DE102011013467A1

DE102011013467A1 - Vorrichtung und Verfahren zum plasmaunterstützten Behandeln zumindest zweier Substrate

Info

Publication number: DE102011013467A1
Application number: DE201110013467
Authority: DE
Inventors: Florian Schwarz; Peter Rettenbacher; Thomas Merz; Andreas Rack; Mathias Höfler
Original assignee: Manz AG
Current assignee: Manz AG
Priority date: 2011-03-09
Filing date: 2011-03-09
Publication date: 2012-09-13
Also published as: DE102011013467A8; WO2012119700A1; TW201241879A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum plasmaunterstützen Behandeln zumindest zweier Substrate (16, 20), mit: – einer Vakuumkammer (12; 30; 60) in welcher zumindest zwei Substrate (16, 20) in einem vorgegebenen Abstand und mit ihren zu behandelnden Oberflächen einander zugewandt anordenbar sind und mit – einer Plasmaerzeugungseinrichtung, welche zumindest eine Anregungsspule (22; 32; 40; 50; 56; 62) zur induktiven Anregung zumindest eines zwischen den Substraten (16, 20) befindlichen Plasmas (80) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein entsprechendes Verfahren zum gleichzeitigen plasmaunterstützten Behandeln zumindest zweier Substrate, insbesondere zum Beschichten von Substraten für die Fertigung von Halbleiter- oder Photovoltaikkomponenten.
Hintergrund und Stand der Technik
Vorrichtungen und Verfahren zum plasmaunterstützten Behandeln von Substraten, insbesondere zum Ätzen und Beschichten von Substratoberflächen sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt. So kommen zu einem möglichst gleichmäßigen Auftragen dünner Schichten auf Substraten unter anderem chemische Dampfabscheidungsverfahren, insbesondere plasmaunterstützte chemische Dampfabscheidungsverfahren, sogenannte PECVD-Verfahren, zum Einsatz.
Hierbei werden ein oder mehrere Substrate in einer Vakuumkammer angeordnet, in die unter Einhaltung vorgegebener Druck- und Temperaturbereiche ein Reaktionsgas bzw. ein auf die Beschichtung abgestimmtes Gasgemisch eingeleitet wird, welches durch Zufuhr elektromagnetischer Energie im HF-Bereich zumindest teilweise in einen Plasmazustand übergeht.
Zur Anregung und Aufrechterhaltung eines Plasmas in einer Plasma- bzw. Vakuumkammer wird typischerweise eine Hochfrequenzspannung zwischen zwei Elektroden angelegt, um eine Plasmaanregung zu erhalten. Hierzu werden oftmals die zu behandelnden Substrate oder ihre hierfür vorgesehenen Halteeinrichtungen selbst als Elektrode geschaltet. So wird z. B. bei einer Parallelplattenanordnung ein zu beschichtendes Substrat direkt auf eine der Elektroden gelegt oder hieran befestigt. Die Elektrode und das Substrat werden hierbei in nahezu identischer Weise der Plasmabehandlung ausgesetzt. Bezogen auf die räumliche Ausdehnung des erzeugten Plasmas ist die auf diese Art und Weise zu behandelnde Substratoberfläche relativ klein.
Ferner ist beispielsweise aus der JP 03-173124 eine Parallel-Plattenbeschichtungseinrichtung vertikalen Typs bekannt, bei welcher zwei Dünnschichtsubstrathalter gegenüberliegend an einer Beförderungseinrichtung aus isolierendem Material angeordnet sind. Die Substrathalter bilden hierbei eine doppelseitige Elektrodenstruktur, an welcher jeweils vier einzelne Substrate einander gegenüberliegend angeordnet sind. Bewegliche elektrische Leiter sind an den Rückseiten der beiden Halter befestigt, die mit einer RF-Stromversorgung verbunden sind. Bei einem gegenüberliegenden Paar von Elektroden einer Parallel-Plattenkondensator-Anordnung, wird die HF-Spannung üblicherweise an einer der Elektroden angelegt. Die andere HF-Elektrode wird auf Massepotenzial gelegt. Für die Elektroden bedeutet dies aber nicht anderes, als dass zwischen den Elektroden eine HF-Spannung anliegt.
In einem PECVD-Beschichtungsprozess kann sich die Verwendung von Substrathaltern als Anregungselektroden jedoch auch als nachteilig erweisen. So sind die Elektroden hierbei einer dem zu beschichtenden Substrat vergleichbaren Plasmaabscheidung ausgesetzt. Nach einer gewissen Anzahl an Beschichtungsvorgängen müssen die Elektroden daher ausgetauscht bzw. einer entsprechenden Reinigungsprozedur unterzogen werden. Ferner ist bei einer rein kapazitiven Anregung die behandelbare Fläche durch Auflage der Substrate auf die Elektroden limitiert. Insbesondere aber sind die erreichbaren Behandlungszeiten aufgrund einer vergleichsweise geringen Plasmadichte bei kapazitiver Entladung oft recht lang. Der Behandlungsprozess ist damit recht langwierig und nicht kostengünstig.
Aufgabe
Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes plasmaunterstütztes Behandeln von Substraten zu ermöglichen, wobei insbesondere eine zur Verfügung stehende Plasmaquelle möglichst effizient genutzt sowie eine möglichst homogene Oberflächenbehandlung des Substrats ermöglicht werden soll. Zudem sollen Prozess- und Taktzeiten eines plasmaunterstützten Behandlungsprozesses verkürzt werden und die räumliche Ausdehnung sowie das Volumen der Vakuumkammer möglichst gering gehalten werden. Weiteres Ziel ist es, den Prozessgasverbrauch zu minimieren und den Reinigungsaufwand der Vakuumkammer gering zu halten.
