DE69031820T2 - Verfahren und Gerät zur Erzeugung eines flachen Plasmas mittels magnetischer Kupplung - Google Patents

Verfahren und Gerät zur Erzeugung eines flachen Plasmas mittels magnetischer Kupplung

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich generell auf Vorrichtungen und Verfahren für die Erzeugung von Niederdruckplasmen. Genauer gesagt, bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Erzeugung eines hochgradig gleichförmigen planaren Plasmas, das für die Bearbeitung von Halbleiterwafern in Niederdruck-Bearbeitungsanlagen verwendet werden kann.
  • Plasmaerzeugung ist in einer Mehrzahl von Halbleiterherstellungsprozessen nützlich, einschließlich Ätzen, Resistabziehen, Passivierung, Aufbringen und dergleichen. Generell können Plasmen aus Niederdruck-Prozeßgas durch Induzieren eines Elektronenflusses erzeugt werden, der einzelne Gasmoleküle durch den Transfer von kinetischer Energie mittels einzelner Elektronen-Gasmolekül-Kollisionen ionisiert. Meistens werden die Elektronen in einem elektrischen Feld beschleunigt, typischerweise einem elektrischen Hochfrequenzfeld, erzeugt zwischen einem Paar von einander gegenüberliegenden Elektroden, die parallel zu dem Wafer orientiert sind.
  • Die Anwendung eines elektrischen Feldes senkrecht zu dem Wafer, um die Elektronen zu beschleunigen, liefert jedoch keine effiziente Umsetzung der kinetischen Energie in Ionen, insbesondere bei niedrigen Frequenzen und Drücken unter etwa 703 Pa (0,1 Torr). Unter solchen Bedingungen wird ein großer Anteil der Elektronenenergie durch Elektronenkollision mit den Wandungen des Prozeßraumes oder mit dem Halbleiter-Wafer selbst umgesetzt. Die direkte Kollision von Elektronen mit dem Halbleiter-Wafer ist nicht nur energieverschwendend, sondern kann auch eine Wafer-Erhitzung bewirken, die hochgradig nachteilig ist.
  • Verschiedene Verfahren sind vorgeschlagen worden, um die Effizienz der Plasmaerzeugung für die Anwendung in Halbleiter-Prozeßanlagen zu erhöhen. Beispielsweise verwenden Mikrowellen-Resonanzräume ultrahohe Frequenzen (beispielsweise 2,45 GHz), welche den Elektronen-Oszellationsweg verkürzen und die Wahrscheinlichkeit des Transfers von Elektronenenergie auf Prozeßgasmoleküle erhöhen, anstatt auf die Wandungen des Prozeßgefäßes oder des Halbleiter-Wafers. Elektronen-Zyklotron-Resonanz (ECR) verwendet im Gegensatz dazu ein gesteuertes Magnetfeld, um einen kreisförmigen Elektronenfluß innerhalb des Prozeßgases zu induzieren. Während relativ hohe Energieumsetzwirkungsgrade erzielt werden, erzeugen diese beiden Verfahren ein hochgradig nicht gleichförmiges Plasma, das gleichförmig gemacht werden muß, bevor es dem Halbleiter-Wafer ausgesetzt wird. Gewöhnlich kann ein bestimmtes Ausmaß der Gleichförmigkeit erzielt werden, indem man das Plasma eine gewisse Distanz strömen läßt, bevor es dem Wafer oder den Wafern ausgesetzt wird. Die Notwendigkeit, einen zusätzlichen Strömungspfad vorzusehen, ermöglicht jedoch einige Ionen-Rekombination, was die Effizienz des Plasmas verringert. Jedes System leidet außerdem an Druckbetriebsbereichsbeschränkungen. Mikrowellen-Resonanz-Kammern sind generell effektiv für Prozeßgasdrücke von etwa 7.031 bis 5.343.560 Pa (1 bis 760 Torr), während ECR von 0,7 bis 703 Pa (0,0001 bis 0,1 Torr) effektiv ist. Darüber hinaus werden die Kosten und die Kompliziertheit beider Systeme durch die Notwendigkeit vergrößert, die Zusatzströmungsdistanz vorzusehen, und das bei dem ECR-System erforderliche Magnetfeld ist schwierig zu steuern.
  • Andere Ansätze für das Verbessern der Effizienz der Plasmaerzeugung in Halbleiter-Bearbeitungsanlagen umfassen magnetisch verbesserte Plasmasysteme (wie magnetisch begünstigtes reaktives Ionen-Ätzen) und induktiv gekoppelte Elektronenbeschleunigung, üblicherweise als induktiv gekoppeltes Plasma bezeichnet. Magnetisch begünstigte Plasmasysteme erzeugen ein konstantes magnetisches Feld parallel zu der Waferoberfläche und ein hochfrequentes elektrisches Feld senkrecht zu der Waferoberfläche. Die kombinierten Kräfte veranlassen die Elektronen, einem zykloidalen Weg zu folgen, was die Distanz vergrößert, die relativ zu der geraden Strecke durchlaufen würde, die durch das elektrische Feld allein induziert würde. Dieser Ansatz kann gute Ionen-Erzeugungseffizienz mit sich bringen, doch ist das große gleichförmige Magnetfeld, erforderlich für die Halbleiter-Bearbeitung, sehr schwierig aufrecht zu erhalten. Auch ist der Betrieb von magnetisch begünstigten Systemen generell auf einen Druckbereich von etwa 70 bis 703 Pa (0,01 bis 0,1 Torr) begrenzt.
