DE69738241T2

DE69738241T2 - RF Plasmabearbeitungsvorrichtung

Info

Publication number: DE69738241T2
Application number: DE1997638241
Authority: DE
Inventors: John P. Santa Clara Holland; Michael S. San Francisco Barnes
Original assignee: Lam Research Corp
Current assignee: Lam Research Corp
Priority date: 1996-06-10
Filing date: 1997-06-09
Publication date: 2008-02-14
Anticipated expiration: 2017-06-10
Also published as: EP0813227A2; EP1204134A2; EP1239511A1; KR980005069A; KR100558182B1; EP1608000A3; EP1204134B1; DE69738241D1; EP1608000A2; JP4540758B2; JPH10125497A; EP0813227A3; EP1204134A3; CA2207154A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein Radiofrequenz-(RF)Vakuumplasmabearbeitungsvorrichtungen und bezieht sich insbesondere auf eine solche Bearbeitungsvorrichtung, die eine Mehrwicklungserregerspule aufweist, welche mit in radialer Richtung verschobenen, gebogenen Segmenten bei einer Geometrie in Bezug auf eine Wellenlänge einer erregenden RF-Quelle versehen ist, so daß die abgegebenen RF-Ströme und Spannungen in der Spule zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes kombiniert werden, das die Erzeugung eines im wesentlichen gleichförmigen, räumlichen Plasmaflusses auf einem zu bearbeitenden Werkstück bewirkt.
Es sind verschiedenartige Vorrichtungen entwickelt worden, um RF-Felder von Einrichtungen außerhalb einer Vakuumkammer zur Erregung eines Gases in einer Plasmabearbeitungsvorrichtung für einen Plasmazustand zu liefern. Die RF-Felder sind von elektrischen Feldquellen hergeleitet worden, die kapazitive Elektroden, elektromagnetische Feldquellen, einschließlich Elektronenzyklotron-Resonatoren und Spulen enthalten, beispielsweise magnetische Feldquellen einschließlich Spulen. Das erregte Plasma wirkt mit einem Werkstück in der Kammer zusammen, um das Werkstück zu ätzen oder ein Material auf dem Werkstück niederzuschlagen. Das Werkstück kann ein Halbleiterwafer sein, der eine ebene, kreisrunde Oberfläche hat, oder ein Festkörperdielektrikum, beispielsweise ein rechtwinkliges Glassubstrat, das in Flachbildschirmen verwendet wird, oder eine Metallplatte.
Eine Bearbeitungsvorrichtung für Werkstücke mit einer induktiv gekoppelten planaren Plasma-(ICPP)Quelle ist u. a. von Ogle im US-Patent 4 948 458 beschrieben, das im allgemeinen der vorliegenden Erfindung zugeordnet wird. Bei Ogle wird das magnetische Feld, das das Plasma erregt, von einer planaren Spule hergeleitet, die auf oder neben einem einzelnen planaren, dielektrischen Fenster angeordnet ist, das sich im allgemeinen in einer Richtung parallel zu der zu bearbeitenden planaren Werkstückoberfläche erstreckt. Die Spule ist mit einer RF-Quelle verbunden, welche eine Frequenz im Bereich von 1 bis 100 MHz (typischerweise 13,56 MHz) aufweist und mit der Spule durch ein passendes Netz verbunden ist. Die Spule ist als eine planare, lineare Spirale ausgebildet, die externe und interne Anschlußklemmen aufweist, welche so angeschlossen sind, daß sie auf die RF-Quelle ansprechen. Das US-Patent 5 304 279 von Coultas et al. offenbart eine ähnliche Vorrichtung, die mit einem Plasmaeinschluß arbeitet und Permanentmagnete in Verbindung mit der planaren Spiralspule benutzt.
Das US-Patent 5 433 812 von Cuomo et al. und das US-Patent 5 277 751 von Ogle beschreiben Variationen der oben genannten Behandlungsvorrichtungen, wobei die planare Spiralspule durch eine Solenoidalspule ersetzt ist. Die Solenoidalspule ist auf einen dielektrischen Dorn oder dergleichen gewickelt und weist mehrere spiralähnliche Windungen auf, wobei sich ein Teil derselben an der dielektrischen Fensteroberfläche entlang erstreckt. Der Rest der Spule erstreckt sich über dem dielektrischen Fenster. Die entgegengesetzten Enden der Solenoidalspule sind an eine RF-Erregerquelle angeschlossen.
Diese induktiven Quellen erregen das Plasma durch Erhitzung von Elektronen im Plasmabereich in der Nähe der Vakuumseite des dielektrischen Fensters mit Hilfe oszillierender induktiver Felder, die von der Spule erzeugt werden und durch das dielektrische Fenster gekoppelt werden. Induktive Ströme, die die Plasmaelektronen erhitzen, werden von den RF-Magnetfeldern abgeleitet, die von den RF-Strömen in der planaren Spule erzeugt werden. Die räumliche Verteilung des magnetischen Feldes ist eine Funktion der Summe der Felder, die von jeder Spulenwicklung erzeugt werden. Das von jeder Wicklung erzeugte Feld ist eine Funktion der Größe des RF-Stroms in jeder Wicklung. Bei der Spiralkonstruktion, die in dem US-Patent 4 948 458 von Ogle offenbart wird, werden die RF-Ströme in der Spiralspule so verteilt, daß ein ringförmiger Bereich entsteht, in dem durch das Plasma Strom absorbiert wird. Der ringförmige Bereich stößt an die Vakuumseite des dielektrischen Fensters an. Bei niedrigen Drücken im Bereich von 1,0 bis 10 mTorr (1 mTorr = 0,133 Pa) erzeugt die Diffusion des Plasmas aus dem ringförmigen Bereich in einem zentralen Teil der Kammer, längs einer Kammermittellinie, weg von dem Fenster, eine Plasmadichtenspitze. In mittleren Druckbereichen, also im Bereich von 10 bis 100 mTorr, verhindert die Gasphasenkollision von Elektronen, Ionen und Neutronen im Plasma im wesentlichen die Diffusion der Plasmageladenenteilchen außerhalb des ringförmigen Bereiches. Als Ergebnis tritt in einem ringförmigen Bereich des Werkstücks ein relativ hoher Plasmastrom auf, jedoch niedrige Plasmaströme im Mittelteil und am Umfang des Werkstücks. Demnach sind erheblich große Plasmaflußschwankungen zwischen dem Ring und den Volumina innerhalb und außerhalb des Rings vorhanden.
Das US-Patent 5 226 967 von Chen et al. befaßt sich mit den nachteiligen Wirkungen der reduzierten Plasmadichte in radialen Bereichen, die von der Mitte einer planaren Spiralspule entfernt sind. Im letztgenannten US-Patent nimmt die Stärke der magnetischen Felder, die durch die planare Spule erzeugt werden und mit dem Plasma gekoppelt sind, längs der Kammermittellinie ab. Die Abnahme geschieht durch Vergrößerung der Dicke des dielektrischen Fenstermittelteils in Bezug auf die Dicke der anderen Bereiche des Fensters. Bei Drücken bis zu etwa 20 mTorr verschiebt die vergrößerte Dicke des massiven dielektrischen Materials, das sich in das Plasma hinein erstreckt, den ringförmigen Bereich für die RF-Stromabsorption zu einem größeren Radius. Die Verschiebung der Lage des ringförmigen Bereiches verändert die Diffusionseigenschaften dieses Plasmaerzeugungsbereiches, so daß die Diffusion über den gesamten bearbeiteten Substratoberflächendurchmesser gleichmäßiger ist, und zwar insbesondere an dem Umfangsteil des Substrats.
Bei der im US-Patent 5 226 967 beschriebenen Vorrichtung verringert ein elektromagnetischer Schirm, der das dielektrische Fenster trägt, den Plasmastrom in der Nähe der Mitte der Spule. Diese Plasmastromdichtenreduzierung geschieht aufgrund der Tatsache, daß sich die Schirmkopplung zwischen der Spule und einem elektromagnetischen Feld verringert, das von dem der Spule zugeführten RF-Strom entsteht. Die magnetischen Felder, welche von der Wicklung der planaren Quelle mit dem größten Durchmesser erzeugt werden, induzieren häufig in dem das Fenster tragenden elektromagnetischen Schirm Ströme, wenn der Schirm und die größte Wicklung ausreichend nahe beieinander liegen. Der an den Schirm angeschlossene Strom führt zu (1) einer Abnahme in der Kupplungseffizienz der RF-Erregung des Plasmas und (2) einer Verschiebung des ringförmigen Stromabsorptionsbereiches zu einem Bereich mit kleinerem Durchmesser, da das magnetische Feld, das von der den größten Durchmesser aufweisenden Wicklung der Spule erzeugt wird, den magnetischen Strom nicht so sehr mit dem Plasma koppelt wie die inneren Wicklungen. Eine erhebliche Gleichförmigkeit bis zu etwa 20 mTorr tritt als Ergebnis der Diffusion der geladenen Teilchen in den Bereich unterhalb der Mitte der Spule hinein auf, wo das Fenster am dicksten ist. Da jedoch der Druck über etwa 20 mTorr ansteigt, wo die Diffusion geladener Teilchen merklich abnimmt, verringert sich der Plasmastrom unter der Mitte der Spule, wo die RF-Erregung klein ist, in Bezug auf den Strom in anderen Bereichen unter der Spule. Somit gibt es auf unterschiedlichen Teilen des Werkstücks einen nicht gleichmäßigen Plasmafluß.
Der rinförmige Bereich, über den eine planare Spule den RF-Strom mit dem Plasma koppelt, läßt sich zu größeren Durchmessern verschieben, indem die inneren Wicklungen der planaren Spule entfernt werden. Fukusawa et al. beschreiben in einem Artikel mit dem Titel "RF Self-Biss Characteristics in Inductively Coupled Plasma", Japanese Journal of Applied Physics, Volumen. 32 (1993), Seiten 6076–6079, Teil 1, Nr. 12(B), Dezember 1993, eine planare Einzelwicklungsspiralspule zur Erregung von Gasen in einer Plasmabehandlungsvorrichtung für einen Plasmazustand. Die beschriebene Spule hat Innen- und Außendurchmesser von 120 und 160 mm und ist 0,5 mm dick und befindet sich in der Nähe des Umfangs einer dielektrischen Platte, die als Oberteil des Vakuumgefäßes dient. Der angebliche Zweck der Einwicklungsspule soll darin bestehen, eine radiale gleichförmige Plasmadichtenverteilung zu schaffen. Wie jedoch in 6 von Fukusawa et al. gezeigt, ist die Plasmadichte selbst bei einem verhältnismäßig geringen Plasmabearbeitungsdruck von 10 mTorr nicht besonders gleichförmig, und zwar insbesondere für die Arten des RF-Erregerstroms, die für das Plasmaätzen im 1 kW-Bereich erforderlich sind. Für die 1 kW-RF-Erregung der Einwicklungsquelle, die von Fukusawa et al. beschrieben wird, erzeugt das Plasma eine im wesentlichen plasmadichte Spitze (von 7,5 × 10¹¹ Ionen cm^–3) bei einer Lage von etwa 4,0 cm von der Mitte der Kammer aus. Diese Spitze tritt nur auf der einen Seite der Mittelachse auf, wobei eine erhebliche nichtradiale Symmetrie in der räumlichen Verteilung des Plasmas auftritt. Die von Fukusawa et al. beschriebene Einwicklungsspirale führt zu einer Verschiebung im Kupplungsbereich zu einem größeren Durchmesser in Bezug auf die volle Spirale, die von Ogle in dem US-Patent 5 948 458 beschrieben wird. Die Vorrichtungen von Fukusawa et al. zeigen außerdem eine nichtradiale Asymmetrie, die der radialen Ungleichförmigkeit in der räumlichen Verteilung der Plasmadichte, die von einer ganzen Spirale erzeugt wird, gleich ist oder diese übersteigt. Der Bereich der Drücke, in dem die Einwicklungsspule arbeiten kann, ist ebenfalls beschränkt, da diese Spule von der Diffusion abhängt, um das Plasma von dem ringförmigen Plasmaerzeugungsbereich in der Nähe des Umfangs der Kammer zur Kammermitte zu verschieben. Bei Drücken von über 10 mTorr ergeben sich Kollisionen der geladenen und ungeladenen Teilchen im Plasma, die zu einer starken Abnahme der Plasmadichte im mittleren Bereich der Kammer führen.
