DE102004043967B4 - Anordnung und Verfahren zur Plasmabehandlung eines Substrates - Google Patents

Abstract

Anordnung zur Plasmabehandlung eines Substrates (3) mit einem Niedertemperatur-Plasma, bestehend aus zwei linearen Elektroden (1), die auf einer Seite des Substrates (3) angeordnet sind, deren Länge mindestens ihrem Mittenabstand entspricht und die mit mindestens einer der zwei Anschlussklemmen (6) einer Hochfrequenz-Erzeugereinheit verbunden sind, einem an Masse liegenden Plasmaquellengehäuse (2), das mindestens die den Substraten (3) abgewandte Seite der Elektroden (1) abschirmt und zu den Substraten (3) hin offen ist, sowie einer Magnetanordnung mit mindestens zwei Permanentmagneten (15), die außen am Plasmaquellengehäuse (2) symmetrisch und parallel zu den linearen Elektroden (1) angeordnet ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Plasmabehandlung eines Substrates mit einem Niedertemperatur-Plasma nach Anspruchs 1 sowie ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6. Die Anordnung sowie das Verfahren sind insbesondere in plasmagestützten Dünnschichtverfahren sowie bei der Oberflächenmodifizierung von Materialien anwendbar.
• Nach dem allgemeinen Stand der Technik weist eine entsprechende Plasmaanlage eine Vakuumkammer auf, in der bei einem Gasdruck zwischen 0,01 und 10 mbar ein Plasma mit Gleich-, Niederfrequenz- oder Hochfrequenzspannungen erzeugt wird. Der Frequenzbereich der verwendeten Leistungsgeneratoren erstreckt sich von DC bis in den GHz-Bereich. Die Anordnungen können elektrodengebunden als auch elektrodenlose sein. Bei den meisten Niederdruck-/Niedertemperaturplasmen ist eine bevorzugte Region zur Aufheizung des Plasmas, mittels einer äußeren Energiequelle, vorhanden. Dieses Gebiet ist durch starke elektrische Felder gekennzeichnet. Einige Debye-Längen entfernt, bildet sich ein ungestörtes quasineutrales Plasma aus. Auf Grund der unterschiedlichen Beweglichkeit zwischen Ionen und Elektronen nimmt das Plasma dabei ein gegenüber dem Wandpotential positiveres Plasmapotential an.
• Werden elektrodengebundene Anordnungen verwendet (kapazitive Kopplung), so folgt das Plasmapotential im Wesentlichen dem Elektrodenpotential. Zwischen dem Plasma und den Elektroden bilden sich Plasmarandschichten aus. Je nach Polarität der Elektrode wird dabei zwischen einer Kathoden- und einer Anodenrandschicht unterschieden.
• Der Entladungsstrom zur Kathode wird vorwiegend durch Ionen getragen und der Entladungsstrom zur Anode von Elektronen.
• Werden die Elektroden mit Wechselspannung betrieben, so wechseln die Elektroden in jeder Halbwelle ihre Polarität. Die Größe der Anregungsfrequenz bestimmt dabei den Charakter der Entladung, da die unterschiedlichen Ladungsträger nur bis zu einer bestimmten Anregungsfrequenz dem schnellen Wechsel des elektrischen Feldes folgen können. Dadurch werden z. B. die Plasmakenngrößen wie Elektronentemperatur, Elektronenenergieverteilung, Elektronendichte, Plasmapotential und die Ausbildung der Plasmarandschichten beeinflusst.
• In Abhängigkeit von der elektrischen Beschaltung sowie der Geometrie der Elektroden ändert sich die Höhe der elektrischen Feldstärken in den Plasmarandschichten zwischen etwa 10 V/cm bis ca. 1000 V/cm. Dabei bildet sich, insbesondere bei ungleichen Elektrodenflächen, ein negatives Gleichspannungspotential an der kleineren Elektrode aus. Dieses Gleichspannungspotential wird auch als Biasspannung bezeichnet.
• In der Praxis werden die Elektroden einer Entladungsanordnung meist asymmetrisch beschaltet. Das heißt, eine Elektrode wird auf Massepotential gelegt und die andere Elektrode mit dem Generator verbunden. Da auch die umliegenden Wände der Plasmakammer dabei auf Massepotential liegen, ist das Flächenverhältnis zwischen gespeister Elektrode und Masseelektrode sehr groß. Dadurch bildet sich schon bei geringer Entladungsleistung eine hohe Biasspannung an der aktiven Elektrode aus. Nachteilig ist dabei, dass keine unabhängige Einstellung der Entladungsleistung und der Biasspannung möglich ist.
• Die zu bearbeitenden Substrate werden entweder auf der aktiven Elektrode oder auf der Masseelektrode befestigt. Der energetische Beschuss der Substrate, durch die Ladungsträger der Entladung, wird dann vorwiegend durch die Plasmarandschicht und oder durch das Biaspotential am Substrat bestimmt. Der Entladungsstrom wird hierbei vom Substrat mitgetragen, da das Substrat Teil der Elektrode geworden ist. Besonders bei thermisch sensiblen Materialien kann dabei die eingetragene Leistungsdichte auf die Oberfläche der Substrate problematisch sein. Durch eine hohe Energie der stoßenden Teilchen können Strahlenschäden am Substrat hervorgerufen werden.
