DD300783A7

DD300783A7 - Verfahren zur erzeugung einer hohen stoffwandlungsrate in niederdruck-plasmareaktoren

Info

Publication number: DD300783A7
Application number: DD31170387A
Authority: DD
Inventors: Hans-Ulrich Poll; Gerit Kampfrath
Original assignee: Kampfrath,Gerit,De
Priority date: 1987-12-30
Filing date: 1987-12-30
Publication date: 1992-07-30

Abstract

Das Verfahren zur Erzeugung einer hohen Stoffwandlungsrate in Niederdruck-Plasmareaktoren findet Anwendung in der chemischen Verfahrenstechnik, Dünnschichttechnik, Mikroelektronik und Mikromechanik. Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß das gas- oder dampfförmige Ausgangsmaterial direkt und homogen mittels Gasführungsplatten (4) in die aktive Plasmazone in der Umgebung des negativen Glimmlichtes der Gasentladungsstrecke eingebracht, dynamisch eine homogene Gaszusammensetzung über der Fläche aufrecht erhalten und die gasförmigen Abbauprodukte gleichzeitig und in gleicher Weise von dort abgeleitet werden. Fig.4

Description

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das gas- und dampfförmige Ausgangsmaterial direkt und homogen in die Umgebung des negativen Glimmlichtes der Gasentladungsstrecke eingebracht und die Abbauprodukte in gleicher Weise auch von dort abgeleitet werden. Dabei liegen der Druck in der Gasentladungsstrecke zwischen 100 und 2000Pa, die Entladungsfrequenz zwischen 10 kHz und 100 MHz und die Plasmaleistung, bezogen auf die Fläche dor substrattragenden Elektrode, zwischen 0,1 und IOW/cm².

Die Gasführungsplatten werden so angeordnet, daß sie den Aufbau des negativen Glimmlichtes der Gasentladungsstrecke nicht nachteilig beeinflussen. In Abhängigkeit von der Anordnung in der Gasentladungsstrecke können die Gasführungsplatten sowohl aus einem elektrisch isolierenden als auch einem leitfähigen Material bestehen. Um eine homogene Gaszusammensetzung während des Gasdurchstromes und der Plasmaeinwirkung dynamisch aufrecht zu erhalten, muß die Strömungsgeschwindigkeit an den Gasführungsplatten so gewählt werden, daß der Gasurnsatz durch die Plasmaroaktion ein Partialdruckgefälle des Ausgangsgases erzeugt, das eine Angleichung der Diffusionsgeschwindigkeiten der zu- und abgeführten Gase ermöglicht. Dabei hat sich gezeigt, daß eine hohe Stoffwandlungsrate und ein hoher spezifischer Umsatz dann erreicht werden, wenn der gesamte Gasaustausch unmittelbar im Bereich der Umgebung des negativen Glimmlichtes der Gasentladungsstrecke erfolgt. Wenn die Gasführungsplatten mit Gasführungs- und Gasabsaugkanälen versehen sind, steigt die notwendige Dichte der Kanäle bezogen auf die Plattenfläche mit wachsendem Druck im Plasma und sollte z.B. bei 200Pa im Bereich von 1 bis 4 Kanälen pro cm² jeweils für die Gaszuführung und Absaugung liegen. Vorteilhafte Kanaldurchmesser liegen zwischen 0,3 und 2 mm. Die Kanallänge wird vom Strömungswiderstand und damit vom vorgesehenen Druckabfall über den Kanal bestimmt. Um die Einspeisung und Absaugung im vorteilhaften Entladungsbereich der Umgebung dos negativen Glimmlichtes ablaufen zu lassen, sind bei dem genannten Druck, abhängig von der Gasart, Abstände der Gasführungsplatte von der Elektrodenoberfläche zwischen 5 und 7 mm günstig, wobei der Abstand mit wachsendem Druck weiter verringert werden muß.

