DE102004039969A1

DE102004039969A1 - Plasmaquellenvorrichtung, Anordnung mit einer Plasmaquellenvorrichtung sowie Abstrahleinheit für eine Plasmaquellenvorrichtung

Info

Publication number: DE102004039969A1
Application number: DE200410039969
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dr. Beckmann; Michael Klosch; Uwe Prof. Dr. Czarnetzki; Timo Dr. Gans; Viktor A. Kadetov
Original assignee: Leybold Optics GmbH
Current assignee: Buehler Alzenau GmbH
Priority date: 2004-08-18
Filing date: 2004-08-18
Publication date: 2006-02-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Plasmaquellenvorrichtung, insbesondere für eine Beschichtungseinrichtung, Reinigungseinrichtung oder eine Ätzeinrichtung, mit einer Abstrahleinheit (13) zur Abstrahlung elektromagnetischer Strahlung in einen Reaktionsraum (16) zur Erzeugung eines Plasmas (17), mit dem eine Reaktionsfläche (18) im Reaktionsraum (16) beaufschlagbar ist, mit einer Schnittstelle (15) zur Einkopplung der elektromagnetischen Strahlung zwischen der Abstrahleinheit (13) und dem Reaktionsraum (17) sowie mit einer Gaseinlassvorrichtung (20). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Schnittstelle (15) transparent für von der Abstrahleinheit (13) abgegebene elektromagnetische Strahlung ist. Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung mit einer Plasmaquellenvorrichtung und eine Abstrahleinheit (15) für eine Plasmaquellenvorrichtung.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Plasmaquellenvorrichtung, eine Anordnung mit einer Plasmaquellenvorrichtung sowie eine Abstrahleinheit für eine Plasmaquellenvorrichtung, jeweils gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Plasmaunterstützte Beschichtungs- oder Ätzverfahren sind bekannt. Das Plasma kann auf unterschiedliche Arten in einem Reaktionsraum gezündet werden, z.B. durch Einstrahlung elektromagnetischer Strahlung im MHz-Bereich. Um eine Beschichtung eines Substrats zu erzielen, wird üblicherweise ein schichtbildendes gasförmiges Monomer, z.B. eine siliziumorganische Verbindung, und gegebenenfalls ein Reaktionsgas, z.B. Sauerstoff, und/oder ein Inertgas, z.B. Argon, in den Reaktionsraum geleitet. Die Schichtdicke und deren Schichtdickengleichmäßigkeit hängen empfindlich von der Art des Gaseinlasses ab. Generell ist es vorteilhaft, einen kleinen Reaktionsraum zu haben. Bei einem Gaseinlass an einer gegebenen Stelle des Reaktionsraums ist dabei die Beschichtungsrate umso kleiner, je größer der Abstand zwischen dem Gaseinlass und dem Substrat ist. Die Schichtdickengleichmäßigkeit wird umso besser, je größer der Abstand zwischen Gaseinlass und Substrat ist. Gute Schichtdickengleichmäßigkeit und eine hohe Beschichtungsrate erfordern demnach gegenläufige Randbedingungen. Ähnliches gilt für plasmaunterstützte Ätzverfahren.
Bei einer induktiven Plasmaquelle mit einer HF-Antenne als Abstrahleinheit muss der Durchmesser der HF-Spule größer sein als der Durchmesser der zu beschichtenden Substratfläche. Hat dieses einen Durchmesser von z.B. 80 mm, sollte die HF-Antenne 100 mm Durchmesser aufweisen. Eine in der Nähe der HF-Antenne platzierte, typischerweise ringförmige Gasdusche als Gaseinlass sollte zur HF-Antenne jedoch einen Abstand von 50 mm aufweisen, da sonst ein Plasma in der Gasdusche brennen und/oder bei metallischen Gasduschen eine unerwünschte Erwärmung durch elektromagnetische Induktion zur Zersetzung der Beschichtungsgase bereits in der Gasdusche führen kann. Daher müsste die Gasdusche einen erheblich größeren Radius, z.B. 200 mm, aufweisen und das Substrat mehr als 80 mm von der HF-Antenne entfernt sein mit dem Ergebnis einer unwirtschaftlich kleinen Beschichtungsrate. Zwar kann die Beschichtungsrate erhöht werden, wenn eine Gasdusche in etwa mittig zwischen HF- Antenne und Substrat angeordnet wird. Allerdings muss aus Gründen der elektromagnetischen Abschirmung die Gasdusche metallisch sein, um ein Zünden eines Plasmas in der Gasdusche zu verhindern. Die metallische Gasdusche wirkt jedoch im Zusammenhang mit der HF-Antenne als Sekundärspule eines Transformators und reduziert in der Regel die Effizienz der Umsetzung der eingestrahlten Hochfrequenz in Plasmaleistung.
