DE102013114093A1 - Plasma source and method for generating a plasma - Google Patents

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DE102013114093A1 DE102013114093.9A DE102013114093A DE102013114093A1 DE 102013114093 A1 DE102013114093 A1 DE 102013114093A1 DE 102013114093 A DE102013114093 A DE 102013114093A DE 102013114093 A1 DE102013114093 A1 DE 102013114093A1
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Abstract

Eine Plasmaquelle (1) umfasst eine planare Spule (2) mit mehreren elektrisch parallel angeordneten Armen (10a, 10b, 10c), die sich ausgehend von einem gemeinsamen Zentrum (12) zu jeweils einem peripheren Hochfrequenz-Leistungs-Einspeisepunkt (3a, 3b, 3c) erstrecken, und eine Hochfrequenz-Erzeugungseinrichtung (16a, 16b, 16c) eingerichtet zur Bereitstellung von Hochfrequenz-Leistung an den Hochfrequenz-Leistungs-Einspeisepunkten (3a, 3b, 3c), derart dass Phasendifferenzen zwischen den Armen (10a, 10b, 10c) vorgesehen sind, welche das Zentrum (12) der planaren Spule (2) zumindest annähernd auf Massepotential legt.A plasma source (1) comprises a planar coil (2) with a plurality of arms (10a, 10b, 10c) arranged in parallel, which extend from a common center (12) to a respective peripheral high-frequency power supply point (3a, 3b, 3c), and high frequency generating means (16a, 16b, 16c) arranged to provide high frequency power at the high frequency power feeding points (3a, 3b, 3c) such that phase differences between the arms (10a, 10b, 10c ) are provided, which sets the center (12) of the planar coil (2) at least approximately at ground potential.

Description

Die Erfindung betrifft eine Plasmaquelle sowie ein Verfahren zur Erzeugung eines Plasmas.The invention relates to a plasma source and a method for generating a plasma.

Technologischer HintergrundTechnological background

Induktiv gekoppelte Gasentladungen werden für plasmastimulierte Prozesse in einer Reihe von Hochtechnologien eingesetzt. Bei der induktiven Kopplung erzeugt ein Hochfrequenzstrom durch eine Spule ein elektrisches Feld in einem Gasvolumen, das bei geeignetem Druck die Entladung initiiert und aufrechterhält. Weit verbreitet sind Anordnungen aus einer planaren Spule, die durch eine elektrisch isolierende, vakuumdichte Platte, Koppelplatte genannt, von dem Gasvolumen getrennt ist, in dem die Entladung stattfindet. Eine derartige Anordnung ist in US 4948458 (A) offenbart. Die Entladung stellt neutrale und geladene Spezies für die plasmastimulierten Prozesse bereit.Inductively coupled gas discharges are used for plasma-stimulated processes in a range of high technologies. In inductive coupling, a high frequency current through a coil generates an electric field in a volume of gas that initiates and maintains discharge at a suitable pressure. Widely used are arrangements of a planar coil, which is separated by an electrically insulating, vacuum-tight plate, coupling plate, from the gas volume in which the discharge takes place. Such an arrangement is in US 4948458 (A) disclosed. The discharge provides neutral and charged species for the plasma-stimulated processes.

Die planare Spule, die auch als Antenne bezeichnet werden kann, kann ringförmig sein oder aus einem oder auch wie in 1 gezeigt mehreren spiralförmigen Armen 10a, 10b, 10c bestehen, die von einem gemeinsamen Zentrum 12 zu einer gemeinsamen Peripherie 14 verlaufen. Derartige Vorrichtungen sind zum Beispiel in US 5711850 (A) oder in DE 19548657 C2 offenbart. Die einzelnen Spiralen können dabei das Zentrum um weniger oder um mehr als 360° umlaufen. Die Peripherie 14 der Spirale liegt meist nominell auf Massepotential und der Ausgang des Hochfrequenz-(HF)-Generators 16 wird mit dem Zentrum 12 verbunden.The planar coil, which may also be referred to as an antenna, may be annular or of one or else as in FIG 1 shown several spiral arms 10a . 10b . 10c consist of a common center 12 to a common periphery 14 run. Such devices are for example in US 5711850 (A) or in DE 19548657 C2 disclosed. The individual spirals can thereby orbit the center by less than or more than 360 °. The periphery 14 the spiral is nominally at ground potential and the output of the high frequency (HF) generator 16 will be with the center 12 connected.

Ferner ist beschrieben, dass die HF-Einspeisung aus einem gemeinsamen Generator an der Peripherie ( EP 0710055 B1 ) oder an Punkten zwischen Peripherie und Zentrum ( US 6475335 B1 ) oder aus zwei separaten Generatoren im Zentrum und an der Peripherie erfolgen kann, wobei je ein dazwischen liegender Punkt eines jeden Spiralarms auf Masse liegt ( US 6475335 B1 ). Alle Varianten der HF-Einspeisung sind darauf gerichtet, die Uniformität der Resultate von plasmastimulierten Prozessen zu verbessern und ein zu hohes HF-Potential der Antenne zu vermeiden.It is further described that the RF feed from a common generator on the periphery ( EP 0710055 B1 ) or at points between the periphery and the center ( US 6475335 B1 ) or from two separate generators in the center and at the periphery, with one intervening point of each spiral arm lying on earth ( US 6475335 B1 ). All variants of the RF feed are aimed at improving the uniformity of the results of plasma-stimulated processes and to avoid an excessive RF potential of the antenna.