Die Gasführungsplatte kann sich auf dem gleichen Potential wie die Elektrode befinden, wobei sich im Zwischenraum zwischen Gasführungsplatte und Elektrode eine hohe Plasmadichte durch den Hohlkatodeneffekt ergibt, der die Stoffwandlungsrate der plasmachemischen Umsetzung weiter fördert. Besteht die Gasführungsplatte aus einem elektrisch isolierenden Material, stellt sich die Oberfläche auf das Floatingpotential am entsprechenden Ort im Plasma ein, wodurch die Ausbildung der Plasmabereiche, insbesondere der Bereich des negativen Glimmlichtes, wenig behindert wird. Es ist auch möglich, daß die Gasführungsplatte selbst Elektrode wird und einer substrattragenden Elektrode parallel gegenübersteht. Der Abstand wird günstig so gewählt, daß sich das negative Glimmlicht der Entladung gerade in der Mitte zwischen beiden Elektroden ausbildet. Diese Verfahrensweise zeichnet sich dadurch aus, daß das gesamte Reaktorvolumen von Plasma erfüllt ist. Dadurch werden Einlaufeffekte in den dynamischen Gleichgewichtszustand minimiert. Fast von Reaktionsbeginn an sind konstante Reaktionsbedingungon gegeben.

Wenn kein flächenhaft ausgebildetes Substrat an der Reaktion beteiligt ist, z. B. bei der Erzeugung feindisperser Pulver, können eine Gasführungsplatte nit Gaszuführungskanälen und eine Gasführungsplatte mit Gasabsaugkanälen als Gegenelektrode verwendet werden. Dabei sollenfeinere Kanäle am Gaseinlaßzweckmäßig weiteren Kanälen der Absaugung gegenüberstehen. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung lassen sich 10- bis lOOfach höhere Stoffwandlungsraten erzielen, als sie mittels der bekannten Verfahren in Niederdruck-Plasmareaktionen erreicht werden.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird anhand von 3 Ausführungsbeispielen näher erläutert

Es zeigen

Fig. 1: die Anordnung der Gasführungsplatte in einem Rezipienten, Fig. 2: einen Ausschnitt der Gasführungsplatte in der Aufsicht, Fig. 3: einen Ausschnitt der Gasführungsplatte im Schnitt, Fig. 4: die Anordnung der Gasführungsplatte als gleichzeitige' Elektrode und Fig. 5: die getrennte Anordnung der Gaszuführungs- und Absaugkanäle bei der Erzeugung feindisperser Pulver.

1. Gemäß Fig. 1 befindet sich in einem Metall-Vakuumrezipienten über der geerdeten Gegenelektrode 1 eine isoliert angebrachte substrattragende Grundelektrode 2 mit dem zu bearbeitenden Substrat 3. An die Grundelektrode 2 mit Substrat 3 wird eine hochfrequente Hochspannung angelegt. Bei einem Druck von 165Pa befindet sich in einem Abstand von 5mm über der Grundelektrode 2 die Gasführungsplatte 4, die sich auf dem gleichen Potential wie die Grundelektrode 2 befindet. Die Gasführungsplatte 4 in Fig. 2 und 3 enthält die gaszuführenden Kanäle 5 von 1mm Durchmesser im Abstand von 8 mm und gasabsaugende Kanäle 6 gleichen Durchmessers und Abstandes jeweils in der Mitte zwischen den gaszuführenden Kanälen. Die Gasversorgung der gaszuführanden Kanäle 5 erfolgt über Zuleitungen 7 aus dem Gasreservoir 9 mit einem Frischgasdruck von 300 Pa, dosiert über ein Nadelventil. Die Absaugung der Reaktionsprodukte erfolgt über die gasabsaugenden Kanäle 6 durch eine Zuleitung 8 zu einer Vakuumpumpe 10, die an den gasabsaugenden Kanälen 6 einen Druck von 50Pa gewährleistet. Die Länge der voneinander getrennter) Kanäle wird dem Gasdurchsatz und der Reaktionsgeschwindigkeit der plasmachemischen Reaktion angepaßt und beträgt zum Beispiel bei der Glimmpolymerisation von Styren bei einer Rate von 1 pm/min 7 mm für die gasabsaugenden Kanäle 6 und 14 mm für die gaszuführenden Kanäle 5, wobei eine Hochfrequenzleistung von etwa 1 W/cm² asymmetrisch gegen den geerdeten Vakuumrezipienten bei 27MHz eingespeist werden muß. Die abgeschiedene Schicht ist über der gesamten Substratfläche homogen sowohl hinsichtlich der Dicke als auch der Schichteigenschaften.

