DE19509284A1 - Vorrichtung zur Erzeugung eines ebenen Plasmas unter Verwendung variierender Magnetpole - Google Patents
Vorrichtung zur Erzeugung eines ebenen Plasmas unter Verwendung variierender MagnetpoleInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft generell eine
Vorrichtung zur Erzeugung teilionisierter Gase mit niedrigem
Druck, beispielsweise Plasmen, und im besonderen die
Erzeugung sehr gleichförmiger Plasmen, wie sie für die
Bearbeitung von planaren Werkstoffen, beispielsweise von
Halbleiterwafern, in Verarbeitungseinrichtungen mit
niedrigem Druck zweckmäßig sind. Eine solche Bearbeitung
kann Ätzen, Abscheiden, Reinigen und Ionenimplantation
umfassen.
Die Plasmaerzeugung ist bei einer Vielzahl von
Halbleiterherstellungsprozessen einschließlich Ätzen,
Abscheidung, Ionenimplantation und ähnlichem nützlich.
Plasmen werden generell in einem Gas mit niedrigem Druck
durch Beschleunigung natürlich auftretender freier
Elektronen im Gas auf die Gasionisationsenergie,
typischerweise zwischen 5 und 20 Elektronenvolt, erzeugt.
Zusammenstöße zwischen diesen energetischen Elektronen und
den Gasmolekülen bewirkt gelegentlich die Ionisierung eines
Moleküls und die Ablösung eines zusätzlichen freien
Elektrons jedes zusätzliche freie Elektron wird ebenfalls
beschleunigt und kann auch Gasmoleküle ionisieren. Das sich
ergebende, teilweise ionisierte Gas wird als Plasma
bezeichnet.
Verfahren zur Plasmaerzeugung basieren
herkömmlicherweise auf der Bereitstellung einer gasdichten
Kammer, Gaspumpen und Einrichtungen zur Flußsteuerung zur
genauen Steuerung des Gasflusses und des Druckes für ein
oder mehrere Prozeßgase und zur Übertragung von Energie auf
die freien Elektronen in den Gasen, so daß diese Elektronen
auf die Ionisierungsenergie der Gasmoleküle beschleunigt
werden. Die Ionisierung der Prozeßgasmoleküle befreit
zusätzliche Elektronen, die auch auf die Ionisierungsenergie
beschleunigt werden können.
Bei der Bearbeitung der Halbleiterwafer in einem Gas
kann die Prozeßrate durch Erhöhung der Energie der
Gasmoleküle vergrößert werden. Diese erhöhte Energie kann in
der Art der Molekülionisation, in der Dissoziation der
Moleküle in kleinere Moleküle, in dem Treiben der
Molekülelektronen auf höhere Energieniveaus und in anderen
Erscheinungsformen auftreten. Positiv geladene Ionen können
auch beschleunigt werden, um richtungsabhängig gesteuerte
kinetische Energien zu erhöhen. Statische elektrische Felder
werden herkömmlicherweise zur Steuerung sowohl der Größe als
auch der Richtung der kinetischen Energie der Ionen
verwendet.
Das Übertragen von Energie auf freie Elektronen in
einem Gas wird typischerweise mit elektrischen Feldern, mit
sich ändernden bzw. variierenden magnetischen Feldern oder
mit beiden ausgeführt.
Ein für die Bearbeitung von Halbleiterwafern
traditionell verwendetes Verfahren sowohl für die Erzeugung
des Plasmas als auch für die Beschleunigung der entstehenden
Ionen umfaßt das Anlegen einer Wechselspannung zwischen zwei
Elektroden in einer gasdichten Kammer mit einem an einer der
Elektroden gehaltenen, zu verarbeitenden Wafer. Die
angelegte Wechselspannung beschleunigt freie Elektronen in
dem Gas zwischen den Elektroden bis zum Energieniveau der
Ionisation der Prozeßgasmoleküle, wodurch ein Plasma erzeugt
wird. Es ergibt sich ebenfalls eine Gleichspannung zwischen
dem Plasma und dem an der Waferelektrode gehaltenen Wafer.
Die freien Elektronen im Plasma bewegen sich leicht
vom Plasma zum Halbleiterwafer, wenn an der Waferelektrode
eine positive Höchstspannung anliegt, und bewegen sich nicht
vom Wafer weg, selbst wenn am Wafer eine negative Spannung
relativ zum Plasma anliegt. Ein Gleichrichter wird so
bereitgestellt, daß dieser äquivalent zu einer thermischen
Vakuum-Röhrendiode wirkt, in der der Elektronenstrom von
einer geheizten Kathode zu einer kälteren Elektrode fließt,
aber nicht umgekehrt.
Eine einzelne Energiequelle, die Wechselspannung
zwischen den Elektroden, steuert sowohl die Anzahl der
erzeugten-Ionen (den Ionenfluß oder die Ionendichte des
Plasmas) als auch die kinetische Energie, mit der jedes Ion
auf den Wafer trifft (das Ionenfeld). Ein Teil der Steuerung
des Verhältniss zwischen dem Ionenfluß und dem Ionenfeld
kann durch Variieren des Gasdrucks, der Frequenz der
Wechselstromleistung und der Gestaltung der Kammer erreicht
werden.
Die für moderne Halbleitereinrichtungen
erforderliche, enge Linien- bzw. Strukturbreite verlangt
unabhängige Steuerung des Ionenflusses und des Ionenfeldes,
und die Möglichkeit des Betriebs bei niedrigen Drücken,
zwischen 1 und 10 Millitorr. Es wurde eine Anzahl von
Systemen zur Plasmaerzeugung entwickelt, die die
erforderliche unabhängige Steuerung des Ionenflusses und des
Ionenfeldes bei niedrigen Drücken bereitstellen. Mehrere
Konfigurationen verwenden das Prinzip der Elektron-
Zyklotron-Resonanz (Electron Cyclotron Resonance, ECR),
wobei elektrische Hochfrequenzleistung auf ein Gas einwirken
lassen wird und ein konstantes magnetisches Feld im rechten
Winkel zum elektrischen Wechselfeld der elektrischen
Hochfrequenzleistung angelegt ist. Das konstante Magnetfeld
ist so eingestellt, daß die Krümmung des Weges des Elektrons
aufgrund des konstanten Magnetfeldes einen kreisförmigen
Elektronenpfad mit derselben (Kreis-)Frequenz wie die des
eingestrahlten Hochfrequenzfeldes zur Folge hat. Eine
gewöhnliche Kombination von Frequenz und Magnetfeld beträgt
2,45 Gigahertz und 875 Gauss.
