CS227837B1

CS227837B1 - Apparatus for coating of fine layers by plasmochemical reaction from gaseous phase

Info

Publication number: CS227837B1
Application number: CS514181A
Authority: CS
Inventors: Ladislav Ing Csc Bardos; Gojko Prof Ing Csc Loncar; Jindrich Ing Drsc Musil; Petr Ing Csc Taras
Original assignee: Ladislav Ing Csc Bardos; Gojko Prof Ing Csc Loncar; Jindrich Ing Drsc Musil; Petr Ing Csc Taras
Priority date: 1981-07-03
Filing date: 1981-07-03
Publication date: 1984-05-14

Description

(54) Zařízení pro nanášení tenkých vrstev plazmochemickou reakcí z plynné fáze i(54) Apparatus for the deposition of thin films by gas-phase plasmachemical reaction i

Vynález ee týká zařízení pro nanášení tenkých vrstev na pevný substrát plazmochemickou reakcí z plynná fáze, probíhající mimo oblast plazmatu, přičemž aktivace reakčních plynů ae provádí plazmatem generovaným povrchovou vysokofrekvenční vlnou, velmi nízká úrovně výkonu a neaktivovaná složka reaktivních plynů se přivádí do oblasti pevného substrátu tak, aby bylo zaručeno jejich rovnomSrné natékání, vzhledem k povrchu pevného substrátu a takto umožněno vytvoření rovnoměrné plošné depozice reakčních produktů ve formš tenké vrstvy na velkých plochách.The invention relates to a device for depositing thin films on a solid substrate by a gas-phase plasma-chemical reaction extending outside the plasma region, wherein the activation of the reaction gases and executing plasma generated by the RF wave generates very low power levels and unactivated reactive gas component. in order to ensure their even flow over the surface of the solid substrate and thereby allow for uniform surface deposition of reaction products in the form of a thin layer over large areas.

Vytváření tenkých vrstev na povrchu pevných substrátů, lze provést různými technologie mi a to, jak ryze chemickými, tak ryze fyzikálními, to znamená naprašovacími a napařovacími systémy.The formation of thin layers on the surface of solid substrates can be accomplished by various technologies, both purely chemical and purely physical, i.e. sputtering and vapor deposition systems.

Zvláštní skupinu tvoří metody využívající plazmo-chemická reakce v plynné fázi, při nichž se pevné substráty umísťují v reakčním prostoru buá přímo v kontaktu s plazmatem vytvořeným ve směsi reagujících plynů nebo mimo plazma, přičemž jeden nebo více plynů se v plazmatu aktivují tak, že při interakci se vhodně zvoleúým reakčním plynem dochází k reak ci a vytvoření produktu ve formě tenké vrstvy deponované na vhodně umístěné pevné substráty. Tato druhá metoda má dvě zásadní přednosti: zaprvé se umístěním pevných substrátů mimo plazma, redukuje možnost jejich radiačního poškození a zadruhé je možno substráty udržovat principiálně na libovolná teplotě.A special group consists of gas-phase plasma-chemical reactions in which solid substrates are placed in the reaction space either directly in contact with the plasma formed in the mixture of reactive gases or outside the plasma, one or more gases in the plasma being activated by by interaction with a suitably selected reaction gas, a reaction occurs to form a product in the form of a thin layer deposited on suitably positioned solid substrates. This second method has two major advantages: first, by placing the solid substrates outside the plasma, it reduces the possibility of radiation damage, and secondly, the substrates can in principle be maintained at any temperature.

Volba jednotlivých reakčních plynů a jejich procentuální zastoupení, způsob jejich aktivace v plazmatu a způsob jejich napouštění do reakčního prostoru, rozhodují o druhu vytvářená vrstvy, jejich vlastnostech a rovnoměrnosti nanášení po ploše pevného substrátu, popřípadě sady pevných substrátů na společném stolku.The choice of the individual reaction gases and their percentage, the way of their activation in the plasma and the way of their impregnation into the reaction space are decisive for the type of the layer formed, their properties and uniformity of application over the solid substrate or set of solid substrates.