Bei kleineren Abständen zwischen Gasdusche und Substrat kann zwar für plane Substrate eine Schichtdickengleichmäßigkeit optimiert werden, falls jedoch die Oberflächen der Substrate von Beschichtung zu Beschichtung stark variieren, z.B. von konvex zu konkav, ist ein zufrieden stellendes Ergebnis nur schwer zu erreichen.
Aus der US 6,502,530 B1 ist eine Plasmaquellenvorrichtung bekannt, bei der Mikrowellenstrahlung kapazitiv in einen Reaktionsraum eingekoppelt wird. Der Gaseinlass ist in eine der Elektroden integriert und flächig ausgebildet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Plasmaquellenvorrichtung, eine Anordnung mit einer Plasmaquellenvorrichtung sowie eine Abstrahleinheit für eine Plasmaquellenvorrichtung zu schaffen, die eine Plasma-Beaufschlagung einer Reaktionsfläche mit großer Homogenität erlaubt und besonders für komplex geformte und/oder thermisch empfindliche Substrate geeignet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
Bei der erfindungsgemäßen Plasmaquellenvorrichtung, insbesondere für eine Beschichtungseinrichtung, Reinigungseinrichtung oder eine Ätzeinrichtung, mit einer Abstrahleinheit zur Abstrahlung elektromagnetischer Strahlung in einen Reaktionsraum zur Erzeugung eines Plasmas, mit dem eine Reaktionsfläche im Reaktionsraum beaufschlagbar ist, mit einer Schnittstelle zur Einkopplung der elektromagnetischen Strahlung zwischen der Abstrahleinheit und dem Reaktionsraum sowie mit einer Gaseinlassvorrichtung, ist die Schnittstelle transparent für von der Abstrahleinheit abgegebene elektromagnetische Strahlung. Die Abstrahleinheit ist dabei vorzugsweise in Atmosphärenumgebung angeordnet. Die elektromagnetische Strahlung ist vorzugsweise hochfrequent, insbesondere im Radiofrequenz-Bereich (RF) oder im Mikrowellenbereich, insbesondere bei 13,56 MHz. Vorzugsweise ist die Schnittstelle aus einem Isolator gebildet. Bevorzugt ist Quarz oder Saphir oder Keramik als Material der Schnittstelle.
Besonders vorteilhaft ist die Gaseinlassvorrichtung in einem Plasma-Dunkelraum an der Schnittstelle so angeordnet, dass das Gas im Dunkelraum zuführbar ist. Ein unerwünschtes Zünden eines parasitären Plasmas in der Gaseinlassvorrichtung ist damit zuverlässig vermieden, ebenso wie eine Kontamination des Plasmas durch ein Material der Gaseinlassvorrichtung. Die Plasmaquellenvorrichtung kann zur Beschichtung einer Reaktionsfläche insbesondere mittels plasmaunterstützter CVD (chemical vapor deposition) oder zum plasmaunterstützten Ätzen oder Reinigen einer Reaktionsfläche eingesetzt werden. Ebenso kann das Material der Gaseinlassvorrichtung beliebig sein, insbesondere aus einem Isolator wie Quarz, Saphir oder Keramik.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Gaseinlassvorrichtung als scheibenförmige Gasdusche ausgebildet ist, die an ihrer zur Reaktionsfläche hin weisenden Stirnseite Öffnungen, vorzugsweise Bohrungen aufweist. Das Gas strömt durch die Bohrungen in den Reaktionsraum. Die Gaseinlassvorrichtung kann an ihrer Stirnseite plan oder konkav oder konvex ausgebildet sein. Die Bohrungen sind günstigerweise flächig auf der Stirnseite der Gaseinlassvorrichtung verteilt. Das Gas kann ein Inertgas, z.B. Argon, und/oder ein Reaktionsgas, insbesondere in Form eines Oxidationsmittels wie Sauerstoff, oder eines Reduktionsmittels wie Wasserstoff, und/oder ein schichtbildendes Gas sein, z.B. ein Monomer, das in einem plasmaunterstützten CVD-Verfahren eingesetzt wird. Die Schichtdicke und die Schichtdickengleichmäßigkeit sowie die Schichteigenschaften hängen empfindlich von der Art und Weise ab, wie der Gaseinlass erfolgt. Daher können eine entsprechende Verteilung der Bohrungen und/oder angepasste Strömungswiderstände und/oder bereichsweise separate Gasversorgungen der Bohrungen bedarfsweise günstig eingestellt werden.
