DE19606375A1

DE19606375A1 - Microwave plasma source with Whistler or Helicon waves

Info

Publication number: DE19606375A1
Application number: DE1996106375
Authority: DE
Inventors: Juergen Dipl Ing Nahr; Karl-Heinz Dr Ing Kretschmer; Roland Dr Ing Gesche
Original assignee: Balzers Process Systems GmbH
Current assignee: Balzers Process Systems GmbH
Priority date: 1996-02-21
Filing date: 1996-02-21
Publication date: 1997-08-28

Abstract

The microwave plasma source with Whistler or Helicon waves, for a process chamber containing a substrate, has several magnets (28-32) mounted in holders (20-23) in a plane at a distance to the substrate (9), with adjacent magnets (e.g. 28,29) of opposite polarity towards the substrate (9), a microwave permeable plate (24-27) covering the process chamber (3) and antenna rods (38-44) above the plate (24-27) between the magnets (28-32).

Description

Die Erfindung betrifft eine Plasmaquelle nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a plasma source according to the preamble of the claim 1.

Die Oberflächenbearbeitung von Substraten wird zunehmend in hochdichtem Plasma vorgenommen, wobei die Anforderungen an die Großflächigkeit und Homogenität der Plasmen immer größer werden. So wird beispielsweise in der Displaytechnik der zweiten Generation die Bearbeitung von Substratgrößen von 35 cm × 45 cm und in der dritten Generation sogar von 60 cm × 70 cm erforderlich.The surface processing of substrates is increasingly used in high-density plasma made, the requirements for the large area and homogeneity the plasmas keep getting bigger. For example, in display technology the second generation processing substrate sizes of 35 cm × 45 cm and in of the third generation even of 60 cm × 70 cm.

Von den Plasmaquellen, die eine hohe Plasmadichte aufweisen, sind insbesondere solche zu erwähnen, bei denen ECR- (= electron cyclotron resonance) oder Helikon- bzw. Whistlerquellen zum Einsatz kommen. Während die Plasmaquellen mit ECR im Frequenzbereich von 300 MHz bis 300 GHz bzw. einer Wellenlänge von 1 m bis 1 mm arbeiten, werden die Helikon-Quellen im UHF-Bereich bzw. im Bereich unter halb 100 MHz betrieben.Of the plasma sources that have a high plasma density are in particular to mention those in which ECR (= electron cyclotron resonance) or helicon or Whistler sources are used. While the plasma sources with ECR in Frequency range from 300 MHz to 300 GHz or a wavelength of 1 m to 1 mm work, the Helikon sources in the UHF area or in the area below operated at half 100 MHz.

Treffen elektromagnetische Wellen im UHF-Bereich bzw. im Bereich unterhalb 100 MHz im Plasma auf Magnetfelder, so breiten sie sich parallel zu diesen aus (US-PS 4 691 662; Oechsner, Plasma Physics, Vol. 16, 1974, S. 835 bis 844; Boswell, Plasma Physics and Controlled Fusion, Vol. 26, No. 10, 1984, S. 1147 bis 1162). Man nennt diese Wellen dann Helikon- oder Whistler-Wellen.Hit electromagnetic waves in the UHF range or in the range below 100 MHz in the plasma on magnetic fields, so they spread parallel to them (U.S. Patent 4,691,662; Oechsner, Plasma Physics, Vol. 16, 1974, pp. 835 to 844; Boswell, Plasma Physics and Controlled Fusion, Vol. 26, No. 10, 1984, pp. 1147 to 1162). Is called these waves then Helikon or Whistler waves.

Eine Plasmavorrichtung zum Aufbringen dünner Schichten bzw. zum Ätzen, bei der Helikonwellen zum Einsatz kommen, ist beispielsweise aus der US-A-4 990 229 be kannt. Die Helikonwellen werden hierbei mittels einer Antenne erzeugt, die eine erste Stromschleife in einer ersten Ebene und eine zweite Stromschleife in einer zweiten Ebene aufweist, wobei die ersten und zweiten Stromschleifen einen Abstand vonein ander haben und parallel zueinander angeordnet sind.A plasma device for applying thin layers or for etching, in which Helicon waves are used, for example, from US-A-4 990 229 be knows. The helicon waves are generated by means of an antenna, which is a first Current loop in a first level and a second current loop in a second Plane, the first and second current loops spaced one apart have other and are arranged parallel to each other.

Eine weitere bekannte Anordnung für die Erzeugung eines Plasmas hoher Dichte mit tels Helikonwellen weist eine zylindrische Prozeßkammer auf sowie eine Antenne mit einer einzigen Schleife, welche die Kammer umgibt, wobei die Schleife in einer Ebene angeordnet ist, die um 45° zur Zentralachse der Kammer geneigt ist (US-A-5 122 251). Nachteilig ist bei dieser Helikon-Plasmaquelle, daß sie kein großflächi ges Plasma ermöglicht.Another known arrangement for generating a high density plasma with The helicon waves have a cylindrical process chamber and an antenna with a single loop surrounding the chamber, the loop in a Level is arranged which is inclined at 45 ° to the central axis of the chamber (US-A-5,122,251). A disadvantage of this helicon plasma source is that it does not have a large area possible plasma.

Großflächige Plasmen werden indessen mit einer bekannten planaren Plasmaquelle ermöglicht, bei der in einer Plasmakammer, in der sich auch das zu bearbeitende Werkstück befindet, eine Induktionseinrichtung vorgesehen ist, die ein Hochfre quenz-Feld in der Kammer erzeugt (EP-0 379 828 A2). Das Plasma wird hierbei in der Kammer mittels eines Magnetfelds verengt.Large-area plasmas, however, are made using a known planar plasma source enables, in a plasma chamber, in which is also to be processed Workpiece is located, an induction device is provided, the Hochfre quenz field generated in the chamber (EP-0 379 828 A2). The plasma is in the chamber is narrowed by means of a magnetic field.

