DE10147998A1

DE10147998A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas

Info

Publication number: DE10147998A1
Application number: DE10147998A
Authority: DE
Inventors: Juergen Weichart; Dominik Wimo Amman; Siegfried Krassnitzer
Original assignee: Unaxis Balzers AG
Current assignee: OC Oerlikon Balzers AG
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2001-09-28
Publication date: 2003-04-10
Also published as: JP4610191B2; WO2003030207A1; CN100364035C; CN1559077A; US8613828B2; KR20040050898A; EP1433192A1; TWI290809B; KR100960978B1; US7476301B2; US20090145554A1; US20030075522A1; JP2005505130A; HK1069674A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Plasmas, welches in der Vakuumkammer eines Vakuumrezipienten einer zur Plasmabehandlung geeigneten Vorrichtung mit mindestens einer mit Wechselstrom beaufschlagten Induktionsspule mindestens miterzeugt wird, wobei das zur Erzeugung des Plasmas verwendete Gas durch mindestens einen Einlass in die Vakuumkammer eingelassen wird und die Vakuumkammer durch mindestens eine Pumpanordnung bepumpt wird, wobei die Induktionsspule zur Beeinflussung der Dichte des Plasmas zusätzlich durch einen gegebenenfalls gepulsten Gleichstrom beaufschlagt wird.

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines durch eine Induktionsspule in der Vakuumkammer eines Vakuumrezipienten erzeugten Plasmas sowie eine Vorrichtung, welche zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur gegebenenfalls reaktiven Beschichtung oder zur gegebenenfalls reaktiven Ätzung eines Substrates.

Hintergrund der Erfindung

Bei der reaktiven Behandlung von Substraten im Vakuum wie z. B. bei der Halbleiter- Herstellung ist die Verwendung eines Plasmas, welches in der Vakuumkammer eines Vakuumrezipienten erzeugt wird, bei einer Vielzahl von Prozessschritten wie z. B. bei der gegebenenfalls reaktiven Beschichtung oder gegebenenfalls reaktiven Ätzung von Substraten gebräuchlich.

Dabei ist es bekannt; dass das Plasma induktiv und/oder kapazitiv erzeugt werden kann.

In EP 0,271,341-A1 wird z. B. eine Vorrichtung zum Trockenätzen von Halbleiterscheiben beschrieben, welche eine Induktionsspule zur Plasmaerzeugung sowie eine Elektrodenvorrichtung umfasst, um ionisierte Teilchen aus dem Plasma auf das Substrat zu extrahieren. Bei der in US 6,068,784 beschriebenen Vorrichtung wird die Energie zur Plasmaerzeugung über eine spulenförmige Antenne induktiv in die als Reaktor dienende Vakuumkammer des Vakuumrezipienten eingekoppelt. Das Substrat befindet sich auf einer als Substratträger dienenden Elektrode, welche zur Regelung der Energie der Ionen des Plasmas mit einer sogenannten RF (radio frequency)-Bias- oder Vorspannung beaufschlagt wird.

In US 5,460,707 wird eine Vorrichtung zur kapazitiven Plasmaerzeugung beschrieben, die auch für Beschichtungszwecke verwendet werden kann. Dabei kann zur Steuerung der Plasmadichteverteilung oder zur Erzeugung einer lokal erhöhten Plasmadichte ein Magnetfeld vorhanden sein, welches von einem zusätzlichen Permanent- oder Elektromagneten erzeugt wird.

Bei der Vakuumbehandlung von Substraten z. B. im Rahmen der Halbleiterherstellung ist eine hohe Homogenität der Plasmadichteverteilung über die gesamte Substratfläche erforderlich, um eine hohe Gleichmässigkeit der Substratbehandlung zu gewährleisten. Dazu müssen störende Ausseneinflüsse, vor allem äußere Felder, abgeschirmt oder kompensiert werden.

Dabei ist z. B. die Verwendung einer ferromagnetischen Hülle zur Abschirmung des Vakuumrezipienten zwar theoretisch möglich, aber unter praktischen Gesichtspunkten nachteilig, da eine derartige Hülle das Gewicht des Vakuumrezipienten beträchtlich erhöhen würde. Weiterhin wäre die Zugänglichkeit des Vakuumrezipienten bei etwaig erforderlichen Wartungs- oder Unterhaltungsarbeiten erschwert.

In EP 0,413,283 wird beschrieben, dass ein planares Plasma durch Verwendung einer elektrisch leitenden planaren Flachspule erhalten werden kann, wobei das Induktionsfeld durch Anschließen einer hochfrequenten Spannungsquelle an die Flachspule erzeugt und über eine dielektrische Abschirmung eingekoppelt wird.