• Die US 5,330,615 A gibt ein Verfahren zum symmetrischen Plasmaätzen von zwei Halbleiter-Wafern in einer RF-Plasmaätzeinrichtung an. Die im Wesentlichen parallelen Elektroden werden mit einer symmetrischen Wechselspannung verbunden. Beide Elektroden können unabhängig mit unterschiedlich hoher Spannung als auch Phase zueinander betrieben werden. In diesem System kann die maximale Spannung zwischen den Elektroden und die minimale Spannung zur Kammerwand beeinflusst werden. Die zu bearbeitenden Wafer befinden sich auf den Elektroden und sind Bestandteil der Elektrodenanordnung, wobei zwei Wafer zur gleichen Zeit dem Plasmaprozess ausgesetzt sind.
• Die WO 02/086185 A1 beschreibt eine lineare Penning-Plasmaquelle mit einer im Prinzip magnetisch verstärkten Gleichspannungsentladungen. Flexible Materialien werden über mindestens eine walzenförmige Kathode durch das Plasma im Spaltbereich zwischen der Penninganordnung hindurchbewegt und einer Plasmabehandlung unterzogen. Die Stabilität der Entladung wird dabei nicht von der Bewegung der Substrate beeinflusst. Nachteilig ist, dass nur Gleichspannungen für den Betrieb der Anordnungen verwendet werden können.
• In der DE 42 42 894 A1 wird eine Vorrichtung zur Mehrfacheinspeisung von HF-Leistung in einen Kathodenkörper, insbesondere in Langkathoden bei Plasma-CVD-Anlagen, beschrieben. Die Vorrichtung besteht aus einem HF-Generator, ein Anpassungsnetzwerk und eine Verteilerstelle, von der wenigstens zwei elektrische Verbindungseinheiten zu je einer HF-Einspeisungsstelle der Kathode verlaufen. Langkathode ist zu einer Seite des Substrates hin offen und auf der anderen Seite durch den Rezipienten abgeschirmt angeordnet und mit den Anschlussklemmen der HF-Erzeugereinheit verbunden.
• Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Plasmabehandlung eines Substrates mit einer linearen elektrodengebundenen Hochfrequenzgasentladung (HF-Gasentladung) zu schaffen. Des Weiteren soll ein Verfahren zum Betreiben einer Anordnung zur Plasmabehandlung eines Substrates angegeben werden. Anordnung und Verfahren sollen die Vorteile der HF-Gasentladung gewährleisten und ein großflächiges und in weiten Bereichen steuerbares Niedertemperaturplasma erzeugen, mit dem ein flexibler Einsatz der Anordnung auch bei bewegten Substraten möglich ist. Die HF-Gasentladung soll möglichst hohe Leistungsdichten ohne nachteilige Sputtervorgänge an den Elektroden gewährleisten. Die Energie der stoßenden Ladungsträger auf angrenzende Oberflächen der Plasmaanordnung soll in einem weitem Bereich variierbar sein.
• Die Erfindung löst die Aufgabe für die Anordnung durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Die Aufgabe für das Verfahren wird durch die im Anspruch 6 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben und werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung, einschließlich der Zeichnung, näher dargestellt.
• Die erfindungsgemäße Anordnung besteht aus zwei linearen Elektroden, die mit mindestens einer der zwei Ausgangsklemmen einer Hochfrequenz-Erzeugereinheit verbunden sind. Die Elektroden sind auf einer Seite des Substrates angeordnet und haben eine Länge, die mindestens ihrem Mittenabstand entspricht. Weiter ist ein an Masse liegendes Plasmaquellengehäuse vorhanden, das mindestens die den Substraten abgewandte Seite der Elektroden abschirmt und zu den Substraten hin offen ist.
• Außen am Plasmaquellengehäuse ist symmetrisch und parallel zu den linearen Elektroden eine Magnetanordnung mit mindestens zwei Permanentmagneten vorhanden, die in Längsrichtung der Elektroden ein homogenes Magnetfeld ausbilden, welches in das sich im Betriebszustand ausbildende Plasma zwischen den Elektroden einwirkt.
• Die Magnetanordnung kann aus mehreren Permanentmagneten im Kontakt mit Elementen, vorzugsweise von Jochen, mit hoher Permeabilität aus Eisen, Chrom oder Nickel bestehen. Die übrigen Bauelemente der Anordnung sind dabei aus Materialien ausgebildet, die gegenüber Eisen, Chrom oder Nickel eine niedriger Permeabilität aufweisen.
• Die Magnetfelder im Bereich der Plasmaerzeugung beeinflussen und verändern die Bahnen der Elektronen im Plasma. Besonders bei Drücken kleiner 0,1 mbar treten solche Effekte wie magnetische Spiegelung und magnetische Extraktion im Plasma auf. Die Magnetfelder werden in Hinsicht auf diese Effekte vorteilhaft mit Permanentmagnetsystemen aus Permanentmagneten und magnetkreisführenden Jochen (aus Eisen, Chrom oder Nickel) aufgebaut. Die Magnetfelder erzeugen Magnetfeldlinien, die überwiegend senkrecht zur Elektrodenrichtung verlaufen. Dies hat zur Folge, dass die vorgenannten Effekte im Querschnitt entlang der Elektrodenrichtung aufgrund konstanter Magnetfeldgestaltung ebenfalls konstant bleiben. Einzig an den Enden der Plasmaquellen, wo die Elektroden und die Permanentmagnetsysteme enden, sind dann Magnetfeldgestaltung und Plasma inhomogen. Dieser Bereich umfasst etwa 5–10% der gesamten Elektrodenlänge und wird zu Dünnschichtprozessen vorteilhafterweise nicht genutzt.
• Der Querschnitt der Elektroden kann frei gewählt werden, wobei in der Praxis meist kreis- oder rechteckförmige Querschnitte eingesetzt werden.
