DE69619525T2 - Niederinduktive, grossflächige spule für eine induktiv gekoppelte plasmaquelle - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Spule mit niedriger Induktivität und großer Fläche für eine induktiv gekoppelte Plasmaquelle. Die vorliegende Erfindung betrifft im besonderen eine Spule mit niedriger Induktivität und großer Fläche als Quelle zum Erzeugen eines Plasmas, welches zum Behandeln von Halbleiterwafern in Niederdruckanlagen geeignet ist.
• Die Erzeugen von Plasma ist in verschiedenen Herstellungsverfahren für Halbleiter nützlich, beispielsweise zum Verbessern von Ätzen, Ablagern usw.. Plasmen werden allgemein aus einem Gas unter niedrigem Druck durch Induzieren eines Elektronenstromes erzeugt, welcher einzelne Gasmoleküle durch den Transfer von kinetischer Energie durch einzelne Elektron-Gas-Stoßprozesse ionisiert. Die Elektronen werden üblicherweise in einem elektrischen Feld, typischerweise in einem Hochfrequenz-Feld (HF-Feld) beschleunigt.
• Es wurden zum Beschleunigen der Elektronen im HF-Feld zahlreiche Verfahren vorgeschlagen. In einem dieser Verfahren werden die Elektronen zwischen zwei gegenüberliegenden Elektroden angeregt, welche parallel zum Wafer in einer Prozeßkammer ausgerichtet sind. Die Verwendung eines senkrecht zum Wafer stehenden elektrischen Feldes stellt keine effektive Umsetzung von kinetischer Energie auf die Ionen dar, da ein großer Anteil der Elektronenenergie durch Stöße der Elektronen mit den Wänden der Prozeßkammer oder mit dem Halbleiterwafer selbst verloren geht.
• Eine effektiveres Verfahren zum Anregen von Elektronen in dem HF-Feld ist die Verwendung einer Spule mit einer einzigen Windung (single winding coil - SWC) parallel zur Ebene des Wafers und dem Plasma zum Anregen der Elektronen. U.S. Patent Nr. 4,958,458 offenbart eine Vorrichtung, die eine derartige Technik verwendet, die in Fig. 1 bis 3 der beigefügten Zeichnungen dargestellt ist, dies zeigen in:
• Fig. 1 eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmas, welche eine bekannte Spule mit einer einzigen Windung verwendet,
• Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmas, welche eine bekannte Spule mit einer einzigen Windung verwendet und
• Fig. 3 zeigt im Detail eine bekannte Spule mit einer einzigen Windung.
• Wie aus Fig. 1 ersichtlich, umfaßt eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmas ein Gehäuse 10 mit einer Zugangsöffnung 12, welche in einer oberen Wandung 14 ausgebildet ist. Unterhalb der oberen Wandung 14 ist ein dielektrisches Schild 16 angeordnet, welches sich über die Zugangsöffnung 12 erstreckt. Das dielektrische Schild 16 ist mit der Wandung 14 dichtend verbunden und bildet einen vakuumdichten Innenraum des Gehäuses 10 aus. Eine planare Spule 20 mit einer einzigen Windung (SWC) ist innerhalb der Zugangsöffnung 12 benachbart zum dielektrischen Schild 16 angeordnet und parallel zu einem Wafer W ausgerichtet, welcher von einer Fläche 22 getragen ist. Über einen Einlaß 24, welcher an einer Seite des Gehäuses 10 ausgebildet ist, wird ein Prozeßgas in die Kammer 18 eingeleitet.
• Fig. 2 zeigt schematisch die Vorrichtung zum Plasmaerzeugen von Fig. 1. Wie aus Fig. 1 und 2 ersichtlich, ist eine HF-Quelle 30 an die SWC 20 über ein Koaxialkabel 32 und über eine Schaltung 35 zur Impedanzanpassung gekoppelt. Die Schaltung 35 zur Impedanzanpassung umfaßt eine Primärspule 36 und eine Sekundärschleife 38, welche beispielsweise zum Anpassen der effektiven Kopplung der Schaltung entsprechend positionierbar ist und bei der Betriebsfrequenz die Schaltung belastet, wodurch die Leistungsübertragung maximiert wird. Die Primärspule 36 ist auf einer Scheibe 40 montiert, welche um eine vertikale Achse 42 rotierbar ist, um die Kopplung einzustellen. Ein Abgleichkondensator 44 ist in Serie mit der Sekundärschleife 38 angeordnet, um die Resonanzfrequenz der Schaltung an die HF-Erregerfrequenz anzupassen. Ein weiterer Kondensator 34 ist zum eliminieren eines Teils des Blindwiderstands der Primärspule 36 in der Schaltung vorgesehen. Durch Resonanzanregung eines HF-Stroms durch die Spule 20 mit Resonanzfrequenz, welche üblicherweise auf 13.56 MHz abgestimmt ist, wird ein ebenes magnetisches Feld induziert, welches das dielektrische Schild 16 durchdringt. Das magnetische Feld verursacht einen Elektronenstrom zwischen der Spule 20 und dem Wafer W. Der zirkulierende Elektronenstrom macht es unwahrscheinlicher, daß die Elektronen auf die Wand des Gehäuses 10 und den Wafer W schlagen, und da die Elektronen auf eine Ebene parallel zur ebenen Spule 20 begrenzt sind, ist ein Transfer von kinetischer Energie in Richtungen außerhalb der Ebene minimiert.
• Wie im Detail aus Fig. 3 ersichtlich, umfaßt die SWC 20 ein einziges leitendes Element in Form einer ebenen Spirale oder einer Serie von konzentrischen Ringen. Wie in Fig. 1 und 3 dargestellt, umfaßt die Spule 20 zum Anschluß an die Vorrichtung zur Plasmaerzeugung ferner einen mit (+) gekennzeichneten Mittelanschluß und einen mit (-) gekennzeichneten Außenanschluß.