Wird über ein kapazitives Anpassungsnetzwerk, das zur Anpassung der Impedanz von planarer Spule inklusive Plasma an den Ausgangswiderstand des HF-Generators erforderlich ist, ein Hochfrequenzstrom beispielsweise im Zentrum eingespeist, so entsteht im Gasvolumen unterhalb der Koppelplatte das für die Entladung gewünschte erforderliche elektrische Feld. Dabei erhält jedoch das Zentrum der Antenne eine hohe HF-Spannung gegen Masse, weil die Induktivität der planaren Spule und die Kapazität des Anpassungsnetzwerkes einen Resonanzkreis bilden. Das HF-Potential der planaren Spule treibt dann auch einen kapazitiven Strom über die Plasmarandschichten und das Plasmavolumen zur Masse. Dieser Stromanteil bewirkt wegen der Gleichrichterwirkung der Randschicht, dass der Hochfrequenzspannung zwischen Spule und Plasmavolumen eine Gleichspannung überlagert wird, die im Zentrum besonders hoch ist. Dadurch werden Ionen aus dem Plasmavolumen in Richtung auf die Koppelplatte beschleunigt. Deren Energie ist typischerweise so hoch, dass Material der Koppelplatte gesputtert beziehungsweise zerstäubt wird und den Prozess der Plasmabearbeitung eines Substrats insbesondere durch Partikelbelastung erheblich stört. Das soll durch die oben beschriebene Wahl der HF-Einspeisepunkte verhindert werden.If a high-frequency current, for example in the center, is fed in via a capacitive matching network, which is required to adapt the impedance of planar coil including plasma to the output resistance of the HF generator, then the required electric field required for the discharge arises in the gas volume below the coupling plate. However, the center of the antenna receives a high RF voltage to ground because the inductance of the planar coil and the capacitance of the matching network form a resonant circuit. The RF potential of the planar coil then also drives a capacitive current across the plasma boundary layers and the plasma volume to ground. Due to the rectifier effect of the surface layer, this current component causes the high-frequency voltage between the coil and the plasma volume to be superimposed by a DC voltage which is particularly high in the center. As a result, ions are accelerated from the plasma volume in the direction of the coupling plate. Their energy is typically so high that material of the coupling plate is sputtered or atomized and significantly disturbs the process of plasma processing of a substrate, in particular by particle loading. This is to be prevented by the choice of RF feed points described above.

Eine Spule mit mehreren parallelen Armen ist mit Hinsicht auf die Reduzierung des HF-Potentials bereits vorteilhaft gegenüber einer Spule aus nur einer Spirale, weil die resultierende pulsierende Gleichspannung bei gleicher Effizienz für die Einkopplung elektrischer Energie in das Plasma geringer ist. Ein Nachteil ist jedoch die höhere Inhomogenität der Energieeinkopplung infolge der Stromaufteilung auf mehrere Arme. Einerseits zeichnet sich dadurch die Geometrie der Spiralarme in der Geometrie des elektrischen Feldes im Entladungsraum ab und andererseits ist es praktisch schwierig, einen gleichen Stromfluss durch alle Arme zu gewährleisten. Diese Nachteile sollen durch die Erfindung vermieden werden. A coil having a plurality of parallel arms is already advantageous with respect to the reduction of the RF potential compared to a coil of only one spiral, because the resulting pulsating DC voltage with the same efficiency for the input of electrical energy into the plasma is lower. A disadvantage, however, is the higher inhomogeneity of the energy coupling as a result of the current distribution over several arms. On the one hand, this distinguishes the geometry of the spiral arms in the geometry of the electric field in the discharge space and on the other hand, it is practically difficult to ensure an equal current flow through all the arms. These disadvantages are to be avoided by the invention.

Beschrieben als Maßnahme gegen ein zu hohes HF-Potential der Antenne ist zum Beispiel, dass der Hochfrequenzstrom einem Ende und um 180° phasenverschoben einem anderen Ende der Antenne zugeführt wird ( DE 19900179 C1 ). Beschrieben ist weiterhin, dass die vorher auf Massepotential liegende Seite durch eine geeignete Impedanz zwischen Masse und Antennenanschluss ein höheres Potential erhält ( US 6204604 B1 ). Ziele aller dieser Maßnahmen sind, das Plasmapotential und in Folge davon die minimale Energie der auf ein zu bearbeitendes Substrat bzw. die Koppelplatte treffenden Ionen zu senken und eine uniforme Verteilung der Plasmaeigenschaften zu erreichen.Described as a measure against an excessive RF potential of the antenna is, for example, that the high frequency current is fed to one end and 180 ° out of phase to another end of the antenna ( DE 19900179 C1 ). It is also described that the previously grounded side receives a higher potential through a suitable impedance between ground and antenna connection ( US Pat. No. 6,204,604 B1 ). The goals of all these measures are to reduce the plasma potential and consequently the minimum energy of the ions striking a substrate or coupling plate to be processed and to achieve a uniform distribution of the plasma properties.

Die Änderung der Potentialverteilung längs der Antennenarme hat aber eine Verschlechterung des Zündverhaltens der Entladung zur Folge, da dieses einen bestimmten Anteil an kapazitiver Kopplung benötigt. Die Potentialverteilung ist durch den mechanischen Aufbau fest vorgegeben und kann z.B. nicht ohne weitere Maßnahmen an den jeweils durchzuführenden plasmastimulierten Bearbeitungsprozess angepasst werden. Diese Mängel sollen durch die nachstehend beschriebene Erfindung ebenfalls beseitigt werden.The change in the potential distribution along the antenna arms but has a deterioration of the ignition behavior of the discharge result, as this requires a certain proportion of capacitive coupling. The potential distribution is fixed by the mechanical structure and can e.g. can not be adapted to the respective plasma-simulated machining process to be carried out without further measures. These shortcomings are also to be eliminated by the invention described below.

Zusammenfassung der Erfindung Summary of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Erzeugung eines Plasmas zu verbessern. Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Plasmaquelle gemäß Anspruch 1 beziehungsweise einem Verfahren zur Erzeugung eines Plasmas gemäß Anspruch 8.The invention has for its object to improve the generation of a plasma. This object is achieved with a plasma source according to claim 1 or a method for producing a plasma according to claim 8.

