DD281698B5

DD281698B5 - Method and device for the spatial homogenization of microwave plasmas

Info

Publication number: DD281698B5
Application number: DD31742388A
Authority: DD
Inventors: Andreas Ohl; Martin Schmidt; Thea Rueger
Original assignee: Buck Werke Gmbh
Priority date: 1988-07-01
Filing date: 1988-07-01
Publication date: 1996-05-15

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungenFor this 1 page drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft die Homogenisierung von Mikrowellenplasmen in der Eindringrichtung des Mikrowellenstromes, insbesondere von Mikrowellenplasmen, die in den Plasmaraum langgestreckt flächig und weitgehend homogen eindringen. Derartige räumliche Plasmen werden für Plasmaverfahren benötigt, bei denen die Substrate eine räumliche Ausdehnung haben oder eine bestimmte Justageunsicherheit nicht unterschritten werden kann, z. B. in der Optik stärker gekrümmte Linsen oder breite flächige Substrate. Bei den Plasmaverfahren kann es sich um Beschichtungs-, Ätz- oder Oberflächenmodifizierungsverfahren handeln.The invention relates to the homogenization of microwave plasmas in the direction of penetration of the microwave current, in particular of microwave plasmas, which penetrate into the plasma space in an elongated area and largely homogeneously. Such spatial plasmas are required for plasma processes in which the substrates have a spatial extent or a certain adjustment uncertainty can not be exceeded, z. As in the optics more curved lenses or wide planar substrates. The plasma processes may be coating, etching or surface modification processes.

Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art

Nichtthermische Mikrowellenplasmen weisen gegenüber anders erzeugten Plasmen, resultierend aus den physikalischen Besonderheiten, eine um etwa eine Größenordnung höhere Reaktivität im Zusammenhang mit Abscheideraten, Ätzraten oder Quantenausbeuten auf.Non-thermal microwave plasmas have, compared to otherwise generated plasmas, resulting from the physical characteristics, by about an order of magnitude higher reactivity in connection with deposition rates, etch rates or quantum yields.

Zur Erzeugung eines flächig homogenen Plasmas an der Einkopplungsstelle sind verschiedene Verfahren und Einrichtungen bekannt, die darauf zurückgehen, mittels geeigneter Mikrowellenleiteinrichtungen eine möglichst großflächig gleichmäßige Einbringung von Mikrowellenenergie in den Plasmaraum zu sichern (US 3.814.983; DE 3117252).In order to produce a flat homogeneous plasma at the point of injection, various methods and devices are known, which are based on ensuring the widest possible uniform introduction of microwave energy into the plasma space by means of suitable microwave conducting devices (US 3,814,983; DE 3,117,252).

Eine Beeinflussung des Mikrowellenplasmas innerhalb des Plasmaraumes ist nun durch elektrische und/oder magnetische Felder möglich. Derartige Beeinflussungen haben jedoch immer nur die Wirkung von Bündelung und Lenkung eines Plasmas und verändern auch die inneren Plasmaeigenschaften. Eine Homogenisierung des Plasmas in der Eindringrichtung ist nicht bekannt. In jedem Fall wird die Plasmadichte, auch bei guter flächiger Einleitung der Mikrowellenenergie in den Plasmaraum, mit zunehmendem Abstand vom Eintrittsfenster geringer. Dieser Nachteil konnte bisher nicht behoben werden und wirkt sich derart aus, daß sich die Oberflächen räumlicher Substrate bzw. großflächiger Substrate im Bereich unterschiedlicher Plasmadichten befinden, was seinerseits zu unterschiedlichen Abscheidungs- oder Ätzraten führt. Damit wird das Einsatzgebiet von Mikrowellenplasmen aufweitgehend flächige Substrate mit geringeren Abmessungen eingeschränkt.An influence of the microwave plasma within the plasma chamber is now possible by electrical and / or magnetic fields. However, such influences always only have the effect of bundling and directing a plasma and also alter the internal plasma properties. A homogenization of the plasma in the direction of penetration is not known. In any case, the plasma density, even with good planar introduction of the microwave energy into the plasma chamber, with increasing distance from the entrance window is smaller. This disadvantage could not be remedied so far and has the effect that the surfaces of spatial substrates or large-area substrates are in the range of different plasma densities, which in turn leads to different deposition or etching rates. This limits the field of application of microwave plasmas to extensively flat substrates with smaller dimensions.

Die Erfindung verfolgt das Ziel, räumliche oder großflächige Substrate in einem nichtthermischen hochreaktiven Mikrowellenplasma mit hoher Gleichmäßigkeit zu behandeln.The invention aims to treat spatial or large-area substrates in a non-thermal highly reactive microwave plasma with high uniformity.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur räumlichen Homogenisierung eines Mikrowellenplasmas anzugeben, welches mittels Einkopplung eines langgestreckten, weitestgehend flächig homogen einfließenden Mikrowellenstromes erzeugt wird.The invention has for its object to provide a method for the spatial homogenization of a microwave plasma, which is generated by coupling an elongated, largely flat homogeneously flowing microwave current.

Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Einrichtung zur Realisierung des Verfahrens anzugeben.Another object is to provide a device for implementing the method.

Das aufgabengemäße Verfahren der Erfindung wird derart gelöst, daß in unmittelbarer Nähe der Einkopplung eines langgestreckten, weitestgehend flächig homogenen einfließenden Mikrowellen-Energiestromes ein Teil der Mikrowellenenergie von Mikrowellen-Leitelementen aufgenommen wird und in die axiale Tiefe des Plasmas verteilt an das Plasma abgegeben wird.The object of the invention is achieved in such a way that in the immediate vicinity of the coupling of an elongated, largely homogeneous homogeneous incoming microwave energy flow part of the microwave energy is received by microwave vanes and distributed in the axial depth of the plasma is released to the plasma.

Damit wird relativ überschüssige Energie im Bereich der Einkopplung in tiefere Bereiche geleitet, wodurch die durch Absorption abnehmende Feldstärke in diesen Bereichen ausgeglichen wird. Der praktische Bereich der erfindungsgemäß abgeleiteten Energie liegt etwa zwischen 10 und 50% der gesamten eingekoppelten Energie.This directs relatively excess energy in the region of the coupling into deeper regions, which compensates for the absorption-reducing field strength in these regions. The practical range of the energy derived according to the invention is approximately between 10 and 50% of the total energy injected.

Das Maß für die Plasmatiefe ist stark von den Plasma-und Einrichtungsbedingungen und vom Verfahrensziel abhängig. Die Aufnahme der Mikrowellenenergie erfolgt vorteilhafter Weise beidseitig an den Längsseiten des langgestreckten flächig homogenen Mikrowellenstromes und erfolgt galvanisch oder hochfrequenzmäßig nach dem Kondensatorprinzip. Die durch die Mikrowellen-Leiteinrichtung aufgenommene Energie wird über die gesamte Fläche der Leiteinrichtung an das Plasma abgegeben, wobei der Abfall der die Plasmaeigenschaften bestimmenden Feldstärke in der Eindringrichtung durch Reduzierung des Abstandes der beidseitigen Leiteinrichtungen in gewünschter Weise kompensiert wird und somit eine Homogenisierung des gesamten Plasmaraumes im Bereich der Leiteinrichtungen erfolgt.The measure of the plasma depth is highly dependent on the plasma and setup conditions and the process goal. The microwave energy is advantageously absorbed on both sides on the longitudinal sides of the elongate areal homogeneous microwave current and is effected galvanically or with high frequency according to the capacitor principle. The energy absorbed by the microwave guide means is delivered to the plasma over the entire surface of the guide, wherein the decrease of the plasma properties determining field strength in the penetration direction is compensated by reducing the distance of the two-sided vanes in a desired manner and thus a homogenization of the entire plasma chamber takes place in the field of control devices.

Die Beeinflussung des Plasmas mittels der Energieübertragung über die Mikrowellen-Leiteinrichtung erfolgt vorteilhafterweise bis in die Tiefe der elektrischen Eindringtiefe der Mikrowellen.The influence of the plasma by means of energy transfer via the microwave guide device advantageously takes place down to the depth of the electrical penetration depth of the microwaves.

Zur Realisierung des Verfahrens wird erfindungsgemäß eine Einrichtung vorgeschlagen, die aus zwei parallelen Blenden, die beidseitig längs des Plasmaraumes im äußeren Bereich des Mikrowellen-Energiestromes angeordnet sind, und zwei parallelen Schenkeln, die an den inneren Seiten der Blenden angeordnet sind und in die Tiefe des Plasmas ragen, besteht. Die Größe der Blenden ist maßgebend für die Energiemenge, die aus dem Mikrowellen-Energiestrom aufgenommen wird und die Länge der Schenkel ist maßgebend für den Bereich, in dem die Energie wieder an das Plasma abgegeben wird. Vorzugsweise werden die Blenden mit den Schenkeln aus metallischen Werkstoffen hergestellt, es sind aber auch andere Materialien möglich. Die Blenden können hochfrequenzmäßig an der Mikrowelleneintrittsseite angekoppelt sein. In diesem Fall ragen die Blenden einfach in das Eintrittsfenster hinein. Die Ankopplung kann aber auch galvanisch erfolgen.To implement the method, a device is proposed according to the invention, which consists of two parallel diaphragms, which are arranged on both sides along the plasma space in the outer region of the microwave energy flow, and two parallel legs, which are arranged on the inner sides of the diaphragm and in the depth of the Plasma protrude exists. The size of the orifices determines the amount of energy taken up by the microwave energy flow, and the length of the limbs determines the area in which the energy is returned to the plasma. Preferably, the panels are made with the legs of metallic materials, but other materials are possible. The diaphragms can be coupled with high frequency at the microwave entry side. In this case, the panels simply protrude into the entrance window. The coupling can also be galvanic.