Erfindung
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird mittels einer Vorrichtung zum plasmaunterstützten Behandeln gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 sowie mit einem entsprechenden Verfahren nach Patentanspruch 18 gelöst, wobei vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten jeweils Gegenstand abhängiger Patentansprüche sind.
Die vorrichtungstechnische Lösung sieht dabei eine Vakuumkammer vor, in welcher zumindest zwei Substrate in einem vorgegebenen Abstand und mit ihren zu behandelnden Oberflächen einander zugewandt anordenbar sind. Auf diese Art und Weise können zumindest zwei gegenüberliegend angeordnete Substrate gleichzeitig behandelt werden. Ferner weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Plasmaerzeugungseinrichtung auf, welche zumindest eine Anregungsspule zur induktiven Anregung zumindest eines zwischen den Substraten befindlichen Plasmas aufweist.
Die Anregungsspule dient der bevorzugt rein induktiven Anregung zumindest eines sich zwischen den zu behandelnden Substratoberflächen vorzusehenden Plasmas. Es versteht sich dabei von selbst, dass die Plasmaerzeugungseinrichtung ferner geeignete Zuführmöglichkeiten für die das Plasma bildenden Gase aufweist. Entsprechende Gaseinlässe sind daher zwischen den gegenüberliegenden Substraten vorzusehen.
Mittels einer bevorzugt rein induktiven Anregung des Plasmas können gegenüber einer kapazitiv basierten Anregung deutlich höhere Abscheidungsraten in einem Plasmabeschichtungsprozess erzielt werden. Insbesondere kann bei einer induktiven Anregung die Dichte des zu erzeugenden bzw. aufrecht zu erhaltenden Plasmas gegenüber einer rein kapazitiv Anregung erhöht werden.
Indem sich das Plasma zwischen zwei gegenüberliegenden Substraten befindet, können mit nur einem einzigen Plasma mehrere räumlich getrennt voneinander angeordnete Substrate gleichzeitig beschichtet werden. Indem das Plasma sozusagen von zumindest zwei Seiten durch zu beschichtende oder zu behandelnde Substratoberflächen begrenzt wird kann zudem der Reinigungsaufwand für die Vakuumkammer vergleichsweise gering gehalten werden.
Des Weiteren erweist es sich als vorteilhaft, dass im Falle einer induktiven Anregung des Plasmas keine zur Plasmabildung erforderlichen Elektroden innerhalb der Vakuumkammer angeordnet werden müssen. Die Substrathalter sind insoweit nicht Teil der Plasmaquelle selbst und können somit auch vollkommen unabhängig von einer Plasmaerzeugung verwendet werden.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist hierbei insbesondere vorgesehen, dass die Plasmaerzeugungseinrichtung derart zum Einkoppeln elektromagnetischer Energie in das Plasma oder in das das Plasma bildende Gasgemisch ausgebildet ist, damit dieses im H-Modus betreibbar ist, bzw. im H-Modus brennen kann.
Elektromagnetische Strahlung weist bekanntlich stets eine E-Feld- und eine B-Feld Komponente auf, sodass bei induktiv gekoppelter Plasmaanregung sowohl induktive als auch kapazitive Energietransfermechanismen, bekannt als ”E-Mode” für einen kapazitiven Energietransfermechanismus und als ”H-Mode” für einen rein induktiv basierenden Energietransfermechanismus existieren. Kennzeichnend für die induktive Anregung ist, dass die H-Mode im Plasma überwiegt, zumindest aber, dass ein merklicher Anteil an H-Mode vorhanden ist. Der H-Moden Anteil an der induktiven Anregung beträgt zumindest 10%, 30%, 50%, 70% oder 90% des induktiven Energietransfers zum Plasma. Für eine nähere Erörterung und der H-Mode wird an dieser Stelle ferner auf die von Victor Kadetov verfasste Dissertation „Diagnostics and Modeling of an inductively coupled radio frequency discharge in hydrogen", Fakultät für Physik und Astronomie, Ruhr-Universität Bochum 2004,", Seiten 14 ff verwiesen.
Typischerweise können die mittels des H-Moden Betriebs erzielbaren Plasmadichten um eine Größenordnung höher als vergleichbare kapazitiv anregbare Plasmen liegen. Bevorzugt ist die Plasmaerzeugungseinrichtung, insbesondere die zumindest eine Anregungsspule in einem Parameterbereich zu betreiben, in welcher die Plasmaanregung nahezu ausschließlich im H-Moden Regime erfolgt.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind die zumindest zwei Substrate in Richtung ihrer Flächennormalen voneinander beabstandet in der Vakuumkammer anordenbar. Die zumindest eine Anregungsspule der Plasmaerzeugungseinrichtung erstreckt sich dabei in Bezug auf die Flächennormale zwischen den Substraten. Dies bedeutet, dass die Anregungsspule in etwa im Bereich des von den Substraten gebildeten Zwischenraums angeordnet ist. Sie kann sich aber insbesondere in Umfangsrichtung dennoch außerhalb jenes Zwischenraums und somit auch außerhalb der Substrate erstrecken, um einen möglichst großen, der Substratoberfläche entsprechenden Plasmabereich bilden zu können.
Es ist ferner vorgesehen, dass sich die zumindest eine Anregungsspule außerhalb oder innerhalb der im Wesentlichen zueinander überlappend angeordneten Substratebenen erstreckt. Insbesondere bei einer außerhalb der Substratebene liegenden Anordnung der Anregungsspule kann im Zwischenraum zwischen den Substraten ein weitgehend homogenes und dichtes Plasma erzeugt werden, da räumliche Inhomogenitäten im Bereich der Magnetfeldränder hierbei außerhalb des Substratbereichs liegen können.
