DE102009020436A1

DE102009020436A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Plasmabehandlung eines flachen Substrats

Info

Publication number: DE102009020436A1
Application number: DE102009020436A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dr. Beckmann; Michael Dr. Geisler; Arndt Zeuner; Marks Fiedler; Günter GRABOSCH; Andreas Pflug; Uwe Prof. Dr. Czarnetzki; Ralf-Peter Prof. Dr. Brinkmann; Michael Siemers
Original assignee: RUHR UNI MBH; Ruhr-Universitat Mbh; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Leybold Optics GmbH
Current assignee: RUHR UNI MBH; Ruhr-Universitat Mbh; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Buehler Alzenau GmbH
Priority date: 2008-11-04
Filing date: 2009-05-08
Publication date: 2010-09-16
Also published as: WO2010051982A1; CN102318033A; US20120097641A1; EP2351064A1; WO2010051982A8

Abstract

Bei dem Verfahren zur Plasmabehandlung eines Substrats in einer Plasmavorrichtung, wobei - das Substrat zwischen einer Elektrode und einer Gegenelektrode mit einem Abstand d zwischen einem zu behandelnden Oberflächenbereich des Substrats und der Elektrode angeordnet wird, - zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode eine kapazitiv gekoppelte Plasmaentladung mit Bildung eines DC-Self-Bias angeregt wird, - in einem Bereich der Plasmaentladung zwischen dem zu behandelnden Oberflächenbereich und der Elektrode mit einem quasineutralen Plasmabulk eine Menge zumindest einer aktivierbaren Gasspezie vorliegt, mit welcher ein zu behandelnder Oberflächenbereich des Substrats beaufschlagt wird, - ist vorgesehen, dass eine Plasmaentladung angeregt wird, - bei der der Abstand d einen Wert aufweist, der vergleichbar ist mit s = se+sg, wobei se eine Dicke einer Plasmarandschicht vor der Elektrode und sg eine Dicke einer Plasmarandschicht vor der zu behandelnden Substratoberfläche bezeichnet oder - bei der der quasineutrale Plasmabulk zwischen dem zu behandelndem Oberflächenbereich und der Elektrode eine lineare Ausdehnung dp mit dp < 1/3d, dp < max(se+sg) oder dp < 0.5s aufweist. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Plasmabehandlung eines Substrats, umfassend - Mittel zur Anregung einer kapazitiv gekoppelten, einen DC-Self-Bias aufweisenden Plasmaentladung in einem Bereich zwischen einer Elektrode und einer Gegenelektrode sowie - Mittel zum Transport ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Plasmabehandlung eines Substrats jeweils nach den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Vorrichtungen zur Plasmabehandlung flacher Substrate sind bekannt. So beschreibt beispielsweise die EP 312 447 B1 eine Vorrichtung zur Plasma-Ablagerung (PECVD) dünner Schichten auf flächenhaften Substraten für elektronische oder optoelektronische Anwendungen.
In der unveröffentlichten DE 10 2007 022 252.3 ist ein System zur Plasma-Beschichtung großflächiger flacher Substrate beschrieben, wobei die Substratfläche in der Größenordnung von 1 m² und mehr liegen können. Das Plasma wird zwischen einer Elektrode und einer Gegenelektrode erzeugt, zwischen die das zu behandelnde Substrat eingebracht ist. Das System beinhaltet eine Vorrichtung zum Variieren des relativen Abstandes zwischen den Elektroden, wobei ein erster relativ großer Abstand bei einer Be- oder Entladung der Prozesskammer mit dem Substrat und eine zweiter relativ geringer Abstand bei Durchführung der Behandlung des Substrats vorgesehen ist. Über eine in die Elektrode integrierte Gasdusche wird ein schichtbildendes Reaktionsgas bzw. Reaktionsgasgemisch zugeführt. Die Gasdusche umfasst eine Gasduschenaustrittsplatte mit einer Vielzahl von Austrittsöffnungen, mit deren Hilfe das Reaktionsgas gleichmäßig verteilt in die Prozesskammer geleitet wird. Das Reaktionsgas liegt in einem eine relativ hohe Elektronendichte aufweisenden quasineutralen Plasmabulk der Plasmaentladung zwischen dem zu behandelndem Substrat und der Gasdusche als aktivierte Gasspezie vor, mit welcher das zu behandelnde Substrat beaufschlagt wird. Die Geschwindigkeit und Qualität der Substratbeschichtung hängt von einer Vielzahl von Prozessparametern ab, insbesondere von Druck, Fluss und Zusammensetzung der Reaktionsgase, von Leistungsdichte und Frequenz der Plasmaanregung sowie der Substrattemperatur.
Bei einer Änderung der Prozessparameter zur gleichzeitigen Erreichung hoher Beschichtungsraten und hoher Schichtqualität, insbesondere bei großflächigen Substraten treten Probleme auf, von denen im Folgenden einige kurz angesprochen werden.
Zunächst erfolgt neben der erwünschten Beschichtung des Substrats auch eine nicht erwünschte Beschichtung weiterer Komponenten des Systems, insbesondere eine Beschichtung von Teilen der Gasdusche durch Beaufschlagung mit aktivierten Gasspezies aus dem quasineutralen Plasmabulk, was zu Verlust an teurem Reaktionsgas sowie zu erhöhtem Aufwand an Reinigungsgasen führt.
Zur Erhöhung der Beschichtungsrate ist es im Allgemeinen erforderlich, die Leistungsdichte des Plasmas zu erhöhen, was jedoch zu einem höheren Ionenbeschuss des Substrats führen und damit die Qualität der abgeschiedenen Schicht negativ beeinflussen kann.
Bei einer Plasmaanregung mit einer 13,56 MHz Hochfrequenzspannung kann auch eine große Elektrodenfläche auf einfache Weise sehr homogen mit Hochspannung versorgt werden, wobei jedoch mit steigender Leistungsdichte ein unerwünschter Ionenbeschuss des Substrats zunimmt. Bei einer Plasmaanregung mit einer VHF-Hochfrequenzspannung (27 MHz–ca. 150 MHz) ist zwar der Ionenbeschuss des Substrats auch bei hohen Leistungsdichten gering, wie beispielsweise im Artikel von Amanatides, Mataras und Rapakoulias, Journal of Applied Physics Volume 90, Number 11, Dezember 2001, beschrieben ist. Allerdings ist eine homogene Verteilung der VHF-Hochfrequenzspannung über eine große Flächen nur mit hohem Aufwand zu erreichen.
Aus der EP 0688469 B1 ist bereits ein plasmaunterstütztes Bearbeitungs- bzw. Herstellungsverfahren bekannt, bei dem Gasentladungen mit einer anharmonischen Wechselspannung angeregt werden, deren Frequenzspektrum aus einer Grundfrequenz und einem ganzzahligen Vielfachen dieser Grundfrequenz besteht. Dabei sind die Amplituden der einzelnen Frequenzkomponenten an die Erfordernisse des plasmaunterstützten Verfahrens angepasst. Der Begriff anharmonisch ist dabei im Sinn von nicht harmonisch, also nicht sinusförmig zu verstehen. Ziel dieses bekannten Verfahrens ist unter anderem die Erzeugung einer prozessspezifischen Ionenverteilung zur Verbesserung von plasmaunterstützten Bearbeitungs- und Herstellungsverfahren für dünne Schichten, ohne dass jedoch angegeben wird, wie der relative Ionenbeschuss der Elektroden beeinflusst werden könnte.
Bei Plasmareaktoren mit einer Parallel-Plattenanordnung ist bei konstanter Leistungsdichte der Plasmaanregung der relative Ionenbeschuss der Elektroden durch das Flächenverhältnis von Elektrode und Gegenelektrode bestimmt und reflektiert das relative Verhältnis der an der Plasmarandschicht vor der Elektrode bzw. Gegenelektrode abfallenden mittleren Spannung. Wie in dem Artikel von Heil, Czarnetzki, Brinkmann und Mussenbrock, J. Phys D: Appl. Phys. 41 (2008) 165002 gezeigt wurde, skaliert der Absolutwert der erwähnten Spannungen mit einer Potenz nahe 2 zum Flächenverhältnis der Fläche der Elektrode zur Fläche der Gegenelektrode. Da bei der Herstellung von homogen zu beschichtenden Substraten, die Flächen von Elektrode und Gegenelektrode annährend gleich groß sein müssen, sind die Möglichkeiten, durch eine geometrische Asymmetrie, die Energie der die Elektrode und Gegenelektrode beaufschlagenden Ionenenergie zu beeinflussen, beschränkt.
Ein alternatives Verfahren, unabhängig von einer geometrischen Asymmetrie, bei gegebener Anregungsfrequenz- und Spannung, die Energie der Elektrode bzw. Gegenelektrode beaufschlagenden Ionen zu beeinflussen, wurde in dem oben genannten Artikel Heil, Czarnetzki, Brinkmann und Mussenbrock beschrieben. Danach wird ein DC-Self-Bias mittels einer RF-Spannung erzeugt, welche zumindest zwei harmonische Frequenzkomponenten mit vorgegebener relativer Phasenbeziehung zueinander aufweisen, wobei zumindest eine der höheren Frequenzkomponenten eine geradzahlige harmonische Oberschwingung einer niedrigeren Frequenzkomponente ist. In Abhängigkeit von der relativen Phasenbeziehung zwischen den zwei harmonischen Frequenzkomponenten kann eine Einstellung eines relativen Verhältnisses von Ionenenergien an Elektrode und Gegenelektrode vorgenommen werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Plasmabehandlung eines Substrats zu ermöglichen, bei der eine relative Änderung der Beaufschlagung von Elektrode und Substrat mit einer aktivierten Gasspezie erreichbar ist, wobei das Substrat zwischen einer Elektrode und einer Gegenelektrode angeordnet ist und die aktivierte Gasspezie in einem quasineutralen Plasmabulk zwischen Elektrode und Gegenelektrode vorliegt.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
Bei dem erfindungsgemäße Verfahren zur Plasmabehandlung eines Substrats in einer Plasmavorrichtung ist zunächst vorgesehen, dass