• Bei bestimmten Anwendungen, wie beispielsweise der Herstellung von 400 mm Wafern oder großflächigen Flachbildschirmpanels, wird ein großflächiges Plasma benötigt. Um ein Plasma großflächig zu erzeugen, muß der Durchmesser der in Fig. 1 bis 3 dargestellten SWC 20 vergrößert werden. Bei festem Abstand zwischen den Windungen vergrößert sich die Induktivität, wenn zum Vergrößern des Durchmessers Windungen hinzugefügt werden. Bei großen Durchmessern hat die SWC 20 einen hohen Blindwiderstand, was die Eigenresonanzfrequenz der SWC 20 reduziert. Wenn sich die Eigenresonanzfrequenz der Hochfrequenz (HF) der Erregerfrequenz, welche normalerweise 13.56 MHz ist, nähert, wird die Impedanzanpassung immer schwieriger. Dies ist deshalb der Fall, weil es schwierig ist, die Impedanz innerhalb eines engen Frequenzbereiches wegen der erhöhten Sensibilität der Anpaßbedingung auf Änderungen der Einstellung der Impedanz- Anpaßkomponenten anzupassen. Daher ergeben sich Schwierigkeiten bei der Maximierung der Leistungsübertragung, wenn eine SWC zum Erzeugen eines großflächigen Plasmas verwendet wird.
• In der Beschreibung des U.S. Patentes Nr. 5,401,350, welches am 28. März 1995 herausgegeben wurde, ist ein Vakuumplasmaprozessor mit einer Kammer, einem Werkstückhalter, einer Spule, die mit einer HF-Quelle verbunden ist, und mehreren Windungen, in denen jeweilige Anpaßnetzwerke getrennte Windungssegmente der Spule erregen, beschrieben.
• In der Beschreibung der Europäischen Patentanmeldung Nummer 710,055, welche am 1. Mai 1996 veröffentlicht wurde, sowie in der Beschreibung der Europäischen Patentanmeldung Nummer 694,949, welche am 31. Januar 1996 veröffentlicht wurde, sind Anordnungen beschrieben, bei denen jeweilige HF-Quellen direkt mehrere Windungen einer Spule parallel erregen. Keine dieser Anordnungen verwendet jedoch ein Anpaßnetzwerk.
• Eine nachfolgend zur Veranschaulichung der Erfindung beispielhaft beschriebene Vorrichtung zum Erzeugen eines induktiv gekoppelten Plasmas umfaßt ein Gehäuse, welches eine von einem dielektrischen Schild abgegrenzte Plasmareaktionskammer umgibt, einen Einlaß in das Gehäuse zum Zuführen eines Prozeßgases in die Kammer, eine Spule mit wenigstens zwei elektrisch leitenden Windungen, welche außerhalb des Gehäuses benachbart zum dielektrischen Schild angeordnet sind, und eine Hochfrequenzquelle, welche mit den Windungen über eine Impedanzanpaßschaltung verbunden sind, zum Anpassen der Impedanz der Hochfrequenzquelle an die Windungen, und einen Frequenzabstimm-Mechanismus zum Herstellen der Resonanz, wobei die Hochfrequenzquelle derart ausgebildet ist, daß diese eine Resonanzschwingung in der Spule in Resonanz erregt und das Prozeßgas zu einem Plasma innerhalb der Kammer anregt.
• Die Spule kann unterschiedlich ausgebildet sein. Beispielsweise sind die Windungen parallel zueinander in einer Ebene angeordnet, die Spule kann nicht-planar ausgebildet sein, die Windungen können an gegenüberliegenden Enden miteinander verbunden sein, die Windungen können an gegenüberliegenden Enden nicht miteinander verbunden sein, die Windungen können verschachtelt sein, die Windungen können nicht verschachtelt sein, aber unterschiedliche Flächen überdecken und/oder die Schleifen einer Windung können durch die Schleifen der anderen Windungen voneinander getrennt sein. Das Gehäuse kann eine Mehrfach- oder Einfach-Wafer-Ätzvorrichtung enthalten, wobei eine Wafer-Spannvorrichtung einen oder mehrere Halbleiterwafer trägt, deren Oberfläche parallel zur Spulenebene bearbeitet wird.
• Ein Verfahren zum Erzeugen eines induktiv gekoppelten Plasmas wird nachfolgend beispielhaft zur Veranschaulichung der Erfindung beschrieben und umfaßt folgende Schritte, Einleiten eines Prozeßgases in eine Plasmareaktionskammer, welche von einem Gehäuse umgeben ist, das von einem dielektrischen Schild begrenzt wird, und Resonanzanregen eines Hochfrequenzstromes in einer Spule mit wenigstens zwei elektrisch leitenden Windungen, welche außerhalb des Gehäuses nahe dem dielektrischen Schild angeordnet sind, wobei der Hochfrequenzstrom das Prozeßgas innerhalb der Kammer zu einem Plasma anregt.
• Das Verfahren kann unter Verwendung der oben erwähnten, verschiedener Spulenkonfigurationen ausgeführt werden. Das Plasma wird ferner zum Bearbeiten einer oder mehrerer Substrate, wie beispielsweise Halbleiterwafer oder Flachbildschirmpanels, verwendet. Ein Halbleiterwafer wird beispielsweise in der Kammer angeordnet und eine Schicht auf dem Wafer wird mittels des Plasmas geätzt. Während des Prozesses wird die Kammer in einem weiten Druckbereich gehalten, in einer bevorzugten Ausführungsform wird jedoch der Druck unterhalb 100 mTorr gehalten.
• Die folgende Beschreibung und die Fig. 4 bis 8 der Zeichnungen beschreiben beispielhaft die Erfindung, welche in den angehängten Ansprüchen gekennzeichnet ist.
• In Fig. 4 bis 8 der Zeichnungen zeigt:
• Fig. 4A und 4B einen Vergleich zwischen einer bekannten Spule mit einer Windung und einer erfindungsgemäßen Spule mit Doppelwindung,
• Fig. 5 eine verschachtelte Spule mit Doppelwindung gemäß einer Ausführungsform,
• Fig. 6 eine nicht verschachtelte Spule mit mehreren Windungen gemäß einer weiteren Ausführungsform,
• Fig. 7 eine Plasmaerzeugungsvorrichtung mit einer großflächigen Spule mit niedrigem Blindwiderstand und
• Fig. 8 eine schematische Veranschaulichung einer Plasmaerzeugungsvorrichtung mit einer großflächigen Spule mit niedrigem Blindwiderstand.
