DE102011004749A1

DE102011004749A1 - Plasmabearbeitungsvorrichtung und Plasmabearbeitungsverfahren

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Publication number: DE102011004749A1
Application number: DE102011004749A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr. Wandel Klaus; Albrecht Krüger; Dipl.-Phys. Dr. Witek Helmut
Original assignee: Sentech Instruments GmbH
Current assignee: Sentech Instruments GmbH
Priority date: 2011-02-25
Filing date: 2011-02-25
Publication date: 2012-08-30
Anticipated expiration: 2031-02-26
Also published as: DE102011004749B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Plasmabearbeitungsvorrichtung und ein -verfahren mit einem Vakuumsystem (10) zur Bearbeitung von Substraten (11) und mit einem Mikrowellenresonator (1) zur induktiven Erzeugung eines Plasmas, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrowellenresonator (1) eine elektrisch leitfahige Basis (2) mit einer durchgehenden Öffnung (3), in die Mikrowellenergie eines Mikrowellengenerators (30) einkoppelbar ist, aufweist, wobei die Öffnung (3) das im Betrieb erzeugte Plasma (40) aufnimmt, und die elektrisch leitfähige Basis (2) eine Diskontinuität (4) gefüllt mit einem Dielektrikum zur Bildung einer Kapazität aufweist, wobei sich die Diskontinuität (4) von der durchgehenden Öffnung (3) hinweg in die leitfähige Basis (2) erstreckt und das im Betrieb erzeugte Plasma (40) zum Substrat (11) im Vakuumsystem (10) transportierbar ist.

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Plasmabearbeitungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Plasmabearbeitungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13.
Bei der Bearbeitung von Substraten, wie z. B. Halbleiterwafern, werden bei verschiedenen physikalischchemischen Plasmaprozessen neutrale Radikale oder Ionen verwendet. Beispiele sind atomare Radikale, wie z. B. atomarer Sauerstoff, atomarer Stickstoff oder atomarer Wasserstoff. Damit ist eine Oberflächenmodifikation z. B. durch eine chemische Reaktion möglich, die mit molekularen Gasen erst bei viel höheren Temperaturen möglich wäre. Typische Prozesse sind dabei Plasmaprozesse wie z. B. Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (PECVD), Plasmaveraschen von Polymeren, Plasmareinigung oder Plasmaaktivierung.
Eine weitere beispielhafte Anwendung atomarer Radikale ist die plasmastimulierte Atomic layer deposition (ALD). Bei diesem Prozess werden in einem zyklischen Prozess jeweils zwei Hauptschritte in einem Reaktor ausgeführt:

1) Die Anlagerung einer monoatomaren Schicht eines Precursors und
2) Aufbringung einer Schicht, z. B durch Oxidation dieser monoatomaren Schicht durch atomaren Sauerstoff.

Damit wird bei niedrigen Temperaturen der Oberflache (d. h. des Substrates) durch zyklische Prozessführung eine Schicht oder bei Verwendung von zwei verschiedenen Precursoren pro Zyklus ein Schichtstapel mit kontrollierter Stöchiometrie und Struktur und daher nahezu idealen Eigenschaften abgeschieden.
Es besteht daher die Aufgabe, eine Plasmabearbeitungsvorrichtung und ein Plasmabearbeitungsverfahren zu entwickeln, die konstruktiv einfach und platzsparend ausgefuhrt sind.
Die Aufgabe wird durch eine Plasmabearbeitungsvorrichtung gelöst, bei der der Mikrowellenresonator eine elektrisch leitfähige Basis mit einer durchgehenden Öffnung aufweist, in die Mikrowellenenergie eines Mikrowellengenerators einkoppelbar ist. Durchgehend bedeutet im vorliegenden Fall, dass sich die Öffnung von einer Seite der Basis zur anderen Seite der Basis erstreckt; Material kann somit durch die Öffnung strömen. Die Öffnung nimmt das im Betrieb des Mikrowellenresonator erzeugte Plasma auf. Die elektrisch leitfähige Basis weist ferner eine Diskontinuität (z. B. einen Schlitz) auf, die zur Bildung einer Kapazität mit einem Dielektrikum aufgefüllt ist. Der Diskontinuität erstreckt sich von der durchgehenden Öffnung hinweg in das elektrisch leitfähige Material hinein. Das im Betrieb erzeugte Plasma ist zum Substrat in das Vakuumsystem transportierbar.
Durch die Verwendung dieseskompakten Mikrowellenresonators mit einer Induktivitat und einer Kapazität wird ein einfacher Aufbau ermöglicht.