– das Substrat zwischen einer Elektrode und einer Gegenelektrode mit einem Abstand d zwischen einem zu behandelnden Oberflächenbereich des Substrats und der Elektrode angeordnet wird,
– zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode eine eine kapazitiv gekoppelte Plasmaentladung mit Bildung eines DC-Self-Bias angeregt wird,
– in einem Bereich der Plasmaentladung zwischen dem zu behandelnden Oberflächenbereich und der Elektrode mit einem quasineutralen Plasmabulk eine Menge zumindest einer aktivierbaren Gasspezie vorliegt, mit welcher ein zu behandelnder Oberflächenbereich des Substrats beaufschlagt wird.

Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass eine Plasmaentladung angeregt wird,

– bei der der Abstand d einen Wert in einem Bereich zwischen s und 2.5s aufweist, mit s = se + sg, wobei se eine Dicke einer Plasmarandschicht vor der Elektrode und sg eine Dicke einer Plasmarandschicht vor der Gegenelektrode bezeichnet oder
– bei der der quasineutrale Plasmabulk zwischen dem zu behandelndem Oberflächenbereich und der Elektrode eine lineare Ausdehnung dp mit dp < 1/3d, dp < max(se + sg) oder dp < 0.5s aufweist.

Die Erfindung ermöglicht es, durch die angegebenen, eine bestimmte Geometrie der Plasmaentladung charakterisierenden Werte von d, se, sg und dp, in Abhängigkeit von einem Wert des DC-Self-Bias eine Rate einzustellen, mit der ein zu behandelnder Oberflächenbereich des Substrats mit der aktivierten Gasspezie beaufschlagt wird.
Der DC-Self-Bias ist dabei abhängig von dem Verhältnis der Flächen der beiden Elektroden. Die Plasmaentladung wird mittels einer von einem HF-Generator zur Verfügung gestellten Hochfrequenzspannung in einem in den Bereich zwischen den Elektroden zugeführten Prozessgas, beispielsweise Argon und/oder Wasserstoff, mit einer Anregungsfrequenz im Bereich 1 bis 40 MHz, vorzugsweise 13,56 MHz angeregt. Das Substrat befindet sich unmittelbar vor der Gegenelektrode, wobei es sich versteht, dass die Bezeichnungen „Elektrode” und „Gegenelektrode” rein konventionell und vertauschbar sind. Vorausgesetzt ist bei dem Verfahren, dass die zur Anregung des Plasmas angelegte Spannung überwiegend im Bereich der Plasmarandschicht vor Elektrode und Gegenelektrode abfällt und nur wenig im Bereich des quasineutralen Plasmabulks. Bei einem vor der Gegenelektrode angeordneten Substrat ist erstreckt sich die Plasmarandschicht ausgehend von der Substratoberfläche hin zum quasineutralen Plasmabulk.
Bei einer Plasmaentladung mit einem DC-Self-Bias ist die Dicke der Plasmarandschicht vor Elektrode bzw. Gegenelektrode unterschiedlich, wobei an der Randschicht mit der geringeren Dicke eine geringere mittlere Spannung abfällt. Wenn der Wert d vergleichbar ist mit s = se + sg, also d einen Wert ungefähr gleich s annimmt, wobei se eine Dicke einer Plasmarandschicht vor der Elektrode und sg eine Dicke einer Plasmarandschicht vor der Gegenelektrode bezeichnet, ist die Ausdehnung des quasineutralen Plasmabulks zwangsläufig relativ klein. Die Plasmarandschicht vor der Gegenelektrode erstreckt sich dabei bis zur Oberfläche der zu behandelnden Substratoberfläche. Bevorzugt ist ein Wert d in einem Bereich zwischen 1.1s und 2.5s, besonders bevorzugt ein Wert d in einem Bereich zwischen 1.1s und 1.2s, 1.4s, 1.6s, 1.8s oder 2.0s.
Die Rate, mit der die im neutralen Plasmabulk vorliegende aktivierte Gasspezie die Elektrode bzw. das Substrat beaufschlagt, ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren von der Lage des Bereichs der höchsten Konzentration der aktivierten Gasspezie und damit bei einem relativ schmalen quasineutralen Plasmabulk hauptsächlich von dem Abstand zwischen dem quasineutralen Plasmabulk und der Elektrode bzw. dem Substrat abhängig, und nimmt jeweils mit abnehmenden Abstand zwischen dem quasineutralen Plasmabulk und Elektrode bzw. Substrat zu. Dieser Abstand ist durch die Dicke der Plasmarandschicht se bzw. sg bestimmt, die bei einem DC-Self-Bias unterschiedliche Werte annimmt. Der quasineutrale Bulk liegt näher an der Elektrode bzw. Gegenelektrode, vor der die Randschicht mit der geringeren Dicke liegt. Daher kann die relative Beaufschlagung von Elektrode bzw. Substrat mit der aktivierten Gasspezie bei dem erfindungsgemäßen Abstand d durch Änderung der Dicke der Plasmarandschicht se und sg beeinflusst werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung hat der quasineutrale Plasmabulk eine lineare Ausdehnung dp < 2/3d, dp < max(se, sg) oder dp < 0,5s. Als lineare Ausdehnung dp des quasineutralen Plasmabulks wird die Dicke des quasineutralen Plasmabulks parallel zu einem Querschnittsdurchmesser zwischen den gegenüberliegenden Flächen von Elektrode und Substrat bezeichnet. Auch in diesem Fällen kann in Abhängigkeit vom Wert des DC-Self-Bias, die Rate mit der das Substrat von aktivierten Gasspezie aus dem quasineutralen Plasmabulk beaufschlagt wird, kontrolliert werden.
Die Werte der Parameter d, se, sg und dp können in Abhängigkeit von Parametern der Plasmaentladung wie Entladungsspannung, Anregungsfrequenz oder Leistungsdichte variiert oder eingestellt werden, so dass d einen Wert in einem Bereich zwischen 1.1s und 2.5s, besonders bevorzugt ein Wert d in einem Bereich zwischen 1.1s und 1.2s, 1.4s, 1.6s, 1.8s oder 2.0s annimmt oder dass dp < 2/3d, dp < max(se, sg) oder dp < 0,5s gilt.
Bevorzugt ist eine Variation von d bei konstanten Werten se, sg, und dp sowie eine Variation von se, sg und dp bei konstantem Wert d.
Die jeweiligen Werte der Dicke der Plasmarandschicht vor Elektrode und Gegenelektrode bzw. Substratoberfläche sowie der Dicke des quasineutralen Plasmabulks können in an sich bekannter Weise ermittelt werden. Vorzugsweise können die besagten Werte mit Methoden optischer Plasmadiagnostik, beispielsweise mittels Laserdiagnostik ermittelt werden. Es versteht sich, dass die besagten Werte auch theoretisch und/oder durch Computersimulation bestimmt werden können.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die relative Lage eines geometrischen Schwerpunktes des quasi neutralen Plasmabulks zwischen Elektrode und Gegenelektrode in Abhängigkeit vom einem Wert des Abstandes d oder des DC-Self-Bias eingestellt oder verändert wird, womit die Beaufschlagung von Substrat und Elektrode mit aktiviertem Gasspezie zur Optimierung der Plasmabehandlung beeinflusst werden kann.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Lage des geometrischen Schwerpunktes in Richtung der zur behandelnden Oberfläche relativ zur Lage des besagten Schwerpunktes bei einer Plasmaentladung ohne DC-Self-Bias verschoben und damit die Beaufschlagung der zur behandelnden Oberfläche mit aktivierten Gasspezie vorteilhaft erhöht.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Plasmabehandlung eine Plasmabeschichtung, insbesondere wie sie bei der Herstellung von Solarzellen und Flachbildschirmen eingesetzt wird.
Ferner kann die Plasmabehandlung eine Oberflächenmodifikation durch das Plasma umfassen, wobei der Effekt eines Ionenbombardements sowie der aktivierten Gasspezie auf die Oberflächenstruktur und Zusammensetzung des Substrats genutzt wird. Ferner kann die Plasmabehandlung auch ein Ätzen des Substrats umfassen, wobei der Einfluss des Ionenbombardements sowie der aktivierten Gasspezie auf das Ätzen einer Oberfläche genutzt wird.