Weisen die Bohrungen wenigstens zwei separate Gaszuführungen auf, kann ein Gasdurchfluss in den entsprechenden Bereichen individuell eingestellt werden. Bei einer gegenüber der Gaseinlassvorrichtung konkav ausgebildeten Reaktionsfläche kann in einem mittleren Bereich der Gaseinlassvorrichtung ein höherer Gasdurchfluss eingestellt werden als in einem Randbereich. Ist die Reaktionsfläche konvex ausgebildet, ist es vorteilhaft, wenn der Gasdurchfluss im Randbereich höher ist als im mittleren Bereich. Vorzugsweise sind die Bohrungen in wenigstens zwei konzentrischen Kreisen angeordnet, wobei zweckmäßigerweise der innere Kreis eine Gasversorgung aufweist, die separat von der Gasversorgung der Bohrungen des äußeren Kreises sind. Die Schichtdickenhomogenität auf gekrümmten Oberflächen kann dadurch vorteilhaft verbessert werden. Besonders günstig ist die Erfindung für die Beschichtung von optischen Gläsern oder Linsen, deren Oberflächen die Reaktionsflächen bilden.
Abhängig von der jeweiligen Dioptrienzahl und ob z.B. ein Brillenglas eine Weitsichtigkeit oder eine Kurzsichtigkeit korrigieren soll, sind in einer entsprechenden Anlage beispielsweise für Kratzschutzschichten oder Entspiegelungsschichten von Beschichtung zu Beschichtung eine Vielzahl unterschiedlichster Oberflächentypen von optischen Gläsern mit unterschiedlichsten Krümmungen mit großer Homogenität zu beschichten.
Ist zwischen der Gaseinlassvorrichtung und der Reaktionsfläche ein zusätzlicher Gaseinlass angeordnet, kann eine vorteilhafte zusätzliche Gaszufuhr nahe der Reaktionsfläche erreicht werden. Auch kann eine Beeinflussung und Verbesserung der Schichtdickenhomogenität oder einer Ätzrate auf der Reaktionsfläche erreicht werden. Ist der Gaseinlass als metallischer Kurzschlussring ausgebildet, kann eine vorteilhafte räumliche Beschränkung des Plasmas erreicht werden. Das Plasma ist im Wesentlichen zwischen dem Kurzschlussring und der Gaseinlassvorrichtung konzentriert, während zwischen dem Kurzschlussring und der Reaktionsfläche kaum ein Plasma brennt. Entsprechend geringer ist die thermische und Strahlungsbelastung der Reaktionsfläche, was besonders für thermisch empfindliche Reaktionsflächen aus Kunststoff oder aus Halbleitern, beispielsweise aus III-V-Halbleitern wie GaAs und dergleichen, geeignet sind. Umgekehrt kann die Reaktionsfläche näher an das Plasma herangebracht werden, um eine höhere Beschichtungsrate zu erzielen.
Eine günstige Symmetrie der Abstrahleinheit ergibt sich, wenn diese als flache spiralförmige Antenne ausgebildet ist. Entsprechen die Abstände zwischen benachbarten Windungen einer Dicke der Schnittstelle, ergibt sich eine Verringerung von Feldinhomogenitäten in der Plasmaentladung. Besonders homogen ist das abgestrahlte elektromagnetische Feld und das durch dieses Feld induzierte Plasma, falls die Antenne wenigstens als Doppelspirale ausgebildet ist. Es können auch mehr als zwei Spiralarme vorgesehen sein.
Alternativ kann die Abstrahleinheit einen Mikrowellensender umfassen. Bevorzugt ist ein Hohlleiter zwischen einem Mikrowellensender und der Schnittstelle vorgesehen, mit dem die Mikrowellenstrahlung zur Schnittstelle geleitet wird, wobei sich der Hohlleiter bevorzugt zur Schnittstelle hin erweitert. Insbesondere kann der Hohlleiter sich an der Schnittstelle trichterförmig erweitern. Damit kann die Mikrowelle homogen über eine große Fläche durch die Schnittstelle in den Reaktionsraum eintreten und eine homogene Verteilung des Plasmas schaffen.
Die erfindungsgemäße Anordnung mit einer Plasmaquellenvorrichtung, insbesondere für eine Beschichtungseinrichtung, Reinigungseinrichtung oder eine Ätzeinrichtung, mit einer Abstrahleinheit zur Abstrahlung elektromagnetischer Strahlung in einen Reaktionsraum zur Erzeugung eines Plasmas, mit dem eine Reaktionsfläche im Reaktionsraum beaufschlagbar ist, mit einer Schnittstelle zur Einkopplung der elektromagnetischen Strahlung zwischen der Abstrahleinheit und dem Reaktionsraum sowie mit einer Gaseinlassvorrichtung sieht vor, dass zwischen der Gaseinlassvorrichtung und der Reaktionsfläche ein elektrisch leitfähiger Kurzschlussring angeordnet ist. Der Kurzschlussring begrenzt die Ausdehnung des Plasmas vorteilhaft, so dass zwischen dem Kurzschlussring und der Reaktionsfläche nur ein sehr kaltes Plasma (Elektronentemperatur) brennt, während zwischen der Schnittstelle und dem Kurzschlussring ein sehr heißes Plasma trennt. Das kalte Plasma oberhalb des Kurzschlussrings bewirkt eine geringere Fragmentierung eines eingelassenen Monomers. Damit ergibt sich ein zusätzlicher Freiheitsgrad zur Steuerung der zur Beschichtung zur Verfügung stehenden Radikale. Nahe der Reaktionsfläche ist nur eine geringe Störung der Reaktionsfläche durch ein Teilchenbombardement aus dem Plasma oder eine Aufheizung aus dem Plasma zu beobachten. Die Reaktionsfläche wird geschont. Dies ist vorteilhaft bei empfindlichen Reaktionsflächen und/oder Beschichtungen, die durch die Bestrahlung aus dem Plasma in ihren Eigenschaften degradieren können, wie z.B. Halbleiter, oder bei temperaturempfindlichen Substraten.