Das US-Patent 4 948 458 von Ogle offenbart außerdem eine alternative Konfiguration für die planare Spule, die eine Reihe konzentrischer Schleifen aufweist, wo bei jede aufeinanderfolgende Schleife durch eine gerade Leitung verbunden ist, die sich nur in radialer Richtung erstreckt. Eine solche radiale Leitung erfordert jedoch eine rechtwinklige Biegung in den Leitern, die verhältnismäßig große RF-Ströme transportieren und ist nachteilig, weil sie einen sehr abrupten Wechsel des RF-Strompfades verursacht. Der abrupte Strompfadwechsel hat die Tendenz, ein großes magnetisches Feld zu erzeugen, das eine nachteilige Wirkung auf die Gleichförmigkeit der magnetischen Felder und des Plasmastroms in der Kammer haben kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vakuumplasmabearbeitungsvorrichtung geschaffen, die im Anspruch 1 gekennzeichnet ist.
Die Spule hat eine ausreichende Länge bei der Frequenz (d. h. Wellenlänge) der RF-Quelle, um entlang der Länge der Spule aufgrund von Übertragungsleitungswirkungen ein im wesentlichen stehendes Wellenmuster zu erzeugen. Wegen der Übertragungsleitungswirkungen ist in der Spule an einer gewissen Stelle entlang der geometrischen Länge der Spule wenigstens ein RF-Strommaximum vorhanden. Der magnetische Fluß (der wiederum das Induktionsfeld zur Erregung des Plasmas erzeugt), welcher durch jedes Spulensegment entsteht, ist proportional der Größe des RF-Stroms, die in dem Segment auftritt. Als Folge dessen soll eine einzelne Schleife, die mit einer RF-Zufuhr verbunden ist, in der Plasmadichte ein nichtradiales Maximum an einer Stelle erzeugen, die der Lage der Spulen-RF-Strommaximums entspricht. Diese Art von nicht radialem Maximum tritt in den Daten von Fukasawa et al. auf. Für eine Spule mit mehreren Ringsegmenten ist die räumliche Plasmadichtenverteilung sowohl eine Funktion der Geometrie der Segmente als auch der Höhe des RF-Stroms, der in jedem Segment auftritt. Bei der Vielfachelementenspiralspule, die in dem US-Patent 4 948 458 von Ogle offenbart ist, erzeugt der räumliche Durchschnitt des Magnetflusses in der ringförmigen Plasmaentstehungszone, in der Nähe der Mitte der Vakuumseite des dielektrischen Fensters ein Plasma. Durch das RF-Strommaximum, das in dem einen Teil der Spirale auftritt, wird nur ein kleiner Anteil an nichtradialer Asymmetrie geschaffen.
Bei der verbesserten planaren Spule, die unten beschrieben werden soll, sind die inneren und äußeren Spulensegmente so positioniert und angeordnet, daß die magnetischen Flüsse aus unterschiedlichen Regionen von wenigstens einigen Paaren benachbarter Spulwicklungen sich addieren. Da diese unterschiedlichen Bereiche oder Regionen nebeneinander liegen, addieren sich die von ihnen stammenden magnetischen Flüsse und bilden einen Durchschnittswert, der über die bearbeitete Werkstückoberfläche einen gleichmäßigen Plasmastrom erzeugt. Die Elemente der Spule sind so angeordnet, daß sie aus den äußeren Wicklungen in Bezug auf den magnetischen Fluß, der durch die inneren Wicklungen erzeugt wird, in einem größeren Maße einen magnetischen Fluß bewirken. Durch Schaffung eines Maximums des magnetischen Flusses in den äußeren Wicklungen und eines Minimums in den inneren Wicklungen kleineren Durchmessers wird der äußere Durchmesser des ringförmigen Plasmaerzeugungsbereiches erweitert. Die richtige Wahl der Durchmessergröße für jedes dieser Segmente führt zu einer planaren Spule, die einen Plasmaerzeugungsbereich liefert, der sich zur Werkstückbearbeitungsoberfläche erstreckt und mit ihr gleichförmig reagiert. Die Durchmesser dieser Ringsegmente sind so angeordnet, daß über der bearbeiteten Werkstückoberfläche dieser gleichförmige Fluß über einen breiten Bereich der Betriebsdrücke erzeugt wird, die typischerweise von 1 mTorr bis 100 mTorr reichen.
Die Erzeugung eines gleichförmigen Plasmaflusses auf der bearbeiteten Werkstückoberfläche erfordert die richtige Auswahl des Raumverhältnisses der Kammer, d. h. das Verhältnis des zylindrischen Kammerdurchmessers zum Abstand zwischen der Oberfläche des bearbeiteten Werkstücks und dem Boden der dielektrischen Platte (Oberteil der Kammer). Bei dem richtigen Raumverhältnis erstreckt sich das ringförmige Plasma am Kopf der Kammer zu der Werkstückoberfläche, so daß sich ein räumlich gleichförmiger Plasmafluß auf der bearbeiteten Werkstückoberfläche ergibt.
Aus diesem Grund besteht bei einer bevorzugten Ausführungsform die obere Kammeroberfläche, über der die Spule angebracht ist, aus einem einen Durchmesser von nur 37,3 cm aufweisenden runden Quarzplattenfenster mit einer einheitlichen Dicke von 2 cm. Die Plasmakammer ist ein zylindrisches Gefäß mit einer Metallwand, das einen Innendurchmesser von 35,6 cm aufweist. Der Außendurchmesser der planaren Spule beträgt etwa 30,5 cm. Der sich ergebende annähernd 2,5 cm breite Spalt zwischen der Bodenfläche der Spule und der Kopffläche der Kammer (gebildet von der Bodenfläche der Quarzplatte) verhindert, daß der magnetische Fluß in der äußersten Wicklung der Spule in erheblichem Maße mit der Metallkammerwand in Verbindung tritt. Ein metallener elektromagnetischer Schirm umschließt und umgibt die planare Spule und ist jenseits des Kammeraußenwanddurchmessers so angeordnet, daß der magnetische Fluß in der äußers ten Wicklung der Spule nicht wesentlich mit der Schirmwand gekoppelt wird. Die zylindrische Form des Plasmagefäßes hilft mit, einen gleichförmigen Plasmafluß auf der bearbeiteten Werkstückoberfläche zu erzeugen. Der Abstand des Werkstücks von dem Plamaerzeugungsbereich wird optimiert, um einen gleichförmigen Fluß auf der bearbeiteten Plasmaoberfläche über einen weiten Bereich von Betriebsdrücken zu erzeugen. Für die oben erwähnten Spulen- und Kammerdurchmesser beträgt der Abstand zwischen der Vakuumseite der dielektrischen Platte und der oberen bearbeiteten Werkstückoberfläche etwa 12 cm.
Wegen der Übertragungslinienwirkungen der Spule wird ein räumlich durchschnittlicher RF-Strom in der Spule erzeugt, um dadurch eine gleichförmige Plasmaerregung über einen weiten Bereich von Betriebsdrücken zu erreichen. Die Stärke der kapazitiven Kupplung zwischen der Spule und dem Plasma ist ausreichend gering, so daß kein merklicher Abbau der Gleichförmigkeit des Plasmaflusses auf der bearbeiteten Werkstückoberfläche auftritt. Ein kleiner Anteil kapazitiver Kopplung in einer überwiegend induktiv gekoppelten Plasmaquelle hat sich für den Entladungsvorgang als nützlich erwiesen. Eine kapazitive Kopplung nur der RF-Spannung an der Spule mit dem Prisma durch die dielektrische Platte ist erforderlich, um (1) die Plasmaentladung zu starten und (2) einen stetigen Zustand der Plasmaentladung zu stabilisieren. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die kapazitive Kopplung einer kleinen Menge höher energetischer Elektronen in die überwiegend niedrigenergetische induktive Entladung einleitet. Um dieses Ausmaß der kapazitiven Kopplung ohne Abbau der Gesamtkopplung der Spule mit dem Plasma sicherzustellen, wird die räumliche Verteilung der Spulen RF-Spannung optimiert. Bei der einen Ausführungsform erfolgt die kapazitive Kopplung hauptsächlich durch Erregen der Spule, so daß diese kapazitive Kopplung Spitzen hat (d. h. die Punkte mit den höchsten RF-Spannungen), und zwar an den Anschlußklemmen der Spule in der Spulenmitte. Diese Anschlußklemmen sind mit der RF-Erregungsquelle verbunden.
Bei einer Ausführungsform weist die Spule wenigstens eine Umfangswicklung auf, die sich in der Nähe des Schirms befindet, sowie wenigstens eine weitere Wicklung auf der Innenseite der Umfangswicklung. Die Spule hat eine solche Geometrie, daß der magnetische Fluß, der von dem mittleren Bereich der Zone herrührt, welcher von der Spule umfaßt wird, wesentlich geringer ist als der magnetische Fluß, der von der Spule in einem Bereich außerhalb des mittleren Bereiches herrührt. Vorzugsweise weist die Spule bei dieser Ausführungsform mehrere Wick lungen auf, und zwar alle in der Nähe des Schirms und von der Mitte des Fensters entfernt.
Die Spule ist an die Quelle durch erste und zweite Anschlußklemmen angeschlossen, die auf diametral gegenüberliegenden Seiten der Spule liegen, und sie weist nur zwei Wicklungen auf (d. h. erste und zweite Wicklungen), die sich in der Nähe des Schildes befinden und von der Mitte des Fensters entfernt sind. Bei einer Ausführungsform bilden die Wicklungen kreisrunde Muster, die konzentrisch zur Mitte des Fensters liegen. Jede der ersten und zweiten Wicklungen besitzt erste und zweite eng beabstandete Enden. Die ersten Enden der ersten und zweiten Wicklungen befinden sich an der ersten bzw. der zweiten Anschlußklemme, während die zweiten Enden der ersten und der zweiten Wicklung elektrisch miteinander verbunden sind.