Die erfindungsgemäße Plasmaquelle umfasst eine planare Spule mit mehreren elektrisch parallel angeordneten Armen, die sich ausgehend von einem gemeinsamen Zentrum zu jeweils einem peripheren Hochfrequenz-Leistungs-Einspeisepunkt erstrecken, und eine Hochfrequenz-Erzeugungseinrichtung eingerichtet zur Bereitstellung von Hochfrequenz-Leistung an den Hochfrequenz-Leistungs-Einspeisepunkten, derart dass Phasendifferenzen zwischen den Armen vorgesehen sind, welche das Zentrum der planaren Spule zumindest annähernd auf Massepotential legen.The plasma source according to the invention comprises a planar coil having a plurality of arms arranged in parallel in parallel and extending from a common center to a respective peripheral high-frequency power supply point, and a high-frequency generating device configured to provide high-frequency power to the high-frequency power supply. Feed points, so that phase differences between the arms are provided, which put the center of the planar coil at least approximately to ground potential.

Die Erfindung schlägt vor, an einer für die Aufrechterhaltung einer Gasentladung vorgesehenen Spule oder Antenne die gesamte HF-Leistung aufzuteilen und die Anteile an mehreren besonders geeigneten Einspeisepunkten zu zuführen. Zu diesem Zweck wird zum Beispiel. die HF-Leistung von mehreren HF-Generatoren bereitgestellt. Vorzugsweise, aber nicht zwingend, ist die Frequenz der den Einspeisepunkten zugeführten HF-Leistung dieselbe. Zwischen den von den einzelnen HF-Generatoren bereitgestellten HF-Spannungen bestehen Phasendifferenzen, deren Werte z.B. mit Hilfe von Phasenschiebern eingestellt werden können, um ein optimales Ergebnis des Plasmaprozesses zu erzielen. Zusätzlich können die Amplituden der von den einzelnen HF-Generatoren erzeugten Spannungen so gewählt werden, dass das Ergebnis des Plasmaprozesses weiter verbessert wird. Die zeitlichen Verläufe der Phasen- und/oder Amplitudenwerte können während des Prozessverlaufs geregelt oder gesteuert werden.The invention proposes to divide the entire RF power at a provided for the maintenance of a gas discharge coil or antenna and supply the shares at several particularly suitable feed points. For this purpose, for example. the RF power provided by multiple RF generators. Preferably, but not necessarily, the frequency of the RF power supplied to the feed points is the same. There are phase differences between the RF voltages provided by the individual RF generators, their values e.g. can be adjusted by means of phase shifters in order to achieve an optimal result of the plasma process. In addition, the amplitudes of the voltages generated by the individual RF generators can be chosen so that the result of the plasma process is further improved. The time profiles of the phase and / or amplitude values can be regulated or controlled during the course of the process.

Die Vorteile dieser Anordnung und des darauf basierenden Verfahrens bestehen darin, dass zusätzliche Parameter für die Prozesssteuerung bereitstehen, die das Plasma und seine räumliche Verteilung wesentlich beeinflussen. Beispielsweise wird die Potentialdifferenz zwischen Plasmavolumen und Reaktorwand an kritischen Punkten reduziert. Dadurch kann zum Beispiel ein unerwünschter Materialabtrag durch energiereiche Ionen (Sputtern) vermindert werden.The advantages of this arrangement and the method based thereon are that there are additional process control parameters that significantly affect the plasma and its spatial distribution. For example, the potential difference between plasma volume and reactor wall is reduced at critical points. As a result, for example, an undesired material removal by high-energy ions (sputtering) can be reduced.

Besonders vorteilhaft wirkt sich die beschriebene neue Art der HF-Einspeisung bei Spulen beziehungsweise Antennen aus, die aus mehreren elektrisch parallel angeordneten Armen bestehen. Für Antennen mit mehreren Armen besteht die Möglichkeit, in die verschiedenen Arme unterschiedliche HF-Ströme zu leiten. Die HF-Ströme in die einzelnen Arme können in Frequenz, Amplitude und Phase unabhängig voneinander sein. Frequenz, Amplitude und Phase stehen dann zur Verfügung, um die Gasentladung an den jeweiligen Prozess anzupassen.Particularly advantageous is the described new type of RF feed in coils or antennas, which consist of several electrically parallel arms. For antennas with multiple arms, it is possible to divert different RF currents into the different arms. The RF currents into the individual arms can be independent in frequency, amplitude and phase. Frequency, amplitude and phase are then available to adapt the gas discharge to the respective process.

Vorteilhafterweise sind an das gemeinsame Zentrum ausschließlich die Arme angeschlossen. Damit ist das Potential des Zentrums in einem Ruhezustand frei, so dass das Potential über die eingespeisten HF-Leistungen, beziehungsweise HF-Ströme oder angelegten HF-Spannungen, einstellbar ist, vorzugsweise auf oder annähernd auf Massepotential.Advantageously, only the arms are connected to the common center. Thus, the potential of the center is free in an idle state, so that the potential on the fed RF power, or RF currents or applied RF voltages, is adjustable, preferably at or approximately at ground potential.

Die Anzahl der Arme kann zwischen zwei und sechs, vorzugsweise drei, betragen. Über die Anzahl der Arme kann die Feldverteilung präzise eingestellt werden. Bei drei Armen sind der Aufwand und das erzielte Ergebnis besonders ausgewogen.The number of arms can be between two and six, preferably three. The number of arms can be used to precisely set the field distribution. With three arms, the effort and the result achieved are particularly balanced.

