierbare Substanz 19, die sich in der Plasmagenerierungskammer 1 an der der Mikrowelleneinführungsöffnung 1c zunächst liegenden Seite befindet, ist als abgeschnittener Kegel geformt, der einen Hohlraum bildet, der gegenüber der Mikrowelleneinführungsöffnung 1c angeordnet ist, wodurch sich eine Substanz ergibt, die eine Mindestdicke im Mittelabschnitt der Plasmagenerierungskammer 1 gegenüber der Mikrowelleneinführungsöffnung 1c aufweist, wobei die Dicke in radialer Richtung graduell zunimmt.
Die elektrische Feldstärke im TE113-Modus ist in der Regel im Mittelabschnitt hoch, wodurch der Mikrowellen penetrierbaren Substanz 19 die in Fig. 4 dargestellte Konfiguration verliehen wird, wobei es zu einem Linseneffekt hinsichtlich der elektromagnetischen Wellen kommt, der zu einer relativen Zunahme des peripheren elektrischen Feldes und zu einer erhöhten Homogenität des Plasmas führt.
Fig. 5 ist ein schematischer Querschnitt eines weiteren praktischen Beispiels zu der vorliegenden Erfindung. In diesem Beispiel ist die Mikrowellen-penetrierbare Substanz 28 im Hohlleiter 2 angeordnet, und die untere Oberfläche der Mikrowellen penetrierbaren Substanz 29 ist hohl in Form einer partiellen Kugel ausgeführt, wodurch dafür gesorgt wird, dass die Substanz 29 die geringste Dicke in einer Position in Entsprechung zu der Mikrowelleneinführungsöffnung 1c aufweist, wobei die Dicke in peripherer Richtung graduell zunimmt. Gleichzeitig bedeckt die Einlage 29a aus einer Mikrowellen-penetrierbaren Substanz die Seitenwände und die untere Wand der Plasmagenerierungskammer 1. Die Einlage 29a ermöglicht den Ausschluss jeglicher Verunreinigungen von Werkstücken, die aus der Vermischung des Plasmas mit Schwermetallionen stammen, die sich bilden, wenn das in der Plasmagenerierungskammer 1 generierte Plasma in Kontakt mit den umgebenden metallischen Wänden der Kammer kommt.
Wenn in diesem praktischen Beispiel Quarzglas als Mikrowellenpenetrierbare Substanz 29 verwendet wird, beträgt die Dicke in der Mitte 16 mm, und der Krümmungsradius der inneren Oberfläche beträgt etwa 150 mm. Die Dickenverteilung oder die optimale Konfiguration der Mikrowellenpenetrierbaren Substanz 29 ist von bestimmten Merkmalen des generierten Plasmas abhängig, wie der Plasmadichte und der elektrischen Feldkonstante des Plasmas, die wiederum abhängig sind von der Verteilung der magnetischen Feldstärke, dem Gasdruck und anderen Parametern, die als Grundlage zur Auswahl der erforderlichen numerischen Werte und Konfigurationen dienen.
Obwohl die Vorrichtungen in Fig. 3-5 unter Bezugnahme auf Ätz- oder filmbildende Vorrichtungen beschrieben wurden, ist ihr Einsatzbereich in keiner Weise auf diese Geräte beschränkt, und sie können ebenso in Besprühungs- oder Sintervorrichtungen oder anderen Apparaturen eingesetzt werden.
Wie weiter oben bereits festgestellt, ermöglicht die vorliegende Erfindung die Steigerung der Homogenität der elektrischen Feldstärke im Falle von Mikrowellen, die Unterdrückung anomaler Reflexionen, die Erzeugung einer gleichmäßigen Plasmaverteilung und die Realisierung anderer Ergebnisse, beispielsweise mit Bezug auf Vakuumversiegelung und Kontaminationskontrolle, was den Gebrauchswert der vorliegenden Erfindung außergewöhnlich erhöht.
Nach einem weiteren Aspekt wird ein dielektrisches Mikrowellen/Transformatorfenster zur Kontrolle der Mikrowellenübertragung und der Energieverteilung verwendet. Zusätzlich kann das Mikrowellen/Transformatorfenster eine Schranke zur Isolierung eines Verarbeitungsbereichs vom Mikrowellenübertragungssystem bieten. Fig. 6a-b zeigt perspektivische bzw. Querschnittansichten des Mikrowellen/Transformatorfensters 100. Das Fenster 100 besteht aus einer dielektrischen Scheibe mit einem charakteristischen Querschnitt. Die exakte Querschnittform wird durch die elektrische Feldkonstante des Materials und die gewünschte Mikrowellenübertragungs- und Energieverteilung bestimmt. Die allgemeine Form des Mikrowellen/Transformatorfensters 100 ist allerdings dünner in der Mitte und dicker an den Rändern. Die Querschnittsdimensionen des Mikrowellen/Transformatorfensters 100 werden so gewählt, dass die Mikrowellenübertragung vom Hohlleiter in den Verarbeitungsbereich optimiert und die elektrische Feldamplitude der Mikrowellen am Außendurchmesser der Scheibe vergrößert wird. Das Mikrowellen/Transformatorfenster 100 