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Diese Erfindung bezieht sich auf Plasmareaktoren zur
Herstellung von integrierten Schaltungen und anderen elektronischen
Vorrichtungen auf Substraten, und insbesondere auf einen
Plasmaätzreaktor, der eine verbesserte Behandlungsgleichförmigkeit
bereitstellt.
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Magnetfeldverstärkte RIE-Plasmaätzsysteme sind bekannt. Beim
Versuch, den Wirkungsgrad der Plasmaerzeugung und der
Ätzgleichförmigkeit zu verbessern, hat man die RIE-Ätzung mit
einem Magnetfeld kombiniert. In der RIE-Quelle erzeugte
Elektronen haben längere mittlere Feldbahnen bei Vorhandensein
eines Magnetfelds, was zu mehr Kollisionen mit neutralen
Spezies in den Reaktionsteilnehmerätzgasen und zur Erzeugung von
mehr Ionen führt. Diese verbesserte Ionenerzeugung erfordert
jedoch nicht mehr HF-Leistung.
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Ein typisches System nach dem Stand der Technik ist in Fig. 1
gezeigt. Der Ätzreaktor 40 für das reaktive Ionenätzverfahren
(RIE) hat eine zylindrische Vakuumkammer 41, die eine
Kathodenanordnung 42 enthält, die als Aufnahme für das zu ätzende
Substrat wirkt. Mit der Kathode sind ein
Leistungszuführungssystem 46, beispielsweise für eine HF-Leistungszuführung bei
13,6 MHz, sowie ein Lastanpaßnetzwerk verbunden. Die Wände 47
der Kammer wirken als die Anode. Der Kammer wird
Reaktionsteilnehmergas über eine Einlaßöffnung 48 aus einem
Gaszuführungssystem 49 zu einem Sprühkopf 51 in der Kammer 41
zugeführt. Verbrauchte Gase und Nebenprodukte werden über ein
Abführsystem 50 entfernt.
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Am Umfang um die Kammer 41 sind in der Nähe ihrer Oberseite
und ihrer Unterseite Elektromagneten 54 und 56 angeordnet. Die
Elektromagnete bilden Nord- und Südpole, die durch Umkehren
des Spulenstroms reversibel sind.
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Diese Systeme haben auch bei Verwendung von relativ niedrigen
Drucken in der Ätzkammer eine relativ hohe Ätzgeschwindigkeit.
Dadurch können sie einen hohen Durchsatz von zu behandelnden
Substraten bereitstellen, ohne die Selektivität und
Direktionalität der Ionen aus dem Plasma bezüglich des zu ätzenden
Substrats aufzugeben. Da das zu ätzende Substrat nur einen
kleinen Teil des Oberflächenbereichs in der Ätzkammer bildet,
können außerdem zu den Wänden der Kammer parallele
Magnetfelder einen Elektronenverlust an den Wänden unterbinden. Dadurch
wird die Plasmadichte aufrechterhalten, auch wenn der
Gesamtdruck sehr niedrig ist. Dieses Verfahren verbessert ferner die
Gleichförmigkeit des Plasmas.
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Der niedrige Druck in der Kammer führt jedoch zu bestimmten
Nicht-Gleichförmigkeiten in dem Plasma und somit wiederum zu
einer nicht gleichförmigen Ätzung. Diese
Nicht-Gleichförmigkeiten gewinnen an Bedeutung, wenn die Gestaltungsgrößen der
Halbleitervorrichtungen kleiner werden und die Größe der Wafer
zunimmt.
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Verbesserungen der obigen Anlage wurden von Mantei in dem US-
Patent 4,483,737 vorgeschlagen. Diese Referenz offenbart eine
Reihenmehrfachspitzenanordnung von parallelen Reihen von
Permanentmagneten, die um den Außenraum der Behandlungskammer in
geradlinigen Segmenten mit abwechselnden Nord- und Südpolen
angeordnet sind, die nach innen zur Mitte der Kammer weisen,
wodurch die Magnete parallel zur Plasmastromrichtung sind. Das
von der Axialreihenspitzenanordnung erzeugte Magnetfeld ist
senkrecht zur Plasmastromrichtung. Die sich ergebenden inneren
Magnetfeldspitzen um die Wände herum schließen das Plasma ein
und verringern Elektronenverluste an die Wände der Kammer.