• Auch können die Elektroden mindestens zum Plasmaquellengehäuse hin mit einem Isolator umhüllt sein. Der Isolator kann aus einem Stoff mit niedrigem Sputter-Yield bestehen, z. B. Graphit als leitfähigem Material oder Alumiumoxidkeramik als isolierendem Material. Damit können Sputtervorgänge an den Elektroden, an denen bei hohen HF-Leistungen Self-Biss-Spannungen bis 500 V anliegen, vorteilhaft vermieden werden.
• Die Elektroden können auch aus einem Material gefertigt sein, dessen Sputterprodukte plasmachemisch systemkompatibel sind und keine Verunreinigengen in diesem Sinn darstellen, z. B. können Graphitelektroden für das RIE-Plasmaätzen (Reaktive Ion Etching) mit Perfluorkohlenstoffen wie CF₄ genutzt werden.
• In einer spezifischen Weiterbildung entsprechend Anspruch 5 können die Elektroden aus mehreren Elektrodengruppen bestehen, wobei die einzelnen der beiden Elektrodengruppen alternierend nebeneinander angeordnet sein können.
• Der Abstand von Elektrode zu Elektrode wird so dimensioniert, dass er bei einem typischen Gasdruck (p) günstigen Zündbedingungen für elektrodenerzeugte Niedertemperaturplasmen, z. B. (p·d) = 1 mbar·cm entspricht.
• Zur Gewährleistung homogener Plasmaeigenschaften entlang der Elektrodenrichtung, sollen alle wichtigen plasmabestimmenden Eigenschaften entlang dieser Richtung gleich sein. Dies betrifft auch die Gaszuführung und die Gasabfuhr. Während sich eine inhomogene Gasabfuhr nicht ganz so kritisch auf die Plasmahomogenität auswirkt, müssen die Prozessgase durch sorgfältig homogen entlang der Elektrodenrichtung verteilte Gaseinlässe realisiert werden. Die Gasabfuhr erfolgt bei Plasmaquellen mit ein oder zwei Elektroden problemlos quer zu diesen Elektroden außerhalb des Plasmaquellengehäuses. Werden mehrere Elektroden (mehr als vier) in einer Plasmaquelle eingesetzt, ist es vorteilhaft in der Plasmaquelle zusätzliche Abpumpschlitze, zur in Elektrodenrichtung gleichmäßigen Gasabfuhr, anzuordnen.
• Durch die erfindungsgemäße Anordnung können Plasmaquellen geschaffen werden, die bei Bewahrung der Vorteile von konventionellen HF-Gasentladungen großflächige magnetfeldgestützte Niedertemperaturplasmen mit in einem weiten Bereich steuerbaren Plasmaparametern (Plasmadichte, Elektronenenergieverteilung und Ionenenergieverteilung) erzeugen. Durch die Trennung der Plasmaerzeugungsfunktion (durch Elektroden) von den Substraten (auf Massepotential) können beliebig leitfähige Substrate in einer Ebene an den so aufgebauten Plasmaquellen positioniert oder vorbei bewegt werden und mit Dünnschichtverfahren wie Plasma-CVD, reaktives Ionenätzen (Reactiv Ion Etching – RIE), isotropen Plasmaätzen oder Plasmaoberflächenmodifizierung behandelt werden.
• Die Abmessungen der Plasmaquelle ist in einem weiten Bereich wählbar und in der Praxis können Längen der Elektroden bis über 4 m realisiert werden. Die Breite der Plasmaquelle ist nur abhängig von der Anzahl der eingesetzten Elektroden. Die Plasmaquellen können zum Bearbeiten z. B. einzelner Silizium-Wafer mit 100 mm Durchmesser als auch zum Plasma-CVD-Beschichten von Flachglasplatten mit mehr als 3 × 4 m Abmessungen eingesetzt werden.
• Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben der Anordnung entsprechend Anspruch 6 wird an den Ausgangsklemmen einer Hochfrequenz-Erzeugereinheit eine Hochfrequenzspannung mit einer Frequenz größer 1 MHz, die mit einer Niederfrequenzspannung kleiner 1 MHz überlagert ist, in die Anordnung eingespeist. Dabei kann die Hochfrequenzspannung eine symmetrische, asymmetrische und/oder ungleiche Phasenlage aufweisen.
• Durch die Wahl der Hochfrequenzbereitstellung (asymmetrische Hochfrequenzspannung, symmetrische Hochfrequenzspan nung) und durch die zusätzliche Einspeisung einer Niederfrequenzspannung kann die Ionenenergie auf den Substraten vorteilhaft im Bereich von einigen eV bis zu mehreren hundert eV variiert werden. Bei der Plasmabeschichtung erreichen die Plasmaquellen sowohl mit leitfähigen als auch mit isolierenden Schichtsystemen Standzeiten, die einen industriellen Dauerbetrieb ermöglichen.
• Die erfindungsgemäße Anordnung gewährleistet eine stabile und in einem weiten Bereich steuerbare Plasmaerzeugung auch im Druckbereich von 10^–4 bis 10^–2 mbar und ist damit auch zum Aufbau von Ionenquellen geeignet.
• Die Erfindung wird nachstehend an zwölf Ausführungsbeispielen für die Anordnung, drei Diagrammen zur Spannungsführung und einem Prinzipschaltbild für eine HF-Beschaltung näher erläutert. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen
• in 1 eine Anordnung zur Plasmabehandlung eines Substrates mit zwei kreisförmigen Elektroden im Querschnitt.
• 2 zeigt eine Anordnung mit zwei rechteckigen Elektroden im Querschnitt.
• 3 zeigt eine Anordnung mit vier kreisförmigen Elektroden, die je mit einem rohrförmigen Isolator umgeben und zu zwei Elektrodengruppen zusammengeschaltet sind.
• 4 zeigt eine Anordnung mit zwei Elektroden, die mit Isolatorhalbschalen im Plasmaquellengehäuse eingebettet sind.
