DE10119766B4 - RF Plasma Reaktor - Google Patents
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Abstract
einen Reaktorbehälter und darin ein Paar von Elektroden, bestehend aus voneinander beabstandeten und gegenüberliegend angeordneten metallischen Oberflächen (38, 42), zwischen denen sich ein Plasmaentladungsraum (36) befindet, wobei wenigstens eine der metallischen Oberflächen (38) die Oberfläche einer metallischen Platte (40) ist, die eine Vielzahl von Gaszuführungsöffnungen (44) hierdurch von einer Verteilkammer (46) her aufweist, welche sich, dem Entladungsraum (36) abgewandt, längs der Platte (40) erstreckt, wobei die Berandung der Verteilkammer (46) eine Wand (31) gegenüber und beabstandet von der Platte (40) und eine kaskadenartige Gaseinlassanordnung (54, 56, 58) aufweist, die mit wenigstens einer Gaszuführungsleitung (52) verbunden ist und eine Vielzahl von Gaseinlassöffnungen (50) hat, die längs der Wand (31) verteilt sind, wobei die Wand (31) von der Platte (40) elektrisch isoliert (60) ist und eine Anordnung (62) zur Zuführung elektrischer Energie an die Platte (40) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Oberflächen (38, 42) direkt...
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen RF-Plasmareaktor nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
- Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Verbesserungen hinsichtlich der sogenannten Duschkopfgaseinlaßtechnik in den Plasmaentladungsraum eines Plasmareaktors, der mit einem Plasma betrieben wird, welches mit RF, RF mit Gleichstrom oder gepulster RF elektrisch gespeist wird. Damit betrifft sie Parallelplattenreaktoren, in die RF-Energie in den Entladungsraum über ein Paar von Elektroden in einer kondensatorplattenähnlichen Anordnung eingekoppelt wird, im Gegensatz zu anderen Reaktoren, bei denen die Entladungsenergie über Mikrowellenkopplung oder über ein Induktionsfeld eingeführt wird.
- Solche Kondensatorkopplungsplasmareaktoren werden gemeinhin verwendet, um wenigstens ein Substrat auf einmal dem Verarbeitungsschritt einer Plasmaglimmentladung auszusetzen. Es ist eine große Vielfalt solcher Prozesse bekannt und sie werden genutzt, um die Natur der Substratoberflächen zu modifizieren. Abhängig vom Prozeß und insbesondere der Natur des Gases, das in den Glimmentladungsraum des Reaktors eingeleitet wird, kann man die Oberflächeneigenschaften des Substrats modifizieren, dünne Filme darauf anbRanden oder, insbesondere selektiv, Material davon entfernen.
- Die Substrate können eben oder gekrümmt sein, wie z. B. Autowindschutzscheiben. In einem solchen Fall kann die Anordnung der Elektroden zwischen denen der Plasmaentla dungsraum definiert ist, nicht komplanar sein, aber entsprechend parallel gekrümmt, so daß der Abstand zwischen der gekrümmten Oberfläche des Substrats und einer Elektrode im wesentlichen konstant über die Ausdehnung der Substratoberfläche ist.
- Obwohl die vorliegende Anmeldung Plasmareaktionen beansprucht, beschreibt sie gänzlich verschiedene erfinderische Verfahren zur Herstellung von Substraten mittels Prozeßschritten, die durch den Plasmareaktor durchgeführt werden. Solche Herstellungsprozesse betreffen insbesondere Halbleiterwafer, Scheiben für Speichervorrichtungen, Flachbildschirmwände, Fensterscheiben und Gewebe oder Folien.
- Die Prozesse zur Oberflächenbearbeitung der Substrate, in einem Vakuumbehälter durchgeführt, worin eine Plasmaentladung mit der RF-Komponente eines elektrischen Feldes erzeugt wird, sind allgemein bekannt als PVD, PECVD , als reaktive Ionenätz-, Ionenplattier-Prozesse und so weiter.
