DE102011104132B3 - Plasma assisted atomic layer deposition useful for forming thin layer on substrate, in reaction zone, comprises carrying out coating cycles, rinsing reaction area and converting adsorbed fraction of layer-forming process gas into thin layer - Google Patents

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Abstract

Plasma assisted atomic layer deposition (ALD) for forming thin layer on substrate in reaction zone at process pressure reduced by vacuum system, comprises coating cycles, within which layer-forming process gas is supplied in cycle steps, rinsing reaction area and subsequently converting adsorbed fraction of layer-forming process gas by the supply or generation of reactive process gas, into thin layer. The process gas with rinsing properties is supplied over first process area with limited flow cross-section to second process area with respect to first process area larger flow cross-section. Plasma assisted atomic layer deposition (ALD) for forming a thin layer on a substrate in a reaction zone at a process pressure reduced by a vacuum system, comprises coating cycles, within which a layer-forming process gas is supplied in cycle steps, rinsing the reaction area and subsequently converting the adsorbed fraction of the layer-forming process gas by the supply or generation of a reactive process gas, into a thin layer. The process gas with rinsing properties is supplied over a first process area with a limited flow cross-section to a second process area with respect to the first process area larger flow cross-section and is pumped out, where the ratio and size of the flow cross sections, the pumping capacity of the vacuum system and the supply time and the mass flow of the process gas is adjusted at least during a cycle step such that a transition flow is formed between molecular and viscous flow with local process pressure different in both the process areas and different ratios between flow and diffusion, such that the first process area is rinsed due to predominant flow, the supplied process gas remains in the second process area due to the predominant diffusion, such that two different process steps are performed at least partially at the same time during a cycle step. An independent claim is also included for a device comprising (i) a processing chamber having device for the supply of process gases, device for generating plasma coupled in a capacitive manner, and a vacuum system for evacuating the process gases, preferably for plasma assisted ALD, and (ii) at least one electrode arranged in the reaction chamber and is configured in such a hollow manner that it forms the first flow region and a substrate can be introduced into the electrode, the process gases can be fed through the electrode, and openings in the electrode are provided between the substrate and a counter electrode and are in fluid contact with the second process area, which corresponds to the process chamber, and the vacuum system, such that the plasma is generated in the process chamber, which ensures an uniform film formation reaction in response to a substrate contained in the electrode, by diffusion of the process gas radicals in the first flow region and by a suitable arrangement and design of the electrode openings.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung einer dünnen Schicht mittels Atomic Layer Deposition (ALD) unter Verwendung von Plasma und hierfür geeignete Vorrichtungen. Derartige Verfahren werden auch als Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition (PEALD) bezeichnet.The invention relates to a method for forming a thin layer by means of atomic layer deposition (ALD) using plasma and devices suitable for this purpose. Such methods are also referred to as plasma enhanced atomic layer deposition (PEALD).

PEALD Verfahren finden insbesondere in der Halbleiter Technologie Verwendung und sind für unterschiedlichste Beschichtungsanwendungen geeignet. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein PEALD Verfahren mit variierendem Massenfluss innerhalb eines Beschichtungszyklus und mit zwei Prozessbereichen, wobei in einem Prozessbereich Plasma erzeugt wird, während im anderen Prozessbereich keine Plasmaerzeugung erfolgt.PEALD methods are used in particular in semiconductor technology and are suitable for a wide variety of coating applications. More particularly, the present invention relates to a PEALD method with varying mass flow within a coating cycle and with two process areas, wherein plasma is generated in one process area, while no plasma generation occurs in the other process area.

Ein Verfahren mit variierenden Massenflüssen der Prozessgase innerhalb eines Beschichtungszyklus ist aus US 2005/0016956 A1 bekannt. Die Beschichtung erfolgt im Wesentlichen im viskosen Strömungsbereich. Es ist vorgesehen, schichtbildende Prozessgase mit geringem Gasdurchfluss zuzuführen und den Reaktionsbereich mit hohem Gasdurchfluss zu spülen. Um eine hohe Verweildauer im Reaktionsbereich und eine damit einhergehende Verbrauchsreduzierung des schichtbildenden Prozessgases zu erhalten, wird der Druck im Reaktionsbereich bevorzugt durch Veränderung der Pumpleistung konstant gehalten. Eine Veränderung der Pumpleistung ist aufwendig und kostenintensiv während Druckschwankungen im genannten Druckbereich zwischen 0,133 und 1,33 mbar zu Staubverunreinigung der Schichten führen können.A process with varying mass flows of process gases within a coating cycle is over US 2005/0016956 A1 known. The coating takes place essentially in the viscous flow region. It is envisaged to supply layer-forming process gases with low gas flow and to purge the reaction area with a high gas flow. In order to obtain a long residence time in the reaction area and a concomitant reduction in consumption of the layer-forming process gas, the pressure in the reaction area is preferably kept constant by changing the pumping capacity. A change in the pumping power is complicated and costly while pressure fluctuations in the mentioned pressure range between 0.133 and 1.33 mbar can lead to dust contamination of the layers.