• 5 zeigt den Querschnitt durch eine Anordnung mit jeweils zwei symmetrisch beschalteten separaten Elektrodengruppen und einer Vorrichtung zum Quertransport der zu behandelnden Substrate.
• 6 zeigt die Draufsicht auf eine Anordnung aus zwei Elektroden, über die Substrate zur Plasmabehandlung senkrecht zur Elektrodenrichtung bewegt werden.
• 7 zeigt den Querschnitt durch eine Anordnung mit zwei Elektroden mit linearer Anordnungen von Permanentmagneten, die ein divergentes Magnetfeld zum Substrat hin erzeugen.
• 8 zeigt den Querschnitt durch eine Anordnung mit zwei Elektroden mit linearen Anordnungen von Permanentmagneten, die ein geschlossenes Magnetfeld im Elektrodenbereich erzeugen.
• 9 zeigt den Querschnitt einer Anordnung mit vier asymmetrisch beschalteten Elektroden mit dazwischen befindlichen linearen Anordnungen von Permanentmagneten, die ein divergentes Magnetfeld zum Substrat hin erzeugen.
• 10 zeigt den Querschnitt einer Anordnung mit zwei symmetrisch beschalteten Elektroden mit linearen Anordnungen von Permanentmagneten, die ein geschlossenes Magnetfeld im Elektrodenbereich erzeugen und durch ein gemeinsames Joch verbunden sind.
• 11 zeigt eine lineare Plasmaquelle mit zwei symmetrisch beschalteten Elektroden, bei der zwei Prozessgase zur PE-CVD zur Abscheidung von Siliziumoxid- oder Siliziumnitridschichten auf einem vorbeibewegten Substrat genutzt werden.
• 12 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer linearen Innenquelle aus einer symmetrisch beschalteten Elektrodenanordnung zur Plasmaerzeugung in einem Entladungsraum, aus dem Ionen mittels eines Extraktionssystems zur Formung eines breiten Ionenstrahls extrahiert werden.
• 13 zeigt den HF-Spannungsverlauf bei einer Unterdrückung einer Self-Bias-Spannung, wobei in der Abbildung a) der Spannungsverlauf ohne eine Niederfrequenzspannung und Abbildung b) mit einer überlagerten Niederfrequenzspannung dargestellt ist.
• 14 zeigt den HF-Spannungsverlauf bei einer an beiden Elektroden gleichen Self-Bias-Spannung, wobei in der Abbildung a) der Spannungsverlauf ohne eine Niederfrequenzspannung und in Abbildung b) mit einer überlagerten Niederfrequenzspannung dargestellt ist.
• 15 zeigt den HF-Spannungsverlauf bei einer an den Elektroden unterschiedlicher Self-Bias-Spannung, wobei in der Abbildung a) der Spannungsverlauf ohne eine Niederfrequenzspannung und die Abbildung b) und c) mit einer überlagerten Niederfrequenzspannung bei unterschiedlicher Hochfrequenzspannung dargestellt ist.
• 16 zeigt den Prinzipschaltplan der Hochfrequenzbeschaltung für eine symmetrisch beschaltete Elektrodenanordnung, bei der die symmetrische Ausgangsspannung aus einem HF-Generator mit asymmetrischem Netzwerk mit nachgeschaltetem Symmetrienetzwerk gewonnen wird.
• Ausführungsbeispiel I
• 1 zeigt schematisch eine lineare Anordnung zur Plasmabehandlung eines Substrates 3 nach Anspruch 1. Zwei stabförmige Elektroden 1 mit kreisförmigem Querschnitt sind in einem Plasmaquellengehäuse 2 angeordnet. Der Durchmesser der Elektroden 1 beträgt in Abhängigkeit ihrer jeweiligen Länge bis mehrere Meter zwischen 1 und 5 cm. Die Elektroden 1 bestehen aus einem leitfähigen Material und sind mit den Anschlussklemmen 6 einer Hochfrequenzversorgung verbunden.
• Das Plasmaquellengehäuse 2 ist ebenfalls aus leitfähigem Material ausgeführt und wird hochfrequenzmäßig mit der Klemme 4 auf Masse gelegt. Durch Anlegen einer Hochfrequenzspannung an die Elektroden 1 wird je nach Phasenlage der Spannungen an den Anschlussklemmen 6 eine Hochfrequenzentladung zwischen den Elektroden 1 (symmetrische Hochfrequenzeinspeisung) oder zwischen den Elektroden 1 und dem Plasmaquellengehäuse 2 (asymmetrische Hochfrequenzeinspeisung) erzeugt. Das derart erzeugte Plasma 7 reicht je nach Wahl des Abstands zum zu bearbeitenden Substrat 3 und des Gasdrucks bis an das Substrat 3.
• Die Bereitstellung der Hochfrequenzspannungen für die Anschlussklemmen 6 wird nachfolgend an Hand der Diagramme der 13 bis 15 und dem Prinzipschaltplan nach 16 näher erläutert.
• Über einen Gaseinlass 5, der in vorteilhafter Weise homogen über die gesamte Länge der Plasmaquelle 2 ausgeführt ist (z. B. als äquidistant gebohrte Löcher), wird Prozessgas herangeführt, das z. B. zur Beschichtung der Substrate durch Plasma-CVD-Vorgänge benötigt wird. Die verbrauchten Prozessgase werden seitlich durch den Zwischenraum zwi schen Substrat 3 und Plasmaquellengehäuse 2 homogen über die gesamte Länge abgepumpt.
• Die Anordnung kann zum Beschichten von Substraten verwendet werden. In diesem Fall werden neben dem Substrat 3 auch die Elektroden 1 und das Plasmaquellengehäuse 2 beschichtet und müssen bei Erreichen einer kritischen Schichtdicke gereinigt oder ausgewechselt werden. Werden mit der Anordnung Plasma-Ätzvorgänge durchgeführt, ist es vorteilhaft, die Elektroden 1 und das Plasmaquellengehäuse 2 aus einem plasmachemisch resistenten Material bzgl. der Prozessgase herzustellen.
