TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der
Erzeugung von Plasmen durch HF-Induktion und insbesondere auf
eine Plasmaprozeßvorrichtung, wie sie im Oberbegriff des
Anspruchs 1 definiert ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Induktiv eingekoppelte Plasmen (ICPs), die mit
Hochfrequenz-(HF)Wellen mit einer Frequenz, die im allgemeinen
zwischen 1 MHz und 100 MHz liegt, erzeugt werden, können geladene
Partikel (Elektronen und Ionen) in Konzentrationen von mehr als
10¹¹ cm&supmin;³ und Ionenströme auf Wafersubstrate liefern, die
größer als 5 mA/cm² sind. Die ICP-Quelle steht somit im
Wettbewerb mit Elektroncyclotronresonanz-(ECR)Plasmaquellen für
Halbleiterherstellungsprozesse, die eine Plasmaerzeugung
erfordern. Zu den Halbleiterherstellungsprozessen, die Plasma
verwenden, gehören das Trockenätzen, die plasmaunterstützte
Abscheidung, das Trokkenreinigen von Wafern und Anwendungen,
die die Erzeugung von ultraviolettem Licht (UV) erfordern.
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Induktiv gekoppelte HF-Plasmaquellen besitzen gegenüber
kapazitiv gekoppelten HF-Plasmaquellen und ECR-Plasmaquellen
Vorteile. Im Gegensatz zu kapazitiv gekoppelten HF-Plasmen
besitzen induktiv gekoppelte HF-Plasmen wesentlich geringere
intrinsische Plasmapotentiale (< 50 V) und erzielen einen
wesentlich größeren Ionisationswirkungsgrad (> 5%). Darüber hinaus
ist das intrinsische Plasmapotential von der HF-Leistung
relativ unabhängig. Das niedrige intrinsische Plasmapotential ist
bei Anwendungen nützlich, bei denen hohe Ionenenergien nicht
toleriert werden können, z. B. beim Trockenätzen, bei dem starke
Ionenenergien die Bauelemente auf dem Wafer beschädigen können.
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In ECR-Plasmaquellen werden die Plasmaionen durch
Elektronenbombardierung in einer Entladungskammer erzeugt und unter
Verwendung von magnetischen und/oder elektrischen Feldern auf
die Oberfläche gerichtet. Wie beim Fall der ECR-Systeme kann
die Ionenenergie von induktiv gekoppelten HF-Plasmen unabhängig
von der Plasmadichte variiert werden, indem der Wafer der
integrierten Schaltung mit einer getrennten HF- oder
Gleichspannungsversorgung vorgespannt wird. Bei einer ECR-Plasmaquelle
ist auch der Druck, bei dem das Plasma effektiv erzeugt werden
kann, ein Gesichtspunkt. Eine ECR-Quelle ist bei Drücken unter
1 mTorr am wirkungsvollsten, was für die meisten
Halbleiterprozeßanwendungen zu wenig ist. Die ICP-Quelle hat jedoch den
Vorteil, daß sie in einem Druckbereich arbeitet, der besser zu
den Anforderungen des Halbleiterprozesses paßt (1 mTorr bis
50 mTorr). Da der Betriebsdruck größer ist, sind die
Pumpanforderungen für eine bestimmte Gasdurchflußrate moderater für die
ICP-Quelle. Darüber hinaus kann die ICP-Quelle einen größeren
Durchmesser (15 cm bis 30 cm), ein homogeneres Plasma in einem
kompakten Design und bei wesentlich geringeren Kosten als bei
einer ECR-Quelle liefern.
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Eine Art von Plasmaquelle, die eine HF-Induktionskopplung
verwendet, koppelt die Energie in das Plasma über Whistler-
oder Helikonwellen. Diese Art Generator wird als
Helikonplasmaquelle bezeichnet. In Gegenwart eines Magnetfeldes, das von
100 6 bis 1 kG reicht und entlang der Achse der Quelle
gerichtet ist, kann eine Whistlerwelle durch Anlegen einer
HF-Spannung an eine Schleifenantenne angeregt werden, die um den
Quellenhohlraum herum angeordnet ist. Obwohl diese axialen
Magnetfelder im allgemeinen schwächer als die in ECR-Quellen
verwendeten Magnetfelder sind, ist das Plasma um den
Durchmesser der Quelle nicht gleichförmig. So muß ein Wafer, der einen
Plasmaprozeß erfährt, von der Quelle weg oder "stromabwärts
gerichtet" sein, und zwar in einem Bereich, in dem das Plasma
ausreichend homogen ist. Das macht es erforderlich, die
Eingangsleistung der Quelle zu erhöhen, um eine ausreichende
Plasmadichte (d. h. eine ausreichende Elektronen- und
Ionenkonzentration) an der stromabwärtsliegenden Position zu erzielen.
Darüber hinaus sind große Magnetspulen erforderlich, um die
axialen Magnetfelder zu erzeugen. Diese Merkmale erhöhen die
Kosten und die Komplexität.
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EP-A-0 403 418 beschreibt eine Plasmaprozeßkammer mit einer
äußeren Antenne aus zwei gleich großen Schleifen, um eine
Whistlerwelle anzuregen, eine Matrix aus Permanentmagneten zum
Bilden eines magnetischen Eimers, um das Plasma einzugrenzen,
und einen Elektromagneten, um ein magnetisches Feld für die
Whistlerwelle zu schaffen.