In US 6,022,460 wird vorgeschlagen, auf das Plasma, welches z. B. durch eine mit hochfrequenter Wechselspannung beaufschlagte Flachspule oder durch eine Spule in Form einer Vakuumglocke induktiv mindestens miterzeugt wird, ein weiteres, durch ein Helmholtzspulen-Paar erzeugtes Magnetfeld einwirken zu lassen. Dabei wird das Helmholtzspulenpaar durch eine Kombination von Gleich- und Wechselstrom beaufschlagt, sodass ein schwaches, durch den Wechselspannungs-Anteil moduliertes Magnetfeld resultiert, welche eine als "Schütteln" (shaking) bezeichnete Beeinflussung des Magnetfeldes erlaubt. Hierdurch wird gemäß US '460 im wesentlichen eine Erhöhung der Plasmadichte und eine Verbesserung der Homogenität des Plasmas erreicht.

Ein Nachteil der in US '460 beschriebenen Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas besteht darin, dass durch das zusätzliche Helmholtzspulenpaar ein kompaktes Design der Vorrichtung erschwert wird und die Kosten der Vorrichtung erhöht werden. Da aus hochfrequenztechnischen Gründen die Induktionsspule von dem Helmholtzspulenpaar entkoppelt sein muss, ist eine räumliche Trennung von Induktionsspule und Helmholtzspulenpaar zwingend erforderlich.

Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas mit hoher Homogenität bereitzustellen, welches die im Stand der Technik beschriebenen Nachteile nicht oder in geringerem Ausmaße aufweist. Weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Plasmas, welches in der Vakuumkammer (1a) eines Vakuumrezipienten (1) einer zur Plasmabehandlung geeigneten Vorrichtung mit mindestens einer mit Wechselstrom beaufschlagten Induktionsspule (2) mindestens miterzeugt wird, wobei das zur Erzeugung des Plasmas verwendete Gas durch mindestens einen Einlass (3) in die Vakuumkammer (1a) eingelassen wird und die Vakuumkammer (1a) durch mindestens eine Pumpanordnung (4) bepumpt wird, und wobei die Induktionsspule (2) zur Beeinflussung der Dichte des Plasmas zusätzlich durch einen gegebenenfalls modulierten, bevorzugt gepulsten Gleichstrom beaufschlagt wird.
Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur gegebenenfalls reaktiven Beschichtung und/oder zur gegebenenfalls reaktiven Ätzung von Substraten (9).
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine zur Plasmabehandlung geeignete Vorrichtung, umfassend mindestens eine Induktionsspule (2) mindestens zur Miterzeugung des Plasmas in der Vakuumkammer (1a) eines Vakuumrezipienten (1), wobei die Vakuumkammer (1a) mindestens einen Einlass (3) zum Einlassen eines zur Erzeugung des Plasmas dienenden Gases und eine Pumpanordung (4) aufweist, und wobei die Induktionsspule (2) mit einem oder mehreren Spannungsgeneratoren verbunden ist, welche die Induktionsspule mit einem Wechselstrom und einem gegebenenfalls unipolar oder bipolar gepulsten Gleichstrom beaufschlagen.

