DE69811497T2

DE69811497T2 - Torusförmige reaktivgasquelle mit niedriger feldstärke

Info

Publication number: DE69811497T2
Application number: DE69811497T
Authority: DE
Inventors: Xing Chen; Eric Georgeus; M. Holber; K. Smith
Original assignee: Applied Science and Technology Inc
Current assignee: MKS Instruments Inc
Priority date: 1997-06-26
Filing date: 1998-06-23
Publication date: 2003-12-18
Anticipated expiration: 2018-06-24
Also published as: US20020125226A1; US6150628A; JP4070152B2; EP1310980A1; EP2256781A1; JP2007165304A; DE69841962D1; EP0992059A1; JP4431183B2; US6664497B2; EP2256781B1; US6486431B1; DE69842259D1; DE69841965D1; EP1313128B1; JP2009176750A; DE69842098D1; US20020125225A1; EP1313130A1; EP1313128A1

Description

Diese Erfindung betrifft allgemein das Gebiet des Erzeugens eines Ionen, freie Radikale, Atome und Moleküle enthaltenden aktivierten Gases und eine Vorrichtung und Verfahren zum Verarbeiten von Materialien mit aktiviertem Gas.
Plasmaentladungen können zum Anregen von Gasen verwendet werden, um aktivierte Gase zu erzeugen, die Ionen, freie Radikale, Atome und Moleküle enthalten. Aktivierte Gase werden für zahlreiche industrielle und wissenschaftliche Anwendungen unter Einschluß der Verarbeitung fester Materialien, wie Halbleiterwafer, Pulver und anderer Gase, verwendet. Die Parameter des Plasmas und die Bedingungen, unter denen das verarbeitete Material dem Plasma ausgesetzt wird, ändern sich stark in Abhängigkeit der Anwendung.
Beispielsweise ist bei manchen Anwendungen die Verwendung von Ionen mit einer niedrigen kinetischen Energie (also einigen Elektronenvolt) erforderlich, weil das verarbeitete Material für eine Beschädigung empfindlich ist. Andere Anwendungen, wie das anisotrope Ätzen oder eine planarisierte dielektrische Abscheidung, erfordern die Verwendung von Ionen mit einer hohen kinetischen Energie. Wieder andere Anwendungen, wie das reaktive Ionenstrahlätzen, erfordern eine genaue Steuerung der Ionenenergie.
Es ist bei manchen Anwendungen erforderlich, daß das verarbeitete Material direkt einem hochdichten Plasma ausgesetzt wird. Eine solche Anwendung besteht im Erzeugen ionenaktivierter chemischer Reaktionen. Andere solche Anwendungen umfassen das Ätzen von Strukturen mit einem hohen Seitenverhältnis und das Aufbringen von Material auf diese. Andere Anwendungen erfordern das Abschirmen des verarbeiteten Materials von dem Plasma, weil das Material für eine Beschädigung empfindlich ist, die durch Ionen hervorgerufen wird, oder weil der Prozeß hohe Selektivitätsanforderungen aufweist.
Plasmen können auf verschiedene Arten, einschließlich einer Gleichstromentladung, einer Hochfrequenzentladung (HF-Entladung) und einer Mikrowellenentladung, erzeugt werden. Gleichstromentladungen werden durch Anlegen eines Potentials zwischen zwei Elektroden in einem Gas erreicht.
HF-Entladungen werden entweder durch elektrostatisches oder induktives Koppeln von Energie von einer Leistungsversorgung in ein Plasma erreicht. Parallele Platten werden typischerweise zum elektrostatischen Koppeln von Energie in ein Plasma verwendet. Induktionsspulen werden typischerweise zum Induzieren von Strom in das Plasma verwendet. Beispielsweise ist im Reinberg u. a. erteilten US-Patent US-A-4 431 898 ein induktiv gekoppelter HF- Plasmagenerator beschrieben, bei dem ein Transformatorkern Wechselspannungsleistung von einer Wechselspannungsquelle in eine aus einem nichtleitenden Material gebildete Plasmakammer einkoppelt. In ähnlicher Weise ist in "Characterization of Plasma in an Inductively Coupled High-Dense Plasma Source" von Kaendler u. a., Fourth International Conference on Plasma Surface Engineering, Garmisch-Partenkirchen, Deutschland, September 1994, Band 74-75, Nr. 1-3, S. 539-545 ein Plasmagenerator beschrieben, wobei Leistung von dem HF-Generator induktiv in die Primärwicklung eines Ferritkerntransformators gekoppelt wird.
Mikrowellenentladungen werden durch direktes Koppeln von Mikrowellenenergie durch ein Mikrowellen-Durchlaßfenster in eine ein Gas enthaltende Entladungskammer erreicht. Mikrowellenentladungen sind vorteilhaft, weil sie zum Unterstützen eines breiten Bereichs von Entladungsbedingungen, einschließlich hochionisierter Elektronenzyklotronresonanzplasmen (ECR-Plasmen), verwendet werden können.
HF-Entladungen und Gleichstromentladungen erzeugen schon an sich hochenergetische Ionen, und sie werden daher häufig zum Erzeugen von Plasmen für Anwendungen verwendet, bei denen das verarbeitete Material in direktem Kontakt mit dem Plasma steht. Mikrowellenentladungen erzeugen dichte Plasmen mit niedriger Ionenenergie und werden daher häufig zum Erzeugen von Strömen aktivierten Gases für eine "Stromabwärtsverarbeitung" verwendet. Mikrowellenentladungen sind häufig für Anwendungen nützlich, bei denen es erwünscht ist, Ionen mit einer niedrigen Energie zu erzeugen und die Ionen dann mit einem angelegten Potential zur Prozeßoberfläche zu beschleunigen.
Mikrowellen-Plasmaquellen und induktiv gekoppelte Plasmaquellen erfordern jedoch kostspielige und komplexe Leistungsübertragungssysteme. Diese Plasmaquellen erfordern Präzisions-HF- oder Mikrowellen- Leistungsgeneratoren und komplexe Anpassungsnetzwerke zum Anpassen der Impedanz des Generators an die Plasmaquelle. Zusätzlich sind gewöhnlich Präzisionsinstrumente erforderlich, um die tatsächliche Leistung, die das Plasma erreicht, zu bestimmen und zu steuern.
Induktiv gekoppelte HF-Plasmen sind besonders nützlich zum Erzeugen großflächiger Plasmen für solche Anwendungen, wie die Halbleiterwaferverarbeitung. Induktiv gekoppelte HF- Plasmen aus dem Stand der Technik sind jedoch nicht rein induktiv, weil die Ansteuerströme nur schwach mit dem Plasma gekoppelt sind. Folglich sind induktiv gekoppelte HF-Plasmen unwirksam und erfordern die Verwendung hoher Spannungen an den Ansteuerspulen. Die Hochspannungen erzeugen hohe elektrostatische Felder, die einen Beschuß der Reaktoroberflächen mit hochenergetischen Ionen bewirken. Der Ionenbeschuß beeinträchtigt den Reaktor und kann die Prozeßkammer und das verarbeitete Material kontaminieren. Der Ionenbeschuß kann auch eine Beschädigung des verarbeiteten Materials hervorrufen.