2. In Fig.4 wird die Gegenelektrode 1 gleichzeitig als Gasführungsplatte 4 verwendet und besteht aus Kohlenstoff, in die die gaszuführenden Kanäle 5 und die gasabsaugenden Kanäle β in den gleichen Abmessungen eingebracht sind, wie im Beispiel 1. Dio Gasführungsplatte 4 befindet sich in 10mm Abstand parallel gegenüber einer gleichgroßen Grundelektrode 2 und

Substrat 3. Dos Plasmagebiet wird durch die Grundelektrode 2 und Gegenelektrode 1 sowie einem elektrisch Isolierenden Distanzstück 11 begrenzt. Zum Plasmaätzen mit einer hohen Stoffwandlungsrate von Polymeren, z. B. Polymethylmethacrylat, wird Sauerstoff mit einem Gasdurchsatz von größer als 2 Pa · I · s"¹ bezogen auf 1 cm² ElektrodenflSche durch die Gasentladungsstrecke geleitet, wobei dynamisch ein Druck von 200 Pa aufrecht ei halten wird. Bei einer Entladungsfrequenz von 3MHz und einer spezifischen Plasmaleistung von 2 W/cm² wird eine Ätzrate von δμηΊ/ιηίη erreicht. Unter Verwendung von Tetrafluormethan als Prozeßgas wird Quarzglas'oder einkristallines Quarz unter sonst gleichen Bedingungen mit einer Rate von 1,5μπΊ/ηιίη geätzt. Konstante Ätzbedingungen werden bereits naqh einigen Sekunden Einlaufzeit erreicht.

Gemäß Fig.SwerdenzurErzeugung feindisperser Pulvereine gasführende Platte mit separaten gaszuführenden Kanälen 12 als Gegenelektrode 1, mit Kanälen von 8mm Länge und einem Durchmesser von 0,7 mm und einer zweiten gasführenden Platte mit separaten gasabsaugenden Kanälen 13 als Grundelektrode 2 mit Kanälen von 4mm Länge und einem Durchmesser von 1 mm, getrennt durch ein isolierendes Distanzstück 11 im Abstand von 3mm, verwendet. Ein organisches, dampfförmiges Monomer, Hexamethyldisiloxan, wird durch die Gasentladungsstrecke geleitet, bei einem dynamisch aufrecht erhaltenen Druck von 1000Pa und einer spezifischen Leistung von 5W/cm². Das in der Plasmazone entstehende feindisperse Siliciumoxidpulver wird außerhalb des Rezipienten vom Gasstrom der gasförmigen Reaktionsprodukte abgetrennt. Bei einem Gasdurchsatz von 10Pa I · s~\ bezogen auf 1 cm² Elektrodenfläche, bildet sich 10mg/cm² · s Pulver.

Claims

Verfahren zur Erzeugung einer hohen Stoffwandlungsrate in Niederdruck- Plasmareaktoren, die nach dem Prinzip der Glimmentladung arbeiten, bei Plasmabeschichtungen, Herstellung feindisperser Pulver und beim Plasmaätzen durch Zuführen gas- und dampfförmigen Ausgangsmaterials in die Plasmazone der Gasentladungsstrecke mittels Gasführungsplatten und Abführen der Abbauprodukte in gleicherweise, dadurch gekennzeichnet, daß das gas- und dampfförmige Ausgangsmaterial direkt und homogen in die Umgebung des negativen Glimmlichts der Gasentladungsstrecke eingebracht und die Abbauprodukte in gleicher Weise auch von dort abgeleitet werden.