Eine ECR-Plasmaquelle kann ein Plasma mit einem
hohen Ionenfluß bei niedrigem Druck und einem niedrigen
Ionenfeld (kinetische Energie der auf den Wafer
auftreffenden Ionen) bereitstellen. Das Ionenfeld kann durch
eine unabhängige Wechselspannung an der Waferelektrode
erhöht und gesteuert werden. ECR-Systeme sind jedoch teuer
und schwierig einzustellen.
Es gibt mehrere Konfigurationen, die ein sich
änderndes magnetisches Feld, das eine elektrisch
nichtleitende, zylindrische Prozeß-Gaskammer durchstrahlt,
zur Plasmaerzeugung verwenden. Diese Konfigurationen koppeln
die Beschleunigungsenergie der Elektronen durch die
nichtleitenden Zylinderwände hindurch an verschiedene
Anordnungen sich änderender magnetischer Felder. Ein Vorteil
dieser Gestaltung ist, daß die Schädigung des Wafers durch
von dem Wafer beabstandete Erzeugung des Plasmas und dem
Strömen des angeregten Gases vom Plasmaerzeugungsort zum
Wafer verringert werden kann. Diese allgemeine
Vorgehensweise wird als Downstream- oder Stromabwärts-
Plasmaerzeugung (Downstream Plasma Generation) bezeichnet.
Die gegenwärtige Erfahrung deutet auf einen geringen Gewinn,
wenn überhaupt, hinsichtlich der Waferschädigung bei der
Downstream-Plasmaerzeugung und eine bedeutende Verminderung
der Prozeßgeschwindigkeit hin.
Die optimale Konfiguration zur Erzeugung eines
Plasmas für die Bearbeitung von Halbleiterwafern stellt ein
zum Wafer benachbartes, planares Plasma mit einem hohen
Ionenfluß und einem niedrigen Ionenfeld (kinetische Energie
des Ions) her und stellt eine unabhängige Leistungs- oder
Energiequelle zur Erhöhung und zur Steuerung des Ionenfeldes
bereit. Im allgemeinen ist es das Ziel, einen gleichförmigen
Fluß der auf den Wafer im rechten Winkel auftreffenden Ionen
zu bewirken, wobei der Fluß und das Feld unabhängig gesteuert
werden können.
Eine Quelle für ein planares Plasma wird in dem,
diesem Erfinder John S. Ogle erteilten, US-Patent
49 48 458 "Method and Apparatus for Producing Magnetically
Coupled Planar Plasma" beschrieben, welches eine ebene
spiralförmige Spule zur Erzeugung eines sich ändernden
magnetischen Feldes verwendet, das durch ein nichtleitendes
Fenster hindurchstrahlt und freie Elektronen im Prozeßgas
auf einen kreisförmigen Pfad parallel zu den Windungen der
Spule beschleunigt. Diese Konfiguration stellt
leistungsfähige Plasmaerzeugung mit Ionen niedriger
kinetischer Energie bereit, besitzt aber einen "toten" dem
Zentrum der Spule entsprechenden Bereich, in dem eine sehr
viel geringere Beschleunigung der Elektronen auftritt.
Eine andere Quelle für planares Plasma wird in dem
ebenfalls dem vorliegenden Erfinder John S. Ogle erteilten
US-Patent 52 77 751 "Method and Apparatus for Producing Low-
Pressure Planar Plasma Using a Coil with its Axis Parallel
to the Surface of a Coupling Window" beschrieben, das eine
Spule mit parallel zum Fenster ausgerichteter Achse
verwendet. Das vorwärts gerichtete Magnetfeld befindet sich
im Inneren der Spule und trägt nicht zur Plasmaerzeugung
bei. Ein Teil des zurückkehrenden Magnetfeldes jedoch
strahlt durch das Fenster hindurch und koppelt Energie auf
die freien Elektronen in den Prozeßgasen.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein
System zur Erzeugung eines geeigneten gleichförmigen,
planaren Plasmas niedrigen Druckes bereitzustellen.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
umfaßt ein Plasmasystem, das eine Anzahl von Quellen für
sich ändernde Magnetfelder enthält. Anstelle eines einzelnen
sich ändernden magnetischen Feldes, das sich vollständig
über eine Fläche eines Plasmakammerfensters erstreckt,
werden vier oder mehr sich ändernde magnetische Pole
verwendet.
Typischerweise werden sechs Magnetpole für eine
eindimensionale Magnetpolanordnung und zwölf Magnetpole für
eine zweidimensionale Magnetpolanordnung verwendet. Diese
Pole sind im wesentlichen gleich beabstandet, und
benachbarte Pole haben zu einem bestimmten Augenblick
entgegengesetzte Polarität. Daher besteht zwischen jedem
Pol und jedem benachbarten Pol ein sich änderndes
Magnetfeld. Diese sich ändernden magnetischen Felder
beschleunigen die freien Elektronen des in der Kammer
enthaltenen Prozeßgases generell in der Richtung parallel
zur Fensteroberfläche.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht
darin, daß sie ein Plasmasystem bereitstellt, in dem der
Bereich der Plasmaerzeugung durch einfaches Hinzufügen von
weiteren sich ändernden magnetischen Polen unbeschränkt
ausdehnbar ist.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist
die Bereitstellung eines Systems, in dem sich die
Magnetfelder nicht weit in das Prozeßgas hinein ausdehnen,
was die Wahrscheinlichkeit der direkten Einkopplung von
Energie in die unter Bearbeitung befindliche Oberfläche
reduziert.
Ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung
besteht darin, daß ein System bereitgestellt wird, in dem
die lokale Konzentration der Magnetfeldänderung die
Erzeugung eines Plasmas bei niedrigem Druck mit geringer
Hochfrequenzleistung ermöglicht und die Neigung des Plasmas
bzw. der Plaskonzentrationen mit niedrigem Druck zu Sprüngen
von einem Ort zu einem anderen vermindert.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung
besteht darin, daß ein System bereitgestellt wird, in dem
Gebiete mit ungleichförmiger Plasmaerzeugung klein sind im
Verhältnis zum gesamten Gebiet der Plasmaerzeugung.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung
besteht in der Bereitstellung eines Systems, das
verhältnismäßig viel leichter auf bestmögliche
Gleichförmigkeit des Prozesses eingestellt werden kann.
Diese und andere Eigenschaften und Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden zweifellos für Fachleute auf
dem Gebiet durch die folgende ausführliche Beschreibung der
bevorzugten Ausführungsformen, die in den verschiedenen
Figuren erläutert sind, erkenntlich.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform
eines Systems gemäß der vorliegenden Erfindung mit
vier Polen zur Erzeugung eines planaren Plasmas mit
ferromagnetischen Kernspulen;
Fig. 2A und 2B graphische Darstellungen der Polaritäten der
magnetischen Pole der ferromagnetischen Kernspulen
des Systems von Fig. 1 zu Zeiten des maximalen
Stromflusses, der durch eine halbe Periode zeitlich
beabstandet ist, in Aufsicht;
Fig. 3A und 3B Seitenansichten der ferromagnetischen
Kernspulen, die entsprechend den Fig. 2A und 2B die
magnetischen Pole zeigen;
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eines Systems zur
Erzeugung eines planaren Plasmas, das sechs
ferromagnetische Kernspulen, die zwölf magnetische
Pole besitzen, verwendet;
Fig. 5A und 5B ebene Ansichten der relativen Lagen der
magnetischen Pole des Systems von Fig. 4, zeitlich
beabstandet durch eine halbe Periode entsprechend
den maximalen positiven und negativen Stromflüssen
durch die ferromagnetischen Kernspulen; und
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines Paares von
langgestreckten ferromagnetischen Kernspulen gemäß
vorliegender Erfindung, welche vier langgestreckte
Magnetpole zur Erzeugung eindimensionaler
Beschleunigungsfeldern für Elektronen bereitstellen.
Fig. 1 zeigt eine der Hauptbezugsziffer 10
zugeordnete Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eines
Plasmaanregungssystems mit sich ändernden magnetischen
Polen. Das System 10 ist dazu vorgesehen, unmittelbar an
einem nichtleitenden Fenster aus Keramik, Quarz oder einem
anderen nichtleitenden Material plaziert zu werden, das an
einer Kammer, die ein Prozeßgas mit niedrigem Druck
beinhaltet, angebracht ist. Beispielsweise werden derartige
Kammern in den US-Patenten 49 48 458 und 52 77 751
beschrieben, welche beide dem vorliegenden Erfinder, John S.
Ogle, erteilt wurden und deren Inhalt durch Bezugnahme in
vorliegender Beschreibung mitumfaßt wird.
Das System 10 umfaßt eine Befestigungsplatte 12, die
eine erste ferromagnetische Kernspule 14 mit einem Paar von
magnetischen Polen 16 und 18 trägt, und eine zweite
ferromagnetische Kernspule 20 mit einem Paar von
magnetischen Polen 22 und 24. Die ferromagnetischen
Kernspulen 14 und 20 sind in Serie mit einem einstellbaren
Kondensator 26 verdrahtet. Hochfrequenzleistung wird in das
System 10 durch einen variablen Transformator mit Luftkern
aus einer Hochfrequenzquelle 30 gekoppelt.
Für eine Hochfrequenzleistungsquelle 30 wird eine
typische Betriebsfrequenz von 13,56 MHz verwendet. Die
ferromagnetischen Kernspulen 14 und 20 umfassen vorzugsweise
mehrere Kupferdrahtwindungen oder eine röhrenförmige
Umschließung eines halbringförmigen Eisenpulver- oder
Ferritkernes oder eines U-Kernes mit großzügig
dimensioniertem Abstand zwischen der Wicklung und dem Kern
zur Förderung der Kühlung und zur Beschränkung der
Aufheizung, die andernfalls aus allzu eng zusammengebrachten
Windungen resultiert. In bestimmten Ausführungen kann eine
erzwungene Luftkühlung der Wicklungen notwendig sein. Die
Befestigungsplatte 12 ist ein Aluminiumblech mit Löchern,
die die Ausrichtung der Magnetpole 16, 18, 22 und 24 auf ein
Fenster der Prozeßgaskammer erlauben, und einem
Schlitzschnitt durch das Aluminiumblech, der jedes Loch mit
dem benachbarten Loch verbindet. Isolierende Ringe oder
Unterlegscheiben, die die magnetischen Pole 16, 18, 22 und
24 im Befestigungsblech 12 einfassen, können zur
Unterstützung der Befestigung für die ferromagnetischen
Kernspulen 14 und 20 verwendet werden.
Eine Spule 32 kann auch zur Bereitstellung eines
konstanten Magnetfeldes als Folge des Anschlusses an eine
Gleichsignalleistungsquelle 34 verwendet werden. Ein
derartiges konstantes Magnetfeld wird herkömmlicherweise zur
Krümmung des Elektronenpfades benutzt, um die Anzahl der
angeregten Elektronen in dem Plasma, die auf die Wände der
Prozeßgaskammer auftreffen, zu reduzieren, oder zur
Bereitstellung der Bedingungen für die Elektron-Zyklotron-
Resonanz (ECR).
Die Fig. 2A und 2B erläutern die physikalischen
Beziehungen zwischen den Magnetpolen 16, 18, 22 und 24. Der
Abstand zwischen den Magnetpolen 16 und 18 ist vorzugsweise
im wesentlichen der gleiche wie die Abstände zwischen den
Magnetpolen 22 und 24, zwischen den Magnetpolen 16 und 22
und zwischen den Magnetpolen 18 und 24.