Es erweist sich dabei ferner von Vorteil, wenn die Anregungsspule einen zwischen den Substraten gebildeten Zwischenraum in Umfangsrichtung im Wesentlichen umschließt. Es ist insbesondere vorgesehen, dass die zumindest eine Anregungsspule lediglich eine einzelne Windung aufweist, um die Induktivität und den elektrischen Leistungsverlust der Spule möglichst gering zu halten. Die Spule selbst kann dabei eine annähernd geschlossene Struktur aufweisen. Zur Ausbildung einer einzigen Windung sind jedoch die elektrischen Anschlüsse für die Spule getrennt voneinander auszubilden.
Eine einzelne Spulenwindung ist daher nicht komplett geschlossen auszubilden sondern erfordert eine Art Spalt-Geometrie zumindest in ihrem Anschlussbereich. Die Spule selbst kann dabei unterschiedlichste Geometrien aufweisen. Sie kann als nahezu geschlossener Kreis ausgebildet sein aber auch in Abwandlung hiervon eine rechteckige oder quadratische Formgebung aufweisen, die zum Beispiel der Formgebung der Substrate bzw. einer Substratanordnung entspricht.
Insbesondere kann die geometrische Ausgestaltung der Anregungsspule der geometrischen Ausgestaltung und/oder der geometrischen Anordnung zumindest eines an einem Substrathalter befestigbaren Substrats entsprechen. So ist z. B. denkbar, entsprechend der Substrat- oder Substrathaltergeometrie eine in der Projektion der Substratebene äquidistante Anordnung zwischen Anregungsspule und Substratrand zu verwirklichen, damit über die Substratfläche betrachtet ein über die Substratfläche möglichst homogenes Plasma erzeugt werden kann.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die zumindest eine Anregungsspule außerhalb der Vakuumkammer angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass das Volumen der Vakuumkammer entsprechend verkleinert werden kann und dass die Spule im Gegensatz zu in der Kammer angeordneten Anregungselektroden zum Beispiel nach einem Beschichtungsvorgang keiner Reinigungsprozedur unterzogen werden muss. Zudem ermöglicht die außerhalb der Kammer liegende Anordnung der Anregungsspule deren weitgehend flexible geometrische Ausgestaltung zur Bildung geforderter Magnetfelder und/oder Plasmen.
Es erweist sich nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ferner als vorteilhaft, wenn ein der außenliegenden Anregungsspule zugewandter Flächenabschnitt der Vakuumkammer sozusagen induktionsdurchlässig ausgebildet ist. Dieser Flächenabschnitt der Vakuumkammer sollte für den magnetischen Anteil elektromagnetischer Strahlung im Wesentlichen permeabel sein. Dies lässt sich zum Beispiel durch Ausbilden eines dielektrischen Fensters in der Kammerwand realisieren. Von Vorteil ist die Kammerwandung zumindest bereichsweise aus einem dielektrischen Material, etwa aus Glas oder einem keramischen Werkstoff gefertigt. Ergänzend hierzu können auch geschlitzte Metallbleche Verwendung finden, die als sogenannter Faraday-Shield fungieren und eine zumindest für den induktiven Anteil der elektromagnetischen Strahlung permeable Abschirmung bilden.
Im Unterschied hierzu ist aber auch denkbar, die zumindest eine Anregungsspule innerhalb der Vakuumkammer anzuordnen. Hierbei kann die Spule jedoch elektrisch isoliert sein, um hohe lokale elektrische Feldstärken zu vermeiden. Diese würden nämlich unter Umständen die kapazitive Entladung begünstigen und dem gewünschten Betrieb des Plasmas im H-Mode entgegenwirken. Die elektrische Isolation ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Solange die Spule in einem Abstand von typisch 10 mm gegenüber zur Kammerwand oder anderen elektrische leitenden Bauteilen in der Vakuumkammer angeordnet ist kann auch auf einen gesonderte Spulenisolierung verzichtet werden.
Ferner kann bei einer Anordnung innerhalb der Vakuumkammer kann eine spiralartige Spulenanordnung vorgesehen werden. Das heißt die Spule weist mehrere spiralartig in einer Ebene liegende Windungen auf, wobei die Ebene der Windungen bevorzugt parallel zur Substratebene ausgerichtet ist. Die Spiralebene der Spule kann dabei bevorzugt mittig zwischen den gegenüberliegenden Substraten angeordnet sein, um für beide Substrate möglichst gleiche Randbedingungen zu schaffen.
Mit einer spiralartigen Spule können vorliegend auch Spulen bezeichnet sein, die in sich mehrere, z. B. bis zu vier in einer gemeinsamen Ebene ineinander geschachtelte spiralartig ausgebildete Einzelspulen aufweisen. Wie in der genannten Dissertation von Victor Kadetov erwähnt, kann somit der elektrische Widerstand der Spule verringert, zugleich aber die Flussdichte des Magnetfeldes in vorteilhafter Weise gesteigert werden.
Alternativ ist denkbar zumindest zwei spiralartig ausgebildete Flachspulen zu verwenden, die jeweils an einer dem Substratzwischenraum abgewandeten Seite der Substrathalter, sozusagen an der Rückseite der Substrathalter angeordnet sind. Bei einer solchen, außerhalb des Substratzwischenraums liegenden Spulenanordnung kann der Zwischenraum zwischen den Substraten weitgehend spulenfrei ausgebildet werden.
In Weiterbildung hiervon ist ferner denkbar auch zum Beispiel drei solcher spiralartiger Flachspulen innerhalb der Vakuumkammer parallel zueinander anzuordnen, wobei jedes der Substrate bzw. jeder der Substrathalter zwischen zwei Flachspulen liegt.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind die Windungen der spiralartig ausgebildeten Anregungsspulen entweder einzeln oder gebündelt gegenüber dem zu erzeugenden Plasma elektrisch isoliert. So kann zum Beispiel zur Bildung der Anregungsspule ein elektrisch isolierter Spulenkern zu einer Flachspule spiralartig gewickelt werden. Alternativ hierzu kann eine Spulenanordnung geschaffen werden, bei welcher ein an sich nicht isolierter Spulenkern spiralartig gewickelt und nachfolgend in ein elektrisch isolierendes Medium eingebettet wird.