Eine der konzentrischen Wicklungen ist eine Umfangswicklung und eine andere der Wicklungen befindet sich innerhalb aller anderen Wicklungen. Jede der Wicklungen besitzt erste und zweite eng beabstandete Enden, so daß das erste Ende der Umfangswicklung an der ersten Anschlußklemme liegt und das erste Ende der Wicklung innerhalb aller anderen Wicklungen sich an der zweiten Anschlußklemme befindet. Die Wicklungen sind mit ihren übrigen Enden miteinander so verbunden, daß die Wicklungen miteinander in Reihe geschaltet sind, und zwar als Ergebnis der Tatsache, daß das zweite Ende der Umfangswicklung mit einer Anschlußklemme einer inneren Wicklung verbunden ist, die der Umfangswicklung am nächsten liegt, während das zweite Ende der Wicklung innerhalb aller anderen Wicklungen mit einem Ende der Wicklung verbunden ist, die der Wicklung im Inneren aller anderen Wicklungen am nächsten liegt.
In gewissen Fällen ist die Spule so angeordnet, daß sie einen niedrigeren elektromagnetischen Feldkopplungskoeffizienten mit dem Plasma im Bereich des Strommaximums hat als im Bereich des Stromminimums. Dieses Ergebnis kann dadurch erhalten werden, daß die Spule im Bereich des Strommaximums eine kleinere Selbstinduktion aufweist als im Bereich des Stromminimums. Alternativ dazu wird die Spule so angeordnet, daß sie im Bereich des Strommaximums weiter vom Werkstück entfernt liegt als im Bereich des Stromminimums. Insbesondere wird die Spule so angeordnet, daß sie sich auf einer größeren Höhe über einer Ebene des Werkstücks in dem Bereich des Strommaximums befindet als im Bereich des Stromminimums.
Die folgende Beschreibung und Zeichnung offenbart beispielshalber die Erfindung, die in den beigefügten Ansprüchen gekennzeichnet ist, deren Begriffe den Schutzumfang bestimmen, um den es sich hier handelt. In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Vakuumplasmabehandlungsvorrichtung der erfindungsgemäßen Art;
2A und 2B entsprechende Drauf- und perspektivische Ansichten der bevorzugten Ausführungsform einer planaren Spule, die sich in der Behandlungsvorrichtung von 1 befindet, wobei die Spule einen gespaltenen Mittelteil, einen Satz Ringelemente in der Nähe des Spulenumfangs und ein drittes Ringelement an einem mittleren Durchmesser aufweist;
3 eine Darstellung der räumlichen Varianten des Ätzgrades für einen 200 mm Wafer, der in der Kammer von 1 unter Verwendung der planaren Spule der 2A und 2B bearbeitet wurde;
4 Darstellungen der gemessenen Ionendichtengleichförmigkeit, die von der Spule der 2A und 2B erzeugt wird, gemessen in einem Bereich in der Nähe der Oberfläche des Werkstücks für Betriebsdrücke zwischen 2,0 und 30 mTorr (1 mTorr = 0,133 Pa);
5A und 5B Darstellungen der gemessenen und berechneten RF-Spannungen bzw. Ströme, die in der planaren Spule der 2A und 2B während der Erregung des Plasmas in der Kammer von 1 auftreten;
6 eine Darstellung der berechneten RF-Ströme, die in jedem Segment der planaren Spule der 2A und 2B auftreten, und zwar als Funktion des Winkelabstands, gemessen in der Ebene der Spule;
7 eine Draufsicht einer anderen ebenen Spule zur Verwendung in der Bearbeitungsvorrichtung von 1, wobei die Spule zwei elektrisch parallele Segmente aufweist, die mit einer gewöhnlichen Mittenverbindung versehen sind und diametral gegenüberliegende Umfangsanschlüsse an die RF-Quelle haben;
8 eine Draufsicht einer planaren Spule mit drei elektrisch parallelen Segmenten, von denen jedes einen Mittenanschluß und drei umfängliche RF-Erregungsquellenanschlüsse hat, die jeder um annähernd 120° voneinander beabstandet sind;
9 eine Draufsicht einer planaren Spule mit vier elektrisch parallelen Segmenten, von denen jedes einen Mittenanschluß und vier umfängliche RF-Erregungsquellenanschlüsse aufweist, die voneinander um 90° beabstandet sind;
10 eine Draufsicht einer planaren Spule mit einem Umfangssegment, das elektrisch mit zwei parallelen inneren Segmenten in Reihe geschaltet ist;
11 eine Draufsicht einer planaren Spule mit zwei kreisrunden Umfangsabschnitten;
12 eine Draufsicht einer planaren Spule mit drei kreisrunden Umfangsabschnitten;
13 eine Draufsicht einer planaren Spule, die in ihrer Mitte keine Wicklungen aufweist;
14 eine Darstellung des Plasmaflusses, der sich aus der Plasmaerregung durch irgendeine der in den 7 bis 13 gezeigten Spulen ergibt, sobald die Spule in einer Ebene parallel zu einem Fenster der Vakuumplasmabehandlungsvorrichtung von 1 angeordnet sind;
15 eine perspektivische Ansicht einer planaren Spule, die in Bezug auf ein dielektrisches Fenster der Plasmabehandlungsvorrichtung von 1 geneigt ist; und
16 eine Draufsicht einer Spule mit längs ihrer Länge unterschiedlichen Selbstinduktionswerten, und zwar infolge der Tatsache, daß die Spule verschiedene Querschnittszonen aufweist.
Es wird nunmehr auf 1 der Zeichnung Bezug genommen, in der eine Plasmabearbeitungsvorrichtung gezeigt ist, die sich zum Ätzen eines Halbleiters, eines dielektrischen oder metallenen Substrats oder zur Abscheidung von Molekülen auf dem Substrat benutzen läßt, wobei die Vorrichtung als Vakuumkammer 10 ausgebildet ist, die eine Zylinderform hat und eine geerdete, metallene Wandung 12, eine metallene Bodenplatte 14 und eine kreisrunde Kopfplattenkonstruktion 18, die eine dielektrische Fensterkonstruktion 19 aufweist, welche von ihrer Mitte bis zu ihrem Umfang dieselbe Dicke besitzt. Die Abdichtung der Vakuumkammer 10 geschieht mit Hilfe von herkömmlichen Dichtungselementen (nicht gezeigt).
Ein geeignetes Gas, das einen Plasmazustand erzeugen kann, wird dem Inneren der Kammer 10 von einer Gasquelle (nicht gezeigt) über eine Öffnung 20 in der Seitenwand 12 zugeführt. Das Innere der Kammer wird unter Vakuum bei einem Druck, der zwischen 1 bis 100 mTorr variieren kann, mit Hilfe einer Vakuumpumpe (nich gezeigt) gehalten, die an die Öffnung 22 in der Seitenwand 12 angeschlossen ist. Alternativ dazu läßt sich die Öffnung 22 in der Bodenplatte 14 anordnen. Das Gas in der Kammer wird durch eine geeignete elektrisch Quelle in ein räumlich gleichmäßigen Plasmazustand erregt. Die elektrische Quelle weist eine im wesentlichen planare Spule 24 auf, die gewöhnlich unmittelbar über dem Fenster 19 angebracht ist und durch eine RF-Stromquelle 26 über ein Scheinwiderstandsanpassungsnetz 28 erregt wird. Typischerweise hat die RF-Quelle 26 eine Frequenz von 13,56 MHz. Das Werkstück 32 ist in der Kammer 10 auf der Oberfläche eines Unterlagtisches 30, der parallel zur Oberfläche des Fensters liegt, fest angebracht. Das Werkstück 32 wird an die Oberfläche des Unterlagtisches 30 mit Hilfe einer Gleichstromspannung, die von einer Gleichstromspannungsquelle (nicht gezeigt) geliefert wird, festgeklemmt.
Ein Metallrohr oder dosenähnlicher Schild 34, der die planare Spule 24 umgibt und sich über der Kopfplatte 18 erstreckt, entkoppelt elektromagnetisch die Felder, die in der Spule 24 von der Umgebung ausgehen. Bei der Ausführungsform, die in den 2A und 2B gezeigt ist, ist die Entfernung zwischen dem Schirm 34 und den Umfangsbereichen der Spule 24 groß genug, um eine wesentliche Absorption der magnetischen Felder, die von den Umfangszonen der Spule 24 erzeugt werden, durch den Schirm 34 zu verhindern.
Der Durchmesser der zylindrisch geformten Kammer 10 ist groß genug, um die Absorption der magnetischen Felder, die durch die Umfangszonen der Spule 24 erzeugt werden, durch die Kammer am Ende 12 zu verhindern. Der Durchmesser der dielektrischen Fensterkonstruktion 19 ist größer als der Durchmesser der Kammer 10, so daß die gesamte obere Oberfläche der Kammer 10 die dielektrische Fensterkonstruktion 19 bildet. Der Abstand zwischen der behandelten Oberfläche des Werkstücks 32 und der Bodenoberfläche der dielektrischen Fensterkonstruktion 19 ist so gewählt, daß ein sehr gleichmäßiger Plasmafluß auf die freiliegende, bearbeitete Oberfläche des Werkstücks entsteht. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die in den 2A und 2B dargestellt ist, beträgt der Abstand bzw. die Entfernung zwischen der bearbeiteten Werkstückoberfläche und dem Boden des dielektrischen Fensters annähernd das 0,3 bis 0,4fache des Durchmessers der Kammer 10.
Die Frequenz der RF-Quelle 26 und die Länge der planaren Spule 24 zwischen ihren Endanschlußklemmen, die mit der Quelle verbunden sind, sind so gewählt, daß die Wirkung der RF-Spannungen und -ströme, die in der Spule auftreten, unter Benutzung der RF-Übertragungslinientheorie abgeschätzt werden kann. Die Übertragungslinieneffekte treten in der planaren Spule auf, weil jeder kleine Abschnitt der planaren Spule in Verbindung mit seiner dielektrischen Umgebung für das Plasma eine endliche, nicht Null betragende Kapazität hat. Deshalb bildet jeder Spulenabschnitt eine elektrische Einrichtung, die durch längs der Länge der Spule verteilte Induktivität und verteilte Kapazität dargestellt wird. Der charakteristische Scheinwiderstand der Übertragungslinie, der von der planaren Spule gebildet wird, ist eine Funktion der Abmessungen und Form, d. h. der Geometrie des Querschnitts des leitenden Materials, das die Spule bildet, sowie der Dielektrizitätskonstanten und der Dicke des Fenstermaterials.
Das Verhalten der planaren Spule als eine Übertragungslinie erzeugt längs der Länge der Spule ein stehendes Wellenmuster, das Änderungen in der Größe der RF-Spannungen und -ströme längs der Länge der Spule ergibt. Die Abhängigkeit des magnetischen Flusses, der durch die Spule bei der Größe dieser RF-Ströme erzeugt wird, führt zu unterschiedlichen Plasmamengen, die in unterschiedlichen Teilen der Kammer unter verschiedenen Teilen der Spule erzeugt werden. Infolge dessen ist es zur Herleitung eines gleichförmigen Plasmas unter Verwendung einer planaren Spule notwendig, daß die Abweichungen in der Größe des RF-Stroms, der in verschiedenen Teilen der Spule strömt, als räumlicher Durchschnitt betrachtet wird. Die räumliche Durchschnittsbildung dieser unterschiedlichen Stromwerte in den verschiedenen Teilen der Spule verhindert im wesentlichen nichtradiale Asymmetrien in der Plasmadichte, insbesondere in Bereichen hohen RF-Stroms in Spulensegmenten in der Nähe des Umfangs der Spule 24. Das Übertragungslinienverhalten des RF-Stroms in der planaren Spule 24 erhöht die Stärke des magnetischen Flusses, der von den umfänglichen Spulensegmenten erzeugt wird, in Bezug auf die in der Mitte befindlichen Spulensegmente. Dieses Ergebnis wird durch Erregen der Spule 24 mit RF erzielt, so daß die Bereiche des maximalen RF-Stroms auf den umfänglichen Spulensegmenten liegen.