Kurze Beschreibung der Figuren

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, welche zur Plasmabehandlung geeignet ist.
Fig. 2 zeigt die normalisierte Ätztiefe längs einer Diagonalen eines Silizium-Wafers, wobei das für die Ätzung benutzte Plasma durch eine Induktionsspule 2 mindestens miterzeugt wurde, welche durch einen Gleich- und ein Wechselstrom (Kurve I) bzw. lediglich durch einen Wechselstrom (Kurve II) beaufschlagt wurde.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die zur Plasmaerzeugung geeignete erfindungsgemässe Vorrichtung umfasst einen Vakuumrezipienten 1 mit einer Vakuumkammer 1a, die durch eine oder mehrere Pumpanordnungen 4 evakuiert werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Vakuumrezipient 1 ein Außengehäuse 10 aus z. B. Metallen wie etwa rostfreiem Stahl oder Aluminium, um eine gute Abdichtung des Vakuumrezipienten und eine Abschirmung insbesondere gegen äußere elektrische Streufelder zu erzielen. Das Metallgehäuse 10 des Vakuumrezipienten 1 kann vakuumseitig vorzugsweise ein dielektrisches Innengehäuse 7 aufweisen, das z. B. selbsttragend oder als Beschichtung innen auf das äußere Gehäuse 10 aufgebracht sein kann. Das dielektrische Material wird vorzugsweise so gewählt, dass es einerseits möglichst inert ist gegen die bei reaktiven Ätz- oder Beschichtungsvorgängen benutzten, z. B. chlor- und/oder fluorhaltigen Gase, und dass es andererseits möglichst durchlässig ist für die induktiv eingekoppelte Leistung. Bevorzugte dielektrische Materialien umfassen z. B. Polymermaterialien, keramische Materialien, Quarz und Aluminiumoxid und insbesondere keramische Materialien, Quarz und Aluminiumoxid. Es ist aber z. B. auch möglich, dass lediglich die Seitenwand des Vakuumrezipienten 1 ganz oder teilweise mit einem dielektrischem Material ausgekleidet oder beschichtet ist oder aus einem dielektrischen Material besteht, während die obere und die untere Stirnfläche jeweils metallische Anschlüsse aufweisen wie dies in WO 00/19,483 beschriebenen ist. Der in EP 0,413,283 beschriebene Vakuumrezipient 1 weist eine dielektrische Abschirmung auf, die z. B. in der oberen Deckwand des Vakuumrezipienten 1 enthalten sein kann.
Die obige Beschreibung des Vakuumrezipienten 1 ist lediglich beispielhaft zu verstehen und soll die Erfindung erläutern und nicht begrenzen.
Die Vakuumkammer 1a enthält ein oder mehrere Gaseinlässe 3, durch welche das für die Erzeugung des Plasmas verwendete Gas eingelassen wird. Das Gas, welches aus einer einzigen Gasverbindung bestehen kann oder auch eine Mischung aus mehreren Gasverbindungen sein kann, wird dabei insbesondere im Hinblick auf die chemische Zusammensetzung und physikalischen Parameter des zu behandelnden Substrates 9 und auf die zu erzielende Modifikation der Substratoberfläche ausgewählt. Soll die Oberfläche des Substrates gereinigt werden (Sputterätzen), kann das Gas z. B. Ar oder ein anderes Edelgas enthalten, während für reaktive Ätzverfahren Gase benutzt werden können, die z. B. Cl₂, SiCl₄, BCl₃, CF₄, CHF₃, SF₆ und/oder O₂ enthalten können. Für die Beschichtung von Substraten mit dünnen Filmen (z. B. chemical vapor deposition CVD bzw. plasma enhanced chemical vapor deposition PECVD) können z. B. Organometallverbinden, CH₄, SiH₄, NH₃, N₂ und/oder H₂ verwendet werden. Die genannten Gasverbindungen und Prozesse zur Behandlung von Substraten 9 sind beispielhaft zu verstehen und sollen die Erfindung lediglich erläutern und nicht begrenzen.
Der Fluss des Gases und die Leistung der Pumpanordnung(en) 4 wird vorzugsweise so gewählt, dass der Druck in der Vakuumkammer 1a des Vakuumrezipienten 1 insbesondere zwischen 0.01 und 10 Pa und besonders bevorzugt zwischen 0.05 und 0.2 Pa beträgt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält mindestens eine Induktionsspule 2, durch welche das in der Vakuumkammer 1a des Vakuumrezipienten 1 erzeugte Plasma mindestens miterzeugt wird. Die Induktionsspule(n) 2 sind vorzugsweise so in dem Vakuumrezipienten 1 bzw. in der Vakuumkammer 1a angeordnet, dass sie nicht dem Plasma ausgesetzt werden, um z. B. die Abscheidung elektrisch leitender Störbeschichtungen oder anderer Beschichtungen auf den Induktionsspulen) 2 oder einer Beschädigung der Induktionsspule(n) 2 durch das Plasma zu vermeiden. Die Induktionsspule(n) 2 sind vorzugsweise mindestens von dem Teil der Vakuumkammer 1a, in dem das Plasma erzeugt wird, durch eine dielektrische Abschirmung wie z. B. ein dielektrisches Innengehäuse 7 getrennt. Die Induktionsspulen) 2 können vorzugsweise auch außerhalb der Vakuumkammer 1a angeordnet sein.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält eine oder mehrere Induktionsspulen 2, vorzugsweise eine oder zwei Induktionsspulen 2 und insbesondere eine Induktionsspule 2.
Die Form der Induktionsspule(n) 2 kann variieren und wird vorzugsweise so gewählt, dass bereits ohne Beaufschlagung der Induktionsspule(n) 2 mit einem Gleichstrom ein möglichst homogenes Induktionsfeld erhalten wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform einer Induktionsspule 2 umfasst diese Windungen, die direkt auf die Vakuumkammer 1a bzw. vorzugsweise auf ein darin befindliches dielektrisches Innengehäuse 7 aufgewickelt sind. Bei der in Fig. 1 schematisch wiedergegebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Spulenwindungen z. B. auf die Seitenwand des dielektrischen Innengehäuses 7 aufgewickelt. Dabei kann die Homogenität des Induktionsfeldes z. B. durch die Zahl und Anordnung der Windungen der Induktionsspule(n) 2 und die geometrischen Abmessungen des dielektrischen Innengehäuses beeinflusst werden.