Es wäre hierbei denkbar, die Flachspule zwischen zwei isolierenden Schichten anzuordnen, um so eine gebündelte elektrische Isolation gegenüber dem Plasma zu erhalten.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung und unabhängig von der Spulengeometrie ist nach der Erfindung ferner vorgesehen, dass die für die Halterung der Substrate vorgesehenen Substrathalter keine die Aufrechterhaltung des Plasmas beeinflussende Funktion aufweisen. Insbesondere sind die Substrathalter hierbei nicht als Elektroden ausgebildet. Sie können dennoch mit elektrischer Spannung beaufschlagt werden, um zum Beispiel eine mechanische Haltekraft auf die Substrate auszuüben und/oder um einen Ionenbeschuss der Substrate gezielt beeinflussen zu können.
Ferner ist nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Plasmaerzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines Plasmas unter Ausnutzung des Elektron-Cyclotron-Wellenresonanz-Effekts (ECWR) ausgebildet ist. Durch den ECWR-Effekts kann eine nochmals gesteigerte Plasmadichte gebildet werden, die für die Verringerung von Behandlungs- und Taktzeiten von Vorteil ist.
Hierbei ist nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung die Plasmaerzeugungseinrichtung zur Bildung eines weiteren, statischen und senkrecht zur Achse der Anregungsspule ausgerichteten Magnetfelds ausgebildet. Das den eigentlichen Anregungsspulen zu überlagernde statische, möglichst homogene Magnetfeld, welches der Ausnutzung des ECWR Effektes dient, kann dabei zum Beispiel mit einem Paar Helmholtz-Spulen erzeugt werden.
Nach einem weiteren bevorzugten Aspekt erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Substrate in vertikaler Ausrichtung, mit einer im Wesentlichen horizontal ausgerichteten Flächennormalen innerhalb der Vakuumkammer behandelbar sind. Insbesondere bei einem Beschichtungsprozess können auf diese Art und Weise etwaige Schwerkrafteinflüsse weitgehend egalisiert werden. Auch kann ein möglicher störender Einfluss von in der Kammer befindlichen Fremdpartikeln reduziert werden. Insbesondere können für die beiden gegenüberliegenden und senkrecht ausgerichteten Substrate weitgehend identische Bedingungen geschaffen werden, sodass nach Möglichkeit die zumindest zwei gegenüberliegend angeordneten Substrate in gleicher Art und Weise, weitgehend identisch behandelt, insbesondere identisch beschichtet werden können. Je nach Substratgröße und deren Dicke kann bei einer vertikalen oder annähernd vertikalen Anordnung ein etwaiges Durchbiegen der Substrate vermieden werden.
Insbesondere ist nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, dass sämtliche zur Plasmaerzeugung vorgesehenen Komponenten der Plasmabehandlungsvorrichtung zur möglichst symmetrischen Ausdehnung und/oder symmetrischen Positionierung des Plasmas in Bezug auf die gegenüberliegenden Substrate ausgelegt sind. So kann das Plasma hinsichtlich seiner räumlichen Ausdehnung und/oder hinsichtlich einer Positionierung und Ausrichtung im Wesentlichen symmetrisch zwischen den Substraten gebildet werden. Im Falle eines Beschichtungsprozesses können somit nahezu identische Plasmaabscheidungsraten und dementsprechend identische Beschichtungsdicken auf den Substraten erreicht werden.
Nach einer Weiterbildung ist ferner denkbar, dass die Plasmakammer in zumindest zwei, jeweils ein Teilplasma aufweisende und jeweils zumindest ein Substrat aufnehmende Teilkammern aufteilbar ist. Die beiden Teilplasmen können dabei mittels einer gemeinsamen Plasmaerzeugungseinrichtung generiert werden. Insbesondere durch rein induktive Anregung des Plasmas bzw. mehrerer Plasmen können mit einer einzigen Plasmaquelle auch mehrere Plasmen gleichzeitig angeregt und betrieben werden. Dies ermöglicht zum Beispiel auch eine asymmetrische Behandlung, insbesondere asymmetrische Beschichtung der in den Teilkammern jeweils gesondert angeordneten, einander zugewandt ausgerichteten Substrate. Eine einzige Plasmaquelle kann somit besonders effizient verwendet werden.
In einem weiteren hiervon unabhängigen Aspekt betrifft die Erfindung ferner ein Verfahren zum plasmaunterstützten Behandeln zumindest zweier Substrate, wobei in einem ersten Schritt zumindest zwei Substrate in einem vorgegebenen Abstand zueinander in einer Vakuumkammer angeordnet werden. Hierbei sind die Substrate mit ihren zu behandelnden Oberflächen einander zugewandt auszurichten. Die gegenüberliegenden Substrate, bzw. die Substrathalter sind hierbei bevorzugt parallel und in Richtung ihrer Flächennormalen zueinander flächenüberdeckend angeordnet. In einem zweiten Schritt wird sodann ein Plasma zur Oberflächenbehandlung der Substrate auf induktive Art und Weise erzeugt und aufrecht erhalten. Dies erfolgt mittels einer zumindest einer Anregungsspule aufweisenden Plasmaerzeugungseinrichtung derart, dass das Plasma zwischen den zumindest zwei Substraten gebildet wird. Die Substrate bzw. die Substrate aufnehmenden Halter werden bevorzugt in einer zueinander überdeckenden aber in Richtung ihrer Flächennormalen voneinander beabstandeten Konfiguration angeordnet, damit für die zu behandelnden Substrate in Bezug auf die Plasmaerzeugung möglichst identische Bedingungen geschaffen werden können.