Dies reduziert die Leistungsgröße, die erforderlich ist, um
die gewünschte Plasmadichte zu erhalten, während die
Gleichförmigkeit des Plasmas gesteigert wird.
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Die sich ergebende Ätzvorrichtung hat jedoch mehrere
Nachteile. Aufgrund der Anordnung der äußeren Magnete können die
Substrate in die Ätzkammer nicht eingebracht und aus einer
Position
parallel zu der Ätzposition aus ihr entfernt werden, ohne
die Magnetreihe zu unterbrechen, was zu einer
Nicht-Gleichförmigkeit des Plasmas führen würde. Somit wird das Substrat
insgesamt der Kammer unter der Reihe von Magneten auf die Kathode
zugeführt, die in eine Ätzposition in der Kammer angehoben und
nach der Behandlung wieder abgesenkt werden muß. Dies
erfordert eine komplexe Anlage sowie Zeit, was den Durchsatz der
Anlage verringert.
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Bevorzugt wird ferner, daß sich in der Nähe der Substratfläche
während der Ätzbehandlung überhaupt kein Magnetfeld befindet.
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Die WO 90/10547 offenbart eine Plasmaquelle mit einer
Elektronenzyklotronresonanzheizung (ECR) zur Erzeugung von Plasma für
Anwendungszwecke einschließlich chemischer Dampfabscheidung
und Ätzung. Durch am Umfang um eine zylindrische und
symmetrische Kammer angeordnete Magnete wird ein Magnetfeld mit
Mikrowellenleistung gebildet, die senkrecht zu einer Längsachse der
Kammer initiiert wird, um eine Liniensichtverbindung der sich
ergebenden aktivierten Elektronen durch einen Auslaß an einem
axialen Ende der Kammer zu unterbinden. Die Umfangsmagnete
sind dazu da, die Elektronen zum Präzessieren zu bringen, was
eine erhöhte Plasmadichte und Ionenstromdichte oder
Stromdichte auch bei niedrigen Temperaturen ergibt. Zwischen dem das
Plasma bildenden Bereich um den Umfangsmagneten wird ein
magnetfeldfreier Bereich gebildet, um eine Gleichförmigkeit der
Plasmaverteilung in einem sich dem Auslaß nähernden
Plasmastrom zu erzeugen.
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Die US-A-5032202 offenbart die Plasma erzeugende Vorrichtung
für Plasmabehandlungsanwendungszwecke, die auf einer
Permanentmagnet-Linienspitzen-Plasmaeinschnürkammer basiert, die
mit einer kompakten
Einzelspulen-Mikrowellenwellenleiterstarteinrichtung gekoppelt ist. Die Vorrichtung erzeugt ein ECR-
Plasma in der Starteinrichtung, während ein zweites ICR-Plasma
in den Linienspitzen aufgrund eines Magnetfelds in diesem
Bereich erzeugt wird. Eine zusätzliche spezielle
Magnetfeldgestaltung
reduziert das Magnetfeld an dem Substrat auf unter
0,001 Tesla.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin,
Verbesserungen in einer RIE-Ätzkammer durch Reduzieren der
Elektronenverluste und der Nicht-Gleichförmigkeiten und durch Reduzieren
des Magnetfelds in dem Bereich des Substrats bereitzustellen.
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Diese Erfindung stellt einen Plasmareaktor mit einer
Vakuumkammer zum Ätzen eines Substrats bereit, welche eine
Plasmaquelle, einen Substratbehandlungsbereich und einen Magneten
zur Erzeugung eines Magnetfelds in der Kammer aufweist, wobei
der Magnet abwechselnde Paare von Magnetringen aufweist, die
an der Außenwand der Kammer in einer Richtung parallel zur
Ebene des Substrats und parallel zueinander befestigt sind,
die abwechselnden Magnetringe in einer zueinander
entgegengesetzten Richtung magnetisch polarisiert sind, um angrenzend an
eine Innenwand der Kammer und um den
Substratbehandlungsbereich herum ein ringförmiges Mehrfachspitzen-Magnetfeld zu
erzeugen, und die Kammer eine schlitzförmige
Substrateinlaßöffnung hat, die zwischen den Magnetringen angeordnet ist.
