DE102004039468B4

DE102004039468B4 - Vorrichtung zur Erzeugung angeregter und/oder ionisierter Teilchen in einem Plasma

Info

Publication number: DE102004039468B4
Application number: DE102004039468A
Authority: DE
Inventors: Alexander Dr.phil. Geschwandtner
Original assignee: R3T Rapid Reactive Radicals Technology GmbH
Current assignee: Muegge GmbH
Priority date: 2004-08-14
Filing date: 2004-08-14
Publication date: 2008-09-25
Anticipated expiration: 2024-08-15
Also published as: EP1776712A2; US20070227451A1; DE102004039468A1; WO2006018139A2; JP2008518092A; WO2006018139A3

Abstract

Vorrichtung zur Erzeugung angeregter und/oder ionisierter Teilchen in einem Plasma aus einem Prozessgas, aufweisend:
– einen Innenraum (3), welcher zylinderförmig ausgebildet ist und in welchem eine Plasmazone erzeugbar ist,
– einen Koaxial-Innenleiter (10), der von außen in den Innenraum (3) hineinragt und dort endet,
– einen Koaxial-Außenleiter (11),
– einen Einlass (14), mit welchem Prozessgas in den Innenraum (3) zuführbar ist, und
– einen Auslass (15), mit welchem Prozessgas aus dem Innenraum (3) abführbar ist
dadurch gekennzeichnet,
dass der innerhalb des Innenraums (3) angeordnete Bereich des Koaxial-Innenleiters (10) über den Großteil seiner Länge stabförmig und gerade ausgebildet ist, wobei sein Ende (8) wendelförmig ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung angeregter und/oder ionisierter Teilchen in einem Plasma.
Gemäß dem Stand der Technik ist bekannt, dass mittels Vorrichtungen zur Erzeugung von Plasmen, wie in DE-198 47 848 A1 beschrieben, für einzelne Werkstücke oder einzelne Wafer gute Ergebnisse erzielt werden. Jedoch ist es wegen der hohen Produktionskosten für einzelne Werkstücke oder einzelne Wafer in der Halbleiterindustrie aus wirtschaftlichen Gründen erforderlich, Vorrichtungen zur Erzeugung von Plasmen herzustellen, die auch in ausgedehnten Reaktionskammern gute Ergebnisse erzielen. So wurden in den letzten Jahren durch die Einführung von neuen Materialien, immer kleiner werdender Strukturen der einzelnen Elemente auf den Bauelementen und die Verwendung von Silizium-Halbleiterscheiben mit mehr als doppelter Oberfläche als bisher die Anforderungen an die Geräte- und Verfahrenstechnologie zur Erzeugung dieser Bausteine wesentlich erhöht.
Eine besonders vorteilhafte Anwendung der oben angegebenen Vorrichtung und des Verfahrens liegt beim „Sequential Chemical Vapor Deposition" von Arthur Sherman vor, welches in Patent US 5,916,365 A offenbart ist. Diese Methode liefert zwar hervorragende Prozessergebnisse, ist aber sehr zeitraubend und daher sehr kostspielig, da nur einzelne Wafer gleichzeitig prozessiert werden. Ein Verfahren, das eine Vielzahl von Wafern gleichzeitig prozessieren kann, ist somit unbedingt erforderlich für eine wirtschaftliche Produktion von Halbleiterbauelementen. So können elektrisch isolierende oder auch leitende Schichten hoher Qualität bei sehr niedrigen Temperaturen erzeugt werden. Bei den isolierenden Schichten handelt es sich um die Dielektrika von Al₂O₃, Ta₂O₅ und HfO₂, Si₃N₄ oder Mischoxide bzw. Nanolaminate dieser Materialien. Die leitenden Schichten sind Barriereschichten wie TiN, TaN, WN, WNC etc. und Metalle wie Cu, Ru, Ta, Mo etc., wobei bei dieser Anwendung angeregter Wasserstoff zur Reduktion der Vorsubstanzen zu reinen Metallen ohne Einbau von störendem Kohlen stoff besonders vorteilhaft angewendet wird. Eine Vorrichtung gemäß der erwähnten US-Patentschrift ist geeignet zur Erzeugung angeregter Gase, um bis zu 100 oder mehr Halbleiterscheiben gleichzeitig sehr gleichmäßig zu prozessieren.
Eine weitere Anwendung dieser Vorrichtung und des Verfahrens ist für sehr dünne Siliziumnitrid Gatedielektika vorteilhaft, wobei angeregter Stickstoff mit Silan gemischt wird oder Siliziumoxidschichten mit angeregtem Stickstoff nitridiert werden, wie unter anderem in „Exploring the Limits of Gate Dielectric Scaling" in der Zeitschrift Semiconductor International, Juni 2001, beschrieben ist. Außerdem ist bei dieser Anwendung der Vorrichtung eine Vorbehandlung der Substrate und eine Nachbehandlung der abgeschiedenen Schichten durch angeregte Teilchen sehr vorteilhaft, um die Eigenschaften dieser Schichten zu verbessern.