Allgemein kann die Anregung des Precursorgases thermisch (CVD), durch Plasmaanregung (PECVD) oder durch Lichtanregung (Foto-CVD) erfolgen.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt eine Aktivierung der Gasspezie durch Radikalenbildung im quasineutralen Plasmabulk selbst, da die im Plasmabulk erhöhte Elektronendichte eine Radikalenbildung erleichtert. Der quasineutrale Plasmabulk ist in diesem Fall Quellbereich und Bereich der höchsten Konzentration von aktivierten Gasspezie.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird als Gasspezie ein Precursorgas verwendet, welches in einem Plasma schichterzeugende Radikale bilden kann. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Precursorgas um Silan (SiH₄) das in dem Plasma durch Elektronenstoß den Schichtprecursor SiH₃ bildet. Bei dem Precursorgas kann es sich auch um CH₄, TEOS (Si(OC₂H₅)₄) oder andere Gase handeln, die gasförmig in die Prozesskammer eingelassen werden. Diese Verbindungen sind stabil, benötigen eine Anregung, um in eine schichtbildungsfähige Spezies umgesetzt zu werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass als aktivierbare Gasspezie ein Reinigungsgas verwendet wird, welches in einem Plasma reaktive Radikale bilden kann, wie beispielsweise NF₃.
Der räumliche Bereich in dem eine Aktivierung der aktivierbaren Gasspezie im Plasmabulk erfolgt, ist insbesondere bei der Beschichtung mit Silan oder ähnlichen Schichtbildungsgasen von Bedeutung für eine optimale Auslegung der Plasmavorrichtung hinsichtlich der Vermeidung von parasitärer Beschichtung. Wie in der Veröffentlichung von A. Pflug, M. Siemers, B. Szyszka, M. Geisler und R. Beckmann „Gas Flow and Plasma Simulation for Paralle Plate PACVD Reactors, 51st SVC Technical Conference, April 23, 2008 Chicago dargestellt ist, erfolgt bei einer Plasmaentladung eines Silan/Wasserstoffplasmas in einem Parallelplatten-Reaktor die Bildung der aktivierten Gasspezie durch plasma-aktivierte Dissoziation von Silan im Bereich des quasineutralen Plasmabulks. Daher kann durch die erfindungsgemäße Wahl, der die Geometrie der Plasmaentladung charakterisierenden Werte von d, se, sg und dp die Beschichtung der zu behandelnden Substratoberfläche relativ zu der Beschichtung der Elektrode vorteilhaft erhöht werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wird ein Prozessgas und/oder eine aktivierbare Gasspezie mittels einer Elektrode, welche eine Gasverteileinrichtung mit einer Vielzahl von Austrittsöffnungen für Gas umfasst, in dem Bereich zwischen Elektrode und Gegenelektrode transportiert, da auf diese Weise eine höhere Homogenität der Beaufschlagung einer zu behandelnden Substratoberfläche erreicht werden kann.
Gemäß einer weiteren für flache Substrate bevorzugten Ausführungsform, kann der DC-Self-Bias sehr einfach durch eine geometrische Asymmetrie von Elektrode und Gegenelektrode erreicht werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zur Erzeugung des DC-Self-Bias eine RF-Spannung verwendet, welche zumindest zwei harmonische Frequenzkomponenten mit vorgegebener relativer Phasenbeziehung zueinander aufweisen (Mischfrequenz), wobei zumindest eine der höheren Frequenzkomponenten eine geradzahlige harmonische Oberschwingung einer niedrigeren Frequenzkomponente ist. Die auf diese Weise erreichte Ausbildung des DC-Self-Bias wird im Folgenden als elektrischer Asymmetrie-Effekt bezeichnet.
Durch den elektrischen Asymmetrie-Effekt lässt sich eine asymmetrische Verteilung der Elektronendichte im quasineutralen Plasmabulk herstellen. Die Quellenstärke zur Erzeugung von Radikalen im quasineutralen Plasmabulk kann nun bei ansonsten homogen verteilter Elektronentemperatur bzw. Energieverteilungsfunktion im quasineutralen Plasmabulk als proportional zur Elektronendichte angenommen werden. Die Beaufschlagung der Elektroden mit aktivierten Gasspezie, d. h. der Radikalenfluss auf die Elektroden ist dann über die Diffusionsgleichung durch das Dichteprofil der Elektronen gegeben. Dies sein im Folgenden für den Fall vollständig adsorbierender Elektroden dargelegt. Der Fall nicht vollständig adsorbierender Elektroden lässt sich analog mit veränderten Randbedingungen behandeln.
Die Elektroden seien auf einer normierten Längenskala bei x = ⊓⁣1 lokalisiert. N bezeichne die Dichte der Radikale und f(x) eine zur Elektronendichte proportionale Quellenfunktion. Damit ergibt sich:
Der Fluss ist aufgrund des Ficksche-Gesetzes proportional zur Ableitung der Dichte nach dem Ort. R bezeichne das Verhältnis der Absolutbeträge der Flüsse auf beide Elektroden:
Man erhält durch elementare Integration von Gleichung (1) als Lösung:
Als Beispiel sei hier der Extremfall einer deltaförmigen Quellenfunktion am Ort x = s diskutiertt: f(x) = a⊓⁣(x – s). Es ergibt sich sodann:
Man erkennt deutlich, wie sich über Variation des Ortes s zwischen –1 und 1 beliebige Verhältnisse zwischen Null und Unendlich einstellen lassen.
Alternativ kann man als charakteristische Größe auch die Kontrastfunktion K benutzen. Diese ist durch den Quotienten aus der Differenz der Absolutwerte der Flüsse und der Summe der Absolutwerte der Flüsse gegeben. Im vorliegenden Fall ist der Fluss zur Elektrode bei x = +1 positiv und bei x = –1 negativ. Diesen Vorzeichenwechsel eingerechnet erhält man:
Für das oben betrachtete Beispiel der Delta-Funktion erhält man damit K = s·K variiert also zwischen –1 und +1, wobei negative Werte eine Dominanz des Flusses zur Elektrode bei x = –1 kennzeichnen und positive Werte eine Dominanz zur Elektrode bei x = +1.
Der elektrische Asymmetrieeffekt ermöglicht es, die Ionenenergie und den Ionenfluss mit denen Elektrode und Substrat beaufschlagt werden, unabhängig voneinander zu kontrollieren.
Bevorzugt wird eine derartige Erzeugung des DC-Self-Bias im Fall einer geometrischen Symmetrie von Elektrode und Gegenelektrode eingesetzt, insbesondere bei einer Plasmavorrichtung die ausgelegt ist für die Behandlung von flachen Substraten mit einer zu behandelnden Oberfläche von mehr als > 1 m², beispielsweise 1.2 m × 1.2 m.
Bevorzugte Verfahren sowie Vorrichtungen zur Erzeugung eines DC-Self-Bias sind in der unveröffentlichten Patentanmeldung PCT/EP 2008/059133 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt in vollem Umfang durch Bezugnahme zum Offenbarungsgehalt der vorliegenden Patentanmeldung gemacht wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wird der DC-Self-Bias in Abhängigkeit von der relativen Phasenbeziehung zwischen den harmonischen Frequenzkomponenten und/oder den Amplituden der zwei harmonischen Frequenzkomponenten der RF-Spannung verändert, womit Ionenenergie und Ionenfluss, mit der das Substrat beaufschlagt wird, dynamisch während einer Plasmabehandlung kontrolliert werden können.
Besonders bevorzugt ist, wenn in Abhängigkeit von der relativen Phasenbeziehung zwischen zwei harmonischen Frequenzkomponenten eine Einstellung eines relativen Verhältnisses von Ionenenergie an Elektrode und Gegenelektrode beziehungsweise Substrat erfolgt, womit eine Änderung der Ionenenergien ohne größere Änderungen der Ionenflüsse möglich ist.
Es ist bevorzugt, wenn Substrat, Elektrode und Gegenelektrode eine flache Oberfläche aufweisen. Bevorzugt ist sind die genannten Oberflächen plan. Es versteht sich, dass Substrat, Elektrode und Gegenelektrode auch konkave oder konvexe Oberflächen aufweisen können.
Bevorzugt ist insbesondere eine Plasmabeschichtung von Substraten mit einer Fläche von 1 m² und mehr mittels eines Precursorgases.
Bei der Herstellung von amorphen oder mikrokristallinen Beschichtungen ist ein Prozessgasdruck zwischen 100 Pa und 2000 Pa, insbesondere 1300 Pa, und eine Leistungsdichte zwischen 0.01 W/cm³ und 5 W/cm³, insbesondere 1 W/cm³ bevorzugt. Die Ausgangsleistung des HF-Generators liegt in einem Bereich zwischen 50 W und 50 kW, vorzugsweise bei 1 kW.
Insbesondere bei der Herstellung von amorphen oder mikrokristallien Beschichtungen sind Werte von se zwischen 2 mm und 10 mm sowie Werte von sg zwischen 1 mm und 5 mm bevorzugt. Ferner sind Werte von dp zwischen 1 mm und 5 mm bevorzugt. Ein bevorzugter Wert von d liegt zwischen 5 mm und 20 mm.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Plasmabehandlung eines Substrats umfasst