Hierzu
2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur plasmachemischen Wandlung von Gasen, Dämpfen und Festkörpern in einem Niederdruck-Plasmareaktor und ist in der chemischen Verfahrenstechnik, Dünnschichttechnik, Mikroelektronik und Mikromechanik anwendbar.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Plasmareaktoren im Niederdruckbereich bestehen bekannterweise aus einem evakuierbarun Rezipienten, äußeren oder inneren Elektroden zur Zuführung der benötigten Prozeßenergie und einer Gasdosiereinrichtung. Zur Bereitstellung der Plasmaenergie wird Gleichstrom, Wechselstrom oder auch HF-Strom in einem breiten Frequenzbereich verwendet. Das benötigte Gas für den plasmacheinischen Prozeß wird im allgemeinen entweder am Rezipiententeller oder an anderer geeigneter Stelle der Rezipientenwand durch eine Lochöffnung zugeführt. Dazu existieren eine Vielzahl von Varianten (z.B. H.Yasuda: J. Appl. Polym. Sei. Macromol. Rev. 16 [1981] 199), die für einige Prozesse, z. B. bei der Bildung dünner organischer Schichten aus einem geeigneten Monomer oder zum Plasmaätzen von Festkörperoberflächen oft zweckmäßig und ausreichend sind. Zur Erhöhung der Homogenität wurde vorgeschlagen, das Gas für den plasmachemischen Prozeß durch Löcher oder Spalte mit einem geeigneten Abstand in einer Elektrode zuzuführen (R. H. Bruce: J. Electrochem. Soc. [SSST] 130 [1983], 1369 und A. F. Borghesani: Jap. J. Appl. Phys.22 [1983] 712 und US-PS 4 612 007). Die Homogenitätsforderung kann damit für einen sehr engen Parameterbereich von Elektrodengeometrie, Druck, Stromdichte und Gasdurchsatz bei geringem Stoffumsatz und kleinen Stoffwandlungsraten erfüllt werden. Bei vielen plasmachemischen Prozessen in der Technik werden jedoch hohe Stoffwandlungsraten und ein der chemischen Stöchiometrie entsprechend hoher Stoffumsatz benötigt. Dazu wurde bereits vorgeschlagen, daß das Prozeßgas die Reaktionszone mit erheblichem technischem Aufwand in einem geschlossenen Kreislauf mehrmals durchläuft (DE-OS 3201908).

Zur Erhöhung der Stoffwandlungsrate müssen gleichzeitig die Energiezufuhr und der Gasdurchsatz erhöht werden. Die Energiedichte der Entladung ist in jedem Fall durch verstärkte Einspeisung aus der äußeren Spannungsquelle erhöhbar. Eine obere Grenze ist allein durch die elektrische und thermische Stabilität des Versuchsaufbaus und der umgesetzten Materialien gegeben. Die Abhängigkeit der erreichbaren Stoffwandlungsraten vom Gasdruck durchläuft dabei ein Maximum oder erreicht einen Sättigungswert, ohne daß die beteiligten Reaktionspartner vollständig oder auch nurzum größten Teil umgesetzt würden. Im Gebiet der maximalen Stoffwandlungsrate haben sich bisher in der Regel große Inhomogenitäten im Stoffumsatz über der Substratfläche gezeigt. Ein großer Teil des in den Prozeß eingebrachten Gases durchläuft die Entladungsstrecke ohne Reaktion. Das Plasma erfüllt das Reaktorvolumen nur teilweise. Das vom Gas durchströmte Puffervolumen bewirkt Einlaufeffekte in den stationären Betriebszustand, deren Zeitdauer gegenüber der gesamten Bearbeitungszeit nicht vernachlässigbar ist. Abgeschiedene Schichten weisen keine einheitlichen Zusammensetzung über der gesamten Substratfläche und der Schichttiefe auf. Ätzstrukturen zeigen z. B. in der Substratmitte und am Rand eine unterschiedliche Unterätzung, StabiliU ι des maskierenden Photolackes und Materialselektivität des Ätzangriffes.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung hat das Ziel, ein Verfahren für Niederdruck-Plasmareaktoren bereitzustellen, das bei einer hohen spezifischen Plasmaleistung Plasmabeschichtungen, Plasmaätzungen und die Erzeugung feindisperser Pulver mittels vorhandener Technologien bei hoher Stoffwandlungsrate, großem spezifischem Umsatz und großer Homogenität über flächenhafte Substrate erlaubt.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung einer hohen Stoffwandlungsrate in Niederdruck-Plasmareaktoren, die nach dem Prinzip der Glimmentladung arbeiten, bei Plasmabeschichtungen, Herstellung feindisperser Pulver und beim Plasmaätzen durch Zuführen gas- und dampfförmigen Ausgangsmaterials in die Plasmazone der Gasentladungsstrecke mittels Gasführungsplatten und Abführen der Abbauprodukte in gleicher Weise zu schaffen.