DE19548657C2

DE19548657C2 - Device for large-area plasma generation

Info

Publication number: DE19548657C2
Application number: DE1995148657
Authority: DE
Inventors: Friedhelm Heinrich; Ulrich Baenziger
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1995-12-17
Filing date: 1995-12-17
Publication date: 2003-10-09
Anticipated expiration: 2015-12-18
Also published as: DE19548657A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Plasmaerzeugung basierend auf einer induktiv gekoppelten Hochfrequenzanregung.The invention relates to a device for generating plasma based on a inductively coupled high-frequency excitation.

Für die Erzeugung von Plasmen stehen prinzipiell eine Reihe unterschiedlicher Methoden zur Verfügung: Neben Mikrowellenanregung - wie z. B. Elektron-Zyklotron-Resonanz (ECR) - sind die in der Oberflächenbearbeitung (Ätzen, Beschichten, etc.) am häufigsten verwendeten Methoden die "kapazitive" und die "induktive" Hochfrequenzeinkopplung.There are basically a number of different methods for generating plasmas available: In addition to microwave excitation - such as B. Electron Cyclotron Resonance (ECR) - are the most common in surface processing (etching, coating, etc.) methods used "capacitive" and "inductive" radio frequency coupling.

Grundsätzlich haben induktive Verfahren gegenüber kapazitiven Verfahren den Vorteil, daß eine effektivere Leistungseinkopplung möglich ist und damit bei gleicher Leistung höhere Plasmadichten, d. h. höhere Ionen- und Elektronendichten erzielt werden können. Ein weiterer Vorteil der induktiven Einkopplung besteht darin, daß die resultierenden Plasmapotentiale - d. h. die maximalen Ionenbombardementenergien auf die dem Plasma ausgesetzten Flächen (Wände und zu bearbeitende Substrate) und damit deren Schädigung vergleichsweise gering sind. Durch ein zusätzliches "Biasing" der Substratelektrode (Anlegen einer Gleich- oder HF-Spannung) kann die kinetische Energie mit der die Ionen die Elektrode treffen gezielt beeinflußt werden. Für eine Übersicht über induktive Plasmaerzeugung siehe Referenz 1.Basically, inductive methods have the advantage over capacitive methods that a more effective power coupling is possible and thus higher plasma densities, ie higher ion and electron densities, can be achieved with the same power. Another advantage of inductive coupling is that the resulting plasma potentials - ie the maximum ion bombardment energies on the surfaces exposed to the plasma (walls and substrates to be processed) and thus their damage are comparatively low. An additional "biasing" of the substrate electrode (application of a DC or RF voltage) can be used to specifically influence the kinetic energy with which the ions hit the electrode. For an overview of inductive plasma generation, see reference 1 .

Ein Problem - das allen unterschiedlichen Antennenkonfigurationen zur induktiven Plasmaerzeugung gemeinsam ist - besteht darin, daß aufgrund der endlichen Induktivitäten die elektrischen Spannungsabfälle auf den Antennenleitungen nicht null sind und damit immer auch ein gewisser Teil der ins Plasma eingekoppelten Leistung auf kapazitiver Anregung basiert. Um diesen unerwünschten kapazitiven Anteil, der die Plasmapotentiale heraufsetzt, klein zu halten, kann man zum Beispiel Schlitzblenden verwenden, die die elektrischen Felder kurzschließen (sogenanntes "Faraday shielding "/1, 2/) Dies ist allerdings mit einem nicht unerheblichen zusätzlichen technischen Aufwand verbunden, der zudem den Wirkungsgrad herabsetzt.One problem - that of all different antenna configurations for inductive Plasma generation is common - is that due to the finite inductance the electrical voltage drops on the antenna lines are not zero and therefore a certain part of the power coupled into the plasma is always capacitive Suggestion based. To this undesirable capacitive part, which the plasma potentials For example, you can use slotted diaphragms that keep the Short-circuit electrical fields (so-called "Faraday shielding" / 1, 2 /) However, this is with a not inconsiderable additional technical effort, which also reduces efficiency.