Vorzugsweise ist die Gaseinlassvorrichtung im Dunkelraum des Plasmas nahe der Abstrahleinheit angeordnet. Günstigerweise kann der Kurzschlussring als Gaseinlassvorrichtung ausgebildet sein und Inertgase, Reaktionsgase und/oder schichtbildende Gase in der Nähe der Reaktionsfläche zuführen. Vorzugsweise ist der Kurzschlussring etwa in der Mitte zwischen der Schnittstelle und der Reaktionsfläche angeordnet.
Günstigerweise weist der Kurzschlussring einen Durchmesser auf, der höchstens so groß ist wie der Durchmesser der Abstrahleinheit, bevorzugt weist der Kurzschlussring als effektiven Durchmesser auf, in dem Gas zugeführt wird, der 2/3 des Durchmessers der Abstrahleinheit beträgt.
Die erfindungsgemäße Abstrahleinheit für eine Plasmaquellenvorrichtung, insbesondere für eine Beschichtungseinrichtung oder eine Ätzeinrichtung, zur Erzeugung eines Plasmas in einem Reaktionsraum zeichnet sich durch eine Ausgestaltung als induktive Antenne aus, die wenigstens als Doppelspirale ausgebildet ist. Vorzugsweise ist die Antenne so ausgebildet, dass deren elektrische Induktivität weniger als 700 nH beträgt. Abhängig von der Größe der Antenne und der verwendeten Hochfrequenz weist die Antenne höchstens vier Wicklungen je Spirale auf, bevorzugt höchstens drei Wicklungen. Vorzugsweise wird die Zahl der Spiralarme und die Anzahl der Wicklungen so gewählt, dass eine möglichst homogene Verteilung des in den Reaktionsraum induzierten elektrischen Felds parallel zur Stirnfläche der Gaseinlassvorrichtung und/oder zur Reaktionsfläche resultiert mit günstiger niedriger Induktivität und Impedanz.
Es wird vorzugsweise eine flache, wassergekühlte "Pfannkuchenantenne" als Abstrahleinheit eingesetzt. Wird eine spiralförmige Antenne mit wenigstens zwei Spiralarmen (Doppelspirale) eingesetzt, können gegenüber einer günstigen einfachen Spirale vorteilhaft deren fehlende Zylindersymmetrie der induzierten elektrischen Felder, eine relativ hohe elektrische Spannung über der Antenne und eine Zuführung des Kühlwassers auf Hochspannungspotential auf einer Seite der Antenne vermieden werden. Das hohe Spannungspotential über der Einzelspiral-Antenne führt zu einer Begünstigung einer unerwünschten kapazitiven Kopplung. Durch die besonders bevorzugte Mehrfachspiralantenne werden diese Nachteile weitestgehend behoben. Mehrere Spiralen winden sich dabei in einer Ebene ineinander. Diese Spiralen bilden elektrisch eine Parallelschaltung, deren Spannungszuführung jeweils in der Mitte ist. Die äußeren Enden, über die das Kühlwasser zugeführt und abgeführt wird, liegen auf Massepotential. Durch die parallele, ineinander liegende Führung werden geringe Unterschiede in den elektrischen Eigenschaften der einzelnen Spiralarme ausgeglichen, und die Parallelschaltung reduziert bei gleicher Leistung die Spannung über der Antenne, was zu einer reduzierten kapazitiven Kopplung führt. Die Zahl der Windungen jedes Spiralarms richtet sich zweckmäßigerweise nach der Größe der Antenne und etwaigen sonstigen Anforderungen.
Wesentlicher Aspekt Führung des Stroms vom Zentrum zum Rand über mehrere Spiralarme ist eine weitgehend isotrope Führung des Stromes vom Zentrum zum Rand. Dieses bewirkt eine azimuthal homogene Verteilung des induzierten elektrischen Feldes. Im Gegensatz dazu hat eine einfach sprialförmige Antenne unausweichlich eine radiale Komponente zwischen Zentrum und der geerdeten Verbindung am Rand. Diese radiale Komponente stört die azimuthale Symmetrie des induzierten elektrischen Feldes.