Der Vorteil dieser Vorrichtung gegenüber anderen Vorrichtungen besteht in der Erzeugung von angeregten Teilchen in einem räumlich durch Elektroden sehr begrenzten Plasma hoher Dichte, um sich anschließend in einen sehr ausgedehnten Raum geringer Plasmadichte ausbreiten zu können, wo sich eine Vielzahl von Werkstücken oder Wafer befinden.
Das Problem besteht darin, dass die derzeit bekannten Vorrichtungen, welche gute Prozessergebnisse erzielen, nur für einzelne oder wenige Werkstücke oder Wafer geeignet sind. Vorrichtungen für eine Vielzahl von Werkstücken (wie Laserspiegel), Sensoren oder Siliziumwafer liefern derzeit keine ausreichenden Prozessergebnisse oder können nicht in Anregungskammern für hohe Temperaturen eingesetzt werden.
Gemäß dem Stand der Technik sind derzeit Vorrichtungen, wie sie z. B. in DE-198 47 848 A1 offenbart sind, verfügbar, die aufgrund der Bauart nur extern an die Reaktionskammern angebracht werden, aber aufgrund der begrenzten Reichweite der angeregten Teilchen nur für kleine Reaktionskammern geeignet sind. Bekannte Vorrichtungen für größere Reaktionskammern können entweder kein Plasma entsprechender Dichte erzeugen, um gute Ergebnisse zu erzielen, oder sind nicht geeignet, um den hohen Temperaturen in der Anregungskammer zu widerstehen. Die Nachteile der derzeit verfügbaren Vorrichtungen liegen in der begrenzten Ausdehnung von hochdichten Plasmazonen, der mangelnden Gleichmäßigkeit der Plasmazonen und der geringen Temperaturbeständigkeit der Apparaturen.
In DE 198 39 612 C2 , FR 2 714 789 A1 und US 5,192,717 A sind jeweils Plasmaerzeugungseinrichtungen offenbart, bei denen Werkstücke bzw. Wafer nur einzeln prozessiert werden können. Bei allen drei Vorrichtungen werden Mikrowellen über Antennen in die Vakuum- bzw. Plasmaerzeu gungskammer eingespeist. Bei jeweils mindestens einer Ausführungsform der Vorrichtungen ist die gesamte Antenne helixförmig ausgebildet.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche die genannten Nachteile des Standes der Technik vermeidet oder mindert. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, welche in einem ausgedehnten Bereich der Anregungskammer ein gleichmäßiges und hochdichtes Plasma erzeugen kann und eine ausreichende Temperaturbeständigkeit besitzt, um in beheizten Apparaturen wie in sogenannten „LPCVD Anlagen" (chemische Abscheidung bei Niederdruck) Anwendung zu finden.
Diese Aufgabe wird jeweils von den Vorrichtungen gemäß den Patentansprüchen 1, 2 und 3 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen, Ausgestaltungen und Aspekte der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den angehängten Zeichnungen.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Erzeugung angeregter und/oder ionisierter Teilchen in einem Plasma aus einem Prozessgas geschaffen, welche einen Innenraum, welcher zylinderförmig ausgebildet ist und in welchem eine Plasmazone erzeugbar ist, einen Koaxial-Innenleiter, welcher von außen in den Innenraum hineinragt und dort endet, einen Koaxial-Außenleiter, einen Einlass, mit welchem Prozessgas in den Innenraum zuführbar ist, und einen Auslass, mit welchem Prozessgas aus dem Innenraum abführbar ist, aufweist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der innerhalb des Innenraums angeordnete Bereich des Koaxial-Innenleiters über den Großteil seiner Länge stabförmig und gerade ausgebildet ist, wobei sein Ende wendelförmig ausgebildet ist.
Dies ist vorteilhaft, da bei dieser Ausführungsform ein sehr gleichmäßiges Plasma mit hoher Dichte in dem Innenraum (der Anregungskammer) erzeugt werden kann, wobei gleichzeitig eine sehr gute Kühlung der Elektroden möglich ist. Mit der Erfindung können Gase erzeugt werden, um bis zu 100 oder mehr Halbleiterscheiben gleichzeitig sehr gleichmäßig zu prozessieren. Dadurch, dass der Koaxial-Innenleiter an einem Ende wendelförmig ausgebildet ist, wird erreicht, dass das Plasma mittels einer elektromagnetischen Welle bei geringer Energiedichte oder auch bei sehr kleinem Gasdruck zuverlässig gezündet werden kann.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Erzeugung angeregter und/oder ionisierter Teilchen in einem Plasma aus einem Prozessgas geschaffen, welche einen Innenraum, welcher zylinderförmig ausgebildet ist und in welchem eine Plasmazone erzeugbar ist, einen Koaxial-Innenleiter, einen Koaxial-Außenleiter, einen Einlass, mit welchem Prozessgas in den Innenraum zuführbar ist, und einen Auslass, mit welchem Prozessgas aus dem Innenraum abführbar ist, aufweist, wobei die Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, dass der Koaxial-Innenleiter durch den Innenraum hindurch verläuft, und dass der innerhalb des Innenraums angeordnete Bereich des Koaxial-Innenleiters stabförmig und gerade ausgebildet ist, wobei der Koaxial-Innenleiter in seiner Längsrichtung im Mittenbereich wendelförmig ausgebildet ist. Dies ist vorteilhaft, damit die elektromagnetische Welle einer ersten Zuleitung von einer zweiten Zuleitung getrennt ist.