Die ferromagnetischen Kernspulen 14 und 20 sind
derart verbunden, daß für jede Periode der
Hochfrequenzeingangsleistung die magnetischen Pole 16 und 22
ebenso wie die magnetischen Pole 18 und 24 entgegengesetzt
gepolt sind Fig. 2A erläutert dies für eine Periode der
Hochfrequenzeingangsleistung durch die Bezeichnung der
Magnetpole 16 und 24 mit Nord (N) und der Magnetpole 18 und
22 mit Süd (S). Fig. 2B erläutert dies für die nächste halbe
Periode der Hochfrequenzeingangsleistung durch die
Bezeichnung der Magnetpole 16 und 24 mit Süd (S) und der
Magnetpole 18 und 22 mit Nord (N). Die optimale Abmessung
zwischen den sich entgegengesetzt ändernden, magnetischen
Polen hängt von der Dicke des nichtleitenden Fensters der
Prozeßgaskammer ab, von der Frequenz der
Hochfrequenzleistung und von der mittleren freien Weglänge
der Elektronen als Funktion des Kammerdruckes. Solche
Abmessungen können empirisch abgeleitet werden.
Fig. 3A und 3B illustrieren ferromagnetische
Kernspulen 14 und 20, wie sie denen in Fig. 2A und 2B
entsprechen.
Elektronen in einer Kammer mit Prozeßgas in
unmittelbarer Nähe zu einem System 10 werden im rechten
Winkel zu den sich ändernden Magnetfelder zwischen
benachbarten sich ändernden magnetischen Polen beschleunigt.
Die Elektronenbeschleunigung tritt zweidimensional auf, da
benachbarte magnetische Pole zweidimensional in der Ebene
der Fig. 2A und 2B vorliegen. Die in Fig. 6 gezeigten,
langgestreckten Kerne besitzen sich ändernde magnetische
Felder in einer Dimension mit einer resultierenden
Elektronenbeschleunigung in einer Dimension, die im rechten
Winkel zum sich ändernden magnetischen Feld verläuft.
Die Intensität des magnetischen Feldes zwischen den
entgegengesetzten magnetischen Polen vermindert sich rasch
mit dem Abstand von den Polen, wenn dieser Abstand etwa 1/4
des Abstandes zwischen den Polen überschreitet. Da die
Mindestdicke des Fensters bestimmt wird durch die
erforderliche Stärke, die notwendig ist, der Druckdifferenz
zwischen der Innenseite und der Außenseite der Kammer zu
widerstehen, beträgt für ein Quarzfenster mit 35,56 cm (14
inch) Durchmesser die typische Mindestdicke des Fensters
1,27 cm (0,5 inch) und erhöht sich in der Dicke für Fenster
mit größerem Durchmesser. Es erscheint ein Mindestabstand
der sich ändernden magnetischen Pole von etwa 5,1 cm als
angezeigt.
Die Frequenz der von der Hochfrequenzquelle 30
gelieferten Hochfrequenzleistung beeinflußt den optimalen
Abstand zwischen den entgegengesetzt sich ändernden
magnetischen Polen, da die Geschwindigkeit der Elektronen
mit einer kinetischen Energie gleich oder über der
Ionisationsenergie der Moleküle eine Beziehung zu den 180°
Phasenschiebung der beschleunigenden variierten magnetischen
Felder zwischen einem Satz von Polen mit entgegengesetzter
Polarität und dem benachbarten Satz von Polen haben sollte.
Bei einer kinetischen Energie von 12 Elektronenvolt, typisch
für die Ionisationsenergie eines Moleküls, beträgt die
zurückgelegte Entfernung innerhalb einer halben Periode bei
13,56 MHz ungefähr 7,6 cm oder 3 inch.
Die mittlere freie Weglänge der Elektronen wirkt
sich auf den optimalen Abstand der sich ändernden
magnetischen Pole aus, da, falls die mittlere freie Weglänge
der Elektronen wesentlich kleiner als der Abstand der sich
ändernden Pole ist, der Fluß der angeregten Elektronen
zwischen den variierenden magnetischen Polen bedeutsamen
Schwankungen unterworfen sein wird. Dies kann zu einer
ungleichförmigen Bearbeitung führen. Die mittlere freie
Weglänge des Elektrons in einem typischen molekularen
Prozeßgas ändert sich von etwa 2,54 cm (1 inch) bei einem
Druck von 7 mTorr auf etwa 12,7 cm (5 inch) bei 12 mTorr.
Typische U-Kerne werden durch Schneiden eines ringförmigen
Eisenpulverkerns, beispielsweise eines Micrometals T 400-2-
Kerns, in zwei Teile angefertigt. Um die maximale
magnetische Flußdichte im Kern und damit die
Pulverkernverluste zu vermindern, können bei
zweidimensionalen Konfigurationen an jedem Ort zwei Kerne
verwendet und somit die Querschnittsfläche des Kerns
verdoppelt werden. Bei einer eindimensionalen Konfiguration
kann eine Anzahl von Kernen zur Bereitstellung eines im
wesentlichen kontinuierlichen, langgestreckten Kerns
gestapelt werden. Da das Material des Eisenpulverkerns hohe
dielektrische Verluste besitzt, können bedeutsame
Leistungsverluste in dem Eisenpulverkern aufgrund der sich
ändernden elektrischen Felder auftreten. Diese
dielektrischen Verluste unterscheiden sich und sind
vollkommen unabhängig von Kernverlusten durch das sich
ändernde magnetische Feld. Mit der Verwendung von weniger
Windungen mit einem höheren Strom in jeder Windung zur
Einschränkung der über die Windungen abfallenden Spannung
und durch die Erhöhung des Zwischenraumes zwischen den
Wicklungen und dem Kern können die dielektrischen Verluste
verringert werden. Die Wicklungen werden typischerweise für
einen Betrieb bei 13,56 MHz aus 3 bis 15 Windungen für die
zweidimensionale Konfiguration und aus 1 bis 7 Windungen für
die eindimensionale Konfiguration bestehen.
Zur Krümmung des Weges der angeregten Elektronen in
einem erzeugten Plasma in einer Ebene parallel zum Fenster
und damit zur Verminderung der Anzahl der angeregten
Elektronen, die auf die Innenwände der Prozeßgaskammer
treffen, kann ein stationäres, durch Gleichstrom
induziertes, magnetisches Feld verwendet werden, dessen
Achse senkrecht zum isolierenden Fenster liegt.