- In
1 ist schematisch eine allgemein benutzte Ausgestaltung für einen RF-Plasmareaktor mit einem „Duschkopf"-Gaseinlaß gezeigt. Ein gewöhnlicher RF-Plasmareaktor umfaßt einen Reaktorbehälter1 mit einer Pumpöffnung3 . Gegenüber angeordnet sind beabstandete metallische Oberflächen4 und6 als Plasmaentladungselektoden und definieren nebenbei den Plasmaentladungsraum8 . Zwischen den beiden Elektodenoberflächen4 und6 wird die Plasmaentladung erzeugt, die ein elektrisches Feld D mit wenigstens einer RF-Komponenten liefert. - Wenigstens eine der Plasmaentladungsoberflächen
4 ,6 ist mit einer Vielzahl von Gaszufühungsöffnungen10 ausgestattet, wobei die entsprechende Elektrode die Oberfläche einer Platte11 ist. Hinsichtlich des Plasmaentladungsraums8 auf der Rückseite der Platte11 ist eine Vorratskammer12 einer Rückwand14 und einer Randseitenwand16 vorgesehen. Hinsichtlich der Erstreckung der Vorratskammer12 ist mittig eine Gaseinlaßöffnung und Zuführungsleitung18 vorgesehen. Neben den Gaszuführungsöffnungen10 und der Öffnung18 ist die Vorratskammer12 versiegelt. - Die begrenzenden Metallwände und die Platte, die die Vorratskammer
12 einschließen, werden mit einer Plasmaentladung durch eine zentrale elektrische Zuführungsleitung gespeist, welche elektrische Energie liefern. Da der Reaktionsbehälter1 gewöhnlich nicht auf demselben elektrischen Potential betrieben wird wie die Elektodenoberfläche4 , insbesondere nicht mit voller RF-Leistung, sondern gewöhnlich auf einem Referenzpotential, zum Beispiel auf Erdpotential, betrieben wird, wird die gesamte Vorratskammer12 innerhalb des Reaktorbehälters1 elektrisch isoliert montiert, wie es schematisch durch eine elektrische isolierende Halterung und Durchführung22 gezeigt ist. Die mittig angeordnete Gaszufühungsleitung18 , wird in analoger Weise mit einer üblicherweise geerdeten Gasversorgungsleitung24 mit dem Reaktorbehälter1 über einen elektrisch isolierenden Verbinder26 verbunden. - Die Gaszufühungsöffnungen
10 in der Elektrodenoberfläche4 und die Platte11 der Vorratskammer12 haben einen kleinen Gasleitwert und demgemäß einen hohen Gasströmungswiderstandsfaktor, so daß das innere Volumen der Vorratskammer12 , die mittig mit zugeführtem Gas gespeist wird, als Verteilungs- und Druckausgleichskammer fungiert, um Gas durch die Gaszufühungsöffnungen10 in einer gut geregelten und gewünschten Weise, am besten so homogen wie möglich verteilt entlang der Elektodenoberfläche4 und in den Plasmaentladungsraum8 zu führen. - Wie in
1 gezeigt, wird das in den gesamten Reaktor eingespeiste Gas einer großen Veränderung des elektrischen Potentials ausgesetzt (Rohr24 zur Zuführungsleitung18 ). Dadurch sind die Bedingungen im Bereich, in dem eine hohe Potentialdifferenz auftritt, d. h. am Verbinder26 , recht kritisch für die Vermeidung des Auftretens einer ungewünschten Gasentladung darin. - Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Anordnung ist in erster Linie seine niedrige Ansprechzeit. Da das innere Volumen der Vorratskammer
12 ziemlich groß sein muß, um eine gleichmäßige Gasverteilung und konstanten Druck längs der Platte11 zu erlauben, wird eine ziemlich große Menge Gas in dieser Vorratskammer12 bei relativ hohem Druck angesammelt. Wenn man die Gaszusammensetzung oder Ausflußrate im laufenden Prozeß verändern will, wird eine solche Veränderung daher im Plasmaentladungsraum angenommen, während eine eher unkontrollierten Übergangsphase mit großen Zeitkonstanten bis zum Erreichen der gewünschten stabilen neu eingestellten Gaszusammensetzung und/oder Ausflußrate erfolgen. - Zusätzlich muß das Volumen der Vorratskammer
12 durch Vakuumpumpen vor dem Beginn eines Bearbeitungsprozesses im Reaktor evakuiert werden, was um so mehr Zeit beansprucht, je größer das entsprechende Volumen ausgelegt ist. - Besonders wenn man die Tatsache berücksichtigt, daß das Volumen
12 nur mit der Pumpöffnung des Behälters über kleine Öffnungen10 mit niedrigem Leitwert verbunden ist, so bedeutet dies, daß das vorprozessuale Einstellen des gesamten Reaktors, einschließlich des Ausgasens der Wände eine lange Zeit braucht. Nichtsdestoweniger und aufgrund Gaszufühungsöffnungen10 mit großem Leitwert und dem großen Volumen der Vorratskammer12 , resultiert diese Technik in einer zufriedenstellenden Regelung der Verteilung des Gasausflusses längs der Elektodenoberfläche4 , wie z. B. in einer homogenen Verteilung. Durch Variieren der Dichte der Gaszuführöffnungen10 längs der Oberfläche4 der Begrenzungselektrode des Plasmaentladungsraums kann die Gasverteilung auf bestimmte Bedürfnisse auf einfache Weise zugeschnitten werden. - Es ist eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Duschkopf-RF-Reaktor, wie er im Prinzip in
1 gezeigt ist, zu verbessern und dabei dessen Vorteile zu behalten. Unter dem Ausdruck RF-Reaktor verstehen wir einen Reaktor, in dem eine Plasmaentladung elektrisch mit wenigstens einer RF-Komponente einer elektrischen Energie geliefert wird. - Diese Aufgabe wird gelöst mit einem RF-Plasmareaktor nach Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
