DE3586239T2 - Hochfrequenzplasmagenerator. - Google Patents

Description

Hintergrund der Erfindung
• Die Erfindung betrifft eine Hochfrequenz-Plasmaerzeugungsvorrichtung der in der Präambel des Patententanspruchs 1 genannten Art. Eine derartige Hochfrequenz- Plasmaerzeugungsvorrichtung ist aus US-A-3 774 001 bekannt.
• Kürzlich ist versucht worden, eine Hochfrequenz- Plasmaerzeugungsvorrichtung in einem reaktiven Ionenätzgerat, einer Ionendusche, einem Zerstäuber usw., zur Herstellung von Dünnschichtfilmen oder Halbleitergeräten zu verwenden, bei denen ein Feinraster-Verfahren erforderlich ist.
• Die bisher bekannten Plasmaerzeugungsvorrichtungen sind Ionenquellen für Ionenstrahlarbeitsgeräte, bei denen eine Bogenentladung durch eine Emission thermischer Elektronen von einem Glühfaden aufrechterhalten wird, und Plasma auf eine hocheffiziente Weise durch ein mit Hilfe einer Magnetspule erzeugtes Magnetfeld erzeugt wird, dem die Plasmaionen entzogen werden. Arbeitsgeräte, die diese Art von Ionenquellen verwenden, sind beispielsweise in "A New Production Technique: Ion Milling", D. Bollinger und R. Fink, in Solid State Technology, Nov. 1980, beschrieben.
• Wenn diese Art von Plasmaerzeugungsvorrichtungen mit reaktivem Gas arbeiten, ist es schwierig, den Betrieb lange aufrechtzuerhalten, weil der Glühfaden übermäßig stark abgenutzt wird, weil durch einige Gase die Elektroden verschmutzt werden usw..
• Um diesen Nachteil zu beseitigen, reicht es aus, wenn eine Plasmaerzeugungsvorrichtung hergestellt wird, die keinen Glühfaden verwendet. Ein Beispiel für derartige Geräte sind die bekannten Mikrowellengeräte zur Erzeugung von Plasma. Diese Art Gerät wird beispielsweise in "Microwave Ion Source" (N. Sakudo u.a., Rev. Sci. Instrum., Band 48, Nr. 7, Juli 1977) im Detail beschrieben. In diesen Mikrowellengeräten zur Erzeugung von Plasma wird das Plasma durch elektrische Mikrowellen erzeugt, wodurch es möglich ist, einen Ionenstrahl hoher Qualität zu erhalten, der insbesondere geignet ist, Halbleitergeräte zu bearbeiten. Der Nachteil ist jedoch, daß das Gerät zu kompliziert ist und daß es schwierig ist, den Durchmesser des Strahls zu vergrößern.
• Des weiteren sind als eine andere Art Gerät ohne Glühfaden Hochfrequenz-Plasmaerzeugungsvorrichtungen bekannt, die in "Radio Frequency Ion Source Development for Neutral Beam Application" (K.H. Leung u.a., J. vac. Sci. Technol. A2(2), April - Juni 1984), als Ionenquellen für Neutralteilchen-Injektionsgeräte beschrieben worden sind, die zusätzlich das Plasma für eine Kernfusion heizen.
• In einer derartigen Hochfrequenz-Plasmaerzeugungsvorrichtung wird eine Plasmaerzeugungskammer dadurch gebildet, daß das obere Ende der zylindrischen Seitenwand mit einer Endplatte abgedichtet und eine Hochfrequenzspule in zentraler Position in dieser Kammer angeordnet wird. Des weiteren werden durch diese Endplatte ein Starter-Glühfaden und ein Gaseinlaß in die Kammer eingeführt, und es wird ein Dauermagnet, der ein mehrpoliges Magnetfeld erzeugt, auf dem Umfangsabschnitt der zylindrischen Seitenwand angeordnet. Auf diese Weise wird Plasma durch eine Hochfrequenzentladung mit Hilfe der in der Plasmaerzeugungskammer angeordneten Hochfrequenzspule erzeugt und durch das mehrpolige Magnetfeld in einem Gehäuse eingeschlossen.
• Da sich jedoch die Hochfrequenzspule in einem Plasma befindet, das elektrisch leitfähig ist, ist es wahrscheinlich, daß durch das elektrische Hochfrequenzfeld, das an die Hochfrequenzspule angelegt wird, an seiner Oberfläche ein elektrischer Durchbruch auftritt. Dieser elektrische Durchbruch kann bis zu einem gewissen Grade dadurch verhindert werden, daß die Oberfläche der Hochfrequenzspule eine Isolationsschicht erhält. Allerdings ist die Haltbarkeit der dem reaktiven Gas ausgesetzten Schicht begrenzt, und es entsteht außerdem durch die Schicht auf der Oberfläche der Hochfrequenzspule ein neues Problem, nämlich, daß das Innere der Plasmaerzeugungskammer durch das Gas verschmutzt wird, das aus dem Schichtmaterial entweicht.
• US-A-3 774 001 offenbart eine Hochfrequenz-Plasmaerzeugungsvorrichtung mit:
• - einer Plasmaerzeugungskammer, die dadurch gebildet wird, daß ein Ende einer zylindrischen Seitenwand mit einer Endplatte verschlossen wird, und daß das andere Ende der zylindrischen Seitenwand mit einer Vakuumkammer verbunden ist, so daß ein Innenbereich der Plasmaerzeugungskammer hermetisch verschlossen ist,
• - Gaszufuhrmittel zum Zuführen von Gas in die Plasmaerzeugungskammer zur Produktion von Ionen durch Entladung,
• - eine in der Plasmaerzeugungskammer angeordnete Hochfrequenzspule zur Erzeugung einer Hochfrequenzentladung durch Anlegen einer Hochspannung an die Hochfrequenzspule,
• - einer Einrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes zur Erzeugung eines mehrpoligen Magnetfeldes, die das Plasma in der Plasmaerzeugungskammer einschließt und
• - einer Einrichtung zum Herausziehen der geladenen Teilchen, die in dem anderen Ende der Plasmaerzeugungskammer angeordnet ist, die die geladenen Teilchen aus dem Plasma in der Plasmaerzeugungskammer herauszieht und sie in die Vakuumkammer leitet.
• Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hochfrequenz-Plasmaerzeugungsvorrichtung vorzusehen, die es ermöglicht, einen elektrischen Durchbruch auf der Oberfläche der Hochfrequenzspule zu vermeiden, ohne daß eine elektrische Isolierschicht vorgesehen wird, und eine Langzeitstabilität im Betrieb aufweist.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Hochfrequenz-Plasmaerzeugungsvorrichtung gelöst, wie sie in Anspruch 1 beansprucht wird. Die abhängigen Ansprüche sind auf Merkmale bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung gerichtet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Fig. 1 ist ein Längsschnitt einer Hochfrequenz- Plasmaerzeugungsvorrichtung zur grundlegenden Erläuterung, ist aber nicht Teil der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 2 ist ein Querschnitt entlang II-II in Fig. 1;
• Fig. 3 ist ein Längsschnitt einer Hochfrequenz- Plasmaerzeugungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
• Fig. 4 ist ein Querschnitt entlang IV-IV in Fig. 3 und
• Fig. 5 ist eine schematische Darstellung des wesentlichen Teils von Fig. 3 zur Erläuterung der Erfindung.
• Fig. 1 ist ein Längsschnitt einer Hochfrequenz- Plasmaerzeugungsvorrichtung, in der eine Plasmaerzeugungskammer 1 dadurch gebildet wird, daß das obere Ende der zylindrischen Seitenwand 20 mit Endplatte 19 abgedichtet wird und in der gleichzeitig das untere Ende mit einer Kammer verschlossen wird, die in der Figur nicht dargestellt ist. An der Seitenwand 20 ist ein Ende jeder Isolatorstütze 9 befestigt, an deren anderem Ende eine Hochfrequenzspule 8 montiert ist. Die Hochfrequenzspule 8 ist neben der Seitenwand 20 angeordnet und wird über eine Durchführung 7 durch die Endplatte 19, die hermetisch verschlossen und elektrisch isoliert ist, mit Hochfrequenzenergie gespeist. Des weiteren sind Magnetkörper 18, wie beispielsweise weichmagnetischer Ferrit, an der Innenfläche der Seitenwand 20 angebracht, ebenso sind die beiden Enden der Isolatorstützen 4, die sich in der Hochfrequenzspule 8 befinden, daran befestigt. An der Innenfläche dieser Isolatorstützen 4 und der Endplatte 19 sind zur Erzeugung eines mehrpoligen Magnetfeldes Dauermagneten und eine Einrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes 3 angeordnet. Der obengenannte weichmagnetische Ferrit 18 bildet für das Hochfrequenz-Magnetfeld, das durch die Hochfrequenzspulen 8 erzeugt wurde, einen magnetischen Rücklaufweg. Des weiteren besteht die Hochfrequenzspule 8 aus einem runden Rohr, das durch hindurchfließendes Wasser oder Öl gekühlt wird.
• Die obengenannte Einrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes 3 ist, wie Fig. 2 zeigt, in 8 Reihen in der Plasmaerzeugungskammer 1 angeordnet, die ein mehrpoliges Magnetfeld erzeugt und einen Bereich des Plasmaeinschlusses 12 bildet, der in der Figur durch eine unterbrochene Linie angegeben ist. Dieser Plasmaeinschlußbereich 12 befindet sich in der Hochfrequenzspule 8, die gegenüber dem Plasma geschützt ist. Des weiteren ist die Einrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes 3 in einem wasser- oder ölgekühlten Gehäuse 16 angeordnet, das es ermöglicht, eine Überhitzung aufgrund von Plasmaverlusten zu vermeiden. Dieses Kühlmedium wird durch einen Kühlmittel-Einlaß 14 zugeführt, der hermetisch abgedichtet durch die Endplatte 19 hindurchführt. Außerdem werden ein Gaseinleitrohr 6 und ein Starter-Glühfaden 10 in hermetischer Abdichtung durch die Endplatte 19 geführt. Durch dieses Gaseinleitrohr 6 wird reaktives Gas, wie beispielsweise O&sub2;, zugeführt und dadurch, daß der Starter-Glühfaden 10 erhitzt wird, werden thermische Elektronen emittiert.