Fig. 4 illustriert eine zweite Ausführungsform des
Systems der vorliegenden Erfindung zur Plasmaanregung mit
ferromagnetischer Kernspule, auf die mit der
Hauptbezugsziffer 50 verwiesen wird. Die unmittelbare
Plazierung an einem nichtleitenden Fenster einer Kammer,
welche ein Prozeßgas geringen Druckes beinhaltet, ist auch
für das System 50 vorgesehen. Das System 50 umfaßt eine
Halteplatte 52, die eine erste ferromagnetische Kernspule 54
mit einem Paar von magnetischen Polen 56 und 58, eine zweite
ferromagnetische Kernspule 60 mit einem paar von
magnetischen Polen 62 und 64, eine dritte ferromagnetische
Kernspule 66 mit einem Paar von magnetischen Polen 68 und
70, eine vierte ferromagnetischen Kernspule 72 mit einem
Paar von magnetischen Polen 74 und 76, eine fünfte
ferromagnetische Kernspule 78 mit einem Paar von
magnetischen Polen 80 und 82 und eine sechste
ferromagnetische Kernspule 84 mit einem Paar von
magnetischen Polen 86 und 88 trägt. Die ferromagnetischen
Kernspulen 54, 60 und 72 sowie die ferromagnetischen
Kernspulen 66, 78 und 84 sind parallel verdrahtet. Beide
sind in Serie mit einem variablen Kondensator 90 verdrahtet.
Hochfrequenzleistung wird aus einer Quelle 94 durch einen
variablen Transformator 92 mit Luftkern in das System 50
gekoppelt. Für die Hochfrequenzleistungsquelle 94 wird eine
typische Betriebsfrequenz von 13,56 MHz verwendet. Die
ferromagnetischen Kernspulen 54, 60, 66, 72, 78 und 84
umfassen vorzugsweise mehrere Windungen Kupferdraht oder die
röhrenförmige Umschließung eines halbringförmigen
ferromagnetischen Kerns oder eines U-Kerns mit großzügig
erlaubtem Abstand zwischen den Wicklungen und dem Kern zur
Förderung der Kühlung und zur Beschränkung der Aufheizung,
die andernfalls aus einer allzu eng zusammengebrachten
Wicklung resultiert. In bestimmten Ausführungen kann eine
erzwungene Luftkühlung der Wicklung notwendig sein. Die
Befestigungsplatte 52 ist ein Aluminiumblech mit
Lochschlitzen, die es erlauben, die Magnetpole auf das
Fenster der Prozeßgaskammer zu richten, und mit einem
Schlitzschnitt durch das Aluminiumblech von einem Loch zu
einem benachbarten Loch. Isolierende Ringe oder
Unterlegscheiben, die die magnetischen Pole im
Befestigungsblech 52 umfassen, können als
Befestigungsauflage für die ferromagnetischen Kernspulen
benutzt werden.
Fig. 5A und 5B illustrieren die physikalischen
Beziehungen zwischen den Magnetpolen. Jeder Magnetpol ist
von seinen benachbarten Polen durch eine im wesentlichen
gleiche Distanz "D" beabstandet. Fig. 5A ist ähnlich zur
Fig. 2A und erläutert die magnetischen Polaritäten eines
jeden Magnetpols für eine Periode der Hochfrequenzleistung.
Fig. 5B ist ähnlich zu Fig. 2B und erläutert die
magnetischen Polaritäten eines jeden Magnetpols in der
nächsten halben Periode der Hochfrequenzleistung. Wie im
System 10 ist die günstigste Abmessung zwischen den
entgegengesetzt variierenden, magnetischen Polen abhängig
von der Dicke des isolierenden Fensters der Prozeßgaskammer,
der Frequenz der Hochfrequenzleistung und von der mittleren
freien Weglänge der Elektronen als Funktion des
Kammerdrucks. Derartige Abmessungen können empirisch
ermittelt werden.
Die in den Systemen 10 und 50 verwendeten Kernspulen
können umfassen: um U-Kerne gewundene Wicklungen, Segmente
von Toroiden, oder senkrecht auf den Platten 12 und 52
stehenden I-Kerne, wobei die den Platten 12 und 52
gegenüberliegenden Enden magnetisch mit Stäben abgeschlossen
werden, die in einer Reihe von individuellen I-Kernen
angeschlossen sind oder mit einer Lage aus magnetischem
Material, das eine Gruppe derartiger I-Kerne bedeckt
magnetisch abgeschlossen werden.
Fig. 6 erläutert eine Konfiguration mit zwei
langgestreckten, ferromagnetischen Kernspulen zur Erzeugung
eines eindimensionalen Beschleunigungsfeldes für Elektronen.
Ein Plasmainduktionssystem 100 umfaßt eine erste
ferromagnetische Kernspule 102 mit einem Paar
langgestreckter Magnetpole 104 und 106 und einer zweiten
ferromagnetischen Kernspule 108 mit einem Paar
langgestreckter Magnetpole 110 und 112. Die
ferromagnetischen Kernspulen 102 und 108 können einzeln
durch Stapelung von U-Kernen, I-Kernen oder eines
halbtoroidförmigen Materials gebildet werden. Die gleichen
in den Systemen 10 und 50 verwendeten ferromagnetischen
Kerne können zur Bildung der langgestreckten
ferromagnetischen Kerne 102 und 108 gestapelt werden. Die
magnetischen Pole sind in gleichem Abstand "D" voneinander
eingesetzt. Jeder magnetische Pol ist in einer Dimension "W"
im Vergleich zu der Dimension "T" langgestreckt. Die
Dimension "W" kann so groß wie der Durchmesser eines
nichtleitenden Fensters in einer Prozeßgaskammer sein,
beispielsweise 35,56 cm (14 inch).
Bei geeigneten Änderungen der Spulenwicklungen
können wahlweise nichtmagnetische Kerne als Ersatz für die
ferromagnetischen Kerne dienen. Dies kann die Verluste in
den Kernen vermindern, wird aber die Verluste in der
Wicklung erhöhen.