Vorteilhafterweise ist die leitfähige Basis plattenförmig ausgebildet und die Wandung der Öffnung ist zylinderförmig ausgebildet. Das bedeutet, dass die Wandungen der Öffnung die Form eines Zylinders haben, z. B. eines Kreiszylinders, eines elliptischen Zylinders oder eines allgemeinen Zylinders.
Mit Vorteil ist die Wandung der Öffnung mit einem dielektrischen Material, insbesondere in Form eines dielektrischen Rohrs oder einer dielektrischen Schicht, ausgekleidet. Dadurch werden die Wandungen vor Wirkungen des Plasmas geschützt.
Vorteilhafterweise sind Durchmesser und Lange der durchgehenden Öffnung auf Art und Durchflussmenge des gewunschten Prozessgases sowie die verfügbare Mikrowellenleistung so abgestimmt, dass einerseits ein hoher Anteil dieser Leistung in das Plasma einkoppelbar ist und andererseits eine hohe Konzentration an atomaren Radikalen in das Vakuumsystem transportierbar ist.
Eine vorteilhafte Bauform ergibt sich, wenn der Durchmesser der durchgehenden Öffnung oder des Rohres aus dielektrischen Material zwischen 2 bis 10 mm betragt, die Gasflusse zwischen 5 und 500 sccm liegen und/oder die Position der Resonatormitte in einer Entfernung von 5 bis 30 mm vom Vakuumsystem liegt.
Zur Verhinderung einer Rückstromung in den Mikrowellenresonator und für die Expansion in die Vakuumkammer ist es vorteilhaft, wenn die Öffnung oder das dielektrische Rohr als Lavaldüse ausgebildet sind.
Vorteilhafterweise ist das in der Dikontinuität angeordnete Dielektrikum veränderbar ausgebildet. So können zu unterschiedlichen Zeiten, unterschiedliche dielektrische Materialien z. B. in einen Schlitz als Diskontinuität einschoben werden.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Mikrowellenresonator als pulsbare Plasmaquelle ausgebildet ist.
Mit Vorteil sind der Durchmesser der Öffnung und das Plasma so zur Vakuumkammer angeordnet, dass eine geringe Ionendichte im expandierenden Plasma vorliegt. Insbesondere wird bei kleinem Rohrdurchmesser (z. B. 2 mm) bereits bei kleinen Gasflüssen (z. B. 20 sccm) eine effektive Einkopplung der Mikrowellenenergie und bei einer Position der Resonatormitte in einer Entfernung von 20 mm von der Vakuumkammer ein hoher Dissoziationsgrad bei geringer Ionendichte erreicht.
Für großflachigere Bearbeitungen ist es vorteilhaft, wenn eine Vielzahl von Mikrowellenresonatoren mit jeweils einer elektrisch leitfahigen Basis mit einer durchgehenden Öffnung zur Einkopplung von Mikrowellenenergie eines Mikrowellengenerators zur Aufnahme des im Betrieb erzeugten Plasmas vorgesehen sind, wobei jeweils die elektrisch leitfähige Basis eine Diskontinuität zur Bildung einer Kapazität aufweist, die sich von der durchgehenden Öffnung in die elektrisch leitfahige Basis erstreckt.
Vorteilhafterweise erzeugt der Mikrowellenresonator als Plasmaquelle neutrale Radikale, insbesondere Sauerstoffradikale, Stickstoffradikale oder Wasserstoffradikale.
Zur Minimierung von Wechselwirkungen mit der Umgebung ist es vorteilhaft, eine Abschirmung vorzusehen, die zusammen mit dem Mikrowellenresonator nur eine Resonanzfrequenz aufweist.
Die Aufgabe wird auch durch ein Plasmabearbeitungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Dabei kann insbesondere eine Plasmabearbeitungsvorrichtung gemäß mindestens eines der Ansprüche 1 bis 12 eingesetzt werden.
In einem Mikrowellenresonator mit einer elektrisch leitfähigen Basis mit einer durchgehenden Öffnung wird Mikrowellenenergie induktiv in die Öffnung eingekoppelt, wobei die elektrisch leitfahige Basis eine Diskontinuität zur Bildung einer Kapazität aufweist, die sich von der durchgehenden Öffnung in die leitfähige Basis erstreckt. Das erzeugte Plasma wird dann zum Substrat im Vakuumsystem transportiert (z. B. konvektiv und/oder diffusiv).
Vorteilhafterweise fließt als Prozessgas H₂, O₂ oder N₂ durch die Öffnung, das im Mikrowellenresonator zu atomaren Radikalen dissoziiert wird.
Vorteilhafterweise wird im Vakuumsystem während des Prozesses ein mittlerer Druck, kleiner als 100 mbar, aufrechterhalten.