• Die Arbeitsweise der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Vorrichtung wird wie folgt beschrieben.
• Nach dem Luftleermachen der Plasmaerzeugungskammer 1 bis auf ein Vakuum von ungefähr 6,7 x 10&supmin;&sup4; Pa (5 x 10&supmin;&sup6; Torr), wird reaktives Gas durch das Gaseinleitrohr 6 in diese zugeführt, so daß der Druck in der Kammer 1 ungefähr 1,3 x 10&supmin;¹ - 1,3 Pa (1 - 10 m Torr) beträgt. Dann werden, indem der Starter-Glühfaden 10 erhitzt wird, thermische Elektronen durch diesen emittiert und an in ihm wird in der Plasmaerzeugungskammer 1 ein Plasma des reaktiven Gases dadurch erzeugt, daß die Hochfrequenzspule 8 mit Hochfrequenzenergie von 13,56 MHz gespeist wird. Wenn sich das Plasma stabilisiert hat, wird die Stromzufuhr zum Glühfaden 10 beendet. Eine längere Lebensdauer des Starter-Glühfadens 10 ist zu erwarten, wenn er aus dem Plasmabereich nach dem Ende der Energiezufuhr entweder zurückschnappt oder wenn er durch eine Entladungsstrecke ersetzt wird. Das entstandene Plasma hat die Tendenz, zur Wandoberfläche der Plasmaerzeugungskammer 1 zu driften, es ist aber durch ein durch eine Einrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes 3 erzeugtes mehrpoliges Magnetfeld im in Fig. 2 gezeigten Bereich 12 eingeschlossen. Ein Ionenstrahl 13 kann dadurch aus dem Plasma abgezogen werden, daß an die im Bodenbereich der Plasmaerzeugungskammer 1 angeordnete Elektrode 2 eine bestimmte Spannung angelegt wird.
• Wie aus der oben beschriebenen Arbeitsweise klar ersichtlich ist, wird bei dieser Vorrichtung, weil die Hochfrequenzspule 8 außerhalb des Plasmaeinschlußbereichs 12 angeordnet ist, mit Hilfe der Einrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes 3, d.h. weil die Hochfrequenzspule durch das Magnetfeld von dem Plasmaeinschlußbereich getrennt ist, ein elektrischer Durchbruch auf die Oberfläche der Hochfrequenzspule aufgrund des Plasmas verhindert, ohne daß auf dieser eine elektrische Isolierschicht angebracht ist. Die Vorrichtung kann daher eine lange Zeit stabil arbeiten. Mit Hilfe der hier beschriebenen Vorrichtung wurde Plasma eines O&sub2;-Gases erzeugt, und im Plasma wurde eine Ionenstrahldichte von 0,8 - 1,0 x 10¹¹ (cm&supmin;³) erzielt. Ein Strahl O&sub2;-Ionen von 500 eV wurde dem Plasma entzogen, und es wurde eine Ionenstromdichte von 0,65 mA/cm² erzielt. Darüberhinaus ist der Wartungszeitraum, d.h. der Zeitraum, während dem die Vorrichtung ohne Wartung verwendet kann, 5 mal so lang wie bei der Vorrichtung nach dem Stand der Technik, die einen Glühfaden verwendet. Wie bereits oben erwähnt, kann die Vorrichtung eine lange Zeit stabil arbeiten, auch wenn zum Herausziehen einer großen Teilchenmenge aus dem Ionenstrahl reaktives Gas verwendet wird, und es tritt kein elektrischer Durchbruch an der Oberfläche der Hochfrequenzspule 8 auf. Da darüberhinaus das Plasma in einem bestimmten Plasmaeinschlußbereich 12 durch das mehrpolige Magnetfeld eingeschlossen ist, wird im Gegensatz zu einem großen Bereich des Plasmaeinschlusses 12 ein fast gleichmäßiges Plasma erzielt, und der Durchmesser des Strahls läßt sich auf einfache Weise vergrößern. Das heißt, eine Vergrößerung des Durchmessers des Strahls läßt sich dadurch erreichen, daß mehr Einrichtungen zum Erzeugen eines Magnetfeldes 3 vorgesehen werden oder das Magnetfeld stärker gemacht wird, so daß eine Intensität des Magnetfeldes erreicht wird, die ausreichend ist, um das Plasma einzuschließen.
• Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Hochfrequenz- Plasmaerzeugungsvorrichtung gemäß dieser Erfindung.