Die Befestigungsplatten 12 und 52 tragen nicht nur
die Spulen, welche die variierenden magnetischen Pole
erzeugen. Sie liefern auch die Potentialfläche eines
gleichförmigen elektrischen Feldes, welches bei der
Verwendung einer zusätzlichen Quelle von
Hochfrequenzleistung oder -energie zur Erhöhung des
Ionenfeldes, beispielsweise der kinetischen Energie, an
Bedeutung gewinnt. Eine derartige zusätzliche
Hochfrequenzleistungsquelle kann an eine Halbleiterelektrode
angelegt werden, wobei die Befestigungsplatte für
Wechselstrom geerdet ist oder umgekehrt. Wahlweise können
die Waferelektrode und die Befestigungsplatte beide mit
einer geeigneten Phasenschiebung zwischen diesen getrennt
angesteuert werden oder bei verschiedenen
Wechselstromfrequenzen betrieben werden.
Die Befestigungsplatten 12 und 52 können so
ausgebildet werden, daß sie helfen, der Druckdifferenz
zwischen der Umgebung und dem Kammerinneren zu widerstehen.
Beispielsweise kann die Befestigungsplatte wahlweise im
Inneren der Kammer angebracht und durch Druckdifferenzen
gegen das nichtleitende Fenster gepreßt werden. Die
Magnetpole sind dann gegen die Außenseite des Fensters
positioniert. Somit sind die den Druckdifferenzen
ausgesetzten Fensterflächen die den Löchern und Schlitzen
zugehörigen Flächen eines jeden Paares der magnetischen
Pole. Es ist daher möglich, durch Reduzierung der
Materialdicke des nichtleitenden Fensters im Vergleich zum
Stand der Technik Ausführungskosten einzusparen. Eine solche
Anordnung ist besonders vorteilhaft, wenn ausgedehnte
Plasmabereiche verwendet werden, derart, wie bei der
Herstellung von Flüssigkristallanzeigen.
Obwohl die vorliegende Erfindung in Bezug auf
gegenwärtig bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde,
ist zur Kenntnis zu nehmen, daß die Offenbarung nicht
beschränkend auszulegen ist. Verschiedenartige Änderungen
und Modifikationen werden zweifelsfrei für Fachleute auf dem
Gebiet nach dem Studium der vorstehenden Offenbarung
augenscheinlich.
Die Erfindung umfaßt somit ein System zur
Plasmaerzeugung, das ein 2×2-Feld oder größeres Feld von
alternierenden Magnetpol-Sätzen in unmittelbarer Nähe zu
einem isolierenden Fenster in einer Kammer mit Prozeßgas
umfaßt. Die Magnetpole sind ferromagnetische Kernspulen, die
von einer Hochfrequenz-Leistungsquelle mit ausreichender
Energie be- bzw. getrieben werden, um ein Plasma innerhalb
der Prozeßgaskammer zu erzeugen. Die Magnetpole sind in den
ferromagnetischen Kernspulen eingeschlossen, welche mit der
Hochfrequenzleistungsquelle so verbunden sind, daß jeder
Magnetpol in der Ebene des isolierenden Fensters durch
benachbarte Magnetpole mit entgegengesetzter magnetischer
Polarität und gleichförmiger Stärke umgeben ist. In einem
2×2 großen Feld besitzen die beiden Sätze auf
gegenüberliegenden Ecken entgegengesetzte magnetische
Polaritäten.
Claims (19)
1. Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas mit niedrigem
Druck umfassend:
eine Kammer für das Einschließen von Prozeßgasen bei verminderten Drücken und umfassend eine Einrichtung zum Steuern von Gasdruck und -strömung,
ein im wesentlichen ebenes, isolierendes Fenster für das Hindurchtretenlassen von sich ändernden magnetischen Feldern von außerhalb der Kammer in die Prozeßgase und
eine Einrichtung mit vier oder mehreren sich ändernden magnetischen Polen in Nachbarschaft zu dem isolierenden Fenster, mit benachbarten magnetischen Polen mit entgegengesetzter Polarität und mit im wesentlichen gleicher Beabstandung.
eine Kammer für das Einschließen von Prozeßgasen bei verminderten Drücken und umfassend eine Einrichtung zum Steuern von Gasdruck und -strömung,
ein im wesentlichen ebenes, isolierendes Fenster für das Hindurchtretenlassen von sich ändernden magnetischen Feldern von außerhalb der Kammer in die Prozeßgase und
eine Einrichtung mit vier oder mehreren sich ändernden magnetischen Polen in Nachbarschaft zu dem isolierenden Fenster, mit benachbarten magnetischen Polen mit entgegengesetzter Polarität und mit im wesentlichen gleicher Beabstandung.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
bei welcher die Einrichtung mit vier oder mehreren sich
ändernden magnetischen Polen so ausgebildet ist, daß
jeder der Pole so ausgebildet ist, daß jeder der Pole in
einer Richtung langgestreckt ist, wobei eine im
wesentlichen gleiche Beabstandung in einer Richtung
senkrecht zur Erstreckung der magnetischen Pole und
parallel zu dem isolierenden Fenster vorliegt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2,
bei welcher die Einrichtung mit vier oder mehreren sich
ändernden magnetischen Polen umfaßt:
Paare mit entgegengesetzter Polarität der langgestreckten, sich ändernden magnetischen Pole, die ferromagnetische Kerne mit im wesentlichen U-förmigem Querschnitt umfassen, wobei die Abmessung der ferromagnetischen Kerne senkrecht zum Querschnitt im wesentlichen größer als die Abmessung zwischen den Enden der U-förmigen Querschnitte der ferromagnetischen Kerne ist,
eine oder mehrere Wicklungen eines einen sich ändernden elektrischen Strom führenden Leiters durch die Innenseite des U-förmigen ferromagnetischen Kerns hindurch und
wobei die offene Seite des ferromagnetischen Kerns mit U-förmigem Querschnitt benachbart zu dem isolierenden Fenster angeordnet ist.