Die Bearbeitung der Substratoberfläche, insbesondere bei der plasmastimulierten ALD, erfolgt zyklisch mit jeweils mehreren Phasen verschiedener Gaszusammensetzungen und verschiedenen Drucks in der Vakuumkammer. Die Dauer der Phasen liegt zwischen 0,1 und 100 s, vorteilhafterweise unter 10 s. Der Druckbereich liegt zwischen 1 und 1000 Pa.
Dabei ist es auch vorteilhaft, dass die Änderung der Gaszusammensetzung allein durch Pulsen der Plasmaquelle erreicht wird. Besonders vorteilhaft ist es, wenn dabei der Gasstrom in die Plasmaquelle konstant gehalten wird und lediglich die Mikrowellenenergie gepulst wird.
Zur Vermeidung einer Rückströmung vom Vakuumsystem in den Mikrowellenresonator ist, dass der Druck im Mikrowellenresonator zumindest zeitweise höher gehalten wird als im Vakuumsystem. Auch ist es vorteilhaft, wenn zur Verhinderung einer Rückströmung vom Vakuumsystem in den Mikrowellenresonator eine strömungstechnische Verblockung erzielt wird, indem am Ausgang des Mikrowellenresonators zum Vakuumsystem gerade eine Strömung mit Schallgeschwindigkeit eingestellt wird.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
1 eine schematische Darstellung einer Plasmabearbeitungsvorrichtung mit einem Vakuumsystem;
2 eine erste Ausfuhrungsform eines Mikrowellenresonators;
3 eine zweite Ausfuhrungsform eines Mikrowellenresonators;
4 eine dritte Ausführugnsform eines Mikrowellenresonators.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Plasmabearbeitungsvorrichtung mit einem Mikrowellenresonator 1, die mit einem Vakuumssystem 10 verbunden ist. Verschiedene Ausführungsformen fur den Mikrowellenresonator 1 werden in der Folge noch genauer beschrieben.
In dem Vakuumsystem 10 werden typischerweise Substrate 11, wie z. B. Halbleiterwafer, bearbeitet. Unter Bearbeitung kann hier z. B. das Aufbringen einer Materialschicht (z. B. einer Oxidschicht) oder das Einbringen einer Struktur (z. B. eines Grabens) verstanden werden.
Ein Arbeitsgas G (z. B. O₂) wird durch ein Rohr oder eine Leitung dem Mikrowellenresonator 1 zugeführt. Dabei wird vor dem Eintritt in den Mikrowellenresonator 1 mittels einer Zündvorrichtung 41 ein Plasma 40 erzeugt, das in dem Mikrowellenresonator 1 mittels eines Mikrowellengenerators 30 konditioniert wird.
Das für die Bearbeitung des Substrats 11 (hier eine Oxidation) erforderliche Plasma wird durch konvektiven Transport und/oder Diffusion in das Vakuumsystem 10 eingetragen.
Eine konstruktiv einfache und platzsparende Lösung für eine Plasmabearbeitungsvorrichtung verwendet einen Mikrowellenresonator 1 als Plasmaquelle, bei dem eine Öffnung in einem leitfähigen Material eine Induktivität und ein Diskontinuität im leitfahigen Material (z. B. ein Schlitz) eine Kapazität schafft.
Im Zusammenhang mit 2 und 3 werden Ausführungsformen solcher Mikrowellenresonatoren 1 beschrieben.
In 2 ist eine erste Ausfuhrungsform dargestellt. Dabei wird das Plasma 40 in einem Entladungsraum von geringem Querschnitt erzeugt.
Der Mikrowellenresonator 1 weist als Basis 2 eine Platte auf, die aus elektrisch leitfähigem Material besteht. Grundsätzlich sind auch andere Formen als eine Platte moglich, wie z. B. ein Quader. Als leitfähige Metall konnen grundsatzlich alle bearbeitbaren Metalle, insbesondere Aluminium, Kupfer oder versilbertes Kupfer verwendet werden.
In dem Mikrowellenresonator 1 ist eine durchgehende Öffnung 3 angeordnet, hier eine Bohrung mit kreisförmigem Querschnitt. Grundsätzlich kann die durchgehende Öffnung 3 auch andere Formen aufweisen. So kann der Querschnitt auch elliptisch sein. Generell kann der Querschnitt der durchgehende Öffnung 3 die Form eines allgemeinen Zylinders aufweisen, was kreisförmige und elliptische Querschnitte einschliesst. Es ist aber nicht zwingend notwendig, dass der Querschnitt der Öffnung 3 über die ganze Länge konstant ist, worauf später noch eingegangen wird.
In die elektrisch leitfähige Basis 2 wird vom Mikrowellengenerator 30 eine Mikrowelle eingekoppelt, so dass fast der gesamte Mikrowellenstrom an der inneren Wand um die Wandung der Öffnung 3 fließt. In 2 ist schematisch der Strompfad 6 dargestellt. Dieser Teil verhält sich induktiv wie eine Spule mit einer Windung. In 2 ist der induzierte Strom 8 im Plasma schematisch dargestellt.