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Erzeugung angeregter und/oder ionisierter Teilchen in einem Plasma aus einem Prozessgas geschaffen, welche einen Innenraum, welcher zylinderförmig ausgebildet ist und in welchem eine Plasmazone erzeugbar ist, einen Koaxial-Innenleiter, einen Koaxial-Außenleiter, einen Einlass, mit welchem Prozessgas in den Innenraum zuführbar ist, und einen Auslass, mit welchem Prozessgas aus dem Innenraum abführbar ist, aufweist, wobei die Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, dass der Koaxial-Innenleiter durch den Innenraum hindurch verläuft, und dass der innerhalb des Innenraums angeordnete Bereich des Koaxial-Innenleiters U-förmig ausgebildet ist und die Schenkel des U-förmigen Koaxial-Innenleiters entlang ihrer gesamten Länge gerade ausgebildet sind, wobei einer der U-Schenkel in dessen Längsrichtung im Mittenbereich wendelförmig ausgebildet ist. Dies ist vorteilhaft, da somit die elektromagnetische Welle von oben und unten ein gleichmäßiges Plasma ausbilden kann und die Einspeisungen der Welle durch die Wendel getrennt sind.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der Koaxial-Außenleiter mit einem Innenraum-Außenleiter, welcher den Innenraum umgibt, verbunden, und der Koaxial-Innenleiter ist exzentrisch zur Mittelachse des Innenraums und Innenraum-Außenleiters angeordnet. Dies ist vorteilhaft, da im Bereich des Koaxial-Innenleiters und des den Reaktionsraum umschließenden Außenleiters ein gleichmäßiges Plasma hoher Dichte erzeugbar ist, um gute Prozessergebnisse zu erzielen. Ferner kann sich die elektromagnetische Welle ungehindert im Reaktionsraum ausbreiten kann.
Weiterhin ist bevorzugt, dass der Koaxial-Innenleiter von einer Isolierung umgeben ist. Dies ist vorteilhaft, da somit die elektromagnetische Welle ungehindert in die Reaktionskammer (den Innenraum) eintreten kann und die Reaktionskammer gasdicht vom Koaxial-Innenleiter getrennt ist.
Eine andere bevorzugte Weiterbildung bezüglich der erfindungsgemäßen Ausführungsform mit U-förmigen Koaxial-Innenleiter besteht darin, dass der Koaxial-Innenleiter eines Schenkels in seiner gesamten Länge gerade ausgebildet ist und dieser Schenkel vom Koaxial-Außenleiter entlang seiner gesamten Länge umgeben ist. Damit kann die elektromagnetische Welle bis zum oberen Ende des U-Schenkels gelangen, um dann von dort ausgehend durch die Isolierung in die Anregungskammer einzutreten.
Weiterhin ist bevorzugt, dass der U-förmige Koaxial-Innenleiter so ausgerichtet ist, dass eine Achse, welche in Breitenrichtung des Koaxial-Innenleiters verläuft, senkrecht zu einer Radialachse des zylinderförmigen Innenraums steht. Die Radialachse des Innenraums ist derart definiert, dass sie zum einen die Mittelachse des Innenraums und Innenraum-Außenleiters schneidet und senkrecht zu dieser verläuft, zum anderen in Radialrichtung des zylinderförmigen Innenraums in Richtung von der Mittelachse des Innenraums fort gerichtet ist.
Es ist auch vorteilhaft, dass ein zusätzlicher Koaxial-Außenleiter koaxial um den Koaxial-Innenleiter am Ende des einen U-Schenkels des Koaxial-Innenleiters angeordnet ist. Dies ist vorteilhaft, da somit am Ende des Außenleiters die elektromagnetische Welle durch die Isolierung in den Reaktionsraum austreten kann, um dort ein gleichmäßiges Plasma zu erzeugen.
Ferner ist bevorzugt, dass der Koaxial-Innenleiter von einer Isolierung umgeben ist, welche U-förmig ausgebildet ist. Damit kann das Plasma den gesamten Umfang des Koaxial-Innenleiters vollständig umschließen.
Vorteilhaft ist weiterhin, dass der Koaxial-Innenleiter zur Aufnahme eines Kühlmittels ausgebildet ist und dass der Koaxial-Innenleiter an einem Ende einen Kühlmitteleinlass und am anderen Ende einen Kühlmittelauslass aufweist. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung noch mit Sperrtöpfen für eine Kühlmittelzuführung zum Koaxial-Innenleiter versehen, damit z. B. Wasser dem Innenleiter zugeführt werden kann, ohne die elektromagnetische Welle zu absorbieren. Zur Verbesserung der Kühlung der Innenleiterisolierung kann Gas zwischen gekühltem Koaxial-Innenleiter und Isolierung eingeleitet werden. Damit kann die Temperatur der Innenleiterisolierung wesentlich gesenkt werden, was bei der chemischen Dampfphasenabscheidung sehr vorteilhaft ist.