Als besonders vorteilhaft erweist es sich hierbei, wenn die zumindest zwei Substrate in vertikaler Ausrichtung in der Vakuumkammer angeordnet werden. Wie bereits zur vorbeschriebenen Vorrichtung ausgeführt, können auf diese Art und Weise etwaige Schwerkrafteinflüsse, die anderweitig zu Asymmetrien in der Plasmabehandlung führen könnten, weitgehend unterbunden werden. Des Weiteren kann der Einfluss von in der Vakuumkammer vorhandenen Partikeln oder anderer Rückstände gegenüber einer liegenden oder horizontalen Ausrichtung der Substrate verringert werden.
Auch kann die Plasmakammer in zumindest zwei jeweils ein Teilplasma aufweisende und zumindest ein Substrat aufnehmende Teilkammern aufgeteilt werden. Die zumindest zwei Teilplasmen werden alsdann mittels einer gemeinsamen Plasmaerzeugungseinrichtung erzeugt bzw. aufrecht erhalten. Die hierfür vorgesehene Anregungsspule ist dabei bevorzugt außerhalb der Plasmakammer angeordnet.
Das Verfahren zum plasmaunterstützten Behandeln ist bevorzugt derart ausgebildet, dass die gegenüberliegend in der Plasmakammer angeordneten Substrate im Wesentlichen auf identische Art und Weise behandelt werden. Insbesondere ist bei einer Ausbildung des Verfahrens als Beschichtungsprozess vorgesehen, dass die zueinander gegenüberliegend in der Vakuumkammer angeordneten Substrate mit im Wesentlichen identischen Plasma-Abscheideraten beschichtet werden.
Generell ist hierbei anzumerken, dass das genannte Verfahren mit der beschriebenen Vorrichtung zum plasmaunterstützten Behandeln der zumindest zwei Substrate durchführbar ist. Merkmale, die im Zusammenhang mit der Vorrichtung erläutert sind, geltend herbei gleichermaßen auch für das Behandlungsverfahren und umgekehrt. Auch ist die Vorrichtung nicht nur zum Beschichten von Substraten sondern grundsätzlich auch gleichermaßen für ein plasmaunterstütztes Ätzen geeignet.
Kurzbeschreibung der Figuren
Weitere Ziele, Merkmale sowie vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen verdeutlicht. Hierbei bilden sämtliche in den Figuren bildlich dargestellten als auch im Text lediglich beschriebene Merkmale in Alleinstellung als auch in jeglicher sinnvollen Kombination untereinander den Gegenstand der Erfindung. Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum plasmaunterstützten Behandeln zumindest zweier gegenüberliegend angeordneter Substrate im Querschnitt,
2 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung gemäß 1 in Höhe ihrer Symmetrieebene,
3 eine weitere, ringartig ausgebildete Plasmakammer im Längsschnitt,
4 eine bereichsweise Darstellung der Plasmakammer mit einer zwei Windungen aufweisenden Anregungsspule,
5 die Plasmakammer mit einer innenliegenden Anregungsspule,
6 einen nur bereichsweise dargestellten Querschnitt durch eine Vakuumkammer mit einer zwischen den Substraten angeordneten spiralartigen Flachspule,
7 eine weitere Ausgestaltung einer mittig angeordneten, zwischen zwei isolierenden Schichten eingebetteten Flachspule,
8 zwei außerhalb des Substratzwischenraums aber innerhalb der Plasmakammer liegende spiralartige Anregungsspulen,
9 eine Ausgestaltung mit zwei parallel zueinander, im Zwischenraum zwischen den Substraten angeordneten Flachspulen, und
10 eine weitere Ausführungsform mit zwei außerhalb des Substratzwischenraums angeordneten spiralartigen Flachspulen.
Detaillierte Beschreibung
In den 1 und 2 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zum plasmaunterstützten Behandeln zumindest zweier gegenüberliegend zueinander angeordneter Substrate 16, 20 im Querschnitt als auch in Draufsicht von oben gezeigt. Die hier lediglich schematisch dargestellte Vakuum- bzw. Plasmabehandlungseinrichtung 10 weist eine Vakuumkammer 12 auf, in welcher zwei im Abstand zueinander angeordnete Substrathalter 14, 18 angeordnet sind. Auf jedem der beiden Substrathalter 14, 18 sind, wie in 2 dargestellt, jeweils vier einzelne Substrate 16, 20 lösbar angeordnet.
Die Substrate 16, 20 sind hierbei einander zugewandt in einem in 1 vertikalen Abstand in Richtung ihrer Flächennormalen nahezu überdeckend angeordnet. Die Vakuumkammer 10 weist vorliegend eine in etwa quadratische Grundgeometrie auf. Sie ist ferner mit einer Anregungsspule 22 versehen, die sich außerhalb der Vakuumkammer 12, bezogen auf die Vertikale, also auf die Flächennormale der Substrate 16, 20, in etwa mittig zwischen den beabstandeten Substraten 16, 20 befindet.
Die Außenwand der Vakuumkammer 12 weist der annähernd umlaufend ausgebildeten Spule 22 zugewandt einen induktionsdurchlässigen Abschnitt 24 auf. Dieser kann zum Beispiel durch ein dielektrisches Material, wie etwa Glas oder einen keramischen Werkstoff gebildet werden. Ergänzend ist denkbar, im Wandbereich 24 ein geschlitztes oder gelochtes Metallblech vorzusehen, welches als eine Art Faraday-Shield wirkt. Auf diese Art und Weise kann zumindest die B-Feldkomponente des von der Spule 22 erzeugbaren Hochfrequenzfeldes in die Vakuumkammer 12 und insbesondere in den zwischen den Substraten 16, 20 liegenden Zwischenraum eingekoppelt werden.