Ferner weist die elektrisch leitfähige Basis 2 eine Diskontinuität 4 für den Strompfad 6 zur Bildung einer Kapazität auf. Die Diskontinuität 4 ist in der ersten Ausführungsform als Schlitz ausgebildet. Die Diskontinuität 4 ist in dieser Ausfuhrungsform mit Luft als Dielektrikum gefüllt.
Der Schlitz 4 als Diskontinuitat erstreckt sich von einer Oberseite der Basis 2 zur Unterseite der Basis 2 und von einer Seitenfläche der Basis 2 zur Öffnung 3. Im Betrieb verhält sich der Schlitz 4 wie eine Kapazität, wobei der Strompfad 6 unterbrochen wird.
Der Strom im Mikrowellenresonator 1 erzeugt in der Öffnung 3 ein elektromagnetisches Feld 7, dessen elektrische Feldstärke azimutal dem erzeugenden Resonatorstrom 6 entgegengerichtet ist. In diesem elektrischen Feld werden Elektronen soweit beschleunigt, dass sie neutrale Teilchen ionisieren und so die Entladung aufrecht erhalten. Diese Art der Einkopplung der Mikrowellenleistung in das Plasma 40 wird als induktiv bezeichnet.
Die Mikrowellenleistung wird z. B. auf bekannte Weise vom externen Mikrowellengenerator 30 bei einer vorgegebenen Frequenz erzeugt.
Um die vom Mikrowellengenerator 30 erzeugte Leistung effektiv in den Mikrowellenresonator 1 einzukoppeln, ist eine zusätzliche Anpassschaltung erforderlich, die die Eingangsimpedanz des plasmabelasteten Mikrowellenresonators 1 auf die Ausgangsimpedanz des Mikrowellengenerators 30 transformiert.
Alternativ kann eine partielle Anpassung durch Nachführung der Mikrowellengeneratorfrequenz erfolgen.
In beiden Fällen ist z. B. die Messung der reflektierten Mikrowellenleistung (z. B. mit einem Reflektometer) erforderlich, die als Regelgröße zu minimieren ist.
Vorteilhaft ist die Einbeziehung des Mikrowellenresonators 1 als frequenzbestimmendes Element in den Oszillator, der die Mikrowellenleistung erzeugt.
In diesem Fall wird die reflektierte Leistung nicht Null, weil Real- und Imaginarteil der Resonatorimpedanz mit nur einer Regelgröße nicht unabhangig voneinander an die Generatorimpedanz angepasst werden können. Die restliche reflektierte Leistung ist durch das Design des Mikrowellenresonators 1 und die Art der Kopplung der Mikrowellenleistung in den Mikrowellenresonator 1 sowie durch die Plasmaparameter bestimmt.
Versuche mit dem beschriebenen Mikrowellenresonator 1 zeigen, dass verschiedene Gase sehr unterschiedliche reflektierte Restleistungen zur Folge haben. Wird der Mikrowellenresonator 1 für Sauerstoff optimiert, dann können bis zu 90% der Generatorleistung vom Plasma absorbiert werden. Dagegen werden in Argon bei gleichem Gasfluss und gleichem Druck nur 50% absorbiert. Der Mikrowellenresonator 1 und die Kopplung sollten daher für einen bekannten Satz von Prozessparametern (z. B. Arbeitspunkt bestimmt durch Art des Prozessgases, Druck im Entladungsraum und/oder Gasfluss, ins Plasma eingekoppelte Mikrowellenleistung) optimiert sein. In anderen Arbeitspunkten wird die reflektierte Restleistung jedoch höher sein und daher wird der Wirkungsgrad der Plasmaerzeugung geringer.
Der Mikrowellenresonator 1 verfügt in anderen Ausführungsformen über eine Moglichkeit zur Anpassung an diese Prozessparameter. Diese Anpassung kann z. B. durch Änderung des Dielektrikums im in der Diskontiunität 4 erfolgen. Beispielsweise kann dazu die Position einer dielektrischen Platte in einem Schlitz 4 als Diskontiunität regelbar gestaltet werden.
Bei der induktiven Kopplung reicht die Feldstärke in der Regel nicht aus, um die Entladung zu zünden. Fur eine prozesstechnische Anwendung in einer Anlage ist es sinnvoll, dass der induktiv-koppelnde Mikrowellenresonator 1 außer mit einem Mikrowellengenerator 30 auch noch mit einer Zundvorrichtung 41 kombiniert wird, die zumindest kurzzeitig Elektronen in der Zone des induktiv gekoppelten Feldes bereitstellt.
