DE19509284B4

DE19509284B4 - Vorrichtung zur Erzeugung eines ebenen Plasmas unter Verwendung variierender Magnetpole

Info

Publication number: DE19509284B4
Application number: DE19509284A
Authority: DE
Inventors: John S Ogle
Original assignee: Ogle John S Milpitas
Current assignee: Ogle John S Milpitas
Priority date: 1994-03-17
Filing date: 1995-03-15
Publication date: 2004-04-29
Anticipated expiration: 2015-03-16
Also published as: JP2866815B2; DE19509284A1; US5435881A; JPH08330096A

Abstract

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 zwei oder mehr Paaren von sich ändernden magnetischen Polen in Nachbarschaft zu dem ebenen isolierenden Fenster, wobei die Polanordnung im wesentlichen ein Muster aus Quadraten bildet und wobei jeweils an den Eckpunkten eines Quadrats Magnetpole wechselnder Polarität längs der Kanten des Quadrats vorgesehen sind.

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 4 948 458 "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 5 277 751 "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:

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Systems gemäß der vorliegenden Erfindung mit vier Polen zur Erzeugung eines planaren Plasmas mit ferromagnetischen Kernspulen;
2A und 2B graphische Darstellungen der Polaritäten der magnetischen Pole der ferromagnetischen Kernspulen des Systems von 1 zu Zeiten des maximalen Stromflusses, der durch eine halbe Periode zeitlich beabstandet ist, in Aufsicht;
3A und 3B Seitenansichten der ferromagnetischen Kernspulen, die entsprechend den 2A und 2B die magnetischen Pole zeigen;
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;
5A und 5B ebene Ansichten der relativen Lagen der magnetischen Pole des Systems von 4, zeitlich beabstandet durch eine halbe Periode entsprechend den maximalen positiven und negativen Stromflüssen durch die ferromagnetischen Kernspulen; und
6 eine perspektivische Ansicht eines Paares von langgestreckten ferromagnetischen Kernspulen gemäß vorliegender Erfindung, welche vier langgestreckte Magnetpole zur Erzeugung eindimensionaler Beschleunigungsfeldern für Elektronen bereitstellen.

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 4 948 458 und 5 277 751 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 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. 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). 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.
3A und 3B illustrieren ferromagnetische Kernspulen 14 und 20, wie sie denen in 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 2A und 2B vorliegen. Die in 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 Eletrons 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.
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.
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. 5A ist ähnlich zur 2A und erläutert die magnetischen Polaritäten eines jeden Magnetpols für eine Periode der Hochfrequenzleistung. 5B ist ähnlich zu 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.
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

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 zwei oder mehr Paaren von sich ändernden magnetischen Polen in Nachbarschaft zu dem ebenen isolierenden Fenster, wobei die Polanordnung im wesentlichen ein Muster aus Quadraten bildet und wobei jeweils an den Eckpunkten eines Quadrats Magnetpole wechselnder Polarität längs der Kanten des Quadrats vorgesehen sind.
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.
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 fahrenden 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.
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 fahrenden 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.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die benachbarten magnetischen Pole mit entgegengesetzter Polarität in zwei Richtungen im wesentlichen gleich beabstandet sind.
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 oder nichtmagentischen Kerns gebildet wird, um welchen zumindest eine Wicklung eines einen sich ändernden elektrischen Stroms fahrenden Leiters gewickelt sind.
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 fahrenden 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.
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.
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.
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.
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.
Vorrichtung nach Anspruch 11, ferner umfassend: eine Spule zur Bereitstellung eines zeitlich konstanten Magnetfelds, 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.
Vorrichtung nach Anspruch 11, 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.
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 lanqqestreckt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 14, 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.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 14, ferner umfassend: einen einstellbaren Kondensator in Serie mit de Vielzahl von ferromagnetischen Kernspulen und einen einstellbaren Transformator mit einer Sekundärwicklunq, die mit der Serienanordnung des einstellbaren Kondensators und der Vielzahl von ferromagnetischen Kernspulen verbunden ist und eine Primärwicklung zum Empfangen einer Hochfrequenz-Eingangsleistung hat.