Dabei ist vorteilhaft, wenn die Impedanz der Antenne etwa identisch ist mit einem ohmschen Abschlusswiderstand deren HF-Senders. Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn die Abstände zwischen den Windungen in etwa der Dicke der Schnittstelle, insbesondere des verwendeten Isolatorfensters entsprechen, da auf diese Weise Feldinhomogenitäten in der Plasma-Entladung vermieden werden können. Damit ergeben sich je nach Größe und verwendeter Frequenz unterschiedlich viele Spiralarme. Bei einer üblichen Frequenz von etwa 13,56 MHz und bevorzugten Fensterstärken der Schnittstelle von etwa 10 mm sind dies drei bzw. vier Spiralarme. Das erzeugte elektrische Feld ist deutlich homogener als bei einer einfachen Spirale. Entsprechend ergibt sich auch eine bessere Homogenität bei Beschichtungen oder auch bei Ätzverfahren auf den zugehörigen Reaktionsflächen. Das maximale induzierte elektrische Feld wird bei einem effektiven Radius, der etwa 2/3 des Antennenradius entspricht, erreicht. Im Zusammenhang mit dem als Gasdusche ausgelegten Kurzschlussring empfiehlt sich daher ein zu dem effektiven Radius identischer Radius des Kurzschlussrings.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben, aus denen sich auch unabhängig von der Zusammenfassung in den Patentansprüchen weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben.
Es zeigen in schematischer Darstellung:
1 einen Schnitt durch eine in einen Rezipienten integrierte bevorzugte Plasmaquellenvorrichtung mit einer induktiven Abstrahleinheit,
2 eine bevorzugte Plasmaquellenvorrichtung mit einer Mikrowellen-Abstrahleinheit,
3 eine bevorzugte Plasmaquellenvorrichtung mit einem Kurzschlussring und einer induktiven Abstrahleinheit,
4 eine Draufsicht auf eine bevorzugte als Gasdusche ausgebildete Gaszuführungsvorrichtung,
5a–c verschiedene Ausführungen einer Abstrahleinheit als Antenne mit einer Einfachspirale (a), einer Doppelspirale, (b) und einer Quadrupolspirale (c),
6a–c in einen Reaktionsraum induzierte elektrische Feldkomponenten einer Einfachspirale (a), einer Doppelspirale (b) und einer Quadrupolspirale (c) nach 5.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben, aus denen sich auch unabhängig von der Zusammenfassung in den Patentansprüchen weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben.
1 zeigt zur Veranschaulichung der Erfindung einen Schnitt durch eine einem Vakuum-Rezipienten 11 zugeordnete bevorzugte Plasmaquellenvorrichtung 10 mit einer induktiven Abstrahleinheit 13. Die Plasmaquellenvorrichtung 10 ist als Einbauteil 34 mit einem Flansch 35 ausgebildet und ragt in den Rezipienten 11 hinein. Das Einbauteil ist als einseitig geschlossener Zylinder mit einer Zylinderwand 12 und einem stirnseitigen, als Schnittstelle 15 ausgebildeten Fenster gestaltet. Die Abstrahleinheit 13 ist als flache „Pfannkuchenspule" ausgebildet und außerhalb des Rezipienten 11 unterhalb der Schnittstelle 15 angeordnet. Die Abstrahleinheit 13 ist durch eine elektrische Versorgungseinheit 14 mit elektrischer Leistung, insbesondere mit Hochfrequenzleistung, über elektrische Zuführungen 23 versorgbar.
Die Schnittstelle 15 trennt einen Atmosphärenbereich von einem Reaktionsraum 16 im Innern des Rezipienten 11. Die Schnittstelle 15 ist transparent für von der Abstrahleinheit 13 eingestrahlte elektromagnetische Strahlung und vorzugsweise aus einem Isolator, vorzugsweise Quarz, gebildet. Die Schnittstelle 15 weist eine Dicke von etwa 10 mm auf, die ausreichend ist, um dem Atmosphärendruck außerhalb des Rezipienten 11 zu widerstehen. Die Zylinderwand 12 kann einstückig mit der Schnittstelle 15 ausgebildet sein und ebenso z.B. aus Quarz bestehen.
An der Stirnseite des Einbauteils 34 innerhalb des Rezipienten 11 ist direkt oberhalb der Schnittstelle 15 mit geringem Abstand zu dieser eine Gaseinlassvorrichtung 20 angeordnet, so dass ein Hohlraum 33 zwischen Schnittstelle 15 und Gaseinlassvorrichtung 20 gebildet wird. Die Gaseinlassvorrichtung 20 ist als scheibenförmige Gasdusche ausgebildet und weist über ihre Stirnseite 22 verteilt Bohrungen 26 auf, durch die das Gas in den Reaktionsraum 16 eintritt. Der Übersichtlichkeit wegen ist nur eine der Bohrungen bezeichnet. Die Gaseinlassvorrichtung 20 ist an der Schnittstelle 15 so angeordnet, dass Gas über die Bohrungen 26 in einem Plasma-Dunkelraum 21 (3) zuführbar ist. Das Gas gelangt über eine Gaszufuhr 29 zum Hohlraum 33 der Gaseinlassvorrichtung 20 und verteilt sich zu den Bohrungen 26. Die Gaseinlassvorrichtung 20 ist mit einem Haltering 24 gehalten, die gleichzeitig den Abstand der Gaseinlassvorrichtung 20 zur Schnittstelle 15 sicherstellt, der typischerweise bei etwa 1 mm liegt. Der maximal zulässige Abstand ergibt sich aus den üblichen Größen, die die Abmessungen eines Dunkelraums in einem Plasma festlegen.