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Die Veröffentlichung der internationalen Patentanmeldung
WO 91/14258 beschreibt eine entsprechende Plasmaprozeßkammer
mit einer äußeren einfachen Schleifenantenne, die dazu dient,
eine Whistlerwelle anzuregen, einer Matrix aus
Permanentmagneten zum Bilden eines magnetischen Eimers, um das Plasma
einzugrenzen, und einem Elektromagneten, um das Magnetfeld für
die Whistlerwelle zu liefern.
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Aus dem US-Patent Nr. 5,225,740 ist es bekannt, mehrere einen
gleichen Abstand zueinander aufweisende und gleich große
Schleifen zu verwenden, um eine Whistlerwelle innerhalb einer
Wellenleiterstruktur anzuregen, bei der das Innere der
Wellenleiterstruktur als Plasmakammer fungiert.
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Das dem Erfinder der vorliegenden Erfindung zugeordnete
US-Patent Nr. 5,231,334 zeigt eine spiralförmige Antenne, die in
gleiche Längenabschnitte unterteilt ist, wobei die Segmente
durch Kondensatoren verbunden sind. Dieses vermindert die
Impedanz der spiralförmigen Antenne.
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Eine zweite Art Plasmaquelle unterscheidet sich von der
generischen Whistlerwellen- oder Helikonquelle dadurch, daß sie
das axiale Magnetfeld wegläßt. Der einem Plasmaprozeß
unterzogene Wafer kann daher in den Plasmaerzeugungsbereich gesetzt
werden. Selbst wenn die Spitzenplasmadichten (5 · 10¹¹ cm&supmin;³)
für eine solche Quelle um eine Größenordnung unter derjenigen
der Whistlerwellenquelle liegen, sichert die Näher des Wafers
zu dem Plasmaerzeugungsbereich, daß die Verarbeitungsraten
ver
gleichbar sind. Waferätzraten von mehr als 1 um/min sind für
viele in Frage kommenden Materialien möglich. Diese Quelle ist
einfacher, kompakter und billiger als die Helikonplasmaquelle.
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Eine Version dieser Art von Induktionsplasmaquelle
verwendet eine viele Windungen aufweisende Flachspule, die entlang
der Oberfläche einer zylindrischen Vakuumkammer liegt. Ein
Quarzvakuumfenster, typischerweise 12,5 mm (0,5 Inch) dick,
isoliert die Quelle von der Kammer. Wenn die Spule durch eine
HF-Quelle mit Energie versorgt wird, zirkulieren starke Ströme
in den Spulen. Diese Ströme induzieren starke elektrische
Felder in der Kammer, die den Plasmazustand hält. Die
zeitveränderlichen magnetischen und elektrischen Felder, die durch die
Flachspule erzeugt werden, sind proportional zum Spulenstrom
und wachsen proportional zum Quadrat der Anzahl an
Spulenwindungen und proportional zum Spulendurchmesser. Die
Gleichförmigkeit des induzierten elektrischen Feldes von einer
Flachspule wird mit Erhöhung des Spulendurchmessers und der Anzahl
an Spulenwindungen zunehmend größer. Jedoch ist auch die
Induktivität der Spule proportional zum Quadrat der Anzahl an
Spulenwindungen. Das bedingt es, daß die an der Spule abfallende
Spannung sich mit steigender Anzahl an Spulenwindungen für
einen feststehenden Spulenstrom erhöht. Beispielsweise beträgt
der Spannungsabfall an einer 5 uH-Spule für einen RMS-Strom von
20 A bei 13,56 MHz 8,5 kV. Eine so hohe Spannung ist ein Risiko
und führt zu einer Kopplung von kapazitiver Energie zwischen
der Spule und dem Plasma. Die kapazitive Kopplung ist nicht
erwünscht, da das intrinsische Plasmapotential stark zunimmt,
wenn ein merklicher Betrag an Energie über die kapazitive
Kopplung übertragen wird. Das schränkt die Anzahl an
Spulenwindungen auch bei diesen HF-Plasmaquellen mit viele Windungen
aufweisenden Flachspulen, die entlang der oberen Fläche der
Quelle angeordnet sind, auf ungefähr drei ein.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Daher ist ein Bedarf nach einer HF-Plasmaquelle
entstanden, die die Vorteile der Helikon-Plasmaquelle und der ICP-
Plasmaquelle kombiniert, die Anzahl an Systemkomponenten
mini
miert, die Ausgangsleistung in wirksamer Weise nutzt, eine gute
Plasmahomogenität liefert und die Spulenspannungen auf sicheren
Pegeln hält. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine
Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmas geschaffen, die die bei
bisherigen Plasmaquellen auftretenden Nachteile im wesentlichen
beseitigt oder vermindert.
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Die vorliegende Erfindung ist eine
Plasmaprozeßvorrichtung, wie sie anfangs erwähnt wurde, die die Merkmale des
kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 aufweist. Die Plasmaquelle
weist eine Vakuumkammer zum Umfassen des Plasmas auf. Außerhalb
der Kammer sind mehrere multipolare Permanentmagneten
enthalten, die verwendet werden können, um ein konvexes Magnetfeld zu
erzeugen, um die Plasmaverluste an der Kammerwand zu
vermindern, die Plasmadichte zu verbessern und den Betrieb der
Plasmaquelle auf niedrigere Drücke auszudehnen. Die Quelle umfaßt
wenigstens einen Satz aus Elektromagneten, die außerhalb der
Kammer zum Erzeugen eines variablen statischen Magnetfelds
angeordnet sind, das eine bevorzugte Ausbreitungsrichtung für die
Whistlerwelle definiert. Darüber hinaus sind Spulen vorgesehen,
die als Antenne für eine resonante induktive Kopplung einer HF-
Leistung dienen, um eine Whistlerwelle zu erzeugen und
anzuregen. Die angeregte Whistlerwelle überträgt genügend
Energie, um ein Plasma in den Prozeßgasen zu induzieren und zu
erhalten. Die Spule erzeugt darüber hinaus zeitveränderliche,
stehende Wellen aufweisende elektromagnetische Felder. Diese
Felder verbessern die Plasmadichte in der Plasmaquelle. Die
wenigstens eine Spule sitzt innerhalb der Kammer der
Plasmaquelle der vorliegenden Erfindung.