verbessert die Gleichmäßigkeit der Ionendichte in einer Plasmaquelle. Das Mikrowellen/Transformatorfenster 100 wäre aber auch nützlich für andere Anwendungen in der Mikrowellenverarbeitung, wie Trocknen, Härten und Sintern, wo ein Bereich mit einem abständlich gleichförmigem elektrischen Mikrowellenfeld erwünscht ist. Zusätzlich kann das Mikrowellen/Transformatorfenster 100 eine physische Schranke zur Isolierung des Verarbeitungsbereichs vom Mikrowellenübertragungssystem bieten. Diese Schranke ist nützlich, wenn das Mikrowellenübertragungssystem bei vom Verarbeitungsbereich unterschiedlicher Temperatur, unterschiedlichem Druck oder unterschiedlichem chemischen Umfeld operiert.
Derzeit verwenden Plasmaquellen, die von Mikrowellen gespeist werden, ein Mikrowellenfenster mit gleichförmigem Querschnitt 101 (Fig. 7a) und 102 (Fig. 7b), oder mit einem Querschnitt, der in der Mitte dicker ist als am Rand 103 (Fig. 7c). Die in diesen Plasmaquellen produzierte Ionendichte hat ihren Spitzenwert auf der Achse der Plasmaquelle und nimmt gegen den Außendurchmesser hin ab, wenn nicht andere Maßnahmen ergriffen werden, um die Gleichmäßigkeit der Plasmadichte zu verbessern, wie eine besondere magnetische Einschränkung des Plasmas oder ein Mikrowellen- Wellentypwandler.
Die Vorteile des Mikrowellen/Transformatorfensters 100 liegen darin, dass es sich um eine kompakte Hardware handelt, welche die Funktionen der Impedanzanpassung zwischen dem Mikrowellenübertragungssystem und dem Verarbeitungsbereich und der physikalischen Isolierung des Mikrowellenübertragungssystems vom Verarbeitungsbereich kombiniert. Noch wichtiger ist die Tatsache, dass das Mikrowellen/Transformatorfenster 100 die Amplitude des elektrischen Mikrowellenfelds an den Außendurchmessern des Fensters über jenes Ausmaß hinaus vergrößert, das ohne das Fenster gegeben wäre. Die Zunahme der Amplitude des elektrischen Feldes findet unabhängig vom spezifischen Wellentyp statt, der durch das Transformatorfenster übertragen wird. Viele Verfahren, die Mikrowellen verwenden, wie die Mikrowellen-Plasmaproduktion, das Mikrowellen-Härten oder Trocknen von Materialien und das Mikrowellen- Keramiksintern, sind von einem Zusammenwirken mit dem elektrischen Mikrowellenfeld abhängig. In diesen Verfahren ist die Kontrolle der Amplitude des elektrischen Mikrowellenfelds im Verarbeitungsvolumen ein wichtiger Faktor zur Regulierung der Prozessgleichmäßigkeit. Diese Erfindung modifiziert die Amplitude des elektrischen Mikrowellenfelds in den Außendurchmessern des Verarbeitungsvolumens und ermöglicht damit eine höhere Prozessgleichmäßigkeit.
Das Mikrowellen/Transformatorfenster 100 erhöht die Gleichmäßigkeit reaktiver Sorten in einer Elektronenzyklotronresonanz-(ECR)- Plasmavorrichtung. Die Plasmavorrichtung kann als Komponente eines Ätz- oder Abscheidungsgeräts in der Halbleiterherstellung verwendet werden, wobei ein oder mehrere Wafer verarbeitet werden. In Fig. 8 ist das Mikrowellen/Transformatorfenster 100 und dessen Beziehung zu anderen Komponenten eines solchen ECR-Plasmaquellenätzapparats dargestellt. Die Vorrichtung enthält die Plasmabildungskammer 104, die Erregerspulen 105, den Mikrowellen-Hohlleiter 106, den Trichter 107, die Reaktionskammer 108, den Werkstücktisch 109, den Werkstücktransfermechanismus 110 und die Gaszufuhrleitung 111. Wie in Fig. 8 dargestellt, dichtet das Fenster 100 den zylindrischen Mikrowellen-Hohlleiter 106 von der Plasmabildungskammer 104 ab, die normalerweise während einer Plasmaätzung oder eines plasmaunterstützten chemischen Abscheidungsverfahrens auf subatmosphärischen Druck evakuiert wird. Mikrowellen von einer (nicht dargestellten) Mikrowellenenergiequelle gehen durch den Mikrowellen- Hohlleiter 106, den kegelstumpfförmigen Trichter 107 und durch das Fenster 100 in die zylindrische Plasmabildungskammer 104. Das Fenster 100 weist einen dem Durchmesser der Plasmabildungskammer 104 entsprechenden Durchmesser auf. Die Oberfläche 100a des Fensters 100 ist gegen einen Hohlraum im Trichter 107 gewandt und liegt in einer Ebene, die im rechten Winkel zu der Mittelachse A der Plasmabildungskammer 104 steht. Die Oberfläche 100b des Fensters 100 ist zurück versetzt und einer Plasmabildungskammer 104 zugewandt.