Bei der in den 2A und 2B gezeigten bevorzugten Ausführungsformen weist die planare Spule 24 im Inneren im wesentlichen halbkreisförmige Schleifen 40 und 42 und umfänglich im wesentlichen kreisförmige Segmente 46 und 48 sowie ein im wesentlichen kreisrundes mittleres Segment 44 auf. Die Schleifen 40 und 42 bilden Halbwicklungen der Spule 24, während jede der Schleifen 44, 46 und 48 eine fast vollständige Wicklung bildet. Die vollständigen und halben Wicklungen sind in Reihe miteinander verbunden. Alle Segmente 40, 42, 44, 46 und 48 sind zur Spulenmittelachse 50 koaxial angeordnet und fallen mit der Mittelachse der Kammer 10 zusammen. Entgegengesetzte Erregungsanschlußklemmen 42 und 44 im Mittelteil der Spule 24 sind durch Leiter 58 und 56 entsprechend mit den entgegengesetzten Anschlußklemmen der RF-Quelle 26 über das Anpassungsnetz 28 und eine Elektrode des Kondensators 80 entsprechend verbunden, während die andere Elektrode geerdet ist. Die Anschlußklemme 60 am Ende des Segmentes 40, die der Anschlußklemme 52 gegenüberliegt, ist an die Anschlußklemme 66 des äußeren Schleifensegments 48 durch den leitenden Steg 64 angeschlossen, der in einem Bereich liegt, welcher sich geringfügig über der Ebene der Spule 24 befindet und keines der Spulensegmente, die unter ihm laufen, berührt, so daß der Steg elektrisch von der Spule 24 isoliert ist, mit Ausnahme an den Endklemmen 60 und 66. Das Segment 48 weist eine zweite Endklemme 68 auf, die geringfügig weniger als 360° von der Endklemme 66 entfernt ist. Die Endklemme 68 ist mit der Endklemme 70 des Schleifensegments 46 über den Steg 72 verbunden. Die Schleife 46, die sich über einen Winkel von fast 360° erstreckt, hat eine zweite Endklemme 74, die an die Endklemme 76 der Schleife 44 über den Steg 78 angeschlossen ist. Die Schleife 44, die sich über einen Winkel von fast 360° erstreckt, besitzt eine zweite Endklemme 80, die durch den Steg 82 mit der Endklemme 62 verbunden ist, und zwar an dem Ende des Segments 42, das entgegengesetzt zur Endklemme 54 liegt.
Die Abmessungen der im wesentlichen kreisrunden Schleifensegmente 44, 46 und 48 sind durch die Wellenlänge der RF-Spannung und des -Stroms bestimmt, die durch die Quelle 26 der Spule 24 gespeist werden, sowie durch die Abmessungen des Werkstücks. Die Wellenlänge der RF in der Spule beträgt einen Bruckteil (gewöhnlich 0,5–0,7) der Wellenlänge des freien Raums. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Spule 24 ist der Durchmesser des Werkstücks 32 kleiner als der Durchmesser der kreisförmigen Spule 46, jedoch größer als der Durchmesser der kreisförmigen Spule 44. Bei der bevorzugten Ausführungsform hat das äußerste Schleifensegment 48 einen Durchmesser, der annähernd dem 0,0248fachen der Wellenlänge der RF-Spannung und des -Stroms in der Spule entspricht. Der Durchmesser des Schleifensegments 46 beträgt annähernd das 0,0207fache dieser Wellenlänge, und der Durchmesser des Schleifensegments 44 beträgt annähernd das 0,0146fache dieser Wellenlänge. Die gleichen Radien der halbkreisförmigen Ringsegmente 40 und 42 entsprechen annähernd dem 0,00413fachen der Wellenlänge. Die effektiven Übertragungslinienlängen für die Schleifensegmente 48, 46, 44, 40 und 42 betragen entsprechend annähernd das 0,078-, 0,065-, 0,046-, 0,013- bzw. 0,013fache der Wellenlänge des RF-Stroms in der Spule, so daß die gesamte Spulenlänge etwa dem 0,22fachen der Wellenlänge entspricht.
Der Kondensator 80, der einen kapazitiven Widerstand Z_cap = 1/(j2πfC) hat, wobei j = √–1, f die Frequenz der RF-Quelle 26 und C die Kapazität des Kondensators 30 sind, schiebt die Phase und damit die Lage der Spannungs- und Stromverteilung über der gesamten Länge der Spule 24. Die Spannungs- und Stromverteilung werden in der Spule 24 so verschoben, daß die Spule elektrische und magnetische RF-Felder erzeugt, die einen gleichförmigen Plasmafluß auf der behandelten Oberfläche des Werkstücks 32 bewirken. Bei der bevorzugten Ausführungsform werden Spannung und Strom der Spule 24 durch Auswahl des Wertes des Kondensators 80 so verteilt, daß der RF-Strom an der Spulenanschlußklemme 54 von Spitze zu Spitze ein Minimum und gleich ist dem RF-Spitze-zu-Spitze-Strom an der Spulenanschlußklemme. Unter diesen Bedingungen hat die Spule das entgegengesetzte Polaritätsmaximum der RF-Spannungen von Spitze zu Spitze an den Anschlußklemmen 52 und 54, und der maximale RF-Spulenstrom tritt in der Nähe des leitenden Stegs 72 auf. Die Verteilung der RF-Spannungen und Ströme in der Spule in näherungsweise Vpkpk(X) = V°pkpkcos[β(x + x°)] (1)und Ipkpk(X) = I°pkpksin[β(x + x°)] (2),wobei sind:
x der lineare Abstand, gemessen von der Eingangsklemme 54 der Spule;
β die Winkelfrequenz der RF-Quelle 26 (d. h. 2πf), dividiert durch c, der Lichtgeschwindigkeit;
x° eine Abweichung von Null, die durch den Wert des Kondensators 80 bestimmt wird; und
V_pkpk und I_pkpk das Maximum der RF-Spannungen von Spitze zu Spitze bzw. Ströme, die an die Spule geliefert werden. Für die bevorzugte Ausführungsform der Spule ist der Wert des Kondensators 80 so gewählt, daß x° annähernd dem 0,15- bis 0,16fachen der Wellenlänge (λ = c/f) des RF-Stroms entspricht, der in der Spule fließt. Die Verteilung der berechneten und gemessenen RF-Spannungen und -Ströme für die bevorzugten Ausführungsformen der Spule 24 sind entsprechend in den 5A und 5B als Funktion der Länge der Spule dargestellt.
Der von den Umfangszonen der Spule 24 erzeugte magnetische Fluß ist größer als der von der mittleren Zone der Spule erzeugte magnetische Fluß, weil die Höhe der Spitze-zu-Spitze-RF-Ströme im Umfangssegment der Spule in Bezug auf die Höhen der Spitze-zu-Spitze-Ströme der zentralen Segmente größer ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform hört die maximale Spitze-zu-Spitze-RF-Stromamplitude in dem im wesentlichen kreisrunden Schleifensegment 46 auf. Die Amplituden der Spitze-zu-Spitze-RF-Ströme in den benachbarten Schleifensegmenten 44 und 48 und im Schleifensegment 46 sowie die Abschnitte der Schleifensegmente 44, 46 und 48 voneinander sind so gewählt, daß die magnetischen Flüsse von diesen drei Schleifensegmenten im Raum kombiniert werden, um eine magnetische Gesamtflußdichte zu erzeugen, und zwar unmittelbar unter dem Fenster 19, die einen Maximumwert über einem verhältnismäßig breiten ringförmigen Bereich aufweist, der sich zwischen den Schleifensegmenten 46 und 48 bis zwischen das mittlere Segment 44 und die inneren Segmente 40 und 42 erstreckt. Der magnetische Gesamtfluß ist auch relativ konstant als Funktion einer Winkelkoordinate θ.
Die Winkelkoordinate θ stellt die räumliche Winkelverschiebung um die Mittelachse der Kammer 10 von einer Phantomlinie 100 im Gegenuhrzeigersinn dar. Die Anschlußklemmen 60, 80, 74 und 68 befinden sich in gleichem Winkelabstand von der Linie 100 und auf der einen Seite der Linie 100, während sich die Anschlußklemmen 62, 76, 70 und 66 um denselben Betrag in gleichem Winkelabstand von der Linie 100 und auf der anderen Seite der Linie 100 befinden. Somit hat beispielsweise das Spulensegment 48 eine räumliche Winkelerstreckung von geringfügig weniger als 360° von einem Winkel θ₁, der geringfügig größer ist als θ = 0°, zu einem Winkel θ₂, der geringfügig kleiner ist als θ = 360°; und die Anschlußklemmen 52 und 54 sind unter Winkeln θ₃ und θ₄, und sind geringfügig größer bzw. geringfügig kleiner als 180°. Ein räumlich durchschnittlicher magnetischer Fluß, der längs eines speziellen Koordinatenwertes θ konstant ist, erzeugt ein Plasma, das längs θ in radialer Richtung symmetrisch ist. Die Amplituden der Spitze-zu-Spitze-RF-Ströme in den beiden im wesentlichen halbrunden Segmenten 40 und 42 gleichen Radius sind erheblich kleiner als die Amplituden der Ströme in den anderen Segmenten. Die Segmente 40 und 42 leiten ausreichende magnetische Flüsse ab, die räumlich durchschnittlich zu den magnetischen Flüssen sind, die von den anderen Segmenten 44, 46 und 48 abgeleitet werden, so daß ein im wesentlichen gleichförmiger Plasmafluß auf dem Niveau der bearbeiteten Oberfläche des Werkstücks 32 über dem Durchmesser der Kammer erzeugt wird. Die Amplituden der Spitze-zu-Spitze-RF-Ströme in jedem der Segmente sind in 6 als Funktion eines Winkelabstands θ aufgezeichnet.
Aus 6 ergibt sich, daß die höchsten Werte des Spitze-zu-Spitze-Stroms in der Spule 24 (1) über das gesamte Schleifensegment 46 auftreten, ferner (2) über den Teil des Schleifensegments 48 von der Anschlußklemme 68 (am Anschluß des Segments 48 bis zum Segment 46 über den Steg 72) bis zu einem Winkel θ₄, der etwas kleiner ist als θ = 180°, beispielsweise für eine Winkelgröße von etwas mehr als 180° sowie (3) in dem Teil des Schleifensegments 44 von der Anschlußklemme 76 (vom Anschluß des Segments 44 bis zum Segment 46 über den Steg 78) bis θ₄, d. h. für eine Winkelgröße von etwas weniger als 180°. Die geringsten Ströme treten an den Anschlußklemmen 52 und 54 auf (wo sie gleich sind), sowie entlang der inneren Schleifen 40 und 42. Aufgrund dieser Stromverteilung ist der magnetische Fluß, der von den inneren Schleifensegmenten 40 und 42 der Spule 24 hergeleitet wird, erheblich geringer als der Fluß aus dem Inneren der Schleifenteile 46 und 48, was die Schaffung eines einheitlichen Plasmaflusses auf dem Werkstück anbelangt.