In vorzugsweiser Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Phasendifferenz zwischen den HF-Spannungen an einem ersten und an einem zweiten Arm 120° und zwischen den HF-Spannungen an dem ersten Arm und an einem dritten Arm 240° beträgt. Dieser symmetrische Aufbau erzielt gute elektromagnetische Felder und damit Plasmen.In a preferred embodiment, it is provided that the phase difference between the RF voltages at a first and at a second arm is 120 ° and between the RF voltages at the first arm and at a third arm is 240 °. This symmetrical structure achieves good electromagnetic fields and thus plasmas.

Die Hochfrequenz-Erzeugungseinrichtung kann n Hochfrequenz-Generatoren aufweisen, wobei n der Anzahl der Arme entspricht. Alternative kann ein Hochfrequenzgenerator mit einem Leistungsteiler mit n Ausgängen vorgesehen sein.The high-frequency generating device can have n high-frequency generators, where n corresponds to the number of arms. Alternatively, a high-frequency generator with a power divider with n outputs can be provided.

Auch ist es möglich, dass mindestens n-1 Phasenschieber vorgesehen sind, wobei n der Anzahl der Arme entspricht. Mittels der Phasenschieber lassen sich die Phasendifferenzen zwischen den Armen beziehungsweise zwischen den einzelnen HF-Leistungen oder HF-Spannungen einfach und präzise einstellen.It is also possible that at least n-1 phase shifter are provided, where n corresponds to the number of arms. By means of the phase shifters, the phase differences between the arms or between the individual RF powers or RF voltages can be adjusted easily and precisely.

Vorteilhafterweise ist ein Sensor zur Messung von Strom und/oder Spannung an dem Zentrum der Spule vorgesehen und die Messgröße oder die Messgrößen werden zur Regelung von Amplitude und/oder Phase der Hochfrequenz-Leistung beziehungsweise den HF-Spannungen bereitgestellt. Der Sensor ermöglicht einen geschlossenen Regelkreis zur Erzeugung des Plasmas, so dass sehr schnell auf Veränderungen reagiert werden kann.Advantageously, a sensor for measuring current and / or voltage at the center of the coil is provided and the measured variable or the measured variables are provided for controlling the amplitude and / or phase of the high-frequency power or the RF voltages. The sensor allows a closed loop to generate the plasma so that it can react very quickly to changes.

Die Phasendifferenzen zwischen den Hochfrequenzspannungen an den einzelnen Armen können auch während eines Prozesses programmgesteuert geändert werden.The phase differences between the high-frequency voltages at the individual arms can also be changed programmatically during a process.

Bei gleicher Frequenz können die Amplituden der Hochfrequenzspannungen so geregelt werden, dass auch bei Impedanzunterschieden zwischen den einzelnen Armen des Zentrums annähernd oder genau auf Massepotential liegt.At the same frequency, the amplitudes of the high frequency voltages can be controlled so that even with impedance differences between the individual arms of the center is approximately or exactly at ground potential.

Bei gleicher Frequenz können die Amplituden der Hochfrequenzspannungen so geregelt werden, dass das Potential des Zentrums gegen Masse auf einen Sollwert eingestellt werden kann.At the same frequency, the amplitudes of the high frequency voltages can be controlled so that the potential of the center can be set to ground to a setpoint.

Bei mehreren Generatoren kann die den Generatoren gemeinsame Frequenz so geregelt werden, dass die Fehlanpassung der Antenne an die Generatorausgangswiderstände minimiert wird. With multiple generators, the frequency common to the generators can be controlled to minimize the mismatch of the antenna to the generator output resistors.

Die phasenverschobenen Hochfrequenzspannungen können durch phasenverschobene Aufteilung der Ausgangspannung eines HF-Generators erzeugt werden.The phase-shifted high-frequency voltages can be generated by phase-shifted distribution of the output voltage of an HF generator.

An die peripheren Enden der Antenne können Hochfrequenzspannungen gleicher Frequenz von den Generatorausgängen über die Phasenschieber geführt werden, deren Phasendifferenzen so eingestellt sind, dass das Zentrum der Antenne annähernd auf Massepotential liegt. At the peripheral ends of the antenna, high frequency voltages of the same frequency can be conducted from the generator outputs via the phase shifters whose phase differences are adjusted so that the center of the antenna is approximately at ground potential.

An die peripheren Enden der Antenne können Hochfrequenzspannungen gleicher Frequenz von Leistungsteilerausgängen über Phasenschieber und Anpassnetzwerke geführt werden, deren Amplituden und Phasendifferenzen so eingestellt sind, dass das Zentrum der Antenne annähernd auf Massepotential liegt.At the peripheral ends of the antenna, high frequency voltages of the same frequency can be conducted from power divider outputs via phase shifters and matching networks whose amplitudes and phase differences are adjusted so that the center of the antenna is approximately at ground potential.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung eines Plasmas mit einer Spule mit mehreren elektrisch parallel angeordneten Armen, die sich ausgehend von einem gemeinsamen Zentrum zu jeweils einem peripheren Hochfrequenz-Leistungs-Einspeisepunkt erstrecken, umfasst die folgenden Schritte:

  • – Aufteilen einer für die Aufrechterhaltung einer Gasentladung erforderlichen Gesamt-HF-Leistung in Teil-HF-Leistungen, wobei die Anzahl der Teil-HF-Leistungen der Anzahl der Arme entspricht; und
  • – Erzeugen eines rotierenden elektromagnetischen Feldes durch an den Hochfrequenz-Leistungs-Einspeisepunkten mit Phasendifferenz eingespeisten Teil-HF-Leistungen, derart, dass das Zentrum der Spule annähernd auf Massepotential liegt.
The inventive method for producing a plasma with a coil having a plurality of arms arranged in parallel, which extend from a common center to a respective peripheral high-frequency power supply point, comprises the following steps:
  • Dividing a total RF power required to maintain a gas discharge into partial RF powers, the number of partial RF powers corresponding to the number of arms; and
  • Generating a rotating electromagnetic field by partial RF powers fed in at the phase-difference high frequency power feed points, such that the center of the coil is approximately at ground potential.