Die induktive Kopplung des HF-Feldes der Spule 22 und dem zwischen den Substraten 16, 20 zu bildenden Plasma 80 erfolgt im sogenannten H-Modus. Die Betriebsparameter für die Behandlungsvorrichtung 10, insbesondere im Hinblick auf die zu verwendenden Prozessgase, Prozesstemperaturen, Prozessdrücke sowie der elektrischen Ansteuerung der Anregungsspule 22 sind derart aufeinander abgestimmt, dass eine Energiekopplung zwischen dem von der Spule 22 erzeugbaren elektromagnetischen Feld und dem Plasma 80 in der sogenannten H-Mode erfolgt.
Mit der gegenüberliegenden, sandwichartig anmutenden Anordnung zweier gegenüberliegender Substrate 16, 20 kann das in der Vakuumkammer 12 gebildete Plasma 80 weitaus effizienter etwa zum Ätzen der Substratoberflächen oder zu deren Beschichten eingesetzt werden. Ferner kann durch die induktive Kopplung der Spule 22 mit dem Plasma 80 zum einen eine vergleichsweise hohe Plasmadichte verbunden mit dementsprechend hohen Abscheidungsraten und damit einhergehenden kurzen Prozess- und Taktzeiten erreicht werden.
Zum anderen kann die Anregungsspule 22 außerhalb der Kammer 12 positioniert werden, sodass die Kammer 12 insgesamt kleiner gebaut werden kann und etwa im Hinblick auf eine Vakuumerzeugung dementsprechend geringere Anforderungen an die Kammer zu stellen sind.
Die Geometrie der in den 1 und 2 gezeigten Vakuumkammer 12 ist rechteckig bzw. sogar quadratisch. Die außenliegende Anregungsspule 22 umschließt hierbei den Außenumfang der Kammer 12 nahezu vollständig. Lediglich im Bereich elektrischer Anschlussmittel 26, 28 weist die Geometrie der Spule 22 eine Art Schlitz auf. Zur Erzielung einer möglichst geringen Induktivität L ist es jedoch von Vorteil, eine lediglich mit einer Windung versehene Spule 22 vorzusehen.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Geometrie der Spule 22 als auch die Geometrie der Vakuumkammer 12 an die geometrische Anordnung von insgesamt vier Substraten 16 angepasst. Der Außenumfang der insgesamt vier Substrate 16, 20 aufweisenden Substratanordnung auf dem in 2 schematisch dargestellten unteren Substrathalter 14 weist annähernd äquidistante Abstände zur annähernd vollständig umlaufenden Anregungsspule 22 auf. Es ist ferner vorgesehen, dass die Anregungsspule 22 sowie die in den Figuren nicht explizit gezeigten Gaseinlässe für die Zufuhr von Reaktionsgasen mittig zwischen den Substraten 16, 20 angeordnet ist.
Dies wird durch die in 1 horizontal verlaufende Symmetrieachse verdeutlich. Eine symmetrische Anordnung der Spule 22 gegenüber den Substraten 16, 20 kann annähernd identische Bedingungen für einen Beschichtungsprozess gegenüberliegend angeordneter Substrate 16, 20 schaffen.
Wenngleich die Behandlungsvorrichtung 10 in 1 liegend, also mit horizontal ausgerichteten Substraten 16, 20 dargestellt ist, erweist sich eine vertikale, also eine um 90° gedrehte Anordnung der Substrate 16, 20 sowie der zugehörigen Substrathalter 14, 18 als vorteilhaft. Etwaige schwerkraftbedingte Effekte können auf diese Art und Weise kompensiert bzw. umgangen werden. Beide Substrate, die dann in Horizontalrichtung voneinander beabstandet angeordnet sind, können somit in einer annähernd identischen Art und Weise mit dem dazwischenliegenden Plasma 80 behandelt werden.
In 3 ist eine alternative Ausgestaltung einer Vakuumkammer 30 gezeigt. Diese weist eine kreisrunde Formgebung mit einer ebenfalls außerhalb der Kammer 30 liegende Anregungsspule 32 auf. Ähnlich wie die Draufsicht gemäß 2 ist die seitliche Wand der Vakuumkammer 30 hier nicht explizit gezeigt. Sie liegt im Bereich des induktionsdurchlässigen Flächenabschnitts 34.
In 4 ist eine weitere Ausgestaltung einer an 1 angelehnten Vakuumbehandlungseinrichtung zumindest bereichsweise gezeigt. Im Unterschied zur Konfiguration gemäß 1 weist die außenliegende Anregungsspule 40 zwei Windungen 36, 38 auf, die in Vertikalrichtung, also entlang der Spulenachse schraubenförmig verlaufen. Im Unterschied zu den Konfigurationen gemäß 1 bis 4 weisen sämtliche Konfigurationen der 5 bis 8 innenliegende Spulenanordnungen auf. Die Anregungsspulen 50, 56, 62 befindet sich hierbei jeweils innerhalb der Vakuumkammer 60.
Im in 5 skizzierten Ausführungsbeispiel weist die den Zwischenraum zwischen den Substraten 16, 20 nach wie vor seitlich einfassende Spule 50 eine einzige Spulenwicklung 52 auf, die von einer Isolierung 54 ummantelt ist. Hierdurch wird eine rein induktive Kopplung zwischen der Spule 50 und dem Plasma 80 begünstigt.
Im Unterschied hierzu ist die Spule 56 gemäß 6 als spiralartig ausgebildete Flachspule zwischen den gegenüberliegenden Substraten 16, 20 angeordnet. Die Spule 56 weist hierbei einzelne, konzentrisch ineinanderlaufende, elektrisch miteinander spiralartig verbundene Wicklungen 57, 58 auf. Die einzelnen Wicklungen 57, 58 bzw. der gesamte spiralartige Flachspulenkörper 56 weist einen innenliegenden elektrischen Leiter 52 auf, der mit einer umliegenden Isolierung 54 versehen sind.