Ein weiteres Verfahren mit variierenden Massenflüssen der Prozessgase ist in US 2011/0070141 A1 beschrieben. Auch hier wird die Pumpleistung verändert, wobei eine besondere Gaede Pumpstufe den mechanischen Aufwand etwas reduziert. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Prozessdruck bei Zufuhr eines schichtbildenden Prozessgases mit niedrigem Massenfluss zum Erreichen einer hohen Verweilzeit höher dem Prozessdruck bei Zufuhr eines spülenden Prozessgases mit hohem Massenfluss geregelt wird.Another method with varying mass flows of the process gases is in US 2011/0070141 A1 described. Again, the pump power is changed, with a special Gaede pumping stage reduces the mechanical complexity. In a preferred embodiment of the invention, it is provided that the process pressure when supplying a layer-forming process gas with low mass flow to achieve a high residence time is regulated higher than the process pressure when supplying a high-flow purging process gas.

Weiterhin sind PEALD Verfahren mit zwei Prozessbereichen bekannt.Furthermore, PEALD processes with two process areas are known.

US 2003/0075273 A1 betrifft ein Verfahren mit einem Prozessbereich in dem Plasma erzeugt wird und einem weiteren Prozessbereich ohne Plasmaerzeugung, in dem ein Substrat angeordnet wird. Dabei verläuft die Strömungsrichtung der Prozessgase zumindest teilweise über den Prozessbereich mit Plasmaerzeugung in den Prozessbereich ohne Plasmaerzeugung. Ein weiteres Verfahren ist aus US 2011/0003087 A1 bekannt. Auch hier strömt ein Teil des Prozessgases über den Prozessbereich mit Plasmaerzeugung in den Prozessbereich ohne Plasmaerzeugung jedoch bei verbesserter Strömungslenkung. US 2003/0075273 A1 relates to a method with a process area is generated in the plasma and another process area without plasma generation, in which a substrate is arranged. The flow direction of the process gases runs at least partially over the process area with plasma generation in the process area without plasma generation. Another procedure is over US 2011/0003087 A1 known. Again, part of the process gas flows through the process area with plasma generation in the process area without plasma generation but with improved flow control.

Klassische ALD Verfahren benötigen vier Prozessschritte (Zuführen eines schichtbildenden Prozessgases, Spülen, Zuführen eines reaktiven Prozessgases, Spülen) während für PEALD Verfahren sogar nur drei Prozessschritte ( EP 1092233 B1 ) erforderlich sind.Classic ALD processes require four process steps (supplying a layer-forming process gas, purging, supplying a reactive process gas, purging) while for PEALD processes even only three process steps ( EP 1092233 B1 ) required are.