Es gelten die gleichen Vorteile und Modifikationen wie zuvor beschrieben.The same advantages and modifications apply as described above.

Besonders vorteilhaft werden Frequenz und/oder Amplitude bzw. bei gemeinsamer Frequenz Phase und/oder Amplitude jeder Teil-HF-Leistung geregelt. So stehen viele Parameter für eine Steuerung oder Regelung des Plasmaerzeugungsprozesses zur Verfügung.Frequency and / or amplitude or, in the case of a common frequency, the phase and / or amplitude of each partial RF power are regulated particularly advantageously. Thus, many parameters are available for control or regulation of the plasma generation process.

Das Verhältnis von kapazitiver zu induktiver Kopplung kann durch Änderung der Phasenbeziehung zwischen den Teil-HF-Leistungen gesteuert werden. So kann der Prozess auch auf unterschiedliche Phasen wie die Zündung, wo ein Minimum an kapazitiver Kopplung erwünscht ist, während sie während eines Plasmaprozesses eher unerwünscht ist.The ratio of capacitive to inductive coupling can be controlled by changing the phase relationship between the sub-RF powers. Thus, the process may also target different phases, such as ignition, where a minimum of capacitive coupling is desired, while it is rather undesirable during a plasma process.

Kurzbeschreibung der FigurenBrief description of the figures

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und dazugehöriger Zeichnungen näher erläutert. Die Figuren zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment and associated drawings. The figures show:

1 eine schematische Darstellung einer bekannten planaren Spule für eine Plasmaquelle; 1 a schematic representation of a known planar coil for a plasma source;

2 eine schematische Schaltungsdarstellung einer Plasmaquelle gemäß der Erfindung; 2 a schematic circuit diagram of a plasma source according to the invention;

3 eine seitliche Darstellung einer Plasmaquelle gemäß der Erfindung; und 3 a side view of a plasma source according to the invention; and

4a/4b Darstellungen von elektromagnetischen Feldern, die mit der Spule aus 2 erzeugt werden. 4a / 4b Representations of electromagnetic fields associated with the coil 2 be generated.

Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention

2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Plasmaquelle 1 mit einer Spule 2. Die hier beispielhaft dargestellte Spule oder Antenne 2 ist planar und besteht aus drei elektrisch parallel angeordneten Armen 10a, 10b und 10c. Die drei Arme 10a, 10b und 10c sind geometrisch identisch und gegeneinander um je 120° gedreht. Sie haben die Form von Spiralarmen, die jeweils einen Winkelbereich von etwa 180° abdecken. Zwei der drei Arme 10a, 10b und 10c haben jeweils einen gemeinsamen Überdeckungsbereich von etwa 60° bis 80°. 2 shows an embodiment of a plasma source 1 with a coil 2 , The coil or antenna shown here by way of example 2 is planar and consists of three arms arranged in parallel 10a . 10b and 10c , The three arms 10a . 10b and 10c are geometrically identical and rotated against each other by 120 ° each. They have the form of spiral arms, each covering an angular range of about 180 °. Two of the three arms 10a . 10b and 10c each have a common coverage area of about 60 ° to 80 °.

Die drei Arme 10a, 10b und 10c gehen von einem gemeinsamen Zentrum 12 aus. Dieses Zentrum 12 hat außer den drei genannten Armen 10a, 10b, 10c keine weiteren Anschlüsse und hat somit ein schwebendes Potential, dessen Wert über die drei Arme 10a, 10b und 10c einstellbar ist.The three arms 10a . 10b and 10c go from a common center 12 out. This center 12 has except the three named arms 10a . 10b . 10c no further connections and thus has a floating potential, its value over the three arms 10a . 10b and 10c is adjustable.

Die Arme 10a, 10b und 10c enden jeweils an ihren peripheren Enden in Hochfrequenz-Einspeisungspunkten 3a, 3b bzw. 3c. An den Einspeisepunkten 3a, 3b und 3c ist jeweils ein HF-Generator 16a, 16b bzw. 16c angeschlossen. Die HF-Generatoren speisen Hochfrequenzleistung an den Einspeisepunkten 3a, 3b und 3c ein, entweder als HF-Strom oder als angelegte HF-Spannung. The poor 10a . 10b and 10c each ends at their peripheral ends in high frequency injection points 3a . 3b respectively. 3c , At the entry points 3a . 3b and 3c is in each case an HF generator 16a . 16b respectively. 16c connected. The HF generators feed RF power at the feed points 3a . 3b and 3c on, either as an RF current or as an applied RF voltage.

Die für die Aufrechterhaltung einer Gasentladung erforderliche Gesamt-HF-Leistung wird von einer nicht dargestellten Steuerung beispielsweise in Teil-HF-Leistungen aufgeteilt, die dann jeweils von den Generatoren 16a, 16b und 16c bereitgestellt werden. Die HF-Ströme und/ oder HF-Spannungen haben zumindest eine steuerbare Phasendifferenz. Wobei vorteilhafterweise die Phasendifferenzen zwischen allen drei HF-Strömungen, HF-Spannungen bzw. zwischen den Armen 10a, 10b und 10c größer 0° sind. Für den Fall, dass die Phasendifferenzen zwischen den HF-Strömen in je zwei der drei Arme 10a, 10b und 10c jeweils 120° betragen, befindet sich das gemeinsame Zentrum 12 zumindest annähernd auf Massepotential.The total RF power required to maintain a gas discharge is supplied by a controller (not shown), for example, in FIG Partial RF power split, then each from the generators 16a . 16b and 16c to be provided. The RF currents and / or RF voltages have at least one controllable phase difference. Advantageously, the phase differences between all three RF currents, RF voltages or between the arms 10a . 10b and 10c greater than 0 °. In the event that the phase differences between the RF currents in each of two of the three arms 10a . 10b and 10c each 120 °, is the common center 12 at least approximately at ground potential.