Přestože princip uvedená metody, je znám více než 10 roků, publikovaná údaje neumožňují konstrukci větších zařízení a rovnoměrnou rychlostí depozice na velká ploěe. Pro aktivaci plynů se používá plazmatu, která se generuje mikrovlnně jednoduchým vlnovodem nebo rezonátorem. Mikrovlnný výkon potřebný pro úSinnou aktivaci plynů přesahuje obvykle hodnotu 0,5 kW v režimu kontinuálního generování a je tudíž z energetického hlediska nároůný.Although the principle of this method has been known for more than 10 years, the published data do not allow the construction of larger facilities and a uniform deposition rate over a large area. Plasma is used to activate the gases, which is generated by a microwave simple waveguide or a resonator. The microwave power required for efficient gas activation usually exceeds 0.5 kW in continuous generation mode and is therefore energy intensive.

Nevýhody a nedostatky dosud známých metod a zařízení jeou v nějvitií míře odstraněny, nebo alespoň podstatně zmírněny vynálezem zařízení, pro nenáěení tenkých vratev plazmochemickou reakcí z plynné fáze, probíhající mimo oblast plazmatu, které je vytvořeno z reaktoru, ze zdroje elektrického nepití a z čerpadle.The disadvantages and drawbacks of the prior art methods and apparatuses are somewhat eliminated, or at least substantially mitigated by the invention of the apparatus, for not applying thin gates by a plasma-chemical reaction from the gas phase outside the plasma region, which is formed from the reactor, the power source and the pump.

Podle vynálezu je do prvního ústí reaktoru, které je upraveno v jeho střední části, zasazena trubiae přívodu aktivovaného reakčního plynu, provlečená koaxiálním vysokofrekvenčním elementem odborně označeným surfatron, spojeným napájecím vedením s mikrovlnným generátorem. Trubice přívodu neaktivovaného reakčního plynu anebo směsi neaktivovaných reakční ch plynů, je upravena ve víku horní části reaktoru. Druhé ústí reaktoru, pro připojení čerpadla, je upraveno ve spodní části u dna reaktoru. Izolační průchodka, pro připojení prvního pólu zdroje elektrického napětí je upravena v horní části reaktoru. Druhý pól zdroje elektrického napětí je připojen k trubce stolku, která je provlečena první vakuově těsnou ucpávkou ve dnu reaktoru.In accordance with the invention, an activated reaction gas supply tube, passing through a coaxial high-frequency element known as surfatron, connected by a power line to a microwave generator, is inserted into the first orifice of the reactor, which is provided in its central part. The unactivated reaction gas supply tube or unactivated reaction gas supply tube is provided in the top of the reactor. A second orifice of the reactor, for connecting the pump, is provided at the bottom of the reactor bottom. An insulating bushing for connecting the first pole of the power supply is provided at the top of the reactor. The second pole of the power supply is connected to a stage tube which is passed through a first vacuum seal in the bottom of the reactor.

Dále je podle vynálezu, při první variantě uvnitř reaktoru jeho trubice přívodu neaktivovaného reakčního plynu provlečena vakuově těsnou ucpávkou ve víku horní části reaktoru a připojena ku přetlakovému napouštěči vytvořenému nádobou, jejíž dno je z porézní přepážky, například skleněné frity. přitom kolem přetlakového napouštěče; je elektricky izolovaně od něho a od reaktoru upevněna pomocná prstencová elektroda, jež je elektricky vodivě spojena s izolační průchodkou pro připojení prvního pólu zdroje elektrického napětí.Further, according to the invention, in a first variant within the reactor, its unactivated reaction gas supply tube is passed through a vacuum-tight seal in the top of the reactor and connected to a pressurized filler formed by a vessel whose bottom is of a porous septum, for example glass frit. in this case around the pressurized feeder; An auxiliary annular electrode is electrically insulated therefrom and from the reactor and is electrically conductively connected to the insulating bushing for connecting the first pole of the power supply.