Paare mit entgegengesetzter Polarität der langgestreckten, sich ändernden magnetischen Pole, die ferromagnetische Kerne mit im wesentlichen U-förmigem Querschnitt umfassen, wobei die Abmessung der ferromagnetischen Kerne senkrecht zum Querschnitt im wesentlichen größer als die Abmessung zwischen den Enden der U-förmigen Querschnitte der ferromagnetischen Kerne ist,
eine oder mehrere Wicklungen eines einen sich ändernden elektrischen Strom führenden Leiters durch die Innenseite des U-förmigen ferromagnetischen Kerns hindurch und
wobei die offene Seite des ferromagnetischen Kerns mit U-förmigem Querschnitt benachbart zu dem isolierenden Fenster angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2,
bei welcher die Einrichtung mit vier oder mehreren sich
ändernden magnetischen Polen umfaßt:
Paare mit entgegengesetzter Polarität der langgestreckten, sich ändernden magnetischen Pole, wobei diese durch nichtmagnetische Kerne mit einem im wesentlichen U-förmigen Querschnitt ausgebildet sind, wobei die Abmessung des nichtmagnetischen Kerns senkrecht zu dem Querschnitt wesentlich größer als die Abmessung zwischen den Enden der beiden U-förmigen Querschnitte des nichtmagnetischen Kerns ist,
vier oder mehr Wicklungen eines einen sich ändernden elektrischen Strom führenden Leiters durch die Innenseite des U-förmigen nichtmagnetischen Kerns und
wobei die offene Seite des nichtmagnetischen Kerns mit U-förmigem Querschnitt benachbart zum isolierenden Fenster angeordnet ist.
Paare mit entgegengesetzter Polarität der langgestreckten, sich ändernden magnetischen Pole, wobei diese durch nichtmagnetische Kerne mit einem im wesentlichen U-förmigen Querschnitt ausgebildet sind, wobei die Abmessung des nichtmagnetischen Kerns senkrecht zu dem Querschnitt wesentlich größer als die Abmessung zwischen den Enden der beiden U-förmigen Querschnitte des nichtmagnetischen Kerns ist,
vier oder mehr Wicklungen eines einen sich ändernden elektrischen Strom führenden Leiters durch die Innenseite des U-förmigen nichtmagnetischen Kerns und
wobei die offene Seite des nichtmagnetischen Kerns mit U-förmigem Querschnitt benachbart zum isolierenden Fenster angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1,
bei welcher die benachbarten magnetischen Pole mit
entgegengesetzter Polarität in zwei Richtungen im
wesentlichen gleich beabstandet sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
bei welcher die Einrichtung mit vier oder mehreren sich
ändernden magnetischen Polen zwei oder mehrere Sätze von
zwei magnetischen Polen mit sich ändernder
entgegengesetzter Polarität umfaßt, wobei jeder Satz von
diesen durch die Enden eines im wesentlichen U-förmigen
ferromagnetischen Kerns gebildet wird, um welchen eine
oder mehrere Wicklungen eines einen sich ändernden
elektrischen Stroms führenden Leiters gewickelt sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5,
bei welcher die Einrichtung mit vier oder mehreren sich
ändernden magnetischen Polen sich ändernde magnetische
Pole umfaßt, die gebildet sind durch im wesentlichen I-
förmige magnetische Kerne, um welche eine oder mehrere
Windungen eines einen sich ändernden elektrischen Strom
führenden Leiters gewickelt sind, wobei die I-Kerne im
wesentlichen senkrecht zum Fenster befestigt sind und
die Richtung des Stromflusses bei benachbarten
ferromagnetischen I-Kernen entgegengesetzt ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7,
bei welcher die Einrichtung mit vier oder mehreren sich
ändernden magnetischen Polen ferner zusätzlich
ferromagnetische Kerne zum Koppeln des sich ändernden
magnetischen Feldes zwischen zwei oder mehreren von den
Enden der I-Kerne dem Fenster gegenüberliegend umfaßt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 5, ferner umfassend:
eine leitfähige Platte oder Lage, die zwischen den sich
ändernden magnetischen Polen und dem Fenster angeordnet
ist und Löcher aufweist, die dem Ort und der Größe der
sich ändernden magnetischen Pole entspricht und die in
die Platte oder Lage geschnittene oder eingebrachte
Schlitze hat, welche jede Öffnung mit einer benachbarten
Öffnung verbinden, und eine Einrichtung zum Verbinden
der leitfähigen Platte oder Lage mit einem Erdpotential
oder mit einer Quelle von Hochfrequenzleistung umfaßt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher:
die Einrichtung mit vier oder mehreren sich ändernden magnetischen Polen zwei oder mehrere Sätze von zwei sich ändernden magnetischen Polen mit entgegengesetzter Polarität umfaßt, wobei jeder von diesen Sätzen durch die Enden eines im wesentlichen U-förmigen nichtmagnetischen Kerns gebildet wird, um welchen vier oder mehrere Windungen eines Leiters zum Führen eines sich ändernden elektrischen Stroms gewickelt ist.
die Einrichtung mit vier oder mehreren sich ändernden magnetischen Polen zwei oder mehrere Sätze von zwei sich ändernden magnetischen Polen mit entgegengesetzter Polarität umfaßt, wobei jeder von diesen Sätzen durch die Enden eines im wesentlichen U-förmigen nichtmagnetischen Kerns gebildet wird, um welchen vier oder mehrere Windungen eines Leiters zum Führen eines sich ändernden elektrischen Stroms gewickelt ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend:
eine magnetische Einrichtung zum Führen eines konstanten magnetischen Feldes durch das Fenster in eine Kammer zur Bereitstellung von konstanten magnetischen Feldlinien, die im wesentlichen senkrecht zum Fenster verlaufen.
eine magnetische Einrichtung zum Führen eines konstanten magnetischen Feldes durch das Fenster in eine Kammer zur Bereitstellung von konstanten magnetischen Feldlinien, die im wesentlichen senkrecht zum Fenster verlaufen.