• Bei zur Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung beispielhaft beschriebenen Anordnungen ist eine großflächige Spule mit niedrigem Blindwiderstand (Low Inductance Large Area Coil - LILAC) mit mehreren Windungen vorgesehen, die bei Verbindung mit einer HF-Quelle effektiv ein großflächiges Plasma erzeugt. Da die LILAC mehrere Windungen aufweist, benötigen die Windungen zum Erzielen eines großen Durchmessers weniger Schleifen, als wenn nur eine Windung verwendet wird, wie bei einwindigen Spulen. Weniger Schleifen der Windungen erzeugen eine niedrigeren Blindwiderstand, was die Eigenresonanzfrequenz der LILAC hoch über der üblichen HF-Erregerfrequenz von 13.56 MHz hält. Der breite Frequenzbereich zwischen der Eigenresonanzfrequenz der LILAC und der HF-Erregerfrequenz ermöglicht eine genaue Frequenzanpassung, stellt eine maximale Leistungsübertragung sicher und erzielt eine effiziente Plasmaerzeugung.
• In einer bestimmten, nachfolgend zur Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung beschriebenen Anordnung ist eine großflächige Spule mit niedrigem Blindwiderstand (LILAC) als Quelle zum Erzeugen eines großflächigen Plasmas vorgesehen. Die LILAC umfaßt wenigstens zwei Windungen, welche einen zirkulierenden Elektronenstrom zum Herstellen eines magnetischen Feldes in dem Plasma erzeugen, wenn sie an eine HF-Quelle über eine Impedanzanpaßschaltung angeschlossen sind. Da die LILAC mehrere Windungen aufweist, werden nur wenige Windungsschleifen benötigt, um eine großflächige Spule zu erzielen, so daß der Blindwiderstand der LILAC niedrig ist. Der niedrige Blindwiderstand der LILAC stellt sicher, daß die Eigenresonanzfrequenz der LILAC in einem Bereich weit oberhalb der HF-Erregerfrequenz gehalten wird, was einen breiten Frequenzbereich für die Impedanzanpassung ermöglicht. Dadurch gibt es keine Schwierigkeiten bei der Impedanzanpassung, so daß die Leistungsübertragung maximiert werden kann, was eine effiziente Erzeugung eines großflächigen Plasmas erlaubt.
• Fig. 4A und 4B veranschaulichen einen Vergleich zwischen einer SWC und einer LILAC mit gleichem Durchmesser. In Fig. 4A hat die SWC vier Windungsschleifen mit einem Abstand von 0.5 inch zwischen den Leitern. Die LILAC 50 in Fig. 4B hat denselben Durchmesser und denselben Abstand zwischen den Leitern, wie die SWC 20 gemäß Fig. 4A, weist aber zwei Schleifen pro Windung mit einem Abstand von 1 inch auf. Da die LILAC 50 mit demselben Durchmesser wie die SWC 20 nur halb so viele Schleifen aufweist, ist der Blindwiderstand der LILAC niedriger, wodurch die Impedanzanpassung bei großen Durchmessern einfacher ist. Ein weiterer Grund für den niedrigeren Blindwiderstand der LILAC liegt darin, daß einige oder alle Windungen elektrisch parallel verbunden werden können und parallel verbundene Induktivitäten einen niedrigeren Netz-Blindwiderstand aufweisen als die einzelnen Induktivitäten.
• Eine einfache LILAC mit Doppelwindung ist in Fig. 5 veranschaulicht. Wie aus Fig. 5 ersichtlich, hat die LILAC 50 mit Doppelwindung eine ebene, spiralförmige Geometrie mit zwei parallelen Windungen. Der Abstand ist, relativ zu einer SWC mit demselben Durchmesser, verdoppelt, wobei die Windungen ineinander verschachtelt sind, um einer Spule mit etwa demselben Abstand zwischen den Leitern wie bei einer SWC herzustellen. Die beiden Windungen sind an jedem Ende miteinander verbunden. Ein Mittelanschluß (+) und ein Außenanschluß (-) ermöglichen die Verbindung mit einer Plasmaerzeugungsvorrichtung.
• Obwohl in Fig. 5 die Enden der Windungen miteinander verbunden sind, muß dies nicht notwendigerweise der Fall sein. Eine oder mehrere der Windungen können kürzer ausgebildet sein als eine andere Windung und mit dieser Windung an einem anderen Ort verbunden sein.
• Alternativ sind mehr als zwei ineinander geschachtelte Windungen vorgesehen oder die Spule ist nicht-planar ausgebildet.
• Fig. 6 zeigt eine andere Anordnung der LILAC mit vier Windungen, wobei die Windungen nicht ineinander verschachtelt sind. Die Windungen haben (+)-Anschlüsse in ihrer jeweiligen Mitte und es ist ein (-)-Anschluß dort vorgesehen, wo die Windungen mit der Plasmaerzeugungsvorrichtung zu verbinden sind. Die vier Windungen können unterschiedliche Flächen überdecken, ähnlich mehreren parallel geschalteten SWCs. Eine LILAC mit nicht verschachtelten, mehreren Windungen zum Überdecken eines Bereiches benötigt weniger Schleifen als eine SWC, weiche denselben Bereich überdeckt. Daher bleibt bei der nicht verschachtelten LILAC der Blindwiderstand niedrig und es ist eine effektive, großflächige Plasmaerzeugung sichergestellt.
• Eine Plasmaerzeugungsvorrichtung, welche eine LILAC verwendet, ist in Fig. 7 und 8 dargestellt. Die LILAC 50 wird beispielsweise nur durch eine einzige HF-Quelle 30 mit einer Impedanzanpaßschaltung 35 erregt, wie zum Erregen der SWC 20 gemäß Fig. 1 und 2 verwendet. Alternativ, wenn auch nicht dargestellt, sind für eine komplexe LILAC Anordnung mit mehreren Windungen mehrere Anpaßnetzwerke und Generatoren vorgesehen.
• Die oben beschriebene LILAC 50 ermöglicht eine effiziente Erzeugung eines großflächigen Plasmas. Obwohl bestimmte, die Erfindung veranschaulichende Anordnungen beschrieben wurden, ist es für den Fachmann im Stand der Technik klar, daß Änderungen und Modifikationen wie auch andere Anordnungen im Schutzbereich der angehängten Ansprüche liegen. So ist beispielsweise trotz der Darstellung von einer LILAC mit zwei oder vier Windungen die Anzahl der Windungen nicht hierauf beschränkt sondern kann jede Zahl sein, welche den Anforderungen für eine großflächige Plasmaerzeugung genügt. Obwohl ferner die LILAC als primäre Spule zur Plasmaerzeugung beschrieben wurde, kann diese auch als Hilfsspule in Verbindung mit verschiedenen Primärspulen verwendet werden. Die hier offenbarten Anordnungen sind daher vollständig lediglich beispielhaft und nicht einschränkend zu verstehen.