Die elektrostatische (d. h. kapazitive) Kopplung der Spannungen, die zwischen den verschiedenen Teilen der ebenen Spule 24 auftreten (beispielsweise zwischen den Teilen der Schleifensegmente 46 und 48 an derselben Winkelkoordinatenlage θ_j) mit dem Plasma hat, wie sich herausgestellt hat, einen Einfluß auf die Gleichförmigkeit des erzeugten Plasmaflusses. Die kapazitive Kopplung dieser Spannungen mit dem Plasma hängt von der Größe der Spitze-zu-Spitze-Spannungen ab, die in den Spulensegmenten auftreten, sowie von der Dicke und dem dielektrischen Material des Fensters 19, das die Spule 12 von dem Plasma trennt. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Spule wird der Einfluß der kapazitiven Ströme, die von den RF-Spitze-zu-Spitze-Spannungen erzeugt werden, minimiert, indem bewirkt wird, daß die höchsten RF-Spitze-zu-Spitze-Spannungen an den Endklemmen 52 und 54 auftreten. Ein derartiges Ergebnis stellt sich aufgrund der Geometrie der Spule 24 und durch richtige Auswahl des Wertes des Kondensators 80 ein, der mit der Spule in Reihe geschaltet ist. Die inneren gleiche Länge und gleiche Radien der halbkreisförmigen Segmente 40 und 42 sind so ausgerichtet, daß die Anschlußklemmen 52 und 54 an ihren Enden auf diametral gegenüberliegenden Seiten der Linie 100 hegen. Durch Positionierung der Anschlußklemmen 52 und 54 an diesen Stellen wird die Wirkung dieser hohen RF-Spitze-zu-Spitze-Spannungs-Punkte auf ein Mindestmaß beschränkt. Dies ist darauf zurückzuführen, daß zu jedem beliebigen Zeitpunkt die Spannungen an den Klemmen 52 und 54 hinsichtlich der Amplitude im wesentlichen einander gleich sind, jedoch entgegengesetzte Polarität haben. Dies hat zur Folge, daß die Wirkungen der beiden entgegengesetzt verbundenen Spannungen im Plasma nahezu beseitigt sind. Das dielektrische Fenster 19 besteht vorzugsweise aus Quarz und ist annähernd 2,3 cm dick, um dadurch die elektrostatische Kopplung der RF-Spannungen zwischen unterschiedlichen Teilen der Spule 24 mit dem Plasma auf ein Mindestmaß zu beschränken und dennoch eine ausreichende Kopplung der magnetischen Felder zu erreichen, die durch die Spule im Plasma erzeugt werden.
Die RF-Erregung der planaren Spule 24 erzeugt ein im wesentlichen planares Plasma mit einem relativ gleichförmigen Fluß, der vollständig über dem Substrat 32 auftritt, häufig als Scheibe geformt. Unabhängig von der Form hat das Substrat 32 äußere Randabmessungen, die nur etwas kleiner sind als die Innenabmessungen der Plasmabearbeitungskammer 10. Die Spule 24 ist so konfiguriert, daß die Dichte des Plasmaflusses, die auf der bearbeiteten Oberfläche des Substrats 32 auftritt, innerhalb ±2,5% der durchschnittlichen Plasmadichte über dem Substrat liegt. Diese Gleichförmigkeit wird aufgrund der Tatsache erreicht, daß der magnetische Fluß in dem Mittelteil der Spule 24 kleiner ist als der magnetische Fluß, der von den Umfangs- und Zwischenteilen der Spule kommt. Die Geometrie und das Verfahren der RF-Erregung der Spule 24 führen zum Entstehen eines gleichförmigen Plasmaflusses auf der bearbeiteten Oberfläche des Substrats 32 über einen Bereich von Drücken von 1 bis 100 mTorr.
3 ist eine Darstellung der gemessenen Ionenstromgleichförmigkeit für die bevorzugte Ausführungsform der Plasmabearbeitungskammer 10, gemessen 1,0 cm über der Oberfläche einer einen Durchmesser von 200 mm aufweisenden Scheibe als Substrat für eine Vielzahl von Drücken im Bereich von 2,0 bis 30,0 mTorr. Aus 2 ergibt sich eine Plasmadichtengleichförmigkeit innerhalb von ±2,5% der durchschnittlichen Plasmadichte über dem Substrat. 4 ist eine Draufsicht einer Darstellung der räumlichen Varianten der Ätzstärke für einen 200 mm Wafer-Halbleiter, der bei 2 Pa (15 mTorr) geätzt wird, und zwar unter Verwendung der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform der planaren Spule 24. Aus 4 ergibt sich, daß das Substrat mit einer Gleichförmigkeit von nicht weniger als 2,3% geätzt wird.
In den 7 bis 13 und 16 ist die Geometrie des Fensters 18, der Spule 24 und des Schirms 34 so gewählt, daß der Spulendurchmesser und der Schirmdurchmesser näher aneinander liegen als bei der Ausführungsform der 2A und 2B, so daß der Schirm einen erheblichen Anteil der von der Spule, insbesondere von den Umfangsbereichen der Spule, kommenden RF-Energie absorbiert. In jeder der 7–13 und 16 ist wenigstens eine Anschlußklemme der Spule mit einem Blindwiderstand verbunden. Der Blindwiderstand und die Spulenlänge werden so ausgewählt, daß die Gleichungen (1) und (2) erfüllt werden, um wenigstens ein Strommaximum längs der Spulenlänge zu erzeugen.
Die Größe des magnetischen Flusses, der zwischen den Umfangsteilen der Spule 24 und dem Gas der Kammer 10 in der Nähe des Schirms 34 sowie in der Nähe der Seitenwände 12 stattfindet, hat somit die Tendenz, kleiner zu sein als der magnetische Fluß, der mit dem Rest des Gases in der Kammer 10 gekoppelt ist. Dadurch neigt das Gas im Innenteil der Kammer 10 dazu, zu einem Plasma erregt zu werden, das einen erheblich höheren Fluß als der Plasmafluß in den Umfangsteilen der Kammer. Der Plasmafluß am Umfang der Kammer 10 und in der Nähe des Umfangs des Werkstücks 32 hat die Tendenz, erheblich geringer zu sein als der Plasmafluß zum Zentrum der Kammer und zum Substrat. Somit neigt das Ätzen des Substrats und die Materialabscheidung auf dem Substrat dazu, im Mittelteil des Substrats größer zu sein als im Bereich des Substratumfangs. Dies ist besonders beim Hochdruckvakuumbetrieb der Kammer 10 der Fall, d. h. bei Drücken zwischen 15 und 60 mTorr.
In den 7–13 und 16 ist das planare Plasma, das sich aus der RF-Erregung der planaren Spule 24 ergibt, relativ gleichmäßig, und zwar vollständig über die bearbeitete, freiliegende Oberfläche des Substrats 32, deren Randabmessungen etwas kleiner sind als die Innenabmessungen der Plasmabearbeitungskammer 10. Die Spule 24 ist in den 7–13 und 16 so ausgebildet, daß die Plasmadichte, die auf dem Substrat auftritt, bei etwa ±2,5% des durchschnittlichen Plasmaflusses über der bearbeiteten Substratoberfläche liegt. Diese Gleichförmigkeit wird, bezogen auf den Stand der Technik, durch Absenken des magnetischen Flusses im mittleren Teil der Spule 24 erreicht, und zwar in jeder der Spulen der 7–13 und 16, so daß der magnetische Fluß im Mittelteil geringer ist als der magnetische Fluß, der von den Umfangs- und Zwischenteilen der Spule herrührt. Durch Minimierung des magnetischen Flusses in der Mitte der Spule bleibt der Plasmafluß über dem gesamten Substrat im wesentlichen gleichförmig. Die planare Spule 24 in den 7 bis 16 ist so gebaut, daß der von den Teilen der Spule abgeleitete magnetische Fluß der Spule, wo heiße Plasmaflecken entstehen können, auf ein Mindestmaß verkleinert wird.
Was nun 7 der Zeichnung anbelangt, was hier eine Draufsicht einer Ausführungsform der planaren Spule 24 zeigt, die zwei elektrisch parallele Segmente 110 und 112 aufweist, welche durch Leitungen 114 bzw. 116 über den Steg 56 mit der Anschlußklemme 52 verbunden sind. Die Verbindungen der Leitungen 114 und 116 sind so gewählt, daß die Ströme in diesen Leitungen auf das Plasma in der Kammer 10 eine sehr geringe Auswirkungen haben. Ein derartiges Ergebnis kann dadurch erreicht werden, daß die Leitungen 56, 114 und 116 so angeordnet werden, daß sie sich rechtwinklig zu dem Fenster 19 und der Ebene der Spule erstrecken, oder dadurch, daß die Leitungen 114 und 116 so angeordnet sind, daß sie parallel zu der Ebene der Spule liegen, jedoch elektrisch und magnetisch von der Spule durch eine zwischen der Spule und den Leitungen angeordnete Metallscheibe isoliert sind. Gegenüberliegende planare Flächen der Scheibe 118, die die Spule bzw. die Leitungen berühren, werden durch eine dielektrische Ummantlung abgedeckt (nicht gezeigt). Die Leitung 56 ist mit einer Anschlußklemme in der Mitte der dielektrischen, beschichteten Metallscheibe 118 verbunden.
Jedes Spulensegment 110 und 112 weist drei im wesentlichen halbrunde, in Reihe geschaltete Spulenteile auf, von denen jeder einen Bogen besitzt, der sich um etwa 175° erstreckt sowie einen anderen Radius. Die drei halbrunden Teile sind miteinander durch zwei gerade Leitungen verbunden, die sich in radialer Richtung sowie etwas um den Umfang erstrecken. Somit weist das Spulensegment 110 Spulenteile 121, 122 und 123 auf, die in Bezug auf die Achse 120 Radien R₁, R₂ bzw. R₃ besitzen und miteinander durch sich gerade radial und um den Umfang erstreckende Leitungen 124 und 125 verbunden sind. Die Spulenteile 121 und 123 befinden sich auf derselben ersten Seite der Mittelachse 120 des Substrats, während der Spulenteil 122 auf der diametral gegenüberliegenden zweiten Seite der Achse liegt. In gleicher, jedoch entgegengesetzter Weise weist das Spulensegment 112 halbrunde Spulenteile 127, 128 und 129 auf, die mit Radien R₁, R₂ bzw. R₃ in Bezug auf die Achse 120 versehen sind und miteinander durch gerade, sich radial und um den Umfang erstreckende Leiter 130 und 131 verbunden sind. Der Spulenteil 128 liegt diametral gegenüber den Spulenteilen 127 und 129, die sich auf derselben Seite der Achse 120 wie der Spulenteil 122 befinden. Der gemeinsame Radius R₁ der Spulenteile 121 und 127 ist etwas größer als der Radius der Scheibe 118, so daß der magnetische Fluß von den halbrunden Spulenteilen 121 und 127 in der Kammer 10 wirksam gekoppelt wird. Die Werte der Radien R₁, R₂ und R₃ sind mit dem Radius des Substrats vergleichbar, das durch das Plasma in der Kammer 10 bearbeitet wird. Wenn beispielsweise ein kreisrundes Substrat mit einem Radius von 10 cm bearbeitet wird, liegen die Werte für R₁, R₂ und R₃ im Bereich von 7,5 cm, 10 cm und 12,5 cm.