Podle vynélezu, je při druhá variantě uvnitř reaktoru trubice přívodu neaktivovaného reakčního plynu provlečena druhou vakuově těsnou ucpávkou, ve víku horní části reaktoru a elektricky izolovaně připojena k přetlakovému napouětěči vytvořenému nádobou, jejíž dno je z porézní přepážky, například skleněná frity, přičemž elektricky vodivý pláěl přetlakového napouětěče je elektricky vodivě spojen s izolační průchodkou pro připojení prvního pólu zdroje elektrického napětí.According to the invention, in a second variant within the reactor, an inactivated reaction gas supply tube is passed through a second vacuum seal, in the lid of the top of the reactor, and electrically insulated to a positive pressure builder formed by a vessel. The overpressure tensioner is electrically conductively connected to the insulating bushing for connecting the first pole of the power supply.

Podle vynálezu, je při třetí a čtvrté variantě uvnitř reaktoru v jeho střední části umístěn rozdělovač aktivovaného reakčního plynu vytvořený z. nádoby nejlépe toroidálního tvaru a opatřené otvory. Ústí nádoby je upevněno k trubici přívodu aktivovaného reakčního plynu, zasazená do prvního ústí reaktoru.According to the invention, in the third and fourth variants, an activated reaction gas manifold formed of a vessel of preferably toroidal shape and provided with apertures is disposed within the reactor in its central part. The mouth of the vessel is fixed to the activated reaction gas supply tube embedded in the first mouth of the reactor.

Konečně je podle vynálezu při pátá a Šesté variantě ve dnu spodní části reaktoru upravena první vakuově těsná ucpávka trubky jí provlečená, k níž je uvnitř reaktoru upevněn a s ní elektricky spojen stolek pro uložení alespoň jednoho pevného substrátu.Finally, according to the invention, in the fifth and sixth variants, a first vacuum-tight tube plug is provided in the bottom part of the reactor, to which a table for receiving at least one solid substrate is fixed and electrically connected within the reactor.

Zařízení podle vynálezu pro nanáěení tenkých vrstev plazmochemickou reakcí z plynná fáze, probíhající mimo oblast plazmatu, vykazuje více výhod proti dosud známým a srovnatelným konstrukcím. V tomto zařízení je využito plazmatu, která je generováno vysokofrekvenční povrchovou vlnou a aktivovaná plyny jsou přiváděny do reakčního prostoru rovnoměrně vzhledem k pevným substrátům, jež jsou umístěny na stolku. Neaktivovaná aložka reaktivních plynů se rovněž přivádí do oblasti pevných substrátů tak, aby bylo zaručeno rovnoměrná natékání plynů vzhledem k povrchu pevných substrátů. Použitím plazmatu generovaného povrchovou vlnou pomocí koaxiálního vysokofrekvenčního elementu, v odborná literatuře označovaného surfatron, je možno provádět potřebnou aktivaci plynu na velmi nízkých úrovních vysokofrekčního výkonu, to znamená řádově již desítky áž jednotky wattů. Navíc rovnoměrné rozvedení aktivovaných plynů do reakčního prostoru a rovnoměrná natékání neaktivovaná aložky reakčních plynů vzhle3 dem k povrchu pevných substrátů umožňuje dosáhnout rovnoměrnou ploěnou depozici reakčních produktů ve formě tenké vrstvy na velkých plochách.The device according to the invention for the deposition of thin layers by a plasma-chemical reaction from a gas phase extending outside the plasma region exhibits several advantages over previously known and comparable constructions. In this device, a plasma is generated which is generated by a high-frequency surface wave and the activated gases are fed into the reaction space evenly relative to the solid substrates that are placed on the stage. The inactivated reactive gas component is also fed to the solid substrate area so as to ensure a uniform flow of gases relative to the surface of the solid substrates. By using plasma generated by a surface wave using a coaxial high-frequency element, referred to in the literature as surfatron, it is possible to perform the necessary gas activation at very low levels of high-frequency power, i.e. of the order of tens of ounces of watt. In addition, the uniform distribution of the activated gases into the reaction space and the even flow of the non-activated reaction gas component relative to the surface of the solid substrates makes it possible to achieve a uniform surface deposition of the reaction products in the form of a thin film over large areas.