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Bei einer bevorzugten Anordnung gemäß der Erfindung hat die
Kammer zusätzlich um ihre Oberseite herum angrenzend an eine
Plasmaquelle ein Paar von Ringpermanentmagneten, welche das
Magnetfeld in dem Behandlungsbereich der Kammer abschwächt.
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Im speziellen Fall erzeugen die Ringpermanentmagneten eine
maximale Feldstärke von etwa 20 Gauß oder weniger in dem
Substratbehandlungsbereich.
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Bei jeder der obigen Anordnungen kann die Plasmaquelle eine
ECR-Quelle sein, die ein Magnetfeld in dem Plasma erzeugt.
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Es folgt eine Beschreibung einiger spezieller
Ausführungsformen der Erfindung, wobei auf die beiliegenden Zeichnungen
Bezug genommen wird, in denen
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Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines magnetisch
verstärkten RIE-Modusplasmaätzsystems nach dem Stand der Technik ist,
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Fig. 2 eine Außenseitenansicht des Reaktors mit einer
zylindrischen Plasmaquelle ist, die auf der Oberseite einer
zylindrischen Plasmaätzkammer angeordnet ist, welche eine in
gestrichelten Linien gezeigte, zylindrische
Substratklemmvorrichtung aufnimmt,
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Fig. 3 eine aufgeschnittene Ansicht der Plasmaätzkammer ist,
die von Magnetringen umschlossen ist, die an der Außenwand der
Kammer festgelegt sind und die eine Öffnung für die Zuführung
und Entnahme des darin zu behandelnden Substrats aufweisen,
und
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Fig. 4 ein vertikaler Längsschnitt durch die Plasmakammer der
Erfindung ist, die die Abstände der verschiedenen Bauteile und
die Formen der Magnetfeldlinien in der Kammer zeigt.
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Anhand der Fig. 2 bis 4 der Zeichnungen werden spezielle
Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.
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Fig. 2 ist eine äußere Seitenansicht eines Plasmareaktors 102
der Erfindung. Auf der Oberseite der zylindrischen
Plasmabehandlungskammer 102 ist eine zylindrische Plasmaquelle 100,
beispielsweise eine ECR-Quelle, angeordnet. Die Plasmaquelle
100 kann eine Elektronenzyklotronresonanzplasmaquelle (ECR)
sein, die ein Gehäuse 104 hat, welches eine Kammer umschließt,
in der ein Plasma erzeugt wird. Mit einer Stromquelle (nicht
gezeigt) sind eine obere Spule 106 und eine untere Spule 108
gekoppelt, um ein Magnetfeld mit einer Stärke in der
Größenordnung von etwa 875 Gauß zu erzeugen. Dieses Magnetfeld führt
zu Elektronenwegen, die kreisförmige Umlaufbahnen beschreiben,
um welche die erzeugten Elektronen mit einer Frequenz von etwa
2,455 GHz zirkulieren. Diese Wahl der Magnetfeldstärke und
-frequenz sind so getroffen, daß eine im Handel verfügbare
Leistungsquelle von 2,455 GHz verwendet werden kann, um
Energie
in ihre zirkulierenden Elektronen zu pumpen. Die obere
Spule 106 wird mit einem Strom von 135 bis 180 A, die untere
Spule 108 mit einem Strom von 100 bis 110 A gespeist. Das
typische, durch die obere Spule erzeugte Magnetfeld hat etwa 900
bis 1000 Gauß.
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Eine Gasquelle 110 stellt ein Plasmaprozeßgas bereit,
gewöhnlich mit einem Mengenstrom von etwa 70 bis 5000 sccm. Eine
Absaugpumpe 112 zieht Prozeßgase und Reaktionsnebenprodukte
mit einer Geschwindigkeit ab, die ausreicht, um einen Druck in
der Prozeßkammer 102 von annähernd 0,66x10&supmin;¹ bis 6,6x10¹ Pa
(0,5 bis 5 mTorr) zu erzeugen.