Weiterhin ist vorteilhaft, dass der Innenraum-Außenleiter mit einer Isolierung versehen ist. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist zusätzlich die Isolierung zum Innenraum hin orientiert, wobei der Innenraum-Außenleiter netzartig ausgebildet ist. Damit wird erreicht, dass durch die Isolierung das Reaktionsgas von der Umgebung getrennt ist und durch das Netz die elektromagnetische Welle den Reaktionsraum nicht verlassen kann, die Wärmestrahlung der Heizelemente das Netz aber passieren kann, damit die Werkstücke auf die gewünschte Temperatur gebracht werden können.
Eine bevorzugte Weiterbildung besteht ferner darin, dass die Isolierung für den Innenraum-Außenleiter und die Isolierung für den Koaxial-Innenleiter einstückig ausgebildet sind. Damit können die Isolierungen durch einen Fertigungsgang hergestellt werden.
Weiterhin ist bevorzugt, dass die Isolierung für den Innenraum-Außenleiter die Isolierung für den Koaxial-Innenleiter nicht berührt. Somit umschließt der Innenraum (die Anregungskammer) die Innenelektroden vollständig, und dadurch kann die hochdichte Plasmazone vergrößert werden.
Ferner ist es vorteilhaft, dass der Innenraum von einer Heizwendel umgeben ist, mit welcher der Innenraum und darin enthaltene Werkstücke beheizbar sind. Damit können die Werkstücke entsprechend den Prozessanforderungen für LPCVD und ALD und Kammerreinigung auf die gewünschte Temperatur gebracht werden.
Weiterhin ist bevorzugt, dass das Gehäuse und ein Innenraum-Außenleiter, welcher mit dem Koaxial-Außenleiter verbunden ist und den Innenraum umgibt, einstückig sind. Dies ermöglicht eine besonders einfache Ausführungsform der Apparatur.
Weiterhin ist es zweckmäßig, dass eine Rotationsvorrichtung vorgesehen ist, mit welcher Werkstücke im Innenraum rotierend bewegbar sind. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Innenraum mit einer Tür versehen, so dass Werkstücke in den Innenraum hinein oder aus dem Innenraum heraus verlagerbar sind. Durch die Rotation der Werkstücke in der Anregungskammer kann das axial über die Kammer gleichmäßig verteilte Plasma auch in radialer Richtung gleichmäßig auf die Werkstücke einwirken. Ferner können die Werkstücke über eine Tür in die Anregungskammer gebracht werden.
Ferner ist bevorzugt, dass ein Gaseinlass durch ein Rohr in den Innenraum geleitet wird und dort in ein U-förmiges Profil mündet, dessen Schenkel zu einer Isolierung hin geöffnet sind. Dies ist vorteilhaft, da somit das Gas die Anregungszone mit der höchsten Energie passieren muss, bevor es die Werkstücke erreicht.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist eine zusätzliche Isolierung um die Isolierung des Koaxial-Innenleiters vorgesehen. Damit kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abscheidung von leitenden Schichten, wie Titannitrid, Tantalnitrid, Kupfer, Polysilizium etc. mittels der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) verwendet werden. Es ist vorteilhaft, wenn anschließend die Anregungskammer der Vorrichtung, insbesondere die Isolierungen 13a und 13i, durch ein Reinigungsplasma mittels chlor- und fluorhaltiger Gase (Cl₂, NF₃, SF₆ ...) von den leitenden Schichten befreit werden können. Durch die Verwendung der zusätzlichen Spülung zwischen den Isolierungen 13i und 13ii bleibt ein Bereich der Isolierung 13i frei von der leitenden Beschichtung.
Die Erfindung wird nun an Hand der Figuren der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen schematisch:
1 eine Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 eine Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
3 eine Darstellung einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
4 eine Darstellung einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
5 eine Darstellung einer fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
6 eine Darstellung einer sechsten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
7 eine Darstellung einer siebten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dabei ist mit 3 eine Anregungskammer bzw. ein zylinderförmig ausgebildeter Innenraum bezeichnet, in welchem Werkstücke 18 wie zum Beispiel Silizium-Wafer, die zur Fertigung von elektro nischen Bauelementen großtechnisch eingesetzt werden, einer Plasmabehandlung unterzogen werden können. In den Innenraum ragt ferner ein rohrförmiger Gaseinlass 14 hinein, durch welchen Prozessgas in den Innenraum 3 eingelassen werden kann. Das Ende des Gaseinlasses ist weit in den Innenraum hinein angeordnet, damit eine gute Durchmischung des Prozessgases erreicht wird. Vorteilhaft ist auch eine U-Profil-Ausbildung (nicht dargestellt) des Gaseinlasses 14 in den Innenraum 3, wobei die Öffnung des U-Profils zur Isolierung 13i des Innenleiters gerichtet ist. Dadurch wird jeweils ein Spalt zwischen den Schenkeln des U-förmigen Gaseinlasses 14 und der Isolierung 13i des Innenleiters gebildet. Bei einem solchen Gaseinlass wird erreicht, dass das Prozessgas den Bereich mit der größten Plasmadichte nahe der Isolierung 13i passieren muss, bevor es in den Innenraum 3 eindringt.