- Unter einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch einen RF-Plasmareaktor, umfassend:
einen Reaktorbehälter und darin
ein Paar von Elektroden, bestehend aus von einander beabstandeten und gegenüberliegend angebrachten metallischen Oberflächen, die zwischen ihnen einen Plasmaentladungsraum definieren, wobei wenigstens eine der metallischen Oberflächen die Oberfläche einer metallische Platte ist, die eine Vielzahl von Gaszuführungsöffnungen hierdurch und durch die metallische Oberfläche in Richtung des Entladungsraums und von einer Verteilungskammer her aufweist, welche sich längs der Platte gegenüber dem Entladungsraum erstreckt; wobei die Verteilungskammer eine Wand gegenüber und beabstandet von der Platte aufweist und eine Anordnung zum Gaseinlaß mit einer Vielzahl von Gaseinlaßöffnungen umfaßt, die längs der Wand verteilt und mit wenigstens einer Gaszuführungsleitung zum Reaktor verbunden sind. - Hierdurch und im Gegensatz zu wohlbekannten Techniken gemäß
1 , erfolgt der Gaseinlaß in die erfindungsgemäß zur Verfügung gestellte Verteilungskammer nicht lokal, sondern über eine Vielzahl von Gaseinlaßöffnungen. Dies führt zu dem Vorteil, daß die Anforderungen an die Verteilungskammer selbst hinsichtlich eines großvolumigen Druckausgleichs verglichen mit der Lehre gemäß1 deutlich reduziert werden: Das Volumen der Verteilungskammer kann deutlich reduziert werden, was deutlich die Ansprechzeit verbessert, wenn die Gasströmung und/oder Gaszusammensetzung im Plasmaentladungsraum variiert wird. - Die oben erwähnte Aufgabe wird nach einem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung durch einen RF-Plasmareaktor gelöst, umfassend: einen Reaktorbehälter und darin ein Paar Elektroden, bestehend aus voneinander beabstandeten und gegenüberliegend angeordneten metallischen Oberflächen, die hierzwischen einen Plasmanentladungsraum definieren, wobei wenigstens eine der metallischen Oberflächen, die Oberfläche einer metallischen Platte ist, die eine Vielzahl von Gaszuführungsöffnungen hierdurch in Richtung des Entladungsraums und von einer Verteilungskammer her aufweist, die sich entlang der Platte gegenüber vom Entladungsraum erstreckt, wobei die Verteilungskammer eine Rückwand gegenüber und beabstandet von der Platte mit der Gaseinlaßanordnung und ferner mit einer Anordnung zur Zuführung elektrischer Energie an die zwei metallischen Oberflächen aufweist, die die Plasmaentladungselektoden sind, und wobei ferner die Rückwand und die Platte – die im wesentlichen den Entladungsraum begrenzen – elektrisch voneinander isoliert sind. Hierdurch kann jede elektrische Potentialdifferenz, wie insbesondere die große plasmaerzeugende Potentialdifferenz, zwischen der Platte und der Rückwand der Vorteilskammer angelegt werden, so daß die Rückwand direkt ein Teil der Behälterwand sein kann, die auf einem elektrischen Potential betrieben wird, das von den an der entsprechenden Elektrodenoberfläche anliegenden elektrischen Potential unabhängig ist, wie sie zum Beispiel auf einem Referenzpotential, gewöhnlich auf Erdpotential, betrieben wird.
- Hierdurch wird einerseits die kritische hohe Potentialdifferenz entlang der Gaszuführungsleitung vermieden, und sie ist viel einfacher über die Verteilungskammer zu handhaben. Ferner wird der Gesamtaufbau des Reaktors deutlich vereinfacht, zum Beispiel durch Vermeiden einer elektrisch isolierten Aufhängung der gesamten Vorratskammer im Reaktor, wie es bei 22 der bekannten Technik gemäß
1 vorgesehen ist. - Die oben erwähnte Aufgabe wird ferner unter einem dritten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung durch einen RF-Plasmareaktor gelöst, der umfaßt: einen Reaktorbehälter und darin ein Paar Elektroden, bestehend aus voneinander beabstandeten und gegenüberliegend angeordneten metallischen Oberflächen, die hierzwischen einen Plasmaentladungsraum definieren, wobei wenigstens eine der metallischen Oberflächen die Oberfläche einer metallischen Platte ist, die eine Vielzahl von Gaszuführungsöffnungen hierdurch und durch die metallische Oberfläche in Richtung des Entladungsraums und von einer Verteilungskammer her aufweist, welche sich entlang der Platte gegenüber dem Entladungsraum erstreckt, wobei die Verteilungskammer eine Rückwand gegenüber und beabstandet der Platte aufweist und eine Anordnung zum Gaseinlaß umfaßt und wobei ferner wenigstens ein „Gitterglied" innerhalb der Verteilungskammer angeordnet ist, und wobei das wenigstens eine Gitterglied elektrisch von der Rückwand und von der Platte isoliert ist.
- Im allgemeinen verstehen wir unter dem Ausdruck „Gitter" eine Materialstruktur mit einer plattenartigen Form mit Perforationen dadurch. Ein Gitter kann damit durch eine eher maschenartige Struktur bis hin zu einer spröden Platte mit ein paar Perforationen realisiert werden.