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Um eine Whistlerwellenkopplung zu erzielen, sollte die zur
Anregung der Whistlerwelle verwendete Frequenz der HF-Leistung
so gewählt werden, daß sie zwischen den Ionen- und
Elektronenzyklotronfrequenzen der Prozeßgase liegt, und die
Zyklotronfrequenzen sollten so ausgewählt werden, daß sie kleiner als die
Elektronenplasmafrequenz der Prozeßgase sind. Die
HF-Leistungsquelle kann bei der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung
entweder transversale elektromagnetische Wellen (TE-Mode),
transversale magnetische Wellen (TM-Mode) oder eine Mischung aus
Wellen vom TE- und TM-Mode erzeugen, um die Whistlerwelle zu
bilden.
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Ein technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht
darin, daß sie in bestehende Halbleiterprozeßanlagen integriert
werden kann. Zum Beispiel können Trockenätzkammern, die ein
Plasma zum Durchführen einer Ätzung erfordern, an der
Plasmaquelle der vorliegenden Erfindung angebracht werden. Eine
integrierte Trockenätz-/Plasmaquellenkammer liefert im Vergleich zu
Naßätzsystemen ein besseres Ätzleistungsverhalten.
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Ein wichtiger technischer Vorteil der offenbarten
Erfindung besteht darin, daß die Spulenkonfiguration im Vergleich zu
Spulen mit einfacher Windung intensivere Felder erzeugen kann.
Die Spulenkonfiguration mit mehreren Windungen der vorliegenden
Erfindung besitzt den technischen Vorteil, daß sie in
effektiver Weise einen großen Bereich von Antennenlängen liefert,
wodurch die Effizienz der induktiven Resonanzkopplung über
einen Bereich von Plasmaentladungsbedingungen verbessert wird.
Die neben der Resonanz auftretende Induktionskopplung ist nicht
sehr effizient; daher kann das Bereitstellen von Antennen
verschiedener Längen den Betriebsbereich des Plasmagenerators
vergrößern. Darüber hinaus bringen Antennen unterschiedlicher
Längen den technischen Vorteil der Mehrfachmodusoperation und
der homogeneren Plasmen mit.
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Ein weiterer technischer Vorteil besteht darin, daß die in
der Kammer der Plasmaquelle der vorliegenden Erfindung
erzeugten elektromagnetischen Felder gleichförmig sind und sich in
der Kammer konzentrieren. Die vorliegende Erfindung liefert den
technischen Vorteil, daß das erzeugte elektromagnetische Feld
vollständig in der Prozeßkammer enthalten ist. Das beugt einer
Aufheizung von Metalloberflächen außerhalb der Kammer durch
Wirbelströme vor und führt zu einer noch wirksameren
Plasmaerzeugung. Darüber hinaus verbessert die durch die Spulen
geschaffene multipolare Magnetbegrenzung die Plasmadichten für
Drücke von weniger als 50 mTorr.
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Ein weiterer technischer Vorteil der vorliegenden
Erfindung besteht darin, daß dann, wenn die Plasmaentladung in einem
Bereich betrieben wird, in dem die Resonanzinduktionskopplung
zu den Whistlerwellen nicht auftritt, die durch die mehreren
enggepackten Spulen erzeugten elektromagnetischen Felder das
Plasma nur durch induktive Kopplung erhalten. So dürfte es bei
der Plasmaquelle der vorliegenden Erfindung möglich sein, ein
Plasma unter Bedingungen zu erhalten und aufrechtzuerhalten,
bei denen eine Resonanzinduktionskopplung weder wirksam noch
möglich ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Um die vorliegende Erfindung und ihre Vorteile noch besser
verstehen zu können, wird nun Bezug auf die nachfolgende
Beschreibung genommen, die in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen zu lesen ist.
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Fig. 1 beschreibt ein teilweise im Querschnitt
dargestelltes und teilweise schematisches Schaubild der
Plasmaquelle, bei der die Spulen in der Kammer angeordnet sind;
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Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf die Plasmaquelle der
Fig. 1;
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Fig. 3 zeigt das magnetische Feld, das durch den Strom in
einer Drahtlänge erzeugt wird;
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Fig. 4 zeigt eine Spule, die aus vier Schleifen besteht;
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Fig. 5 zeigt eine Querschnittsansicht der Fig. 2 entlang
der Ebene I-I';
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Fig. 6 beschreibt ein teilweise im Querschnitt
dargestelltes und teilweise schematisches Schaubbild einer
Plasmaquelle, bei der die Spulen außerhalb der Quellenkammer liegen;
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Fig. 7 beschreibt eine Draufsicht auf die in der Fig. 6
dargestellte Plasmaquelle; und
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Fig. 8 zeigt ein teilweise im Querschnitt dargestelltes
und teilweise schematisches Schaubild der Plasmaquelle der
Fig. 1, die in eine Halbleiterverarbeitungskammer integriert
ist.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung und ihre Vorteile lassen sich am besten unter Bezug auf
die Fig. 1-8 verstehen, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf
gleiche und sich entsprechende Teile der verschiedenen
Zeichnungen beziehen.