Podstata předmětu vynálezu je v dalším objasněna pomocí výkresu, na němž je vyobrazen příklad zařízení, v němž je využito vynálezu. Zařízení je vytvořeno z reaktoru £, do jehož prvního ústí 16 je zasazena trubice £ přívodu aktivovaného reakěního plynu. Na trubici 2 j* navlečen koaxiální vysokofrekční element j5, takzvaný surfatron, připojený napájecím vedením k mikrovlnnému generátoru 2· Mezi koaxiálním vysokofrekčním elementem £ a prvním ústím 16 reaktoru je v trubici 2 znázorněno plazma £. Na trubici £ je uvnitř reaktoru £ upevněn rozdělovač 8 aktivovaného reakčního plynu.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The invention is illustrated by the drawing, which shows an example of a device in which the invention is utilized. The device is formed from a reactor 6, into whose first orifice 16 the activated reaction gas supply tube 6 is inserted. A coaxial high-frequency element (5), a so-called surfatron, is connected to the tube (20), connected via a power line to the microwave generator (2). Plasma (6) is shown in the tube (2) between the coaxial high-element. An activated reaction gas distributor 8 is mounted on the tube 6 inside the reactor 6.

V reaktoru 2 je u víka jeho horní části upevněn přetlakový napouětěč 11 na trubici £ přívodu neaktivovaného reakčního plynu. Trubice £ je provlečena druhou vakuově těsnou průchodkou 20 ve víku horní části reaktoru £. Přetlakový napouětěč 11 je umístěn uvnitř pomocné elektrody 14. připojené k prvnímu pólu zdroje 15 elektrického napětí pomocí izolační průchodky JSI,. Přetlakový napouětěč 11 má porézní přepážku 12. například skleněnou fritu, tvořící jeho dno. Ke drihému ústí 17. které je upraveno u víka spodní části reaktoru £, je připojeno čerpadlo £. Nad druiým ústím 17 reaktoru £ je umístěn sjtolek £, na němž jsou uloženy pevné substráty £0. Stolek £ je upevněn ke trubce 19. provlečené první vakuově těsnou ucpávkou 13 ve víku spodní části reaktoru £. Druhý pól zdroje 15 elektrického napětí je připojen ke trubce 19 stolku £.In the reactor 2, an overpressure expander 11 is mounted at the top of the lid 11 on the non-activated reaction gas supply tube 6. The tube 8 is passed through a second vacuum-tight grommet 20 in the lid of the upper part of the reactor 6. The overpressure tensioner 11 is located inside the auxiliary electrode 14 connected to the first pole of the power supply 15 via an insulating bushing 15. The pressurized expander 11 has a porous partition 12, for example a glass frit forming its bottom. A pump 6 is connected to the duct opening 17 which is provided at the lid of the lower part of the reactor 6. Above the second orifice 17 of the reactor 6 is a stand 6 on which the solid substrates 60 are deposited. The stage 6 is secured to a tube 19 passed through the first vacuum seal 13 in the lid of the bottom of the reactor 6. The other pole of the power supply 15 is connected to the tube 19 of the stage.

Činnost zařízení: do reaktoru £, k němuž je připojeno čerpadlo £ pro vytvoření potřebné ho podtlaku, vstupují reakční plyny a sice trubicí £ reakční plyn určený k aktivování a trubicí £ neaktivovaný reakční plyn.Operation of the plant: The reaction gases, namely the reaction gas to be activated and the unactivated reaction gas, are introduced into the reactor 6, to which the pump 6 is connected to produce the necessary negative pressure.