• In diesem Ausführungsbeispiel ist die Einrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes 3 zur Erzeugung eines mehrpoligen Magnetfeldes außerhalb des Gefäßes angeordnet, das die Plasmaerzeugungskammer 1 bildet. Des weiteren sind die Nord- und Südpole der Einrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes 3 abwechselnd in axialer Richtung an der Seitenwand 20 angeordnet, und gleichzeitig sind die Pole mit gleicher Polarität beinahe kontinuierlich in Umfangsrichtung der Seitenwand angeordnet, wie Fig. 4 zeigt. In dem in der Figur gezeigten Fall ist die Einrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes 3 in Ringform, bestehend aus 7 Schichten in einem bestimmten Abstand in axialer Richtung längs der Seitenwand 20 angeordnet, und die Hochfrequenzspule 8 ist so angeordnet, daß sich jede Windung zwischen zwei nebeneinanderliegenden Schichten in der Nähe der Seitenwall 20 der Plasmaerzeugungskammer 1 befindet und mit Hilfe einer Isolatorstütze 21 an der Seitenwand 20 befestigt ist. Die restliche Konstruktion ist mit der im vorgenannten Ausführungsbeispiel identisch. Die identischen oder äquivalenten Teile haben die gleichen Bezugsziffern und auf eine detaillierte Erläuterung wird daher verzichtet.
• Fig. 5 ist eine schematische Darstellung der Situation des Plasmaeinschlusses in der Hochfrequenz-Plasmaerzeugungsvorrichtung mit einer Konstruktion gemäß diesem Ausführungsbeispiel. Die Einrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes 3, die auf der Außenfläche der Seitenwand 20 angeordnet ist, erzeugt ein Magnetfeld in der durch den Pfeil 11 angezeigten Richtung. Daher wird, obwohl das durch die Hochfrequenzentladung erzeugte Plasma die Tendenz hat, gegen die Seitenwand 20 zu driften, dieses Driften durch das obengenannte Magnetfeld verhindert, und die Ionen werden in dem durch schwarze Punkte in der Figur gekennzeichneten Bereich 12 eingeschlossen. Auf diese Weise kann ein elektrischer Durchbruch aufgrund des durch die Hochfrequenzspule 8 erzeugten Plasmas verhindert werden. Es können daher auch in diesem Ausführungsbeispiel die gleichen Wirkungen wie im vorigen Ausführungsbeispiel erzielt werden.
• Des weiteren kann, wie oben erwähnt, die Einrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes 3 entweder ein Elektromagnet oder ein Dauermagnet sein oder sie kann eine Kombination dieser Magneten sein. Wenn ein Dauermagnet verwendet wird, ist es wünschenswert einen Magneten zu verwenden, der durch Formen eines Magnetpulvers mit Kunstharz hergestellt wurde, weil so die Wärmeentwicklung durch das Hochfrequenzmagnetfeld reduziert wird. Außerdem kann die Vorrichtung als Ätz- oder Sputtervorrichtung Verwendung finden, wenn die Elektrode 2 zum Herausziehen des Ionenstrahls, die in den obigen Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, entfernt wurde, und wenn das zu bearbeitende Material mit dem Plasma oder den reaktiven Radikalen direkt in Kontakt gebracht wird, so ist die Vorrichtung als Hochfrequenz-Plasmaerzeugungsvorrichtung sehr breit verwendbar. Darüberhinaus kann, obwohl in den obigen Ausführungen Beispiele beschrieben wurden, in denen nur reaktives Gas verwendet wurde, ebensogut nichtreaktives Gas verwendet werden.
• Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Plasmaerzeugungsvorrichtung, wie oben beschrieben, wird, da die Plasmaerzeugungskammer durch ein hermetisches Verschließen der beiden Enden ihrer zylindrischen Seitenwand gebildet wird, eine Hochfrequenzspule in der Hochfrequenz-Plasmaerzeugungskammer angeordnet wird, die eine Hochfrequenzentladung dadurch erzeugt, daß Gas zur Erzeugung von Ionen durch Entladung eingebracht, und sie gleichzeitig mit Hochfrequenzenergie gespeist wird, und eine Einrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes, die ein mehrpoliges Magnetfeld zum Einschließen eines Plasmas in der Plasmaerzeugungskammer erzeugt, in der Nähe der zylindrischen Seitenwand angeordnet wird und das Plasma von der Hochfrequenzspule getrennt wird, wird ein elektrischer Durchbruch auf der Oberfläche der Hochfrequenzspule durch das Plasma verhindert, und es ist daher möglich, eine Hochfrequenz-Plasmaerzeugungsvorrichtung vorzusehen, die lange Zeit stabil arbeiten kann.