Gegenüber der Stirnseite 22 der Gaseinlassvorrichtung 20 ist ein Substrat 19 mit einer Reaktionsfläche 18 angeordnet, welche von einem Plasma zur Beschichtung und/oder zum Abtrag beaufschlagbar ist.
Die Ausbildung einer Plasmaquellenvorrichtung 10 mit einer Mikrowellenversorgung ist in 2 dargestellt. Gleiche oder im Wesentlichen gleichwirkende Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Statt in Form einer Antenne ist eine Abstrahleinheit 13 als Hohlleiter mit metallischen Wänden ausgebildet, in dem Mikrowellenstrahlung von einer als Mikrowellensender ausgebildeten Leistungsversorgung 14 zu einer Schnittstelle 15 geleitet wird. Die Schnittstelle 15 ist transparent für die von der Abstrahleinheit 13 abgestrahlte Strahlung. Eine Gaseinlassvorrichtung 20 ist wie in 1 ausgebildet und in geringem Abstand an der Schnittstelle 15 angeordnet, wobei ein Gaseintritt innerhalb eines Dunkelraums 21 des Plasmas 17 erfolgt. Der maximal zulässige Abstand ergibt bekanntermaßen sich aus mittleren freien Weglängen der verwendeten Gase, Feldstärke und dergleichen.
Die bevorzugte Ausgestaltung in 3 zeigt eine Plasmaquellenvorrichtung 10 mit einem Kurzschlussring 25 und einer induktiven Abstrahleinheit 13. Die Anordnung entspricht weitgehend der in 1, auf die zur Erläuterung der hier nicht beschriebenen Elemente verwiesen wird. Zusätzlich zu der dort gezeigten Anordnung ist jedoch zwischen der Gaseinlassvorrichtung 20 und der Reaktionsfläche 18 ein elektrisch leitfähiger, insbesondere metallischer Kurzschlussring 25 angeordnet. Als Folge ist das Plasma 17 zwischen der Gaseinlassvorrichtung 20 und dem Kurzschlussring 25 konzentriert, während zwischen dem Kurzschlussring 25 und der Reaktionsfläche 18 nur ein sehr schwaches Plasma 30 ausgebildet ist. Der Kurzschlussring 30 ist zusätzlich als weitere Gaszufuhr 32 ausgebildet und führt Gas nahe der Reaktionsfläche 18 in den Reaktionsraum 16 zu. Der Kurzschlussring 25 kühlt das Plasma 17 in dem Sinne, dass die Reaktionsfläche 18 des Substrats 19 in erheblich geringerem Maße einer Beeinflussung durch das Plasma 17 ausgesetzt ist in dem Sinne, dass eine Bestrahlung aus dem Plasma 17 mit Ionen und/oder Elektronen deutlich herabgesetzt ist.
Eine bevorzugte Ausgestaltung einer Gaseinlassvorrichtung 20 ist als Draufsicht in 4 ersichtlich. Die Gaseinlassvorrichtung 20 ist als scheibenförmige Gasdusche ausgestaltet, auf deren Stirnseite 22 Bohrungen 26, von denen der Übersichtlichkeit wegen nur eine bezeichnet ist, in zwei konzentrischen Kreisen 27 und 28 angeordnet sind. Im inneren Kreis 27 sind acht Bohrungen 26, im äußeren Kreis 28 sind 36 Bohrungen angeordnet. Vorzugsweise entspricht der Bohrungsdurchmesser der Dicke der Gaseinlassvorrichtung und beträgt jeweils beispielsweise 1 mm bei einem Außendurchmesser von etwa 140 mm und einem Durchmesser des inneren Kreises von 50 mm und des äußeren Kreises von 100 mm. Die Werte können selbstverständlich für unterschiedliche Anlagen und Konfigurationen differieren und sind für jede Optimierungsaufgabe zweckmäßigerweise neu zu bestimmen.