Eine ausreichend hohe Feldstärke kann z. B. durch kapazitive Kopplung eines gepulsten elektrischen Feldes in der Nähe der induktiven Entladungszone erzeugt werden. Die Zündspannungen sind abhängig vom Durchmesser der Öffnung und liegen zwischen 200 und 1500 V. Die Frequenz sollte zwischen 1 und 100 kHz liegen. Ein typischer Arbeitspunkt liegt bei einer Zündspannung von 750 V und einer Frequenz von 70 kHz.
Für die prozesstechnische Anwendung ist es ferner sinnvoll, die in den Resonator eingekoppelte Mikrowellenleistung zu messen und zu regeln.
In 2 ist ein Mikrowellenresonator 1 mit einer durchgehenden Öffnung 3 dargestellt. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass mehr als eine Öffnung 3 in der leitfähigen Basis 2 angeordnet ist. Auch können in einer Plasmabearbeitungsvorrichtung mehrere Mikrowellenresonatoren 1 gleicher oder unterschiedliche Bauart angeordnet sein.
In 3 wird eine zweite Ausführungsform des in Zusammenhang mit 2 beschriebenen Mikrowellenresonators 1 dargestellt. Der Grundaufbau der zweiten Ausführungsform ist identisch zur ersten Ausführungsform, nur dass in der durchgehenden Öffnung 3 ein Rohr aus dielektrischem Material 5 angeordnet ist.
Für die Plasmaerzeugung mit dem beschriebenen Mikrowellenresonator 1 ist das dielektrische Rohr 5 grundsatzlich nicht erforderlich. Das dielektrische Rohr 5 dient aber zur Begrenzung des Entladungsraumes und zum Schutz der Umgebung gegen aggressive Gase oder Plasmaprodukte. Zur Verdeutlichung der Funktionsweise ist in 3 das Plasma 40 im Inneren des dielektrischen Rohres dargestellt.
Bei der ersten Ausführungsform kann der metallische Resonator (d. h. die Wandung der durchgehenden Öffnung 3) mit einer Oxidschicht als Schutzschicht versehen sein. Eine geeignete Kombination wäre z. B. Aluminium als leitfähiges Resonatormaterial und Aluminiumoxid als dielektrische Beschichtung.
Fur die prozesstechnische Anwendung in einer Anlage ist es ferner sinnvoll, den Mikrowellenresonator 1 so abzuschirmen, dass die Mikrowellenstrahlung in dem Außenraum unter den zulässigen Werten liegt. Eine derartige Abschirmung beeinflusst aber die Resonanzfrequenz oder erzeugt zusätzliche Resonanzfrequenzen. Besonders wenn die Anpassung der Resonatoreingangsimpedanz an die Generatorausgangsimpedanz durch die Frequenz erfolgt, führt das zu instabilem und nicht reproduzierbarem Verhalten.
Daher ist es vorteilhaft, die Abschirmung so zu gestalten, dass die Einheit aus Mikrowellenresonator 1 und Abschirmung nur eine Resonanzfrequenz aufweist. Gelöst werden kann diese Aufgabe durch geometrische Ausgestaltung und/oder die innere Struktur der Abschirmung.
Für die prozesstechnische Anwendung in einer Plasmabearbeitungsvorrichtung ist es ferner erforderlich, dass die relevanten Plasmaprodukte, z. B. atomarer Sauerstoff, das zu bearbeitende Substrat 11 treffen. In einer breiten Klasse von Anwendungen befindet sich das Substrat 11 einer Vakuumkammer 10 eines Vakuumsystems auf einem temperierbaren Substrathalter bei Vakuum zwischen 0,01 und 1000 Pa, meist zwischen 1 und 100 Pa.
Für die Anwendung des beschriebenen Mikrowellenresonators 1 bedeutet das insbesondere bei Verwendung eines dielektrischen Rohres 5 mit geringem Durchmesser, dass Dichte und Geschwindigkeit der Plasmaprodukte in der Vakuumkammer 10 inhomogen verteilt sind.
Falls diese inhomogene Verteilung nicht genutzt werden soll, sondern stort, sind Mittel (z. B. Strommungsleitmittel aus dielektrischen Material) zur Homogenisierung sinnvoll, die aber die Konzentration der prozessrelevanten Radikale nicht wesentlich verringern sollten.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die Wandung der Öffnung 3 oder des dielekrische Rohrs 5 die Kontur einer Lavaldüse aufweist. In diesem Fall ist der durchströmte Querschnitt entlang der Strömung nicht konstant.