12. Vorrichtung zum Erzeugen eines Niederdruckplasmas in
einer Kammer mit einem Prozeßgas durch ein isolierendes
Fenster in der Kammer umfassend:
eine Vielzahl ferromagnetischer Kernspulen mit jeweiligen magnetischen Polen, die dem isolierenden Fenster benachbart in wenigstens einem 2×2-Feld in einer Ebene angeordnet und verbunden sind, wobei jeder magnetische Pole durch benachbarte magnetische Pole entgegengesetzter magnetischer Polarität umgeben ist, wobei in jedem 2×2-Feld die beiden Sätze von gegenüberliegenden Ecken momentan entgegengesetzte magnetische Polaritäten haben.
eine Vielzahl ferromagnetischer Kernspulen mit jeweiligen magnetischen Polen, die dem isolierenden Fenster benachbart in wenigstens einem 2×2-Feld in einer Ebene angeordnet und verbunden sind, wobei jeder magnetische Pole durch benachbarte magnetische Pole entgegengesetzter magnetischer Polarität umgeben ist, wobei in jedem 2×2-Feld die beiden Sätze von gegenüberliegenden Ecken momentan entgegengesetzte magnetische Polaritäten haben.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12,
bei welcher die Vielzahl von ferromagnetischen
Kernspulen ferromagnetische Kernspulen mit einem U-
förmigen ferromagnetischen Kern umfaßt, wobei die
offenen Enden des Kerns in einer einzigen Richtung
ausgerichtet sind, um auf das isolierende Fenster zu zu
weisen und im wesentlichen gleiche Beabtandung zwischen
jedem offenen Ende von jedem Kern und offenen Enden
benachbarter Kerne besteht.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12, ferner umfassend:
einen einstellbaren Kondensator in Serie zu der Vielzahl von ferromagnetischen Kernspulen und
einen einstellbaren Transformator mit einer Sekundärwicklung, die mit der Serienkombination des einstellbaren Kondensators und der Vielzahl von ferromagnetischen Kernspulen verbunden ist und eine Primärwicklung zum Empfang einer Hochfrequenzeingangsleistung hat.
einen einstellbaren Kondensator in Serie zu der Vielzahl von ferromagnetischen Kernspulen und
einen einstellbaren Transformator mit einer Sekundärwicklung, die mit der Serienkombination des einstellbaren Kondensators und der Vielzahl von ferromagnetischen Kernspulen verbunden ist und eine Primärwicklung zum Empfang einer Hochfrequenzeingangsleistung hat.
15. Vorrichtung nach Anspruch 12, ferner umfassend:
eine Gleich-Vorstromspule, welche die Vielzahl von ferromagnetischen Kernspulen in einer Ebene parallel zum isolierenden Fenster umgibt und Verbindungen an eine Gleichstromquelle hat, wodurch die Bewegung der Elektronen innerhalb des Plasmas gesteuert wird, um das Auftreffen auf die inneren Wände der Bearbeitungskammer zu vermeiden.
eine Gleich-Vorstromspule, welche die Vielzahl von ferromagnetischen Kernspulen in einer Ebene parallel zum isolierenden Fenster umgibt und Verbindungen an eine Gleichstromquelle hat, wodurch die Bewegung der Elektronen innerhalb des Plasmas gesteuert wird, um das Auftreffen auf die inneren Wände der Bearbeitungskammer zu vermeiden.
16. Vorrichtung nach Anspruch 12, ferner umfassend:
eine leitfähige Platte oder Lage mit Öffnungen an Stellen, die den magnetischen Polen entsprechen, welche Zugang für jede ferromagnetische Kernspule zum isolierenden Fenster ermöglichen und einen offenen Schlitz zwischen Paaren von Öffnungen haben.
eine leitfähige Platte oder Lage mit Öffnungen an Stellen, die den magnetischen Polen entsprechen, welche Zugang für jede ferromagnetische Kernspule zum isolierenden Fenster ermöglichen und einen offenen Schlitz zwischen Paaren von Öffnungen haben.
17. Vorrichtung zur Erzeugung eines Niederdruckplasmas in
einer Kammer mit einem Prozeßgas durch ein isolierendes
Fenster in der Kammer, umfassend:
eine Vielzahl von ferromagnetischen Kernspulen in einer Reihe mit jeweiligen langgestreckten magnetischen Polen, die in Nachbarschaft zum isolierenden Fenster wenigstens in einem 1×4-Feld in einer Ebene angeordnet und angeschlossen sind, wobei jeder magnetische Pol an jeder Seite durch benachbarte magnetische Pole entgegengesetzter magnetischer Polarität umgeben ist, wobei die magnetischen Pole in einer Richtung orthogonal zu der Reihe langgestreckt sind.
eine Vielzahl von ferromagnetischen Kernspulen in einer Reihe mit jeweiligen langgestreckten magnetischen Polen, die in Nachbarschaft zum isolierenden Fenster wenigstens in einem 1×4-Feld in einer Ebene angeordnet und angeschlossen sind, wobei jeder magnetische Pol an jeder Seite durch benachbarte magnetische Pole entgegengesetzter magnetischer Polarität umgeben ist, wobei die magnetischen Pole in einer Richtung orthogonal zu der Reihe langgestreckt sind.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17,
bei welcher die Vielzahl von ferromagnetischen
Kernspulen ferromagnetische Kernspulen umfassen, die
einen U-förmigen ferromagnetischen Kern haben, wobei die
offenen Enden des Kerns in einer einzigen Richtung
ausgerichtet sind, um auf das isolierende Fenster zu zu
weisen und im wesentlichen gleiche Abstände zwischen
jedem offenen Ende des Kerns und den offenen Enden
benachbarter Kerne besteht.
19. Vorrichtung nach Anspruch 17, ferner umfassend:
einen einstellbaren Kondensator in Serie mit der Vielzahl von ferromagnetischen Kernspulen und
einen einstellbaren Transformator mit einer Sekundärwicklung, die mit der Serienanordnung des einstellbaren Kondensators und der Vielzahl von ferromagnetischen Kernspulen verbunden ist und eine Primärwicklung zum Empfangen einer Hochfrequenz- Eingangsleistung hat.
einen einstellbaren Kondensator in Serie mit der Vielzahl von ferromagnetischen Kernspulen und
einen einstellbaren Transformator mit einer Sekundärwicklung, die mit der Serienanordnung des einstellbaren Kondensators und der Vielzahl von ferromagnetischen Kernspulen verbunden ist und eine Primärwicklung zum Empfangen einer Hochfrequenz- Eingangsleistung hat.
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