Die Bohrungen 26 auf dem inneren Kreis 27 können mit einer von einer Gasversorgung der Bohrungen 26 auf dem äußeren Kreis 28 separaten Gasversorgung versorgt und insbesondere mit unterschiedlichen Durchflüssen beaufschlagt sein. Zweckmäßigerweise sind die Strömungswiderstände für die Bohrungen 26 jeweils eines Kreises 27, 28 gleich. Denkbar ist auch, dass die Bohrungen 26 der Kreise 27, 28 mit gleicher Gasversorgung versorgt, jedoch die Bohrungen des Kreises 27 einen von den Bohrungen 26 des Kreises 28 unterschiedlichen Strömungswiderstand aufweisen. So kann ein Gasdurchfluss in der Gaseinlassvorrichtung 20 bereitgestellt werden, der für eine gewölbte Oberfläche der Reaktionsfläche 18 optimiert ist.
So kann z.B. auch ein Teil eines schichtbildenden Gases durch die Gaseinlassvorrichtung 20 (1–3) in den Reaktionsraum 16 eingeführt werden, deren Bohrungen 26 auf eine stark konkav gekrümmte Reaktionsfläche 18 optimiert ist. Die Anpassung von Beschichtungsparametern bei mehr konvex gekrümmten Reaktionsflächen 18 kann durch eine zusätzliche Zugabe von schichtbildenden Gasen durch den Kurzschlussring 25 (3) zugegeben werden.
Mögliche Ausgestaltungen einer Abstrahleinheit 13 in Form von spiralförmigen Antennen sind in 5 dargestellt. 5a zeigt eine Einfachspirale, bei der der Spiralarm mit gleichem Abstand zwischen benachbarten Windungen, jedoch kontinuierlich veränderlichem Radius in einer Ebene gewunden ist, während 5b eine doppelspiralförmige Ausgestaltung zeigt. 5c zeigt eine besonders bevorzugte Quadrupolspirale mit vier Spiralarmen in einer Ebene. Die Antennen sind üblicherweise wassergekühlt. Bei den Spiralen nach 5b und 5c sind die äußeren Anschlüsse geerdet (nicht dargestellt), während ein Hochspannungsanschluss im Zentrum angeordnet ist. Auf diese Weise wird vorteilhaft die Antenne nicht durch das Wasser kurzgeschlossen. Ferner weisen die Antennen gemäß den 5b und 5c symmetrisierte äußere Anschlüsse auf, die wesentlich für eine homogene elektrische Feldverteilung sind. Wesentlich ist dabei, dass die äußeren Anschlüsse nicht in einem Anschlusspunkt zusammen geführt werden. Bevorzugt ist, wenn ein Spiralarm an seinem äußeren Anschluss den gleichen Abstand zu den anderen Spiralarmen aufweist, wie in seinen übrigen Teilen. Die 6a–c zeigen Berechnungsergebnisse einer Feldverteilung von elektrischem Feld der Abstrahleinheiten 13 aus den 5a bis 5c.
Die Doppelspiral-Antenne zeigt eine günstige Reduzierung der Induktivität und der Impedanz, was für deren Effizienz vorteilhaft ist. Selbstverständlich sind auch andere Auslegungen der Antennen mit anderen Parametern möglich. Beispielhaft sind deren elektrische Parameter angegeben:
Eine planare Einzelspiral-Antenne weist einen inneren und äußeren elektrischen Kontakt auf. Der elektrische Strom in der Antenne kann als die Summe der azimuthalen Stroms und eines radialen Stroms behandelt werden, der einem Strom entspricht, der kollinear zu einer Linie durch die beiden elektrischen Kontakte ist. In diesem Fall ist das induzierte elektrische Feld eine Überlagerung der azimuthalen und radialen, durch diese Ströme gegebenen Feldkomponenten. Wird eine Feldverteilung in einer Ebene zwischen der Schnittstelle 15 und der Reaktionsfläche 18 betrachtet (senkrecht zur Bildebene), so ergibt sich, dass das elektrische Feld der Doppelspiral-Antenne symmetrischer ausgebildet ist als das elektrische Feld der Einzelspiral-Antenne, da sich bei der Doppelspiral-Antenne die radialen Komponenten der einzelnen Spiralarme teilweise kompensieren. Daraus resultiert eine vorteilhafte homogene Plasmaverteilung im Reaktionsraum 16.

10: Plasmaquellenvorrichtung
11: Rezipient
12: Zylinderwand
13: Abstrahleinheit
14: elektrische Versorgungseinheit
15: Schnittstelle
16: Reaktionsraum
17: Plasma
18: Reaktionsfläche
19: Substrat
20: Gaseinlassvorrichtung
21: Plasma-Dunkelraum
22: Stirnseite
23: elektrische Zuführung
24: Haltering
25: Kurzschlussring
26: Bohrung
27: Kreis
28: Kreis
29: Gaszufuhr
30: Plasma
31: Hohlleiter
32: Gaszufuhr
33: Zwischenraum
34: Einbauteil
35: Flansch

Claims

Plasmaquellenvorrichtung, insbesondere für eine Beschichtungseinrichtung, Reinigungseinrichtung oder eine Ätzeinrichtung, mit einer Abstrahleinheit (13) zur Abstrahlung elektromagnetischer Strahlung in einen Reaktionsraum (16) zur Erzeugung eines Plasmas (17), mit dem eine Reaktionsfläche (18) im Reaktionsraum (16) beaufschlagbar ist, mit einer Schnittstelle (15) zur Einkopplung der elektromagnetischen Strahlung zwischen der Abstrahleinheit (13) und dem Reaktionsraum (17) sowie mit einer Gaseinlassvorrichtung (20), dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittstelle (15) transparent für von der Abstrahleinheit (13) abgegebene elektromagnetische Strahlung ist.
Plasmaquellenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittstelle (15) aus einem Isolator gebildet ist.
Plasmaquellenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaseinlassvorrichtung (20) in einem Plasma-Dunkelraum (21) an der Schnittstelle (15) so angeordnet ist, dass Gas innerhalb des Dunkelraums (21) in den Reaktionsraum (17) einleitbar ist.
Plasmaquellenvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaseinlassvorrichtung (20) scheibenförmig ausgebildet ist, mit Einlassöffnungen, vorzugsweise Bohrungen (26) an ihrer Stirnseite (22).
Plasmaquellenvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (26) flächig auf der Stirnseite (22) verteilt sind.
Plasmaquellenvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (26) mit wenigstens zwei separaten Gaszuführungen (29) verbunden sind.
Plasmaquellenvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (26) in wenigstens zwei konzentrischen Kreisen (27, 28) angeordnet sind.
Plasmaquellenvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Gaseinlassvorrichtung (20) und der Reaktionsfläche (18) ein zusätzlicher, vorzugsweise als Gasdusche ausgebildeter Gaseinlass (25) angeordnet ist.
Plasmaquellenvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstrahleinheit (13) eine flache spiralförmige Antenne umfasst.
Plasmaquellenvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne als Mehrtachspirale, vorzugsweise Doppelspirale ausgebildet ist.
Plasmaquellenvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen nebeneinander liegenden Windungen der Spirale einer Dicke der Schnittstelle (15) entspricht.
Plasmaquellenvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstrahleinheit (13) einen Mikrowellensender umfasst.
Plasmaquellenvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hohlleiter (31) zur Leitung von Mikrowellen vorgesehen ist, der sich vorzugsweise von einem Mikrowellensender zu der Schnittstelle (15) hin erweitert.
Anordnung mit einer Plasmaquellenvorrichtung, insbesondere für eine Beschichtungseinrichtung, Reinigungseinrichtung oder eine Ätzeinrichtung, mit einer Abstrahleinheit (13) zur Abstrahlung elektromagnetischer Strahlung in einen Reaktionsraum (16) zur Erzeugung eines Plasmas (17), mit dem eine Reaktionsfläche (18) im Reaktionsraum (16) beaufschlagbar ist, mit einer Schnittstelle (15) zur Einkopplung der elektromagnetischen Strahlung zwischen der Abstrahleinheit (13) und dem Reaktionsraum (17) sowie mit einer Gaseinlassvorrichtung (20), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Gaseinlassvorrichtung (20) und der Reaktionsfläche (18) ein elektrisch leitfähiger Kurzschlussring (25) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaseinlassvorrichtung (20) in einem Plasma-Dunkelraum (21) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurzschlussring (25) als Gaseinlassvorrichtung ausgebildet ist.
Anordnung nach zumindest einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurzschlussring (25) etwa in der Mitte zwischen der Schnittstelle (13) und der Reaktionsfläche (18) angeordnet ist.
Anordnung nach zumindest einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurzschlussring (25) einen Durchmesser aufweist, der höchstens, um einen Faktor 1,5 mal größer ist, als der Durchmesser der Abstrahleinheit (15).
Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurzschlussring (25) einen effektiven Radius von 2/3 des Durchmessers der Abstrahleinheit (15) aufweist.
Abstrahleinheit für eine Plasmaquellenvorrichtung, insbesondere für eine Beschichtungseinrichtung oder eine Ätzeinrichtung, zur Erzeugung eines Plasmas (17) in einem Reaktionsraum (16) mit einer induktiven Antenne, dadurch gekennzeichnet, dass die induktiven Antenne spiralförmig, vorzugsweise mit mehreren von einem gemeinsamen Mittelpunkt ausgehenden Spiralarmen ausgebildet ist.
Abstrahleinheit nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Spiralarme nebeneinander in einer Ebene gewunden sind.
Abstrahleinheit nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne so ausgebildet ist, dass deren elektrische Induktivität weniger als 700 nH beträgt.
Abstrahleinheit nach zumindest einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne höchstens vier Windungen je Spirale aufweist.
Abstrahleinheit nach zumindest einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die bei mehr als einem Spiralarmen, die äußeren Anschlüsse der Antenne symmetrisch zum Mittelpunkt der Antenne angeordnet sind.