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Die Fig. 1 zeigt ein teilweise im Querschnitt
dargestelltes und teilweise schematisches Schaubild einer Plasmaquelle
10, die Spulen 12 verwendet, um in induktiver Weise HF-Leistung
an die Prozeßgase zu koppeln, um einen Plasmazustand in den
Prozeßgasen zu induzieren. Die Plasmaquelle 10 umfaßt eine
Kammer 14, die typischerweise aus einem geeigneten dielektrischen
Material wie Quarz hergestellt ist, um das Plasma besser
umfassen zu können. Die Kammer 14 ist darüber hinaus
vakuumabgedichtet. Die Kammer 14 besitzt einen Einlaß 16 zum Einführen der
Prozeßgase in die Kammer. Die Einlaßöffnungen 18 ermöglichen es
den Prozeßgasen, in die Kammer 14 mit einer gleichförmig
gesteuerten Geschwindigkeit einzutreten. Nachdem der
Plasmazustand in den Prozeßgasen erreicht wurde, wird das Plasma von
der Kammer 14 durch eine Öffnung, die in der Fig. 1 durch das
Ende 19 dargestellt ist, entladen. Die Plasmaquelle 10 der
Fig. 1 kann an irgendeine geeignete Halbleiterprozeßkammer
angebracht werden, die ein Plasma für den Prozeß benötigt.
Waferätz- und Waferabscheidungskammern sind Beispiele von
Halbleiterverarbeitungskammern, an die die Plasmaquelle 10
angebracht werden könnte.
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In der Kammer 14 können sich mehrere Spulen 12 befinden.
Die Spulen 12 bestehen aus einer Reihe von Schleifenantennen,
die konzentrisch zur Spulenanordnung angeordnet sind und so
geformt sind, daß sie sich an die Konturen der Kammer 14
anpassen. Die Spulen 12 können aus einem geeigneten
HF-Leitermaterial hergestellt sein. Kupfer, Aluminium oder kupferverkleidete
Rohre mit einem Durchmesser von 6,25 mm (1/4 Inch) haben sich
als geeignete Materialien für die Herstellung der Spulen 12
erwiesen. Bei der Ausführungsform der Fig. 1 liegen die Spulen
12 in der Kammer 14 und sind von der dielektrischen Deckschicht
22 umgeben, um ihre Kontamination zu verhindern. Quarz- und
Epoxidkapselungen gehören zu den geeigneten Materialien für die
Dielektrikumsbeschichtung 22. Die Spulen 12 können miteinander
durch die Verbindungsleitung 24 verbunden sein, die durch die
Mitte der Kammer 14 läuft. Die Verbindungsleitung 24 ist in
entsprechender Weise mit einer Dielektrikumsbeschichtung 22
umhüllt. Die Spulen 12 können auch so aufgebaut sein, daß sie
einen Wassereinlaß 26 und einen Wasserauslaß 28 aufweisen.
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Wasser kann durch die Spulen 12 und die Verbindungsleitung 24
gepumpt werden, um die Temperatur der Spulen 12 und der Leitung
24 unter der Temperatur zu halten, bei der die Spulen oder die
Beschichtung beschädigt werden könnten. Die Spulen 12 sind
darüber hinaus mit der HF-Energiequelle 30 und Masse 32 verbunden.
Ein (nicht explizit dargestelltes) dazwischenliegendes
Anpassungsnetzwerk ist erforderlich, um die HF-Leistung (1 MHz
bis 100 MHz) von der HF-Leistungsquelle 30 an die Spulen 12
anzulegen. Bei der Ausführungsform der Fig. 1 liefert die HF-
Energiequelle 30 die HF-Energie in der Form von transversalen
elektromagnetischen Wellen (TE-Mode).
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Außerhalb der Kammer 14 können mehrere Permanentmagneten
34 um den gesamten Umfang der Kammer 14 angeordnet sein, wobei
Magneten mit der gleichen Polarität einander gegenüberliegen,
was in der Fig. 2 zu erkennen ist. Es ist zu erkennen, daß die
Permanentmagneten auch weggelassen werden könnten, ohne von dem
erfinderischen Konzept der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Es hat sich gezeigt, daß Permanentmagneten, die ein
magnetisches Feld von 100-500 Gauß an der Oberfläche der Kammer
errichten, ausreichend sind. Bei der Ausführungsform der in der
Fig. 1 dargestellten Plasmaquelle 10 ist ein einziger Satz an
Elektromagneten 36 außerhalb der Kammer 14 angeordnet. Es hat
sich gezeigt, daß Elektromagnetspulen, die ein
elektromagnetisches Feld von 100-1000 Gauß in der Mitte der Kammer 14
errichten, geeignet sind. Es ist zu erkennen, daß die Anzahl und
Anordnung der Permanentmagneten 34 und der Elektromagnetspulen
36 verändert werden kann, ohne von dem erfinderischen Konzept
in der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Die Fig. 2 zeigt eine Draufsicht der Plasmaquelle 10 der
Fig. 1. Wie bei dieser Ansicht zu erkennen ist, liegen die
Spulen 12 innerhalb der Kammer 14 und sind mit einer
dielektrischen Beschichtung 22 umgeben. Die Spulen 12, die konzentrisch
in einer planaren Ansicht (siehe Fig. 4) gebildet sind, sind
darüber hinaus so geformt, daß daß sie an die kreisförmige Form
der Kammer 14 angepaßt sind. Darüber hinaus zeigt die
Draufsicht der Fig. 2 die Spulen 12 in der Form eines Kreises 38.