Die bisher verwendeten Antennen zur induktiven Plasmaerzeugung benutzen Induktionsschleifen mit kreis- bzw. spiralförmigen Geometrien. Ein Nachteil der bisher verwendeten Antennen besteht darin, daß eine Anpassung an beliebige Geometrien der, Plasmaanlagen nicht einfach zu bewerkstelligen ist. Insbesondere ist eine flächenhafte Plasmaerzeugung, d. h. eine Plasmaerzeugung mit guter Homogenität über große Flächen so nicht zu erreichen, ohne die Leitungslängen und damit die Induktivität der Antennen auf inakzeptable Werte zu erhöhen.Use the antennas previously used for inductive plasma generation Induction loops with circular or spiral geometries. A disadvantage of so far antennas used is that an adaptation to any geometry of the Plasma systems are not easy to do. In particular, is an areal Plasma generation, d. H. plasma generation with good homogeneity over large areas cannot be achieved without the cable lengths and thus the inductance of the Increase antennas to unacceptable levels.

Aus der nachveröffentlichten EP 0 710 055 A1 geht ein Plasmareaktor zur Prozes sierung von Halbleiterwafern hervor, der über eine spiralförmig angeordnete Antenne zur induktiven Hochfrequenzeinkopplung verfügt. In einer Ausgestaltung besteht die Antenne aus mehreren parallel geschalteten Kurzschlussleitungen, die einzelne Antennenzweige bilden und zu einer Anordnung mit einem zentralen Verbindungspunkt zusammengeschaltet sind. Die einzelnen Antennenzweige der Antenne bilden zumindest eine vollständige Windung aus, d. h. sie umrunden den Verbindungspunkt vollständig. Dies entspricht der zum Zeitpunkt der Anmeldung der vorliegenden Patentanmeldung gängigen Vorgehensweise, bei der jede Einzelantenne bzw. jeder Einzelantennenzweig spiralförmig oder zumindest kreisförmig ausgebildet wurde.A plasma reactor goes to the process from the subsequently published EP 0 710 055 A1 sation of semiconductor wafers, which is arranged over a spiral Antenna for inductive RF coupling. In one embodiment The antenna consists of several short-circuit lines connected in parallel form individual antenna branches and form an arrangement with a central one Connection point are interconnected. The individual antenna branches of the Antennas form at least one complete turn, i. H. they circle the Connection point completely. This corresponds to that at the time of registration the current patent application common procedure in which each Individual antenna or each individual antenna branch spiral or at least was circular.

Eine mögliche Antennenform mit kleiner Induktivität wurde in Ref. 3 vorge schlagen. Die in Ref. 3 vorgeschlagene Lösung - ein kreisförmiger Ring, der einen Quarzzylinder (die Plasmaquelle) umschließt - hat aber den Nachteil, daß sie nicht beliebig hochskalierbar ist und deshalb für eine großflächige Plasmaerzeugung wie z. B. bei der Herstellung flacher Bildschirme nicht einsetzbar ist. Es wurde deshalb vorgeschlagen, mehrere solcher Plasmaquellen simultan zu betreiben, das heißt, die Quellen auf einer gemeinsamen Prozeßkammer, die das zu bearbeitende Substrat enthält, derart zu montieren, daß ein möglichst gleich mäßiges Plasma auf Substratebene resultiert /3/. Eine Hochskalierung wäre dann durch die Erhöhung der Anzahl der Plasmaquellen möglich. Aber auch hier ist der erreichbare Grad der Anpassung an beliebige Geometrien und Größen der Plasmaanlagen sehr begrenzt, da die Plasmaerzeugung selbst nicht wirklich flächenhaft ist. Wie in Ref. 3 beschrieben wird, kann zwar eine gewisse Homogenisierung des Plasmas durch Diffusionsvorgänge in der Plasmakammer erreicht werden, wenn die Substratebene einen ausreichenden Abstand von den Quellenöffnungen besitzt. Bei kleinen Abständen sind die Produktionszentren - nämlich die Quellen selbst - jedoch klar auszumachen. Dies demonstrieren die in Ref. 3 vorgestellten ortsaufgelösten Messungen der Plasmadichten, die bei geringen Abständen von der Quelle eine Überhöhung der Plasmadichten in Quellennähe anzeigen.A possible antenna shape with small inductance was featured in Ref. 3 beat. The solution proposed in Ref. 3 - a circular ring that one Quartz cylinder (the plasma source) encloses - but has the disadvantage that it does not is freely scalable and therefore for large-area plasma generation such as B. cannot be used in the manufacture of flat screens. It was therefore proposed to operate several such plasma sources simultaneously, that is, the sources on a common process chamber that the processing substrate contains, to assemble such that a possible the same moderate plasma at substrate level results / 3 /. An upscaling would then be possible by increasing the number of plasma sources. But here is the one too achievable degree of adaptation to any geometry and size of the Plasma systems very limited because the plasma generation itself is not really is extensive. As described in Ref. 3, there can be a certain Homogenization of the plasma by diffusion processes in the plasma chamber can be achieved if the substrate plane is a sufficient distance from the Has source openings. At small distances, the production centers are - namely the sources themselves - however, can be clearly identified. This is demonstrated by the in Ref. 3 presented spatially resolved measurements of the plasma densities at short distances from the source an increase in plasma densities Show source proximity.