Wird das dielektrische Rohr 5 (oder auch die Wandung der durchgehenden Öffnung 3) als Lavaldüse ausgebildet, dann ist es vorteilhaft, den Mikrowellenresonator 1 an der Stelle der Lavaldüse zu positionieren, an der ein für die Entladung günstiger Druck besteht. Typischerweise liegt dieser Druck zwischen 1 und 500 Pa, genauer zwischen 50 und 200 Pa. Das gilt aber nicht nur für eine Lavaldüse.
Wie in jedem Rohr, so besteht auch in dem dielektrischen Rohr 5 ein Druckgefälle. Mit steigendem Fluss steigt der Druck am Rohrende und damit auch in der Entladungszone an. Dadurch gibt es eine flussabhängige optimale Position des Mikrowellenresonators 1 oder bei konstanter Position des Mikrowellenresonators 1 einen optimalen Fluss für die Entladung.
Experimentell wurde beobachtet, dass die Koppeleffizienz fur die Mikrowellenleistung vom Gasfluss abhängig ist. Bei größerem Rohrdurchmesser wird ein höherer Gasfluss benötigt, um die gleiche Koppeleffizienz zu erzielen. Das ist ein Hinweis auf die Rolle des Drucks in der Generationszone fur die Koppeleffizienz, weil mit höherem Gasfluss im weiteren Rohr derselbe Druck erreicht werden kann, wie bei geringerem Fluss im engeren Rohr.
Vorteilhafterweise ist also eine Abstimmung des Durchmessers der Öffnung 3 oder des dielektrischen Rohres 5, des Gasflusses, der Gasart und der Position des Mikrowellenresonators 1 vorzunehmen.
Bei typischen Durchmessern der Öffnung 3 oder des dielektrischen Rohres 5 von 2 bis 10 mm und Gasflüssen zwischen 5 und 500 sccm liegt die Position der Resonatormitte in einer Entfernung d von 5 bis 30 mm von der Vakuumseite. In einem konkreten Beispiel liegt ein Rohrinnendurchmesser von 2 mm vor, der Sauerstofffluss beträgt 50 sccm. Die Position der Mitte des Mikrowellenresonators 1 liegt bei d = 20 mm oberhalb der Vakuumkammer 10, oder im Fall der Ausfuhrungsform in 1 oberhalb des Rohrendes, dass in die Vakuumkammer 10 führt.
Für eine Betriebsweise mit stetig fließendem Neutralgas und gepulstem Plasma ist es wünschenswert, dass Gase, die in Phasen ohne Plasma aus einem zweiten Gaskanal in die Vakuumkammer geleitet werden, nicht in den Entladungsraum des Mikrowellenresonators 1 gelangen.
Das ist gerade für den Fall gesichert, in dem die Strömung im Rohr verblockt ist – wenn also am Rohrausgang Schallgeschwindigkeit erreicht wird. Der Rohrinnendurchmesser muss maximal so groß sein, dass das bei einem vergebenen Gasfluss gewährleistet ist. Bei einem Durchmesser der Öffnung 3 oder des dielektrischen Rohres 5 von 2 mm ist dies für Flüsse oberhalb 5 sccm der Fall.
Experimentell wurde beobachtet, dass damit selbst mit einem dielektrischen Rohr 5 von nur 2 mm Innendurchmesser Sauerstoffflussdichten von 10¹⁶ cm^–2 s^–1 bei geringen Mikrowellenleistungen erzeugt werden können. Der Druck im dielektrischen Rohr 5 betrug dabei 300 Pa, der Druck im Vakuumsystem 10, in den der Sauerstoff eintritt, 2 Pa. Dadurch wird die Forderung gewahrleistet, dass eine Rückströmung aus dem Vakuumsystem 10 (d. h. dem Reaktor) verhindert wird.
Es wird weiter vorgeschlagen, den Gasfluss der Molekülgase G (z. B. O₂, N₂, H₂), den Durchmesser der Öffnung 3 oder den Durchmesser des dielektrischen Rohres 5 (und damit auch den Innendurchmesser des induktiven Resonators) und/oder die Position der Plasmagenerationszone relativ zum Auslass in den Reaktor so zu wählen, dass in der Plasmagenerationszone ein für die Entladung im jeweiligen Gas optimaler Druck herrscht, der den höchsten Dissoziationsgrad erbringt.
Zur Sicherung der Uniformität des Plasmas im Vakuumsystem 10 können mehrere Plasmaquellen, d. h. Mikrowellenresonatoren 1 der beschriebenen Art so angeordnet und betrieben werden, dass die vorgegebene Uniformität erreicht wird.
Die Pulsbarkeit der Plasmaquelle kann durch die zeitliche Steuerung einer Zündspannung an einer Zundelektrode außerhalb des dielektrischen Rohres 5 in Kombination mit der zeitlichen Steuerung der anregenden Mikrowellenleistung erreicht werden.