Die Spulen 12 sind in der Realität durch Zwischenräume 40 und
42 getrennt. Obwohl bei der Ausführungsform der Fig. 1 und 2
zwei Spulen 12 dargestellt sind, ist zu erkennen, daß die
Anzahl der Spulen variiert werden kann, ohne von den
erfinderischen Konzepten der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Während des Betriebs der Plasmaquelle 10, die in den
Fig. 1 und 2 dargestellt ist, wird ein Prozeßgas, z. B. Argon
oder Schwefelhexafluorid, in die Kammer 14 durch den Einlaß 16
und die Einlaßöffnungen 18 eingeführt. Die Anordnung der
Permanentmagneten 34 mit Magneten abwechselnder Polarität, die
nebeneinander angeordnet sind, bildet ein konvexes Magnetfeld
entlang der Oberfläche der Kammer 14, das dabei hilft, das
Plasma zu begrenzen. Die Elektromagneten 36 erzeugen ein
veränderliches statisches Magnetfeld, das die Ausbreitungsrichtung
für die durch die Spulen 12 erzeugte Whistlerwelle definiert.
Es können weitere Sätze von Elektromagneten 36 verwendet
werden, um die Homogenität des axialen magnetischen Felds zu
verbessern, obwohl bei dieser Ausführungsform nur ein Satz
dargestellt ist. Es kann erforderlich sein, drei oder mehr
Elektromagneten zu verwenden, um die Plasmahomogenität zu
verbessern.
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Bei Resonanzinduktionsplasmageneratoren wird die
Whistlerwelle in dem Hohlraum durch Resonanzkopplung angeregt, wenn die
Länge einer in oder um den Hohlraum angeordneten Antenne der
Hälfte der Wellenlänge der Whistlerwelle entspricht. Um
sicherzustellen, daß der entscheidende Teil der Kopplung der
HF-Energie für die Whistlerwellen durch Resonanzinduktion entsteht,
ist die optimale Länge der für die maximale Kopplung
erforderlichen Antenne eine Funktion der Bedingungen in der
Plasmaquelle. Die Wellenlänge der Whistlerwelle kann durch die
Gleichung (1) ausgedrückt werden:
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λ(cm) = 5 · 10&sup9;(B&sub0;/nef)1/2 (1)
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wobei: B&sub0; das Magnetfeld in Gauß ist;
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ne die Elektronenkonzentration in 1/cm³ ist; und
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f die Frequenz in Hz ist.
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Daher wird bei einer Antenne von feststehender Länge die
Resonanzinduktion und -anregung der Whistlerwelle, die zur
Plasmaerzeugung führt, nur dann auftreten, wenn die Variablen in der
Gleichung (1) so gewählt sind, daß die Wellenlänge der
Whistlerwelle der Hälfte der Länge der Antenne in dem Hohlraum
entspricht. Da die Wellenlänge λ der Whistlerwelle von dem
magnetischen Feld B&sub0;, der Elektronenkonzentration ne und der
Frequenz f der Welle in der Kammer abhängt, wird es nicht immer
möglich sein, einen Plasmazustand in den Prozeßgasen mit einer
nur eine Schleife aufweisenden Antenne aufrechtzuerhalten.
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Bei der Ausführungform der vorliegenden Erfindung, die in
den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, liefert die Spule 12 die
mehreren Antennenlängen, die erforderlich sind, um die Hälfte
der sich verändernden Wellenlänge λ der Whistlerwelle unter
Anpassung zu erreichen, wenn sich das Magnetfeld B&sub0;, die
Elektronenkonzentration ne und die Frequenz f in der Kammer 14
verändern, wodurch die Wellenlänge λ der Whistlerwelle
verändert wird. Die Spule 12 liefert so in wirksamer Weise einen
Bereich an Antennenlängen, der es möglich macht, eine
Resonanzinduktionsanregung der Whistlerwelle zu erreichen, wodurch die
Kopplungseffizienz in einem Bereich an Plasmabedingungen
verbessert wird.
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Die Spule 12 induziert darüber hinaus intensive
zeitveränderliche elektromagnetische Felder in der Kammer 14. Nachdem
die zeitveränderlichen elektromagnetischen Felder die
notwendige Schwelle erreicht haben, werden die Prozeßgase ionisiert
und es wird ein Plasma in der Kammer 14 aufgebaut. Die Antennen
veränderlicher Länge, d. h. die Spulen, können darüber hinaus zu
einer Multimode-Whistlerwellenerzeugung und zu einem
homogeneren Plasma führen. Darüber hinaus ist es so, daß während des
Betriebes der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Plasmaquelle 10
dann, wenn die Entladung in einem Bereich betrieben wird, in
dem keine Resonanzinduktion auftritt, die intensiven
zeitveränderlichen elektromagnetischen Felder, die durch die
Mehrfachspulen 12 in der Kammer 14 erzeugt werden, das Plasma
aufrechterhalten. So ist es möglich, den Plasmazustand in den
Prozeßgasen selbst dann aufrechtzuerhalten, wenn Bedingungen
vorliegen, die keine Whistlerwellenerzeugung und Resonanzinduktion
unterstützen. Darüber hinaus weist die Konfiguration des
magnetischen Feldes B aufgrund der Spulen 12 starke tangentiale und
radiale Komponenten auf, die zum Anregen des Whistlermodus
wünschenswert sind.