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Die Plasmabehandlungskammer 102 hat eine Öffnung 114 für den
Eintritt des erzeugen Plasmas von der Plasmaquelle aus, eine
Abführöffnung 116 zum Abführen von verbrauchten Gasen und
Reaktionsnebenprodukten und eine Kathodenhalterung 118 (in
gestrichelten Linien gezeigt) für das zu behandelnde Substrat.
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An der Außenseite der Plasmabehandlungskammer 102 ist diese
umgebend in einer Richtung parallel zur Ebene des Substrats
und parallel zueinander, jedoch senkrecht zur Richtung des
Plasmatransports von der Plasmaquelle eine Reihe von
wenigstens zwei Paaren von Mehrfachspitzen-Ringpermanentmagneten
120, 122, 124 und 126 befestigt. Diese Anordnung erzeugt ein
Multidipolringmanetfeld, welches die Elektronen in der
Ätzkammer 102 einschließt. Jedes der Magnetpaare 120 und 124 ist so
polarisiert, daß der Nordpol eines jeden dieser Magneten zu
einer zylindrischen Achse des Plasmareaktors 102 gerichtet
ist. Das andere Paar von Ringmagneten 122 und 126 ist jeweils
magnetisch so polarisiert, daß der Nordpol eines jeden dieser
Magneten von der zylindrischen Achse des Plasmareaktors 102
weg gerichtet ist. Die Ringmagneten können einzelne
Magnetringe aufweisen oder sie können aus einer Reihe von Stabmagneten
in einer Reihenanordnung gebaut sein, die aneinander durch ein
geeignetes Eisenband, beispielsweise aus Stahl, befestigt
sind. Die Stabmagneten können geeigneterweise eine Größe mit
einer Höhe von etwa 1,27 cm (0,5 Zoll), mit einer Breite von
2,54 cm (ein Zoll) und einer Länge von 2,54 cm (ein Zoll)
haben.
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Diese Magnetanordnung erhöht die Ätzgleichförmigkeit durch
Schaffung eines Ringspitzenmagnetfelds, das kreisförmig um die
Reaktormittellinie symmetrisch ist, was ein gleichförmigeres
Plasma ergibt. Die Wirkung dieser Ringmagneten auf die
Magnetfelder in der Behandlungskammer werden unter Bezugnahme auf
Fig. 4 näher erläutert und diskutiert.
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Diese Magnetanordnung hat noch einen weiteren Vorteil.
Aufgrund der vorhandenen Gestalt der Ringmagneten kann das zu
behandelnde Substrat, gewöhnlich ein Halbleiterwafer, mit
Hilfe einer schlitzförmigen Eintrittsöffnung 128 in der Seite der
Kammer 102 zwischen einer Reihe von Magneten 124, 126 in die
Kammer eingeführt und auf die Kathode aufgebracht werden. Dies
hat den Vorteil, daß die um die Innenwände der Kammer herum
erzeugten Magnetfelder zur Schaffung einer Eintrittsöffnung
nicht unterbrochen zu werden brauchen, da eine solche
Anordnung zu Plasmaungleichförmigkeiten führen würde. Außerdem kann
ein vereinfachter stationärer Kathodenträger in der Kammer
vorgesehen werden. Das vorliegende System gewährleistet auch
einen zweckmäßigen und leichten Zugang für eine robotische
Handhabung der zu behandelnden Substrate. Da das zu
behandelnde Substrat in die Vakuumkammer in der gleichen Ebene
zugeführt und aus ihr abgeführt werden kann, wird außerdem der
Durchsatz für einen gesteigerten Wirkungsgrad maximiert.