Neben der Phasendifferenz können auch noch die Amplituden bzw. die Frequenzen und Amplituden aller oder einzelner an den HF-Einspeisepunkten 3a, 3b und 3c zur Verfügung gestellten HF-Strömen bzw. HF-Spannungen steuerbar sein. In addition to the phase difference may also be the amplitudes or the frequencies and amplitudes of all or individual at the RF feed points 3a . 3b and 3c be made available RF currents or RF voltages controllable.

Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind weitere mögliche Komponenten, wie z. B. Anpassungsnetzwerke zur Anpassung von Amplitude und/oder Frequenz der eingespeisten HF-Leistung oder mindestens zwei Phasenschiebern, zur Erzeugung der Phasendifferenzen, nicht dargestellt. Des Weiteren ist es möglich, einen einzelnen Hochfrequenzgenerator und einen Leistungsteiler mit einem Eingang und drei Ausgängen zu verwenden. Darüber hinaus können auch drei synchronisierte Hochfrequenzgeneratoren zum Einsatz kommen, deren Ausgangsimpedanzen an die Impedanzen der jeweiligen Antennenarme angepasst werden können. For clarity, other possible components, such. As matching networks for adjusting the amplitude and / or frequency of the injected RF power or at least two phase shifters, for generating the phase differences, not shown. Furthermore, it is possible to use a single high frequency generator and a power divider with one input and three outputs. In addition, three synchronized high-frequency generators can be used whose output impedances can be adapted to the impedances of the respective antenna arms.

3 zeigt eine seitliche schematische Darstellung der Plasmaquelle 1 mit der planaren Spule 2. Die planare Spule 2 ist über einer dielektrischen Platte 18 angeordnet, die Teil eines HF-dichten Gehäuses ist, in dem das Plasmavolumen 20 erzeugt wird. Zwischen dem Plasmavolumen 20 und der Koppelplatte 18 ist eine Plasmarandschicht 22 ausgebildet. Das Gehäuse umfasst weiterhin eine oder mehrere auf Massepotential liegende Reaktorwände 24. 3 shows a side schematic representation of the plasma source 1 with the planar coil 2 , The planar coil 2 is over a dielectric plate 18 which is part of an RF-tight housing in which the plasma volume 20 is produced. Between the plasma volume 20 and the coupling plate 18 is a plasma sand layer 22 educated. The housing further comprises one or more reactor walls at ground potential 24 ,

Wenn nun, wie zuvor beschrieben, die Phasendifferenzen zwischen den HF-Strömen in je zwei der drei Arme jeweils 120° betragen, fließt vom Zentrum 12 der planaren Spule 2 zu keinem Zeitpunkt ein Strom zur Masse. Dies bedeutet, dass an dieser Stelle auch kein kapazitiver HF-Strom über die Koppelplatte 18, die Plasmarandschicht 22, das Plasmavolumen 20 zu der auf Massepotential liegenden Reaktorwand 24 fließen kann. Somit wird die Potentialdifferenz zwischen der Koppelplatte 18 und dem Plasmavolumen 20 minimiert. Eine zusätzliche Verbindung des gemeinsamen Zentrums 12 mit einem Massepotential ist dann nicht mehr erforderlich. Vielmehr kann das Potential zwischen dem Zentrum 12 und dem Massepotential mit einem Sensor überwacht und zur Steuerung des Prozesses verwendet werden.Now, as described above, if the phase differences between the RF currents in each of two of the three arms are each 120 °, flows from the center 12 the planar coil 2 at no time a stream to the mass. This means that at this point no capacitive HF current through the coupling plate 18 , the plasma sand layer 22 , the plasma volume 20 to the reactor wall at ground potential 24 can flow. Thus, the potential difference between the coupling plate 18 and the plasma volume 20 minimized. An additional connection of the common center 12 with a ground potential is then no longer necessary. Rather, the potential between the center 12 and the ground potential monitored by a sensor and used to control the process.

Es ist allerdings damit zu rechnen, dass aus verschiedenen Gründen bei der praktischen Realisierung die Impedanzen der Arme 10a, 10b und 10c verschieden sind. Das führt beim Stand der Technik zu einer ungleichen Stromaufteilung auf die Antennenarme und folglich zu einer räumlichen inhomogenen Entladung sowie dazu, dass der Strom vom Zentrum 12 der Spule 2 zur Masse nicht verschwindet. Diese praktisch unvermeidbaren Abweichungen und ihre Auswirkungen auf die Resultate von Plasmaprozessen können nun erfindungsgemäß dadurch minimiert werden, dass die Phasendifferenzen bzw. die Amplitudenwerte oder beide zugleich so auf die vorliegenden Impedanzverhältnisse abgeglichen werden, dass das Potential des Zentrums 12 minimiert und die Inhomogenität der Entladung verringert wird. In solchen Fällen kann über einen Sensor am Zentrum ein geringer Strom zur Masse fließen.It is, however, to be expected that for various reasons in the practical realization of the impedances of the arms 10a . 10b and 10c are different. This leads in the prior art to an uneven distribution of current to the antenna arms and thus to a spatial inhomogeneous discharge and that the power from the center 12 the coil 2 to the mass does not disappear. These practically unavoidable deviations and their effects on the results of plasma processes can now be minimized according to the invention in that the phase differences or the amplitude values or both are at the same time adjusted to the present impedance relationships such that the potential of the center 12 minimized and the inhomogeneity of the discharge is reduced. In such cases, a small current can flow to ground via a sensor at the center.