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Auch ist in der Fig. 2 der Punkt 44 angezeigt, der als
Referenz verwendet wird, um die Felder in der Plasmaquelle 10
zu erläutern. Der Punkt 44 sollte als ein beliebiger nicht-
fixierter Punkt entlang der Ebene 1-1' über oder unter der
Verbindungsleitung 24 und innerhalb der oberen und unteren
Grenzen der Spulen 12 betrachtet werden. Das Magnetfeld B am
Punkt 44 der Ebene 1-1', das durch den Strom in der Länge 1 des
Drahtes 46 in einem Abstand R, dargestellt in der Fig. 3,
erzeugt wird, ist durch die folgende Gleichung (2) gegeben:
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wobei: I der Strom in dem Draht 46 ist;
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R der Abstand von dem Draht 46 ist;
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l die Länge des Drahtes 46 ist; und
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u&sub0; die Permeabilität des Mediums ist, in dem sich die
Welle fortbewegt.
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Das magnetische Feld B sollte so betrachtet werden, als wenn es
sich auf einem kreisförmigen Pfad um den Draht 46 herum
ausbreitet.
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Jede Spule kann als eine Anzahl von Drahtsegmenten
betrachtet werden, die an ihren Enden verbunden sind. Dieses
Konzept ist noch deutlicher in der Fig. 4 dargestellt. Bei
einer Spule 12, die aus vier Schleifen besteht, wie das in der
Fig. 4 dargestellt ist, weist die Spule vier Drahtlängen auf,
die durch 11, 12, 13 und 14 gekennzeichnet sind. Daher ist das
magnetische Feld am Punkt 44 gemäß der Gleichung (1) durch die
Gleichung (3) gegeben:
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was
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ergibt.
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Wenn l&sub1; = 2 5 mm (2"), l&sub2; = 75 mm (3"), l&sub3; = 125 mm (5"),
l&sub4; = 175 mm (7"), u&sub0; = 4 π · 1 V H/m und der Strom I in der
Spule 12 40 Ampere ist, dann ist das magnetische Feld B in der
Kammer 14 7,5 Gauß stark.
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Das magnetische Feld B von den Spulen 12 in der Kammer 14
induziert ein zeitveränderliches elektrisches Feld E. Es ist
möglich, das zeitveränderliche elektrische Feld E in der Kammer
14 abzuschätzen. Man betrachte die Fig. 5, die eine
geschlossene Schleife 48 entlang der Ebene I-I' innerhalb der Grenzen
der Spulen 12 in der Fig. 2 darstellt. Die Beziehung zwischen
dem elektrischen Feld E und dem magnetischen Feld B entlang der
Ebene I-I' der Fig. 2 kann, wie in der Fig. 5 dargestellt,
beschrieben werden. Das magnetische Feld B innerhalb der
geschlossenen Schleife 48 am Punkt 49 ist so dargestellt, daß
es die Ebene I-I' schneidet. Das erzeugte zeitveränderliche
elektrische Feld E verläuft tangential zum magnetischen Feld B
und verändert sich entsprechend dem Abstand r&sub1; vom Punkt 49.
Das zeitveränderliche elektrische Feld E in V/m kann durch die
Gleichung (5) dargestellt werden:
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E = ωBr1/2 (5)
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wobei ω die Kreisfrequenz des Signals von 0,15915
Drehungen pro Sekunde ist;
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B das magnetische Feld in Gauß von 10&supmin;&sup4; Tesla ist;
und
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r der Abstand in Metern (Inches) vom Punkt 49 ist.
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Für ω = 2πf = 8,5 · 10² rad/s; B = 7,5 Gauß und r&sub1; = 25 mm
(1 Inch) beträgt das elektrische Feld E 8 V/cm.
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Dieser Wert des elektrischen Feldes E ist zu klein
geschätzt, da es bekannt ist, daß das elektrische Feld entlang
der inneren Fläche der Kammer 14 intensiver als in der Mitte
der Kammer 14 ist. Im Durchschnitt hat sich herausgestellt, daß
das elektrische Feld E wahrscheinlich entlang der inneren
Fläche der Kammer 14 im Vergleich zur Mitte der Kammer 14 dreimal
so stark ist. Daher beträgt das elektrische Feld E ungefähr
25 V/cm entlang der Innenfläche der Kammer 14.
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Wenn Argon als Prozeßgas verwendet wird, ist das minimale
elektrische Feld E, das zur Induktion eines Plasmazustandes in
Argon erforderlich ist, gemäß der Gleichung (6):
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E/N = 4 · 10&supmin;¹&sup6; Vcm² bei 50 mTorr (6)
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(1 Torr = 133,32 Pascal)
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wobei: N die Gasdichte von Argon ist und sich
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für N = 1,7 · 10¹&sup5;/cm³ bei 50 mTorr,
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E = (E/N)N = 0,67 V/cm ergibt.
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Daher ist unter Anwendung der Gleichung (6) das zur Induktion
eines Plasmazustandes in dem obigen Beispiel erforderliche
elektrische Feld E 0,67 V/cm. Da oben gezeigt wurde, daß ein
Strom von 40 Ampere in der in der Fig. 4 dargestellten Spule zu
einem Magnetfeld B von 7,5 Gauß führt, was wiederum, wie sich
aus der Gleichung (5) ergibt, zu einem elektrischen Feld E von
8 V/cm führt, läßt sich der zur Erzeugung eines elektrischen
Feldes E von 0,67 V/cm erforderliche Strom berechnen:
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([40 A)(0,67 V/cm)]/(8 V/cm)). Daher ist es möglich, eine HF-
Entladung in Argon mit einem minimalen Spulenstrom von ungefähr
3 Ampere aufrechtzuerhalten.
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Wird als Prozeßgas Schwefelhexafluorid (SF6) verwendet,
läßt sich das zur Induzierung eines Plasmazustandes
erforderliche minimale elektrische Feld E durch die Gleichung (7)
beschreiben:
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E/N = 4 · 10&supmin;¹&sup5; Vcm² bei 50 mTorr (7)
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wobei: N die Gasdichte des Schwefelhexafluorids ist und
N = 1,7 · 1015/cm³ bei 50 mTorr ist.