Die Endpunkte jedes der im allgemeinen halbrunden Teile 121–123 und 127–129 auf einer bestimmten Seite der Mittelachse 120 sind im wesentlichen fluchtend ausgerichtet und mit den geraden radialen und sich in Umfangsrichtung erstreckenden Leitungen 124, 125, 129 und 130 verbunden. Die räumliche Anordnung der Spulenteile 121–130 ist so gewählt, daß der Strom in derselben ersten Richtung in diesen Spulenteilen auf der einen Seite der Achse 120 fließt und in der entgegengesetzten zweiten Richtung in den Spulenteilen auf der anderen Seite der Achse. Die Enden der äußeren oder Umfangsspulenteile 123 und 128 sind entsprechend mit einer Anschlußklemme verbunden, die über geeignete variable Scheinwiderstände 132 und 134 an die Leitung 58 angeschlossen ist. Bei dem gezeigten Beispiel sind die Scheinwiderstände 132 und 134 als Kondensatoren 131 bzw. 133 ausgebildet, die mit den Widerständen 133 und 135 in Reihe geschaltet sind, obgleich ein induktiver Scheinwiderstand benutzt werden kann. Die Werte der Scheinwiderstände 132 und 134 sind bestimmend für die Lage der stehenden RF-Wellen, die in den beiden Teilen der Spule, 121–123 und 127–129 auftreten. Die Größe des RF-Stroms, der an den Endpunkten der Spule in Erscheinung tritt, wird oftmals durch geeignetes Einstellen der Arten und Werte der Scheinwiderstände 132 und 134 auf denselben Wert eingestellt.
Aufgrund der Übertragungslinieneigenschaften der parallelen Spulensegmente 110 und 112 treten in diesen Segmente Strom- und Spannungsmaxima und -minima auf. Die Strommaxima sind in den äußeren Spulenteilen 123 und 128 diametral entgegengesetzt zueinander, und zwar annähernd 30 Raumgrad von den Endpunkten der Spulensegmente 110 und 112. Da (1) die Strommaxima in den Spulenteilen ganz nahe an der metallenen Dose 34 auftreten und (2) die Additionswirkungen der magnetischen Flüsse aus den Spulenteilen, die sich aus dem Strom ergeben, der in den Spulenteilen auf einer jeweiligen Seite der Achse 120 in derselben Richtung fließt, und (3) der Wert von R₁ so ist, daß in der Mitte des von der Spule umschriebenen Bereiches ein minimaler magnetischer Fluß herrscht, ist der magnetische Fluß, der mit dem Gas in der Kammer 10 unmittelbar unter dem Fenster gekoppelt ist, in der Mitte der Kammer kleiner als am Umfang der Kammer. Der magnetische Fluß zwischen den mittleren Teilen und Umfangsteilen der Kammer, unmittelbar unter dem Fenster 19, ist relativ gleichförmig. Der Plasmafluß unmittelbar unter dem Fenster 19 neigt dadurch dazu, geringer zu sein als der Plasmafluß in den Umfangsteilen der Kammer, unmittelbar unter dem Fenster. Der Plasmafluß breitet sich in Richtung auf die Mitte der Kammer in Bereiche aus, die vom Fenster 19 entfernt liegen, und ist verhältnismäßig gleichförmig über der freiliegenden bearbeiteten Oberfläche des Substrats 32.
Eine andere parallele Spulenanordnung, die derjenigen von 7 gleich ist, ist in 8 gezeigt und weist drei parallele Spulensegmente 131, 132 und 133 auf, die jedes ein Ende besitzt, das mit einer Endklemme in Verbindung steht, die an die Leitung 56 angeschlossen ist, und ein zweites Ende, das über variable Scheinwiderstände 137 mit der Endklemme 54 über die Leitung 58 verbunden ist. Alle Scheinwiderstände 137 sind ähnlich und so eingestellt, daß sie dieselben Funktionen wie die Scheinwiderstände 132 und 134 von 7 ausüben. Jedes der Spulensegmente 131–133 weist erste, zweite und dritte genauestens fluchtende Tei le auf, von denen jeder eine Bogenlänge von etwas weniger als 120° besitzt, d. h. etwa 117°, sowie gerade, radial gerichtete und sich um den Umfang erstreckende Teile. Die ersten, zweiten und dritten sich genau erstreckenden Teile weisen die Radien R₁, R₂ bzw. R₃ auf. Die Geometrie der Spulensegmente 131–133 ist so gewählt, daß die RF-Ströme durch die aneinander gereihten gekrümmten Teile in derselben Richtung fließen, um dadurch einen additiven magnetischen Flußzusammenhang sowie eine Gleichförmigkeit des Plasmaflusses auf dem behandelten Substrat zu erreichen. Die Strommaxima in den Spulensegmenten 131–133 treten in den Teilen der Spulensegmente auf, die einen Radius R₃ haben und annähernd 30 Raumgrade von den Endpunkten der Spulensegmente entfernt sind. Die magnetischen Flüsse in den Spulensegmenten mit einem Radius R₃ sind somit am größten, um die Neigung der Metalldose 34 zu überwinden, um den magnetischen Fluß, der in der Kammer 10 gekoppelt ist, zu verringern.
Eine bevorzugte parallele Konfiguration, die in 9 dargestellt ist, weist vier Spulensegmente 141–144 auf, von denen jedes eine Verbindung mit einer Anschlußklemme hat, die mit der Leitung 56 verbunden ist, sowie eine Verbindung mit einer Anschlußklemme, die über einen variablen Scheinwiderstand 145 mit der Leitung 58 verbunden ist, wobei jede von ihnen ähnlich ist und so eingestellt ist, daß sie dieselbe Funktion als Scheinwiderstand 132 und 134 ausführt, 7. Jedes Spulensegment 141–144 weist vier Spulenteile auf. Jedes der Spulenteile hat eine gebogene Länge von etwa 90° und einen anderen Radius R₄, R₅, R₆ bzw. R₇ von zunehmend größerem Wert. Die Spulenteile mit den Radien R₄, R₅, R₆ und R₇ sind miteinander durch gerade, im allgemeinen radiale und rund um den Umfang verlaufende Spulenabschnitte verbunden, und zwar so, daß jeweils ein Spulensegment in einem Bogen von 90° von dem anderen versetzt ist. Die Spulensegmente 141–144 sind so gewählt, daß die geraden, radial gerichteten und axial gerichteten Segmente, die die gekrümmt verlaufenden Teile eines jeweiligen Spulensegmentes miteinander verbinden, aneinander gereiht sind, so daß sich ihre Längsachsen parallel zueinander erstrecken.
Die Geometrie der Spulensegmente 141–144 und ihrer Anschlüsse an die Anschlußklemmen, die mit den Leitungen 56 und 58 verbunden sind, ist so gewählt, daß der in jenen Spulensegmenten in demselben Quadrant in Bezug auf die Achse 120 fließende Strom dieselbe Richtung hat. Der Radius R₄ ist so gewählt, daß die magnetischen Flüsse, die sich aus den Strömen ergeben, welche in den bogenförmigen Teilen der Segmente 141–144 fließen, die Neigung haben, sich ge genseitig auszulöschen. Dies bewirkt einen verhältnismäßig geringen magnetischen Fluß, der in die Mitte des von der Spule umschriebenen Bereiches gelangt. Die Werte der Radien R₅, R₆ und R₇ sind jedoch so gewählt, daß die magnetischen Flüsse, die sich aus den Strömen ergeben, welche in benachbarten Teilen desselben Quadranten der Spulensegmente 142–144 fließen, sich addieren, um die Wirkung der Dose 34 auf das magnetische Feld im Umfang der Kammer 10 zu überwinden. Zu diesem Zweck betragen die Werte von R₄, R₅, R₆ und R₇ vorzugsweise 30 cm, 25 cm, 15 cm bzw. 4 cm für ein Substrat mit einem Radius von 20 cm. Die Strommaxima treten in den äußeren, d. h. Umfangsteilen der Spulensegmente 141–144 auf, die Radien R₇ besitzt, und zwar annähernd 30 Raumgrad von dem Ende jedes Spulensegmentes.
Eine Draufsicht einer weiteren Abänderung ist in 10 dargestellt. Sie weist ein äußeres Spulensegment 151 auf, das über eine Endklemme mit der Leitung 56 verbunden ist und elektrisch mit zwei parallelen Spulensegmenten 152 und 153 in Reihe geschaltet ist, die durch variable Scheinwiderstände 154 mit einer geerdeten Anschlußklemme in Verbindung stehen, welche an die Leitung 58 angeschlossen ist. Jeder Scheinwiderstand 154 ist ähnlich aufgebaut und ist so eingestellt, daß er dieselben Funktionen der Scheinwiderstände 132 und 134 erfüllt, die oben in Verbindung mit 7 beschrieben worden sind. Jedes Spulensegment 151–153 hat eine bogenförmige Erstreckung über etwas weniger als 360° und einen anderen Radius R₈, R₉ und R₁₀ mit zunehmend kleineren Werten. Bei einem Beispiel sind R₈, R₉ und R₁₀ etwa 26,7, 25 bzw. 24 cm lang, und zwar bei einem Substrat mit einem Radius von 25 cm. Jeder Punkt 156 des Spulensegments 151, der von der Anschlußklemme 56 entfernt liegt, ist an die zentrale, axiale Anschlußklemme 158 angeschlossen und steht wiederum durch die sich radial erstreckenden Leitungen 159 und 160 mit den Endpunkten 161 und 162 der Spulenteile 152 und 153 in Verbindung. Der magnetische Fluß, der sich aus dem Strom ergibt, der in den Leitungen 157 und 158 fließt, wird gegen das Gas in der Kammer 10 durch eine isolierte Metallscheibe, wie oben in Verbindung mit 7 beschrieben, abgeschirmt.
Die momentanen Ströme in den benachbarten Teilen der Spulensegmente 151–153 fließen in derselben Richtung, wobei magnetische Flüsse entstehen, die sich aus diesen Strömen ergeben, welche additiv sind. Der Strom in dem Spulensegment 151 hat einen Wert gleich dem Doppelten der separaten Ströme, die in jedem Spulenteil 152 und 153 fließen, um dadurch die Überwindung der den Fluß abschwächenden Eigenschaften des Gefäßes 34 zu unterstützen. Der magnetische Fluß, der von der Spule von 10 herrührt, hat einen Minimalwert in der Mitte der Spule. Der Plasmafluß in der Kammer ist relativ konstant, und zwar wegen der kombinierten additiven Wirkungen der magnetischen Flüsse, die sich aus den Strömen ergeben, welche in den Spulensegmenten 151–153 fließen und die erheblich näher an der Dose 34 liegen als an der Leitung 158 in der Mitte der Spule.