Faraday-Abschirmungen wurden bei induktiv gekoppelten Plasmaquellen verwendet, um die hohen elektrostatischen Felder einzuschließen. Wegen der verhältnismäßig schwachen Kopplung der Ansteuerspulenströme an das Plasma bilden sich in den Abschirmungen jedoch starke Wirbelströme, die zu einer erheblichen Verlustleistung führen. Die Kosten, die Komplexität und die verringerte Leistungswirksamkeit machen die Verwendung von Faraday-Abschirmungen unattraktiv.
Eine Hauptaufgabe dieser Erfindung besteht daher zumindest gemäß ihren bevorzugten Ausführungsformen darin, eine Quelle aktivierten Gases bereitzustellen, bei der eine hochwirksame HF-Leistungs-Kopplungsvorrichtung verwendet wird, die ohne Verwendung herkömmlicher HF- oder Mikrowellengeneratoren und Impedanzanpassungssysteme Leistung in ein Plasma koppelt.
Eine weitere Hauptaufgabe dieser Erfindung besteht zumindest gemäß ihren bevorzugten Ausführungsformen darin, eine Quelle aktivierten Gases für eine Materialverarbeitung bereitzustellen, wobei innerhalb des Prozeßreaktors kein erheblicher Beschuß mit energetischen Ionen auftritt und wobei ein Langzeitbetrieb unter Verwendung chemisch reaktiver Gase aufrechterhalten werden kann, ohne daß die Quelle beschädigt wird und ohne daß kontaminierende Materialien erzeugt werden.
Eine weitere Hauptaufgabe dieser Erfindung besteht zumindest gemäß ihren bevorzugten Ausführungsformen darin, eine Quelle aktivierten Gases bereitzustellen, bei der entweder ein Metall, ein Dielektrikum oder ein beschichtetes Metall (beispielsweise eloxiert) zur Bildung der Quellenkammer verwendet werden kann.
Eine Hauptentdeckung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß schaltende Halbleitervorrichtungen verwendet werden können, um die Primärwicklung eines Leistungstransformators effizient anzusteuern, wodurch elektromagnetische Energie in ein Plasma gekoppelt wird, um einen Sekundärkreis des Transformators zu bilden.
Dementsprechend sieht die vorliegende Erfindung gemäß einem ersten Aspekt eine Vorrichtung zum Trennen von Gasen auf, welche aufweist:
(a) eine Plasmakammer,
(b) einen Transformator mit einem magnetischen Kern, der einen Abschnitt der Plasmakammer umgibt, und einer Primärwicklung,
dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung weiterhin eine oder mehrere schaltende Halbleitervorrichtungen aufweist, die direkt mit einer Spannungsversorgung gekoppelt sind und eine Ausgabe haben, die mit der Primärwicklung gekoppelt ist,
wobei die eine oder mehreren schaltenden Halbleitervorrichtungen einen Strom in der Primärwicklung steuern und der Strom ein Potential innerhalb der Kammer induziert, das ein ringförmiges bzw. torisches Plasma bildet, das einen Sekundärschaltkreis des Transformators vervollständigt.
Die Plasmakammer kann aus einem metallischen Material, wie Aluminium, bestehen, oder sie kann aus einem dielektrischen Material, wie Quarz, bestehen. Das metallische Material kann ein feuerfestes Metall sein. Die Vorrichtung kann eine Prozeßkammer aufweisen, die mit der Plasmakammer gekoppelt ist und so angeordnet ist, daß sie ein durch ein Plasma in der Plasmakammer erzeugtes reaktives Gas empfängt.
Die Ausgabe von einer oder mehreren schaltenden Halbleitervorrichtungen kann direkt mit der Primärwicklung des Transformators gekoppelt sein. Die eine oder die mehreren schaltenden Halbleitervorrichtungen können Schalttransistoren sein. Die Spannungsversorgung kann eine Leitungsspannungsversorgung oder eine Busspannungsversorgung sein.
Die Vorrichtung kann einen Generator freier Ladungen aufweisen, wodurch das Zünden eines Plasmas in der Kammer unterstützt wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Elektrode in der Kammer angeordnet, um die freien Ladungen zu erzeugen. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine Elektrode kapazitiv mit der Kammer gekoppelt, um die freien Ladungen zu erzeugen. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine Ultraviolettlichtquelle optisch mit der Kammer gekoppelt, um die freien Ladungen zu erzeugen.
Die Vorrichtung kann eine Schaltung zum Messen elektrischer Parameter der Primärwicklung und des Plasmas aufweisen. Die Schaltung mißt Parameter, wie den die Primärwicklung ansteuernden Strom, die Spannung an der Primärwicklung, die Busversorgungsspannung, die durchschnittliche Leistung in der Primärwicklung und die Spitzenleistung in der Primärwicklung. Ein Leistungssteuerschaltkreis kann mit der Schaltung gekoppelt sein, um elektrische Parameter der Primärwicklung und des Plasmas zu messen. Der Leistungssteuerschaltkreis regelt den durch die Primärwicklungen fließenden Strom auf der Grundlage einer Messung der elektrischen Eigenschaften bzw. Größen der Primärwicklung und des Plasmas und anhand eines vorbestimmten Einstellpunkts, der eine gewünschte Betriebsbedingung darstellt.
Gemäß einem zweiten Aspekt sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Trennen von Gasen vor. Das Verfahren umfaßt das Bereitstellen einer Kammer zum Aufnehmen eines Gases bei einem Druck. Der Druck kann im wesentlichen zwischen 1 mTorr und 100 Torr liegen (zwischen den genäherten äquivalenten SI-Werten von 0,133 Pa und 13,3 kPa). Das Gas kann ein Edelgas, ein reaktives Gas oder eine Mischung wenigstens eines Edelgases und wenigstens eines reaktiven Gases umfassen. Das Verfahren umfaßt auch das Bereitstellen eines Transformators mit einem magnetischen Kern, der einen Abschnitt der Kammer umgibt, und einer Primärwicklung.