– Mittel zur Anregung einer kapazitiv gekoppelten, einen DC-Self-Bias aufweisenden Plasmaentladung in einem Bereich zwischen einer Elektrode und einer Gegenelektrode sowie
– Mittel zum Transport einer Menge zumindest einer aktivierbaren Gasspezie in einen Bereich der Plasmaentladung mit einem quasineutralen Plasmabulk, wobei
– das Substrat zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode mit einem Abstand d zwischen einem zu behandelnden Oberflächenbereich des Substrats und der Elektrode angeordnet ist oder anordenbar ist.

Die Vorrichtung ist derart ausgelegt, dass eine Plasmaentladung mit einem DC-Self-Bias anregbar ist.
Die Vorrichtung zeichnet sich aus durch ein Steuergerät zur Ansteuerung der Vorrichtung vorgesehen ist, so dass sich eine Plasmaentladung einstellt

– bei der der Abstand d einen Wert in einem Bereich zwischen s und 2.5s aufweist, wobei se eine Dicke einer Plasmarandschicht vor der Elektrode und sg eine Dicke einer Plasmarandschicht vor der Gegenelektrode bezeichnet oder
– bei der der quasineutrale Plasmabulk zwischen dem zu behandelndem Oberflächenbereich und der Elektrode eine lineare Ausdehnung dp mit dp < 1/3d, dp < max(se + sg) oder dp < 0.5s aufweist.