Reakční plyn přiváděný trubicí £ je aktivován průchodem oblastí plazmatu £ generovaného povrchovou vysokofrekvenční vlnou buzenou surfatronem _6, který je napájen mikrovlnným generátorem 2· Reakční plyn přiváděný trubicí £ je po plazmatické aktivaci rozveden rozdělovačem 8 rovnoměrně do blízkosti stolku £, na němž jsou uloženy pevné substráty IQ.The reaction gas supplied by the tube 6 is activated by passing through the regions of the plasma generated by the surface wave excited by the surfatron 6, which is fed by a microwave generator. IQ.

Reakční plyn nebo směs těchto plynů přiváděných trubicí £ je do reaktoru £ zavedena pomocí přetlakového napouštěče 11 . jehož účelem a vlivem se dosahuje v oblasti stolku £ rovnoměrné natékání plynu po celé ploše pevných substrátů £0 uložených na stolku £. V přetlakovém aapouštěči 11 se totiž vytváří přetlak neaktivovaného reakčního plynu nebo směsi těchto plynů. Vzhledem k tlaku plynů v reaktoru £, takže neaktivovaný reakční plyn se napouští porézní přepážkou 12. vytvořenou například skleněnou fritou. Pro optimalizaci polohy pevných substrá tů £0 vzhledem k oblasti homogenní reakce aktivovaného a neaktivovaného reakčního plynu jé stolek £ upevněn na trubce 19 provlečené první vakuově těsnou ucpávkou 13. Touto úpravou je umožněno se stolkem £ účelně manipulovat, to znamená měnit jeho polohu a polohu pevných substrátů £0 ve vertikálním směru a případně jím otáčet. Kromě toho lze teplotu pevných substrá tů £0 regulovat tím, že se nastavuje teplota stolku £.The reaction gas or a mixture of these gases fed through the tube 6 is introduced into the reactor 6 by means of a pressurized feed 11. the purpose and effect of which, in the region of the stage 6, a uniform flow of gas is achieved over the entire surface of the solid substrates 60 deposited on the stage. In fact, an overpressure of the unactivated reaction gas or of a mixture of these gases is generated in the pressurized and the orifice 11. Due to the pressure of the gases in the reactor 6 such that the unactivated reaction gas is impregnated with a porous septum 12 formed, for example, by a glass frit. In order to optimize the position of the solid substrates 50 relative to the homogeneous reaction region of the activated and unactivated reaction gas, the stage 6 is mounted on a tube 19 passed through the first vacuum seal 13. This modification allows the stage 6 to be conveniently manipulated, i.e. of the substrates 60 in the vertical direction and optionally rotate it. In addition, the temperature of the solid substrates 60 can be controlled by adjusting the temperature of the stage.

Při použití několika druhů reakčních plynů přiváděných trubicí £ lze jejich aktivaci provádět několika samostatnými surfatrony _6. Zvětšění počtu používaných surfatronů _6 umožňuje také snazší rozvedení aktivovaného reakčního plynu na větší plochu a zároveň zjednodušení rozdělovače 8.When several types of reaction gases are fed through the tube 6, they can be activated by several separate surfatrons 6. Increasing the number of surfatrons 6 used also makes it easier to distribute the activated reaction gas over a larger area while simplifying the distributor 8.

Příkladem využití zařízení, podle vynálezu, je depozice vrstev nitridu křemíku Si^N^ na libovolné pevné substráty £0, například polovodičové, jako jsou arsenid galia Gala, křemík Si, germanium Ge. Jako reakčního plynu přiváděného trubicí £ může být užito dusíku N₂, který po aktivaci reaguje uvnitř reaktoru £ s plynem přiváděným trubicí £, což je směs argonu Ar a silanu SiH^. Na pevných substrátech se během reakce vytváří vrstva nitridu křemíku, jejíž stechiometrie se řídl zejména nastavením průtoku jednotlivých plynů.An example of the use of the device according to the invention is the deposition of silicon nitride layers Si 2 N 4 on any solid substrates 60, for example semiconductor substrates such as gallium arsenide Gala, silicon Si, germanium Ge. Nitrogen N ₂ can be used as the reaction gas supplied by the tube ₆ , which after activation reacts inside the reactor 6 with the gas supplied by the tube 6, which is a mixture of argon Ar and silane SiH 4. During the reaction, a silicon nitride layer is formed on the solid substrates, whose stoichiometry was controlled in particular by adjusting the flow rate of the individual gases.