Bei dieser Ausgestaltung kommen Anregungsspule 56 und das mit zu erzeugende Plasma 80 nahezu überdeckend zueinander zu liegen. Auch hierbei ist vorgesehen, die Spule 56 möglichst mittig zwischen den beiden gegenüberliegenden Substraten 16, 20 anzuordnen.
Im Unterschied zu der windungsweisen Isolierung der Spule 56 gemäß 6 ist nach der weiteren Ausgestaltung gemäß 7 vorgesehen, einen an sich unisolierten Spulenkörper 62 zwischen zwei Isolierschichten 66, 68 anzuordnen. Die Isolierschichten 66, 68 unterteilen hierbei die Vakuumkammer 60 in einen oberen als auch in einen unteren Teil. Mit einer derartigen Konfiguration aber auch unabhängig von der jeweiligen Spulenanordnung können mittels einer einzigen Spulenanordnung hermetisch voneinander getrennte Bereiche innerhalb der Kammer 60 gebildet werden, um zum Beispiel die gegenüberliegenden, einer jeweiligen Teilkammer zugeordneten Substrate 16, 20 unterschiedlich zu behandeln.
Hierbei kann insbesondere vorgesehen werden, den von den induktionspermeablen Abschirmungen 66, 68 gebildeten Bereich hermetisch von der umgebenden Vakuumkammer 60 zu trennen. Die z. B. aus Glas oder aus einem keramischen Werkstoff gebildeten Abschirmungen 66, 68 können z. B. abdichtend an der Innenwand der Vakuum-Kammer 60 angeordnet werden.
Auch ist denkbar, die Spule 62 ohne Verbindung mit der Kammerwand in ein eigens vorgesehenes Spulengehäuse einzubetten. Somit kann z. B. im Spulenbereich z. B. ein anderes Druckniveau als in der umliegenden Kammer 60 eingestellt werden, sodass in unmittelbarer Umgebung der Spule 62 keine Plasmazündung stattfindet und die Spule 62 keiner oder nur einer unwesentlichen Plasma-Behandlung ausgesetzt werden.
Schließlich zeigt die Ausgestaltung gemäß 8, dass spiralartig und eben ausgebildete Spulen 56 nicht nur zwischen den Substraten 16, 20, sondern auch außerhalb des Substratzwischenraums angeordnet werden können. Bei dieser Ausgestaltung ist vorgesehen, eine obere Spule 56 oberhalb des oberen Substrathalters, also an einer dem Substrat-Zwischenraum abgewandten Seite des Substrathalters 18 anzuordnen, während selbiges in entsprechender Art und Weise für die untere Anregungsspule 56 gilt.
Wenngleich sämtliche in den Figuren dargestellten Ausführungsformen eine liegende bzw. horizontale Anordnung der Substrate 16, 20 und Spulen 22, 32, 40, 50, 56, 62 zeigen, ist nach der Erfindung insbesondere vorgesehen, die Substrate 16, 20 und mit ihnen auch die Spulen vertikal anzuordnen.
Ferner ist auch grundsätzlich denkbar, die in den 6 bis 8 gezeigten spiralartigen Flachspulen 56, 62 nicht nur innerhalb sondern auch außerhalb der Vakuumkammer 60 anzuordnen. In diesem Falle wäre jedoch die den Spulen 56, 62 zugewandte Kammerwand aus einem für die induktive Anregung permeablen Material zu fertigen.
9 zeigt eine weitere denkbare Anordnung, bei welcher zwei zueinander parallel ausgerichtete in sich spiralartig ausgebildete Flachspulen 62 zwischen den zu behandelnden Substraten 16, 20 angeordnet sind. Die Spulen 62 sind dabei ferner mittels induktionspermeablen Abschirmungen 66, 68 hermetisch von der sie umschließenden Vakuumkammer 60 getrennt. So können einerseits im Spulenbereich zwischen den Abschirmungen 66, 68 im Vergleich zum umliegenden Plasmaraum unterschiedliche Randbedingungen geschaffen werden, die ein Zünden des Plasmas zwischen den Spulen 62 effektiv verhindern.
Ferner kann durch die Anordnung zweier spiralartiger Spulen, eine vollständig symmetrische Spulenanordnung in Bezug auf die gegenüberliegend angeordneten Substrate 16, 20 geschaffen werden. Etwaige parallel zur Flächennormalen der Substrate 16, 20 verlaufenden elektrischen Kontaktierungsmittel für die Spulen 62 können symmetrisch in Bezug auf die Symmetrieebene der Vakuumkammer 60 und der Substrate 16, 20 angeordnet werden.
Ähnlich verhält es sich mit der Ausgestaltung nach 10, wobei im Unterschied zur Ausgestaltung nach 8, die beiden außerhalb des zwischen den Substraten 16, 20 gebildeten Behandlungsraums angeordneten Spulen 62 keine eigene Isolierung 54 ausweisen sondern jeweils durch eine Abschirmung 62, 66 von den Substraten 16, 20 getrennt sind.
Mit der gezeigten Behandlungsvorrichtung können insbesondere flache und eben ausgebildete waferartige Substrate zur Bildung von Dünnschicht-Photovoltaikmodulen mit vorgesehenen Beschichtungen versehen werden.
