DE19548657A1 - Vorrichtung zur großflächigen Plasmaerzeugung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Plasmaerzeugung basierend auf einer induktiv gekoppelten Hochfrequenzanregung.

Für die Erzeugung von Plasmen stehen prinzipiell eine Reihe unterschiedlicher Methoden zur Verfügung: Neben Mikrowellenanregung - wie z. B. Elektron-Zyklotron-Resonanz (ECR) - sind die in der Oberflächenbearbeitung (Ätzen, Beschichten, etc.) am häufigsten verwendeten Methoden die "kapazitive und die "induktive" Hochfrequenzeinkopplung.

Grundsätzlich haben induktive Verfahren gegenüber kapazitiven Verfahren den Vorteil, daß eine effektivere Leistungseinkopplung möglich ist und damit bei gleicher Leistung höhere Plasmadichten, d. h. höhere Ionen- und Elektronendichten erzielt werden können. Ein weiterer Vorteil der induktiven Einkopplung besteht darin, daß die resultierenden Plasmapotentiale - d. h. die maximalen Ionenbombardementenergien auf die dem Plasma ausgesetzten Flächen (Wände und zu bearbeitende Substrate) und damit deren Schädigung vergleichsweise gering sind. Durch ein zusätzliches "Biasing" der Substratelektrode (Anlegen einer Gleich- oder HF-Spannung) kann die kinetische Energie mit der die Ionen die Elektrode treffen gezielt beeinflußt werden. Für eine Übersicht über induktive Plasmaerzeugung siehe Referenz 1.

Ein Problem - das allen unterschiedlichen Antennenkonfigurationen zur induktiven Plasmaerzeugung gemeinsam ist - besteht darin, daß aufgrund der endlichen Induktivitäten die elektrischen Spannungsabfälle auf den Antennenleitungen nicht null sind und damit immer auch ein gewisser Teil der ins Plasma eingekoppelten Leistung auf kapazitiver Anregung basiert. Um diesen unerwünschten kapazitiven Anteil, der die Plasmapotentiale heraufsetzt, klein zu halten, kann man zum Beispiel Schlitzblenden verwenden, die die elektrischen Felder kurzschließen (sogenanntes "Faraday shielding"/1,2/). Dies ist allerdings mit einem nicht unerheblichen zusätzlichen technischen Aufwand verbunden, der zudem den Wirkungsgrad herabsetzt.

Die bisher verwendeten Antennen zur induktiven Plasmaerzeugung benutzen Induktionsschleifen mit kreis- bzw. spiralförmigen Geometrien. Ein Nachteil der bisher verwendeten Antennen besteht darin, daß eine Anpassung an beliebige Geometrien der Plasmaanlagen nicht einfach zu bewerkstelligen ist. Insbesondere ist eine flächenhafte Plasmaerzeugung, d. h. eine Plasmaerzeugung mit guter Homogenität über große Flächen so nicht zu erreichen, ohne die Leitungslängen und damit die Induktivität der Antennen auf inaktzeptable Werte zu erhöhen.

Eine mögliche Antennenform mit kleiner Induktivität wurde in Ref. 3 vorgeschlagen. Die in Ref. 3 vorgeschlagene Lösung - ein kreisförmiger Ring, der einen Quarzzylinder (die Plasmaquelle) umschließt hat aber den Nachteil, daß sie nicht beliebig hochskalierbar ist und deshalb für eine großflächige Plasmaerzeugung wie z. B. bei der Herstellung flacher Bildschirme nicht einsetzbar ist. Es wurde deshalb vorgeschlagen mehrere solcher Plasmaquellen simultan zu betreiben, das heißt, die Quellen auf einer gemeinsamen Prozeßkammer, der das zu bearbeitende Substrat enthält derart zu montieren, daß ein möglichst gleichmäßiges Plasma auf Substratebene resultiert /3/. Eine Hochskalierung wäre dann durch die Erhöhung der Anzahl der Plasmaquellen möglich. Aber auch hier ist der erreichbare Grad der Anpassung an beliebige Geometrien und Größen der Plasmaanlagen sehr begrenzt, da die Plasmaerzeugung selbst nicht wirklich flächenhaft ist. Wie in Ref. 3 beschrieben wird, kann zwar eine gewisse Homogenisierung des Plasmas durch Diffusionsvorgänge in der Plasmakammer erreicht werden wenn die Substratebene einen ausreichendem Abstand von den Quellenöffnungen besitzt. Bei kleinen Abständen sind die Produktionszentren - nämlich die Quellen selbst - jedoch klar auszumachen. Dies demonstrieren die in Ref. 3 vorgestellten ortsaufgelösten Messungen der Plasmadichten die bei geringen Abständen von der Quelle eine Überhöhung der Plasmadichten in Quellennähe anzeigen.