Claims (3)

1. Hochfrequenz-Plasmaerzeugungsvorrichtung mit

einer Plasmaerzeugungskammer (1), die dadurch gebildet wird, daß das eine Ende einer zylindrischen Seitenwand (20) mit einer Endplatte (19) verschlossen wird und das andere Ende mit einer Vakuumkammer verbunden wird,

einer Gaseinleitvorrichtung (6) zum Einleiten eines reaktiven Gases zur Erzeugung von Ionen durch Entladung in die Plasmaerzeugungskammer (1),

einer Hochfrequenzspule (8), die in der Plasmaerzeugungskammer in der Nahe der Seitenwand (20) angebracht ist, zur Erzeugung einer Hochfrequenzentladung, indem die Hochfrequenzspule mit elektrischer Energie hoher Frequenz gespeist wird, um Plasma des reaktiven Gases zu erzeugen,

eine Einrichtung (3) zum Erzeugen eines magnetischen Felds zum Erzeugen eines mehrpoligen Magnetfelds zum Einschließen des Plasmas in der Plasmaerzeugungskammer (1), und

einer Einrichtung (2) zum Herausziehen von geladenen Partikeln, die am anderen Ende der Plasmaerzeugungskammer (1) angebracht ist, zum Herausziehen von geladenen Partikeln (13) des Plasmas in der Plasmaerzeugungskammer (1), um die geladenen Partikel in die Vakuumkammer zu leiten,

dadurch gekennzeichnet, daß

- die Einrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds mehrere Dauermagneten (3) aufweist, von denen sich jeder in Umfangsrichtung der Plasmaerzeugungskammer (1) erstreckt, und deren Nordpole und Südpole in axialer Richtung der Plasmaerzeugungskammer (1) in abwechselnder Weise angebracht sind und bei denen die Pole gleicher Polarität in Umfangsrichtung näherungsweise kontinuierlich angeordnet sind, und die sich in der Atmosphäre befinden,

- ein Nord/Südpol der Dauermagneten (3), eine Windung der Hochfrequenzspule (8) und ein Süd/Nordpol der Dauermagneten schleifenförmig wiederholt in axialer Richtung der Plasmaerzeugungskammer (1) angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Hochfrequenzspule an der Seitenwand (20) mittels isolierender Stützen (21) befestigt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Dauermagneten durch Formen eines magnetischen Pulvers mit Kunstharz hergestellt werden.