  • Induktiv gekoppelte Plasmaprozesse bewirken ebenfalls, daß die Elektronen einer verlängerten Strecke folgen. Der Ausdruck "induktiv gekoppeltes Plasma" wird für zwei unterschiedliche Techniken benutzt, welche beide Wechselstrom benutzen, um transformatorisch Energie auf ein Gas zu koppeln. Die erste verwendet einen Ferrit-Magnetkern, um die transformatorische Kopplung zwischen einer Primärwicklung und einer sekundären Windung zu begünstigen, bestehend aus einer geschlossenen Strecke durch das Gas. Diese Technik verwendet normalerweise niedrige Frequenzen unter 550 KHz. Die zweite Technik verwendet eine Solenoid- Spule, welche ein zylindrisches Gas umschließt, das zu ionisieren ist. Diese Technik kann entweder niedrige Frequenzen oder Frequenzen im Bereich von 13,56 MHz verwenden. Keine dieser Techniken liefert ein gleichförmiges Plasma nahe und parallel zu einer Wafer-Oberfläche.
  • Aus diesen Gründen wäre es wünschenswert, Vorrichtungen und Verfahren für die Erzeugung hochgradig gleichförmiger Plasmen innerhalb Halbleiter-Bearbeitungsanlagen zu schaffen, einschließlich Ätz-Einrichtungen, Auftrag-Einrichtungen, Resistabzieh-Einrichtungen und dergleichen. Die Vorrichtungen sollten in der Lage sein, einen hohen Plasmafluß über einen sehr breiten Druckbereich zu erzeugen, und das so erzeugte Plasma sollte wenig oder keine gerichtete Ionen-Energie haben. Optional sollte die Vorrichtung in der Lage sein, gerichtete Energie auf die Plasma-Ionen zu übertragen mit der Steuerung der gerichteten Energie, separat von der Steuerung des Plasmaflusses. Es wäre besonders wünschenswert, wenn die Vorrichtungen relativ einfach im Aufbau wären, einfach zu betreiben und zu steuern wären und einen minimalen Kapitaleinsatz erfordern würden. In ähnlicher Weise sollten die Verfahren gradlinig und einfach zu implementieren sein und sollten ein hochqualitatives Produkt in kurzer Zeit mit minimalen Kosten liefern.
  • Skidmore (1989), Semiconductor International Juni 1989, Seiten 74-79, ist ein Übersichtsartikel, der Elektronen-Zyklotron-Resonanz (ECR) und magnetisch-begünstigte reaktive Ionen-Ätz-Systeme (MERIE) beschreibt. US-A-4 368 092 beschreibt ein Plasmaerzeugungssystem unter Verwendung eines schraubenförmigen induktiven Resonators für das Erzeugen des Plasmas extern bezüglich einer Ätzkammer. Das Plasma ist ungleichförmig und gelangt durch ein Rohr, bevor es eingesetzt wird. US- A-4 421 898 beschreibt eine induktiv-gekoppelte Plasmaerzeugungsvorrichtung, wo ein Transformator mit einem Magnetkern Elektronenzirkulation in einem isolierenden Rohr, das ein Prozeßgas enthält, induziert. Die Gas- Ionisation ist ungleichförmig, und das Aussetzen des Wafers erfolgt stromab. US-A-4 626 312 beschreibt eine konventionelle Parallelplatten- Plasma-Ätz-Einrichtung; wo der Wafer sich auf einer unteren Elektrode befindet und ein Plasma durch Anlegen von Hochfrequenzenergie zwischen der unteren Elektrode und einer parallelen oberen Elektrode erzeugt wird. US-A-4 668 338 und US-A-4 668 365 beschreiben magnetisch-begünstigte Plasmaprozesse für reaktives Ionenätzen bzw. chemischen Dampfniederschlag.
  • EP-A-0 271 341 zeigt eine Ätzvorrichtung für die Behandlung von Wafern, bei der eine schraubenförmige Erregerspule außerhalb der Ätzkammer der Vorrichtung vorgesehen ist, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das senkrecht zu der Wafer-Oberfläche gerichtet ist.
  • Der Artikel "Plasma parameter estimation from rf impedance measurements in a dry etching system" von A.J. van Roosmalen, Applied Physics Letters, Band 42 (1983), Nr. 5, New York, USA, bezieht sich auf eine theoretische Berechnung für die Optimierung eines Anpaßnetzes eines bei 13,56 MHz erregten Trocken-Ätz-Systems.