Das in der Plasmabildungskammer 104 gebildete Plasma geht durch das offene Ende 104a der Plasmabildungskammer 104 in die Reaktionskammer 108. Das Substrat S liegt auf der Substratunterlage (Werkstücktisch) 109 in der Reaktionskammer 108 auf. Das Substrattransfermittel (Werkstücktransfermechanismus) 110 transportiert die Substrate S zur und von der Substratunterlage (Werkstücktisch) 109 durch die Öffnung 108a. Die Reaktionskammer 108 und die Plasmabildungskammer 104 werden durch (nicht dargestellte) geeignete Pumpenmittel durch die Öffnung 108b evakuiert. Gas wird durch eine oder mehrere Gaszufuhrleitungen 111 direkt in die Plasmabildungskammer 104 geleitet. Als Alternative kann Gas auch ausschließlich in die Reaktionskammer 108 geleitet werden, oder Gas kann in die Reaktionskammer 108 und in die Plasmabildungskammer 104 geleitet werden.
Ein Zweck der Plasmabildungskammer 104 besteht darin, reaktive Spezies (Ionen und Radikale) zum Ätzen von Wafers zu produzieren. Um nützlich zu sein, muss der Ätzapparat alle Bereiche des Wafers mit der gleichen Geschwindigkeit ätzen. Eine Möglichkeit zur Erzielung von Ätzgleichmäßigkeit ist es, die Plasmabildungskammer 104 viel größer als den zu ätzenden Wafer zu machen. In diesem Fall wird nur ein kleiner Teil des Plasmabereichs zum Ätzen verwendet, und es ist einfach, über diesen kleinen Bereich hinweg eine Gleichmäßigkeit der reaktiven Spezies zu erreichen. Dieser Ansatz ist praktikabel für Wafergrößen von 7,69-12,82 cm Durchmesser. Des weiteren bieten für Wafer mit einem Durchmesser von 15,38 cm und mehr die Materialkosten und Größenrücksichten einen starken Anreiz zur Produktion einer gleichmäßigen Verteilung reaktiver Spezies über einen großen Bereich in der Plasmabildungskammer 104. Die vorliegende Erfindung kann die Gleichmäßigkeit der elektrischen Mikrowellenfelder in der Plasmabildungskammer 104 verbessern, was ein wichtiger Faktor zur Verbesserung der Gleichmäßigkeit reaktiver Spezies ist. Zusätzlich kann die Erfindung eine gute Impedanzanpassung und physische Isolierung von korrosivem Niederdruckplasma vom Mikrowellenübertragungssystem bieten. Die reaktiven Spezies werden in der Plasmabildungskammer 104 durch energetische Elektronen geschaffen, die die Prozessgasmoleküle beschießen, welche in die Plasmabildungskammer 104 einfließen. Externe Elektromagneten (Erregerspulen) 105 produzieren ein Magnetfeld, das die Elektronen in der Plasmabildungskammer 104 dazu veranlassen, mit Zyklotronfrequenz zu orbitieren. Die Zyklotronfrequenz ist gegeben durch:
f = 2πqBm = 2,8 GHz/kg B (in kG)
wobei: q = Elektronenladung
B = Amplitude des Magnetfelds
m = Elektronenmasse.
In die Plasmabildungskammer 104 übertragene, rechtsseitig zirkularpolarisierte elektrische Mikrowellenfelder, die mit dieser charakteristischen Zykletronfrequenz oszillieren, beschleunigen Elektronen resonant auf Energien, die zur Produktion reaktiver Spezies geeignet sind. Die Elektronenbeschleunigung ist proportional zu der Amplitude des elektrischen Mikrowellenfelds. Zum Zwecke einer gleichmäßigen Produktion reaktiver Spezies sollten die elektrischen Mikrowellenfelder gleichförmig sein. Aber herkömmliche Techniken zur Erregung von Mikrowellen in Plasmabildungskammern produzieren ungleichmäßige elektrische Mikrowellenfeldmuster.
Fig. 9 zeigt mehrere Typen elektrischer Mikrowellenfeldmuster, die in Systemen mit Metallwänden erregt wurden. Die transversalen elektrischen Wellentypen (TE) werden herkömmlicherweise verwendet, weil sie die Elektronen in der ECR-Interaktion effizienter beschleunigen als die transversalen Magnetwellentypen (TM) (wie in Fig. 10 dargestellt). Auch haben die TM-Typen, ausgenommen die TM1n-Typen, kleine transversale elektrische Feldamplituden auf der Achse, die zu einer ungleichmäßigen Plasmaproduktion beitragen kann. Anderseits haben die TE-Typen in der Nähe der Wände der Flasmabildungskammer eine kleine elektrische Feldamplitude. Zur Erregung einer gleichförmigen elektrischen Feldamplitude ist die gemeinsame Erregung der richtigen Typenkombinationen vonnöten. Das Mikrowellen/Transformatorfenster 100 ändert die Bedingungen an der Grenze der Plasmabildungskammer 104, um Kombinationen von Mikrowellentypen anzuregen und die elektrische Mikrowellenfeldamplitude in der Nähe der Außendurchmesser der Plasmabildungskammer 104 über den Grad hinaus zu erhöhen, der bei konventionellen TE-Typen gegeben wäre.