Das im Folgenden dargelegte erfindungsgemäße Prinzip hat den Vorteil, daß daraus resultierende spezielle Antennenformen - unter Beibehaltung niedriger Induktivität - auf wesentlich einfachere Art eine nahezu beliebige Hochskalierung von Plasmaanlagen zulassen, wobei trotz der Parallelschaltung mehrerer Einzelantennen das Anpassnetzwerk mit nur einem Ausgang auskommt (Das in Ref. 3 zu verwendende Anpassnetzwerk besitzt entsprechend der Anzahl der parallel geschalteten Einzelplasmaquellen 4 Ausgänge).The principle according to the invention, set out below, has the advantage that the resulting special antenna shapes - while maintaining low inductance - permit an almost arbitrary upscaling of plasma systems in a much simpler manner, although the matching network manages with only one output despite the parallel connection of several individual antennas (The in Ref 3, the matching network to be used has 4 outputs, depending on the number of individual plasma sources connected in parallel).

Dies wird mit einer Vorrichtung zur großflächigen Plasmaerzeugung durch induktive Hochfrequenzeinkopplung über eine Antenne mit einem HF-Sender und einem Anpassnetzwerk erreicht, bei der die Antenne aus mehreren parallel geschalteten Kurzschlussleitungen besteht, die einzelne Antennenzweige bilden und zu einer Anordnung mit einem zentralen Verbindungspunkt zusammen geschaltet sind, wobei die Antennenzweige derart verlaufen, dass kein Antennenzweig den Verbindungspunkt kreis- oder spiralförmig vollständig umrundet, bevor ein Massepunkt erreicht ist.This is done with a device for large-area plasma generation inductive radio frequency coupling via an antenna with an HF transmitter and achieved a matching network in which the antenna consists of several in parallel switched short-circuit lines, which form individual antenna branches and together to form an arrangement with a central connection point are switched, the antenna branches running such that no Antenna branch the connection point completely circular or spiral circled before a mass point is reached.

Das Grundprinzip der Anordnung ist in Abb. 1 dargestellt.The basic principle of the arrangement is shown in Fig. 1.