Die Vorteile der Vorrichtung entsprechen denen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Das Steuergerät umfasst Mittel zur Erzeugung der den DC-Self-Bias aufweisenden Plasmaentladung mittels einer RF-Spannung, wobei die RF-Spannung zumindest zwei harmonische Frequenzkomponenten mit vorgegebener relativer Phasenbeziehung zueinander aufweist und zumindest eine der höheren Frequenzkomponenten eine geradzahlige harmonische Oberschwingung einer niedrigeren Frequenzkomponente ist.
Zur Ermittlung der jeweils vorliegenden Werte der Dicke der Plasmarandschicht vor Elektrode und Gegenelektrode bzw. Substratoberfläche sowie der Dicke des quasineutralen Plasmabulks sind an sich bekannte Mittel zur Plasmadiagnostik vorgesehen, die Eingangswerte für das Steuergerät liefern. Vorzugsweise sind Mittel zur optischen Plasmadiagnostik, beispielsweise zur Plasmalaserdiagnostik vorgesehen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher beschrieben, denen auch unabhängig von der Zusammenfassung in den Patentansprüchen weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung zu entnehmen sind.
Es zeigen in schematischer Darstellung
1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Plasmabehandlung flacher Substrate
2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Plasmabehandlung flacher Substrate
3 einen Verlauf des elektrischen Potentials sowie der Konzentration einer schichtbildenden aktivierten Gasspezie in einem Bereich zwischen einer Elektrode und einer Gegenelektrode für eine harmonische RF-Anregungsspannung und eine Anregungsspannung mit einer Mischfrequenz.
1 zeigt in vereinfachter Darstellung eine Plasmavorrichtung (Reaktor 1) zur Behandlung von vorzugsweise flachen und rechteckigen Substraten 3. Der Reaktor 1 kann beispielsweise als PECVD-Reaktor ausgelegt sein. Der Reaktor 1 umfasst Mittel zur Anregung einer kapazitiv gekoppelten, einen DC-Self-Bias aufweisenden Plasmaentladung in einem Bereich zwischen einer Elektrode und einer Gegenelektrode, insbesondere einen Prozessraum 9 mit einer Elektrode 5 sowie einer geerdeten Gegenelektrode 7, die zur Erzeugung eines Plasmas zur Behandlung einer zu behandelnden Oberfläche eines oder mehrerer flacher Substrate 3 ausgelegt sind. Die Elektrode 5 kann zur Erzeugung eines elektrischen Feldes in dem Prozessraum 9 an eine nicht näher dargestellte Hochfrequenz-Versorgungsquelle, vorzugsweise eine RF-Spannungsquelle angeschlossen werden oder angeschlossen sein, wobei ein Steuergerät mit zugehörigen Steuerungsmitteln sowie optional vorgesehene Mittel zur Plasmadiagnostik vorhanden, jedoch nicht dargestellt sind. Das Substrat 3 befindet sich unmittelbar vor der geerdeten Gegenelektrode 7, wobei es sich versteht, dass auch eine andere Verschaltung der Elektroden vorgesehen sein kann. Die Elektroden 5, 7 sind vorzugsweise ausgelegt zur Behandlung von Substraten mit einer Fläche von mindestens 1 m² als Behandlungs- oder Bearbeitungsschritt bei der Herstellung von hocheffizienten Dünnschichtsolarmodulen, beispielsweise für amorphe oder mikrokristalline Silizium-Dünnschicht-Solarzellen.
Die Elektroden 5, 7 bilden zwei gegenüberliegende Wände des Prozessraumes 9. Der Prozessraum 9 befindet sich in einer Vakuumkammer 11, die eine Be- und Entladungsöffnung 49 aufweist, welche mit einer Verschlussvorrichtung 35 verschließbar ist. Die Verschlussvorrichtung ist optional. Die Vakuumkammer 11 wird durch ein Gehäuse 13 des Reaktors 1 gebildet. Zur Abdichtung gegenüber der Umwelt sind Dichtungen 15 vorgesehen.
Die Vakuumkammer 11 kann eine beliebige Raumform, beispielsweise mit einem runden oder mehreckigen, insbesondere rechteckigen Querschnitt aufweisen. Der Prozessraum 9 ist beispielsweise als flaches Parallelepiped ausgebildet. In einer anderen Ausführungsform ist die Vakuumkammer 11 selbst der Prozessraum 9.
Die Elektrode 5 ist in einer Haltestruktur 31 in der Vakuumkammer 11 angeordnet, die von der Gehäuserückwand 33 gebildet ist. Dazu ist die Elektrode 5 in einer Ausnehmung der Haltestruktur 31 untergebracht und von der Vakuumkammerwand durch ein Dielektrikum getrennt. Ein Pumpkanal 29 ist durch eine nutförmige zweite Ausnehmung in der Haltestruktur 31 gebildet.
Das Substrat 3 wird durch die Gegenelektrode 7 auf ihrer der Elektrode 5 zugewandten Vorderseite durch eine Halterung 34 aufgenommen.
Zum Einbringen und zum Entfernen von gasförmigem Material sind an sich bekannte Mittel vorgesehen, wobei es sich bei dem gasförmigen Material beispielsweise um Argon (Ar) und/oder Wasserstoff (H2) handeln kann. Insbesondere sind Mittel zum Transport einer Menge zumindest einer aktivierbaren Gasspezie in einen Bereich der Plasmaentladung mit einem quasineutralen Plasmabulk vorgesehen. Vorzugsweise wird als Gasspezie ein Precursorgas verwendet, welches in einem Plasma schichterzeugende Radikale bildet. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Precursorgas um Silan (SiH₄) das in dem Plasma durch Elektronenstoß den Schichtprecursor SiH3 bildet. Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass als aktivierbare Gasspezie ein Reinigungsgas verwendet wird, beispielsweise NF3. Das Einbringen und Entfernen des gasförmigen Materials kann sowohl sequenziell als auch parallel erfolgen.
Als Mittel zum Einbringen von gasförmigem Material ist eine Beschichtungsmaterialquelle 19 mit einem Kanal 23 vorgesehen, die an eine Gasverteilungsvorrichtung angeschlossen sind. Die Gasverteilungsvorrichtung ist in die Elektrode 5 integriert, kann jedoch in anderen Ausführungsformen auch separat von der Elektrode ausgebildet sein. Die Gasverteilungsvorrichtung weist in der vorliegenden Ausführungsform eine Gasaustrittsplatte 25 auf; diese umfasst eine Vielzahl von in den Prozessraum 9 mündenden Öffnungen durch die gasförmiges Material in den Prozessraum 9 eingebracht werden kann. Die Gasverteilungsvorrichtung ist vorzugsweise derart ausgelegt, dass eine homogene Beaufschlagung des Substrats 3 mit Gasspezies erreicht werden kann. Vorzugsweise ist die Vielzahl von Austrittsöffnungen gleichmäßig in der Gasaustrittsplatte 25 verteilt, so dass das gasförmige Material gleichmäßig verteilt in die Prozesskammer 9 geleitet wird.
Es versteht sich, dass die Mittel zum Einbringen von gasförmigem Material auch verschieden von der der Darstellung in 1 ausgebildet sein können, ebenso wie die Gasverteilereinrichtung 25.
Der Reaktor 1 umfasst eine Vorrichtung zum Einstellen und/oder Variieren des relativen Abstandes zwischen den Elektroden, welche in der Ausführungsform der 1 als Schiebebolzen 41, der mittels einer Lagerplatte 43 eine Linearbewegung in der Vakuumkammer 11 ausführen kann, ausgebildet ist. Der Schiebebolzen 41 ist mit der Elektrode 5 abgewandten Rückseite der Gegenelektrode 7 verbunden. Ein dem Schiebebolzen 41 zugeordneter Antrieb ist nicht dargestellt.
In der Darstellung der 1 ist vorgesehen, dass die Gegenelektrode 7 während der Durchführung der Plasmabehandlung die Ausnehmung abdeckt. Vorzugsweise weist die Gegenelektrode Kontaktelemente 38 für zugeordnete Kontaktelemente 37 der Haltestruktur auf, so dass die Gegenelektrode während der Durchführung der Plasmabehandlung auf dem elektrischen Potential der Vakuumkammer 11 liegt.
Erfindungsgemäß ist in einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass die Gegenelektrode 7 eine in den 1 nicht dargestellte Vorrichtung zur Aufnahme von flachen Substraten aufweist, die derart ausgebildet ist, dass das oder die Substrate zumindest während der Durchführung der Behandlung der zu behandelnden oder behandelten Oberfläche nach unten orientiert mit einem Winkel Alpha in einem Bereich zwischen 0° und 90° gegenüber der Lotrichtung angeordnet sind. Bei einer derartigen Anordnung eines Substrats können Kontaminationen der zu behandelnden, insbesondere zu beschichtenden oder beschichteten Oberfläche des Substrats vermieden oder zumindest reduziert werden, da die betreffenden Partikel im Schwerefeld nach unten und sich damit von der gefährdeten Oberfläche entfernen. Es versteht sich, dass in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung die zu behandelnde Oberfläche nach oben orientiert sein kann.
Bei der Be- oder Entladung der Prozesskammer 9 mit dem Substrat 3 ist ein relativ großer Abstand zwischen Elektrode 5 und Gegenelektrode 7 und eine zweiter relativ geringer Abstand bei Durchführung der Behandlung des Substrats 3 vorgesehen.
Bei der Plasmabehandlung wird mittels einer Hochfrequenzspannung ein Plasma (in 1 nicht dargestellt) in einem Bereich zwischen Elektrode 5 und Gegenelektrode 7, genauer zwischen der Gasaustrittsplatte 25 und dem an der Gegenelektrode 5 gehalterten Substrat 3 angeregt. Zur Plasmabehandlung wird ferner zusätzlich vorzugsweise Reaktionsgas in über die Gasaustrittsplatte 25 homogen verteilt in das Plasma eingebracht. Das Reaktionsgas liegt in einem eine relativ hohe Elektronendichte aufweisenden quasineutralen Plasmabulk der Plasmaentladung zwischen dem zu behandelndem Substrat und der Gasaustrittsplatte 25 als aktivierte Gasspezie vor, mit welcher die zu behandelnde Oberfläche des Substrats 3 beaufschlagt wird.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht eine geometrische Asymmetrie zwischen Elektrode 5 und Gegenelektrode 7, da die Flächen der Elektroden unterschiedlich groß gewählt sind, wobei es zur Ausbildung eines geometrischen DC-Self-Bias kommt.