Eine weitere Vorrichtung, mit der großflächige Plasmen erzeugt werden können, ist aus der US-A-4 948 458 bekannt. Hierbei wird eine planare Spule außerhalb einer Kammer und in der Nähe einer dielektrischen Abschirmung angeordnet und über ein Anpassungsnetzwerk mit Hochfrequenz-Energie beaufschlagt. Der Gesamtstromkreis wird auf Resonanz gebracht.Another device with which large-area plasmas can be generated is known from US-A-4 948 458. Here, a planar coil is outside of one Chamber and placed near a dielectric shield and over a Adaptation network applied with high-frequency energy. The total circuit is brought to resonance.

Eine andere bekannte Einrichtung für die Erzeugung eines Plasmas weist eine induk tive oder kapazitive Anregung von Helikonwellen auf, die sich außerhalb der Plasma kammer befindet (EP-0 434 932 B1). Hierbei werden verschiedene Spulen bzw. Elektroden, die einen räumlichen Abstand voneinander haben, an phasenverschobene Spannungen gelegt.Another known device for generating a plasma has an inductor active or capacitive excitation of helicon waves, which are outside the plasma chamber is located (EP-0 434 932 B1). Different coils or Electrodes that are spaced apart from each other on phase-shifted Tensions.

Bei einer anderen bekannten Vorrichtung zur Erzeugung eines planaren Plasmas ist eine Kammer mit einem dielektrischen Fenster vorgesehen, über dem sich eine planare Spule befindet (EP-0 601 468 A1). Diese Spule wird über eine Hoch frequenzquelle gespeist. Im Plasma bzw. in der Nähe des Plasmas befindet sich eine Gaszuführung z. B. für Fluor. Another known device for generating a planar plasma is a chamber is provided with a dielectric window over which a planar coil is located (EP-0 601 468 A1). This coil will have a high frequency source powered. There is one in the plasma or in the vicinity of the plasma Gas supply z. B. for fluorine.

Schließlich ist auch noch ein Plasmareaktor bekannt, der eine Kammer für die Auf nahme eines zu bearbeitenden Substrats aufweist, wobei in die Kammer zu ionisie rendes Gas eingeführt wird (EP-0 633 713 A1). Das Plasma wird durch eine mit Radio-Frequenz gespeiste Antenne angeregt, die aus einem elektrischen Leiter be steht, der sich parallel über dem zu behandelnden Substrat befindet und der wenig stens drei einander gegenüberliegende und zueinander parallele Stege aufweist, die in Reihe geschaltet sind.Finally, a plasma reactor is also known, which has a chamber for the on Taking a substrate to be processed, wherein ionizing in the chamber Introducing gas is introduced (EP-0 633 713 A1). The plasma is created with a Radio-frequency-fed antenna excited, which be from an electrical conductor stands, which is parallel over the substrate to be treated and which little has at least three mutually opposite and mutually parallel webs, which in Series are connected.

Bei den meisten der vorstehend beschriebenen Helikon-Plasmaquellen handelt es sich um zylindrische Anordnungen, bei denen ein zylindrischer Quarzkolben, der nach un ten hin zu einer Prozeßkammer geöffnet ist, von einer Antenne und von Magneten für ein statisches Magnetfeld umgeben ist. Die Antennenstruktur befindet sich meistens außerhalb der Kammer, damit sie nicht dem Plasma ausgesetzt ist. Die Feldstärke des statischen Magnetfelds liegt typischerweise im Bereich von 20 . . . 500 Gauss.Most of the helicon plasma sources described above are around cylindrical arrangements in which a cylindrical quartz piston, which according to un open to a process chamber, an antenna and magnets for a static magnetic field is surrounded. The antenna structure is mostly there outside the chamber so that it is not exposed to the plasma. The field strength of the static magnetic field is typically in the range of 20. . . 500 gauss.

Der Nachteil dieser zylindrischen Anordnungen besteht darin, daß der Durchmesser des Quarzkolbens ca. 10 bis 15 cm beträgt, so daß die Bearbeitung großflächiger Substrate nur eingeschränkt möglich ist. Um die geforderten Homogenitäten des Plasmas zu erzielen, wird ein großer Abstand zwischen Plasmaquelle und Substrat benötigt, damit das Plasma ausreichend in das Substrat diffundieren kann. Das von der Plasmaquelle zum Substrat gelangende Plasma läßt sich auch nicht beliebig auf weiten, da die Diffusion aufgrund des geringen Prozeßdrucks beschränkt ist und zu dem ein großes Volumen der Prozeßkammer die Plasmadichte deutlich reduziert. Hierdurch entstehen geringe Bearbeitungsraten.The disadvantage of these cylindrical arrangements is that the diameter of the quartz piston is approx. 10 to 15 cm, so that the processing is large Substrates is only possible to a limited extent. To achieve the required homogeneity of the Achieving plasma becomes a large distance between the plasma source and the substrate needed so that the plasma can diffuse sufficiently into the substrate. That from plasma reaching the substrate from the plasma source can also not be arbitrarily expand because the diffusion is limited due to the low process pressure and which a large volume of the process chamber significantly reduces the plasma density. This results in low processing rates.