- Durch Unterteilen des Verteilungsraumes mittels solcher Gitterglieder – wenn aus elektrisch leitendem Material – in zwei oder mehr als zwei Unterräume wird jede elektrische Potentialdifferenz zwischen der Platte und der Rückwand unterteilt in einem Bruchteil über jeden der Unterräume. Dies ermöglicht mit Hinsicht auf eine Fehlausbildung der Plasmaentladung in der Verteilungskammer das Vergrößern der Höhe der Unterräume und damit der Vertei lungskammer, berücksichtigt senkrecht zur Platte, ohne das Risiko einer Plasmafehlzündung einzugehen. Dies trifft besonders dann zu, wenn praktisch die gesamte Potentialdifferenz zur Plasmaentladung über der Verteilungskammer angelegt wird. Tatsächlich wird die Nebenkapazität zwischen der Platte und der Rückwand, die die Verteilungskammer begrenzen reduziert. Zusätzlich verbessert der Einsatz des erwähnten Gittergliedes die Gasdruckverteilung und die Homogenisierung entlang der Verteilungskammer, egal ob das erwähnte Gitterglied aus elektrisch leitendem oder dielektrischem Material besteht.
- Die oben erwähnte allgemeine Aufgabe wird ferner unter einem vierten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung durch einen RF-Plasmareaktor gelöst, welcher folgendes aufweist: einen Reaktorbehälter und darin ein Paar von Elektroden, bestehend aus voneinander beabstandeten und gegenüberliegend angeordneten metallischen Oberflächen, die hierzwischen einen Plasmaentladungsraum definieren, wobei wenigstens eine der metallischen Oberflächen die Oberfläche einer metallischen Platte ist, die eine Vielzahl von Gaszuführungsöffnungen hierdurch und durch die metallische Oberfläche in Richtung des Entladungsraums und von einer Verteilungskammer her aufweist, welche sich längs der Platte gegenüber dem Entladungsraum erstreckt, und wobei die Verteilungskammer eine Rückwand gegenüber und beabstandet von der Platte aufweist, und wobei ferner die Wand einen seitlichen Randabschnitt umfaßt, welcher sich in Richtung des Randes der Platte, darüber hinaus und hiervon beabstandet erstreckt, und wobei die Verteilungskammer über eine Öffnungsanordnung mit dem Zwischenraum zwischen dem seitlichen Randabschnitt der Wand und dem Rand der Platte verbunden ist und die Öffnungsanordnung sich im wesentlichen parallel zu den Platten und im wesentlichen senkrecht zum Randabschnitt der Wand erstreckt.
- Auf der einen Seite wird eine zusätzliche Gasmenge in den Plasmaentladungsraum an seinen Randgrenzbereich eingespeist. Da gewöhnlich mehr Gas, in einen Reaktionsprozeß mehr reaktives Gas, am Rand der Plasmanentladung verbraucht wird, wird dieser Zusatzverbrauch kompensiert. Damit kann unter Berücksichtigung technischer Anstrengungen und Herstellungskosten die Dichte der Gaseinlaßöffnungen pro Oberflächenbereich in der Platte und durch die Oberfläche der metallischen Elektrode nicht unbestimmt erhöht werden, so daß die Gaszufuhr am Rand wie oben festgestellt eine äußerst einfache Technik zum Erhöhen des Randgasflusses in den Plasmaentladungsraum ist.
- Es ist ferner zu berücksichtigen, daß durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Randbereich der Wand, beabstandet vom Rand der Platte, ein Einlaßkanal in den Plasmaentladungsraum gebildet wird. Wenn eine elektrische Potentialdifferenz zwischen der Platte und der Wand eingestellt wird, dann wird dieses elektrische Potential auch über den Raum vom Rand der Platte zum Rand der Wand vorhanden sein. Überraschenderweise ist die Zündung einer Plasmafehlentladung zwischen dem Rand und Rand der Platte weit weniger kritisch als zum Beispiel in den Gaszuführungsöffnungen in der Platte, oder allgemein gesprochen, in einer „Ein-Potential"-Elektroden-Umgebung.
- In bevorzugten Ausführungsformen werden die Merkmale der vier Plasmareaktoren gemäß der vorliegenden Erfindung, und nachfolgend der vier Gesichtspunkte, erfinderisch kombiniert mit weiteren erfinderischen Plasmareaktoren, wobei dies die Merkmale von entsprechend zwei der Reaktoren, drei der Reaktoren oder allen vier der Reaktoren sind.