Die Antenne der Abb. 1 besteht aus einem Ensemble von zentral gespeisten sternförmig angeordneten Kurzschlußleitungen. Die Gesamtinduktivität L_ges eines solchen Ensembles ergibt sich bei n Zweigen aus der Beziehung L_ges ^-1 = L₁ ^-1 + L₂ ^-1 + . . . L_n ^-1, wobei L_i die Induktivität einer einzelnen Kurzschlußleitung bezeichnet; d. h. die Gesamtinduktivität sinkt - bei unveränderter Länge der einzelnen Zweige - mit steigender Anzahl der Kurzschlußleitungen. Im Gegensatz zu bekannten herkömmlichen Anordnungen, bei denen bisher immer Induktionsschleifen mit spiralförmigen bzw. kreisförmigen Geometrien verwendet wurden, lassen die in dieser Patentanmeldung beschriebenen Antennenformen auch Einzelzweige (Kurzschlußleitungen) mit anderen Geometrien zu, die auf die entsprechende Geometrie einer Plasmaanlage zugeschnitten werden kann; dabei kann eine perfekte Symmetrie bzgl. der Höhe der in den Einzelleitungen fließenden HF-Ströme erreicht werden.The antenna of Fig. 1 consists of an ensemble of centrally fed short-circuit lines arranged in a star shape. The total inductance L _tot of such an ensemble results for n branches from the relationship L _tot ^-1 = L ₁ ^-1 + L ₂ ^-1 +. , , L _n ^-1 , where L _i denotes the inductance of a single short-circuit line; ie the total inductance decreases - with unchanged length of the individual branches - with an increasing number of short-circuit lines. In contrast to known conventional arrangements, in which so far induction loops with spiral or circular geometries have always been used, the antenna forms described in this patent application also allow individual branches (short-circuit lines) with other geometries, which can be tailored to the corresponding geometry of a plasma system; perfect symmetry can be achieved with regard to the level of the HF currents flowing in the individual lines.

Diese Art der Anordnung ist insbesondere ein Vorteil bei Anwendungen, bei denen es darauf ankommt einen möglichst großflächigen und homogenen Plasmaerzeugungsbereich zu haben. Eine leicht modifizierte Variante des in Abb. 1 dargestellten Antennenprinzips, ist in Abb. 2 gezeigt, sie demonstriert den Vorteil dieser Art der Plasmaerzeugung. Die Antenne besteht aus 4 Zweigen, von denen jeweils 2 Zweige auf einen gemeinsamen Masseanschluß geführt werden. Durch eine entsprechende geometrische Ausformung der einzelnen Zweige kann sie an nahezu jede beliebige Reaktorgeometrie angepaßt werden. Insbesondere ist es so möglich auch bei rechteckigen Geometrien, wie sie z. B. in der Flat Panel Display Technik eine Rolle spielen /4/ einen weitgehend homogenen Plasmaerzeugungsbereich herzustellen. Ein Vergleich mit der in Ref. 3 vorgeschlagenen Lösung zeigt, daß bei etwa gleicher Gesamtinduktivität eine wesentlich größere Fläche für die Plasmaerzeugung ausgenutzt wird, was gleichmäßigere Plasmadichten erwarten läßt. Auf der anderen Seite sind die Zuleitungsverluste kleiner und damit die Effektivität der Leistungseinkopplung größer als bei der in Ref. 3 vorgeschlagenen Lösung.This type of arrangement is particularly advantageous in applications in which it is important to have the largest possible, homogeneous plasma generation area. A slightly modified variant of the antenna principle shown in Fig. 1 is shown in Fig. 2, it demonstrates the advantage of this type of plasma generation. The antenna consists of 4 branches, of which 2 branches are led to a common ground connection. By means of a corresponding geometric shape of the individual branches, it can be adapted to almost any reactor geometry. In particular, it is also possible with rectangular geometries such as z. B. play a role in flat panel display technology / 4 / to produce a largely homogeneous plasma generation area. A comparison with the solution proposed in Ref. 3 shows that, with approximately the same total inductance, a much larger area is used for the plasma generation, which means that more uniform plasma densities can be expected. On the other hand, the supply losses are smaller and thus the effectiveness of the power coupling is greater than with the solution proposed in Ref. 3.

Abb. 3 zeigt einen Schnitt durch einen möglichen Plasmareaktor bei der die Antenne sich in der Plasmakammer befindet. Die HF-Durchführung befindet sich hier in der Mitte der oberen Kammerwand. Die Masseverbindung kann einfach durch einen elektrischen Kontakt mit der Wand hergestellt werden. Prinzipiell ist es auch vorstellbar, die obere Kammerwand oder Teile davon als dielektrische Platte auszuführen und die Antenne darauf zu legen, so daß sie nicht mit dem Plasma in Berührung steht. Die Antenne kann auch mit einem dielektrischen Material beschichtet sein oder in ein Dielektrikum (z. B. Quarz oder Keramik) eingehüllt sein. Fig. 3 shows a section through a possible plasma reactor in which the antenna is located in the plasma chamber. The HF feedthrough is located in the middle of the upper chamber wall. The ground connection can be made simply by electrical contact with the wall. In principle, it is also conceivable to design the upper chamber wall or parts thereof as a dielectric plate and to place the antenna on it so that it is not in contact with the plasma. The antenna can also be coated with a dielectric material or encased in a dielectric (e.g. quartz or ceramic).