Für die Erzeugung großflächiger und dichter Plasmen werden im wesentlichen die sogenannten Quellenarrays und die planaren Quellen verwendet. Bei den Quellen arrays werden mehrere Plasmaquellen nebeneinander angeordnet. Vorteilhaft ist hier bei, daß man auf bereits vorhandene kleine Plasmaquellen zurückgreifen kann. Der Nachteil der Quellenarrays besteht jedoch darin, daß sie sehr aufwendig und teuer sind. Da ein Quellenarray aus mehreren Punktquellen besteht, ist davon auszugehen, daß die Plasmadichte an den Substratoberflächen nicht homogen ist. Immerhin muß bei den vorstehend erwähnten Substraten der dritten Generation jede einzelne Quelle eines aus beispielsweise vier Quellen bestehenden Arrays bereits über 30 cm Fläche abdecken. For the generation of large-area and dense plasmas are essentially the so-called source arrays and the planar sources are used. At the sources Arrays several plasma sources are arranged side by side. It is advantageous here that you can fall back on existing small plasma sources. Of the However, the disadvantage of the source arrays is that they are very complex and expensive are. Since a source array consists of several point sources, it can be assumed that that the plasma density on the substrate surfaces is not homogeneous. After all, must each source in the third generation substrates mentioned above an array consisting of four sources, for example, already over 30 cm in area cover.

Als Alternative zu den Quellenarrays kommen planare Plasmaquellen in Betracht, wie sie bereits aus einigen der oben erwähnten Druckschriften bekannt sind. Diese planaren Plasmaquellen zeichnen sich dadurch aus, daß das Plasma nicht in einem zylindrischen Gehäuse mit relativ geringem Durchmesser erzeugt wird, sondern durch eine Anordnung der Plasmaquelle parallel zur Substratebene. An die Stelle von mehreren Punktquellen bei den Quellenarrays tritt eine flächige Plasmaerzeugung.As an alternative to the source arrays, planar plasma sources can be considered, as they are already known from some of the publications mentioned above. This Planar plasma sources are characterized in that the plasma is not in one cylindrical housing with a relatively small diameter is produced, but by arranging the plasma source parallel to the substrate plane. Instead of Multiple point sources in the source arrays have a flat plasma generation.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine planare Plasmaquelle zu schaffen, bei der Helikonwellen für die Erzeugung des Plasmas verwendet werden.The invention has for its object to provide a planar plasma source, where helicon waves are used to generate the plasma.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved in accordance with the features of patent claim 1.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß großflächige und homogene Plasmen erzeugt werden können, und zwar bei relativ niedrigen Pro zeßgasdrücken von 1 . . . 100 µbar. In diesem Druckbereich sind die Ladungsträger verluste innerhalb des Plasmas aufgrund der großen freien Weglängen gering. Die größten Verluste sind im Bereich der Prozeßkammerwände zu erwarten, wo Rekom binationen stattfinden. Entsprechend nimmt die Plasmadichte zur Wand hin ab. Durch Verwendung eines magnetischen Buckets oder Bechers werden die Ladungs träger von der Wand ferngehalten und somit die Verluste reduziert. Eine Kompensa tion der eventuell noch verbleibenden Wandverluste kann durch eine zweigeteilte Antennenstruktur mit einem inneren und einem äußeren HF-Kreis realisiert werden. Dabei werden die beiden Antennen entweder über zwei HF-Generatoren oder über einen einstellbaren Leistungsteiler von einem Generator versorgt.The advantage achieved with the invention is in particular that large areas and homogeneous plasmas can be generated at a relatively low pro pressurized gas from 1. . . 100 µbar. The charge carriers are in this pressure range losses within the plasma are low due to the large free path lengths. The The greatest losses are expected in the area of the process chamber walls, where recom binations take place. Accordingly, the plasma density decreases towards the wall. By using a magnetic bucket or mug, the cargo beams kept away from the wall, thus reducing losses. A compensation tion of any remaining wall loss can be divided into two Antenna structure can be realized with an inner and an outer RF circuit. The two antennas are either connected via two HF generators or via an adjustable power divider powered by a generator.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:Embodiments of the invention are shown in the drawings and are described in more detail below. Show it:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine planare Helikon-Plasma-Quelle mit Prozeßkammer; Fig. 1 shows a cross section through a planar helicon plasma source with process chamber;

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine planare Helikon-Plasmaquelle mit einer ersten Antennenstruktur, bei der Antennenstäbe in Reihe geschaltet sind; Figures 2 connected in a plan view of a planar helicon plasma source with a first antenna structure, wherein the antenna bars in series.

Fig. 3 eine Detailansicht der Plasma-Quelle gemäß Fig. 1; FIG. 3 shows a detailed view of the plasma source according to FIG. 1;

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine planare Helikon-Plasmaquelle mit einer zweiten Antennenstruktur, die aus einer Serien-Parallel-Schaltung von Antennen stäben besteht; Figure 4 is a plan view of a planar helicon plasma source with a second antenna structure consisting of a series-parallel connection of antennas.

Fig. 5 eine Draufsicht auf eine planare Helikon-Plasmaquelle mit einer dritten Antennenstruktur, bei der alle Antennenstäbe parallelgeschaltet sind; Fig. 5 is a plan view of a planar helicon plasma source with a third antenna structure are connected in parallel with all antenna rods;

Fig. 6 eine Draufsicht auf eine planare Helikon-Plasmaquelle mit einer vierten Antennenstruktur, bei der benachbarte Antennenteile parallelgeschaltet, aber mit gegengerichtetem Strom beaufschlagt sind; Fig. 6 is a plan view of a planar helicon plasma source are, however, applied to a fourth antenna structure, wherein adjacent parallel antenna portions with contraflow stream;

Fig. 7 eine Draufsicht auf eine planare Helikon-Plasma-Quelle mit einer fünften Antennenstruktur, bei der die Antenne in einen inneren und einen äußeren Kreis aufgeteilt ist. Fig. 7 is a plan view of a planar helicon plasma source with a fifth antenna structure, in which the antenna is divided into an inner and an outer circle.