• Ausführungsbeispiel II
• Die Anordnung nach 2 weist Elektroden 8 aus flachen Stäben mit rechteckigem Querschnitt auf. Der Abstand der Elektroden 8 zum Plasmaquellengehäuse 2 beträgt nur wenige Millimeter und ist damit zu klein zum Ausbilden eines Plasmas (Dunkelraumabschirmung). Damit wird sehr vorteilhaft die gesamte eingespeiste Hochfrequenzleistung zum Erzeugen des Plasmas 7 zwischen den Elektroden 8 und dem Substrat 3 eingesetzt. Das führt, verglichen mit der Anordnung nach 1, zu höheren Leistungsdichten im Plasma 7. Die Kanten 9 der Elektroden 8 sind in vorteilhafter Weise mit einem definierten Radius abgerundet, um lokale hohe elektrische Feldstärken an den Elektroden 8 zu vermeiden.
• Ausführungsbeispiel III
• Bei der Anordnung nach 3 sind die vier kreisförmigen Elektroden mit je einem rohrförmigen Isolator 10 umgeben und zu zwei Elektrodengruppen 1a und 1b zusammengeschaltet.
• Mit derartig paarweise zu Gruppen elektrisch miteinander verbundenen Ektroden 1a und 1b können sehr große Substratflächen bearbeitet werden. Die Verschaltung der Elektroden 1a und 1b kann innerhalb oder außerhalb der Vakuumkammer, in der die Anordnung eingebaut ist, erfolgen.
• Während entsprechend Beispiel nach 1 mit zwei Elektroden 1 Plasmaquellen mit Breiten von 10–50 cm hergestellt werden können, sind mit Anordnungen nach 3, z. B. mit vier, sechs oder acht Elektroden, auch Breiten der Plasmaquelle bis über einen Meter möglich.
• Die Anordnung der Isolatoren 10 um die Elektroden 1a und 1b ist insbesondere für bestimmte Plasmatechnologien vorteilhaft, bei denen Metallverunreinigungen, die von den Elektroden auf plasmaphysikalischem oder plasmachemischen Weg abgegeben werden, nicht toleriert werden können. Typische Materialien als Isolator 10 sind Glas, Quarzglas und Keramik mit Dicken bis zu 5 mm, die von den Hochfrequenzströmen bei typischerweise 13,56 MHz noch gut durchdrungen werden. Ein sehr vorteilhaftes Isolationsmaterial für die Umhüllung der Elektroden 1a und 1b ist Aluminiumoxid, welches einen sehr kleinen Sputterkoeffizient aufweist.
• Ausführungsbeispiel IV
• Bei der Anordnung nach 4 sind die zwei Elektroden 1 in Isolatorhalbschalen 11 im Plasmaquellengehäuse 2 eingebettet. Damit wird, anders als bei der Dunkelraumabschirmung im Beispiel nach 2, der Zwischenraum zwischen den Elektroden 1 und dem Plasmaquellengehäuse 2 ausgefüllt.
• Eine weitere nicht dargestellte Lösung ergibt sich, wenn statt der Isolatorhalbschalen 11 in 4 je ein ganzes Isolatorrohr über die Elektroden gesteckt wird. Dann wirkt dessen untere Hälfte als isolierender Abstandhalter zum Plasmaquellengehäuse 2 und dessen obere Hälfte als isolierende Elektrodenoberfläche zum Plasma 7 hin.
• Beim Einsatz eines Isolatormaterials mit gutem Wärmeleitvermögen für die Isolatoren 10 nach 3 oder den Isolatorhalbschalen 11 nach 4 können diese auch zur Kühlung der Elektroden 1 beitragen.
• Ausführungsbeispiel V
• Das Beispiel in 5 zeigt eine lineare Plasmaquelle, bei der jeweils zwei Elektroden 1 in einer gemeinsamen Vertiefung im Plasmaquellengehäuse 2 angeordnet sind. Das so gebildete Paar wird von zwei symmetrisch beschalteten Elektroden 1 gebildet, die symmetrisch an die beiden Anschlussklemmen 6 angeschlossen sind. Die Substrate sind auf Substratträgern 12 angeordnet und werden mit einer definierten Fahrgeschwindigkeit in Richtung 13 quer zur Längsrichtung der Elektroden 1 an diesen vorbeibewegt. Diese Ausführung ist besonders für eine hochproduktive Bearbeitung der Substrate 3 geeignet. Die Substrate 3 können direkt oder auf einer Hilfsvorrichtung bewegt werden.
• Ausführungsbeispiel VI
• Das Beispiel nach 6 zeigt eine abgewandelte Anordnung, bei der die Plasmaquelle mit den Elektroden 1 und dem Plasmaquellengehäuse 2 die Oberseite der bewegten Substrate 3 von oben bearbeitet. Als Substrate können auch bandförmige Substrate wie Folien in beliebiger Lage der Anordnung plasmabehandelt werden. Die Substrate 3 werden dabei in Richtung 13 zur Plasmabehandlung unter der An ordnung vorbeigefahren. Die Substratbreite ist bezogen auf ein homogen nutzbares Plasma 7 um einen gewissen Randbereich 14 kleiner als die Gesamtlänge der Elektroden 1, da die Plasmawirkung (z. B. zum Plasmabeschichten oder Plasmaätzen) zu den Enden der Elektroden 1 hin abfällt.
• Werden Magnetfelder zu Niedertemperaturplasmen hinzugefügt, wird die Bewegung der Elektronen vor allem bei Drücken kleiner 0,1 mbar maßgeblich durch Stärke und Form des Magnetfelds mitbestimmt.
• Ausführungsbeispiel VII
• Die 7 und 8 zeigen zwei Ausführungsbeispiele für lineare Hochfrequenzplasmaquellen, bei denen bestimmte Magnetfeldformen durch Systeme von Permanentmagneten 15 und Jochen 16 aus Eisen oder anderen Stoffen hoher magnetischer Permeabilität in Elektrodenrichtung mit homogenen Magnetfelder ausgebildet werden.
