WO2009062845A2 - Verfahren und generatorschaltung zur erzeugung von plasmen mittels hochfrequenzanregung - Google Patents

Verfahren und generatorschaltung zur erzeugung von plasmen mittels hochfrequenzanregung Download PDF

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    • H01J37/32155—Frequency modulation
    • H01J37/32165—Plural frequencies

Definitions

  • the invention relates to a method and a generator circuit for generating plasmas by means of high-frequency excitation.
  • Plasmas are used in many sedimentation, etch, and film formation processes (eg, RF sputtering, PECVD).
  • the excitation of plasmas by means of DC voltage, microwaves or by high frequency is known.
  • the present invention is concerned with the excitation by means of high frequency, which is particularly suitable for sputtering operations.
  • a power generator is connected through a matching network to a plasma electrode in a vacuum chamber to perform a low pressure plasma process.
  • the matching network is set for the operating frequency of the generator to operate at its nominal impedance.
  • a second plasma generator is used, in addition to high frequency over a the Vacuum chamber surrounding induction coil into the chamber and thus couples energy into the plasma chamber.
  • the nonlinearity of the impedance of the plasma gives rise to harmonics at multiples of the frequency of the generator flowing from the electrode back into the matching network.
  • the reflection factors encountered by these harmonics are undefined and uncontrolled. This results in a waveform of the voltage on the plasma electrode which is periodic with the operating frequency of the generator but which has an uncontrolled course within the voltage period. Lack of reproducibility of a process, "mystical" process changes after service, repair or replacement of high-frequency components are the result. The process is dependent on the design and structure of the high-frequency supply, in particular the matching network.
  • Multiplexer be split. They are then each guided to adjustable impedances, so that they defined
  • the invention has for its object to provide a method and a generator circuit for generating plasmas by means of high frequency excitation, with which the timing of the high frequency excitation can be controlled reproducible.
  • At least one further high-frequency voltage in each case a multiple of this operating frequency and in each case adjustable amplitude and phase, is superimposed in phase to provide a plasma-maintaining voltage of a high-frequency voltage with a defined operating frequency.
  • At least two high-frequency power generators are provided, one of which operates at an operating frequency and one or the other at a multiple of this operating frequency. All high frequency power generators are phase locked together.
  • the relative phase position and the respective amplitude of a high-frequency power generator can be suitably regulated individually.
  • the voltages of the high-frequency power generators with their respective signal frequency are each passed through a separate matching circuit and superimposed on the supply line to the plasma electrode by means of multiplexer.
  • the waveform of the voltage can be specifically controlled.
  • an oscillator and at least one frequency multiplier may be used, which generate the harmonics.
  • the frequency multipliers are then suitably followed in each case by a phase shifter.
  • the coupling to the plasma electrode via a broadband amplifier or more narrow-band amplifier for each frequency.
  • the so-called self-bias DC voltage can be influenced.
  • a small peak voltage (square wave voltage) or a high peak voltage (pulse voltage) can be set. This provides a variety of options for controllable and reproducible process design.
  • the invention will be explained below with reference to an embodiment.
  • the accompanying drawing shows a generator circuit according to the invention.
  • the output of a high-frequency power generator 1, which generates an operating frequency f is fed via a matching network 5 to a multiplexer 9 whose output is in turn connected to an electrode 10 in a vacuum chamber 11.
  • the matching network 5 is tuned to the operating frequency f of the high-frequency power generator 1.
  • high-frequency power generators 2, 3, 4 each operate at an n-times the operating frequency f, where n is for example 2, 3 and 4, that is, they each generate a harmonic of the operating frequency f. All high frequency power generators 1 to 4 are phase locked coupled together (for example by synchronization, not shown). Via the multiplexer 9, the high-frequency power generators 1 to 4 are connected to the electrode 10 of the vacuum chamber 11. Each harmonic is passed to the multiplexer 9 via its own matching network 6, 7, 8. In this way, the harmonics can be adapted in each case, that is, adjusted according to magnitude and phase, and thus tuned to the harmonics produced in the plasma, by encountering reflection factors F 2 , F 3 , F 4 in the return flow.