Das im folgenden dargelegte erfindungsgemäße Prinzip hat den Vorteil, daß daraus resultierende spezielle Antennenformen - unter Beibehaltung niedriger Induktivität - auf wesentlich einfachere Art eine nahezu beliebige Hochskalierung von Plasmaanlagen zulassen, wobei trotz der Parallelschaltung mehrerer Einzelantennen das Anpaßnetzwerk mit nur einem Ausgang auskommt (Das in Ref. 3 zu verwendende Anpaßnetzwerk besitzt entsprechend der Anzahl der parallelgeschalteten Einzelplasmaquellen 4 Ausgänge). Das Grundprinzip der Anordnung ist in Abb. 1 dargestellt.

Die Antenne besteht aus einem Ensemble von zentral gespeisten sternförmig angeordneten Kurzschlußleitungen. Die Gesamtinduktivität L_ges eines solchen Ensembles ergibt sich bei n Zweigen aus der Beziehung L_ges ^-1 = L_i ^-1 + L₂^-1 + . . . L_n ^-1 wobei L_i die Induktivität einer einzelnen Kurzschlußleitung bezeichnet; d. h. die Gesamtinduktivität sinkt - bei unveränderter Länge der einzelnen Zweige mit steigender Anzahl der Kurzschlußleitungen. Im Gegensatz zu bekannten herkömmlichen Anordnungen, bei denen bisher immer Induktionsschleifen mit spiralförmigen bzw. kreisförmigen Geometrien verwendet wurden, lassen die in dieser Patentanmeldung beschriebenen Antennenformen auch Einzelzweige (Kurzschlußleitungen) mit anderen Geometrien zu, die auf die entsprechende Geometrie einer Plasmaanlage zugeschnitten werden kann; dabei kann eine perfekte Symmetrie bzgl. der Höhe der in den Einzelleitungen fließenden HF-Ströme erreicht werden.

Diese Art der Anordnung ist insbesondere ein Vorteil bei Anwendungen, bei denen es darauf ankommt einen möglichst großflächigen und homogenen Plasmaerzeugungsbereich zu haben. Eine leicht modifizierte Variante des in Abb. 1 dargestellten Antennenprinzips, ist in Abb. 2 gezeigt, sie demonstriert den Vorteil dieser Art der Plasmaerzeugung. Die Antenne besteht aus 4 Zweigen, von denen jeweils 2 Zweige auf einen gemeinsamen Masseanschluß geführt werden. Durch eine entsprechende geometrische Ausformung der einzelnen Zweige kann sie an nahezu jede beliebige Reaktorgeometrie angepaßt werden. Insbesondere ist es so möglich auch bei rechteckigen Geometrien, wie sie z. B. in der Flat Panel Display Technik eine Rolle spielen /4/ einen weitgehend homogenen Plasmaerzeugungsbereich herzustellen. Ein Vergleich mit der in Ref. 3 vorgeschlagenen Lösung zeigt, daß bei etwa gleicher Gesamtinduktivität eine wesentlich größere Fläche für die Plasmaerzeugung ausgenutzt wird, was gleichmäßigere Plasmadichten erwarten läßt. Auf der anderen Seite sind die Zuleitungsverluste kleiner und damit die Effektivität der Leistungseinkopplung größer als bei der in Ref. 3 vorgeschlagenen Lösung.