Eine quantitative Ermittlung der Zunahme der elektrischen Mikrowellenfeldamplitude an den Außendurchmessern des Verarbeitungsvolumens erfordert eine detaillierte Berechnung, einschließlich der exakten Geometrie und der dielektrischen Eigenschaften des Materials und der Bedingungen zur Erregung der Hohlleitertypen in der Nähe des Fensters. Diese Berechnungen werden am einfachsten durch numerische Simulation auf einem Digitalrechner ausgeführt. Eine qualitative Erklärung des Effekts ist allerdings relativ eindeutig. Die Verteilungsrelation für transversale elektromagnetische Wellen lässt sich ausdrücken als:
λf = c/ -λ = c/f
wobei:
λ = Länge der transversalen elektromagnetischen Mikrowelle
f = Frequenz der Mikrowellen
c = Lichtgeschwindigkeit im Vakuum
= elektromagnetische Feldkonstante
= Brechungsindex.
Aus dieser Gleichung ergibt sich eine Abnahme der transversalen elektromagnetischen Mikrowellenlänge bei Zunahme der elektromagnetischen Feldkonstante, In einer Situation, in der ein Material mit einer höheren elektromagnetischen Feldkonstante einen Bereich mit einer niedrigeren elektromagnetischen Feldkonstante umgibt, wird das elektrische Feld in dem Material mit der höheren elektromagnetischen Feldkonstante verstärkt. Da die Wellenlänge in dem Material mit der hohen elektromagnetischen Feldkonstante kürzer ist, verbreitet sich dort ein proportional höherer Anteil an der Mikrowellenenergie. Das bringt einen Nettoeffekt mit sich, als ob das Material mit höherer elektromagnetischer Feldkonstante auf Kosten der Mikrowellenenergie im Bereich der niedrigeren elektromagnetischen Feldkonstante Mikrowellenenergie in sich selbst hinein abzöge. An der Schnittstelle zwischen den beiden dielektrischen Medien wird die Amplitude des elektrischen Mikrowellenfeldes deshalb über jenes Ausmaß hinaus angehoben, das ohne das umgebende Material mit höherer elektrischer Feldkonstante gegeben wäre. Eine andere, aber gleichwertige Interpretation ist die, dass der "effektive Durchmesser" des Hohlleiters größer ist, weil die Mikrowellenlänge im Material mit der höheren elektromagnetischen Feldkonstante kürzer ist.
Fig. 11a-e stellen Berechnungen der elektrischen Feldlinien und der elektrischen Feldamplitude in einem zylindrischen Hohlleiter mit einem hohlen dielektrischen Einsatz dar. Das Feldprofil für den TE11-Typ wird gezeigt. Fig. 11a zeigt das Feldmuster ohne den dielektrischen Einsatz. Fig. 11b zeigt das Feldmuster mit einem Einsatz mit einer elektromagnetischen Feldkonstante von 2,5, die annähernd jener von Quarz entspricht. Fig. 11c zeigt das Feldmuster für einen Einsatz mit einer elektromagnetischen Feldkonstante von 9, die annähernd jener von Aluminiumoxid entspricht. Eine Erhöhung der elektromagnetischen Feldkonstante oder der Dicke des dielektrischen Einsatzes erhöht die Gleichmäßigkeit der elektrischen Feldamplitude im Bereich innerhalb von dem dielektrischen Material. Deshalb würde die Gleichmäßigkeit der Mikrowellenverarbeitung in diesen Fällen verbessert. Für Ätzanwendungen liefert das Mikrowellenfenster der Erfindung bessere Ätzergebnisse, wenn der Druck in der Plasmaquelle so angepasst wird, dass der mittlere freie Weg der in der Plasmaquelle produzierten reaktiven Spezies im Vergleich zu den physikalischen Dimensionen der Quelle klein ist. Für ECR-Plasmaätzen sind Drücke über 133 mPa bevorzugt. Fig. 12 stellt eine Modifizierung von Fenster 100 dar. Insbesondere kann das Fenster 112 aus Quarz mit planarer Oberfläche 112a auf einer Seite und einer kugelförmig-konkaven Oberfläche 112b auf der anderen Seite sein. Der Radius der kugelförmigen Oberfläche 112b kann 100 cm betragen, und der Durchmesser des Fensters 112 kann 200 cm betragen. Das Fenster 112 umfasst den Flansch 112c, der sich vom Außenumfang 112d an einem Ende des Fensters 112 angrenzend an die Oberfläche 112a radial nach außen erstreckt. Der Flansch 112c bietet ein Mittel zum Festklemmen des Fensters 112 und zur Herstellung einer Dichtung durch geeignete Mittel, wie beispielsweise einem oder mehrerer O-Ringe zwischen dem Fenster 112 und einem Teil, gegen den das Fenster 112 geklemmt ist. Beispielsweise kann ein O-Ring um den Außenumfang 112d angebracht sein und gegen den Flansch 112c stoßen, um das Fenster 112 gegen die Plasmabildungskammer 104 abzudichten.