In der Fig. 1 ist eine Vorrichtung 1 mit einer planaren Helikon-Plasma-Quelle 2 und einer Prozeßkammer 3 geschnitten dargestellt. Die Prozeßkammer 3 weist einen rechteckigen Boden 4 mit senkrecht hierauf stehenden Seitenwänden 5, 6 auf. Die Rückwand der Prozeßkammer 3 ist mit 7 bezeichnet, während die vordere Wand we gen der Schnittdarstellung nicht sichtbar ist. Auf dem Boden 4 der Prozeßkammer 3 ist ein Substratträger 8 vorgesehen, der ein Substrat 9 trägt.A device 1 with a planar helicon plasma source 2 and a process chamber 3 is shown in section in FIG. 1. The process chamber 3 has a rectangular base 4 with side walls 5 , 6 standing perpendicularly thereon. The rear wall of the process chamber 3 is denoted by 7 , while the front wall is not visible because of the sectional view. A substrate carrier 8 , which carries a substrate 9, is provided on the bottom 4 of the process chamber 3 .

In die Seitenwände 5, 6 der Prozeßkammer 3 sind Dauermagnete 10, 11, 12, 13 ge genpolig eingearbeitet, d. h. einer der Magnete 10 in einer der Wände ragt mit seinem Nordpol in die Prozeßkammer 3 hinein, während der andere Magnet 11 der gleichen Wand 5 mit seinem Südpol in die Prozeßkammer 3 hineinragt. Dadurch ergibt sich in der Prozeßkammer 3 ein bogenförmig gekrümmtes Magnetfeld 14, 15. Die außerhalb der Prozeßkammer 3 liegenden Pole der Magnete 10, 11; 12, 13 sind über jeweils ein Joch 16, 17 miteinander verbunden. Auf der Prozeßkammer 3 befindet sich die Heli kon-Plasma-Quelle 2, die einen Rechteckrahmen 18 aufweist, der mit mehreren Magnetträgern 19 bis 23 verbunden ist, zwischen denen sich jeweils eine Quarz-Plat te bzw. ein Quarz-Fenster 24 bis 27 befindet. Hierbei ist der Rahmen 18 selbst auch ein Magnetträger.In the side walls 5 , 6 of the process chamber 3 permanent magnets 10 , 11 , 12 , 13 are incorporated ge-pole, ie one of the magnets 10 in one of the walls protrudes with its north pole into the process chamber 3 , while the other magnet 11 of the same wall 5th protrudes with its south pole into the process chamber 3 . This results in an arcuate magnetic field 14 , 15 in the process chamber 3 . The poles of the magnets 10, 11 lying outside the process chamber 3; 12 , 13 are connected to each other via a yoke 16 , 17 . On the process chamber 3 is the Heli con-plasma source 2 , which has a rectangular frame 18 which is connected to a plurality of magnetic carriers 19 to 23 , between which there is a quartz plate te or a quartz window 24 to 27 . Here, the frame 18 itself is also a magnetic carrier.

In den Magnetträgern 19 bis 23 und in den Seitenteilen des Rahmens 18 befinden sich Magnete 28 bis 32, bei denen es sich vorzugsweise um Dauermagnete handelt, die jedoch prinzipiell auch Elektromagnete sein können. Die nebeneinander liegen den Magnete 19 bis 23 haben abwechselnde Polaritäten, so daß sich gekrümmte Magnetfelder 50 bis 53 im Plasmaraum ergeben. In the magnet carriers 19 to 23 and in the side parts of the frame 18 there are magnets 28 to 32 , which are preferably permanent magnets, but which in principle can also be electromagnets. The magnets 19 to 23 lying next to one another have alternating polarities, so that curved magnetic fields 50 to 53 result in the plasma space.

Alle Magnete 28 bis 32 sind auf ihrer von der Prozeßkammer 3 und der Quarzplatte 24 bis 27 abgewendeten Seite mit einer gemeinsamen Shunt-Platte 33 verbunden. In dieser Shunt-Platte 33 befinden sich Öffnungen 34 bis 37 für die optische Diagnostik und Plasmamonitoring. Diese können mit verschiedenen Hilfsmitteln und Meß methoden durchgeführt werden. Die wichtigsten Methoden sind LIF = Laser Induced Fluorescence, OES = Optical Emission Spectroscopy sowie Ellipsometrie und Inter ferometrie. Zwischen einerseits jeweils zwei Magnetträgern 19 bis 23 und anderer seits den Quarz-Fenstern 24 bis 27 bzw. der Shunt-Platte 33 ist wenigstens eine An tenne vorgesehen, deren Leitungen mit 38, 39, 40, 41 bezeichnet sind. Bei der in der Fig. 1 dargestellten Antennen-Konfiguration werden die jeweils benachbarten Leitun gen 38, 39 bzw. 40, 41 von gegenläufigen Strömen durchflossen. Vorzugsweise han delt es sich hierbei um Wechselströme mit einer Frequenz von 13,56 MHz. Es kön nen aber auch Wechselströme zwischen 100 kHz und 100 MHz fließen. Die Strom stärke liegt größenordnungsmäßig zwischen 10 und 100 Ampère.All magnets 28 to 32 are connected to a common shunt plate 33 on their side facing away from the process chamber 3 and the quartz plate 24 to 27 . In this shunt plate 33 there are openings 34 to 37 for optical diagnostics and plasma monitoring. These can be carried out using various tools and measuring methods. The most important methods are LIF = Laser Induced Fluorescence, OES = Optical Emission Spectroscopy as well as ellipsometry and interferometry. Between on the one hand each two magnetic carriers 19 to 23 and on the other hand the quartz windows 24 to 27 or the shunt plate 33 , at least one antenna is provided, the lines of which are designated 38 , 39 , 40 , 41 . In the antenna configuration shown in FIG. 1, the respective neighboring lines 38 , 39 and 40 , 41 are flowed through by opposing currents. These are preferably alternating currents with a frequency of 13.56 MHz. However, alternating currents between 100 kHz and 100 MHz can also flow. The current strength is between 10 and 100 amperes.