Es wird nunmehr auf 11 der Zeichnung Bezug genommen, die eine Draufsicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt, bei der eine planare Spule 24 zwei kreisförmige Segmente 160 und 162 aufweist, die sich etwas weniger als 360° bogenförmig erstrecken und von der gemeinsamen mittleren Achse 164 relativ große Radien R₁₁ und R₁₂ haben, welche durch die Mitte der Kammer 10 und das bearbeite Substrat laufen. Die Spulensegmente 160 und 162 weisen Anschlußklemmen 166 bzw. 168 auf, welche mit den Leitungen 56 und 58 in Verbindung stehen. Die entgegengesetzten Enden der Spulensegmente 160 und 162 sind miteinander durch die gerade, sich radial und um den Umfang erstreckende Leitung 170 verbunden. Die Radien R₁₁ und R₁₂ sind geringfügig größer bzw. geringfügig kleiner als der Radius des bearbeiteten Substrats.
Die Spulensegmente 160 und 162 sind so angeordnet, daß die Ströme, die in benachbarten Sektorteilen dieser beiden Spulensegmente fließen, in derselben Richtung fließen, um dadurch sich addierende magnetische Flüsse zu schaffen, die mit dem Gas in der Kammer 10 reagieren. Die durch die Segmente 160 und 162 gebildete Spule soll eine kreisrunde Spule sein. Der Wert des Radius R₁₂ ist groß genug bemessen, so daß die in entgegengesetzten Richtungen auf gegenüberliegenden Seiten der Achse 164 fließenden Ströme magnetische Flüsse erzeugen, die weit genug auseinander liegen, um wesentliche Löschungswirkungen zu vermeiden und dennoch in der Mitte der Spule als in irgendeinem anderen Teil des von dem äußeren Spulensegment 162 umschriebenen Bereiches einen geringeren magnetischen Fluß zu erhalten. Typischerweise beträgt der Minimalwert von R₁₁ zur Erreichung dieser Ergebnisse 5 cm. Die kombinierten magnetischen Flüsse, die von den Spulensegmenten 160 und 162 erzeugt werden, sind groß genug, um die Neigung der Büchse 34 zu überwinden, um die Umfangsteile des magnetischen Feldes zu dämpfen. Aufgrund des hohlen Aufbaus der Spule, die durch die Segmente 160 und 162 gebildet wird, sind die magnetischen Flüsse, die sich aus dem Strom ergeben, der in ihnen fließt, so geartet, daß der Plasmafluß relativ gleichförmig über dem gesamten Durchmesser des bearbeiteten Substrats ausgebildet ist.
12 ist eine Draufsicht einer weiteren hohlen Spulenausführung, die drei kreisrunde Segmente 171, 172 und 173 benutzt, die durch radiale Abstände R₁₃, R₁₄ bzw. R₁₅ von der Mittelachse 174 beabstandet sind, welche mit der Mitte der Kammer 10 und des bearbeiteten Substrats 32 zusammenfällt. Die Werte von R₁₃, R₁₄ und R₁₅ sind zunehmend kleiner, wobei der kleinste Radius R₁₅ 5 cm beträgt. Typischerweise hat das bearbeitete Substrat 32 einen Radius von annähernd R₁₄ (d. h. zwischen R₁₃ und R₁₅), so daß das Spulensegment 172 im allgemeinen mit dem Umfang des bearbeiteten Substrat fluchtend ausgerichtet ist, während die Spulensegmente 171 und 173 geringfügig außerhalb bzw. geringfügig innerhalb des Umfangs des bearbeiteten Substrats liegen.
Die Spulensegmente 171 und 173 weisen Anschlußklemmen 175 und 176 auf, die mit den Leitungen 56 bzw. 58 verbunden sind. Die Enden der Spulensegmente 171 und 173, die den Anschlußklemmen 175 bzw. 176 gegenüberliegen, sind mit den Enden des Spulensegments 173 durch sich radial und um den Umfang erstreckende gerade Leitungen 177 und 178 verbunden.
Der Strom fließt in benachbarten Sektorteilen der Spulensegmente 171, 172 und 173 in derselben Richtung, so daß die magnetischen Flüsse, die von diesen Spulensegmenten herrühren, sich addieren, um die Wirkungen der Büchse 34 zu überwinden und einen relativ gleichmäßigen Plasmafluß auf dem bearbeiteten Substrat zu erzeugen. Das ergebende magnetische Feld hat auf der Achse 174 und in der Nähe der Achse einen Minimalwert und in der Nähe des Spulensegments 172 einen Spitzenwert. Die magnetische Flußänderung zwischen der Mitte der hohlen Spule und unterhalb des Spulenteils 172, wo der Fluß einen Spitzenwert hat, ist derart, daß der Plasmafluß auf dem bearbeiteten Substrat bis annähernd ±2,5% konstant ist.
Die sich radial und rund um den Umfang erstreckenden Leitungen in den 7–12 verlaufen in diesen beiden Richtungen und nicht nur radial, da eine solche radiale Leitung in den Leitern, die relativ große RF-Ströme (beispielsweise mehrere 10 Amperes) befördern, eine rechtwinklige Biegung erfordern. Rechtwinklige Biegungen in Spulen der 7 bis 12 sind jedoch aufgrund der Natur des RF-Magnetfeldes, das sich aus solch einer Biegung ergibt, nachteilig. Eine rechtwink lige Biegung bewirkt einen äußerst abrupten Wechsel des RF-Stromwegs. Der abrupte Stromwegwechsel neigt dazu, ein großes magnetisches Feld zu erzeugen, das auf die Gleichförmigkeit der magnetischen Felder und des Plasmaflusses in der Kammer 10 eine nachteilige Wirkung haben könnte.
In 13 ist eine Draufsicht einer hohlen Spule 180 gezeigt, die als gleichseitige Spirale mit drei Windungen ausgebildet ist, mit einem minimalen Radius und einer inneren Anschlußklemme 182, die von der Mittelachse 181 erheblich beabstandet ist. Die Achse 181 fällt mit den gemeinsamen Achsen der Kammer 10 und des bearbeiteten Substrats zusammen. Die drei Windungen der Spule 180 haben in Bezug auf die Mittelachse 181 durchschnittliche Radien von R₁₃, R₁₄ und R₁₅, so daß der Radius R₁₄ annähernd gleich dem Radius des Substrats ist und R₁₃ sowie R₁₅ etwas kleiner bzw. etwas größer als R₁₄ sind. Die Anschlußklemmen 182 und 183 der spiralförmigen Spule 180 sind mit den Leitungen 56 bzw. 58 verbunden. Die Anschlußklemme 182 ist von der Mittelachse 181 um einen Betrag radial versetzt, der geringfügig kleiner ist als R₁₃, während die Anschlußklemme 183 von der Achse 181 durch einen Betrag radial versetzt ist, der geringfügig größer ist als R₁₅. Die Anschlußklemmen 182 und 183 liegen auf annähernd derselben radialen Linie, die sich von der Achse 181 aus erstreckt. Die Ströme, die in den Windungen der Spule 180 fließen, erzeugen additive magnetische Flüsse im Plasma in der Kammer 12, so daß der magnetische Fluß im Bereich der Kammer 12 zwischen den Radien R₁₃ und R₁₅ annähernd konstant ist.
Aufgrund der verhältnismäßig großen Trennung zwischen der Anschlußklemme 182 und der Achse 181 und der Abhängigkeit der Ströme in den Windungen 171–173 ist in der Mitte der Spule von 13 ein minimaler magnetischer Fluß vorhanden, und der magnetische Fluß steigt in einem Bereich außerhalb der Kammer 12, der neben der äußeren Windung 171 liegt, bis zu einem Maximum an. Aufgrund der den magnetischen Fluß abschirmenden Eigenschaften des Gefäßes 34 ist ein erheblicher Teil des magnetischen Flusses außerhalb der Kammer 12 und neben der Windung 171 nicht mit dem Plasma in der Kammer gekoppelt. Dadurch wird die Kopplung eines gleichförmigen magnetischen Feldes mit den äußeren Teilen des Plasmas und eines schwach magnetischen Feldes mit den Mittelteilen des Plasmas bewirkt. Der Plasmafluß, der auf die bearbeitete Werkstückoberfläche auftrifft, ist im wesentlichen gleichförmig, da der höhere Plasmafluß in der Kammer 12, der gegen das Fenster 18 stößt und etwas nahe an der Kammerwandung anzutreffen ist, sich zur Mitte der Kammer hin ausbreitet. Die Ausbreitung erfolgt aufgrund der Unterschiede im Plasmafluß (Plasmadichte multipliziert mit der Plasmateilchengeschwindigkeit) in den beiden Bereichen und aufgrund der Relativwerte (1) des Abstands zwischen der behandelten Werkstückoberfläche und der Bodenfläche des Fensters 19 und (2) des Durchmessers der Innenwand der Kammer 10.
Die Spiralspulenanordnung von 13 und die kreisrunden Spulenanordnungen der 11 und 12 lassen sich abändern, um jede beliebige gewünschte Anzahl Windungen zu verwirklichen. Dazu kommt, daß die Größe und der offene Bereich in der Mitte der Spule in geeigneter Weise eingestellt werden können, um die erforderliche Gleichförmigkeit des Plasmaflusses, der auf das Substrat auftrifft, zu erreichen.
Der Wirkungsgrad, mit dem Plasma in der Kammer 10 in Abhängigkeit von der induktiven Kopplung von den planaren Quellen der 7–13 erzeugt wird, hängt von der Größe der elektromagnetischen Kopplung zwischen dem Plasma-RF-Strom, der in der Spule fließt, und den Amplituden des RF-magnetischen Flusses ab, der mit dem Plasma gekoppelt ist. Die Kopplung hängt hauptsächlich von zwei Faktoren ab: (1) der Dielektrizitätskonstanten der Materialien, die die Spule von dem Plasma trennen, und (2) dem Trennungsabstand zwischen der Spule und dem Plasma.
Aufgrund der Übertragungsleitungseffekte jeder der Spulen in den 7 bis 13 schwanken die Höhen der RF-Spitze-zu-Spitze-Ströme in unterschiedlichen Teilen der Spulen. In der Kammer 10 entsteht ein räumlich gleichförmiger Plasmafluß trotz der Schwankungen der RF-Ströme in den planaren Spulen der 7 bis 13. Der gleichförmige Plasmafluß wird durch Verringern der elektromagnetischen Kopplung zwischen den Teilen der Spulen erreicht, die maximale RF-Spitze-zu-Spitze-Ströme aufweisen. Die veränderliche elektromagnetische Kupplung der Spulenteile, die maximale und minimale Strompegel aufweisen, wird gemäß einem Merkmal der Erfindung durch Neigen der planaren Spulen in Bezug auf das dielektrische Fenster 19 erreicht.
Eine planare Spule der in jeder der 7–13 gezeigten Art, die parallel zu dem dielektrischen Fenster 19 ausgerichtet ist, bewirkt, daß das Plasma in der Kammer 10 zwei ungleichförmige Komponenten aufweist, nämlich: (1) eine Radialkomponente f(R), wobei R der radiale Abstand von der gemeinsamen Mitte der Spule, dem dielektrischen Fenster, der Vakuumkammer und dem Substrat ist, und (2) eine Winkelkomponente f(θ), wobei θ ein Winkel ist, der in Bezug auf eine spezielle radiale Ausrichtung gemessen wird. In den meisten Fällen kann ein Paar wechselweise orthogonaler Achsen A und B gewählt werden, so daß die winkelabhängige Plasmaungleichförmigkeit f(θ) auf der Achse A pseudo-linear abhängig ist und von der Achse B annähernd unabhängig ist. Um die winkelabhängige Plasmaungleichförmigkeit auf ein Mindestmaß zu beschränken, ist die Spule längs der Achse B so angeordnet, daß der Abstand zwischen der Ebene der Spule und dem dielektrischen Fenster 19 für den Bereich am größten ist, der dem maximalen Plasmafluß entspricht. Ein Neigungswinkel von annähernd 9–18° zwischen den Ebenen der Spule und dem Fenster 19 erzeugt angenommenermaßen den gleichförmigsten Plasmafluß.