Das Fenster 100, wie in Fig. 8 dargestellt, kann mit zylindrischen und/oder rechteckigen Hohlleitern verwendet werden. Gleichermaßen kann die Plasmabildungskammer 104 zylindrisch oder rechteckig sein oder andere Querschnittkonfigurationen aufweisen. Das Fenster 100 dient als Wandler in dem Sinne, dass das Modenmuster des elektrischen Feldes geändert werden kann. Insbesondere verteilt das Fenster 100 die elektrische Energie in der Plasmabildungskammer 104 in einem erwünschten Muster, während es die zusätzliche Funktion einer Abdichtung der Plasmabildungskammer 104 ausübt. Das Fenster 100 ermöglicht eine Erweiterung der Mikrowellenenergie vom Mikrowellen-Hohlleiter 106 mit oder ohne den Trichter 107 auf gleichmäßigere Art und Weise. Es ist jedoch wünschenswert, zwischen dem Mikrowellen-Hohlleiter 106 und dem Fenster 100 einen Übergangsabschnitt vorzusehen, wie beispielsweise den Trichter 107. Der Trichter 107 weist vorzugsweise eine glatte innere Oberfläche auf, um die Mikrowellenenergie im erwünschten Wellentyp zu erhalten (z. B. der TE11-Typ für einen zylindrischen Hohlleiter).
Ein besonders vorteilhafter Aspekt der Erfindung ist die Tatsache, dass die Extraktionswand, die in herkömmlichen plasmagenerierenden Vorrichtungen in der Regel zwischen der Plasmabildungskammer und der Reaktionskammer vorgesehen ist, komplett eliminiert werden kann, wenn das Fenster 100 in einer solchen Vorrichtung verwendet wird. Ein Grund dafür liegt in der Tatsache, dass das Fenster 100 eine Plasmadichte schaffen kann, die in einem Großteil der Plasmabildungskammer die gleiche ist (z. B. von der Mittelachse A bis zu einer Distanz von drei Viertel der Gesamtdistanz zur Außenwand der Plasmabildungskammer 104). So kann ein gleichförmigeres, eine große Fläche bedeckendes Plasma in die Reaktionskammer 108 geliefert werden. Es ist allerdings zu beachten, dass das Fenster 100 auch vorteilhaft in Plasmavorrichtungen verwendet werden kann, die mit einer Wand mit einem Extraktionsausgang zwischen der Plasmabildungskammer 104 und der Reaktionskammer 108 versehen sind. Auf Wunsch kann um einen solchen Extraktionsausgang herum eine Extraktionsvorrichtung, wie eine oder mehrere Extraktionselektroden, vorgesehen sein. Des weiteren bietet das Fenster 100 vorteilhafte Ergebnisse auch dann, wenn die Erregerspulen 105 in einer solchen Vorrichtung weggelassen werden.
Die detaillierte Geometrie des Fensters 100 ist teilweise von der Materialwahl abhängig. 1 m allgemeinen erfordern Materialien mit einer niedrigeren elektromagnetischen Feldkonstante, wie Quarz (SiO&sub2;), BN oder Glas, dickere physische Dimensionen für das Fenster, um eine gleiche Leistung wie Materialien mit höherer elektromagnetischer Feldkonstante zu erzielen, wie etwa Siliciumnitrid (Si&sub3;N&sub4;), Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;), Zirconiumdioxid (ZrO&sub2;) oder Titandioxid (TiO&sub2;). In Tabelle 1 sind die Gestaltungsüberlegungen für unterschiedliche Geometrien und Materialien der Erfindung zusammengefasst.
Das Fenster 100 umfasst vorzugsweise einen einheitlichen Körper aus dielektrischem Material. Allerdings könnte das Fenster 100 optional auch aus mehr als einem Teil bestehen. Beispielsweise könnte das Fenster 100, wie in Fig. 6b dargestellt, eine erste Scheibe 100c aus dielektrischem Material umfassen, die mit einem zweiten, konkavlinsenförmigen Teil 100d aus dielektrischem Material verbunden ist oder an dieses anstößt. Solche getrennten Teile 100c und 100d können aus demselben dielektrischen Material oder aus unterschiedlichen dielektrischen Materialien mit identischen oder unterschiedlichen elektromagnetischen Feldkonstanten bestehen. Auch kann das Fenster 100 wahlweise eine oder mehrere Beschichtungen auf der Oberfläche 100a und/oder der Oberfläche 100b umfassen. Beispielsweise kann die Beschichtung 100e auf der Oberfläche 100b vorgesehen sein. Die Beschichtung 100e könnte ein dielektrisches Material sein, wie Bornitrid oder Siliciumdioxid, und das Fenster 100 könnte ein Körper aus Aluminiumnitrid oder Aluminiumoxid sein. TABELLE 1