  • EP-A-0 379 828 (welche die Vertragsstaaten DE, FR und GB benennt und später veröffentlich ist als das Prioritätsdatum der vorliegenden Anmeldung) zeigt eine Vorrichtung für die Behandlung von Halbleiter-Wafern mit einem Plasma. Diese Vorrichtung sieht eine zylindrische evakuierte Kammer vor, in der der Wafer auf einem flachen eingesenkten isolierenden Ring plaziert ist, der die Bodenebene des Zylinders bildet, während die Deckebene des Zylinders von einem flachen Quarzdeckel gebildet wird. Eine hohle Quarzauskleidung ist zwischen dem isolierenden Ring und dem Deckel vorgesehen und begrenzt ringförmige Öffnungen in dem oberen bzw. unteren Bereich des Zylinders. über dem Deckel ist eine Hochfrequenz-Induktionsspule vorgesehen, die an eine Hochfrequenz-Quelle anzuschließen ist, welche Spule sich parallel zu dem Deckel in einer spiralförmigen Konfiguration etwa vom Zentrum des Zylinders zu einem Bereich erstreckt, der außerhalb des Innendurchmessers der Kammer vorgesehen ist und die Auskleidung und teilweise den Bereich außerhalb derselben überlagert. Ein Vakuum-Pumpmittel liefert einen Druck in der Kammer, bei dem es sich um einen niedrigen Druck von etwa 1 bis 5 mTorr handelt. Konzentrisch ringsum die Auskleidung ist eine Mehrzahl von Mehrfach-Magnet-Dipolen alternierend in Nord/Süd- und Süd/Nord-Richtung vorgesehen, derart, daß diametral einander gegenüberstehende Dipole zueinander mit derselben Polarität gegenüberstehen. Die Dipole definieren eine magnetische Zylinder-Einschlußanordnung mit einem Magnetfeld, das einwärts gerichtet ist, um Elektronen zurück in das Innere der Kammer abzustoßen, wodurch die Anzahl von aktivierten Ionen verringert wird, die auf die Auskleidung auftreffen und die Gleichförmigkeit der Konzentration des Plasmas im Randbereich des Wafers verändern.
  • Das der Erfindung unterliegende Ziel besteht darin, eine verbesserte Technik (Vorrichtung und Verfahren) zu schaffen, die die Erzeugung eines verbesserten planaren Plasmas ermöglicht.
  • Dieses Ziel wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 21 erreicht.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Vorrichtungen und Verfahren für das Erzeugen hochgradig gleichförmiger planarer Plasmen über relativ große Bereiche vorgesehen. Die Ionen- und radikalen Spezies, erzeugt in dem Plasma, unterliegen minimaler Beschleunigung in nicht-planaren Richtungen und das resultierende Plasma hat demgemäß sehr niedrige gewünschte kinetische Engergie. Als besonderer Vorteil ist die vorliegende Erfindung in der Lage, ein solches gleichförmiges planares Plasma über sehr weite Druckbereiche zu erzeugen, typischerweise von 0,07 Pa (10&supmin;&sup5; Torr) bis 35.155 Pa (5 Torr) und darüber. Ein solcher ausgedehnter Druckbetriebsbereich war zuvor nicht generell verfügbar in einem einzelnen plasma-erzeugenden Gerät. Das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung sind relativ einfach herzustellen, zu betreiben und zu steuern, insbesondere im Vergleich mit den Magnetfeld-Steuererfordernissen von ECR und MERIE.
  • Die Vorrichtung umfaßt eine Hülle mit einem Innenraum, der mindestens teilweise von einer dielektrischen Abschirmung oder einem Fenster begrenzt ist. Ein planare Spule ist nahe der Abschirmung angeordnet, und mit der Spule wird eine Hochfrequenz-Quelle gekoppelt. Ublicherweise wird die Hochfrequenz-Quelle über ein Impedanz-Anpaßnetzwerk angekoppelt, um den Leistungstransfer zu maximieren sowie eine Abstimmschaltung, die für Resonanz mit der Betriebsfrequenz, typischerweise 13,56 MHz, sorgt. Einlaßöffnungen sind vorgesehen, um ein Prozeßgas in das Innere der Hülle einzuspeisen. Durch Resonanz eines Hochfrequenz- Stromes durch die Spule wird ein planares Magnetfeld induziert, das sich in das Innere der Hülle durch die dielektrische Abschirmung erstreckt. Auf diese Weise kann eine zirkulierende Strömung von Elektronen induziert werden. Eine zirkulierende Strömung von Elektronen erhöht erheblich die Laufstrecke, bevor die Elektronen mit Wahrscheinlichkeit auf eine Hüllenwandung auftreffen. Darüber hinaus wird, da die Elektronen eng in einer Ebene parallel zu der planaren Spule eingeschlossen sind, der Transfer kinetischer Energie in nicht-planarer Richtung minimiert.