Zusätzlich umfaßt das Verfahren das direkte Koppeln von einer oder mehreren schaltenden Halbleitervorrichtungen mit einer Spannungsversorgung, die eine Leitungsspannungsversorgung oder eine Busspannungsversorgung sein kann. Die eine oder die mehreren schaltenden Halbleitervorrichtungen werden auch mit der Primärwicklung des Transformators gekoppelt, so daß sie einen Strom erzeugen, der die Primärwicklung ansteuert. Die eine oder die mehreren schaltenden Halbleitervorrichtungen können direkt mit der Primärwicklung des Transformators gekoppelt sein.
Das Verfahren umfaßt auch das Induzieren eines Potentials innerhalb der Plasmakammer mit dem Strom in der Primärwicklung des Transformators. Der Betrag des induzierten Potentials hängt nach dem Faradayschen Induktionsgesetz von dem durch den Kern erzeugten Magnetfeld und der Frequenz, bei der die schaltenden Halbleitervorrichtungen arbeiten, ab. Das Potential bildet ein torisches Plasma, das einen Sekundärkreis des Transformators vervollständigt. Das elektrische Feld des Plasmas kann im wesentlichen zwischen 1-100 V/cm liegen. Das Verfahren kann das Bereitstellen eines anfänglichen Ionisationsereignisses in der Kammer aufweisen. Das anfängliche Ionisationsereignis kann das Anwenden eines Spannungsimpulses auf die Primärwicklung oder auf eine in der Plasmakammer angeordnete Elektrode sein. Das anfängliche Ionisationsereignis kann auch darin bestehen, daß die Kammer Ultraviolettstrahlung ausgesetzt wird.
Das Verfahren kann den Schritt des Messens von elektrischen Parametern der Primärwicklung und des Plasmas einschließlich von einer oder mehreren der Gegebenheiten des die Primärwicklung ansteuernden Stroms, der Spannung an der Primärwicklung, der Busspannung, der durchschnittlichen Leistung in der Primärwicklung und der Spitzenleistung in der Primärwicklung aufweisen. Zusätzlich kann das Verfahren den Schritt des Bestimmens einer Ausgabe von der einen oder den mehreren schaltenden Halbleitervorrichtungen anhand der Messung der elektrischen Parameter der Primärwicklung, des Plasmas und anhand eines vorbestimmten Einstellpunkts, der eine gewünschte Betriebsbedingung repräsentiert, aufweisen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann ein Verfahren zum Reinigen einer Prozeßkammer sein. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform ist die Kammer beim Schritt des Bereitstellens der Kammer eine Plasmakammer zum Aufnehmen eines reaktiven Gases bei einem Druck, wobei die Plasmakammer mit einer Prozeßkammer gekoppelt ist. Das Verfahren umfaßt vorzugsweise auch das Richten chemisch aktiver Spezies, wie Atome, Moleküle und Radikale, die in dem Plasma von der Plasmakammer erzeugt werden, in die Prozeßkammer, um die Prozeßkammer dadurch zu reinigen.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun lediglich beispielhaft mit Bezug auf die anliegende Zeichnung beschrieben, wobei:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer torischen Schwachfeld-Plasmaquelle zum Erzeugen aktivierter Gase gemäß der Erfindung zeigt,
Fig. 2 eine Auftragung der Ätzrate von thermischem Siliciumdioxid als eine Funktion der NF&sub3;-Zufuhrgas- Strömungsrate bei Verwendung der torischen Schwachfeld- Plasmaquelle gemäß der Erfindung zeigt,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer metallischen Plasmakammer zeigt, die zusammen mit der in Verbindung mit Fig. 1 beschriebenen torischen Schwachfeld-Plasmaquelle verwendet werden kann,
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines dielektrischen Abstandselements zeigt, das für die in Fig. 3 dargestellten dielektrischen Bereiche geeignet ist, welche verhindern, daß sich in der Plasmakammer ein induzierter Stromfluß bildet,
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer torischen Schwachfeld-Ionenstrahlquelle gemäß der Erfindung zeigt, die für eine Verarbeitung mit einem Ionenstrahl hoher Intensität konfiguriert ist, und
Fig. 6 ein schematisches Blockdiagramm einer schaltenden Festkörper-Leistungsversorgung zeigt, die eine oder mehrere der schaltenden Halbleitervorrichtungen aus Fig. 1 aufweist.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer torischen Schwachfeld-Plasmaquelle 10 zum Erzeugen aktivierter Gase gemäß der Erfindung. Die Quelle 10 weist einen Leistungstransformator 12 auf, der elektromagnetische Energie in ein Plasma 14 koppelt. Der Leistungstransformator 12 weist einen magnetischen Kern 16 hoher Permeabilität, eine Primärspule 18 und eine Plasmakammer 20 auf, die es ermöglicht, daß das Plasma 14 einen Sekundärkreis des Transformators 12 bildet. Der Leistungstransformator 12 kann zusätzliche magnetische Kerne und Leiter-Primärspulen (nicht dargestellt) aufweisen, welche zusätzliche Sekundärkreise bilden.
Die Plasmakammer 20 kann aus einem metallischen Material, wie Aluminium, oder einem feuerfesten Metall bestehen, oder sie kann aus einem dielektrischen Material, wie Quarz, bestehen. Eine oder mehrere Seiten der Plasmakammer 20 können zu einer Prozeßkammer 22 geöffnet sein, um zu ermöglichen, daß durch das Plasma 14 erzeugte geladene Teilchen in direktem Kontakt mit einem zu verarbeitenden Material (nicht dargestellt) stehen. Ein Probenhalter 23 kann in der Prozeßkammer 22 angeordnet werden, um das zu verarbeitende Material zu halten. Das zu verarbeitende Material kann in bezug auf das Potential des Plasmas vorgespannt werden.
Eine Spannungsversorgung 24, die eine Leitungsspannungsversorgung oder eine Busspannungsversorgung sein kann, ist direkt mit einer Schaltung 26 gekoppelt, die eine oder mehrere schaltende Halbleitervorrichtungen enthält. Die eine oder die mehreren schaltenden Halbleitervorrichtungen können Schalttransistoren sein. Die Schaltung kann eine schaltende Festkörper-Leistungsversorgung sein. Ein Ausgang 28 der Schaltung 26 kann direkt mit einer Primärwicklung 18 des Transformators 12 gekoppelt sein.