Fig. 13a-g zeigen unterschiedliche Konfigurationen des Fensters der Erfindung. Fig. 13a stellt das Fenster 113 dar, in welchem die zurück versetzte Oberfläche konisch ist. Fig. 13b stellt das Fenster 114 dar, worin die zurück versetzte Oberfläche mit einem konischen Mittelabschnitt und einem kegelstumpfförmigen Außenabschnitt abgestuft ist, wobei sich die Oberfläche des kegelstumpfförmigen Abschnitts weniger stark verjüngt als die Oberfläche des konischen Abschnitts. Fig. 13c stellt das Fenster 115 dar, worin die zurück versetzte Oberfläche hyperbolisch ist. Fig. 13e stellt das Fenster 117 dar, worin die zurück versetzte Oberfläche parabolisch ist. Fig. 13d stellt das Fenster 116 dar, worin die zurück versetzte Oberfläche kugelförmig ist. Fig. 13f stellt das Fenster 118 dar, welches im Seitenquerschnitt quadratisch oder rechteckig ist, und die zurück versetzte Oberfläche ist pyramidenförmig und aus vier dreieckigen Oberflächen zusammengesetzt. Fig. 13g stellt das Fenster 119 dar, weiches im Seitenquerschnitt quadratisch oder rechteckig ist, und die zurück versetzte Oberfläche ist mit einem vierseitigen pyramidenförmigen Mittelabschnitt und einem vierseitigen, abgeschnittenen Außenabschnitt abgestuft, wobei der abgeschnittene Außenabschnitt sich weniger stark verjüngt als der pyramidenförmige Mittelabschnitt.
Fig. 14a-c zeigt eine Extremvariation der Erfindung, die in einigen Anwendungen nützlich sein kann. In diesem Fall ist die Kombination von Dicke und elektromagnetischer Feldkonstante des Materials ausreichend, um einen Großteil der Mikrowellenenergie innerhalb des dielektrischen Materials zu halten, ähnlich der totalen Innenreflexion in einer Lichtleitfaser. Für diese Konfiguration innerhalb des Dielektrikums sind die Amplituden des elektrischen Mikrowellenfeldes am größten innerhalb des Dielektrikums und nehmen gegen die Mitte der Plasmabildungskammer exponentiell ab. Fig. 14a stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar, worin ein konischer Mittelabschnitt der zurück versetzten Oberfläche 120b des Fensters 120 von einem Metallschild 121 bedeckt und eine Plasmabildungskammer 122 von (nicht dargestellten) Erregerspulen umgeben ist. Das Fenster 120 erstreckt sich über die komplette Länge der Plasmabildungskammer 122, wobei die zurück versetzte Oberfläche 120b einen Plasmabildungsbereich der Plasmabildungskammer 122 begrenzt. Fig. 14b zeigt, dass ein Großteil des elektrischen Mikrowellenfeldes /E/- innerhalb des Fensters 120 an Position 21 enthalten ist. Die ECR-Zone ist an Position 22 angeordnet. Fig. 14c zeigt, dass das elektrische Feld /E/ das Plasma an der ECR-Zone penetriert, weil die elektromagnetische Feldkonstante des Plasmas viel größer ist als das dielektrische Material des Fensters 120.
In der in Fig. 14a dargestellten Anordnung wird Mikrowellenenergie durch einen (nicht dargestellten) Mikrowellen-Hohlleiter und in eine Übergangszone mit sich erweiterndem Durchmesser hinein in eine Richtung gegen die Plasmabildungskammer 122 geführt. Die Übergangszone ist durch eine innere konische Oberfläche des Trichters 123 begrenzt. Die planare Oberfläche 120a des Fensters 120 ist auf die Innenseite des Trichters 123 gerichtet, und die zurück versetzte Oberfläche 120b ist auf einen Plasmabildungsbereich in der Plasmabildungskammer 122 gerichtet und begrenzt diesen. Die Plasmabildungskammer 122 umfasst die Metallwand 124, welche den Außenumfang des Fensters 120 umgibt. Ein sich radial erstreckender Abschnitt der Wand 124 bedeckt die ringförmige Endoberfläche 120c des Fensters 120. Das Schild 121 wird dazu verwendet, um sicherzustellen, dass die Mikrowellenenergie innerhalb des dielektrischen Materials erhalten bleibt, bis es die ECR-Zone erreicht. Allerdings kann das Schild 121 in dem in Fig. 14a dargestellten Ausführungsbeispiel weggelassen werden, um eine unterschiedliche Mischung von elektrischen und magnetischen Wellentypen zu erreichen. Beispielsweise kann es ohne das Schild 121 möglich sein, stärkere elektrische Felder im Mittelpunkt der Kammer 122 zu erreichen. Zudem können auch die (in Fig. 14a nicht dargestellten) Erregerspulen zur Herstellung des ECR-Zustandes weggelassen werden, wenn das Fenster 120 in einer Nicht-ECR-Plasmagenerierenden Vorrichtung verwendet wird. Wenn allerdings die Erregerspulen 105 (wie die in Fig. 8 dargestellten Erregerspulen) zur Herstellung von ECR verwendet werden, dient das Fenster 120 auch dazu, die TM-Typen über den Querschnitt der, Plasmabildungskammer hinweg gleichmäßiger zu machen. Obgleich die Erfindung unter Bezugnahme auf die vorangehenden Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, können unterschiedliche Änderungen oder Modifizierungen daran vorgenommen werden, die unter den Geltungsbereich der angehängten Ansprüche fallen.