- Die Erfindung wird unter all ihren Gesichtspunkten nun beispielhaft für den Fachmann zum noch besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung veranschaulicht mittels der Figuren und, so weit nötig, unter Berücksichtigung der oben bereitgestellten Beschreibung. Die weiteren Figuren zeigen:
-
2 : Eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen RF-Plasmareaktors zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens, wobei in einem bevorzugten Modus alle erfindungsgemäßen Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung kombiniert sind; -
3 in einer schematischen Darstellung eine bevorzugte Anordnung zur Gasverteilung zum Einlassen von Gas in die Verteilungskammer des erfindungsgemäßen Reaktorbehälters; -
4 ,5 und6 : drei bevorzugte Möglichkeiten zur Herstellung von Gaszuführungsöffnungen und zum Kontrollieren ihrer Strömungswiderstände bei dem erfindungsgemäßen Reaktor. - In
2 ist schematisch ein RF-Plasmareaktor in einem bevorzugten Modus dargestellt. Darin sind alle vier Sätze von Merkmalen, die jeweils für sich die erfindungsgemäß gestellte Aufgabe lösen, kombiniert und womit, wie bereits gesagt, jeder dieser Sätze von Merkmalen als erfinderisch angesehen wird. - Der RF-Reaktor
30 umfaßt eine obere Wand31 , untere Wand32 und Seitenwand34 . Eine erste Elektrodenoberfläche38 wird durch die Oberfläche einer metallischen Platte40 gebildet und zeigt in Richtung auf den Plasmaentladungsraum36 . Bei dieser Ausführungsform wird die zweite Elektrode zur Plasmaentladung speziell durch die metallische obere Oberfläche42 der unteren Wand32 gebildet. - In der Platte
40 ist eine Vielzahl von Öffnungen44 vorgesehen, die in Richtung des Plasmaentladungsraums36 und von einer Verteilungskammer46 her zeigen. Eine Anordnung zum Gaseinlaß48 speist Gas in die Verteilungskammer ein, von Wo es an den Plasmaentladungsraum36 durch die Öffnung44 befördert wird. - 1. Bevorzugte Gestaltung der Anordnung zum Gaseinlaß
48 vom Äußeren des Reaktors bis zur Verteilungskammer46 - Die Anordnung zum Gaseinlaß
48 umfaßt eine Vielzahl von Einlaßöffnungen50 , die in einem vorbestimmten gewünschten Muster verteilt sind, vorzugsweise die meisten davon gleichmäßig längs der Oberfläche der oberen Wand31 , die für die Vorratskammer46 eine Rückwand definiert. In einer baumartigen Struktur sind die Öffnungen in Strömungsverbindung mit einer zentralen Gaseinlaßleitung52 , wobei in jedem „Zweig"54 ,56 ,58 des Röhrenbaums der Strömungswiderstand so gewählt ist, daß der Strömungswiderstand zwischen jeder der Öffnungen50 und dem Gaseinlaßrohr52 einen vorbestimmten Wert hat und sie in einem bevorzugten Modus und wenigstens für einen wesentlichen Teil der Öffnungen50 gleiche Werte aufweisen. Hinsichtlich des Aufbauen eines solchen baumartigen Systems von Verteilungsleistungen von einem einzelnen Gaseinlaß zu einer Vielzahl von Gasauslässen für sich verweisen wir aufUS 5 622 606 desselben Anmelders wie dem der vorliegenden Anmeldung. - Mit solch einem kaskadischen oder baumartigen Einspeisen in eine Vielzahl von Gaseinlaßöffnungen können Veränderungen der Zusammensetzung des dadurch geführten Prozeßgases sehr rasch realisiert werden. Das Prinzip des Kaskadierens des Einspeisens an die Vielzahl von Öffnungen
50 basiert auf der Aufspaltung der Gasströmung in eine gegebene Anzahl von vorbestimmten, vorzugsweise gleichen Unterströmungen. Der Aufspaltungsprozeß wird mehrmals wiederholt, gemäß den Verzweigungsebenen54 bis58 in2 , um die Anfangsströmung in eine große Anzahl von Unterströmungen aufzuteilen. Die Baumstruktur ist entsprechend dem gewünschten Muster von Öffnungen50 zusammengesetzt, wobei letzteres vorzugsweise an die Form des der Plasmaentladung ausgesetzten Werkstücks angepaßt ist, sei es rechteckig, rund und so weiter. In3 ist in perspektivischer Ansicht ein Beispiel einer solchen Baumstruktur aus Verbindungsleitungen zwischen zum Beispiel einer Einlaßleitung52 und Öffnung50 gezeigt. - Durch die Tatsache, daß der Gaseinlaß in die Verteilungskammer
46 durch eine Vielzahl von Gaseinlaßöffnungen realisiert wird, die längs der Oberfläche der Wand oder Rückwand31 verteilt sind, die die Kammer46 begrenzt, wird eine deutliche Verbesserung der Gasströmungskontrolle durch die Platte40 in den Plasmaentladungsraum36 erreicht, welche einen deutlich verbesserten Grad an Freiheit bei der Auswahl des Volumens und besonders der Höhe X der Verteilungskammer erlaubt. Wie in2 gezeigt und wie in einem bevorzugten Modus ist die Kaskade von Zuführungsleitungen in der oberen Wand31 des erfindungsgemäßen Reaktors integriert und fungiert bei dieser Ausführungsform als Rückwand der Kammer46 . - 2. Elektrisches Feld
- Wie in