Ein Koaxial-Innenleiter 10 ragt ebenfalls von außen in den Innenraum hinein, wobei gemäß der ersten Ausführungsform das Ende des Koaxial-Innenleiters 10 wendelförmig ausgebildet ist. Dadurch wird erreicht, dass das Plasma mittels einer elektromagnetischen Welle bei geringer Energiedichte oder auch bei sehr kleinem Gasdruck zuverlässig gezündet werden kann. Um den Koaxial-Innenleiter 10 ist ein Koaxial-Außenleiter 11 vorgesehen, welcher koaxial zum Koaxial-Innenleiter 10 angeordnet ist. Er ragt von außen in den Innenraum 3 hinein, wobei der im Innenraum 3 befindliche Teil relativ kurz ausgebildet ist, weil dadurch zur Erzeugung eines Plasmas im Innenraum 3 der Austritt der elektromagnetischen Welle ermöglicht wird.
Der Koaxial-Außenleiter 11 ist mit einem Innenraum-Außenleiter 12 verbunden, welcher den Innenraum 3 umgibt. Zwischen dem Koaxial-Innenleiter 10 und dem Koaxial-Außenleiter 11 bzw. dem Innenraum-Außenleiter 12 sind Isolierungen vorgesehen. Der Koaxial-Innenleiter 10 ist von einer Isolierung 13i umgeben, welche dazu dient, den Innenraum 3 vom Koaxial-Innenleiter 10 gasdicht zu trennen. Der Innenraum-Außenleiter 12 ist mit einer Isolierung 13a umgeben, wobei die Isolierung zum Innenraum hin gerichtet ist. Die Isolierung 13a wie auch die Isolierung 13i sind miteinander so in Kontakt, dass der Koaxial-Innenleiter 10 von seinem Einlassbereich in den Innenraum bis zu seinem Ende im Bereich 8 vollständig von einer Isolierung umgeben ist. Dadurch wird erreicht, dass sich die elektromagnetische Welle in der gesamten Anregungskammer ungehindert ausbreiten kann, jedoch das Prozessgas durch Isolierungen eingeschlossen ist. Als Material für die Isolierungen 13i und 13a ist Quarz oder Keramik besonders gut geeignet.
Der Koaxial-Innenleiter 10 ist so ausgebildet, dass er ein Kühlmittel 19 aufnehmen kann, das vorzugsweise aus Wasser besteht. Dadurch wird erreicht, dass die Temperatur des Koaxial-Innenleiters 10 auf Zimmertemperatur gehalten werden kann, obwohl durch das Plasma und die Strahlung der Heizelemente die Isolierung 13a und Isolierung 13i aufgeheizt werden. Das Kühlmittel 19 wird über einen sogenannten elektromagnetischen Sperrtopf 11a dem Koaxial-Innenleiter 10 zugeführt, wobei der Koaxial-Innenleiter 10 und der Koaxial-Außenleiter 11 am Ende des Sperrtopfes galvanisch miteinander verbunden sind. Die Länge des Sperrtopfes ist dabei so dimensioniert, dass bei Verwendung einer entsprechenden Wellenlänge der elektromagnetischen Welle kein Kurzschluss durch den Sperrtopf verursacht wird. Durch diese Anordnung kann das Kühlmittel, welches vorzugsweise Wasser ist, dem Koaxial-Innenleiter verlustfrei zugeführt werden, obwohl die elektromagnetische Welle, wie z. B. eine Mikrowelle, sehr stark von Wasser absorbiert wird.
Durch zusätzliche Verwendung eines gasförmigen Wärmetransportmittels, wie vorzugsweise Stickstoff oder Pressluft (nicht dargestellt) zwischen dem Koaxial-Innenleiter 10 und der Isolierung 13i kann die Wärmeübertragung zwischen dem gekühlten Koaxial-Innenleiter 10 und der Isolierung 13i wesentlich verbessert werden, wodurch eine effektive Kühlung der Isolierung 13i erzielt wird. Ein Ätzangriff der Isolierung 13i kann dadurch stark verringert werden, wenn in der Anregungskammer 3 Ätzgase wie Sickstofftrifluorid, Schwefelhexaflourid, Kohlenstofftetrafluorid oder ähnliches verwendet werden. Des weiteren kann bei der Abscheidung von Schichten durch die Chemische Gasphasen-Abscheidung (CVD) eine Abscheidung auf der gekühlten Isolierung 13i vermieden oder stark reduziert werden. Dies ist bei der Reinigung der Isolierungen 13i und 13a sehr vorteilhaft.
Der Innenraum-Außenleiter 12 ist netzartig ausgebildet, damit die Strahlung der Heizelemente 17, welche um den Innenraum-Außenleiter 12 herum angeordnet sind, durch den Außenleiter passieren kann. Die gesamte Vorrichtung ist mit einem Gehäuse 16 von äußeren Einflüssen geschützt, wobei das Gehäuse einen Auslass 15 aufweist, mit welchem Prozessgas aus dem Innenraum 3 wieder abgeführt werden kann. Um die Werkstücke 18 in den Innenraum 3 zu befördern, ist am Boden des Gehäuses eine Tür 4 vorgesehen, mit welcher Zugang zum Innenraum 3 geschaffen werden kann. Vorzugsweise ist die Werkzeughalterung rotierbar ausgebildet, damit die Werkstücke möglichst gleichmäßig der Plasmazone ausgesetzt werden können, welche, bedingt durch die Bauart der Vorrichtung, im Bereich der Isolierung 13i die größte Plasmadichte hat.