Weitere Varianten des in Abb. 1 dargestellten Grundprinzips - vorzugsweise bei zylindrischen Geometrien zu verwenden - sind in den Abbn. 4-7 dargestellt. Eine leichte Variation dieses Prinzips zeigen die Abb. 8-10.Further variants of the basic principle shown in Fig. 1 - preferably to be used with cylindrical geometries - are shown in Figs. 4-7. Fig. 8-10 shows a slight variation of this principle.

Da der Plasmaproduktionsbereich wesentlich homogener ist, als bei der in Ref. 3 beschriebenen Anordnung, kann das zu bearbeitende Substrat sehr nahe an die Antenne gebracht werden, was gegenüber der in Ref. 3 beschriebenen Anlage zu einer deutlich reduzierten Bauhöhe der Plasmaanlage führt. Durch die damit verbundene Reduktion der dem Plasma ausgesetzten Verlustoberflächen (Wände) wird der Wirkungsgrad dieser Antennenform nochmals erhöht.Since the plasma production area is much more homogeneous than that in Ref. 3 described arrangement, the substrate to be processed can be very close to the antenna brought, which compared to the system described in Ref. 3 to a clear reduced height of the plasma system leads. The associated reduction in the loss surfaces (walls) exposed to the plasma become the efficiency of these Antenna shape increased again.

Ein anderer aus der Literatur bekannter Ansatz benutzt eine flache Induktionsspule, die durch eine dielektrische Wand von der Prozeßkammer getrennt ist, zur Plasmaerzeugung /5/. Eine Hochskalierung müßte bei dieser Technik durch eine Erhöhung der Anzahl der Spulenwindungen erfolgen. Dies hat den Nachteil, daß die Gesamtleitungslänge und damit die Induktivität sehr groß wird, was mit einer sehr starken kapazitiven Komponente der Elnkopplung einhergeht. Dieser Effekt einer hohen kapazitiven Einkoppelkomponente und damit verbundene Effekte für die Oberflächenbearbeitung wurde zum Beispiel in Ref. 6 beschrieben.Another approach known from the literature uses a flat induction coil, the is separated from the process chamber by a dielectric wall, for plasma generation / 5 /. Upscaling would have to be done with this technique by increasing the number of Coil turns take place. This has the disadvantage that the total line length and therefore the inductance becomes very large, which with a very strong capacitive component of the Coupling goes hand in hand. This effect of a high capacitive coupling component and related effects for surface treatment was described for example in Ref. 6 described.

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß die vorliegende Erfindung es ermöglicht, auf einfache Weise ein homogenes induktiv angeregtes Plasma über große Flächen zu erzeugen wobei die Gesamtinduktivität und damit die kapazitive Komponente der Hochfrequenzeinkopplung klein gehalten werden kann. Dabei ist es nicht von Bedeutung ob die Antenne direkt mit dem Plasmabereich in Berührung ist oder über eine dielektrische Wand (z. B. Quarz oder Keramik) vom Plasma getrennt ist. Auch eine Einhüllung der Antenne in ein dielektrisches Medium (z. B. Quarzummantelung) ist möglich.In summary, it can be said that the present invention makes it possible to easily generate a homogeneous inductively excited plasma over large areas the total inductance and thus the capacitive component of the High frequency coupling can be kept small. It doesn't matter whether the antenna is in direct contact with the plasma area or via a dielectric Wall (e.g. quartz or ceramic) is separated from the plasma. Also an encapsulation of the Antenna in a dielectric medium (e.g. quartz coating) is possible.

Im Unterschied zu den aus der Literatur bekannten Antennenformen, läßt das hier vorgeschlagene Prinzip zur Plasmaerzeugung eine nahezu beliebige Hochskalierung der Plasmaanlagen zu.In contrast to the antenna forms known from the literature, this leaves here proposed principle for plasma generation an almost arbitrary upscaling of Plasma systems too.