Claims (10)

1. Vakuumplasmaanlage mit einer Vakuumplasmaprozeßkammer (10), welche mit einer Quelle eines ionisierbaren Gases verbunden ist, und mit einem Werkstückhalter (22), einer Spule (50), welche mit einer HF-Quelle (30) zum Anregen des Gases zu einem Plasma verbunden ist, welches in der Lage ist, das Werkstück (W) auf dem Halter zu bearbeiten, wobei die Spule mehrere Windungen aufweist, wobei jede der Windungen einen inneren und einen äußeren Anschluß sowie mehrere Schleifen aufweist, die sich radial und in Umfangsrichtung zwischen dem inneren und äußeren Anschluß erstrecken, wobei die HF-Quelle ein Anpassungsnetzwerk (35) mit ersten und zweiten Ausgangsanschlüssen umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Ausgangsanschluß des Anpassungsnetzwerks (35) mit den inneren Anschlüssen der Windungen und ein zweiter Ausgangsanschluß des Anpassungsnetzwerks (35) mit den äußeren Anschlüssen der Windungen verbunden ist, wobei die Verbindungen zwischen den ersten und zweiten Ausgangsanschlüssen des Anpassungsnetzwerks (35) und den inneren und äußeren Anschlüssen der Windungen derart ausgebildet ist, daß ein durch die Ausgangsanschlüsse des Anpassungsnetzwerks fließender Strom die Windungen parallel anregt.

2. Vakuumplasmaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Windungen mehrere verschachtelte Schleifen umfaßt.

3. Vakuumplasmaanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Anschlüsse der Windungen einen gemeinsamen Anschluß an einem einzigen Ort der Spule (50) aufweisen.

4. Vakuumplasmaanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Paare der Windungen Segmente aufweisen, welche sich radial in entgegengesetzte Richtungen weg von dem einzigen Ort erstrecken.

5. Vakuumplasmaanlage nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Anschlüsse der Windungen einen gemeinsamen Anschluß an einem einzigen Ort der Spule aufweisen.

6. Vakuumplasmaanlage nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Windungen spiralförmig ausgebildet ist.

7. Vakuumplasmaanlage nach Anspruch 1 oder Anspruch 6, wenn abhängig von 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Anschlüsse der Windungen an unterschiedlichen Stellen der Spule angeordnet sind, wobei ein separater Leiter die äußeren Anschlüsse aller Windungen an unterschiedlichen Stellen der Spule mit dem zweiten Ausgangsanschluß des Anpassungsnetzwerkes (35) verbindet.

8. Vakuumplasmaanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenwindungen räumlich voneinander beabstandet sind, so daß die inneren Anschlüsse der Windungen an unterschiedlichen Stellen der Spule angeordnet sind.

9. Vakuumplasmaanlage nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Windungen im wesentlichen dieselbe Länge zwischen den inneren und äußeren Anschlüssen aufweist.

10. Vakuumplasmaanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente gerade Leitungen umfassen.