  • Die Hülle enthält eine Stützfläche für einen planaren Gegenstand, typischerweise einen Halbleiter-Wafer. Die Fläche stützt den Wafer in einer Ebene, die parallel zu der Spulen-Ebene ist, und damit auch parallel zu der Ebene des Plasmas. Demgemäß wird der Halbleiter-Wafer einem hochgradig gleichförmigen Plasmafluß ausgesetzt, was eine gleichförmige Plasma-Behandlung sicherstellt. Da die Plasma-Spezies minimale kinetische Geschwindigkeiten in nicht-planarer Richtung aufweisen, wird ihr kinetischer Aufschlag auf den Wafer minimiert. Demgemäß kann die Behandlung generell auf die chemische Wechselwirkung der Plasma-Spezies mit dem Wafer begrenzt werden.
  • Das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung sind in einer Mehrzahl von Halbleiter-Bearbeitungsgängen nützlich, einschließlich Plasma-Ätzen, Auftragprozesse, Resistentfernung, Plasma-begünstigten chemischen Dampfniederschlag und dergleichen.
  • Optional kann eine Geschwindigkeitskomponente in Richtung senkrecht zur Oberfläche des Halbleiter-Wafers durch Anlegen eines Hochfrequenz-Potentials in einer Richtung senkrecht zur Ebene des Plasmas vorgesehen werden. Zweckmäßigerweise kann ein solches Potential angelegt werden, indem man eine Hochfrequenz-Quelle zwischen der planaren Spule und der Stützfläche anlegt, auf der der Wafer gehalten wird.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen
  • Fig. 1 eine isometrische Ansicht einer Vorrichtung für die Erzeugung eines planaren Plasmas gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung ist;
  • Fig. 2 eine Querschnittsansicht der Vorrichtung der Fig. 1 ist;
  • Fig. 3 eine schematische Darstellung der Schaltung der Vorrichtung in Fig. 1 ist;
  • Fig. 4 eine Detailansicht eines Prozeßgas-Einspeise-Ringes ist, angewandt in der Vorrichtung der Fig. 1;
  • Fig. 5 eine schematische Ansicht zur Illustration des Magnetfeldprofils ist, erzeugt in der Vorrichtung der Fig. 1;
  • Fig. 6 die Schaltung der Fig. 3 illustriert, modifiziert zum Vorsehen eines Hochfrequenz-Potentials in einer Richtung senkrecht zur Resonanzspule; und
  • Fig. 7 eine alternative Konstruktion einer Resonanzspule in der Vorrichtung der Fig. 1 illustriert.
  • Die vorliegende Erfindung verwendet eine Hülle, die eine generell luftdichte Innenkammer begrenzt, in der das planare Plasma zu erzeugen ist. Die Hülle umfaßt zumindest eine Einlaßöffnung für das Einspeisen eines Prozeßgases und mindestens eine Auslaßöffnung für den Anschluß an eine Vakuumsystem für das Aufrechterhalten eines gewünschten Betriebsdrucks innerhalb des Inneren der Hülle. Systeme für das Liefern eines vorgewählten Prozeßgases und für das Aufrechterhalten eines vorgewählten Druckes innerhalb des Inneren der Hülle sind im Stand der Technik bekannt und brauchen nicht weiter beschrieben zu werden. Innerhalb der Hülle befinden sich gewöhnlich eine oder mehrere Oberflächen für das Abstützen der zu behandelnden Gegenstände. Typischerweise ist die Oberfläche in einer vorgewählten Orientierung relativ zu dem planaren Plasma angeordnet, das innerhalb der Hülle zu erzeugen ist, gewöhnlich generell parallel zu der Ebene des Plasmas.
  • Um das gewünschte planare Plasma zu induzieren, ist eine elektrisch leitende Spule nahe dem Äußeren der Hülle angeordnet. Die Spule wird im wesentlichen eben sein und umfaßt generell ein einziges leitendes Element, das in eine planare Spirale oder eine Serie von konzentrischen Ringen geformt ist. Durch Induzieren eines Hochfrequenz-Stromes in der Spule wird ein Magnetfeld erzeugt, das eine generell runde Elektronenströmung innerhalb einer planaren Region parallel zur Ebene der Spule induziert. Die planare Spule wird generell rund sein, obwohl elyptische Muster und andere Abweichungen von der wahren Kreisform toleriert werden können. Darüber hinaus kann die Spule vollständig planar über ihren Durchmesser sein oder etwas von der genauen Planarität abweichen. Abweichungen von der Planarität werden gewöhnlich kleiner sein als das 0,2fache des Durchmessers der Spule, gewöhnlich weniger als das 0,1fache des Durchmessers. Justierungen am Profil der Spule können vorgenommen werden, um die Form des elektrischen Feldes zu modifizieren, welches erzeugt wird. Der Durchmesser der Spule entspricht generell der Größe des Plasmas, das zu erzeugen ist. Spulendurchmesser können von etwa 8 cm bis 20 cm reichen, gewöhnlich von etwa 13 cm bis 18 cm. Für die Behandlung einzelner Halbleiterwafer liegt der Spulendurchmesser generell von etwa 13 bis 18 cm.