Abb. 3 zeigt einen Schnitt durch einen möglichen Plasmareaktor bei der die Antenne sich in der Plasmakammer befindet. Die HF-Durchführung befindet sich hier in der Mitte der oberen Kammerwand. Die Masseverbindung kann einfach durch einen elektrischen Kontakt mit der Wand hergestellt werden. Prinzipiell ist es auch vorstellbar, die obere Kammerwand oder Teile davon als dielektrische Platte auszuführen und die Antenne darauf zu legen, so daß sie nicht mit dem Plasma in Berührung steht. Die Antenne kann auch mit einem dielektrischen Material beschichtet sein oder in ein Dielektrikum (z. B. Quarz oder Keramik) eingehüllt sein.

Weitere Varianten des in Abb. 1 dargestellten Grundprinzips - vorzugsweise bei zylindrischen Geometrien zu verwenden - sind in den Abb. 4-7 dargestellt. Eine leichte Variation dieses Prinzips zeigen die Abb. 8-10.

Da der Plasmaproduktionsbereich wesentlich homogener ist, als bei der in Ref. 3 beschriebenen Anordnung, kann das zu bearbeitende Substrat sehr nahe an die Antenne gebracht werden, was gegenüber der in Ref. 3 beschriebenen Anlage zu einer deutlich reduzierten Bauhöhe der Plasmaanlage führt. Durch die damit verbundene Reduktion der dem Plasma ausgesetzten Verlustoberflächen (Wände) wird der Wirkungsgrad dieser Antennenform nochmals erhöht.

Ein anderer aus der Literatur bekannter Ansatz benutzt eine flache Induktionsspule, die durch eine dielektrische Wand von der Prozeßkammer getrennt ist, zur Plasmaerzeugung /5/. Eine Hochskalierung müßte bei dieser Technik durch eine Erhöhung der Anzahl der Spulenwindungen erfolgen. Dies hat den Nachteil, daß die Gesamtleitungslänge und damit die Induktivität sehr groß wird, was mit einer sehr starken kapazitiven Komponente der Einkopplung einhergeht. Dieser Effekt einer hohen kapazitiven Einkoppelkomponente und damit verbundene Effekte für die Oberflächenbearbeitung wurde zum Beispiel in Ref. 6 beschrieben.

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß die vorliegende Erfindung es ermöglicht, auf einfache Weise ein homogenes induktiv angeregtes Plasma über große Flächen zu erzeugen wobei die Gesamtinduktivität und damit die kapazitive Komponente der Hochfrequenzeinkopplung klein gehalten werden kann. Dabei ist es nicht von Bedeutung ob die Antenne direkt mit dem Plasmabereich in Berührung ist oder über eine dielektrische Wand (z. B. Quarz oder Keramik) vom Plasma getrennt ist. Auch eine Einhüllung der Antenne in ein dielektrisches Medium (z. B. Quarzummantelung) ist möglich.

Im Unterschied zu den aus der Literatur bekannten Antennenformen, läßt das hier vorgeschlagene Prinzip zur Plasmaerzeugung eine nahezu beliebige Hochskalierung der Plasmaanlagen zu.

Bei den Abb. 1-10 ist vorausgesetzt, daß die Hochfrequenz der Antenne in der Regel über ein Anpaßnetzwerk zugeführt wird auch wenn das Anpaßnetzwerk nicht explizit dargestellt ist.