2 gezeigt ist die Platte40 elektrisch isoliert von der Rückwand31 der Verteilungskammer46 befestigt, wobei die Rückwand vorzugsweise gleich auch die obere Wand des Reaktionsbehälters30 ist. Dies wird zum Beispiel realisiert mittels isolierender Abstandshalter oder eines isolierenden Abstandshalterrandes60 . Deshalb, und wie schematisch bei62 gezeigt, wird elektrische Energie auf die metallische Platte40 und die eine Elektrodenoberfläche38 über eine Gleichstromquelle gegeben, welche durch die Abstandshalter60 oder, wie gezeigt, durch die seitliche Wand34 des Reaktorbehälters30 und so weiter. realisiert wird, wobei ein großer Grad an Freiheit gelassen wird, wie die elektrische Energie zur Plasmaentladung zu führen ist. - In
2 ist die RF-Einspeisung dargestellt, die seitlich anzuordnen ist. Insbesondere für größere Anlagen ist eine zentrale Zuführung bevorzugt. Dadurch wird eine RF-Einspeisung aus einer oder mehreren Speiseleitungen durch die obere Wand31 , Verteilungskammer46 an die metallische Platte40 geführt. - Die Rückwand
31 der Verteilungskammer46 kann dadurch auf jedem gewünschten elektrischen Potential betrieben werden, unabhängig vom Potential, das an der Elektrodenoberfläche38 anliegt. Damit wird es möglich, bei einer bevorzugten Ausführungsform die Rückwand31 der Verteilungskammer46 auf einem Referenz- und insbesondere auf Erdpotential zu betreiben und dadurch die Rückwand31 direkt durch eine Wand des Plasmareaktorbehälters zu realisieren. Dies ist äußerst vorteilhaft, wenn man berücksichtigt, daß diese Wand die kaskadenförmige Gaszuführungsstruktur zu den Einlaßöffnungen beinhaltet, deren gesamtes Strömungszerteilungssystem dann auf Erdpotential liegt, und damit auf den gleichen Potential wie das Zuführungsrohr52 , welches das Gas von außen dem Reaktorbehälter30 zuführt. Die begrenzenden Wände der Verteilungskammer46 liegen nicht auf einem einzigen elektrischen Potential, sondern auf verschiedenen Potentialen, wie auch auf der gesamten Potentialdifferenz zur Versorgung der Plasmaentladung. Weil es speziell wegen der verteilten Gaseinlaßöffnungen50 möglich ist, den in der Verteilungskammer vorherrschenden Gasdruck deutlich zu reduzieren, wird das Auftreten einer Plasmafehlzündung in der Verteilungskammer vermieden, sogar wenn ihre Höhe X erreicht wird. - 3. Gitter
- Wie in
2 gezeigt und als bevorzugte Ausführungsform des Reaktorbehälters gemäß der vorliegenden Erfindung werden ein, zwei oder mehr Gitterglieder64 in die und entlang der Verteilungskammer46 im wesentlichen parallel zur Platte40 montiert. Diese Gitterglieder werden elektrisch isoliert sowohl von der Rückwand31 als auch von der Platte40 montiert. Sie bestehen aus elektrisch leitendem oder dielektrischem Material. Wenn sie elektrisch leitend aufgebaut sind, werden sie auf einem schwebenden elektrischen Potential betrieben. - Dies wird durch geeignete Isolationsbefestigungen (nicht gezeigt) für elektrisch leitende Gitterglieder
64 realisiert. - Diese Gitter haben zwei vorteilhafte Wirkungen:
Einerseits und ungeachtet ihrer elektrischen Schwebung oder isolierten Befestigung und ihrer elektrischen Leitfähigkeit können sie deutlich und zusätzlich die Homogenisierung des Gasdrucks entlang der Verteilungskammerseite der Platte40 und somit die Homogenität der Gaszuführungsverteilung in dem Plasmaentladungsraum verbessern. - Genauer ermöglicht es die Anwesenheit der elektrisch schwebenden Gitter, den Gesamtabstand X der Kammer
46 zu erhöhen, ohne die Zündung eines Plasmas in dem Raum zu riskieren. Dadurch wird die gesamte seitliche Gasleitung und damit die seitliche Gasdiffusion vergrößert. - Ferner wird die Realisierung der elektrisch schwebenden Gitter in Form von eher elektrisch schwebenden Platten mit nur einer begrenzten Menge an hier hindurch perforierten Löchern, in der Tat die des gesamten Kaskadenverteilers, wie in
2 in Platte31 gezeigt, innerhalb und durch Kammer46 fortgeführt, was zu einer systematischen und wohlkontrollierten Ausbreitung des Gases beiträgt. - Auf der anderen Seite und unter elektrischen Überlegungen – bestehend aus leitendem Material – nehmen sie elektrische Potentiale zwischen den Potentialen der Platte
40 und der Rückwand31 an. Besonders wenn bei der Ausführungsform mit beidseitig elektrisch isolierter Platte40 und Rückwand31 die Potentialdifferenz zur Plasmaerzeugung über der Verteilungskammer46 angelegt wird, ergeben sich damit in den sich ergebenden Unterkammern46a ,46b und46c Bruchteile dieser Potentialdifferenz. - Da bei einem vorgegebenen Gasdruck und bei einer gegebenen elektrischen Potentialdifferenz zwischen elektrisch leitenden Wänden, die solch einen Raum begrenzen, die Tendenz einer Plasmafehlzündung um so größer wird, je größer der Abstand zwischen den elektrisch leitenden Wänden, die als Nebenelektroden fungieren, gemacht wird, kann jede Unterkam mer