In einer anderen Ausführungsform ist die Induktionsspule 2 als flache oder planare Spule ausgeführt, die z. B. aus einer Anzahl spiralförmig oder in einer Serie von konzentrischen Kreisen angeordneter Windungen bestehen kann, wie dies in EP 0,413,282 beschrieben ist. Die Flachspule kann z. B. vorzugsweise eine kreisförmige oder ellipsoide Form aufweisen. Der Begriff "flach" oder "planar" bedeutet, dass das Verhältnis aus der Dicke der Spule zu der Ausdehnung in den beiden anderen, zur Dicke senkrechten Richtungen kleiner als 0.3 und vorzugsweise kleiner als 0.2 ist. In EP 0,413,282 ist offenbart, dass die flachen Spulen vorzugsweise nahe einer dielektrischen Abschirmung im Außengehäuse 10 des Vakuumrezipienten angeordnet sind, welche als dielektrisches Fenster fungiert und die Einkoppelung des Induktionsfeldes erlaubt. Es ist natürlich auch möglich, die Flachspule nahe zum dielektrischen Innengehäuse 7 anzuordnen.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform weist die Induktionsspule 2 die Form einer Vakuumglocke auf, wie dies in US 6,022,460 offenbart ist.
Es wurde gefunden, dass die Dichte des durch die Induktionsspule(n) 2 mindestens miterzeugten Plasmas beeinflusst und insbesondere die Homogenität des Plasmas erhöht werden kann, wenn die Induktionsspule(n) 2 durch einen Wechselstrom und zusätzlich und gleichzeitig durch einen Gleichstrom beaufschlagt wird.
Die Beaufschlagung der Induktionsspule(n) 2 mit Wechselstrom dient der Einkoppelung von Hochfrequenz-Leistung in den Vakuumrezipienten 1 zur mindestens Miterzeugung des Plasmas. Hierzu ist die Induktionsspule 2 vorzugsweise über einen Anpassnetzwerk 13 mit einem Hochfrequenz-Spannungsgenerator 6 verbunden. Das Anpassnetzwerk 13 dient dazu, den Ausgangswiderstand des Hochfrequenz-Spannungsgenerators 6 and die Impedanz der Induktionsspule(n) 2 und der Vakuumkammer 1a bzw. des darin erzeugten Plasmas anzupassen, um die Hochfrequenz-Leistung möglichst effektiv einkoppeln zu können.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird der Begriff "Hochfrequenz" für elektromagnetische Schwingungen bzw. Wellen mit einer Frequenz zwischen 10 kHz und 3 GHz verwendet. Der Hochfrequenz-Spannungsgenerator 6 kann in einem weiten Hochfrequenz- Spektrum von vorzugsweise 100 kFz bis 100 MHz, besonders bevorzugt von 100 kHz bis 14 MHz und ganz besonders bevorzugt von 400 kHz bis 2 MHz arbeiten.
Die Wahl einer bevorzugten Frequenz hängt auch ab von der Geometrie der Induktionsspule(n) 2. So wird bei nicht-flachen, 3-dimensionalen Induktionsspule(n) 2, die sich etwa durch die Umwicklung des dielektrischen Innengehäuses 7 ergeben und bei denen die Hochfrequenz-Energie in die Vakuumkammer 1a über das Volumen des Spuleninnenraums eingekoppelt wird, vorzugsweise eine Frequenz zwischen 100 kHz und 2 MHz und insbesondere zwischen 200 kHz und 1 MHz gewählt. Demgegenüber werden bei 2- dimensionalen Flachspulen, bei denen die Hochfrequenzenergie in die Vakuumkammer 1a über die Spulenfläche eingekoppelt wird, höhere Frequenzen von vorzugsweise zwischen 2 MHz und 14 MHz gewählt. Der bevorzugte obere Grenzwert dieses Frequenz-Bereiches resultiert daher, dass die Standard-Frequenz der in der Industrie meistverwendeten Hochfrequenz-Spannungsgeneratoren 13,56 MHz ist. Diese Frequenz ist für die industrielle Nutzung durch internationale Fernmeldeabkommen zugelassen.
Es wurde gefunden, dass durch die zusätzliche Beaufschlagung der Induktionsspule(n) 2 mit Gleichstrom die Dichteverteilung des Plasmas beeinflusst werden kann und vorzugsweise die Homogenität des Plasmas z. B. im Bereich der Ausdehnung eines Substrates 9 erhöht werden kann. Hierzu ist die Induktionsspule 2 zusätzlich vorzugsweise über ein Tiefpassfilter 12 mit einem Gleichspannungsgenerator 6' verbunden. Das Tiefpassfilter 12, welches z. B. eine Spule und einen dazu parallel geschalteten Kondensator umfassen kann, ist vorzugsweise so ausgelegt, dass der Gleichstrom auf die Induktionsspule 2 gelangen kann, während der Hochfrequenzstrom gesperrt wird, sodass dieser nicht in die Gleichstromquelle gelangen kann.
Der Gleichstrom kann gleichförmig oder auch moduliert, z. B. unipolar oder bipolar gepulst sein. Der Gleichstrom wird im Hinblick auf die Zahl der Windungen der Induktionsspule 2 vorzugsweise so eingestellt, dass das Produkt aus der Zahl der Windungen und dem Gleichstrom im Mittel und absolut zwischen 10 und 1000 und besonders bevorzugt zwischen 100 und 400 A Windungen beträgt. Die Zahl der Windungen der Induktionsspule 2 ist vorzugsweise mindestens 7, besonders bevorzugt mindestens 10 und ganz besonders bevorzugt mindestens 12, da mit abnehmender Windungszahl der zur Homogenisierung der Plasmadichteverteilung erforderliche Strom steigt, wodurch die Anforderungen an den Gleichstrom-Generator 6' und das Tiefpassfilter 12 zunehmen.
Zur Messung der Plasmadichteverteilung kann z. B. eine Langmuir-Sonde verwendet werden. Da sich die Homogenität der Plasmadichteverteilung im Bereich des Substrates 9 bei Sputterätz- oder reaktiven Ätzprozessen und bei gegebenenfalls reaktiven Beschichtungsprozessen auf die Homognität der Ätztiefenverteilung bzw. der Beschichtungsdickenverteilung längs z. B. eines Querschnitts durch das Substrat auswirkt, kann die Homogenität der Plasmadichteverteilung auch durch die Messung der Verteilung der Ätztiefe bzw. der Beschichtungsdicke gemessen werden.
Die Messung der Ätztiefe kann z. B. für einen thermisch oxidierten Siliziumwafer dadurch erfolgen, dass zunächst vor dem Ätzen die Dicke der Siliziumoxidschicht z. B. mit einem Ellipsometer in einem Raster über die gesamte Oberfläche des Siliziumwafers oder z. B. entlang eines Durchmessers des Siliziumwafers gemessen wird. Nach dem Ätzprozess wird die Dicke der verbleibenden Siliziumoxidschicht gemessen. Die Ätztiefe ergibt sich aus der Differenz der Dicken der Siliziumoxidschicht vor und nach dem Ätzprozess.
Dieses Verfahren kann analog auf die Messung von Beschichtungsdicken angewendet werden.
Die Homogenität oder Gleichmäßigkeit der Verteilung von z. B. der Ätztiefe oder aber auch der Plasmadichte oder der Beschichtungsdicke z. B. entlang eines Querschnitts durch ein Substrat 9 kann durch den sogenannten Uniformitätsindex charakterisiert werden, der definiert ist als