Claims

1. Plasmagenerierungsvorrichtung, umfassend:

eine Plasmabildungskammer (1) mit in axialer Richtung beabstandeten ersten und zweiten Enden, einer ersten Öffnung (1c) im ersten Ende zum Eindringen von Mikrowellenenergie in die Plasmabildungskammer (1) und einer zweiten Öffnung (1d) im zweiten Ende zum Ausdringen von Plasma aus der Plasmabildungskammer (1) heraus;

eine Reaktionskammer (3) angrenzend an das zweite Ende (1d) der Plasmabildungskammer (1), wobei die Reaktionskammer (3) ehe Substratunterlage (7) enthält, die in axialer Richtung an der zweiten Öffnung (1d) ausgerichtet ist; und

Mikrowellenübertragungsfenster (18, 19, 28, 29, 100, 112-120), welche die erste Öffnung (1c) abdichten, wobei die Fenster ein Gehäuse (19, 29, 100, 112-120) aus dielektrischem Material aufweisen, welches in axialer Richtung beabstandete erste (100a) und zweite Oberflächen (100b) aufweist und einen Außenumfang aufweist, der sich zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche erstreckt, wobei die erste Oberfläche (100a) planar ist und sich senkrecht zur axialen Richtung erstreckt und die zweite Oberfläche (100b) der Plasmabildungskammer (1) zugewandt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Oberfläche (IOOb) so zurück versetzt ist, dass das Gehäuse zwischen der ersten (100a) und der zweiten (100b) Oberfläche eine ungleichmäßige Dicke aufweist, wobei die Dicke in einer Richtung gegen den äußeren Außenumfang des Gehäuses zunimmt und eine Linsenwirkung mit bezug auf das elektrische Feld hervorruft und die Homogenität des in der Plasmabildungskammer produzierten Plasmas verstärkt.

2. Plasmagenerierungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin die Plasmabildungskammer (1) durch mindestens eine Wand gebildet wird, die sich parallel zu der axialen Richtung erstreckt, und die zweite Öffnung durch ein axiales Ende der mindestens einen Wand gebildet wird, wobei die zweite Öffnung einen Querschnitt gleich dem Querschnitt der Plasmabildungskammer aufweist.

3. Plasmagenerierungsvorrichtung nach Anspruch 2, worin die Plasmabildungskammer (1) im axialen Querschnitt zylindrisch ist und die mindestens eine Wand eine zylindrische Wand aufweist, wobei die Vorrichtung des weiteren eine Einlage aus dielektrischem Material (29a) aufweist, die einen inneren Außenumfang der zylindrischen Wand vollständig bedeckt.

4. Plasmagenerierungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin die erste Oberfläche eine kontinuierliche, ununterbrochene Oberfläche ist, die sich einwärts vom äußeren Außenumfang erstreckt, die zweite Oberfläche eine kontinuierliche, ununterbrochene Oberfläche ist, die sich einwärts vom äußeren Außenumfang erstreckt, der äußere Außenumfang eine kontinuierliche, ununterbrochene Oberfläche ist, die sich axial von der ersten Oberfläche zu der zweiten Oberfläche erstreckt und der äußere Außenumfang eine gleichmäßige Breite in Querrichtung im rechten Winkel zur axialen Richtung aufweist.

5. Plasmagenerierungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin das Gehäuse einen zylindrischen oder rechteckigen Querschnitt aufweist.

6. Plasmagenerierungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin die zurück versetzte Oberfläche konisch oder sphärisch oder parabolisch oder hyperbolisch bezüglich der Achsrichtung ist.

7. Plasmagenerierungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin die zurück versetzte Oberfläche einen konischen Mittelabschnitt und einen kegelstumpfförmigen äußeren Abschnitt aufweist.

8. Plasmagenerierungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin die zurück versetzte Oberfläche sich radial einwärts vom äußeren Außenumfang des Gehäuses erstreckt oder die zweite Oberfläche einen äußeren planaren Abschnitt aufweist, der sich im rechten Winkel zur Achsrichtung erstreckt, und worin sich die zurück versetzte Oberfläche radial einwärts vom äußeren planaren Abschnitt erstreckt.

9. Plasmagenerierungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin die zurück versetzte Oberfläche der zweiten Oberfläche (100b) kegelstumpfförmig ist und die zweite Oberfläche (100b) einen planaren äußeren Abschnitt und einen planaren Mittelabschnitt enthält und sich die kegelstumpfförmige Oberfläche vom Mittelabschnitt zum äußeren Abschnitt erstreckt, oder worin die zurück versetzte Oberfläche der zweiten Oberfläche (100b) pyramidenförmig ist und durch vier Dreiecksflächen gebildet wird, oder worin die zurück versetzte Oberfläche einen pyramidenförmigen Mittelabschnitt umfasst, der von vier dreieckigen Oberflächen und einem abgeschnittenen äußeren Abschnitt gebildet wird, der von vier trapezoidförmigen Oberflächen gebildet wird.