Bei den Abb. 1-10 ist vorausgesetzt, daß die Hochfrequenz der Antenne in der Regel über ein Anpaßnetzwerk zugeführt wird auch wenn das Anpassnetzwerk nicht explizit dargestellt ist. In Fig. 1-10 it is assumed that the radio frequency of the antenna is usually supplied via a matching network, even if the matching network is not explicitly shown.

credentials

1. J. Hopwood, Review of inductively coupled plasmas for plasma processing, Plasma Sources Sci. Technol. 109-116 (1. J. Hopwood, Review of inductively coupled plasmas for plasma processing, Plasma Sources Sci. Technol. 109-116 (

19921992

)
2 Comparison of electrostatic shielded and unshielded inductively coupled plasma sources, Wayne L. Johnson, Prototech Research, Inc., presented to: Plasma etch users group, a working subgroup of the nothern chapter of the American Vacuum Society, April 9, 1992
3 Vorrichtung zur Plasmaerzeugung, Patenteinreichung der Fraunhofer Gesellschaft, Nr. DE 44 03 125 A1
4 F. Heinrich, U. Bänziger, A. Jentzsch, G. Neumann, C. Huth, Novel nigh density plasma tool for large area flat panel display etching, Proceedings of the Eighth International Vacuum Microelectronics Conference, IVMC, 95, Portland, Oregon (USA), July 30- August 3, 1995
5 John S. Ogle, United States Patent Nr. 4 948 458, August 14, 1990
6 G. S. Oehrlein, N. R. Rüger, M. Schaepkens, J. J. Beulens, M. Doemling, and J. Mirza, Mechanistic studies of SiO2 etching in high density plasmas, Supplement a la Revue "LE Vide": science, technique et applications No. 275, 187-192 ()
2 Comparison of electrostatic shielded and unshielded inductively coupled plasma sources, Wayne L. Johnson, Prototech Research, Inc., presented to: Plasma etch users group, a working subgroup of the nothern chapter of the American Vacuum Society, April 9, 1992
3 Device for plasma generation, patent application of the Fraunhofer Gesellschaft, No. DE 44 03 125 A1
4 F. Heinrich, U. Bänziger, A. Jentzsch, G. Neumann, C. Huth, Novel nigh density plasma tool for large area flat panel display etching, Proceedings of the Eighth International Vacuum Microelectronics Conference, IVMC, 95, Portland, Oregon (USA), July 30- August 3, 1995
5 John S. Ogle, United States Patent No. 4,948,458, August 14, 1990
6 GS Oehrlein, NR Rüger, M. Schaepkens, JJ Beulens, M. Doemling, and J. Mirza, Mechanistic studies of SiO2 etching in high density plasmas, Supplement a la Revue "LE Vide": science, technique et applications No. 275, 187-192 (

19951995

))

Claims

1. Device for large-area plasma generation by inductive Radio frequency coupling via an antenna with an RF transmitter and a matching network in which the antenna consists of several parallel short-circuit lines exist, the individual Form antenna branches and to an arrangement with one central connection point are connected together, the antenna branches run in such a way that no Antenna branch the connection point circular or spiral completely circled before reaching a ground point.

2. Device according to claim 1, characterized, that several or all short-circuit lines to a ground point are led.

3. Device according to claim 1, characterized, that the arrangement consists of three antenna branches, which are extend radially outwards from the connection point and at the same distance from the connection point in the same Direction of rotation on a common circular line with the Turn the connection point as the center.

4. The device according to claim 1, characterized, that the short-circuit lines through several parallel linear conductors are formed, which are electrical on an HF side interconnected and adapt to an exit network.

5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized, that several antennas are connected in parallel and each with one own RF transmitters are connected.

6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized, that line surfaces of one or more antennas directly communicate with the plasma.

7. Device according to one of claims 1 to 5, characterized, that line surfaces of the one or more antennas have dielectric coating or the one or more Antennas are encased in a dielectric.

8. Device according to one of claims 1 to 5, characterized, that the one or more antennas by a dielectric Plate are separated from a plasma chamber.