Uniformitätsindex = (Maximalwert - Minimalwert)/(Maximalwert + Minimalwert)
Dabei sind der Maximalwert bzw. der Minimalwerte der größte bzw. der kleinste Werte der zu charakterisierenden Verteilung etwa auf der gesamten Oberfläche des Substrates 9 oder längs eines Querschnittes durch das Substrat. Der Uniformitätsindex wird üblicherweise in % angegeben.
Der die Induktionsspule 2 beaufschlagende Gleichstrom wird vorzugsweise so gewählt, dass der Uniformitätsindex der Verteilung von Plasmadichte, Ätztiefe und/oder Beschichtungsdicke z. B. entlang eines willkürlich gewählten Querschnitts durch das Substrat 9 oder z. B. über einen bestimmten Teil oder die gesamte Oberfläche des Substrates 9 nicht größer ist als 10%, vorzugsweise nicht größer als 7.5% und ganz besonders bevorzugt nicht größer als 5%.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung enthält diese mindestens ein Paar beabstandeter Elektroden 5a, 5b. Die Elektroden 5a, 5b können z. B. in der in WO 00/19,483 beschriebenen Ausgestaltung einer Vakuumbehandlungskammer durch die metallischen Anschlüsse in der oberen und unteren Deckenwand des Vakuumrezipienten 1 gebildet werden, die durch die Seitenwand aus dielektrischem Material galvanisch voneinander getrennt sind. US 6,068,784 beschreibt eine Drei- Elektrodenanordnung, bei der der Substrattisch 8 als Kathode und die Seitenwand des Vakuumrezipienten als Anode dient und die Deckenwand der oberen kuppelartigen Ausstülpung des Vakuumrezipienten eine dritte Elektrode bildet.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird eine Elektrode 5a des Elektrodenpaars 5a, 5b durch den Substrattisch 8 gebildet, auf dem das Substrat 9 aufliegt bzw. auf dem es mit einer üblicherweise elektrostatischen oder mechanischen Halte- und/oder Zentriervorrichtung (im Falle eines Wafer-Substrates auch als Wafer-Chuck bezeichnet) befestigt ist. Der Substrattisch selbst ist üblicherweise gegen das Gehäuse 10 der Vakuumkammer elektrisch isoliert. Als Gegenelektrode 5b kann z. B., falls vorhanden, ein elektrischer Anschluß in der oberen Deckenwand oder Stirnseite des Vakuumrezipienten dienen. Besonders bevorzugt ist der z. B. kreisförmige Substrattisch 8 von einem als Gegenelektrode dienenden Ring umgeben, der üblicherweise als Dunkelraumabschirmung bezeichnet wird. Zur Isolation zwischen Substrattisch 8 und Dunkelraumabschirmung dient im oberen Bereich der Dunkelraumabschirmung das Vakuum in der Vakuumkammer 1a. In ihrem unteren Bereich ist die Dunkelraumabschirmung über einen ringförmigen keramischen Isolator zentriert am Substratisch 8 befestigt und von diesem galvanisch getrennt.
Das Elektrodenpaar 5a, 5b kann z. B. an eine gegebenenfalls unipolar oder bipolar gepulste Gleichspannungsquelle, an eine Wechselspannungsquelle oder gleichzeitig an eine Gleich- und Wechselspannungsquelle angeschlossen sein. Durch die an das Elektrodenpaar 5a, 5b angelegte Spannung, die auch als Bias bezeichnet wird, wird das Plasma kapazitiv angeregt.
Das Elektrodenpaar 5a, 5b wird vorzugsweise mit einer Gleichspannung oder einer Wechselspannung, insbesondere mit einer hochfrequenten Wechselspannung mit einer Frequenz zwischen 100 kHz und 100 MHz beaufschlagt. Bei der Auswahl einer geeigneten Frequenz der Wechselspannung können vorzugsweise die in US 6,068,784, Spalte 4, Z. 23-52 dargestellten Auswirkungen auf das Substrat 9 bzw. auf die Vakuumkammer 1a berücksichtigt werden; auf diese Diskussion wird hier Bezug genommen. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der der Substrattisch 8 als Elektrode 5a und eine Dunkelraumabschirmung als Gegenelektrode 5b verwendet wird, ist der Substrattisch 8 mit einem Hochfrequenzspannungsgenerator 11 mit einer Frequenz von vorzugsweise mehr als 3 MHz und besonders bevorzugt von mehr als 10 MHz verbunden, während die Dunkelraumabschirmung geerdet ist.
In Fig. 1 ist schematisch ein Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. Der Vakuumrezipient 1 umfasst einen evakuierbaren Kessel 10 aus z. B. rostfreiem Edelstahl, der die Vakuumkammer 1a umschließt und ein dielektrisches Innengehäuse 7 aus z. B. Quarz oder Aluminiumoxid enthält. Die Induktionsspule 2 ist um das dielektrische Innengehäuse gewickelt und über das Anpassnetzwerk 13 mit dem Wechselspannungsgenerator 6 und zusätzlich über den Tiefpassfilter 12 mit dem Gleichspannungsgenerator 6' verbunden; die Rückleitung erfolgt über Erde. Der Substrattisch 8, auf dem das Substrat 9 aufliegt, dient als Elektrode 5a und ist von einer kreisförmigen, zentriert angeordneten Dunkelraumabschirmung umgeben, die als Gegenelektrode 5b fungiert. Die Vakuumkammer 1a wird mit einer Pumpanordnung 4 bepumpt. In der oberen Deckenwand des Vakuumrezipienten 1 befindet sich ein z. B. zentrisch angeordneter Gaseinlass 3.