Zařízení podle vynálezu také umožňuje využití metod plazmatického čištění a leptání pevných substrátů 10 před vlastní depozicí tenké vretvy. K tomu účelu je do reaktoru £ zabudována pomocná prstencová elektroda 14 tak, že mezi ní a stolkem g lze vytvořit elektrické pole připojením pólů zdroje 15 elektrického napětí. Toto napětí může být střídavé nebo stejnosměrné. Pracovním plynem pro čisticí procesy může být například argon Ar, agresivní plyny na bázi freonu a podobné plyny.The device according to the invention also allows the use of methods of plasma cleaning and etching of solid substrates 10 prior to the deposition of the thin strand. For this purpose, an auxiliary ring electrode 14 is incorporated in the reactor 6 such that an electric field can be created between it and the table g by connecting the poles of the power source 15. This voltage may be alternating or direct current. The working gas for the purification processes may be, for example, argon Ar, aggressive freon-based gases and the like.

Claims

FIELD OF THE INVENTION

Apparatus for the deposition of thin films by a gas-phase plasma-chemical reaction extending outside a plasma region formed from a reactor, a power supply and a pump, characterized in that it is provided in a first orifice (16) of the reactor (1) of the activated reaction gas supply tube (3) passed through a coaxial high-frequency element, professionally designated surfatron (6), connected by a power line and a microwave generator (7), while the non-activated reaction gas supply tube (4) and / the second orifice (17) of the reactor (1) for connecting the pump (2) is provided in the lower part at the bottom of the reactor (1), an insulating bushing (18) for connecting the first pole of the source (1) 15) an electric voltage is provided in the upper part of the reactor (1) and the second pole of the electric power source (15) is connected to a tube (19) of the stage (9), which is passed through the first vacuum seal (13) in the bottom of the reactor (1).

Device according to claim 1, characterized in that inside the reactor (1) its unactivated reaction gas supply tube (3) is passed through a vacuum-tight seal (20) in the lid of the top of the reactor (1) and connected to a pressurized strainer (11) formed. a container, the bottom of which is made of a porous partition (12), for example glass frits, wherein an auxiliary ring electrode (14) is electrically insulated from the overpressure tensioner (11) electrically insulated therefrom and from the reactor (1), which is electrically conductively connected to the insulating bushing (18) for connecting the first pole of the power supply (15).

3. Apparatus according to claim 1, characterized in that inside the reactor (1) an unactivated reaction gas supply tube (4) is passed through a second vacuum seal (20) in the top of the reactor (1) and electrically insulated to a positive pressure booster (11). ) formed by a container, the bottom of which is made of a porous partition, for example glass frits, wherein the electrically conductive sheet of the pressurized tensioner (11) is electrically conductively connected to the insulating bushing (18) for connecting the first pole of the power supply (15).

4. Apparatus according to claim 1 or claim 2, characterized in that an activated reaction gas distributor (8) formed from a vessel of the best toroidal shape and having openings therein is located in the central part of the reactor (1). is attached to the activated reaction gas supply tube (3) embedded in the first mouth (16) of the reactor (1).

5. Apparatus according to the claims 1, 2 and 4 or according to claims 1, 3 and 4, characterized in that a first vacuum-tight seal (13) of the tube (19) passed through it is provided in the bottom of the reactor (1). inside the reactor (1), a table (9) is fastened and electrically connected thereto for receiving at least one solid substrate (10).