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Ein weiteres wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung
besteht in einem großen Paar von Ringpermanentmagneten 130 und
132, die an der Oberseite der Reaktionskammer 102 befestigt
sind. Diese Magneten weisen den Anpassungsabschnitt auf, um
das starke Magnetfeld der ECR-Quelle mit dem Ringspitzenfeld
zu verbinden. Diese Magneten verbessern auch die
Gleichförmigkeit des Plasmas und der Ätzung durch Entfernen von
Magnetfeldlinien, die von der Plasmaquelle ausgehen und durch ihre
Beendigung vor oder kurz nachdem sie in die Ätzkammer
eintreten. Die Richtung der Magnetisierung ist bezüglich der
Kammermittelachse axial und unterscheidet sich so von den anderen
Ringmagneten 120 bis 126. Für diese spezielle Plasmaquelle
sollte dieser Ringmagnet etwa dreimal die Breite der
dargestellten Ringmagneten 120 bis 126 haben. Diese großen
Ringmagneten 130, 132 können zweckmäßigerweise eine Höhe von etwa
3,81 cm (1,5 Zoll) und eine Breite von 2,54 cm (ein Zoll)
haben. Die Wirkung dieser großen Ringmagneten auf die
Magnetfelder in der Prozeßkammer 102 wird weiter unter Bezug auf Fig. 4
erläutert.
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Bekanntlich kann die Reaktionskammer 102 auch fakultativ mit
Instrumentenöffnungen, Sichtöffnungen und dergleichen sowie
einer weiteren Ausrüstung versehen werden, wenn man
beispielsweise die in der Kammer während der Behandlung ablaufenden
Reaktionen beobachten möchte.
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Die Substrateintrittsöffnung 128 ist eine schlitzförmige
Öffnung, die eine Höhe von weniger als ewa 2,54 cm (ein Zoll) und
eine Breite hat, die ausreicht, um das Substrat mit dem
gewünschten Durchmesser zuführen zu können. Halbleiterwafer nach
dem Stand der Technik haben beispielsweise einen Durchmesser
von 15,24 bis 20,32 cm (6 bis 8 Zoll). Diese Öffnung 128 ist
eine Normfertigung mit der Ausnahme, daß eine Modifizierung
erforderlich ist, damit die Öffnung 128 über die Ringmagneten
120 bis 126 paßt. Der Vorteil einer schlitzartigen Öffnung
besteht darin, daß die zu behandelnden Substrate in der
Ausrichtung und Position überführt und abgeführt werden können,
die sie in der Kammer haben, in der sie behandelt werden. Dies
vereinfacht die Zuführung und Abführung des Substrats in
starkem Ausmaß und ermöglicht die Festlegung des Kathodenträgers,
wobei die Notwendigkeit für komplexe Mechanismen zum Anheben
und Absenken des Substrats in die Behandlungsposition
beseitigt wird. Es kann jedoch natürlich ein einstellbarer
Substratträger verwendet werden, wenn man die Position des
Substrats in dem Substratbehandlungsbereich um das Substrat herum
optimieren möchte.
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Fig. 3 ist eine aufgeschnittene Ansicht der Kammer 102, in
welcher die Ringmagneten 120 und 124 aus einer kreisförmigen
Anordnung von Stabmagneten bestehen. Diese Stabmagneten sind
mit ihren Nordpolen zu der zylindrischen Achse der Kammer 102
und senkrecht zu ihr ausgerichtet. In den Ringmagneten 122 und
126 ist jeder der Stabmagneten mit seinem Nordpol direkt von
der zylindrischen Achse der Kammer 102 weg gerichtet und
senkrecht zu ihr.