Ein überraschender Effekt, der sich bei der Simulation des elektromagnetischen Feldes in einer solchen Anordnung herausstellte, besteht darin, dass das elektromagnetische Feld in der Entladungszone mit der Erregungsfrequenz rotiert. Für den Fall dreier identischer Antennenarme 10a, 10b, 10c, in die gleiche HF-Ströme mit 120° Phasendifferenz eingespeist werden, ist das elektromagnetische Feld in den 4a und 4b dargestellt. Die rechte Darstellung von 4b entspricht einem späteren Zeitpunkt als die linke Darstellung von 4a und zeigt, dass sich das elektrische Feld zeitlich dreht. Das Zentrum bleibt dabei annähernd auf Potential Null.A surprising effect, which has been found in the simulation of the electromagnetic field in such an arrangement, is that the electromagnetic field in the discharge zone rotates at the excitation frequency. In the case of three identical antenna arms 10a . 10b . 10c , are fed to the same RF currents with 120 ° phase difference, the electromagnetic field in the 4a and 4b shown. The right representation of 4b corresponds to a later date than the left representation of 4a and shows that the electric field is rotating in time. The center remains almost at zero potential.

Es ist anschaulich klar, dass durch Drehen des Feldes konstruktions- und montagebedingte lokale Inhomogenitäten mit gedreht werden und so die azimutale Uniformität von Plasmaprozessen verbessert wird. So zum Beispiel bei Ätzprozessen die Uniformität von Ätzrate, Profil und Selektivität, bei Beschichtungsprozessen von Wachstumsrate, Brechungsindex und Kantenbedeckung. Eine Homogenisierung wird bisher beispielsweise durch zusätzliche, extern erzeugte magnetische Drehfelder oder auch durch mechanische Rotation des Substrattisches erreicht. Demgegenüber zeichnet sich die erfindungsgemäße Lösung durch höhere Flexibilität bei der Anpassung an die verschiedenen Plasmaprozesse sowie durch geringeren Aufwand aus.It is clear that rotating the field will also cause design-related and assembly-related local inhomogeneities, thus improving the azimuthal uniformity of plasma processes. For example, in etching processes the uniformity of etch rate, profile and selectivity, in coating processes of growth rate, refractive index and edge coverage. Homogenization has hitherto been achieved for example by additional, externally generated magnetic rotating fields or by mechanical rotation of the substrate table. In contrast, the solution according to the invention is characterized by greater flexibility in the adaptation to the various plasma processes and by less effort.

Ein weiterer positiv nutzbarer Effekt der Erfindung resultiert daraus, dass mit der Verteilung des elektromagnetischen Feldes das Verhältnis zwischen induktiver und kapazitiver Kopplung gezielt beeinflusst werden kann. Während ein Minimum an kapazitiver Kopplung z. B. für das selbständige Zünden der Entladung erforderlich ist, ist sie während eines Plasmaprozesses eher unerwünscht. Neben den bereits erwähnten Sputtereffekten ist die Wechselwirkung von kapazitiver und induktiver Kopplung auch eine Quelle von Plasmainstabilitäten. Erfindungsgemäß kann nun durch Änderung der Phasenbeziehung zwischen den Speiseströmen die Feldverteilung z .B. so beeinflusst werden, dass zum Zündzeitpunkt ein hohes und während des Prozesses ein niedriges Verhältnis von kapazitiver zu induktiver Kopplung besteht.Another positive effect of the invention results from the fact that the distribution of the electromagnetic field, the ratio between inductive and capacitive coupling can be selectively influenced. While a minimum of capacitive coupling z. B. is required for the autonomous ignition of the discharge, it is rather undesirable during a plasma process. In addition to the sputtering effects already mentioned, the interaction of capacitive and inductive coupling is also a source of plasma instabilities. According to the invention can now by changing the phase relationship between the feed currents, the field distribution z .B. be influenced so that there is a high ratio at the time of ignition and a low ratio of capacitive to inductive coupling during the process.

Die drei beschriebenen Effekte – Minimierung der Potentialdifferenz von Spule zum Plasmavolumen, Drehen des elektromagnetischen Feldes und Änderung des Verhältnisses von kapazitiver zu induktiver Kopplung – treten in gegenüber dem beispielhaft beschriebenen Fall veränderter Form auch bei Anordnungen mit mehr als drei Armen auf. Mögliche Anwendungen der Erfindung sind daher nicht auf Antennen mit drei Armen beschränkt. Weitere Einflüsse wie z. B. die Änderung der Verteilung von im Plasma eingeschlossener Partikel sind denkbar und ermöglichen eine Verringerung der Partikelbelastung des bearbeiteten Substrats in den davon betroffenen Prozessen.The three effects described-minimization of the potential difference from coil to plasma volume, rotation of the electromagnetic field and change in the ratio of capacitive to inductive coupling-occur in a modified form compared to the exemplary case described also in arrangements with more than three arms. Possible applications of the invention are therefore not limited to antennas with three arms. Other influences such. As the change in the distribution of trapped particles in the plasma are conceivable and allow a reduction in the particle load of the processed substrate in the affected processes.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Plasmaquelle plasma source
22
Spule Kitchen sink
3a, 3b, 3c3a, 3b, 3c
Eispeisepunkt Eispeisepunkt
10a, 10b, 10c10a, 10b, 10c
Arm poor
1212
Zentrum center
16a, 16b, 16c16a, 16b, 16c
HF-Generator RF generator
1818
Koppelplatte coupling plate
2020
Plasmavolumen plasma volume
2222
Plasmarandschicht Plasma sheath
2424
Reaktorwand reactor wall

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • DE 19548657 C2 [0003] DE 19548657 C2 [0003]
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  • DE 19900179 C1 [0007] DE 19900179 C1 [0007]
  • US 6204604 B1 [0007] US 6,204,604 B1 [0007]