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Abstract

Zur Bereitstellung einer das Plasma aufrechterhaltenden Spannung wird nach dem Verfahren einer hochfrequente Spannung mit einer definierten Arbeitsfrequenz mindestens eine weitere hochfrequente Spannung mit jeweils einem Vielfachen dieser Arbeitsfrequenz und jeweils einstellbarer Amplitude und Phase phasenstarr überlagert. Für eine entsprechende Generatorschaltung sind mindestens zwei Hochfrequenz-Leistungsgeneratoren (1 bis 4) vorgesehen, von denen einer (1) bei einer definierten Arbeitsfrequenz (f) und der oder die die anderen (2 bis 4) bei jeweils einem Vielfachen dieser Arbeitsfrequenz (f) arbeiten. Alle Hochfrequenz-Leistungsgeneratoren (1 bis 4) sind phasenstarr miteinander gekoppelt und die relative Phasenlage sowie die jeweilige Amplitude jedes Hochfrequenz-Leistungsgenerators (1 bis 4) sind mittels einer eigenen Anpassungsschaltung (5 bis 8) einzeln regelbar. Alternativ dazu kann ein bei einer definierten Arbeitsfrequenz (f) arbeitender Oszillator und mindestens ein weiterer, dem Oszillator nachgeschalteter Frequenzvervielfacher vorgesehen sein, der oder die Harmonische dieser Arbeitsfrequenz (f) erzeugen.