Bezugszeichenliste

10: Vakuum-Behandlungseinrichtung
12: Vakuumkammer
14: Substrathalter
16: Substrat
18: Substrathalter
20: Substrat
22: Spule
24: permeabler Flächenabschnitt
26: Kontakt
28: Kontakt
30: Vakuumkammer
32: Spule
34: permeabler Flächenabschnitt
36: Spulenwicklung
38: Spulenwicklung
40: Spule
50: Spule
52: elektrischer Leiter
54: Isolierung
56: Spule
57: Spulenwicklung
58: Spulenwicklung
60: Vakuumkammer
62: Spule
66: Isolierung
68: Isolierung
80: Plasma

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 03-173124 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Diagnostics and Modeling of an inductively coupled radio frequency discharge in hydrogen”, Fakultät für Physik und Astronomie, Ruhr-Universität Bochum 2004,”, Seiten 14 ff [0015]

Claims

Vorrichtung zum plasmaunterstützen Behandeln zumindest zweier Substrate (16, 20), mit: – einer Vakuumkammer (12; 30; 60) in welcher zumindest zwei Substrate (16, 20) in einem vorgegebenen Abstand und mit ihren zu behandelnden Oberflächen einander zugewandt anordenbar sind und mit – einer Plasmaerzeugungseinrichtung, welche zumindest eine Anregungsspule (22; 32; 40; 50; 56; 62) zur induktiven Anregung zumindest eines zwischen den Substraten (16, 20) befindlichen Plasmas (80) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Plasmaerzeugungseinrichtung (22; 32; 40; 50; 56; 62) derart zum Einkoppeln elektromagnetischer Energie in das Plasma (80) ausgebildet ist, damit dieses im H-Modus betreibbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest zwei Substrate (16, 20) in Richtung ihrer Flächennormalen voneinander beabstandet anordenbar sind und sich die zumindest eine Anregungsspule (22; 32; 40; 50; 56; 62) in Bezug auf die Flächennormale zwischen den Substraten (16, 20) erstreckt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die zumindest eine Anregungsspule (22; 32; 40; 50; 56; 62) außerhalb oder innerhalb der im Wesentlichen zueinander überlappend angeordneten Substratebenen erstreckt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anregungsspule (22; 32; 40) einen zwischen den Substraten (16, 20) gebildeten Zwischenraum in Umfangsrichtung im Wesentlichen umschließt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Anregungsspule (22; 32; 40) außerhalb der Vakuumkammer (12; 30) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Vakuumkammer (12; 30) einen der Anregungsspule (22; 32; 40) zugewandten induktionsdurchlässigen Flächenabschnitt (24; 34) aufweist, der für den magnetischen Anteil elektromagnetischer Strahlung im Wesentlichen permeabel ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei die zumindest eine Anregungsspule (50; 56; 62) innerhalb der Vakuumkammer (12; 30; 60) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die Anregungsspule (56; 62) mehrere spiralartige Windungen (57, 58) aufweist, die sich in einer im Wesentlichen parallel zur Substratebene ausgerichteten Ebene erstrecken.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Windungen (57, 58) der Anregungsspulen (56; 62) einzeln oder gebündelt gegenüber dem zu erzeugenden Plasma (80) elektrisch isoliert sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die geometrische Ausgestaltung der Anregungsspule (22; 32) der geometrischen Ausgestaltung und/oder der geometrischen Anordnung zumindest eines an einem Substrathalter (14, 18) befestigbaren Substrats (16, 20) entspricht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für die Halterung der Substrate (16, 20) vorgesehene Substrathalter (14, 18) keine die Aufrechterhaltung des Plasma (80) beeinflussende Funktion aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Plasmaerzeugungseinrichtung (22; 32; 40; 50; 56; 62) zur Erzeugung eines Plasmas (80) unter Ausnutzung des Elektron-Cyclotron-Wellenresonanz-Effekt (ECWR) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Plasmaerzeugungseinrichtung zur Bildung eines weiteren statischen und senkrecht zur Achse der Anregungsspule (22; 32; 40; 50; 56; 62) ausgerichteten Magnetfelds ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Substrate (16, 20) in vertikaler Ausrichtung, mit einer im Wesentlichen horizontal ausgerichteten Flächennormalen behandelbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Plasma (80) hinsichtlich seiner räumlichen Ausdehnung und/oder hinsichtlich seiner Position und Ausrichtung im Wesentlichen symmetrisch zwischen den Substrate (16, 20) generierbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Plasmakammer (12) in zumindest zwei, jeweils ein Teilplasma aufweisende und jeweils zumindest ein Substrat (16, 20) aufnehmende Teilkammern aufteilbar ist, wobei die zumindest zwei Teilplasmen mittels einer gemeinsamen Plasmaerzeugungseinrichtung (22; 32; 40; 50; 56; 62) erzeugbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwei parallel zueinander angeordnete, jeweils spiralartig ausgebildete Anregungsspulen (62) im Zwischenraum zwischen den gegenüberliegenden Substraten (16, 20) angeordnet sind.
Verfahren zum plasmaunterstützen Behandeln zumindest zweier Substrate (16, 20) mit folgenden Schritten: – Anordnen zumindest zweier Substrate (16, 20) in einem vorgegebenen Abstand zueinander in einer Vakuumkammer (12; 30; 60), wobei die Substrate (16, 20) mit ihren zu behandelnden Oberflächen einander zugewandt angeordnet werden, – induktive Erzeugung eines Plasmas (80) zur Oberflächenbehandlung der Substrate (16, 20) mittels einer zumindest eine Anregungsspule (22; 32; 40; 50; 56; 62) aufweisenden Plasmaerzeugungseinrichtung, wobei das Plasma (80) zwischen den zumindest zwei Substraten (16, 20) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die zumindest zwei Substrate in vertikaler Ausrichtung in der Vakuumkammer (12; 30; 60) angeordnet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 19 oder 20, wobei die Plasmakammer (12) in zumindest zwei, jeweils ein Teilplasma aufweisende und zumindest ein Substrat (16, 20) aufnehmende Teilkammern aufgeteilt wird und die zumindest zwei Teilplasmen mittels einer gemeinsamen Plasmaerzeugungseinrichtung (22; 32; 40; 50; 55, 56, 58; 62, 64) erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 19 bis 21, wobei die gegenüberliegenden Substrate (16, 20) im Wesentlichen identisch behandelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 19 bis 22, wobei die gegenüberliegend angeordneten Substrate (16, 20) mit im Wesentlichen identischen Plasma-Abscheideraten beschichtet werden.