Die Schenkel, die in den Plasmaraum ragen, können unter Berücksichtigung der Plasmaeigenschaften auch entsprechend geformt sein. Zum Beispiel kann durch Annäherung der beiden Schenkel eine erwünschte Feldstärkeverteilung in der Eindringrichtung eingestellt werden, insbesondere eine konstante Feldstärke.The limbs which protrude into the plasma space may also be appropriately shaped taking into account the plasma properties. For example, by approaching the two legs, a desired field strength distribution in the penetration direction can be set, in particular a constant field strength.

Ebenso ist es vorteilhaft, bei der Formgebung der Blenden strömungstechnische und/oder mikrowellentechnische Anforderungen zu berücksichtigen, derart daß der Strom aktivierter Teilchen bzw. noch nicht verbrauchte Mikrowellenenergie in eine bestimmte Richtung gelenkt werden. Die Größe der Schenkel der erfindungsgemäßen Einrichtung ist in der Regel in der Größenordnung der elektrischen Eindringtiefe der Mikrowellen (1/e-Abfall in das Plasma oder geringer ausreichend gewählt.Likewise, it is advantageous to take into account fluidic and / or microwave requirements in the shaping of the panels, so that the stream of activated particles or not yet consumed microwave energy are directed in a certain direction. The size of the legs of the device according to the invention is usually chosen in the order of magnitude of the electrical penetration depth of the microwaves (1 / e drop in the plasma or less sufficient.

Mit dieser erfindungsgemäßen Lösung wird es möglich, auch großflächig und räumliche Substrate gleichmäßig zu behandeln, da als maßgebender Plasmaparameter, der für die gleichmäßige Behandlung bedeutsam ist, die Feldstärke eine große Homogenität aufweist. Die Tiefenvariation der Feldstärke ist im Bereich der Einrichtung im Vergleich zum freien Eindringen der Mikrowellen stark reduziert. Damit werden die Anforderungen an die exakte Substratlage und Oberflächengleichmäßigkeit der Substrate weitgehend reduziert.With this solution according to the invention, it is possible to treat uniformly even large-area and spatial substrates, since the field strength has a great homogeneity as the decisive plasma parameter, which is important for the uniform treatment. The depth variation of the field strength is greatly reduced in the area of the device in comparison to the free penetration of the microwaves. Thus, the requirements for the exact substrate position and surface uniformity of the substrates are largely reduced.

Die erfindungsgemäße Lösung gestattet überraschenderweise die vorteilhafte Anwendung auch für die Behandlung von Substraten in der abklingenden Entladung unterhalb der Einrichtung. Das Plasma ist auch in diesem Fall quer zur Ausbreitungsrichtung homogen und räumlich relativ scharf begrenzt.The solution according to the invention surprisingly allows the advantageous application also for the treatment of substrates in the decaying discharge below the device. The plasma is also in this case, transverse to the propagation direction homogeneous and spatially relatively sharply limited.

Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Lösung bei der Erzeugung von Laserplasmen zur Erzielung gleichmäßiger und großer Strahlquerschnitte einsetzbar, insbesondere bei querdurchströmten Lasern.In addition, the solution according to the invention can be used in the production of laser plasmas to obtain uniform and large beam cross sections, in particular in the case of transversely flowed lasers.

Ausführungsbeispielembodiment

Nachfolgend soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail with reference to an exemplary embodiment.

Die zugehörige Zeichnung zeigt eine Einrichtung mit hochfrequenzangekoppelter Mikrowellen-Leiteinrichtung, wie sie zur Niederdruck-Plasma-CVD von flächigen Substraten eingesetzt wird.The accompanying drawing shows a device with high-frequency coupled microwave guide, as it is used for low-pressure plasma CVD of sheet substrates.