Die zweite Ausführungsform der Erfindung, siehe 2, unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform unter anderem dadurch, dass der Koaxial-Innenleiter 10 in seiner Längsrichtung im Mittenbereich und nicht an seinem Ende wendelförmig ausgebildet ist. Zusätzlich ist der Koaxial-Innenleiter an beiden Enden offen, so dass an einem Ende 19 Kühlmittel zugeführt und am anderen Ende 29 Kühlmittel abgeführt werden kann. Analog zu dem am einen Ende 19 vorgesehenen Koaxial-Außenleiter 11 ist am anderen Ende 29 ein Koaxial-Außenleiter 21 vorgesehen, wodurch eine symmetrische Gestalt des Koaxial-Innenleiters 10 bzw. 20 vorliegt. Dadurch wird erreicht, dass die Zuführung der elektromagnetischen Welle von beiden Enden, das heißt von oben und von unten, ermöglicht wird und dadurch über die gesamte Höhe der Anregungskammer 3 eine gleichmäßige Verteilung des Plasmas ermöglicht wird. Durch die Anordnung der Wendel ist die elektromagnetische Welle von beiden Einspeisungen getrennt.
Gemäß einer dritten Ausführungsform, siehe 3, ist der Koaxial-Innenleiter 10 U-förmig und an einem seiner U-Schenkel in dessen Längsrichtung im Mittenbereich wendelförmig ausgebildet. Der Einlassbereich 19 des Koaxial-Innenleiters 10 und der Auslassbereich 39 des Koaxial-Innenleiters 30 sind somit benachbart zueinander angeordnet und enden beide außerhalb des Innenraums 3. Der andere U-Schenkel ist in seiner Längsrichtung im Mittenbereich nicht wendelförmig ausgebildet, sondern von seinem Einlassbereich entlang seiner gesamten Länge gerade ausgebildet. Entlang dieser Länge verläuft der Koaxial-Außenleiter 11 koaxial zum Koaxial-Innenleiter 10, so dass der Transport der elektromagnetischen Welle bis zum oberen Ende der Anregungskammer 3 ermöglicht wird, was einer von oben zugeführten Energieeinspeisung gemäß 2 entspricht. Ein zusätzlicher Koaxial-Außenleiter 31 ist benachbart zum Koaxial-Außenleiter 11 so angeordnet, dass er koaxial zum Koaxial-Innenleiter 30 im Bereich des offenen Endes des anderen U-Schenkels verläuft.
Der Koaxial-Außenleiter 31 ragt im Vergleich zum Koaxial-Außenleiter 11 mit einer relativ geringen Länge in den Innenraum 3 hinein, weil so der Austritt der elektromagnetischen Welle durch die Isolierung 13i in den Innenraum 3 ermöglicht wird. Beide Koaxial-Außenleiter 11 und 31 durchdringen die Gehäusewand und sind außerhalb des Gehäuses 16 kontaktierbar. Der zwischen den beiden U-Schenkeln bestehende Raum weist mittig zu den beiden Schenkeln eine Isolierung 13i auf, so dass der Koaxial-Außenleiter 11 vom Koaxial-Innenleiter 30 elektrisch isoliert ist. Außerdem sind bei einer bevorzugten Ausführungsform (nicht dargestellt) an den Koaxial-Innenleitern 10 bzw. 30 und den Koaxial-Außenleitern 11 bzw. 31 Sperrtöpfe 11a und 31a angeordnet (wie oben bei der ersten Ausführungsform beschrieben), die einen Zulauf bzw. Ablauf der Kühlflüssigkeit zu den Koaxial-Innenleitern 10 und 30 erlauben, ohne dass die elektromagnetische Welle durch das Kühlmittel, wie z. B. Wasser, absorbiert werden kann. Der U-förmige Koaxial-Innenleiter 10, 30 einschließlich Koaxial-Außenleiter 11, 31 und Gaseinlass 14 können so angeordnet sein, dass eine Achse, welche in Breitenrichtung der Koaxial-Innenleiter, der Koaxial-Außenleiter und des Gaseinlasses verläuft, senkrecht zu einer Radialachse des zylinderförmigen Innenraums steht. Die Radialachse des Innenraums ist derart definiert, dass sie zum einen die Mittelachse des Innenraums und Innenraum-Außenleiters schneidet und senkrecht zu dieser verläuft, zum anderen in Radialrichtung des zylinderförmigen Innenraums in Richtung von der Mittelachse des Innenraums fort gerichtet ist. Durch eine solche Anordnung wird für die Werkstücke mehr Platz im Innenraum geschaffen.
In 4 ist eine vierte Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt. Die vierte Ausführungsform ist sehr ähnlich zu der ersten Ausführungsform, unterscheidet sich jedoch durch die Isolierung um den Koaxial-Innenleiter 10. Bei der vierten Ausführungsform ist die Isolierung 13i um den Koaxial-Innenleiter 10 vollständig von der Isolierung 13a des Innenraum-Außenleiters 12 getrennt. Dadurch wird erreicht, dass die Anregungskammer 3 die Isolierung 13i vollständig umschließt und so der Bereich mit hoher Plasmadichte um den Koaxial-Innenleiter 10 wesentlich vergrößert wird. Somit wird der Wirkungsgrad der Vorrichtung verbessert. Da die Isolierungen voneinander getrennt sind, ist die Vorrichtung zudem einfacher zu montieren.