  • Die Spule umfaßt eine hinreichende Anzahl von Windungen, um ein relativ gleichförmiges Magnetfeld über ihren gesamten Durchmesser zu erzeugen. Die Anzahl von Windungen hängt auch ab vom Durchmesser der Spule mit einer Spulenbemessung für die Behandlung einzelner Halbleiterwafer, gewöhnlich von etwa 5 bis 8 Windungen. Die resultierende Induktanz der Spule liegt gewöhnlich zwischen 1,2 bis 3,5 uH mit einer Impedanz im Bereich von etwa 100 bis 300 Ohms.
  • Zweckmäßigerweise kann die planare Spule aus irgendeinem elektrisch leitenden Metall geformt werden, gewöhnlich aus Kupfer. Die Spule hat eine Stromführkapazität im Bereich von 5 bis 30 A.
  • Die planare Spule wird nahe einer dielektrischen Abschirmung angeordnet, die in der Behandlungshülle gebildet ist. Die dielektrische Abschirmung hält die Isolation des Inneren der Hülle aufrecht, während sie das Eindringen des Magnetfeldes ermöglicht, das von der planaren Spule erzeugt wird. Der Rest der Hülle besteht üblicherweise aus Metall. Die dielektrische Abschirmung besteht gewöhnlich aus Quarz, obwohl andere dielektrische Materialien insbesondere Keramiken, welche keine Energie bei der Betriebsfrequenz absorbieren, Anwendung finden können. Zweckmäßigerweise können dielektrische Abschirmungen nahe einer öffnung plaziert werden, die in einer Wandung der Hülle ausgebildet ist. Die Geometrie der öffnung wird gewöhnlich derjenigen der planaren Spule entsprechen und typischerweise rund sein. Die planare Spule wird sehr dicht an oder in Berührung mit der dielektrischen Abschirmung angeordnet, um die Intensität des Magnetfeldes, das innerhalb der Hülle erzeugt wird, zu maximieren. Die Dicke der dielektrischen Abschirmung ist nicht kritisch und wird gewöhnlich so gewählt, daß sie ausreicht, der Druckdifferenz standzuhalten, die durch das Vakuum innerhalb der Hülle erzeugt wird.
  • Die planare Spule wird von einem Hochfrequenzgenerator (HF) einer Bauart angesteuert, wie sie generell beim Betrieb von Halbleiterbearbeitungsanlagen verwendet wird. Der HF-Generator arbeitet gewöhnlich bei einer Frequenz im Bereich von etwa 13,56 MHz bis 100 MHz, typischerweise bei 13,56 MHz Der HF-Generator hat gewöhnlich eine niedrige Impedanz, typischerweise etwa 50 OHms und ist in der Lage, von etwa 1 bis 6 A, gewöhnlich von etwa 2 bis 3,5 A, mit einer Effektivspannung von mindestens etwa 50 Volt, gewöhnlich mindestens etwa 70 Volt oder mehr, zu erzeugen. Zweckmäßigerweise hat der HF-Generator einen Ausgangsverbinder in Form eines Koaxialkabels, das direkt mit der Schaltung der vorliegenden Erfindung verbunden werden kann, wie in größeren Einzelheiten unten beschrieben.
  • Indem nun auf Fig. 1 und 2 eingegangen wird, soll ein Plasmabehandlungssystem 10 beschrieben werden, das geeignet ist, für das Ätzen einzelner Halbleiterwafer W. Das System 10 umfaßt eine Hülle 12 mit einer Zugangsöffnung 14, die in einer oberen Wandung 16 ausgebildet ist. Eine dielektrische Abschirmung 18 ist unter der oberen Wandung 16 angeordnet und erstreckt sich über die Zugangsöffnung 14. Die dielektrische Abschirmung 18 ist gegen die Wandung 16 abgedichtet, um ein Vakuum-dichtes Inneres 19 der Hülle 12 zu begrenzen.
  • Eine planare Spule 20 ist innerhalb der Zugangsöffnung 14 nahe der dielektrischen Abschirmung 18 angeordnet. Die Spule 20 ist als eine Spirale ausgebildet, die eine Mittelanzapfung 22 und eine äußere Anzapfung 24 aufweist. Die Ebene der Spule 20 ist parallel zu sowohl der dielektrischen Abschirmung 18 als auch einer Stützfläche 13 orientiert, auf welcher der Wafer W montiert ist. Auf diese Weise ist die Spule 20 in der Lage, ein planares Plasma innerhalb des Inneren 19 der Hülle 12 zu erzeugen, das parallel zu dem Wafer W ist, wie in größeren Einzelheiten weiter unten beschrieben. Der Abstand zwischen der Spule 20 und der Stützfläche 13 liegt gewöhnlich im Bereich von etwa 3 bis 15 cm und noch üblicher von etwa 5 bis 10 cm, wobei die exakte Distanz von dem jeweiligen Anwendungsfall abhängt.