Die torische Schwachfeld-Plasmaquelle 10 kann eine Einrichtung zum Erzeugen freier Ladungen aufweisen, wodurch ein anfängliches Ionisationsereignis bereitgestellt wird, das ein Plasma in der Plasmakammer 20 zündet. Das anfängliche Ionisationsereignis kann ein kurzer Hochspannungsimpuls sein, der auf die Plasmakammer angewendet wird. Der Impuls kann eine Spannung von etwa 500-10.000 Volt aufweisen und etwa 0,1 bis 10 Mikrosekunden lang sein. Ein Edelgas, wie Argon, kann in die Plasmakammer 20 eingebracht werden, um die zum Zünden eines Plasmas erforderliche Spannung zu verringern. Es kann auch Ultraviolettstrahlung verwendet werden, um die freien Ladungen in der Plasmakammer 20 zu erzeugen, welche das anfängliche Ionisationsereignis bilden, welches das Plasma in der Plasmakammer 20 zündet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der kurze elektrische Hochspannungsimpuls direkt an die Primärspule 18 angelegt, um das anfängliche Ionisationsereignis bereitzustellen. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der kurze elektrische Hochspannungsimpuls an eine Elektrode 30 angelegt, die in der Plasmakammer 20 angeordnet ist. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der kurze elektrische Hochspannungsimpuls an eine Elektrode 32 angelegt, die durch ein Dielektrikum kapazitiv mit der Plasmakammer 20 gekoppelt ist. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Plasmakammer 20 Ultraviolettstrahlung ausgesetzt, die von einer Ultraviolettlichtquelle 34 ausgesendet wird, die optisch mit der Plasmakammer 20 gekoppelt ist. Die Ultraviolettstrahlung ruft das anfängliche Ionisationsereignis hervor, welches das Plasma zündet.
Die torische Schwachfeld-Plasmaquelle 10 kann auch eine Schaltung 36 zum Messen elektrischer Parameter der Primärwicklung 18 aufweisen. Elektrische Parameter der Primärwicklung 18 umfassen den die Primärwicklung 18 ansteuernden Strom, die Spannung an der Primärwicklung 18, die von der Spannungsversorgung 24 erzeugte Bus- oder Leitungsspannungsversorgung, die durchschnittliche Leistung in der Primärwicklung 18 und die Spitzenleistung in der Primärwicklung 18.
Zusätzlich kann die Plasmaquelle 10 eine Einrichtung zum Messen relevanter elektrischer Parameter des Plasmas 14 aufweisen. Relevante elektrische Parameter des Plasmas 14 umfassen den Plasmastrom und die Plasmaleistung.
Beispielsweise kann die Quelle 10 eine um die Plasmakammer 20 herum angeordnete Stromsonde 38 aufweisen, um den in der Sekundärwicklung des Transformators 12 fließenden Plasmastrom zu messen. Die Plasmaquelle 10 kann auch einen optischen Detektor 40 zum Messen der optischen Emission von dem Plasma 14 aufweisen. Zusätzlich kann die Plasmaquelle 10 einen Leistungssteuerschaltkreis 42 aufweisen, der Daten von einer oder mehreren der Einrichtungen der Stromsonde 38, des Leistungsdetektors 40 und der Schaltung 26 annimmt und die Leistung in dem Plasma dann durch Einstellen des Stroms in der Primärwicklung 18 einstellt.
Beim Betrieb wird ein Gas langsam in die Plasmakammer 20 eingebracht, bis ein Druck erreicht wird, der im wesentlichen zwischen 1 mTorr und 100 Torr (zwischen etwa 0,133 Pa und 13,3 kPa) liegt. Das Gas kann ein Edelgas, ein reaktives Gas oder eine Mischung von wenigstens einem Edelgas und wenigstens einem reaktiven Gas umfassen. Die schaltende Halbleitervorrichtungen enthaltende Schaltung 26 führt der Primärwicklung 18 einen Strom zu, wodurch innerhalb der Plasmakammer ein Potential induziert wird. Der Betrag des induzierten Potentials hängt nach dem Faradayschen Induktionsgesetz von dem vom Kern erzeugten Magnetfeld und der Frequenz ab, bei der die schaltenden Halbleitervorrichtungen arbeiten. Ein Ionisationsereignis, welches das Plasma bildet, kann in der Kammer eingeleitet werden. Das Ionisationsereignis kann im Anlegen eines Spannungsimpulses an die Primärwicklung oder an die Elektrode 30 in der Kammer 20 bestehen. Alternativ kann das Ionisationsereignis dadurch gegeben sein, daß die Kammer Ultraviolettstrahlung ausgesetzt wird.
Sobald das Gas ionisiert wurde, bildet sich ein Plasma, das einen Sekundärkreis des Transformators vervollständigt. Das elektrische Feld des Plasmas kann im wesentlichen zwischen 1-100 V/cm liegen. Falls in der Plasmakammer 20 nur Edelgase vorhanden sind, können die elektrischen Felder in dem Plasma 14 lediglich 1 Volt/cm betragen. Falls jedoch elektronegative Gase in der Kammer vorhanden sind, sind die elektrischen Felder in dem Plasma 14 erheblich höher. Das Betreiben der Plasmaquelle 10 mit niedrigen elektrischen Feldern in der Plasmakammer 14 ist erwünscht, weil durch eine niedrige Potentialdifferenz zwischen dem Plasma und der Kammer die Erosion der Kammer durch energetische Ionen und die sich daraus ergebende Kontamination des verarbeiteten Materials erheblich verringert werden.
Die an das Plasma abgegebene Leistung kann durch eine Rückkopplungsschleife 44 genau gesteuert werden, die den Leistungssteuerschaltkreis 42, die Schaltung 36 zum Messen elektrischer Parameter der Primärwicklung 18 und die Schaltung 26, die eine oder mehrere schaltende Halbleitervorrichtungen enthält, aufweist. Zusätzlich kann die Rückkopplungsschleife 44 die Stromsonde 38 und den optischen Detektor 40 aufweisen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform mißt der Leistungssteuerschaltkreis 42 die Leistung in dem Plasma unter Verwendung der Schaltung 36 zum Messen elektrischer Parameter der Primärwicklung 18. Der Leistungssteuerschaltkreis 42 vergleicht dann die Messung mit einem vorbestimmten Einstellpunkt, der eine gewünschte Betriebsbedingung darstellt, und stellt einen oder mehrere Parameter der Schaltung 26 ein, um die an das Plasma abgegebene Leistung zu steuern. Der eine oder die mehreren Parameter der Schaltung 26 umfassen die Impulsamplitude, die Frequenz, die Impulsbreite und die relative Phase der Ansteuerimpulse an der einen oder den mehreren schaltenden Halbleitervorrichtungen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform mißt der Leistungssteuerschaltkreis 42 die Leistung in dem Plasma unter Verwendung der Stromsonde 38 oder des optischen Detektors 40. Der Leistungssteuerschaltkreis 42 vergleicht dann die Messung mit einem vorbestimmten Einstellpunkt, der eine gewünschte Betriebsbedingung darstellt, und stellt einen oder mehrere Parameter der Schaltung 26 ein, um die an das Plasma abgegebene Leistung zu steuern.