Description

VERFAHREN UND GENERATORSCHALTUNG ZUR ERZEUGUNG VON PLASMEN MITTELS HOCHFREQUENZANREGUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Generatorschaltung zur Erzeugung von Plasmen mittels Hochfrequenzanregung .
Plasmen werden bei vielen Sedimentations-, Ätz- und Schichtbildungsprozessen (zum Beispiel HF-Sputtern, PECVD) eingesetzt. Bekannt ist die Anregung von Plasmen mittels Gleichspannung, Mikrowellen oder durch Hochfrequenz. Vorliegende Erfindung befasst sich mit der Anregung mittels Hochfrequenz, die insbesondere für Sputtervorgänge geeignet ist .
Bei einem Plasmaerzeuger auf der Basis von Hochfrequenzanregung wird ein Leistungsgenerator über ein Anpassungsnetzwerk an eine Plasmaelektrode in einer Vakuumkammer angeschlossen, um einen Niederdruck-Plasmaprozess durchzuführen. Typisch sind Generatoren mit einer Frequenz von f = 13,56 MHz bei einer Leistung von 300 W bis 50 kW. Das Anpassungsnetzwerk wird für die Arbeitsfrequenz des Generators so eingestellt, dass dieser an seiner Nennimpedanz betrieben wird.
Gegebenenfalls wird noch ein zweiter Plasmaerzeuger eingesetzt, der zusätzlich Hochfrequenz über eine die Vakuumkammer umgebende Induktionsspule in die Kammer und damit Energie in den Plasmaraum einkoppelt.
Durch die Nichtlinearität der Impedanz des Plasmas entstehen Harmonische mit Vielfachen der Frequenz des Generators, die von der Elektrode aus zurück in das Anpassungsnetzwerk fließen. Die Reflexionsfaktoren, auf die diese Harmonischen treffen, sind nicht definiert und werden nicht kontrolliert. Dadurch entsteht an der Plasmaelektrode eine Kurvenform der Spannung, die mit der Arbeitsfrequenz des Generators periodisch ist, die aber innerhalb der Spannungsperiode einen nicht kontrollierten Verlauf hat. Mangelnde Reproduzierbarkeit eines Prozesses, „mystische" Prozessänderungen nach Service, Reparatur oder Austausch von Hochfrequenzkomponenten sind die Folge. Der Prozess wird abhängig vom Design und Aufbau der Hochfrequenzversorgung, insbesondere des Anpassungsnetzwerkes.
Nach der US 6 537 421 B2 ist ein Plasmaerzeuger bekannt, bei dem zur Beherrschung dieses Problems zwischen Plasmaelektrode und Anpassungsnetzwerk Filter geschaltet sind, die jeweils auf eine Harmonische der Arbeitsfrequenz des Hochfrequenzgenerators abgestimmt sind.
Nach der US 7 084 369 B2 ist eine weitere Lösung bekannt, nach der die rücklaufenden Wellen in einem frequenzselektiven
Multiplexer aufgeteilt werden. Sie werden anschließend jeweils auf einstellbare Impedanzen geführt, so dass sie definierte
Reflexionfaktoren finden. Somit lassen sich zwar reproduzierbare Verhältnisse schaffen, die Einflussnahme auf die Kurvenform der Hochfrequenzanregung ist jedoch limitiert. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Generatorschaltung zum Erzeugen von Plasmen mittels Hochfrequenzanregung anzugeben, mit denen der Zeitverlauf der Hochfrequenzanregung reproduzierbar kontrolliert werden kann.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1, 2 und 4. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Danach wird zur Bereitstellung einer das Plasma aufrechterhaltenden Spannung einer hochfrequenten Spannung mit einer definierten Arbeitsfrequenz mindestens eine weitere hochfrequente Spannung mit jeweils einem Vielfachen dieser Arbeitsfrequenz und jeweils einstellbarer Amplitude und Phase phasenstarr überlagert.
Zur Realisierung des Verfahrens sind mindestens zwei Hochfrequenz-Leistungsgeneratoren vorgesehen, von denen einer bei einer Arbeitsfrequenz und der oder die anderen bei jeweils einem Vielfachen dieser Arbeitsfrequenz arbeiten. Alle Hochfrequenz-Leistungsgeneratoren sind phasenstarr miteinander gekoppelt. Die relative Phasenlage und die jeweilige Amplitude eines Hochfrequenz-Leistungsgenerators können zweckmäßig einzeln geregelt werden. Die Spannungen der Hochfrequenz- Leistungsgeneratoren mit ihrer jeweiligen Signalfrequenz werden jeweils über eine eigene Anpassungsschaltung geführt und an der Zuleitung zur Plasmaelektrode mittels Multiplexer überlagert. Durch die Einstellung der verschiedenen Amplituden und Phasenlagen kann die Kurvenform der Spannung gezielt kontrolliert werden. Statt mehrerer Hochfrequenz-Leistungsgeneratoren können alternativ auch ein Oszillator und mindestens ein Frequenzvervielfacher eingesetzt werden, der oder die die Harmonischen erzeugen. Den Frequenzvervielfachern wird dann zweckmäßig jeweils ein Phasenschieber nachgeschaltet. Die Ankopplung an die Plasmaelektrode erfolgt über einen Breitbandverstärker oder mehrere schmalbandige Verstärker für die jeweilige Frequenz.
Mit dem Verfahren kann zum Beispiel die so genannte selfbias- DC-Spannung beeinflusst werden. Neben einer Sinusspannung kann dann auch eine kleine Spitzenspannung (Rechteckspannung) oder eine hohe Spitzenspannung (Pulsspannung) eingestellt werden. Dies ergibt vielfältige Möglichkeiten zur kontrollierbaren und reproduzierbaren Prozessgestaltung.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt eine erfindungsgemäße Generatorschaltung. Der Ausgang eines Hochfrequenz-Leistungsgenerators 1, der eine Arbeitsfrequenz f erzeugt, wird über ein Anpassungsnetzwerk 5 an einen Multiplexer 9 geführt, dessen Ausgang wiederum an eine Elektrode 10 in einer Vakuumkammer 11 geschaltet ist. Das Anpassungsnetzwerk 5 ist auf die Arbeitsfrequenz f des Hochfrequenz-Leistungsgenerators 1 abgestimmt.
Weitere Hochfrequenz-Leistungsgeneratoren 2, 3, 4 arbeiten jeweils bei einem n-fachen der Arbeitsfrequenz f, wobei n beispielsweise 2, 3 und 4 beträgt, das heißt, sie erzeugen jeweils eine Harmonische der Arbeitsfrequenz f. Alle Hochfrequenz-Leistungsgeneratoren 1 bis 4 sind phasenstarr miteinander gekoppelt (zum Beispiel durch Synchronisation, nicht gezeigt) . Über den Multiplexer 9 sind die Hochfrequenz- Leistungsgeneratoren 1 bis 4 mit der Elektrode 10 der Vakuumkammer 11 verbunden. Jede Harmonische wird über ein eigenes Anpassungsnetzwerk 6, 7, 8 an den Multiplexer 9 geführt. Damit können die Harmonischen jeweils angepasst, das heißt nach Betrag und Phase eingestellt und damit auf die im Plasma entstehenden Harmonischen abgestimmt werden, indem sie im Zurückfließen auf Reflexionsfaktoren F2, F3, F4 treffen.
Mit der Anregung der Harmonischen lässt sich dann je nach den Erfordernissen eine sinusförmige oder auch eine pulsförmige oder eine rechteckförmige Spannung für das Plasma erzeugen.
Liste der Bezugszeichen
1-4 Hochfrequenz-Leistungsgenerator 5-8 Anpassungsnetzwerk
9 Multiplexer
10 Elektrode
11 Vakuumkammer
f Arbeitsfrequenz n 2, 3, 4...
F Reflexionsfaktor