  • In dem nun auf Fig. 1 bis 3 eingegangen wird, wird die planare Spule 20 von einem HF-Generator 30 des oben beschriebenen Typs angesteuert. Der Ausgang des Generators 30 wird über ein Koaxialkabel 32 an einen Anpaßschaltkreis 34 geführt. Der Anpaßschaltkreis 34 umfaßt eine Primärspule 36 und eine Sekundärschleife 38, die zueinander positioniert werden können derart, daß die effektive Kopplung der Schaltung eingestellt wird und eine Belastung der Schaltung bei der Betriebsfrequenz ermöglicht wird. Zweckmäßigerweise ist die Primärspule 36 auf einer Scheibe 40 montiert, die um eine Vertikalachse 42 verdrehbar ist, um die Kopplung einzustellen.
  • Ein variabler Kondensator 44 ist ebenfalls in Serie mit der Sekundärschleife 38 vorgesehen, um die Schaltungsresonanzfrequenz auf den Frequenzausgang des HF-Generators 30 einzustellen. Die Impedanzanpassung maximiert die Effizienz des Leistungstransfers zu der planaren Spule 20. Ein zusätzlicher Kondensator 46 ist im Primärkreis vorgesehen, um einen Teil der induktiven Reaktanz der Spule 36 in der Schaltung auszu löschen.
  • Es ist festzuhalten, daß andere Schaltungskonstruktionen auch vorgesehen werden können, um den Betrieb der planaren Spule 20 auf Resonanz abzustimmen und um die Impedanz der Spulenschaltung an den HF-Generator anzupassen. Alle solchen Variationen der Schaltung werden als im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegend angesehen.
  • Indem nun auf Figuren 2 und 4 eingegangen wird, wird Prozeßgas in das Innere 19 der Hülle 12 durch eine öffnung 50 eingespeist, die sich durch die Seite der Hülle erstreckt. Die Positionierung der Öffnung ist nicht kritisch und Gas kann an irgendeinem Punkt eingespeist werden, der für seine gleichförmige Verteilung über das Innere 19 sorgt.
  • Um die Gleichförmigkeit der Gasverteilung weiter zu unterstützen, kann ein Verteilerring 52 vorgesehen werden. Der Ring 52 befindet sich zweckmäßigerweise oberhalb der Stützfläche 13 und umschreibt die Peripherie der Zugangsöffnung 14. Der Ring 52 umfaßt ein ringförmiges Plenum 54 und eine Serie von Düsen 56, die sich von dem Plenum in das offene Zentrum 58 des Ringes erstrecken. Auf diese Weise kann einlaufendes Prozeßgas gleichförmig ringsum die Fläche maximaler Intensität des Magnetfeldes verteilt werden, das von der planaren Spule 20 induziert wird. Vorzugsweise werden die Düsen 56 von der Radialrichtung weg orientiert, um ein spiraliges Strömungsmuster dem einströmenden Gas aufzuzwingen.
  • Gemäß Fig. 5 induziert die planare Spule 20 ein magnetisches Feld, das die dielektrische Abschirmung 18 durchsetzt und ein Feldstärkeprofil 60 aufweist, wie mit gestrichelten Linien gezeigt. Das sich ändernde Magnetfeld innerhalb der Plasmakammer ist die Vektorsumme des Magnetfeldes von der spiraligen Spule und dem Magnetfeld, hervorgerufen durch den Elektronenstromfluß in dem Plasma. Da das Magnetfeld von dem Plasma dem Magnetfeld von der Spule entgegengerichtet ist, erfordert ein gleichförmiges resultierendes Magnetfeld, daß das Magnetfeld von der Spule in Richtung des Zentrums intensiver ist. Die spiralige Spule erzeugt dieses speziell geformte Magnetfeld, um ein resultierendes gleichförmiges Magnetfeld zu bewirken, und damit ein gleichförmiges Plasma. Die Feldstärke ist stark ungleichförmig über dem gesamten Durchmesser der Spule 20 und ist demgemäß in der Lage, einen hochgradig gleichförmigen Fluß von Elektronen zu erzeugen, die innerhalb einer generell planaren Region parallel sowohl zu der Spule als auch zur Abschirmung 18 zirkuliert. Eine solche planare Zirkulation von Elektronen ist seinerseits in der Lage, einen hoch gleichförmigen Fluß von Ionen und/oder Radikalen in dem Plasma zu induzieren, das durch die Kollision der Elektronen mit den einzelnen Molekülen des Prozeßgases erzeugt wird. Während die Plasma-Ionen und Radikalen eine kleine wechselnde Kreisgeschwindigkeitkomponente haben, gibt es wenig oder keine Geschwindigkeitskomponente in Richtung senkrecht zur Ebene der Spule 20. Solange der Wafer W (oder ein anderer zu behandelner Gegenstand) parallel zu der Spule orientiert ist, haben die reaktiven Plasma-Spezies eine sehr niedrige Geschwindigkeit relativ zur zu behandelnden Oberfläche. Auf diese Weise können die Probleme in Verbindung mit der Verwendung hochenergetischer Plasmen mit erheblichen Geschwindigkeitskomponenten relativ zu dem zu behandelnden Gegenstand vermieden werden.