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Daher ergibt sich:
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N = (E/N)(N) = 6,7 V/cm
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Daher beträgt unter Anwendung der Gleichung (7) das zur
Induzierung eines Plasmazustandes in Schwefelhexafluorid
erforderliche elektrische Feld E 6,7 V/cm. So beträgt der minimale, zur
Erhaltung einer HF-Entladung in Schwefelhexafluorid
erforderliche Spulenstrom ungefähr 33 A, ([(40 A)(4,7 V/cm)]/(8 V/cm)).
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Die unter diesen Bedingungen erzielbare Plasmadichte ne
läßt sich ebenfalls berechnen. Es sei angenommen, daß die durch
die HF-Energiequelle 30 gelieferte Leistung 500 Watt beträgt.
Es ist bekannt, daß der zur Ionisation des Prozeßgases
verwendete Leistungsanteil, d. h. der Ionisationswirkungsgrad, 0,4
beträgt, und zwar bei einem elektrischen Feld E von 8 V/cm. Die
Ionisationsschwelle für Argon beträgt 16 Elektronenvolt. Daher
kann die Volumenionisationsrate durch die Gleichungen (8) und
(9) ausgedrückt werden:
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Ionisierungsgeschwindigkeit = Gesamtionisierungsgeschwindigkeit/Volumen der Plasmaquelle = 6,2 · 10¹&sup5;/cm³ · s (8)
-
wobei:
-
Gesamtionisierungsgeschwindigkeit = Leistung · Ioniaswirkungsgrad/Ionisationsschwelle = 7,8 · 10¹&sup9;/s (9)
-
Die Verlusträte des Plasmas läßt sich durch die Gleichung (10)
ausdrücken:
-
Dane/Λ² = 2,7 · 10³ ne/cm³ · s (10)
-
wobei: Da, der Diffusionskoeffizient für die Elektronen und
Ionen,
-
= 7 · 10&sup4; cm²/s bei 50 mTorr ist, wobei
-
Λ, die Bemessungslänge für die Diffusion,
= 5 cm ist.
-
Daher beträgt die Plasmadichte ne 2 · 10¹²/cm³. Es ist zu
erkennen, daß die tatsächliche Elektronendichte wahrscheinlich
größer ist, da das elektrische Feld E zu klein geschätzt wurde.
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Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführungsform
verwendet zwei Spulen 12, die miteinander durch eine
Verbindungsleitung 24 verbunden sind. Es ist zu erkennen, daß eine einzige
Spule 12, die einen Kreis 38 um die Räume 40 und 42 bildet,
sowie eine größere Anzahl an Spulen verwendet werden können, die
in geeigneter Weise geformt sind, ohne von den erfinderischen
Konzepten der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Darüber
hinaus muß die Form der Spulen nicht quadratisch sein, wie es in
der Fig. 4 dargestellt ist, sondern sie kann auch z. B.
rechteckig sein. Es ist zu erkennen, daß eine quadratische Spule mit
großer Wahrscheinlichkeit das magnetische Feld in dem durch die
quadratische Spule gebundenen Zylinder vergrößert, während eine
rechteckig geformte Spule mit großer Wahrscheinlichkeit ein
Magnetfeld B erzeugt, das unabhängig von einer Achsposition
entlang einer Kammerachse ist. Das magnetische Feld B, das
unabhängig von einer Achsposition entlang einer Kammerachse ist,
ist zum Erzielen einer resonanten Induktionskopplung besser
geeignet.
-
Bei einer weiteren Ausführungsform, die in der Fig. 6
dargestellt ist, verwendet die Quelle 48 der vorliegenden
Erfindung darüber hinaus Spulen, um eine Welle anzuregen, um
einen Plasmazustand in Prozeßgasen zu induzieren. Die
Plasmaquelle 48 besitzt eine Kammer 50 zum Umschließen des Plasmas.
Die Kammer 50 ist im allgemeinen aus einem dielektrischen
Material wie Quarz hergestellt, um das Plasma besser umfassen zu
können. Die Plasmaquelle 48 umfaßt darüber hinaus mehrere
Spulen, deren Aufbau den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Spulen
entspricht. Der Spulenabschnitt 51 verläuft entlang und
außerhalb des Bodens der Kammer 50. Die Spulenabschnitte 52
verlaufen entlang den Seitenwänden der Kammer 50, über die Decke und
zurück aus der Kammer 50 heraus.
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Die Spule 51 ist mit einem Wassereinlaß 56 verbunden und
die Spule 52 ist mit einem Wasserauslaß 58 verbunden. Es wird
Wasser durch die Spulen gepumpt, um die Spulen zu kühlen, um
einen Schaden durch Überhitzung zu verhindern. Mit der Spule 51
ist darüber hinaus eine HF-Energiequelle 60 verbunden, und die
Spule 52 ist an Masse 62 angeschlossen. Ein
zwischengeschaltetes (nicht explizit dargestelltes) Anpassungsnetzwerk ist
erforderlich, um die HF-Energie von der HF-Energiequelle 60 an
die Spule 51 anzulegen. Die HF-Energiequelle 60 liefert
transversale magnetische Wellen (TM-Mode). Die Pfeile in der Fig. 6
zeigen sowohl die Wasserfluß- als auch die Stromrichtung in den
Spulen an.
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Sowohl außerhalb der Kammer 50 als auch außerhalb der
Spulen 51 und 52 sind Permanentmagneten 64 und Elektromagneten 66
angeordnet. Die Anordnung und Anzahl der Permanentmagneten 64
und der Elektromagneten 66 bei der Ausführungsform der Fig. 6
entspricht denen der Fig. 1 und 2.