Der dargestellte Rezipient besitzt dielektrische mikrowellendurchlässige Wände 1. In der Zeichnung von oben werden Mikrowellen 2 in die Kammer eingestrahlt und innerhalb, in der Zeichnung unten, brennt das Mikrowellen-Plasma. Die Mikrowellen sind dabei nach bekannten Mitteln derart beeinflußt, daß sie in der gesamten Längsausdehnung sehr homogen sind. Zur seitlichen Begrenzung der Mikrowellen sind außerhalb des Plasmas bekannte Begrenzungswände 3 angeordnet. Mit diesen verbunden sind noch leitende Feldübertragungsplatten 4 vorhanden. Innerhalb des Plasmaraumes ist die erfindungsgemäße Einrichtung direkt an der Wand 1 des Rezipienten angeordnet. Sie besteht aus zwei parallelen Blenden 5, die die äußeren Abmessungen der Feldübertragungsplatten 4 haben und nach innen in den freien Mikrowelleneinstrom hineinragen. An den inneren Kanten der Blenden 5 sind parallele Schenkel 6 angeordnet, die in die Tiefe des Plasmas ragen. Im Beispiel nähern sie sich in der Tiefe einander an. Die Tiefenausdehnung beträgt etwa der elektrischen Eindringtiefe der Mikrowellen.The recipient shown has dielectric microwave transmissive walls 1. In the drawing from above, microwaves 2 are radiated into the chamber and inside, in the drawing below, the microwave plasma is burning. The microwaves are influenced by known means such that they are very homogeneous throughout the longitudinal extent. For the lateral limitation of the microwaves, known boundary walls 3 are arranged outside the plasma. Connected to these are still conductive field transfer plates 4 available. Within the plasma chamber, the device according to the invention is arranged directly on the wall 1 of the recipient. It consists of two parallel diaphragms 5, which have the outer dimensions of the field transmission plates 4 and protrude inwards into the free microwave influx. At the inner edges of the panels 5 parallel legs 6 are arranged, which protrude into the depth of the plasma. In the example, they approach each other in depth. The depth extent is approximately the electrical penetration depth of the microwaves.

Verfahrensgemäß wird die eindringende Mikrowellenenergie zum großen Teil direkt in das Plasma eingespeist, und erfindungsgemäß wird ein Teil der Mikrowellenenergie über die Mikrowellen-Leiteinrichtung, bestehend aus den parallelen Blenden 5 und Schenkeln 6, aufgenommen und von diesen, speziell auch in der Tiefe des Plasmaraumes an das Plasma wieder abgegeben.According to the method, the penetrating microwave energy is for the most part fed directly into the plasma, and according to the invention, a portion of the microwave energy via the microwave guide, consisting of the parallel aperture 5 and legs 6, recorded and of these, especially in the depth of the plasma chamber the plasma is released again.

Die Aufnahme des Feldes wird durch die auf der Außenseite der Rezipientenwand anliegenden Begrenzungswände 3 mit den Feldübertragungsplatten 4 unterstützt.The recording of the field is supported by the voltage applied to the outside of the recipient wall boundary walls 3 with the field transmission plates 4.

Durch die im Beispiel gewölbt zueinander zusammenlaufenden Schenkel 6 wird innerhalb der Schenkel 6 ein weitgehend räumlich homogenes Plasma erzeugt.By curved in the example to each other converging legs 6, a largely spatially homogeneous plasma is generated within the legs 6.

Der mögliche Einsatz der erfindungsgemäßen Einrichtung und die verfahrensgemäße Nutzung ist sehr vielfältig. Zum Beispiel konnte die laterale Homogenität von CVD-Schichten von 40% Abweichungen ohne Anwendung der Erfindung auf unter 10% mit der Erfindung gesenkt werden.The possible use of the device according to the invention and the method of use is very diverse. For example, the lateral homogeneity of CVD layers of 40% deviations could be reduced to less than 10% with the invention without application of the invention.

Claims

1. A method for the spatial homogenization of microwave plasmas, which is generated by coupling an elongated largely homogeneously penetrating microwave energy flow, characterized in that in the immediate vicinity of the coupling of the microwave current, a portion of the microwave energy is received by means of microwave vanes and distributed in the depth of the plasma is discharged again.

2. The method according to claim 1, characterized in that the microwave energy is received by microwave guide elements in the outer region of the microwave energy flow.

3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that the microwave energy is recorded high frequency or galvanic.

4. The method according to claim 1 to 3, characterized in that the distribution of the received microwave energy takes place up to the electrical penetration depth of the microwaves into the plasma.

5. The method according to claim 1, characterized in that between 10 and 50% of the coupled-in microwave energy is received by means of the microwave guide elements.

6. device for the spatial homogenization of microwave plasmas, which is generated by coupling an elongated largely homogeneously flowing microwave energy flow, characterized in thatzwei parallel diaphragms (5), which are arranged on both sides along the plasma space in the outer region of the microwave energy flow in the immediate vicinity of the coupling, the each have legs (6) on the inner sides, which protrude into the depth of the plasma.

7. Device according to claim 6, characterized in that the legs (6) are shaped to each other such that the field strength profile has a desired particular constant shape.

8. Device according to claim 6, characterized in that the diaphragms (5) and legs (6) are metallically conductive.