Claims (10)

Plasmaquelle aufweisend eine planare Spule (2) mit mehreren elektrisch parallel angeordneten Armen (10a, 10b, 10c), die sich ausgehend von einem gemeinsamen Zentrum (12) zu jeweils einem peripheren Hochfrequenz-Leistungs-Einspeisepunkt (3a, 3b, 3c) erstrecken, und eine Hochfrequenz-Erzeugungseinrichtung (16a, 16b, 16c) eingerichtet zur Bereitstellung von Hochfrequenz-Leistung an den Hochfrequenz-Leistungs-Einspeisepunkten (3a, 3b, 3c), derart dass Phasendifferenzen zwischen den Armen (10a, 10b, 10c) vorgesehen sind, welche das Zentrum (12) der planaren Spule (2) zumindest annähernd auf Massepotential legt.Plasma source comprising a planar coil ( 2 ) with several arms arranged in parallel ( 10a . 10b . 10c ) based on a common center ( 12 ) to a respective peripheral high frequency power feed point ( 3a . 3b . 3c ), and a high-frequency generating device ( 16a . 16b . 16c ) adapted to provide radio frequency power at the radio frequency power feed points ( 3a . 3b . 3c ), so that phase differences between the arms ( 10a . 10b . 10c ), which are the center ( 12 ) of the planar coil ( 2 ) at least approximately at ground potential. Plasmaquelle nach Anspruch 1, wobei an das gemeinsame Zentrum (12) ausschließlich die Arme (10a, 10b, 10c) angeschlossen sind.A plasma source according to claim 1, wherein the common center ( 12 ) only the arms ( 10a . 10b . 10c ) are connected. Plasmaquelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Anzahl der Arme (10a, 10b, 10c) drei beträgt.Plasma source according to claim 1 or 2, wherein the number of arms ( 10a . 10b . 10c ) is three. Plasmaquelle nach Anspruch 3, wobei die Phasendifferenz zwischen den HF-Spannungen an einem ersten Arm (10a) und an einem zweiten Arm (10b) 120° und zwischen den HF-Spannungen an dem ersten Arm (10a) und an einem dritten Arm (10c) 240° beträgt.A plasma generator according to claim 3, wherein the phase difference between the RF voltages on a first arm ( 10a ) and on a second arm ( 10b ) 120 ° and between the RF voltages on the first arm ( 10a ) and on a third arm ( 10c ) Is 240 °. Plasmaquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Hochfrequenz-Erzeugungseinrichtung n Hochfrequenz-Generatoren (16a, 16b, 16c) aufweist, wobei n der Anzahl der Arme (10a, 10b, 10c) entspricht.Plasma source according to one of claims 1 to 4, wherein the high frequency generating means n high frequency generators ( 16a . 16b . 16c ), where n is the number of arms ( 10a . 10b . 10c ) corresponds. Plasmaquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei mindestens n-1 Phasenschieber vorgesehen sind, wobei n der Anzahl der Arme (10a, 10b, 10c) entspricht.Plasma source according to one of claims 1 to 5, wherein at least n-1 phase shifter are provided, where n is the number of arms ( 10a . 10b . 10c ) corresponds. Plasmaquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Sensor zur Messung von Strom und/oder Spannung an dem Zentrum (12) der Spule (2) vorgesehen ist und wobei die Messgröße zur Regelung von Amplitude und/oder Phase der Hochfrequenz-Leistung bereitgestellt wird. Plasma source according to one of claims 1 to 6, wherein a sensor for measuring current and / or voltage at the center ( 12 ) of the coil ( 2 ) is provided and wherein the measured variable for controlling the amplitude and / or phase of the high-frequency power is provided. Verfahren zur Erzeugung eines Plasmas (20) mit einer Spule (2) mit mehreren elektrisch parallel angeordneten Armen (10a, 10b, 10c), die sich ausgehend von einem gemeinsamen Zentrum (12) zu jeweils einem peripheren Hochfrequenz-Leistungs-Einspeisepunkt (3a, 3b, 3c) erstrecken, mit den folgenden Schritten: – Aufteilen einer für die Aufrechterhaltung einer Gasentladung erforderlichen Gesamt-HF-Leistung in Teil-HF-Leistungen, wobei die Anzahl der Teil-HF-Leistungen der Anzahl der Arme (10a, 10b, 10c) entspricht; und – Erzeugen eines elektromagnetischen Feldes durch an den Hochfrequenz-Leistungs-Einspeisepunkten (3a, 3b, 3c) mit Phasendifferenz eingespeisten Teil-HF-Leistungen, derart, dass das Zentrum (12) der Spule (2) annähernd auf Massepotential liegt.Method for producing a plasma ( 20 ) with a coil ( 2 ) with several arms arranged in parallel ( 10a . 10b . 10c ) based on a common center ( 12 ) to a respective peripheral high frequency power feed point ( 3a . 3b . 3c ), comprising the steps of: - splitting a total RF power required to maintain a gas discharge into partial RF powers, the number of partial RF powers being the number of arms ( 10a . 10b . 10c ) corresponds; and - generating an electromagnetic field by at the high frequency power supply points ( 3a . 3b . 3c ) with phase difference injected partial RF power such that the center ( 12 ) of the coil ( 2 ) is approximately at ground potential. Verfahren nach Anspruch 8, wobei Frequenz, Phase und/oder Amplitude jeder Teil-HF-Leistung geregelt wird.The method of claim 8, wherein the frequency, phase and / or amplitude of each partial RF power is controlled. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Verhältnis von kapazitiver zu induktiver Kopplung durch Änderung der Phasenbeziehung zwischen den Teil-HF-Leistungen gesteuert wird.The method of claim 8 or 9, wherein the ratio of capacitive to inductive coupling is controlled by changing the phase relationship between the sub-RF powers.
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