Bei der fünften Ausführungsform, siehe 5, ist der Koaxial-Innenleiter 10 bzw. 30 U-förmig ausgebildet, ähnlich zur dritten Ausführungsform. Die Isolierung 13i für den Koaxial-Innenleiter 10 ist jedoch, im Unterschied zur dritten Ausführungsform, vollständig von der Isolierung 13a des Innenraum-Außenleiters 12 getrennt. Zwischen den beiden U-Schenkeln verläuft zudem die Isolierung 13i des Koaxial-Innenleiters 10 bzw. 30 ebenfalls U-förmig. Technisch lässt sich dies zum Beispiel durch ein Isolierrohr um den Koaxial-Innenleiter 10, 30 erreichen. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, weil der Innenraum 3 die Isolierungen 13i vollständig umschließt und so der Bereich mit hoher Plasmadichte um den Koaxial-Innenleiter 10, 30 wesentlich vergrößert wird. Somit wird der Wirkungsgrad der Vorrichtung verbessert. Der Vorteil einer gleichmäßigen Plasmaverteilung über die gesamte Höhe des Innenraums 3 ist zusätzlich gegeben. Da die Isolierungen voneinander getrennt sind, ist die Vorrichtung zudem einfacher zu montieren.
Bei der sechsten Ausführungsform, siehe 6, wird der Innenraum-Außenleiter 12 in seiner Funktion von dem Gehäuse 16 übernommen. Das Gehäuse 16 und der Innenraum-Außenleiter 12, welcher allgemein mit dem Koaxial-Außenleiter 11 verbunden ist und den Innenraum 3 umgibt, sind somit einstückig. Die weiteren Merkmale dieser sechsten Ausführungsform entsprechen im Übrigen jenen der ersten Ausführungsform. Diese Ausführungsform ist wegen ihrer relativ einfachen Bauform besonders vorteilhaft.
In 7 ist eine siebte Ausführungsform schematisch in einem Schnitt dargestellt, wobei sich die siebte Ausführungsform von der zweiten Ausführungsform in folgenden Merkmalen unterscheidet: Zur Spülung des unteren Bereiches der Isolierung des Koaxial-Innenleiters 13i ist durch den Gehäuseboden ein weiterer Gaseinlass 14a vorgesehen, welcher so angeordnet ist, dass das zusätzliche Gas unmittelbar am Rand der Isolierung 13i entlang strömen kann. Um die Spülung effizient durchführen zu können, wird das Gas in einer schmalen Zone um die Isolierung 13i geführt, wobei die äußere Wandung einer sich somit ergebenden Spülkammer durch eine zusätzliche Isolierung 13ii gebildet wird. Die zusätzliche Isolierung 13ii umgibt im unteren Bereich des Koaxial-Innenleiters 10 koaxial die Isolierung 13i Diese Ausführungsform wird bevorzugt, wenn die Vorrichtung zur Abscheidung von leitenden Schichten, wie z. B. Titannitrid, Tantalnitrid, Kupfer, Polysilizium etc., mittels der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) verwendet wird und anschließend der Innenraum der Vorrichtung, insbesondere die Isolierungen 13a und 13i, durch ein Reinigungsplasma mittels chlor- und fluorhaltiger Gase (Cl₂, NF₃, SF₆, u. ä.) von leitenden Schichten befreit werden sollen. Durch die Verwendung der zusätzlichen Spülung zwischen den Isolierungen 13i und 13ii bleibt ein Bereich der Isolierung 13i frei von der leitenden Beschichtung, wodurch die Zündung des Reinigungsplasmas in dem unbeschichteten Teil ermöglicht wird, das sich dann über den gesamten Innenraum ausbreiten kann und somit die Reinigung des gesamten Innenraums ermöglicht.

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung angeregter und/oder ionisierter Teilchen in einem Plasma aus einem Prozessgas, aufweisend: – einen Innenraum (3), welcher zylinderförmig ausgebildet ist und in welchem eine Plasmazone erzeugbar ist, – einen Koaxial-Innenleiter (10), der von außen in den Innenraum (3) hineinragt und dort endet, – einen Koaxial-Außenleiter (11), – einen Einlass (14), mit welchem Prozessgas in den Innenraum (3) zuführbar ist, und – einen Auslass (15), mit welchem Prozessgas aus dem Innenraum (3) abführbar ist dadurch gekennzeichnet, dass der innerhalb des Innenraums (3) angeordnete Bereich des Koaxial-Innenleiters (10) über den Großteil seiner Länge stabförmig und gerade ausgebildet ist, wobei sein Ende (8) wendelförmig ausgebildet ist.