Im Folgenden wird ein ALD-Prozess als ein Bespiel eines Plasmabearbeitungsprozesses näher beschrieben. Für diesen Prozess sind die hier beschriebenen Ausführungsformen der Mikrowellenresonatoren 1 besonders geeignet.
Bei dem ALD-Prozesss wird molekularer Sauerstoff G ständig der Plasmaquelle, d. h. dem Mikrowellenresonator 1 zugeführt. Allerdings wird atomarer Sauerstoff nur für die Dauer des zweiten Schrittes des ALD-Prozesses – der Anlagerung der monoatomaren Schicht – durch Ein- und Ausschalten des Plasmas 40 erzeugt.
Der Mikrowellenresonator 1 ist deshalb pulsbar ausgebildet. Da die Gesamtdauer für den zweiten ALD-Prozessschritt bis herab zu 1 s betragen kann, sollten Ein- oder Ausschaltzeit des Plasmas 40 weniger als 1 s, besser weniger als 0,1 s betragen. Ferner soll die Streuung der Einschaltzeit bezüglich des Steuertaktes des zyklischen Prozesses ebenfalls weniger als 1 s, besser weniger als 0,1 s betragen.
Kritisch für die effektive Abscheiderate der monoatomaren Schicht auf dem Substrat 11 ist auch die Zeit, die für die Sättigung der im vorangegangenen ersten ALD Prozessschritt abgeschiedenen Precursorschicht benötigt wird. Diese Zeit ist umso geringer, je größer und homogener die Flussdichte von atomarem Sauerstoff ist, die von der Plasmaquelle 1 erzeugt wird.
Diese Forderungen – Verhinderung des Eindringens des Precursors in die Mikrowellenresonator 1 in der ersten Phase des ALD-Prozesses, Pulsbarkeit des Mikrowellenresonators 1 und hoher und homogen verteilter Fluss von atomarem Sauerstoff – stehen miteinander in Konflikt. Die hier vorgeschlagenen Ausführungsformen losen das Problem optimal, innerhalb dieser widerstreiten Bedingungen
Über die beschriebene spezielle Anwendung hinaus, können erfindungsgemäße Anlagen bei anderen Depositionsverfahren, bei der Oberflächenmodifizierung, bei der Oberflächenreinigung und beim Schichtabtrag eingesetzt werden.
In 4 ist eine dritte Ausfuhrungsform eines Mikrowellenresonators 1 einer Plasmabearbeitungsvorrichtung dargestellt, die eine Abwandlung der ersten Ausführungsform ist, so dass grundsatzlich auf die entsprechende Beschreibung Bezug genommen werden kann. Die Diskontinuität 4 ist hier nicht als durchgehender Schlitz ausgebildet, sondern als ein Schlitz, der sich radial von der Öffnung 3 für eine gewisse Strecke in das leitfähige Material der Basis 2 erstreckt. Am Rand der leitfähigen Basis 2 liegt wieder leitfähiges Material vor, so dass ist die Kapazität verlustbehafteter ist, als bei der Ausfuhrungsform gemäß 2.
Bezugszeichenliste

1: Mikrowellenresonator
2: elektrisch leitfähige Basis, z. B. Metallplatte
3: durchgehende Öffnung
4: Diskontinuität, Schlitz
5: dielektrisches Material, dielektrisches Rohr
6: Strom in der leitfähigen Basis
7: Magnetfeld
8: Induzierter Strom im Plasma
10: Vakuumsystem
11: Substrat
30: Mikrowellengenerator
40: Plasma
41: Zündvorrichtung

Claims

Plasmabearbeitungsvorrichtung mit einem Vakuumsystem (10) zur Bearbeitung von Substraten (11) und mit einem Mikrowellenresonator (1) zur induktiven Erzeugung eines Plasmas (40), dadurch gekennzeichnet dass, der Mikrowellenresonator (1) eine elektrisch leitfähige Basis (2) mit einer durchgehenden Öffnung (3), in die Mikrowellenergie eines Mikrowellengenerators (30) einkoppelbar ist, aufweist, wobei die Öffnung (3) das im Betrieb erzeugte Plasma (40) aufnimmt, und die elektrisch leitfähige Basis (2) eine Diskontinuität (4) gefüllt mit einem Dielektrikum zur Bildung einer Kapazität aufweist, wobei sich die Diskontinuität (4) von der durchgehenden Öffnung (3) hinweg in die leitfähige Basis (2) erstreckt und das im Betrieb erzeugte Plasma (40) zum Substrat (11) im Vakuumsystem (10) transportierbar ist.
Plasmabearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis (1) plattenförmig ausgebildet ist und eine Öffnung (3) mit zylinderförmiger Wandung aufweist.
Plasmabearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung der Öffnung (3) mit einem dielektrischen Material (5), insbesondere in Form eines dielektrischen Rohrs oder einer dielektrischen Schicht ausgekleidet ist.
Plasmabearbeitungsvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Durchmesser und Lange der durchgehenden Öffnung (3) auf Art und Durchflussmenge des gewünschten Prozessgases sowie die verfügbare Mikrowellenleistung so abgestimmt sind, dass einerseits ein hoher Anteil dieser Leistung in das Plasma (40) einkoppelbar ist und andererseits eine hohe Konzentration an atomaren Radikalen in das Vakuumsystem (10) transportierbar ist.
Plasmabearbeitungsvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Anspruche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der durchgehenden Öffnung (3) oder des Rohres (5) aus dielektrischen Material zwischen 2 bis 10 mm beträgt, die Gasflüsse zwischen 5 und 500 sccm liegen und/oder die Position der Resonatormitte in einer Entfernung (d) von 5 bis 30 mm vom Vakuumsystem (10) liegt.
Plasmabearbeitungsvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (3) oder das dielektrische Rohr (5) als Lavaldüse ausgebildet sind.
Plasmabearbeitungsvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Diskontinuität (4) angeordnete Dielektrium veränderbar ausgebildet ist.
Plasmabearbeitungsvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrowellenresonator (1) als pulsbare Plasmaquelle ausgebildet ist.
Plasmabearbeitungsvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Öffnung (3) und das Plasma (40) so zur Vakuumkammer angeordnet sind, dass eine geringe Ionendichte im expandierenden Plasma (40) vorliegt.
Plasmabearbeitungsvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Mikrowellenresonatoren (1) mit jeweils einer elektrisch leitfähigen Basis (2) mit einer durchgehenden Öffnung (3) zur Einkopplung von Mikrowellenenergie eines Mikrowellengenerators (30) zur Aufnahme des im Betrieb erzeugten Plasmas (40) vorgesehen sind, wobei jeweils die elektrisch leitfähige Basis (2) eine Diskontinuität (4) zur Bildung einer Kapazität aufweist, der sich von der durchgehenden Öffnung (3) in die elektrisch leitfähige Basis (2) erstreckt.
Plasmabearbeitungsvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrowellenresonator (1) als Plasmaquelle neutrale Radikale, insbesondere Sauerstoffradikale, Stickstoffradikale oder Wasserstoffradikale erzeugt.
Plasmabearbeitungssvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abschirmung vorgesehen ist, die zusammen mit dem Mikrowellenresonator (1) nur eine Resonanzfrequenz aufweist.
Plasmabearbeitungsverfahren zur Bearbeitung einer Substratoberfläche (11) in einem Vakuumsystem (10), dadurch gekennzeichnet, dass in einen Mikrowellenresonator (1) mit einer elektrisch leitfähigen Basis (2) mit einer durchgehenden Öffnung (3) Mikrowellenstrahlung induktiv in die Öffnung (3) eingekoppelt wird, wobei die elektrisch leitfähige Basis (2) eine Diskontiunität (4) zur Bildung einer Kapazität aufweist, die sich von von der durchgehenden Öffnung (3) in die elektrisch leitfähige Basis (2) erstreckt und das erzeugte Plasma (40) zum Substrat (11) im Vakuumsystem (10) transportiert wird.
Plasmabearbeitungsverfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Prozessgas H₂, O₂ oder N₂ durch die Öffnung (3) fließt und im Mikrowellenresonator (1) zu atomaren Radikalen dissoziiert wird.
Plasmabearbeitungsverfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Vakuumsystem (10) wahrend des Prozesses ein mittlerer Druck kleiner als 100 mbar aufrecht erhalten wird.
Plasmabearbeitungsverfahren nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitung der Substratoberfläche, insbesondere einer plasmastimulierten ALD, zyklisch mit jeweils mehreren Phasen verschiedener Gaszusammensetzungen und verschiedenen Drucks in der Vakuumkammer erfolgt.
Plasmabearbeitungsverfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Gaszusammensetzung allein durch Pulsen der Mikrowellenresonator (1) erreicht wird, insbesondere, wenn dabei der Gasstrom in den Mikrowellenresonator konstant gehalten wird und lediglich die Mikrowellenenergie gepulst wird
Plasmabearbeitungsverfahren nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung einer Ruckströmung vom Vakuumsystem (10) der Druck im Mikrowellenresonator (1) zumindest zeitweise höher gehalten wird als im Vakuumsystem.
Plasmabearbeitungsverfahren nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verhinderung einer Rückströmung vom Vakuumsystem (10) in den Mikrowellenresonator (1) eine strömungstechnische Verblockung erzielt wird, indem am Ausgang des Mikrowellenresonators (1) zum Vakuumsystem (10) gerade eine Strömung mit Schallgeschwindigkeit eingestellt wird.