Referenzen

1 J. Hopwood, Review of induktively coupled plasmas for plasma processing, Plasma Sources Sci. Technol. 1, 109 (1992)
2 Comparison of electrostatic shielded and unshielded inductively coupled plasma sources, Wayne L. Johnson, Prototech Research, Inc., presented to: Plasma etch users group, a working subgroup of the nothern chapter of the American Vacuum Society, April 9, 1992
3 Vorrichtung zur Plasmaerzeugung, Patenteinreichung der Fraunhofer Gesellschaft, Nr. 93/30522-ISIT
4 F. Heinrich, U. Bänziger, A. Jentzsch, G. Neumann, C. Huth, Novel high density plasma tool for Iarge area flat panel display etching, Proceedings of the Eighth International Vacuum Microelectronics Conference, IVMC "95" Portland, Oregon (USA), July 30 - August 3, 1995
5 John S. Ogle, United States Patent Nr. 4 948 458, August 14, 1990
6 G. S. Oehrlein, N. R. Rüger, M. Schaepkens, J.J. Beulens, M. Doemling, and J. Mirza, Mechanistic studies of SiO2 etching in high density plasmas, Supplement a la Revue "LE Vide": science, technique et applications No. 275, 187 (1995)

Claims (11)

1. Vorrichtung zur großflächigen Plasmaerzeugung durch eine induktive Hochfrequenzeinkopplung über eine Antenne, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne aus mehreren parallelgeschalteten Kurzschlußleitungen beliebiger Geometrie besteht, wobei die einzelnen Zweige in einer Anordnung zusammengeschaltet werden, die im weitesten Sinne als sternförmig bezeichnet werden kann. Zur HF-Ansteuerung wird nur ein HF-Sender und ein Anpaßnetzwerk mit nur einem Ausgang benötigt (Abb. 1, 4-7).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß mehrere oder alle Kurzschlußleitungen auf einen Massepunkt geführt werden (Abb. 2).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Kurzschlußzweige der Antenne aus mehreren parallelverlaufenden linearen Leitern bestehen, die auf der HF-Seite alle miteinander elektrisch verbunden werden und auf einen Ausgang eines Anpaßnetzwerks geführt werden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Antennenzweige der Anzahl n jeweils auf einen separaten Ausgang eines Anpaßnetzwerks geführt werden, das Anpaßnetzwerk also n Ausgänge besitzt, oder daß die Einzelleiter auf jeweils ein eigenes Anpaßnetzwerk geführt werden, also n Anpaßnetzwerke erforderlich sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß nicht alle Leitungen elektrisch miteinander verbunden werden, bevor sie auf das Anpaßnetzwerk geführt werden, sondern nur eine gewisse Anzahl der Einzelleitungen parallelgeschaltet also z. B. bei 4 Einzelleitern jeweils z. B. nur zwei miteinander elektrisch verbunden werden, und die daraus entstehen Parallelzweige (hier 2) auf jeweils einen Ausgang des Anpaßnetzwerks (daß in diesem Fall 2 Ausgänge besitzt) oder auf jeweils ein eigenes Anpaßnetzwerk geführt werden.

6. Vorrichtung nach Ansprüchen 1-5, mehrere parallelgeschaltete Antennen zur Plasmaerzeugung benutzt werden, die jeweils auch mit einem eigenen HF-Sender betrieben werden (z. B. Abb. 8, 9).

7. Verfahren nach Ansprüchen 1-6 dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsoberflächen der Antennen direkt mit dem Plasma in Verbindung stehen.

8. Verfahren nach Anspruch 1-6 dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsoberflächen der Antennen eine dielektrische Beschichtung besitzen oder in ein Dielektrikum eingehüllt sind.

9. Verfahren nach Anspruch 1-6 dadurch gekennzeichnet, daß die Antennen durch eine dielektrische Platte von der Plasmakammer getrennt sind.

10. Vorrichtung nach Ansprüchen 1-9 dadurch gekennzeichnet daß die Substratelektrode mit einer zusätzlichen Gleich- oder Wechselspannung beaufschlagt wird (Abb. 3 und 5).

11. Vorrichtung nach Ansprüchen 1-10 dadurch gekennzeichnet, daß die Wände der Plasmaanlage mit Magneten (Permanentmagneten oder Spulen) versehen werden.