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Fig. 4 ist eine vertikale Schnittansicht des Plasmareaktors
98, welche die Abstände der verschiedenen Elemente und die
Formen der Magnetfeldlinien darstellt, die in dem Reaktor
erzeugt werden. Die Magnetfeldlinien 134 und 136 in der
Plasmaquelle 100 werden hauptsächlich durch die Spulen 106 und 108
erzeugt. Wegen der großen Amplitude des Magnetfelds in der
Plasmaquelle 100 würde dieses Feld Nicht-Gleichförmigkeiten in
die Ionendichte in dem Substratbehandlungsbereich 138 auf der
Oberseite des Substrats während der Behandlung einbringen. Der
große Ringmagnet 132 ist so angeordnet und ausgerichtet, daß
seine Nordpole vertikal nach oben parallel zur zylindrischen
Achse des Reaktors 98 gerichtet sind, so daß ein großer Teil
der Magnetfeldlinien 134 in den Bereich 140 gebogen wird und
tatsächlich einen Rückkehrweg für solche Feldlinien
bereitstellt. Der Ringmagnet 130 seinerseits ist mit seinem Nordpol
senkrecht zu der zylindrischen Achse des Reaktors 102 und von
ihr weg ausgerichtet, um zusätzliche Feldlinien 136 von dem
Substratbehandlungsbereich 138 weg in den Bereich 142 und in
einem Ausmaß abzulenken, das ausreicht, um das Magnetfeld
unter etwa 20 Gauß an der Oberfläche des Substrats zu
verringern. Dadurch werden die Magnetfeldlinien, die aus der
Plasmaquelle 100 austreten, nach oben zur Oberseite 144 der Kammer
102 gezogen. Dies verringert das Magnetfeld in der Nähe des
Substrats stark, wo sonst Nicht-Gleichförmigkeiten in dem
Plasma in der Nähe der Substratfläche erzeugt würden.
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Wie ebenfalls in Fig. 4 zu sehen ist, erzeugen die
Ringmagneten mit abwechselnder magnetischer Ausrichtung eine Reihe von
gekrümmten Magnetfeldern 146, 148, welche die Elektronen in
dem Plasma von einem Kontakt mit der Wand 150 der Kammer 102
abhalten, wo sie verloren würden. Deshalb steigern die sich
abwechselnden Ringmagneten den Wirkungsgrad des Plasmas
weiter. Das Vorhandensein der großen Ringmagnete 130, 132 wirkt
auch mit den Ringmagneten 120 bis 126 zur Erzeugung des
Mehrfachspitzen-Ringmagnetfelds in der Reaktorseitenwand 150
zusammen.
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Der Abstand zwischen den Ringmagnetpaaren, beispielsweise 120
und 122, und die Stärke der von diesem Magneten erzeugten
Magnetfelder werden so gewählt, daß ihre Feldlinien nicht
wesentlich durch den Substratbehandlungsbereich gehen. Da diese
Feldlinien in die Behandlungskammer 102 in einer Entfernung
eindringen, die dem Abstand zwischen diesen Ringmagneten
vergleichbar ist, wird diese Entfernung so gewählt, daß sie in
der Größenordnung des Abstands zwischen dem äußeren Rand des
Wafers und dem inneren Rand der Seitenwand 150 liegt oder
kleiner ist. Dieser Abstand beträgt gewöhnlich wenigstens
5,08 cm (zwei Zoll), um einen ausreichenden Stromweg für Gase
bereitzustellen, damit die Absaugpumpe (nicht gezeigt) den
gewünschten Behandlungsdruck in dem Reaktor 98 erzeugen kann.
Somit können die Magnetringe durch Abstände von etwa 5,08 cm
(zwei Zoll) getrennt werden. Diese Wahl der Parameter erzeugt
einen im wesentlichen feldfreien Bereich 138, der in sich den
Substratbehandlungsbereich einschließt. Im wesentlichen
"feldfrei" soll bedeuten, daß das Magnetfeld in diesem Bereich
weniger als etwa 20 Gauß beträgt. Die gestrichelten Linien, die
mit 20, 50, 100 bzw. 200 Gauß in Fig. 4 markiert sind,
bestätigen, daß der Behandlungsbereich 138 im wesentlichen frei von
Magnetfeldern ist.
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Obwohl die Erfindung unter Bezug auf eine spezielle Anlage und
besondere Ausführungsformen beschrieben wurde, können
verschiedene Substitutionen ausgeführt werden, ohne von der
beanspruchten Erfindung abzuweichen, die für den Fachmann
offensichtlich sind und die hier eingeschlossen werden sollen. Die
Größe der Vakuumkammer bestimmt die Größe und den Abstand der
Magnetbänder um die Kammer, einschließlich sowohl des größeren
Permanentmagnetbands und der Ringmagnetpaare. Die Art des
Quellenmagnetfelds bestimmt die Größe und Stärke des
erforderlichen Anpassungsabschnitts, der für die obengezeigte
Ausführungsform aus Magnetringen 130 und 132 zusammengesetzt war.