In einer konkreten Ausführungsform der in Fig. 1 schematisch gezeigten Anordnung, welche zur Bearbeitung eines Wafers mit einem Durchmesser von 200 mm ausgelegt war, betrug der Durchmesser des dielektrischen Innengehäuses 275 mm. Der Abstand zwischen Substrattisch 8 und der oberen Deckenwand des Vakuumrezipienten 1 war 180 mm. Die um das dielektrische Innengehäuse 7 gewickelte Induktionsspule 2 hatte einen Durchmesser von 304 mm und bestand aus 15 Windungen. Über den Gaseinlass 3 wurde Ar zum Sputterätzen eingespeist, sodass ein Betriebsdruck von 10^-3 mbar erreicht wurde. Der als Elektrode 5a dienende Substrattisch 8 wurde mit einer Hochfrequenz-Bias von 13.56 MHz beaufschlagt, die als Gegenelektrode dienende Dunkelraumabschirmung war geerdet. Die Induktionsspule 2 war über ein aus zwei Kondensatoren bestehendes Anpassnetzwerk 13 mit einem bei 400 kHz betriebenen Wechselspannungsgenerator 6 verbunden. Das dadurch im Innenraum der Induktionsspule 2 induzierte Magnetfeld betrug etwa 5 Gauss. Die Induktionsspule 2 war gleichzeitig über ein Tiefpassfilter 12, welches aus einem Kondensator und einer dazu parallel geschalteten Spule bestand, mit einer Gleichspannungsquelle verbunden. Der Gleichstrom, der so gewählt wurde, dass die Sputterätztiefenverteilung längs eines Durchmessers des als Substrat 9 dienenden Wafers einen Uniformity-Index <± 3% aufwies, betrug etwa 10 A und bewirkte ein Magnetfeld von ca. 12 Gauss.
In Fig. 2 ist die normalisierte Sputterätztiefenverteilung für einen zuvor thermisch oxidierten, kreisförmigen Silizium-Wafer mit einem Durchmesser von 300 mm längs eines Durchmessers des Wafers gezeigt. Die Messungen wurden unter den bei Fig. 1 beschriebenen Betriebsbedingungen in einer entsprechenden Anordnung durchgeführt, welche die zur Aufnahme eines 300 mm-Wafers erforderlichen geometrischen Abmessungen aufwies. Die in Fig. 2 gezeigte Kurve I wurde für ein erfindungsgemäßes Verfahren erhalten, bei dem die Induktionsspule 2 mit einem Wechselstrom und zusätzlich mit einem Gleichstrom von etwa 10 A beaufschlagt wurde. Die Kurve II zeigt im Vergleich dazu die Sputterätztiefenverteilung, die erhalten wird, wenn die Induktionsspule lediglich mit einem Wechselstrom beauf schlagt wird. Es ist aus der Kurve II zu ersehen, dass die Sputterätztiefe bei Beaufschlagung der Induktionsspule lediglich mit einem Wechselstrom zum Rande des Wafer-Substrates 9hin abfällt; zudem ist die Sputterätztiefenverteilung unsymmetrisch verkippt. Kurve I zeigt, dass durch die zusätzliche Beaufschlagung der Induktionsspule 2 mit einem Gleichstrom die Homogenität der Sputterätztiefenverteilung deutlich verbessert wird. Eine unsymmetrische Verkippung der Sputterätztiefenverteilung wird praktisch nicht mehr beobachtet. Insbesondere wird der in Fig. II zu beobachtende Abfall der Sputterätztiefen an den Rändern des Wafers kompensiert. Die durch das zusätzlich aufgeprägte magnetische Gleichfeld erreichte Homogenisierung der Plasmadichteverteilung spiegelt sich in einem Uniformity Index von <± 3% für die Sputterätztiefenverteilung in Kurve I wieder. Durch eine entsprechende Wahl der Gleichstromstärke kann auch gewünschtenfalls eine Überkompensation der Kurve II dergestalt erhalten werden, dass grössere Ätztiefen am Rand als in der Mitte des Wafers erzielt werden; in diesem Fall wird die unkompensierte Kurve II, die eine konvexe Krümmung aufweist, über den kompensierten Zustand gemäß Kurve I gewissermaßen in eine überkompensierte Kurve mit konkaver Krümmung "umgedreht".
Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung als Bearbeitungsstation Bestandteil eines sogenannten Clusters sein. Unter einem Cluster versteht man die Zusammenstellung mehrerer, oft unterschiedlicher Bearbeitungsstationen, welche eine gemeinsame Transportvorrichtung wie z. B. einen Handling-Roboter aufweisen. Als Beispiel für eine weitere Bearbeitungsstation kann z. B. eine PVD (physical vapor deposition)-Anlage genannt werden. Die verschiedenen Bearbeitungsstationen sind vorzugsweise über entsprechende Schleusen zum Transportraum hin abgetrennt.
In einem solchen Cluster wird die erfindungsgemäße Vorrichtung über die Transportvorrichtung durch die Schleuse (in Fig. 1 nicht dargestellt) mit dem Substrat 9 beschickt. Die Transportvorrichtung legt das Substrat 9 auf dem Substrattisch 8 ab, wo es gegebenenfalls zentriert und gehalten wird. Nach vakuumdichter Abtrennung wird die Vakuumkammer 1a über die Pumpvorrichtung 4 evakuiert; parallel dazu oder anschließend wird das Substrat 9 gegebenenfalls über im Substrattisch 8 enthaltene Temperiereinrichtungen auf die gewünschte Prozesstemperatur eingestellt. Über den Gaseinlass 3 wird das zur Erzeugung des Plasmas benötigte Gas eingespeist. Anschließend wird durch Anlegen der Hochfrequenz- Spannung an die Induktionsspule 2 sowie der Hochfrequenz-Bias an den Substrattisch 8 das Plasma gezündet. Parallel dazu wird der Gleichstrom an die Induktionsspule 2 gelegt. Nach der gewünschten Behandlungsdauer und -art wird das Substrat 9 wieder aus dem Vakuumrezipienten 1 ausgeschleust.