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Erzeugung von Plasmen mittels Hochfrequenzanregung, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bereitstellung einer das Plasma aufrechterhaltenden Spannung eine hochfrequente Spannung mit einer definierten Arbeitsfrequenz und mindestens eine weitere hochfrequente Spannung mit jeweils einem Vielfachen dieser Arbeitsfrequenz und jeweils einstellbarer Amplitude und Phase phasenstarr überlagert werden.
2. Generatorschaltung zur Erzeugung von Plasmen mittels Hochfrequenzanregung zur Realisierung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bereitstellung einer das Plasma aufrechterhaltenden Spannung mindestens zwei Hochfrequenz-Leistungsgeneratoren (1 bis 4) vorgesehen sind, von denen einer (1) bei einer definierten Arbeitsfrequenz (f) und der oder die die anderen
(2 bis 4) bei jeweils einem Vielfachen dieser Arbeitsfrequenz
(f) arbeiten, alle Hochfrequenz-Leistungsgeneratoren (1 bis 4) phasenstarr miteinander gekoppelt sind und die relative Phasenlage sowie die jeweilige Amplitude jedes Hochfrequenz- Leistungsgenerators (1 bis 4) mittels einer eigenen Anpassungsschaltung (5 bis 8) einzeln regelbar sind.
3. Generatorsschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenz-Leistungsgeneratoren (1 bis 4) über einen Multiplexer (9) mit einer Elektrode [ 10) einer Vakuumkammer (11) verbunden sind.
4. Generatorschaltung zur Erzeugung von Plasmen mittels Hochfrequenzanregung zur Realisierung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bereitstellung einer das Plasma aufrechterhaltenden Spannung ein bei einer definierten Arbeitsfrequenz (f) arbeitender Oszillator und mindestens ein weiterer, dem Oszillator nachgeschalteter Frequenzvervielfacher vorgesehen sind, der oder die Harmonische dieser Arbeitsfrequenz (f) erzeugen .
5. Generatorschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass den Frequenzvervielfachern jeweils ein Phasenschieber nachgeschaltet ist.
6. Generatorschaltung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsspannung der Frequenzvervielfacher auf einen Breitbandverstärker geführt ist.
7. Generatorschaltung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Frequenzvervielfacher ein Verstärker nachgeschaltet ist.
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