  • In einigen Fällen ist es jedoch erwünscht, eine gesteuerte 10nengeschwindigkeit relativ zu dem zu behandelnden Gegenstand zu erhalten. Gemäß Fig. 6 kann eine Geschwindigkeitskomponente in Richtung senkrecht zum Wafer W erreicht werden, indem man ein Hochfrequenzpotential zwischen der planaren Spule 20 und einer elektrisch leitenden Wafer-Abstützung 70 anlegt. Der HF-Generator 72 kann bei niedriger Frequenz (unter etwa 550 KHz) oder hoher Frequenz (13,56 MHz oder darüber) arbeiten, gewöhnlich bei einer anderen Frequenz als der Generator 30, der einen Resonanzstromfluß in der Spule 20 induziert. Zweckmäßigerweise kann, wenn der HF-Generator 30 bei 13,56 MHz arbeitet, der zweite HF-Generator 72 bei 400 KHz arbeiten. Ein besonderer Vorteil des in Fig. 6 illustrierten Systems rührt von der Möglichkeit her, den Ionenfluß im Plasma (durch Steuern der in das System durch den HF-Generator 30 eingespeisten Energie) und die senkrechte Geschwindigkeit unabhängig zu steuern, welche auf die reaktiven Spezies übertragen wird (durch Steuern des Leistungsausgangs des HF-Generators 72).
  • In Fig. 7 ist eine alternative Konfiguration für die planare Spule der vorliegenden Erfindung illustriert. Die planare Spule 80 umfaßt eine Serie von.konzentrischen Schleifen 82, wobei jede nachfolgende Schleife über ein kurzes Querglied 84 eingeschlossen ist. Die Spule 80 umfaßt ferner eine Mitteanzapfung 86 und äußere Anzapfung 88 und kann mit der restlichen Schaltung der vorliegenden Erfindung, wie oben beschrieben, verbunden werden.
  • Im Betrieb wird ein vorgewähltes Prozeßgas in das Innere 19 durch die Einlaßöffnung 50 eingespeist, wie oben beschrieben. Der Betriebsdruck hängt von dem jeweils auszuführenden Prozeß ab. Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in dem sehr breiten Druckbereich, über welchen Plasma erzeugt werden kann. Durch die Induktion des Resonanzstrom in der Spule 20 können Plasmen bei Drücken bis herunter zu 0,07 Pa (10&supmin;&sup5; Torr) und bis zu einer Höhe von 35.155 Pa (5 Torr) erzeugt werden.

Claims (25)

1. Eine Vorrichtung für die Erzeugung eines planaren Plasmas umfassend:
- eine Hülle (12) mit einem Innenraum (19), der zumindest teilweise durch eine dielektrische Abschirmung (18) begrenzt ist;
- Mittel (50-56) für das Einspeisen eines Prozessgases in den Innenraum (19) der Hülle (12) unter gesteuertem Druck;
- eine elektrisch leitende planare Spule (20; 80), die außerhalb der Hülle (12) nahe der dielektrischen Abschirmung (18) angeordnet ist, wobei ein angesteuerter Abschnitt der Spule (20; 80) seitliche Abmessungen aufweist, die kleiner sind als jene des Innenraums (19);
- Mittel (13; 70) für das Abstützen eines Gegenstandes (W), der in einer vorgewählten Ebene zu behandeln ist, die im wesentlichen parallel zu der planaren Spule (20; 80) angeordnet ist; und
- Mittel (32) für das Koppeln einer Funkfrequenzquelle (30) an die Spule (20; 80), so daß ein planares Plasma in der Hülle (12) gebildet werden kann.
2. Eine Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Kopplungsmittel (32) Mittel (34) für das Anpassen der Impedanz der Funkfrequenzquelle (30) an jene der Spule (20; 80) umfassen sowie Mittel (40) für das Abstimmen des resultierenden Kreises, um für Resonanz zu sorgen.
3. Eine Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Spule eine planare Spirale (20) ist.
4. Eine Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Spule eine Anordnung (80) konzentrischer Schlaufen ist.
5. Eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Mittel für das Einspeisen des Prozessgases Düsen (56) umfassen, die so orientiert sind, daß sie dem in die Hülle (12) eingespeisten Prozessgas ein spiraliges Strömungsmuster aufzwingen.
6. Eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Mittel für das Einspeisen des Prozessgases eine Mehrzahl von die dielektrische Abschirmung (18) umschließenden Düsen (56) umfassen.
7. Eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner umfassend zweite Mittel für das Koppeln einer Funkfrequenzquelle (72) an ein elektrisch leitendes Abstützmittel (70) für den Gegenstand (W), der zu behandeln ist und an die planare Spule (20; 80) für das Anlegen einer Geschwindigkeitskomponente in Richtung senkrecht zur Oberfläche des Artikels (W).
8. Eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der eine äußere Peripherie der Spule (20; 80) sich innerhalb einer Peripherie des Inneren der Hülle (12) befindet.
9. Eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Spule (20; 80) eine zirkulierende Elektronenströmung induziert, die die Bewegungsstrecke erhöht, bevor die Elektronen wahrscheinlich auf eine Hüllenwandung auftreffen und die Elektronen eng in einer Ebene parallel zu der im wesentlichen planaren Spule eingeschlossen sind.
10. Eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Spule (20; 80) ein einzelnes leitendes Element umfaßt, das eine zirkulare Strömung von Elektronen innerhalb einer planaren Region induziert.
11. Eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der die Spule 20; 80) rund ist und die Spule (20; 80) von Planarität um weniger als 0,2 des Durchmessers der Spule (20; 80) abweicht.
12. Eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der die Spule (20; 80) mindestens 5 Windungen hat.
13. Eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der der Innenraum 19 von metallischen Wandungen der Hülle (12) umschlossen ist.
14. Eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der die dielektrische Abschirmung (18) sich nahe einer kreisförmigen Öffnung (14) befindet, ausgebildet in einer Wandung (16) der Hülle (12).
15. Eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei der die Spule für das Erzeugen eines Magnetfeldes ausgelegt ist, das in Richtung des Zentrums der Hülle (12) intensiver ist.
16. Eine Vorichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei der das Innere von metallischen Wandungen begrenzt ist, wobei eine Wandung (16) zumindest teilweise mit einer Zugangsöffnung (14) versehen ist, die durch die dielektrische Abschirmung (18) abgedichtet ist.
17. Eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei der der Gegenstand (W) ein Wafer ist, der von einer Supportoberfläche (13; 70) in der Hülle (12) abgestützt ist, wobei die Supportoberfläche (13; 70) von der Spule (20; 80) um eine Distanz von 3 bis 15 cm entfernt ist.
18. Eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei der die Mittel für das Einspeisen des Prozessgases einen Gasverteilerring (52) umfassen.
19. Eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei der eine erste Anzapfung (22; 86) und eine zweite Anzapfung (24; 88) innerhalb der Spule (20; 80) fflr das elektrische Anschließen eines angesteuerten Abschnitts der Spule (20; 80), der dazwischen definiert ist, vorgesehen sind.
20. Eine Vorrichtung nach Anspruch 19, bei der die erste Anzapfung (22; 86) eine innere Anzapfung ist, die nahe dem Zentrum der Spule (20; 80) angeordnet ist, die zweite Anzapfung eine äußere Anzapfung ist, die zwischen dem Zentrum der Spule (20; 80) und dem Umfang der dielektrischen Abschirmung (18) angeordnet ist und die beiden Anzapfungen mit einem inneren Abschnitt bzw. einem äußeren Abschnitt der Spule (20; 80) verbunden sind.
21. Ein Verfahren für die Behandlung eines Gegenstandes (W) mit einem Plasma, welches Verfahren die Schritte umfaßt
- Plazieren des Gegenstandes (W) innerhalb einer Hülle (12);
- Einspeisen eines Prozessgases in die Hülle (12) unter kontrolliertem Druck; und
- Fließenlassen eines Funkfrequenzstromes in Resonanz in einer im wesentlichen planaren Spule (20; 80), die außerhalb der Hülle (12) nahe einer dielektrischen Abschirmung (18), die in der Hülle (12) ausgebildet ist, positioniert ist, wodurch ein Magnetfeld mit einem hochgradig gleichförmigen Elektronenfluß quer zu ihrem Durchmesser für die Erzeugung eines planaren Plasmas im wesentlichen parallel zu der Spule (20; 80) innerhalb der Hülle (12) gebildet wird.
22. Ein Verfahren nach Anspruch 21, ferner umfassend einen Schritt
- Anlegen eines Funkfrequenzpotentials über der planaren Spule (20; 80) und einer Oberfläche (13; 70) innerhalb der Hülle (12), auf der der Gegenstand (W) abgestützt ist, wodurch Plasmaionen und Radikale in einer Richtung senkrecht zu der planaren Spule (20; 80) beschleunigt werden.
23. Ein Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, bei dem das Prozessgas ein Ätzgas ist.
24. Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, bei dem der Gegenstand (W) ein planarer Gegenstand ist, der in einer Ebene parallel zu der planaren Spule (20; 80) orientiert ist.
25. Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, bei dem der Druck zwischen 0,07 Pa. and 35155 Pa liegt.
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