• 7 zeigt ein Beispiel, bei dem die linearen Magnetsysteme aus Permanentmagneten 15 und Jochen 16 mit der gleichen magnetischen Polung zu den Elektroden 1 hin zeigen und ein weitreichendes, das Substrat 3 durchdringendes Magnetfeld mit den Magnetfeldlinien 17 entsteht. Durch Führung der Elektronen aus dem Plasma 7 wird eine hohe Elektronenstromdichte (und Ionenstromdichte aufgrund der Quasineutralität des Plasmas) auf dem Substrat 3 erreicht. Die beiden Elektroden 1 sind beispielhaft elektrisch miteinander verbunden und somit asymmetrisch beschaltet.
• Ausführungsbeispiel VIII
• Bei Beispiel nach 8 sind die Permanentmagnetsysteme so gepolt, dass die Magnetfeldlinien 17 von einem Magnetsystem zum anderen nur im Elektrodenbereich verlaufen. Das Substrat 3 ist weitgehend außerhalb vom Bereich der mag netfeldgestützten Plasmabildung (Plasma 7). Diese Form der Anordnung ist günstig für Plasmaprozesse, bei denen Substrate im Afterglow bei möglichst geringer Ionenstromdichte bearbeitet werden sollen.
• Ausführungsbeispiel IX
• 9 zeigt eine Anordnung mit vier asymmetrisch beschalteten Elektroden 1, die in einzelnen Vertiefungen im Plasmaquellengehäuse 2 angeordnet sind. Zwischen den einzelnen Vertiefungen sind lineare Anordnungen von Magnetsystemen aus Permanentmagneten 15 und Jochen 16 angeordnet, die ein divergentes Magnetfeld zum Substrat 3 hin erzeugen.
• Wie bereits in 7 gezeigt, kann das Magnetfeld auch eine divergente Form aufweisen, d. h. die Permanentmagnetsysteme sind mit gleichen Polen zu einer Elektrode 1 hin orientiert. Damit können auf dem auf Masse befindlichen Substrat 3 Self-Bias Spannungen bis 200 V und demzufolge Ionenenergien bis 200 eV erzeugt werden. Ionen mit einer Energie von maximal der sich ausbildenden Self-Bias-Spannung in der Randschicht werden auf die Substratfläche beschleunigt und es können auch Plasmatechnologien wie Reaktive Ion Etching (RIE) ausgeführt werden.
• Ausführungsbeispiel X
• Im Beispiel nach 10 sind jeweils zwei symmetrisch beschaltete Elektroden 1 gemeinsam in einer Vertiefung im Plasmaquellengehäuse 2 angeordnet. Zugeordnet zu jeweils einem Paar der Elektroden 1 sind Magnetsysteme aus Permanentmagneten 15 vorhanden, die Magnetfelder 17 erzeugen, wobei alle drei Permanentmagnete 15 nach unten auf einem gemeinsamen Joch 18 angeordnet sind. Dadurch werden magnetische Streufelder unterhalb der Anordnung vermieden und die Magnetfeldstärke im Bereich des Plasmas 7 verstärkt.
• Die Permanentmagneten 15 sind alternierend gepolt, wodurch sich in der Gesamtheit im Wesentlichen geschlossene Magnetfeldlinien 17 ergeben, die nahe der Elektroden 1 verlaufen. Besonders bei höheren Prozessdrücken wird das Plasma 7 nur in der Nähe der Elektroden 1 erzeugt. Diese Art der Plasmaerzeugung eignet sich besonders für Plasmaprozesse, die auf dem Substrat wenig Ladungsträgerbeschuss erfordern, wie z. B. After-Glow-Prozesse.
• Ausführungsbeispiel XI
• 11 zeigt eine lineare Plasmaquelle mit zwei symmetrisch beschalteten Elektroden 1, bei der zwei Prozessgase zur PE-CVD zur Abscheidung von Siliziumoxid- oder Siliziumnitridschichten auf einem mittels eines Trägers mit definierter Geschwindigkeit in Richtung 13 vorbei bewegten Substraten 3 genutzt werden. Die zwei Prozessgase werden durch die Gaseinlässe 5 und 27 zugeführt.
• Ein vorteilhafte Anwendung ergibt sich, wenn z. B. im Fall der PE-CVD von Siliziumnitrid das die Beschichtung erzeugende Gas, z. B. Silan, über die obere Gaszuführung 27 zugeführt wird und so möglichst nahe an das zu beschichtenden Substrat 3 gelangt.
• Ausführungsbeispiel XII
• Im nach 12 ist eine lineare Innenquelle aus einer symmetrisch beschalteten Elektrodenanordnung zur Plasmaerzeugung in einem Entladungsraum dargestellt, aus dem Ionen mittels eines Extraktionssystems zur Formung eines breiten Ionenstrahls extrahiert werden. Dabei ist die Anzahl der Permanentmagnetsysteme derart erhöht, dass das gesamte Plasmaquellengehäuse 2 mit Permanentmagnetsystemen belegt ist. Das Extraktionssystem ist an der Oberseite des Plasmaquellengehäuses 2 angebracht und besteht aus den Lochgittern 28 und Acceleratorgitter 29, die in einem typischen Abstand von 0,5–1,5 mm angeordnet sind und potentialmäßig mit Gleichspannungen beschaltet sind.
• Der mit seinen Randbereichen dargestellte Breitionenstrahl 30 wird über die ganze Länge der Elektroden 1 extrahiert.
• Durch diese Anordnung werden Verluste von im Plasma 7 erzeugten Ladungsträgern an den Wänden des Plasmaquellengehäuses 2 soweit reduziert, dass diese Anordnung leistungsdichte Plasmen im Druckbereich von 10^–4 bis 10^–2 mbar erzeugt.
• Eine vorteilhafte Weiterentwicklung zur Magnetfeldgestaltung ergibt sich, wenn die Permanentmagnete 15 mit einem gemeinsamen äußeren Joch (ähnlich Position 18 in 10) kombiniert werden.
• Zur verfahrensgemäßen Anwendung der Anordnungen entsprechend der vorher erläuterten Ausführungsbeispiele I bis XII (entsprechend 1 bis 12) wird nachfolgend das Verfahren in den 13 bis 15 anhand von Diagrammen mit möglichen Spannungsverläufen (61, 62) an den Anschlussklemmen 6 dargestellt.