Die Plasmaquelle 10 ist vorteilhaft, weil ihre Umwandlungswirksamkeit der Netzleistung in von dem Plasma absorbierte Leistung verglichen mit Plasmaquellen aus dem Stand der Technik sehr hoch ist. Dies liegt daran, daß die Schaltung 26, die eine oder mehrere schaltende Halbleitervorrichtungen enthält und den Strom der Primärwicklung 18 zuführt, sehr wirksam ist. Die Umwandlungswirksamkeit kann erheblich größer als 90% sein. Die Plasmaquelle 10 ist auch vorteilhaft, weil es bei ihr nicht erforderlich ist, herkömmliche Impedanzanpassungsnetzwerke oder herkömmliche HF-Leistungsgeneratoren zu verwenden. Hierdurch werden die Kosten stark verringert und die Zuverlässigkeit der Plasmaquelle erhöht.
Zusätzlich ist die Plasmaquelle 10 vorteilhaft, weil sie mit niedrigen elektrischen Feldern in der Plasmakammer 20 arbeitet. Niedrige elektrische Felder sind erwünscht, weil eine niedrige Potentialdifferenz zwischen dem Plasma und der Kammer den Beschuß mit energetischen Ionen innerhalb der Plasmakammer 20 erheblich verringert. Das Verringern des Beschusses mit energetischen Ionen in der Plasmakammer 20 ist erwünscht, weil dadurch die Erzeugung kontaminierender Materialien innerhalb der Plasmakammer 20 minimiert wird, insbesondere wenn chemisch reaktive Gase verwendet werden. Wenn beispielsweise Gase auf Fluorbasis, wie NF&sub3; und CF&sub4;/O&sub2; in der Plasmaquelle 10 gemäß der vorliegenden Erfindung einschließlich einer aus einem fluorbeständigen Material gebildeten Plasmakammer verwendet wurden, wurde nach einem längeren Einwirken des Fluorplasmas mit einer niedrigen Ionentemperatur keine oder nur eine minimale Erosion der Kammer beobachtet.
Die Plasmaquelle 10 ist zum Verarbeiten zahlreicher Materialien, wie fester Oberflächen, Pulver und Gase, nützlich. Die Plasmaquelle 10 ist besonders nützlich für das Reinigen von Prozeßkammern bei Halbleiterverarbeitungseinrichtungen, wie Dünnfilmabscheidungs- und Ätzsystemen. Die Plasmaquelle 10 ist auch besonders nützlich, um eine Ionenquelle für Ionenimplantations- und Ionenätzsysteme bereitzustellen.
Zusätzlich ist die Plasmaquelle 10 nützlich, um eine Quelle für Ätzsysteme bereitzustellen, die zum Ätzen zahlreicher Materialien verwendet wird, die zum Herstellen von Halbleitervorrichtungen verwendet werden, wie Silicium, Siliciumdioxid, Siliciumnitrid, Aluminium, Molybdän, Wolfram und organische Materialien, wie Photoresists, Polyamide und andere Polymermaterialien. Die Plasmaquelle 10 ist auch nützlich, um eine Quelle für eine plasmaunterstützte Abscheidung von Materialien zahlreicher Dünnfilme, wie Diamantfilme, Siliciumdioxid, Siliciumnitrid und Aluminiumnitrid, bereitzustellen.
Die Plasmaquelle ist auch nützlich, um reaktive Gase, wie atomares Fluor, atomares Chlor und atomaren Sauerstoff, zu erzeugen. Diese reaktiven Gase sind zum Reduzieren, Umwandeln, Stabilisieren oder Passivieren verschiedener Oxide, wie Siliciumdioxid, Zinndioxid, Zinkoxid und Indiumzinnoxid, verwendbar. Anwendungen umfassen das flußmittelfreie Löten, das Entfernen von Siliciumdioxid von Siliciumoberflächen und das Passivieren von Siliciumoberflächen vor der Waferverarbeitung.
Andere Anwendungen der Plasmaquelle 10 umfassen das Modifizieren von Oberflächeneigenschaften von Polymeren, des Transformators 12 aus Fig. 1. Wie in Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben ist, induzieren jeder von dem ersten Kern 104 und dem zweiten Kern 106 innerhalb der Kammer ein Potential, das ein Plasma bildet, das einen Sekundärkreis des Transformators 12 vervollständigt. Es ist nur ein magnetischer Kern zum Betreiben der torischen Schwachfeld- Plasmaquelle erforderlich.
Die Anmelder haben entdeckt, daß eine induktiv angesteuerte torische Schwachfeld-Plasmaquelle mit einer metallischen Plasmakammer hergestellt werden kann. Induktiv gekoppelte Plasmaquellen aus dem Stand der Technik verwenden Plasmakammern aus dielektrischem Material, um zu verhindern, daß sich ein induzierter Stromfluß in der Plasmakammer selbst bildet. Die Plasmakammer 100 gemäß dieser Erfindung weist mindestens einen dielektrischen Bereich auf, der einen Abschnitt der Plasmakammer 100 elektrisch isoliert, so daß der elektrische Durchgang durch die Plasmakammer 100 unterbrochen wird. Die elektrische Isolation verhindert, daß sich in der Plasmakammer selbst ein induzierter Stromfluß bildet.
Die Plasmakammer 100 weist einen ersten dielektrischen Bereich 108 und einen zweiten dielektrischen Bereich 110 auf, der verhindert, das sich in der Plasmakammer 100 ein induzierter Stromfluß bildet. Die dielektrischen Bereiche 108, 110 isolieren die Plasmakammer 100 elektrisch in einen ersten Bereich 112 und einen zweiten Bereich 114. Jeder von dem ersten Bereich 112 und dem zweiten Bereich 114 ist mit einer Hochvakuumdichtung mit den dielektrischen Bereichen 108, 110 verbunden, um die Plasmakammer 100 zu bilden. Die Hochvakuumdichtung kann aus einer elastomeren Dichtung bestehen oder durch eine permanente Dichtung, wie eine Hartlötverbindung, gebildet sein. Zum Verringern der Kontamination können die dielektrischen Bereiche 108, 110 vor dem Plasma geschützt werden. Die dielektrischen Bereiche 108, 110 können ein die Paßfläche 116 der Plasmakammer 100 trennendes dielektrisches Abstandselement aufweisen oder eine dielektrische Beschichtung auf der Paßfläche 116 sein.