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Die Prozeßgase werden in die Quelle 48 über den Einlaß 42
und durch die Einlaßöffnungen 74 eingeführt. Die Einlaßöffungen
74 liefern einen homogenen Eintritt der Prozeßgase in die
Kammer 50.
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Die Fig. 7 zeigt eine Draufsicht auf die Plasmaquelle 48.
Wie in der Fig. 7 dargestellt, sind die Spulen 52 außerhalb der
Kammer 50, jedoch innerhalb der Magneten 64 und 66 angeordnet.
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Während des Betriebs sorgt die in den Fig. 6 und 7
dargestellte Plasmaquelle für ein induktiv gekoppeltes HF-Plasma mit
den Spulen 52, die vollkommen außerhalb der Kammer 50
angeordnet sind, und dem Magnetfeld B, das vollkommen auf die Kammer
begrenzt ist. Das Magnetfeld B am Punkt 72 entlang der Ebene I-
I' in der Fig. 7 läßt sich durch die Gleichung (12) darstellen:
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B = u&sub0;I/2πr (12)
-
wobei u&sub0; die Permeabilität des Mediums ist, in dem sich
die Welle ausbreitet;
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I der Strom in dem Draht ist; und
-
r der Abstand von dem Draht ist.
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Für r = 50 mm (2 Inch) und I = 40 A ergibt sich B = 1,5 · 10&supmin;&sup4;
Tesla (1,5 Gauß). Die in den Fig. 6 und 7 dargestellte
Plasmaquelle 48 kann daher ein Magnetfeld liefern, das ausreichend
ist, um zeitveränderliche elektrische Felder zu induzieren, die
verwendet werden, um den Plasmazustand in den Prozeßgasen zu
induzieren. Jedoch ist der zur Erhaltung eines äquivalenten
Feldes erforderliche Strom größer als derjenige, der bei der
Plasmaquelle 10 der Fig. 1 und 2 erforderlich ist.
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Die Fig. 8 zeigt eine Trockenätzkammer 80, in der eine
Plasmaquelle 10 der Fig. 1 eingeschlossen ist. Innerhalb der
Kammer 80 befindet sich der Halbleiterwafer 82, an dem ein
Trockenätzprozeß mit den Plasma der Plasmaquelle 10
durchgeführt wird. Bei der Ausführungsform der Fig. 8 verläuft der
Betrieb des Generators 10 wie oben beschrieben, wobei die
Elektromagneten 36 so angeordnet sind, daß sie das Plasma dazu
bringen, auf die Oberfläche des Wafers 82 aufzutreffen, um die
Ätzung durchzuführen. In der Fig. 8 ist die HF- oder DC-Quelle
84 eingezeichnet, die dazu verwendet wird, an den Wafer 82 eine
Vorspannung anzulegen. Das Anlegen einer Vorspannung an den
Wafer 82 durch die HF- oder DC-Quelle 84 ermöglicht eine
unabhängige Variation der Ionenenergie des Plasmas in der Kammer
80. Es ist zu erkennen, daß die Orientierung des Wafers 82 zum
Generator 10 umgedreht werden kann, ohne von dem erfinderischen
Konzept abzuweichen. Darüber hinaus könnte die Quelle 10 durch
die Quelle 48 der Fig. 6 ersetzt werden, da die Quelle 48
darüber hinaus das notwendige Plasma induzieren kann, um den Wafer
82 in der Kammer 80 zu ätzen.
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Die in den Fig. 1, 2, 4, 6, 7 und 8 dargestellten Spulen
sollen nicht die einzig möglichen Konfigurationen, die die
Lehre der vorliegenden Erfindung zuläßt, sein. Spulen mit
Polygonform oder kreisförmiger, halbkreisförmiger oder elliptischer
Form entlang der äußeren Spule liegen innerhalb des Bereichs
der Lehre der vorliegenden Erfindung. Es ist darüber hinaus zu
erkennen, daß die Spulen der Fig. 1, 2, 4, 6, 7 und 8 mit
Kondensatoren unterteilt werden können, die zwischen aneinander
angebrachten Segmenten angebracht werden, um die Impedanz der
Spule zu vermindern, wie es durch die EP-A-0565960 oder die US-
A-5231334 (US-Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 07/868818,
eingereicht am 15. April 1992 und auf Texas Instruments
Incorporated übertragen, mit dem Titel "Plasma Source and
Method of Manufacturing") gelehrt wird, die ausdrücklich durch
diesen Hinweis hierin mit einbezogen wird.
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Daher wurde ein neuer Aufbau für eine durch HF-Anregung
induktiv gekoppelte Plasmaquelle hierin beschrieben. Im
Vergleich zu bisherigen Quellen kann diese Quelle Plasmen mit
großen Volumen, räumlich homogen und dicht in einem großen Bereich
von Betriebsbedingungen erzeugen. Zu den Eigenschaften des
Plasmas gehören große Ionenflüsse und niedrige intrinsische
Plasmapotentiale. Eine solche Quelle ist z. B. für Anwendungen
für das Trockenätzen, die plasmaunterstützte Abscheidung und
die UV-Strahlenerzeugung (UV) geeignet.
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Obwohl die vorliegende Erfindung im einzelnen beschrieben
worden ist, ist zu erkennen, daß verschiedene Änderungen,
Ersetzungen und Modifikationen daran durchgeführt werden können,
ohne von dem Schutzbereich der Erfindung, wie er durch die
beigefügten Ansprüche definiert wird, abzuweichen.