46a , b, c, die bei reduzierter, d. h. einem Bruchteil der gesamten Potentialdifferenz betrieben wird, mit einer vergrößerten Höhe bemessen werden, und so kann der gesamte Entladungsraum46 in seiner Höhe X vergrößert werden, ohne die Gefahr einer Plasmafehlzündung einzugehen. - Es ist zu berücksichtigen, zusammenfassend, daß hinsichtlich der Beabstandung der elektrisch leitenden Teile an der Verteilungskammer, welche das Gitterglied und/oder die Platte und die Rückwand sind, zwei widersprüchliche Überlegungen vorherrschen. Hinsichtlich einer Vermeidung des Bestehens von Plasmenfehlentladungen sollte die Beabstandung X bei gegebenem Druck und gegebener elektrischer Potentialdifferenz dazwischen so klein wie möglich sein, während vom Standpunkt der Druckhomogenisierung längs der Gaszuführungsöffnungen
50 eine solche Beabstandung X so groß wie möglich bemessen sein sollte. Die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Merkmale - • verteilter
Gaseinlaß in
die Verteilungskammer durch die Öffnungen
50 - • elektrisch isolierte Befestigung von beidseitig direkt gegenüberliegenden elektrisch leitenden Oberflächen aus Gittern, Rückwand und Platte
- 4. Einleiten des Randgases in den Plasmaentladungsraum
- Wie man aus
2 erkennen kann und unter diesem Gesichtspunkt werden zwei erfinderische Maßnahmen vorgeschlagen. Hinsichtlich der Verteilung der Gaszuführungsöffnungen44 von der Platte40 zum Plasmaentladungsraum36 wird die Dichte solcher Öffnungen44 , die pro Oberflächenbereich vorgesehen sind, erhöht, wenn sie sich entlang der Platte40 in Richtung ihres Randes P ausbreiten. Eine besonders vorteilhafte Technik, wie solche Öffnungen realisiert werden können und wie ihre Dichte pro Oberflächenbereich zu variieren ist, wird später mit Hilfe der4 bis6 diskutiert. Anstelle von oder zusätzlich zum Erhöhen der Dichte der Gaszuführungsöffnungen44 pro Oberflächenbereich, wenn sie sich zum Rand P der Platte40 hin ausbreiten, ist eine zusätzliche Öffnungsanordnung66 vom Entladungsraum46 zum Plasmaentladungsraum36 wie folgt vorgesehen:
Die Rückwand31 , die dem Entladungsraum46 auf einer ihrer Seiten begrenzt, ist mit einem Randabschnitt68 versehen – welcher natürlich ein separates Teil sein kann – und welcher in einem bevorzugten Modus durch die seitliche Wand34 des Reaktorbehälters realisiert werden kann. Dieser Randabschnitt erstreckt sich in Richtung des Randes P der Platte40 darüber hinaus und in einem Abstand davon. Dadurch wird um die gesamte Platte40 ein Strömungskanal70 gebildet. - Die Öffnungsanordnung
66 erstreckt sich im wesentlichen parallel zur Platte40 und im wesentlichen senkrecht zum Randabschnitt68 und errichtet eine Strömungsverbindung zwischen der Verteilungskammer46 und über den Kanal70 der Plasmaentladungskammer36 . Dadurch wird aufgrund der engen Beabstandung des Kanals70 darin keine Plasmafehlentladung gezündet, sogar, wenn eine hohe elektrische Potentialdifferenz zwischen Platte40 und Randabschnitt68 existiert. Durch die eine und/oder die andere dieser Maßnahmen (gesteigerte Dichte der Öffnung44 in Richtung des Plattenrandes und/oder seitliche Gaszuführung rund um den Plattenrand) wird die Verteilung des Gasverbrauchs im Plasmaentladungsraum36 , welche an seinem Rand größer ist, kompensiert, was zu einem homogenisierten Plasmaentladungseffekt auf einer aufgestellten Substratoberfäche, entsprechend2 , zum Beispiel längs der Elektrodenoberfläche42 führt. - Man gewinnt dadurch den Vorteil, daß der Plasmaentladungsraum
36 bis zu seinem äußersten Randbereich zur homogenen Bearbeitung von Werkstückoberflächen ausgenutzt werden kann, was zu einer gesteigerten Effizienz des Reaktors führt. - 5. Vorteilhafte Realisierung der Platte
40 und der Verteilung der Öffnungen hierdurch - Wie in
4 gezeigt, wird eine Äußerst vorteilhafte Realisierung der Gaszuführungsöffnungen44 durch Platte40 durch Herausarbeiten von Löchern mit flachem Boden72 in der Fläche der Platte40 erreicht, die dem Plasmaentladungsraum36 gegenüberliegt. Solche Löcher mit flachem Boden72 in der Fläche der Platte40 , die dem Plasmaentladungsraum36 gegenüberliegt. Solche Löcher mit flachem Boden72 können – von oben gesehen – rund, rechteckig und so weiter., durchgängig oder nicht beschränkt nutenförmig sein. In dem Boden74 solcher Löcher72 sind Öffnungen zum Plasmaentladungsraum36 mit kleinem Durchmesser eingearbeitet. Damit muß zum Bearbeiten der Öffnungen mit kleinem Durchmesser44 nur ein kleiner Teil der Gesamtdicke der Platte40 herausgearbeitet werden. - Dabei muß berücksichtigt werden, daß die Platte