• 13 zeigt den Verlauf der HF-Spannung 61 und 62 an den Anschlussklemmen 6 mit einer Phasenverschiebung von 180 Grad zur Unterdrückung einer Self-Bias-Spannung an den beiden Elektroden 1. Dabei ist in der Abbildung a) der Verlauf der HF-Spannung 61 und 62 ohne eine Niederfrequenzspannung und Abbildung b) mit einer überlagerten Niederfrequenzspannung 20 dargestellt. Dadurch wird die effektive an den Elektroden 1 wirksame HF-Spannung 61 und 62 in der dargestellten Form verändert.
• Die Überlagerung mit der Niederfrequenzspannung 20 ist eine vorteilhafte Lösung z. B. für den Einsatz der Plasmaquelle bei Anwendungen wie anisotropes Plasmaätzen. Die in Abbildung b) dargestellte Niederfrequenzspannung 20 ist separat einstellbar und der Anteil der höherenergetischen Ionen und damit der das anisotrope Ionenätzen bestimmende Ionenanteil kann in vorteilhafter Weise gesteuert werden.
• Beispielsweise gibt ein Hochfrequenzgenerator mit einer typischen Frequenz von 13,56 MHz an seinem Ausgang, der für Lastimpedanzen von z. B. 50 Ohm ausgelegt ist, eine definierte HF-Leistung an ein nachfolgendes HF-Netzwerk ab. Dieses HF-Netzwerk erfüllt die Aufgaben – Anpassung der Plasmaimpedanz an die Generatorimpedanz – Erzeugung einer bzgl. Masse symmetrischen HF-Ausgangsspannung aus der asymmetrischen Eingangsspannung – Einkopplung einer zusätzlichen Niederfrequenzspannung (typische Frequenz 50 kHz) aus dem Generator zur Überlagerung mit der Hochfrequenz im HF-Netzwerk.
• Der Ausgangsstromkreis im Netzwerk ist so gestaltet, dass bzgl. Gleichspannungen die Ausgangsklemmen 6 sich auf Masse befinden, d. h. die Ausbildung einer Self-Bias-Spannung durch das Plasma an den an den Anschlussklemmen 6 angeschlossenen Elektroden 1 wird gestört.
• 14 zeigt den Verlauf der HF-Spannung 61 und 62 mit einem Phasenunterschied von 90 Grad (veränderbar zwischen 0 und 90 Grad) bei einer an beiden Elektroden 1 gleichen Self-Bias-Spannung, wobei in der Abbildung a) der Verlauf der HF-Spannung 61 und 62 ohne eine Niederfrequenzspannung und in Abbildung b) mit einer überlagerten Niederfrequenzspannung 20 dargestellt ist.
• Dieser Beschaltungsfall eignet sich besonders für Plasma-CVD-Verfahren, wie z. B. die Abscheidung von Siliziumoxid- oder Siliziumnitridschichten aus dem Plasma. Mit der Hochfrequenzleistung wird der Dissoziationsgrad der eingelassenen Gase bestimmt, was Schichteigenschaften wie Stöchiometrie und Brechungsindex der Schichten beeinflusst. Mit der separat einstellbaren Niederfrequenzspannung kann die Dichte und die Haftfestigkeit der abgeschiedenen Schichten gesteuert werden.
• Bei der gleichen Art der HF-Spannungserzeugung wie zu 13 erläutert, ist hier im Einkopplungszweig des Niederfrequenzgenerators ein Kondensator eingefügt. Im Gegensatz zum Beispiel nach 13 kann sich nun an den Elektroden 1, die an den Anschlussklemmen 6 angeschlossen sind, eine ungestörte Self-Bias-Spannung 21 ausbilden. Die Self-Bias-Spannung ist bei dieser Art der Beschaltung für beide Elektroden 1 an den Anschlussklemmen 6 zwangsweise gleich.
• 15 zeigt den Verlauf der HF-Spannung 61 und 62 bei einer an den Elektroden 1 unterschiedlicher Self-Bias-Spannungen 21 und 22, wobei in der Abbildung a) der Spannungsverlauf ohne eine Niederfrequenzspannung und in den Abbildungen b) und c) mit einer überlagerten Niederfrequenzspannung 20 bei unterschiedlicher Hochfrequenzspannung dargestellt ist.
• Bei der gleichen Art der HF-Spannungserzeugung wie zu 13 erläutert, sind hier zwischen dem HF-Netzwerk und den Ausgangsklemmen 6 je ein Kondensator eingefügt. An jeder der Elektroden 1, die an den Anschlussklemmen 6 angeschlossen sind, kann sich eine eigene Self-Bias-Spannung unabhängig herausbilden.. Zwischen den an die Anschlussklemmen 6 angeschlossenen Elektroden 1 und der Masse (Klemme 4) kann dem erzeugten HF-Plasma eine Niederfrequenz-[DC]-Entladung überlagert werden. Damit kann zusätzlich zum Self-Bias-Mechanismus die Innenenergie auf dem Substrat gesteuert werden.
• 16 zeigt beispielhaft einen Prinzipschaltplan der Hochfrequenzbeschaltung für eine symmetrisch beschaltete Elektrodenanordnung, bei der die symmetrische Ausgangsspannung aus einem HF-Generator 19 mit asymmetrischem Netzwerk mit nachgeschaltetem Symmetrienetzwerk 26 gewonnen wird. Dabei handelt es sich um eine vorteilhafte Möglichkeit, eine symmetrische HF-Ausgangsspannung zur Plasmaerzeugung bereitzustellen. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass hierbei sowohl den HF-Generator 19 als auch das verwendete asymmetrische HF-Netzwerk 25 weitverbreitete kommerziell angebotene Komponenten darstellen und die Wandlung zur symmetrischen HF-Ausgangsspannung durch einen breitbandigen Symmetrieübertrager erfolgt.
• Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere können die dargestellten Anordnungen sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination angewendet werden.