Der Substratträger 8 ist mit einer Gleichspannungsquelle 47 und/oder einer Wechsel spannungsquelle 46 verbunden. Gleichspannung wird bei elektrisch leitenden Sub straten 9 verwendet, während bei elektrisch nicht leitenden Substraten 9 Wechsel spannung angelegt wird. Die Amplitude der Spannungen liegt in beiden Fällen vor zugsweise im Bereich von 50 bis 500 Volt, je nachdem, welcher Prozeß gerade ab läuft.The substrate carrier 8 is connected to a DC voltage source 47 and / or an AC voltage source 46 . DC voltage is in electrically conductive sub straten used 9, while electrically non-conducting substrates 9 is applied AC voltage. The amplitude of the voltages in both cases is preferably in the range from 50 to 500 volts, depending on which process is currently running.

Die in der Fig. 1 dargestellte Vorrichtung hat beispielsweise eine Gesamtbreite von 90 cm und eine Gesamthöhe von etwa 50 cm. Je nach Substratgröße ist die eigentli che Plasmakammer zwischen 30 und 70 cm breit und zwischen 10 und 30 cm hoch.The device shown in FIG. 1 has, for example, an overall width of 90 cm and an overall height of approximately 50 cm. Depending on the substrate size, the actual plasma chamber is between 30 and 70 cm wide and between 10 and 30 cm high.

In der Fig. 2 ist eine Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß Fig. 1 gezeigt, wobei je doch die Shunt-Platte 33 weggenommen ist. Man erkennt hierbei die Antennenleitun gen oder -stäbe 38 bis 41. Von einer HF-Zuleitung 42 führt die Antennenleitung 38 weg über die Mitte des Quarz-Fensters 24, durchstößt die Rückwand 7, biegt am En de um 90 Grad und dann noch einmal um 90 Grad um, durchstößt wieder die Rück wand 7, so daß sie als Leitung 39 über das Quarz-Fenster 25 geführt ist. Am Ende dieses Quarzfensters durchstößt die Leitung 39 eine Frontwand 54 und macht zwei 90-Grad-Abbiegungen, wodurch sie - nachdem sie wieder die Frontwand 54 durch stoßen hat - als Leitung 40 über dem Quarz-Fenster 26 erscheint. Nach einer weiteren zweimaligen 90-Umkehr und Durchstoßen der Wand 7 verläuft die Antenne als Lei tung 41 über dem Quarz-Fenster 37 und endet schließlich in der HF-Zuleitung 42, nachdem sie noch einmal die Wand 54 durchstoßen hat. FIG. 2 shows a top view of the device according to FIG. 1, but the shunt plate 33 has been removed. One can see here the antenna lines or rods 38 to 41 . From an RF feed line 42 leads the antenna line 38 away over the center of the quartz window 24 , pierces the rear wall 7 , bends at the end of 90 degrees and then again by 90 degrees, pierces the rear wall 7 again , so that it is guided as line 39 over the quartz window 25 . At the end of this quartz window, line 39 pierces a front wall 54 and makes two 90-degree turns, as a result of which, after it has pushed through front wall 54 again, appears as line 40 above quartz window 26 . After a further two 90-reversals and piercing the wall 7 , the antenna runs as a line 41 over the quartz window 37 and finally ends in the RF feed line 42 after it has pierced the wall 54 again.

Das unterhalb der Antenne 38 bis 41 vorhandene Magnetfeld 50 bis 53 (vgl. Fig. 1) verläuft annähernd parallel zu den Quarz-Fenstern 24 bis 27, fällt jedoch zum Sub strat 9 hin stark ab. Dies ist vorteilhaft, da im Bereich der Substratoberfläche keine Magnetfelder mehr vorhanden sein sollen, um die Bewegungen der Ionen nicht zu beeinflussen.The magnetic field 50 to 53 below the antenna 38 to 41 (cf. FIG. 1) runs approximately parallel to the quartz windows 24 to 27 , but drops sharply towards the substrate 9 . This is advantageous since there should no longer be any magnetic fields in the region of the substrate surface in order not to influence the movements of the ions.

Bei der Antenne gemäß Fig. 2 sind die einzelnen Leitungen oder Stäbe 39 bis 41 in Reihe geschaltet. Hierdurch ist der Strom in allen Leitungen gleich und somit auch die Leistungseinkopplung in allen Bereichen die gleiche. Nachteilig ist bei einer Rei henschaltung, daß sich ein hoher Gesamtwiderstand und damit ein hoher Spannungs abfall über die Antennenstruktur ergibt. Außerdem entsteht eine unerwünschte kapa zitive Kopplung zwischen den einzelnen Stäben und zwischen Wand und Stäben.In the antenna of FIG. 2, the individual wires or rods are connected 39 to 41 in series. As a result, the current is the same in all lines and thus the power coupling is the same in all areas. The disadvantage of a series circuit is that there is a high overall resistance and thus a high voltage drop across the antenna structure. In addition, there is an undesirable capacitive coupling between the individual bars and between the wall and bars.

In der Fig. 3 ist der Querschnitt eines Magnetträgers 20 in vergrößertem Maßstab dar gestellt. Er besteht im wesentlichen aus zwei Seitenschenkeln 60, 61 und einem Quersteg 62, der beide Seitenschenkel 60, 61 miteinander verbindet. Zwischen den beiden Seitenschenkeln 60, 61 ist der Dauermagnet 29 angeordnet. Der Südpol dieses Dauermagneten 29 ist nach oben gerichtet, während sein Nordpol nach unten gerich tet ist.In Fig. 3 the cross section of a magnetic carrier 20 is shown on an enlarged scale. It essentially consists of two side legs 60 , 61 and a crosspiece 62 which connects the two side legs 60 , 61 to one another. The permanent magnet 29 is arranged between the two side legs 60 , 61 . The south pole of this permanent magnet 29 is directed upwards, while its north pole is directed downwards.