Das Steuergerät steuert die Vorrichtung so an, dass sich eine asymmetrische Plasmaentladung einstellt wie im Folgenden dargestellt ist.
Erfindungsgemäß ist ein Abstand zwischen Substrat 3 (bzw. Oberfläche des Substrats 3) und Gasaustrittsplatte 25 bei der Behandlung vorgesehen, dessen Wert vergleichbar ist mit s = s_e + s_g, wobei se eine Dicke einer Plasmarandschicht vor der Elektrode und s_g eine Dicke einer Plasmarandschicht vor der Gegenelektrode bezeichnet. Ferner kann der besagte Abstand so gewählt sein, dass der quasineutrale Plasmabulk zwischen dem zu behandelndem Oberflächenbereich und der Gegenelektrode eine lineare Ausdehnung dp mit dp < 1/3d, dp < max(s_e + s_g) oder d < 0.5s aufweist. Als lineare Ausdehnung dp des quasineutralen Plasmabulks wird dabei die Dicke des quasineutralen Plasmabulks parallel zu einem Querschnittsdurchmesser zwischen den gegenüberliegenden Flächen von Gasaustrittsplatte 25 und Substrat 3 bezeichnet.
In einem weiteren, zu dem in 1 dargestellten analogen Ausführungsbeispiel, sind Elektrode 5 und Gegenelektrode 7 geometrisch symmetrisch ausgebildet und/oder der DC-Self-Bias wird mittels einer geeigneten nicht-harmonischen RF-Anregungsspannung erzeugt, wie im weiteren genauer dargestellt wird.
2 zeigt in vereinfachter Darstellung eine der 1 entsprechende Plasmavorrichtung mit einer Vakuumkammer 100, einer Vakuumkammerwand 102, einem Gaseinlass 104, einem Gasauslass 106, mit einer RF-Spannungsversorgung 120 verbundenen Elektrode 112 und einer geerdeten Gegenelektrode 108. Optional kann der Abstand zwischen Elektrode 112 und Gegenelektrode 110 variiert werden. Zur Ansteuerung der Plasmavorrichtung ist ein Steuergerät 125 vorgesehen. Vorzugsweise ist die Elektrode 112 mit einer integrierten Gasverteilungsvorrichtung versehen, die in 2 jedoch nicht dargestellt ist. Zwischen den Elektroden 108 und 112 wird ein Plasma 114 erzeugt.
Erfindungsgemäß weist das Steuergerät 125 Mittel zur Erzeugung der den DC-Self-Bias aufweisenden Plasmaentladung mittels einer RF-Spannung auf. Eine RF-Spannung wird mittels des RF-Spannungsversorgungssystems 120 erzeugt, wobei die RF-Spannung zwei harmonische Frequenzkomponenten mit vorgegebener relativer Phasenbeziehung zueinander aufweist, wobei die höhere Frequenzkomponente eine geradzahlige harmonische Oberschwingung der niedrigeren Frequenzkomponente ist. Im vorliegenden Beispiel, ist ein Substrat 110 unmittelbar vor der geerdeten Elektrode 108 angeordnet, wobei es sich jedoch versteht dass das Substrat auch vor der Elektrode 112 angeordnet sein könnte – mit einer entsprechenden Anpassung der Gasverteilungsvorrichtung. Es versteht sich weiter, dass auch die elektrische Verschaltung von Elektrode und Gegenelektrode sich von der in 2 gezeigten Darstellung unterscheiden kann; beispielsweise kann in einer weiteren Ausführungsform jeweils eine der erwähnten Frequenzkomponenten an Elektrode beziehungsweise Gegenelektrode angelegt sein.
Wie in 2 dargestellt ist, bilden sich zwischen dem Plasma 114 und Oberflächen, die dem Plasma ausgesetzt sind, Plasmarandschichten 116, 118, 119, in deren Bereich der Großteil des Spannungsabfalls auftritt, während nur ein geringer Spannungsabfall im Bereich des quasineutralen Plasmabulks erfolgt. Erfindungsgemäß wird durch die angelegte RF-Spannung ein DC-Self-Bias erzeugt, der eine Asymmetrie in den Plasmarandschichten 118 und 119 vor Elektrode 112 und Gegenelektrode 108 erzeugt, so dass die Dicke der Plasmarandschicht S_E der Elektrode unterschiedlich von der Dicke der Plasmarandschicht S_G vor der Gegenelektrode ist. Eine detaillierte Beschreibung dieses Verfahrens sowie korrespondierender Vorrichtungen zur Erzeugung des DC-Self-Bias sind der oben genannten PCT/EP 2008/059133 zu entnehmen.
Erfindungsgemäß kann durch Variation der Phasenbeziehung zwischen den zwei Frequenzkomponenten der Spannungsabfall an Elektrode und Gegenelektrode beziehungsweise Substratoberfläche variiert werden, dem auch bei geometrisch symmetrischen Elektroden eine Asymmetrie der jeweiligen Plasmarandschichten entspricht.
In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Steuergerät 120 Mittel zur Eingabe einer gewünschten Ionenenergie und/oder eines gewünschten Ionenstroms im Bereich der Substratoberfläche. Ferner sind Steuermittel zur Einstellung einer Leistungsdichte des Plasmas und Mittel zu Einstellung einer Amplitude und/oder relativen Phasenbeziehung der harmonischen Frequenzkomponenten der RF-Spannung zur Einstellung der Ionenenergie des Plasmas und/oder des Ionenflusses des Plasmas sowie Mittel zur Steuerung der Amplitude und/oder relativen Phasenbeziehung der harmonischen Frequenzkomponenten der RF-Spannung vorgesehen.
Das Steuergerät 125 ist mit Mitteln zur Plasmadiagnostik 126 zur Ermittlung von jeweils vorliegenden Werten der Dicke der Plasmarandschicht vor Elektrode se und Substratoberfläche sg verbunden. Ferner kann mit den Mitteln 126 optional auch die lineare Ausdehnung dp des quasineutralen Plasmabulks gemessen werden. Die Messwerte sind als Eingangswerte dem Steuergerät zuführbar.
Für den Fall einer Anregungsspannung VAC(t) = 315(cos(2πft + θ) + cos(4πft))wobei f = 13,56 mHz ist und θ die Phasendifferenz zwischen den beiden harmonischen Komponenten von V_AC bezeichnet, sind in der PCT/EP 2008/059133 Monte-Carlo-Simulationen des Spannungsabfalls zwischen Elektrode und Gegenelektrode vorgenommen worden. Es konnte dabei gezeigt werden, dass bei einer geerdeten Gegenelektrode für θ = 0, der Spannungsabfall auf Grund des mit der angegebenen RF-Spannung erzeugten DC-Self-Bias an der Substratsoberfläche geringer ist, als an der Elektrode. Dem entspricht eine geringere Energie, der die Substratoberfläche als die Elektrode beaufschlagenden Ionen. Bei einer relativen Phasendifferenz von θ = π/2 zwischen den beiden harmonischen Frequenzkomponenten kehren sich die Verhältnisse um: in diesem Fall ist der Spannungsabfall an der Substratoberfläche höher als der Spannungsabfall an der Elektrode und dementsprechend die Energie, der die Substratoberfläche beaufschlagenden Ionen höher als die Energie der Ionen, die die Elektrode beaufschlagen.
Bei einer symmetrischen Quellenfunktion, d. h. f(–x) = f(x) ergeben sich hingegen bis auf die Vorzeichen immer gleiche Werte für die beiden Integrale und das Verhältnis der Flüsse ist exakt eins.
3 ist am Beispiel einer Plasmabeschichtung mit Silan ohne DC-Self-Bias (3A) und mit DC-Self-Bias (3B) das elektrische Potential ⋃ (jeweils untere Kurve, linke Ordinate) sowie eine Elektronendichte ne, der eine Konzentration der aktivierten Gasspezie [SiH₃] entspricht (jeweils obere Kurve, rechte Ordinate) dargestellt. Werte der x-Achse entsprechen jeweils Orten zwischen Elektrode und Gegenelektrode, wobei der Wert x = 0 der Oberfläche des Substrats und x = d der Oberfläche der Elektrode entsprechen. Ferner ist in 3A und 3B jeweils bei x = 0 und x = d eine Beschichtungsrate Bs bzw. Be beziehungsweise die innerhalb eines Zeitintervalls erreichte Beschichtungsdicke auf der Substratoberfläche (links) beziehungsweise der Oberfläche der Elektrode (rechts) veranschaulicht.
Das Beschichtungsgas Silan wird vorzugsweise über eine in die Elektrode integrierte Gasverteilungsvorrichtung homogen in den Bereich zwischen Elektrode und Substrat eingebracht. Der Abstand d ist so klein gewählt, dass sein Wert vergleichbar s = se + sg ist.
In 3a ist für den Fall einer Plasmaentladung ohne DC-Self-Bias zu erkennen, dass der quasineutrale Plasmabulk in wesentlichen symmetrisch in dem Bereich zwischen Elektrode und der Substratoberfläche positioniert ist. Dieser Position des quasineutralen Plasmabulks entspricht, dass der Bereich mit der höchsten Konzentration an aktivierten Gasspezie [SiH₃], entsprechend dem nach unten gerichteten Pfeil der oberen Kurve, gleichen Abstand von Elektrode und Substratoberfläche aufweist. Elektrode und Substratoberfläche werden daher mit in wesentlichen gleicher Rate von den aktivierten Gasspezie beaufschlagt, mit der Folge einer gleich starken Beschichtung von Elektrode und Substratoberfläche.
In 3b ist im Vergleich dargestellt, dass der Bereich des quasineutralen Plasmabulks in Richtung auf die Substratoberfläche verschoben ist. Dem entsprechen ein geringerer Potentialabfall an der Substratoberfläche und ein höherer Potentialabfall an der Elektrode. Der Bereich der höchsten Konzentration an aktivierten Gasspezie [SiH₃] ist gleichfalls zur Substratoberfläche verschoben und weist daher einen größeren Abstand von der Elektrodenoberfläche auf. Dem entsprechend weist die Substratoberfläche eine höhere Beschichtungsrate Bs gegenüber der Beschichtungsrate Be der Elektrode auf.