Vorrichtung zur Erzeugung angeregter und/oder ionisierter Teilchen in einem Plasma aus einem Prozessgas, aufweisend: – einen Innenraum (3), welcher zylinderförmig ausgebildet ist und in welchem eine Plasmazone erzeugbar ist, – einen Koaxial-Innenleiter (10), – einen Koaxial-Außenleiter (11), – einen Einlass (14), mit welchem Prozessgas in den Innenraum (3) zuführbar ist, und – einen Auslass (15), mit welchem Prozessgas aus dem Innenraum (3) abführbar ist dadurch gekennzeichnet, dass der Koaxial-Innenleiter (10) durch den Innenraum (3) hindurch verläuft; und dass der innerhalb des Innenraums (3) angeordnete Bereich des Koaxial-Innenleiters (10) stabförmig und gerade ausgebildet ist, wobei der Koaxial-Innenleiter (10) in seiner Längsrichtung im Mittenbereich wendelförmig ausgebildet ist.
Vorrichtung zur Erzeugung angeregter und/oder ionisierter Teilchen in einem Plasma aus einem Prozessgas, aufweisend: – einen Innenraum (3), welcher zylinderförmig ausgebildet ist und in welchem eine Plasmazone erzeugbar ist, – einen Koaxial-Innenleiter (10), – einen Koaxial-Außenleiter (11), – einen Einlass (14), mit welchem Prozessgas in den Innenraum (3) zuführbar ist, und – einen Auslass (15), mit welchem Prozessgas aus dem Innenraum (3) abführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Koaxial-Innenleiter (10) durch den Innenraum (3) hindurch verläuft; und dass der innerhalb des Innenraums (3) angeordnete Bereich des Koaxial-Innenleiters (10) U-förmig ausgebildet ist und die Schenkel des U-förmigen Koaxial-Innenleiters (10) entlang ihrer gesamten Länge gerade ausgebildet sind, wobei einer der U-Schenkel in dessen Längsrichtung im Mittenbereich wendelförmig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Koaxial-Innenleiter (10) eines Schenkels in seiner gesamten Länge gerade ausgebildet ist und dieser Schenkel vom Koaxial-Außenleiter (11) entlang seiner gesamten Länge umgeben ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der U-förmige Koaxial-Innenleiter (10, 30) so ausgerichtet ist, dass eine Achse, welche in Breitenrichtung des Koaxial-Innenleiters (10, 30) verläuft, senkrecht zu einer Radialachse des zylinderförmigen Innenraums (3) steht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher Koaxial-Außenleiter (31) koaxial um den Koaxial-Innenleiter (30) am Ende des einen U-Schenkels des Koaxial-Innenleiters (30) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Koaxial-Innenleiter (10) von einer Isolierung (13i) umgeben ist, welche U-förmig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Koaxial-Innenleiter (10) von einer Isolierung (13a, 13i) umgeben ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Koaxial-Innenleiter (10) zur Aufnahme eines Kühlmittels ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel Wasser ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Koaxial-Innenleiter (10, 30) an einem Ende (19) einen Kühlmitteleinlass und am anderen Ende (39) einen Kühlmittelauslass aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Koaxial-Innenleiter (10) am einen Ende am Kühlmitteleinlass zur Zuführung von Kühlmittel einen Sperrtopf (11a) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Koaxial-Außenleiter (11) mit einem Innenraum-Außenleiter (12), welcher den Innenraum umgibt, verbunden ist, und der Koaxial-Innenleiter (10) exzentrisch zur Mittelachse des Innenraums (3) und Innenraum-Außenleiters (12) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum-Außenleiter (12) mit einer Isolierung (13a) versehen ist, die an der zum Innenraum (3) hin gewandten Seite des Innenraum-Außenleiters (12) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum-Außenleiter (12) netzartig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierung (13a) für den Innenraum-Außenleiter (12) und die Isolierung (13i) für den Koaxial-Innenleiter (10) einstückig ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierung (13a) für den Innenraum-Außenleiter (12) die Isolierung (13i) für den Koaxial-Innenleiter (10) nicht berührt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum (3) von einer Heizwendel (17) umgeben ist, mit welcher der Innenraum (3) und darin enthaltene Werkstücke (18) beheizbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizwendel (17) und der Innenraum (3) von einem Gehäuse (16) umgeben sind.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (16) und ein Innenraum-Außenleiter (12), welcher mit dem Koaxial-Außenleiter (11) verbunden ist und den Innenraum (3) umgibt, einstückig sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rotationsvorrichtung (18a) vorgesehen ist, mit welcher Werkstücke (18) im Innenraum (3) rotierend bewegbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum (3) mit einer Tür (4) versehen ist, so dass Werkstücke in den Innenraum (3) hinein oder aus dem Innenraum (3) heraus verlagerbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Spülung eines Bereiches der Isolierung (13i) des Koaxial-Innenleiters (10) ein Gaseinlass (14a) in den Innenraum (3) vorgesehen ist, wobei der Gaseinlass (14a) derart ausgebildet ist, dass das durch ihn in den Innenraum (3) eingeleitete Gas am Rand des zu spülenden Bereichs der Isolierung (13i) entlang strömt.
Vorrichtung nach einem der Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaseinlass (14a) zur Gaszuführung in den Innenraum (3) rohrförmig ausgebildet ist; und dass der Gaseinlass (14a) in ein U-förmiges Profil mündet, dessen Schenkel zu den Isolatoren (13i) hin geöffnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaseinlass (14a) in ein U-förmiges Profil mündet, dessen Schenkel zur Isolierung (13i) geöffnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Isolierung (13ii) um die Isolierung (13i) des Koaxial-Innenleiters (10) vorgesehen ist.