Die unteren Enden der beiden Seitenschenkel 60, 61 gehen in Querstege 63, 64 über, die als Träger der Quarzfenster 24, 25 dienen. Zwischen den unteren Enden der Sei tenschenkel 60, 61 ist ein Gaskanal 65 vorgesehen, der durch eine Aluminiumplatte 66, die Öffnungen 67 aufweist, abgeschlossen ist. Die Ränder der Aluminiumplatte 66 liegen dabei auf Dichtungen 68, 69 auf, die in Schultern 70, 71 der unteren Enden der Seitenschenkel 60, 61 vorgesehen sind. Auf den Querstegen 63, 64 befinden sich ebenfalls Dichtungen 72, 73, die als Auflager für die Quarz-Fenster 24, 25 dienen.The lower ends of the two side legs 60 , 61 merge into transverse webs 63 , 64 , which serve as supports for the quartz windows 24 , 25 . Between the lower ends of the side legs 60 , 61 , a gas channel 65 is provided, which is closed by an aluminum plate 66 which has openings 67 . The edges of the aluminum plate 66 rest on seals 68 , 69 , which are provided in shoulders 70 , 71 of the lower ends of the side legs 60 , 61 . On the crossbars 63 , 64 there are also seals 72 , 73 which serve as supports for the quartz windows 24 , 25 .

Die Aufteilung in mehrere Einzel-Quarzplatten hat u. a. den Vorteil, daß ihre Stärke reduziert werden kann. Würde man die Prozeßkammer von der vorstehend angegebe nen Größe mit einer durchgehenden Quarzplatte abschließen, müßte diese wenigstens 5 cm stark sein. Dies hätte den Nachteil, daß die dielektrischen Verluste im Quarzma terial sehr hoch wären. Außerdem wäre der Abstand Antenne - Plasma sehr groß, wodurch die Leistungseinkopplung negativ beeinflußt würde. Außerdem wäre eine großflächige Prozeßgaszuführung nicht möglich, und es bestünde ein erhebliches Im plosionsrisiko.The division into several single quartz plates has u. a. the advantage of being their strength can be reduced. Would you specify the process chamber from the above NEN size with a continuous quartz plate, this should at least 5 cm thick. This would have the disadvantage that the dielectric losses in the quartz ma material would be very high. In addition, the distance between antenna and plasma would be very large, which would have a negative impact on the power coupling. Besides that would be one large-area process gas supply is not possible, and there would be a considerable im risk of explosion.

Erfindungsgemäß werden deshalb mehrere schmale Quarzplatten 24 bis 27 ver wendet, die durch die Metallstege 19 bis 23 stabilisiert werden. Dadurch läßt sich die notwendige Stärke der Quarzplatten auf 1-2 cm reduzieren. Diese Stege 19 bis 23 bieten gleichzeitig die Möglichkeit einer großflächigen Prozeßgaszuführung, was bei einer einzigen Quarzplatte nicht möglich wäre.According to the invention, therefore, several narrow quartz plates 24 to 27 are used , which are stabilized by the metal webs 19 to 23 . This allows the necessary thickness of the quartz plates to be reduced to 1-2 cm. These webs 19 to 23 simultaneously offer the possibility of a large-area process gas supply, which would not be possible with a single quartz plate.

Durch die Verwendung der Shunt-Platte 33 wird die Wirkung der Permanentmagnete 29 bis 32 verstärkt. Gleichzeitig wird hierdurch die von der Antenne 38 bis 41 nach oben abgestrahlte Energie abgeschirmt und reflektiert. Die Homogenität der Gaszu führung wird dadurch sichergestellt, daß die Gaskanäle 65 einen wesentlich größeren Querschnitt besitzen als die einzelnen Austrittsöffnungen 67.The effect of the permanent magnets 29 to 32 is increased by using the shunt plate 33 . At the same time, the energy radiated upward by the antenna 38 to 41 is shielded and reflected. The homogeneity of the gas supply is ensured by the fact that the gas channels 65 have a substantially larger cross section than the individual outlet openings 67 .

Die gekrümmten seitlichen Magnetfelder 14, 15 - auch Magnetbucket genannt - die nen zur Reduktion der Wandverluste. Sie verhindern den Aufprall geladener Teilchen an den Seitenwänden 5, 6. Der Substratträger 8 ist mit einer HF/DC-Quelle 46, 47 verbunden.The curved lateral magnetic fields 14 , 15 - also called a magnet bucket - are used to reduce the wall losses. They prevent the impact of charged particles on the side walls 5 , 6 . The substrate carrier 8 is connected to an RF / DC source 46 , 47 .

Die Antenne, mit der die Whistler-Wellen angeregt werden, kann auf verschiedene Weise ausgebildet sein. Weitere Beispiele möglicher Antennenstrukturen werden nachfolgend beschrieben.The antenna with which the Whistler waves are excited can be set to different ones Be trained. Further examples of possible antenna structures will be given described below.