1: Plasmavorrichtung, Reaktor
3: Substrat
5: erste Elektrode
7: zweite Elektrode, Gegenelektrode
9: Prozessraum
11: Vakuumkammer
13: Gehäuse
15: Dichtung
18: Vakuumleitungen
19: Beschichtungsmaterialquelle
21: Oberfläche
23: Kanal
25: Gasaustrittsplatte
27: Verschlussvorrichtung
29: Pumpkanal
31: Trennwand
33: Gehäuserückwand
34: Halterung
35: Verschlussvorrichtung
37: Kontaktstelle
38: Kontaktstelle
39: Doppelpfeil
41: Schiebebolzen
43: Lagerplatte
45: Gehäusewand
47: Doppelpfeil
49: Öffnung
100: Plasmavorrichtung
102: Kammerwand
104: Gaseinlass
106: Gasaustrittsöffnung
108: Elektrode
110: Substrat
112: Gegenelektrode
114: Plasma
116: Plasmarandschicht
118: Plasmarandschicht
119: Plasmarandschicht
120: Spannungsversorgungssystem
125: Steuergerät
126: Mittel zur Plasmadiagnostik

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 312447 [0002]
- DE 102007022252 [0003]
- EP 0688469 [0008]
- EP 2008/059133 [0045, 0082, 0086]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Artikel von Amanatides, Mataras und Rapakoulias, Journal of Applied Physics Volume 90, Number 11, Dezember 2001 [0007]
- Heil, Czarnetzki, Brinkmann und Mussenbrock, J. Phys D: Appl. Phys. 41 (2008) 165002 [0009]
- A. Pflug, M. Siemers, B. Szyszka, M. Geisler und R. Beckmann „Gas Flow and Plasma Simulation for Paralle Plate PACVD Reactors, 51st SVC Technical Conference, April 23, 2008 Chicago [0031]