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung eines Plasmas, welches in der Vakuumkammer (1a) eines Vakuumrezipienten (1) einer zur Plasmabehandlung geeigneten Vorrichtung mit mindestens einer mit Wechselstrom beaufschlagten Induktionsspule (2) mindestens miterzeugt wird, wobei das zur Erzeugung des Plasmas verwendete Gas durch mindestens einen Einlass (3) in die Vakuumkammer (1a) eingelassen wird und die Vakuumkammer (1a) durch mindestens eine Pumpanordnung (4) bepumpt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspule (2) zur Beeinflussung der Dichte des Plasmas zusätzlich durch einen Gleichstrom beaufschlagt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin der Gleichstrom moduliert wird, bevorzugt gepulst, insbesondere unipolar oder biopolar gepulst.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin der Wechselstrom mit einem Hochfrequenzgenerator (6) erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, worin der Hochfrequenzgenerator (6) bei einer Frequenz zwischen 100 und 14.000 kHz, vorzugsweise zwischen 400 und 2.000 kHz arbeitet.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, worin der Gleichstrom und die Windungszahl der Induktionsspule (2) so gewählt werden, dass das Produkt aus der Zahl der Windungen und dem Gleichstrom im Mittel und absolut zwischen 10 und 1000, vorzugsweise zwischen 100 und 400 A Windungen beträgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, worin die Induktionsspule 2 über ein Tiefpassfilter (12) mit dem Gleichstrom beaufschlagt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, worin der Druck in der Vakuumkammer (1a) zwischen 0.01 und 10, vorzugsweise zwischen 0.05 und 0.2 Pa beträgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, worin das Plasma durch eine an mindestens einem Paar beabstandeter Elektroden (5a, 5b) angelegte elektrische Spannung miterzeugt und/oder mitangeregt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, worin die Spannung eine Wechselspannung oder eine gegebenenfalls unipolar oder bipolar gepulste Gleichspannung ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, worin die Wechselspannung eine hochfrequente Wechselspannung mit einer Frequenz von mindestens 1 MHz ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10, worin die Vakuumkammer (1a) einen Substrattisch (8) für ein Substrat (9) enthält.