In der Fig. 2 ist, wie bereits erwähnt, die Stromrichtung in den benachbarten Anten nenstäben 38 bis 41 umgekehrt. Dabei können die Antennenstäbe 38 bis 41 eine ge meinsame Schleife bilden, die an der HF-Zuleitung 42 beginnt und bei dieser endet. Es ist jedoch auch möglich, wie die Fig. 4 zeigt, zwei aus jeweils zwei Antennen stäben 78, 89 bzw. 79, 75 bestehende Antennenstäbe, die über jeweils einen Querstab 88 bzw. 74 miteinander verbunden sind, bei der HF-Zuleitung 42 beginnen und in Masse bzw. Erde enden zu lassen. Die Reihen-Parallel-Schaltung gemäß Fig. 4 hat gegenüber der Reihenschaltung gemäß Fig. 2 den Vorteil, daß der Gesamtwiderstand reduziert ist und eine geringere kapazitive Kopplung zwischen den Stäben bzw. zwi schen den Stäben und der Wand auftritt. Nachteilig ist, daß die Ströme in den beiden parallel geschalteten Stäben 78, 89 bzw. 79, 75 unterschiedlich sein können, so daß die Leistungseinkopplung weniger homogen ist.In Fig. 2, as already mentioned, the current direction in the adjacent antenna rods 38 to 41 is reversed. The antenna rods 38 to 41 can form a common loop that begins at the RF feed line 42 and ends at this. However, it is also possible, as FIG. 4 shows, two antenna rods, each consisting of two antenna rods 78 , 89 and 79 , 75 , which are connected to one another via a transverse rod 88 and 74, respectively, start at the RF feed line 42 and to end in mass or earth. The series-parallel circuit according to FIG. 4 has the advantage over the series circuit according to FIG. 2 that the total resistance is reduced and a lower capacitive coupling between the rods or between the rods and the wall occurs. The disadvantage is that the currents in the two parallel rods 78 , 89 and 79 , 75 can be different, so that the power coupling is less homogeneous.

Bei einer weiteren Antennenvariante, die in der Fig. 5 dargestellt ist, wird durch An tennenstäbe 81, 83, 87, 82, 80 ein Kreis gebildet, der in der HF-Zuleitung 42 beginnt und in dieser endet. Die vier Antennenstäbe 84 bis 87 sind hierbei parallelgeschaltet, wobei jeder der Antennenstäbe 84 bis 87 zwischen jeweils zwei Permanentmagneten verläuft. Der Vorteil dieser Parallelschaltung gegenüber den Schaltungen gemäß Fig. 2 bzw. Fig. 4 besteht darin, daß keine kapazitive Kopplung zwischen den einzelnen Antennenstäben 84 bis 87 existiert. Nachteilig ist wiederum, daß der Strom in den vier Antennenstäben 84 bis 87 unterschiedlich sein kann. Wegen der identischen Stromrichtung in allen vier Antennenstäben sind die Magnetfelder an den Überlap pungsstellen gegenläufig. Hierdurch könnte es eventuell Schwierigkeiten bei der An regung von Helikonwellen geben.In a further antenna variant, which is shown in FIG. 5, a circle is formed by antenna rods 81 , 83 , 87 , 82 , 80 , which begins in the RF feed line 42 and ends in this. The four antenna rods 84 to 87 are connected in parallel, each of the antenna rods 84 to 87 running between two permanent magnets. The advantage of this parallel connection over the circuits according to FIG. 2 or FIG. 4 is that there is no capacitive coupling between the individual antenna rods 84 to 87 . Again, it is disadvantageous that the current in the four antenna rods 84 to 87 can be different. Because of the identical current direction in all four antenna rods, the magnetic fields at the overlap points are opposite. This could lead to difficulties with the excitation of helicon waves.

Eine andere Antennenkonfiguration, die in der Fig. 6 dargestellt ist, weist ebenfalls vier Antennenstäbe 92, 96, 95, 98 auf, die zwischen den Magneten angeordnet sind. Zwei dieser Stäbe sind über eine erste Halbschleife 93, 94 mit der HF-Zuleitung 42 verbunden, während die beiden anderen Stäbe 96, 98 über eine zweite Halbschleife 91, 97 mit der HF-Zuleitung 42 verbunden sind. Die jeweils von den Halbschieifen abgewandten Enden der Stäbe 92, 95 bzw. 96, 98 sind an Masse bzw. Erde gelegt. Bei der Antenne gemäß Fig. 6 handelt es sich zwar wieder um eine Parallelschaltung, doch wechseln sich die Stromrichtungen in benachbarten Stäben ab, so daß Proble me, die eventuell bei einer Anordnung gemäß Fig. 5 auftreten, beseitigt werden können.Another antenna configuration, which is shown in FIG. 6, also has four antenna rods 92 , 96 , 95 , 98 , which are arranged between the magnets. Two of these rods are connected to the RF feed line 42 via a first half loop 93 , 94 , while the other two rods 96 , 98 are connected to the RF feed line 42 via a second half loop 91 , 97 . The ends of the rods 92 , 95 and 96 , 98 facing away from the half loops are grounded. In the antenna of FIG. 6 is, again, although a parallel connection, but the flow directions alternate in adjacent rods so that Proble me that may, in an arrangement according to Fig. 5 occur, can be eliminated.

Die in der Fig. 7 dargestellte Antenne ist in zwei Bereiche aufgeteilt, um die Homo genität des Plasmas besser beeinflussen zu können.The antenna shown in Fig. 7 is divided into two areas in order to better influence the homo genity of the plasma.

Es sind hierbei zwei HF-Zuleitungen vorgesehen, nämlich eine innere HF-Zuleitung 101 und eine äußere HF-Zuleitung 100. Von der äußeren HF-Zuleitung 100 führt ein Antennenstab 102, der sich parallel zu den Dauermagneten erstreckt, zu einem Quer stab 103, der in einen kurzen Antennenstab 104 übergeht, welcher parallel zum An tennenstab 102 liegt, aber nur etwa ein Fünftel von dessen Länge hat. Dieser kurze Antennenstab 104 führt zu einem weiteren Querstab 105 und kehrt von dort aus als weiterer kurzer Antennenstab 106 in die Ausgangsposition zurück, wo der Antennen stab 106 in einen weiteren Querstab 107 übergeht, der seinerseits in einen weiteren kurzen Antennenstab 108 mündet, wobei der letztere wieder zu einem Querstab 109 führt, der in einen weiteren kurzen Antennenstab 110 übergeht. Dieser kurze Anten nenstab 110 führt zu einem weiteren Querstab 111, der in einen größeren Antennen stab 112 übergeht, der seinerseits über die kurzen Antennenstäbe 114, 116, 118, 120, die mit Querstäben 113, 115, 117, 119 eine mäanderförmige Antennenstruktur bil den, mit der äußeren HF-Zuleitung 100 verbunden ist.Two RF feed lines are provided here, namely an inner RF feed line 101 and an outer RF feed line 100 . From the outer RF feed line 100 leads an antenna rod 102 , which extends parallel to the permanent magnet, to a cross rod 103 , which merges into a short antenna rod 104 , which is parallel to the antenna rod 102 , but only about a fifth of its length Has. This short antenna rod 104 leads to a further cross rod 105 and returns from there as a further short antenna rod 106 to the starting position, where the antenna rod 106 merges into a further cross rod 107 , which in turn opens into another short antenna rod 108 , the latter again leads to a crossbar 109 which merges into another short antenna rod 110 . This short antenna rod 110 leads to a further cross rod 111 , which merges into a larger antenna rod 112 , which in turn has the short antenna rods 114 , 116 , 118 , 120 , which form a meandering antenna structure with cross rods 113 , 115 , 117 , 119 , is connected to the outer RF feed line 100 .