Beim Betrieb fließt ein Zufuhrgas in einen Einlaß 118. Wie in Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben wurde, induziert jeder von dem ersten Kern 104 und dem zweiten Kern 106 innerhalb der Plasmakammer 100 ein Potential, das ein Plasma bildet, das einen Sekundärkreis des Transformators 12 vervollständigt. Es sei bemerkt, daß nur ein magnetischer Kern erforderlich ist, um die torische Schwachfeld-Plasmaquelle zu betreiben.
Die Verwendung metallischer oder beschichteter Metallkammern in torischen Schwachfeld-Plasmaquellen ist vorteilhaft, weil manche Metalle gegenüber bestimmten Chemikalien, die üblicherweise bei der Plasmaverarbeitung verwendet werden, wie Gase auf Fluorbasis, widerstandsfähiger sind. Zusätzlich können Metalle oder beschichtete Metallkammern bei viel höheren Temperaturen eine viel höhere thermische Leitfähigkeit aufweisen als dielektrische Kammern, und sie können daher Plasmen viel höherer Leistung erzeugen.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines dielektrischen Abstandselements 150, das für die in Fig. 3 dargestellten dielektrischen Bereiche geeignet ist, welche die Bildung eines induzierten Stromflusses in der Plasmakammer verhindern. Bei dieser Ausführungsform ist außerhalb des dielektrischen Abstandselements 150 eine Hochvakuumdichtung 152 gebildet. Der dielektrische Bereich ist durch die vorstehende Kammerwand 100 vor dem Plasma geschützt.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Ionenstrahlquelle 200 mit einem torischen Schwachfeld-Plasmagenerator gemäß der Erfindung. Die Ionenstrahlquelle 200 kann für zahlreiche Ionenstrahl-Verarbeitungsanwendungen einschließlich des Ionenstrahlätzens und der Ionenimplantation, verwendet werden. Die Ionenstrahlquelle 200 weist eine torische Schwachfeld-Plasmaquelle 202 auf, die die in Verbindung mit Fig. 3 beschriebene metallische Plasmakammer 100 aufweist. Die Plasmakammer 100 weist einen Schlitz 204 zum Extrahieren durch das Plasma erzeugter Ionen aus der Kammer 100 auf. Beschleunigungselektroden 206 beschleunigen die aus der Kammer 100 austretenden Ionen mit einem vorbestimmten elektrischen Feld, wodurch ein Ionenstrahl gebildet wird, bei dem die Ionen eine vorbestimmte Energie aufweisen.
Ein Massentrennungsmagnet 208 kann in dem Weg der beschleunigten Ionen angeordnet werden, um eine gewünschte Ionenspezies auszuwählen. Ein zweiter Satz von Beschleunigungselektroden kann zum Beschleunigen der gewünschten Ionenspezies auf eine vorbestimmte hohe Energie verwendet werden. Eine Tonenlinse kann zum Fokussieren des hochenergetischen Ionenstrahls verwendet werden. Ein Vertikalachsenablenker 212 und ein Horizontalachsenablenker 214 können zum Ablenken des Ionenstrahls über eine Probe 216 verwendet werden. Ein Deflektor 218 kann verwendet werden, um den Tonenstrahl von jeglichen neutralen Teilchen zu trennen, so daß der Ionenstrahl auf die Probe 216 fällt und die neutralen Teilchen auf eine Falle 220 für neutrale Teilchen fallen.
Fig. 6 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer schaltenden Festkörper-Leistungsversorgung 250, die eine oder mehrere der schaltenden Halbleitervorrichtungen aus Fig. 1 aufweist. Die Anmelder haben entdeckt, daß schaltende Halbleitervorrichtungen zum Ansteuern der Primärwicklung eines Leistungstransformators, der elektromagnetische Energie in ein Plasma einkoppelt, um einen Sekundärkreis des Transformators zu bilden, verwendet werden können.
Die Verwendung einer schaltenden Leistungsversorgung bei einer torischen Schwachfeld-Plasmaquelle ist vorteilhaft, weil schaltende Leistungsversorgungen viel kostengünstiger und physisch hinsichtlich des Volumens viel kleiner und leichtgewichtiger sind als die zum Versorgen von Plasmaquellen verwendeten HF- und Mikrowellenleistungsversorgungen aus dem Stand der Technik. Dies liegt daran, daß schaltende Leistungsversorgungen keine Leitungsisolationsschaltung oder ein Impedanzanpassungsnetzwerk benötigen.
Die vorliegende Erfindung kann jede beliebige Konfiguration einer schaltenden Leistungsversorgung zum Steuern des Stroms in der Primärwicklung 18 verwenden (Fig. 1). Beispielsweise kann die schaltende Leistungsversorgung 250 ein Filter 252 und eine Gleichrichterschaltung 254, die mit einer Leitungsspannungsversorgung 256 gekoppelt ist, aufweisen. Eine Ausgabe 258 des Filters 252 und der Gleichrichterschaltung 254 erzeugt eine Gleichspannung, die typischerweise mehrere hundert Volt beträgt. Die Ausgabe 258 ist mit einer Strommodus-Steuerschaltung 260 gekoppelt.
Die Strommodus-Steuerschaltung 260 ist mit einem, ersten Isolationstreiber 262, 262a und einem zweiten Isolationstreiber 264, 264a gekoppelt. Der erste Isolationstreiber 262, 262a und der zweite Isolationstreiber 264, 264a steuern ein erstes Paar 266 und ein zweites Paar 268 von Schalttransistoren 268. Die Schalttransistoren können IGBT- oder FET-Vorrichtungen sein. Die Ausgabe des ersten Paars 266 und des zweiten Paars 268 von Schalttransistoren können zahlreiche Wellenformen einschließlich einer Sinuswellenform aufweisen. Die Ausgabe der Schalttransistoren ist durch die Primärwicklung und den magnetischen Kern 269 mit dem torischen Plasma 270 gekoppelt, wodurch die Sekundärwicklung des Transformators gebildet ist.
Wenngleich die Erfindung mit Bezug auf spezifische bevorzugte Ausführungsformen eingehend dargestellt und beschrieben wurde, werden Fachleute verstehen, daß verschiedene Änderungen an der Form und den Einzelheiten vorgenommen werden können, ohne vom in den anliegenden Ansprüchen definierten Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Vorrichtung zum Lösen bzw. Trennen von Gasen mit:

a) einer Plasmakammer (20, 100),

b) einem Transformator (12) mit einem magnetischen Kern (16), der einen Abschnitt der Plasmakammer umgibt, und einer Primärwicklung (18),

dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung weiterhin eine oder mehrere schaltende Halbleitervorrichtungen aufweist, die direkt mit einer Spannungsversorgung (24) gekoppelt sind und eine Ausgabe (28) haben, die mit der Primärwicklung (18) gekoppelt ist,

wobei die eine oder mehreren schaltenden Halbleitervorrichtungen einen Strom in der Primärwicklung steuern und der Strom ein Potential innerhalb der Kammer induziert, das ein ringförmiges bzw. torisches Plasma (14) bildet, das einen Sekundärschaltkreis des Transformators vervollständigt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei dem die eine oder mehreren schaltenden Halbleitervorrichtungen einen oder mehrere Schalttransistoren umfassen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Ausgabe (28) der einen oder mehreren schaltenden Halbleitervorrichtungen direkt mit der Primärwicklung (18) gekoppelt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem die Kammer (20, 100) ein metallisches Material aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei dem das metallische Material Aluminium umfaßt.

6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Kammer (20, 100) ein dielektrisches Material umfaßt.

7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiterhin mit einem Schaltkreis (36) zum Messen von elektrischen Parametern der Primärwicklung (18) und des Plasmas (14), wobei die elektrischen Parameter einen oder mehrere Parameter umfassen, einschließlich dem Strom, der die Primärwicklung ansteuert, einer Spannung über die Primärwicklung, einer Busspannung, einer Durchschnittsleistung in der Primärwicklung und einer Spitzenleistung in der Primärwicklung.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, die weiterhin einen Leistungssteuerschaltkreis (42) aufweist, der mit einer Ausgabe des Schaltkreises zum Messen von elektrischen Parametern der Primärwicklung (18) und des Plasmas (14) gekoppelt ist, wobei der Leistungssteuerschaltkreis den Strom bestimmt, der durch die Primärwicklungen von einer Messung der elektrischen Größen der Primärwicklung und des Plasmas und von einem vorgegebenen Einstellwert bzw. Sollwert fließt, der eine erwünschte Betriebsbedingung repräsentiert.