1

Elektrode (rund)

1a

Elektrodengruppe

1b

Elektrodengruppe

2

Plasmaquellengehäuse

3

Substrat

4

Klemme auf Masse

5

Gaseinlass

6

Anschlussklemme

7

Plasma

8

Elektrode (rechteckig)

9

Kante

10

Isolator

11

Isolatorhalbschale

12

Substratträger

13

Richtung

14

Randbereich des Plasmas

15

Permanentmagnete

16

Joch

17

Magnetfeldlinien

18

gemeinsames Joch

19

HF-Generator

20

Niederfrequenzspannung

21

Self-Bias-Spannung

22

Self-Bias-Spannung

25

HF-Netzwerk

26

Symmetrienetzwerk

27

zweiter Gaseinlass

28

Lochgitter

29

Acceleratorgitter

30

Breitionenstrahl

61

HF-Spannung an einer Anschlussklemme (6)

62

HF-Spannung an der anderen Anschlussklemme (6)

Claims (10)

1. Anordnung zur Plasmabehandlung eines Substrates (3) mit einem Niedertemperatur-Plasma, bestehend aus zwei linearen Elektroden (1), die auf einer Seite des Substrates (3) angeordnet sind, deren Länge mindestens ihrem Mittenabstand entspricht und die mit mindestens einer der zwei Anschlussklemmen (6) einer Hochfrequenz-Erzeugereinheit verbunden sind, einem an Masse liegenden Plasmaquellengehäuse (2), das mindestens die den Substraten (3) abgewandte Seite der Elektroden (1) abschirmt und zu den Substraten (3) hin offen ist, sowie einer Magnetanordnung mit mindestens zwei Permanentmagneten (15), die außen am Plasmaquellengehäuse (2) symmetrisch und parallel zu den linearen Elektroden (1) angeordnet ist.
2. Anordnung zur Plasmabehandlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung aus mehreren Permanentmagneten (15) im Kontakt mit Elementen, vorzugsweise von Jochen aus Eisen, Chrom oder Nickel besteht, und die übrigen Bauelemente der Anordnung aus Materialien ausgebildet sind, die gegenüber Eisen, Chrom oder Nickel eine niedrigere Permeabilität aufweisen.
3. Anordnung zur Plasmabehandlung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (1) einen kreis- oder rechteckförmigen Querschnitt aufweisen.
4. Anordnung zur Plasmabehandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (1) mindestens zum Plasmaquellengehäuse (2) hin mit einem Isolator umhüllt sind.
5. Anordnung zur Plasmabehandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (1) aus mindestens zwei Elektrodengruppen (1a, 1b) bestehen, wobei die Elektroden (1) der beiden Elektrodengruppen (1a, 1b) alternierend nebeneinander angeordnet sind.
6. Verfahren zur Plasmabehandlung eines Substrates (3) mit einem Niedertemperatur-Plasma mit einer Anordnung, bestehend aus zwei linearen Elektroden (1), die auf einer Seite des Substrates (3) angeordnet sind, deren Länge mindestens ihrem Mittenabstand entspricht, und die mit mindestens einer der zwei Anschlussklemmen (6) einer Hochfrequenz-Erzeugereinheit verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass an den Anschlussklemmen (6) mittels der Hochfrequenz-Erzeugereinheit eine Hochfrequenzspannung mit einer Frequenz größer 1 MHz bereitgestellt wird, die mit einer Niederfrequenzspannung (20) von einem Niederfrequenzgenerator kleiner 1 MHz überlagert ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Anschlussklemmen (6) mit je einer der beiden Elektroden (1) oder beiden Elektroden (1) an eine Anschlussklemme (6) und die andere Anschlussklemme (6) mit Massepotential verbunden werden.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenzspannung, die zwischen den Anschlussklemmen (6) bereitgestellt wird, einen Phasenunterschied von >0 bis 90 Grad aufweist.
9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verhinderung der Ausbildung einer Self-Bias-Spannung an den Elektroden (1) die Hochfrequenzspannung an die Anschlussklemmen (6) mit einer Mittenlage von 0 V bzgl. Masse angelegt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Einkopplungszweig des Niederfrequenzgenerator je ein Kondensator eingefügt und an den Anschlussklemmen (6) je eine eigene unabhängige Self-Bias-Spannung ausgebildet wird.