Claims

Verfahren zur Plasmabehandlung eines Substrats in einer Plasmavorrichtung, wobei – das Substrat zwischen einer Elektrode und einer Gegenelektrode mit einem Abstand d zwischen einem zu behandelnden Oberflächenbereich des Substrats und der Elektrode angeordnet wird, – zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode eine eine kapazitiv gekoppelte Plasmaentladung mit Bildung eines DC-Self-Bias angeregt wird, – in einem Bereich der Plasmaentladung zwischen dem zu behandelnden Oberflächenbereich und der Elektrode mit einem quasineutralen Plasmabulk eine Menge zumindest einer aktivierbaren Gasspezie vorliegt, mit welcher ein zu behandelnder Oberflächenbereich des Substrats beaufschlagt wird, – dadurch gekennzeichnet, dass eine Plasmaentladung angeregt wird, – bei der der Abstand d einen Wert in einem Bereich zwischen s und 2.5s aufweist, mit s = se + sg, wobei se eine Dicke einer Plasmarandschicht vor der Elektrode und sg eine Dicke einer Plasmarandschicht vor der zu behandelnden Substratoberfläche bezeichnet oder – bei der der quasineutrale Plasmabulk zwischen dem zu behandelndem Oberflächenbereich und der Elektrode eine lineare Ausdehnung dp mit dp < 1/3d, dp < max(se + sg) oder dp < 0.5s aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Lage eines geometrischen Schwerpunktes des quasineutralen Plasmabulks zwischen Elektrode und Gegenelektrode in Abhängigkeit von einem Wert des Abstandes d und/oder des DC-Self-Bias eingestellt oder verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage des besagten geometrischen Schwerpunktes in Richtung der besagten zu behandelnden Oberfläche relativ zur Lage des besagten Schwerpunktes bei einer Plasmaentladung ohne DC-Self-Bias verschoben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmabehandlung eine Plasmabeschichtung, eine Oberflächenmodifikation oder ein Ätzen des Substrats umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aktivierung der Gasspezie durch Radikalenbildung vorzugsweise im Bereich des quasineutralen Plasmabulks erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als aktivierbare Gasspezie ein Precursorgas verwendet wird, welches in einem Plasma schichterzeugende Radikale bilden kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als aktivierbare Gasspezie ein Reinigungsgas verwendet wird, welches in einem Plasma reaktive Radikale bilden kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine aktivierbare Gasspezie mittels einer Elektrode, welche eine Gasverteilereinrichtung mit einer Vielzahl von Austrittsöffnungen für Gas umfasst, in den Bereich zwischen Elektrode und Gegenelektrode transportiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des DC-Self-Bias eine geometrische Asymmetrie von Elektrode und Gegenelektrode vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des DC-Self-Bias, vorzugsweise bei einer geometrischen Symmetrie von Elektrode und Gegenelektrode, eine RF-Spannung verwendet wird, welche zumindest zwei harmonische Frequenzkomponenten mit vorgegebener relativer Phasenbeziehung zueinander aufweist, wobei zumindest eine der höheren Frequenzkomponenten eine geradzahlige harmonische Oberschwingung einer niedrigeren Frequenzkomponente ist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der DC-Self-Bias in Abhängigkeit von der relativen Phasenbeziehung zwischen den zumindest zwei harmonischen Frequenzkomponenten und/oder den Amplituden der zumindest zwei harmonischen Frequenzkomponenten der RF-Spannung verändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der relative Phasenbeziehung zwischen den zumindest zwei harmonischen Frequenzkomponenten eine Einstellung eines relativen Verhältnisses von Ionenenergien an Elektrode und Gegenelektrode erfolgt.
Vorrichtung zur Plasmabehandlung eines Substrats, umfassend – Mittel zur Anregung einer kapazitiv gekoppelten, einen DC-Self-Bias aufweisenden Plasmaentladung in einem Bereich zwischen einer Elektrode und einer Gegenelektrode sowie – Mittel zum Transport einer Menge zumindest einer aktivierbaren Gasspezie in einen Bereich der Plasmaentladung mit einem quasineutralen Plasmabulk, wobei – das Substrat zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode mit einem Abstand d zwischen einem zu behandelnden Oberflächenbereich des Substrats und der Elektrode angeordnet ist oder anordenbar ist – dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuergerät zur Ansteuerung der Vorrichtung vorgesehen ist, so dass sich eine Plasmaentladung einstellt – bei der der Abstand d einen Wert in einem Bereich zwischen s und 2.5s aufweist, mit s = se + sg, wobei se eine Dicke einer Plasmarandschicht vor der Elektrode und sg eine Dicke einer Plasmarandschicht vor der zu behandelnden Substratoberlfäche bezeichnet oder – bei der der quasineutrale Plasmabulk zwischen dem zu behandelndem Oberflächenbereich und der Elektrode eine lineare Ausdehnung dp mit dp < 1/3d, dp < max(se + sg) oder dp < 0.5s aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Einstellung des Abstandes d vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode eine Gasverteilereinrichtung mit einer Vielzahl von Austrittsöffnungen für Gas umfasst, mit der zumindest eine aktivierbare Gasspezie in den Bereich zwischen Elektrode und Gegenelektrode transportierbar ist.
Vorrichtung nach einem der Anspruche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät Mittel zur Erzeugung der den DC-Self-Bias aufweisenden Plasmaentladung mittels einer RF-Spannung umfasst, wobei die RF-Spannung zumindest zwei harmonische Frequenzkomponenten mit vorgegebener relativer Phasenbeziehung zueinander aufweist und zumindest eine der höheren Frequenzkomponenten eine geradzahlige harmonische Oberschwingung einer niedrigeren Frequenzkomponente ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät umfasst – Mittel zur Eingabe einer gewünschten Ionenenergie und/oder eines gewünschten Ionenstroms zur Beaufschlagung einer zu behandelnden Substratoberfläche – Steuermittel zur Einstellung einer Leistungsdichte des Plasmas – Mittel zu Einstellung einer Amplitude und/oder relativen Phasenbeziehung der harmonischen Frequenzkomponenten einer RF-Spannung zur Einstellung der Ionenenergie des Plasmas und/oder des Ionenflusses des Plasmas – Mittel zur Steuerung der Amplitude und/oder relativen Phasenbeziehung der harmonischen Frequenzkomponenten der RF-Spannung.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch dass zur Ermittlung von jeweils vorliegenden Werten der Dicke der Plasmarandschicht vor Elektrode se und Substratoberfläche sg und/oder der linearen Ausdehnung dp des quasineutralen Plasmabulks Mittel zur Plasmadiagnostik vorgesehen sind, die als Eingangswerte dem Steuergerät zuführbar sind.