Zwischen den beiden mäanderförmigen Strukturen der mit der äußeren HF-Zuleitung 100 verbundenen Antenne befindet sich eine mäanderförmige Struktur einer zweiten Antenne, die mit der inneren HF-Zuführung 101 verbunden ist. Diese letztgenannte Antennenstruktur weist vier parallele Antennenstäbe 130 bis 133 auf, die über Quer stege 134 bis 136 miteinander verbunden sind, so daß sich eine mäanderförmige An tennenstruktur ergibt. Die beiden äußeren Antennenstäbe 130, 133 sind mit der HF-Zuführung 101 verbunden.Between the two meandering structures of the antenna connected to the outer HF feed line 100 there is a meandering structure of a second antenna which is connected to the inner HF feed 101 . This latter antenna structure has four parallel antenna rods 130 to 133 , which are connected to one another via crossbars 134 to 136 , so that a meandering antenna structure results. The two outer antenna rods 130 , 133 are connected to the RF feed 101 .

Die einander gegenüberliegenden Querstege 105, 134 bzw. 136, 109 der beiden An tennen sowie die Querstege 119, 115 sind mit Abschirmungen 122, 123, 124, 125 versehen.The opposite transverse webs 105 , 134 and 136 , 109 of the two to tennen and the transverse webs 119 , 115 are provided with shields 122 , 123 , 124 , 125 .

Claims

1. Plasma source with coupled Whistler or helicon waves, the plasma source being connectable to a process chamber in which there is a substrate to be processed, characterized by

a) a plurality of magnets ( 28 to 32 ) which are arranged in one plane and at a distance from the substrate ( 9 ), two adjacent magnets (for example 28 , 29 ) each having different polarities aligned with the substrate ( 9 ) are;
b) a plate permeable to electromagnetic waves ( 24 to 27 ) as the upper end of the process chamber ( 3 );
c) antenna rods ( 38 to 41 ) which are arranged above the plate ( 24 to 27 ) and between the magnets ( 28 to 32 ).

2. Plasma source according to claim 1, characterized in that the process chamber ( 3 ) has a bottom ( 4 ) and side walls ( 5 , 6 ), at least two of which are provided on the opposite side walls with magnets ( 11 to 13 ) which have an arcuate shape Form magnetic field ( 14 , 15 ) in the process chamber ( 3 ).

3. Plasma source according to claim 1, characterized in that a plurality of individual plates ( 24 to 27 ) are provided, which are permeable for electromagnetic waves.

4. Plasma source according to claim 1 and claim 3, characterized in that the magnets ( 28 to 32 ) are mounted in magnet holders ( 20 to 23 ), these magnet holders ( 20 to 23 ) supporting elements ( 63 , 64 ) for the individual plates ( 24 to 27 ).

5. Plasma source according to claim 1, characterized in that those poles of the magnets ( 28 to 32 ) which face away from the substrate ( 9 ) are connected to one another by means of a shunt plate ( 33 ).

6. Plasma source according to claim 4, characterized in that in the magnetic holders ( 20 to 23 ) gas channels ( 65 ) are provided.

7. Plasma source according to claim 6, characterized in that the gas channels ( 65 ) have a closure ( 66 ) which is provided with a bore ( 67 ) so that gas from the gas channel ( 64 ) can get into the process chamber ( 3 ).

8. Plasma source according to claim 5, characterized in that in the shunt plate ( 33 ) openings ( 34 to 37 ) are provided through which the plasma can be sought from the outside.

9. Plasma source according to claim 1, characterized in that the antenna rods ( 38 to 41 ) are arranged spatially parallel to each other and all antenna rods ( 38 to 41 ) are flowed through by the same antenna current.

10. Plasma source according to claim 1, characterized in that the antenna rods ( 74 , 75 , 78 , 79 , 88 , 89 ) are arranged spatially parallel to each other and each because two of them ( 78 , 89 and 79 , 75 ) of the same Through the antenna current.

11. Plasma source according to claim 1, characterized in that the antennas rods ( 84 to 87 ) are arranged spatially in parallel and all are applied to the same voltage at Tenn.

12. Plasma source according to claim 1, characterized in that the antenna rods ( 92 , 96 , 95 , 98 ) are arranged spatially parallel and two of them ( 92 , 95 or 96 , 98 ) are applied to the same antenna voltage.

13. Plasma source according to claim 1, characterized in that a first outer antenna configuration is provided, which is located on a first RF feed ( 100 ), and in that a second inner antenna configuration is provided, which is on a two th RF feed ( 101 ) lies.

14. Plasma source according to claim 13, characterized in that the mutually opposite cross connections ( 105 , 134 ; 109 , 136 ; 119 , 135 ; 115 , 135 ) are provided with shields.