40 normalerweise nicht so dick sein muß. Dieses liegt an der mechanischen Stabilität derart, daß solch eine Platte exakt flach sein muß und dieses trotz der Tatsache, daß sie von lediglich wenigen Befestigungspunkten herabhängt und vielen verändernden Wärmezyklen ausgesetzt ist. Zudem sollte die Wärmeleitung entlang einer solchen Platte so sein, daß eine gleichmäßige Temperaturverteilung bei Veränderung der Temperatur rasch erreicht wird. - Dadurch und nach dem Konzept solcher Ausnehmungen, d. h. Nuten oder Bohrungen mit großem Durchmesser wie bei
72 , kann der Strömungswiderstand von der Verteilungskammer46 zur Plasmaentladungskammer36 variiert werden und genau an den Öffnungen44 mittels Einschüben78 in solche Ausnehmungen, wie bei5 gezeigt, eingestellt werden. Aufgrund des Konzepts der Ausnehmungen, wie von72 in4 und wie in6 gezeigt, stellt die Erhöhung der Öffnungsdichte längs der Platte40 bis hin zu einer sehr hohen Dichte von Öffnungen mit möglicherweise noch weiter reduziertem Durchmesser44a , besonders in Richtung des Randes P von Platte40 , kein Herstellungsproblem dar. - Zusätzlich wird mittels der Einschübe
73 das Risiko einer Plasmazündung auf der Rückseite der Öffnungen44 reduziert, welche auf einer Seite der voranschreitenden Plasmaentladung ausgesetzt sind. - Es versteht sich von selbst, daß mittels der Einschübe, wie sie in
15 gezeigt sind, und ihrer entsprechenden Form, einer möglichen asymmetrischen Foren, es sogar möglich ist, den Strömungswiderstand ausgewählter Öffnungen44 , die an der Ausnehmung72 vorgesehen sind, genau anzupassen, um zum Beispiel jeden Inkomogenitätseffekt beim Umgang mit dem Plasma zu kompensieren. - Schließlich muß festgestellt werden, daß wenn wir den Reaktor gemäß der vorliegenden Erfindung mit dem vorrangigen Ziel des Erreichens einer Homogenität der Gasverteilung längs des gesamten Plasmaentladungsraums beschrieben haben, klar sein soll, daß Homogenität nicht unbedingt erreicht werden soll, sondern allgemeiner eine wohl-kontrollierte und vorbestimmte Gasverteilung.
- Ferner offenbart die vorliegende Beschreibung dem Fachmann klar die Herstellungsverfahren für entsprechende Werkstücke, wobei die Gasströmung zu einer Plasmaentladung und/oder die elektrischen Bedingungen erfindungsgemäß gehandhabt wurden, so ausgewählt, wie es anhand der Hardwarebeschreibung des Reaktors beschrieben wurde.
Claims (5)
- Ein RF-Plasmareaktor, umfassend: einen Reaktorbehälter und darin ein Paar von Elektroden, bestehend aus voneinander beabstandeten und gegenüberliegend angeordneten metallischen Oberflächen (
38 ,42 ), zwischen denen sich ein Plasmaentladungsraum (36 ) befindet, wobei wenigstens eine der metallischen Oberflächen (38 ) die Oberfläche einer metallischen Platte (40 ) ist, die eine Vielzahl von Gaszuführungsöffnungen (44 ) hierdurch von einer Verteilkammer (46 ) her aufweist, welche sich, dem Entladungsraum (36 ) abgewandt, längs der Platte (40 ) erstreckt, wobei die Berandung der Verteilkammer (46 ) eine Wand (31 ) gegenüber und beabstandet von der Platte (40 ) und eine kaskadenartige Gaseinlassanordnung (54 ,56 ,58 ) aufweist, die mit wenigstens einer Gaszuführungsleitung (52 ) verbunden ist und eine Vielzahl von Gaseinlassöffnungen (50 ) hat, die längs der Wand (31 ) verteilt sind, wobei die Wand (31 ) von der Platte (40 ) elektrisch isoliert (60 ) ist und eine Anordnung (62 ) zur Zuführung elektrischer Energie an die Platte (40 ) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Oberflächen (38 ,42 ) direkt gegenüberliegend angeordnet sind, wobei die wenigstens eine metallische Oberfläche (38 ) eine den Plasmaentladungsraum (36 ) begrenzende Elektrode ist, wobei die Gaszuführungsöffnungen (44 ) in den Plasmaentladungsraum (36 ) münden, wobei wenigstens ein Gitterglied (64 ) innerhalb der Verteilungskammer (46 ) angeordnet ist, welches von der Wand (31 ) und von der Platte (40 ) elektrisch isoliert (60 ) ist. - Plasmareaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen mindestens einem Teil der Gaseinlassöffnungen (
50 ) längs der Wand (31 ) und der Gaszuführungsleitung (52 ) im Wesentlichen gleiche Gasströmungs-Widerstände vorliegen. - Plasmareaktor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte der Gaszuführungsöffnungen (
44 ) an der Platte (40 ) zum Rande der Platte (40 ) hin zunimmt. - Plasmareaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Gaszuführungsöffnungen (
44 ) durch die Platte (40 ) mit entfernbaren, den Strömungswiderstand erhöhenden Einsätzen (78 ) zusammenwirken, wobei die Einsätze (78 ) in Ausnehmungen (72 ) mit flachem Boden (74 ) angeordnet sind. - Plasmareaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass um den Rand (P) der Platte (
40 ) eine mit der Verteilkammer (46 ) kommunizierende Gasströmungsverbindung (66 ,70 ) vorhanden ist.
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