9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, die weiterhin eine Prozeßkammer (22) aufweist, die mit der Plasmakammer (20, 100) gekoppelt und positioniert ist, um reaktives Gas, das durch das Plasma (14) erzeugt wird, aufzunehmen.

10. Vorrichtung zum Erzeugen von Ionen mit:

den Merkmalen der Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und weiterhin mit einer Öffnung, die in der Kammer zum Ausrichten von durch das Plasma (14) erzeugten Ionen positioniert ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, die weiterhin eine Prozeßkammer (22) aufweist, die mit der Öffnung in der Plasmakammer (20, 100) gekoppelt und ausgelegt ist, um durch das Plasma (14) erzeugte Ionen aufzunehmen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, die weiterhin Beschleunigungselektroden (206) aufweist, die in der Prozeßkammer zum Beschleunigen der durch das Plasma (14) erzeugten Ionen positioniert ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10, 11 oder 12, bei dem die Kammer ein feuerfestes Metall aufweist.

14. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Spannungsversorgung (24) eine Betriebs- bzw. Leitungsspannungsversorgung oder eine Bus- bzw. Sammelschienenspannungsversorgung aufweist.

15. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, die weiterhin eine Elektrode (30) aufweist, die in der Kammer (20, 100) positioniert ist, die freie Ladungen erzeugt, die das Zünden eines Plasmas (14) in der Kammer unterstützen.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, die weiterhin eine Elektrode (32) aufweist, die kapazitiv mit der Kammer (20, 100) gekoppelt ist, die freie Ladungen erzeugt, die das Zünden eines Plasmas (14) in der Kammer unterstützen.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, die weiterhin eine Quelle (34) für ultraviolettes Licht aufweist, die optisch mit der Kammer (20, 100) gekoppelt ist, die freie Ladungen erzeugt, die das Zünden eines Plasmas (14) in der Kammer unterstützen.

18. Verfahren zum Lösen bzw. Trennen von Gasen mit den Verfahrensschritten:

a) Bereitstellen einer Kammer (20, 100) zum Enthalten eines Gases bei einem Druck,

b) Bereitstellen eines Transformators (12) mit einem magnetischen Kern (16), der einen Abschnitt der Kammer umgibt, und einer Primärwicklung (18),

gekennzeichnet durch,

c) direktes Koppeln einer oder mehrerer schaltender Halbleitervorrichtungen an eine Spannungsversorgung (24) und Erzeugen eines Stroms, der die Primärwicklung mit der einen oder mehreren schaltenden Halbleitervorrichtungen ansteuert, und

d) Induzieren eines Potentials innerhalb der Kammer (20, 100) mit dem Strom in der Primärwicklung (18), wobei das Potential ein ringförmiges Plasma (14) bildet, das einen Sekundärschaltkreis des Transformator vervollständigt.

19. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem der Schritt des direkten Koppelns von einer oder mehreren schaltenden Halbleitervorrichtungen an eine Spannungsversorgung (24) den Schritt des direkten Koppelns der einen oder mehreren schaltenden Halbleitervorrichtungen an eine Leitungsspannungsversorgung oder an eine Busspannungsversorgung umfaßt.

20. Verfahren nach Anspruch 18, das weiterhin den Schritt des direkten Koppelns der einen oder mehreren schaltenden Halbleitervorrichtungen an die Primärwicklung (18) umfaßt.

21. Verfahren nach Anspruch 18, 19 oder 20, das weiterhin den Schritt des Bereitstellens eines anfänglichen Ionisationsereignisses in der Kammer (20, 100) umfaßt.

22. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem der Schritt des Bereitstellens eines anfänglichen Ionisationsereignisses in der Kammer (20, 100) den Schritt des Bereitstellens eines Spannungspulses an der Primärwicklung (18) umfaßt.

23. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem der Schritt des Bereitstellens eines anfänglichen Ionisationsereignisses in der Kammer (20, 100) den Schritt des Aussetzens der Kammer gegenüber ultraviolettem Licht umfaßt.

24. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 18 bis 23, bei dem das Gas ein Edelgas umfaßt.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 23, bei dem das Gas ein reaktives bzw. reagierendes Gas umfaßt.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 23, bei dem das Gas eine Mischung aus einem reaktiven Gas und einem Edelgas umfaßt.

27. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 26, das weiterhin den Schritt des Messens von elektrischen Parametern der Primärwicklung (18) und des Plasmas (14) umfaßt, mit einem oder mehreren Parametern, einschließlich dem Strom, der die Primärwicklung ansteuert, einer Spannung über die Primärwicklung, einer Busspannung, einer Durchschnittsleistung in der Primärwicklung und einer Spitzenleistung in der Primärwicklung.

28. Verfahren nach Anspruch 26, das weiterhin den Schritt des Bestimmens einer Ausgabe der einen oder mehreren schaltenden Halbleitervorrichtungen von der Messung der elektrischen Parameter der Primärwicklung (18) und des Plasmas (14) umfaßt und von einem vorgegebenen Einstellpunkt, der eine erwünschte Betriebsbedingung repräsentiert.

29. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 28, bei dem der Druck zwischen 1 mTorr und 100 Torr (zwischen den näherungsweisen äquivalenten SI-Werten von 0,133 Pa und 13,3 kPa) liegt.

30. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 29, bei dem ein elektrisches Feld des Plasmas (14) eine Stärke zwischen 1 und 100 V/cm hat.

31. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem bei dem Schritt des Bereitstellens der Kammer die Kammer eine Plasmakammer (20, 100) zum Aufbewahren eines reaktiven Gases bei einem Druck ist, wobei die Plasmakammer mit einer Prozeßkammer verbunden ist.

32. Verfahren nach Anspruch 31, das weiterhin folgenden Schritt umfaßt:

e) Ausrichten von, chemisch aktiven Arten bzw. Spezien, die in dem Plasma erzeugt werden, von der Plasmakammer in die Prozeßkammer, wobei die Prozeßkammer gereinigt wird.