Wenn die planaren Spulen der 7–13 so angeordnet werden, daß die Ebene der Spule parallel zur Ebene des Fensters 19 liegt, so ergibt sich für den Plasmafluß in der Kammer 10 eine Tendenz, in dem sichelförmigen Bereich 188 von 14 ein Maximum zu bilden. Der Bereich 188 weist einen gekrümmten Rand 189 auf, der bezüglich der Krümmung ähnlich einem Umfangssektor eines Kreises ist, sowie einen gekrümmten Rand 187, dessen Krümmung geringer ist als diejenige der Seite 189. Beide Ränder 187 und 189 werden durch die Achse A annähernd halbiert, so daß der Bereich 188 längs der Achse A seine größte Breite hat, wobei die Achse A die Achse B annähernd entlang der Kammerachse 190 schneidet.
Um diese Neigung zu überwinden, kann die planare Spule jeder der 7 bis 13 in Bezug auf das Fenster 19 nach oben geneigt werden, so daß ein Umfangsrand der Spule das Fenster am Schnittpunkt der Achse A berührt und der Umfang des Kreises 191 einen Mittelpunkt auf der Achse 190 hat sowie einen Radius, der so geartet ist, daß der Umfang des Kreises eine Krümmung aufweist, die erheblich größer ist als die des Randes 189. Der diametral entgegengesetzte Rand der planaren Spule ist annähernd mit der Schnittstelle der Achse A ausgerichtet und befindet sich über dieser und dem Umfang des Kreises 191 gegenüber dem Punkt auf dem Kreis, der die Spule berührt. Da die Achse A und die planare Spule auf der Seite der Achse B, die dem Bereich 188 gegenüberliegen, von dem sichelförmigen Bereich 188 entfernt sind, wird die Neigung des Bereiches 188 sich zu bilden, im allgemeinen überwunden, und es ergibt sich ein annähernd gleichförmiger Plasmafluß auf der bearbeiteten Werkstückoberfläche.
Eine Konstruktion zum Erreichen dieses Ergebnisses ist schematisch als Perspektive in 15 dargestellt, wobei die Ebene der planaren Spule 190, die jedwede Konfiguration aufweisen kann, welche in den 7–13 dargestellt ist, über dem Fenster 19 um 9° bis 18° geneigt ist. Die Spule 190 ist so angeordnet, daß sie dort, wo der Strom in ihr maximale Spitzen-zu-Spitzen-Werte hat, direkt über dem Bereich 188 liegt, um dadurch die Wirkungen der maximalen Ströme zu verringern und zu erreichen, daß der Plasmafluß auf dem behandelten Substrat gleichförmig ist.
Eine andere Art und Weise, ein magnetisches Feld zu schaffen, das ein Plasma erzeugt, bis es eine relativ gleichförmige Dichte hat, während es die Wirkungen des Gefäßes 34 überwindet sowie die Schwankungen des magnetischen Feldes, die sich aus den Spitzen-zu-Spitzen-Stromschwankungen ergeben, besteht darin, die Selbstinduktion der Spulen der 7–13 als Funktion der Lage entlang der Länge der Spule zu verändern. Bekanntlich ist die Selbstinduktion eines Drahtes umgekehrt proportional der Querschnittsfläche des Drahtes. Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung beruht auf diesem Prinzip, um das magnetische Feld am Umfang der Kammer 10 zu maximieren, das magnetische Feld in der Mitte der Kammer zu minimieren und das magnetische Feld im Bereich 188 zu verkleinern.
Bei der in 16 gezeigten Ausführungsform wird dieses Ergebnis durch Verwendung der Spiralspule 192 erreicht, die dieselbe allgemeine Konfiguration hat wie die Spule von 12, so daß die Spule 192 (1) eine minimale Querschnittsfläche an und in der Nähe der inneren Anschlußklemme 194, nahe an der Mittelachse 192 aufweist, (2) eine maximale Querschnittsfläche im Umfangsteil 198 besitzt, (3) eine Durchschnittsquerschnittsfläche im mittleren Teil 200, der von dem Spulenteil 202 entfernt liegt und senkrecht zum Bereich 188 ausgerichtet ist, hat, und (4) eine geringere als durchschnittliche Querschnittsfläche (größer als die minimale Querschnittsfläche) im Spulenteil 202 über dem Bereich 188 aufweist. Dieses Konstruktionsprinzip kann bei jeder beliebigen Spule der 2–13 als geeignet Verwendung finden. Vorzugsweise werden die Veränderungen der Querschnittsfläche durch Vergrößern und Verkleinern der Dicke eines Drahtladers erreicht, der die Spule bildet und einen richtigen Querschnitt bei konstanter Breite aufweist. Auch andere äquivalente alternative Anordnungen können eingesetzt werden, beispielsweise Veränderung der Breite einer Leitung mit konstanter Dicke und rechteckigem Querschnitt, Veränderung der Dicke und Breite einer Leitung mit recht eckigem Querschnitt oder Leitung mit einem quadratischem Querschnitt oder Veränderung des Durchmessers einer Leitung mit kreisrundem Querschnitt.
Eine ähnliche Wirkung läßt sich durch die Anordnung der Spulen der 2–13 in vielen unterschiedlichen Ebenen über dem Fenster 19 erreichen, wobei (1) der Spulenumfangsteil der Ebene des Fensters am nächsten liegt, (2) die innere Anschlußklemme der Spule und der Spulenteil, der ihr am nächsten liegt, weiter von der Ebene des Fensters entfernt sind als andere Spulenteile, (3) der mittlere Spulenteil, der nicht senkrecht mit dem Bereich 188 ausgerichtet ist, einen Durchschnittsabstand von der Ebene des Fensters aufweist, und (4) der Spulenteil, der senkrecht zu dem Bereich 188 ausgerichtet ist, einen Abstand von der Ebene des Fensters aufweist, der zwischen dem Spulenteil liegt, der am weitesten von der Ebene des Fensters entfernt ist und dem Durchschnittsabstand zwischen der Spule und dem Fenster. Ein offensichtlicher Nachteil dieser Möglichkeiten betrifft jedoch die Schwierigkeiten, die mit der Herstellung und Wartung einer solchen Spule verbunden sind.
Obgleich im obigen spezielle Ausführungsformen der Erfindung beschrieben und dargestellt worden sind, versteht es sich, daß Änderungen in Details der speziell dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, der durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.

Claims

Vakuumplasmabearbeitungsvorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks (32) in einer Vakuumkammer (10) mit einer Spule zur Erregung von Gas in der Bearbeitungsvorrichtung in einem Plasmazustand in Abhängigkeit von der RF-Erregung (26, 28) der Spule, wobei die Spule mehrere im wesentlichen koaxiale Wicklungen hat, die durch verschiedene Radien von einem gemeinsamen Mittelpunkt der Spule (44, 46, 48; 162, 160; 171, 172, 173) getrennt sind und reaktionsmäßig mit dem Gas zur Erregung des Gases in der Bearbeitungsvorrichtung koppelbar sind, und zwar zur Erreichung eines Plasmazustandes in Abhängigkeit von der RF-Erregung (26, 28) der Spule, wobei ferner die Wicklungen der Spule so angeordnet sind, daß sich die Spule radial von einer inneren Wicklung (173) zu einer äußeren Wicklung (171) erstreckt, und wobei die vielen Wicklungen benachbarte Enden aufweisen, die längs verschiedener Radien von dem gemeinsamen Mittelpunkt aus liegen und wobei benachbarte Enden der radial nebeneinander liegenden unterschiedlichen Wicklungen miteinander durch eine im wesentlichen gerade Leitung (82, 78, 72; 170; 177, 178) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Leitung längs einer Richtung erstreckt, die nicht nur in Bezug auf den gemeinsamen Mittelpunkt radial ist, sondern auch in Bezug auf die im wesentlichen koaxialen Wicklungen umfänglich.
Vakuumplasmabearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Quelle der RF-Erregung (26, 28) mit den ersten und zweiten Endklemmen der Spule so verbunden ist, daß die Höhe der RF-Spannung von Peak-zu-Peak einen Maximalwert aufweist, mit einer ersten Polarität an der ersten Endklemme der Spule und einem Maximalwert mit einer zweiten Polarität an der zweiten Endklemme der Spule.
Vakuumplasmabearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule mehrere bogenförmige Segmente aufweist, die eine Bogenlänge von etwa einer Wicklung haben, einschließlich eines äußersten Bogensegments (48), das eine Bogenlänge von etwa einer Wicklung hat sowie eines folgenden äußeren Bogensegments (46), das eine Bo genlänge von etwa einer Wicklung hat, wobei die RF-Erregung mit der Spule verbunden ist und die Spule so ausgebildet ist, daß der RF-Strom in dem äußersten Bogensegment und dem nächstäußersten Bogensegment erheblich größer ist als der Strom in einem inneren Segment der Spule.
Vakuumplasmabearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Quelle der RF-Erregung mit einer ersten und einer zweiten Endklemme (52, 54) der Spule verbunden ist, und daß die Spule so geartet ist, daß die Höhe des Peak-zu-Peak-RF-Stroms an der ersten Endklemme nahezu gleich dem Peak-zu-Peak-RF-Strom an der zweiten Endklemme ist.
Vakuumplasmabearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichen Ströme an den ersten und zweiten Endklemmen Amplituden aufweisen, die niedriger sind als irgendwelche anderen Ströme in der Spule.
Vakuumplasmabearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Erregerendklemmen der Spule (52, 54) in einem Mittelbereich der Spule angeordnet sind.
Vakuumplasmabearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Erregerendklemmen getrennt mit den ersten bzw. zweiten Bogensegmenten (40, 42) verbunden sind, welche eine Bogenlänge von etwa einer halben Wicklung aufweisen, und daß die Bogensegmente etwa dieselben Abmessungen besitzen und im wesentlichen konzentrisch angeordnet sind, so daß die ersten und zweiten Endklemmen einander am nächsten liegen.
Vakuumplasmabearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die innersten bogenförmigen Segmente (40, 42) auf diametral gegenüberliegenden Seiten einer Mittellinie angeordnet sind, die die Spule halbiert, wobei die Spule so angeordnet und an die RF-Erregungsquelle angeschlossen ist, daß momentane RF-Spannungen an den ersten und zweiten Erregerendklemmen (52, 54) im wesentlichen die gleiche Höhe, jedoch entgegengesetzte Polarität haben.
Vakuumplasmabearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die äußerste gebogene Wicklung (48) der Spule mit einem inneren Segment durch eine gerade Länge des Leiterstreifens (64) verbunden ist, der elektrisch von der Spule, ausgenommen an seinen Enden, isoliert ist.