10. Plasmagenerierungsvorrichtung nach Anspruch 1, des weiteren umfassend ein Metallschild (121), welches einen Mittelabschnitt der zurück versetzten Oberfläche abdeckt.

11. Plasmagenerierungsvorrichtung nach Anspruch 1, des weiteren umfassend einen Flansch (8b), der sich auswärts vom äußeren Außenumfang des Gehäuses erstreckt, und mindestens einen O-Ring, der mit dem Flansch (8b) zusammenwirkt, um die Plasmabildungskammer (1) abzudichten.

12. Plasmagenerierungsvorrichtung nach Anspruch 1, des weiteren umfassend eine Mikrowellenführung (10b) und ein Mikrowellenübertragungshorn (107), das sich zwischen der Mikrowellenführung und dem Fenster erstreckt.

13. Plasmagenerierungsvorrichtung nach Anspruch 12, worin das Horn (107) eine größere Öffnung an einem Ende desselben aufweist, das gegen das Fenster gerichtet ist, als an einem Ende, das gegen die Wellenführung (10b) gerichtet ist, wobei die größere Öffnung in ihrer Größe der Größe der Plasmabildungskammer entspricht.

14. Plasmagenerierungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin das Gehäuse mindestens zwei diskrete Teile umfasst.

15. Plasmagenerierungsvorrichtung nach Anspruch 1, des weiteren umfassend ein Element (18, 28) aus dielektrischem Material, welches eine planare Oberfläche umfasst, die an die planare Oberfläche des Gehäuses (19, 29) anstößt, wobei das Element einen radial einwärts vom äußeren Außenumfang des Gehäuses beabstandeten äußeren Außenumfang aufweist.

16. Plasmagenerierungsvorrichtung nach Anspruch 7, worin der kegelstumpfförmige äußere Abschnitt sich in bezug auf die Achsrichtung weniger stark verjüngt als der konische Mittelabschnitt.

17. Plasmagenerierungsvorrichtung nach Anspruch 9, worin der abgeschnittene äußere Abschnitt sich in bezug auf die Achsrichtung weniger stark verjüngt als der pyramidenförmige mittlere Abschnitt.

18. Plasmagenerierungsvorrichtung nach Anspruch 1, des weiteren umfassend einen Flansch (112c), der sich vom äußeren Außenumfang des Gehäuses radial auswärts erstreckt.

19. Plasmagenerierungsvorrichtung nach Anspruch 18, worin der Flansch (112c) angrenzend an die erste Oberfläche (112a) des Gehäuses angeordnet ist.

20. Plasmagenerierungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin die Plasmabildungskammer (1) Plasma generiert, indem sie unter Verwendung von Mikrowellen, die durch die erste Öffnung (1c) Im ersten Ende der Plasmabildungskammer (1) eingeführt wurden, eine Elektronenzyklotronresonanz erregt, wobei die erste Öffnung (1c) einen Querschnitt aufweist, der kleiner ist als ein Querschnitt der Plasmabildungskammer (1), sich das Mikrowellenübertragungsfenster (8) auf einer der ersten Öffnung (1c) zugewandten Seite der Plasmabildungskammer (1) befindet und sich über einen gesamten Querschnitt der Kammer erstreckt.

21. Plasmagenerierungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin die Plasmabildungskammer (1) Plasma generiert, indem sie unter Verwendung von Mikrowellen, die durch die erste Öffnung (1c) eingeführt wurden, eine Elektronenzyklotronresonanz erregt, wobei das Mikrowellenübertragungsfenster (8, 9, 18, 19, 28, 29, 100, 112- 120) eine in der ersten Öffnung gehaltene mikrowellenpermeable Substanz (8, 18, 28) enthält, wobei eine Seite der ersten mikrowellenpermeablen Substanz uniplanar mit einer inneren, Oberfläche der Plasmabildungskammer ist.

22. Plasmagenerierungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin die Plasmabildungskammer Plasma generiert, indem sie unter Verwendung von Mikrowellen, die durch die erste Öffnung (1c) eingeführt wurden, eine Elektronenzyklotronresonanz erregt.

23. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22 in der Plasmaproduktion, der Mikrowellenhärtung oder Trocknung von Material, dem Mikrowellen-Keramiksintern, der Plasmaätzung oder in einem plasmaunterstützten chemischen Aufdampfverfahren.

24. Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 23 in der Plasmaätzung einer Schicht auf einem Halbleitersubstrat.

25. Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 23 in der Plasmaablagerung einer Schicht auf einem Halbleitersubstrat.

26. Mikrowellenbearbeitungsvorrichtung, gekennzeichnet durch eine Plasmagenerierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22.

27. Mikrowellenbearbellungsvorrichtung, gekennzeichnet durch eine Plasmagenerierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, worin das Plasma durch Erregung von Elektronenzyklotronresonanz generiert wird.