12. Verfahren nach den Ansprüchen 8 und 11, worin der Substrattisch (8) durch eine Elektrode 5a gebildet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, worin als Gegenelektrode 5b eine Dunkelraumabschirmung verwendet wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12-13, worin der Wechselstrom und der Gleichstrom so gewählt werden, dass der Uniformity Index der Plasmadichte in der Ebene des Substrates (9) und/oder in einer hierzu parallelen Ebene nicht größer ist als 10% und vorzugsweise nicht größer als 5% ist.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-14, worin die Induktionsspule (2) durch ein dielektrisches Innengehäuse (7) oder ein dielektrisches Fenster mindestens von dem Teil des Vakuumrezipenten (1a), in dem das Plasma erzeugt wird, getrennt ist.

16. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-15 zur gegebenenfalls reaktiven Beschichtung mindestens eines Substrates (9).

17. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-15 zur gegebenenfalls reaktiven Ätzung mindestens eines Substrates (9).

18. Zur Plasmabehandlung geeignete Vorrichtung, umfassend mindestens eine Induktionsspule (2) mindestens zur Miterzeugung des Plasmas in der Vakuumkammer (1a) eines Vakuumrezipienten (1), wobei die Vakuumkammer (1a) mindestens einen Einlass (3) zum Einlassen eines zur Erzeugung des Plasmas dienenden Gases und mindestens eine Pumpanordung (4) aufweist, und wobei die Induktionsspule (2) mit einem oder mehreren Spannungsgeneratoren verbunden ist, welche die Induktionsspule mit einem Wechselstrom und einem gegebenenfalls modulierten, bevorzugt unipolar oder bipolar gepulsten Gleichstrom beaufschlagen.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, worin die Induktionsspule (2) über ein Anpassfilter (12) mit einem Wechselspannungsgenerator (6) und über ein Tiefpassfilter (13) mit einem Gleichspannungsgenerator (6') verbunden ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18-19, enthaltend mindestens ein Paar beabstandeter Elektroden (5a, 5b)

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18-20, worin die Vakuumkammer (1a) einen Substrattisch (8) für ein Substrat (9) enthält.

22. Vorrichtung erfahren nach den Ansprüchen 20 und/ oder 21, worin der Substrattisch (8) durch eine Elektrode (5a) gebildet wird.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20-22, worin als Gegenelektrode (5b) eine Dunkelraumabschirmung verwendet wird.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18-23, worin die Induktionsspule (2) durch ein dielektrisches Innengehäuse (7) oder ein dielektrisches Fenster mindestens von dem Teil des Vakuumrezipenten (1a), in dem das Plasma erzeugt wird, getrennt ist.

25. Cluster, enthaltend mehrere Bearbeitungsstationen, die über Schleusen mit einer gemeinsamen Transportvorrichtung verbunden sind, worin mindestens eine Bearbeitungsstation eine Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 17-24 ist.