Aufgabe der Erfindung ist ein insbesondere plasmaunterstütztes ALD Verfahren mit gegenüber bekannten ALD Verfahren erweiterter Funktionalität. Dabei soll beispielsweise überschüssiges schichtbildendes Prozessgas vor Eindringen in das Pumpsystem durch eine zusätzliche Plasmareaktion zersetzt werden oder in einem Batchsystem die Beschichtung mehrerer Substrate bei wechselndem Prozessdruck ermöglicht werden, ohne gegenüber klassischen ALD Verfahren eine Verlängerung der Zykluszeit zu bewirken. Bei bevorzugt konstanter Pumpleistung sollen die Vorzüge unterschiedlicher Prozessdrücke für ein ALD Verfahren mit schnellen Beschichtungszyklen, einfacher Prozesstechnologie und äußerst geringem Prozessgasverbrauch genutzt werden, wobei eine Verwendung schichtbildender Prozessgase mit geringem Dampfdruck bevorzugt ohne Trägergas vorgesehen ist.The object of the invention is an in particular plasma-assisted ALD method with extended functionality compared to known ALD methods. In this case, for example, excess layer-forming process gas is to be decomposed by an additional plasma reaction before it enters the pump system or in a batch system, the coating of multiple substrates are made possible with changing process pressure, without causing over conventional ALD process, an extension of the cycle time. With preferably constant pumping power, the advantages of different process pressures for an ALD process with fast coating cycles, simple process technology and extremely low process gas consumption should be utilized, wherein a use of layer-forming process gases with low vapor pressure is preferably provided without carrier gas.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren entsprechend Anspruch 1 wobei ein oder mehrere Substrate je nach Ausführung der Erfindung in einem ersten oder einem zweiten Prozessbereich angeordnet werden, der Strömungsquerschnitt (Strömungsleitwert) des ersten Prozessbereiches kleiner dem Strömungsquerschnitt (Strömungsleitwert) des zweiten Prozessbereiches (Plasmabereich) gewählt wird und ein Prozessgas mit spülenden Eigenschaften über den ersten Prozessbereich dem zweiten Prozessbereich zugeführt und aus diesem abgepumpt wird, wobei Prozesskammer und Prozessparameter derart ausgelegt werden, dass während der Verweildauer eines schichtbildenden oder eines reaktiven Prozessgases im zweiten Prozessbereich, der erste Prozessbereich gespült und hierdurch für einen nachfolgenden Zyklusschritt vorbereitet wird, so dass zwei Prozessschritte gleichzeitig in einem Zyklusschritt durchgeführt werden. Das erfindungsgemäße ALD Verfahren ermöglicht hierdurch eine Funktionserweiterung von ALD Prozessen ohne zusätzliche Verlängerung der Zykluszeit. Dabei ist es erfindungsgemäß, dass die Diffusion eines Prozessgases entgegen der durch Druckgefälle und Massenfluss definierten Strömungsrichtung in zumindest einem Prozessschritt in zumindest einem der Prozessbereiche genutzt wird. Massenfluss bezeichnet dabei die Massenstromstärke bzw. den Massendurchfluss im Verhältnis zur Zeit (z. B. Gramm pro Sekunde). Die Wahl des Prozessdrucks im Bereich der Knudsen-Strömung ist besonders vorteilhaft für Verfahren mit wechselndem Prozessdruck, da aufgrund relativ geringer Kontinuumsströmung die üblichen Nachteile von Druckschwankungen (Staubaufwirbelung und dergleichen) im Wesentlichen vermieden werden, während die Verweilzeit von Prozessgasen auch ohne Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit durch Prozessdruckveränderung mit entsprechender Veränderung des Diffusionskoeffizienten über den Massenfluss der Prozessgase geregelt werden kann. Knudsen-Strömung herrscht im Feinvakuumgebiet zwischen 0,001 und 1 mbar vor. Für das erfindungsgemäße Verfahren wird ein Prozessdruckbereich zwischen 0,005 und 0,5 mbar bevorzugt, wobei zur Plasmaerzeugung bevorzugt ein Druck zwischen 0,008 und 0,03 mbar gewählt wird.This object is achieved by a method according to claim 1 wherein one or more substrates are arranged depending on the embodiment of the invention in a first or a second process area, the flow cross-section (Strömungsleitwert) of the first process area smaller the flow area (Strömungsleitwert) of the second process area (plasma area) a process gas with purging properties is supplied to the second process area via the first process area and pumped out of it, the process chamber and process parameters being designed such that, during the residence time of a layer-forming or a reactive process gas in the second process area, the first process area is purged and thereby is prepared for a subsequent cycle step, so that two process steps are performed simultaneously in one cycle step. The ALD method according to the invention thereby makes possible a functional extension of ALD processes without additional lengthening of the cycle time. It is according to the invention that the diffusion of a process gas against the flow direction defined by pressure gradient and mass flow is used in at least one process step in at least one of the process areas. mass flow refers to the mass flow or the mass flow in relation to time (eg grams per second). The choice of process pressure in the range of Knudsen flow is particularly advantageous for processes with changing process pressure, because due to relatively low continuum flow, the usual disadvantages of pressure fluctuations (dust turbulence and the like) are substantially avoided, while the residence time of process gases without changing the flow rate through Process pressure change with a corresponding change in the diffusion coefficient on the mass flow of the process gases can be controlled. Knudsen flow prevails in the fine vacuum range between 0.001 and 1 mbar. For the process according to the invention, a process pressure range between 0.005 and 0.5 mbar is preferred, with a preferred pressure of between 0.008 and 0.03 mbar being selected for plasma generation.

Entsprechend Anspruch 1 werden zwei unterschiedliche Prozessschritte in zwei, miteinander in Strömungsverbindung stehenden Prozessbereichen bei gemeinsamer Prozessgaszufuhr gleichzeitig durchgeführt. Dabei kann ein Prozessbereich gespült werden, während ein im gleichen Strömungsweg angeordneter zweiter Prozessbereich weiterhin einem schichtbildenden Prozessgas ausgesetzt bleibt. Dies ist insbesondere vorteilhaft, um einen nachfolgenden Spülschritt mit höherem Prozessdruck während fortgesetzter Adsorption im zweiten Prozessbereich vorzubereiten, oder um überschüssiges Prozessgas im zweiten Prozessbereich ohne wesentlichen Einfluss auf den ersten Prozessbereich zur Reaktion zu bringen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist für PEALD Prozesse mit unterschiedlicher Anzahl an Zyklusschritten und beliebiger Anzahl an Prozessgasen sowie in begrenztem Umfang auch für ALD Prozesse ohne Plasmaerzeugung anwendbar.In accordance with claim 1, two different process steps are carried out simultaneously in two process areas which are in fluid communication with one another while the process gas is supplied together. In this case, a process area can be purged while a second process area arranged in the same flow path continues to be exposed to a layer-forming process gas. This is particularly advantageous for preparing a subsequent rinsing step with a higher process pressure during continued adsorption in the second process area, or for reacting excess process gas in the second process area without significant influence on the first process area. The method according to the invention can be used for PEALD processes with different number of cycle steps and any number of process gases as well as to a limited extent for ALD processes without plasma generation.

In den Ansprüchen 2 bis 9 werden besonders bevorzugte Ausgestaltungen eines plasmaunterstützten ALD Verfahrens und eine hierfür geeignete Vorrichtung genannt.In the claims 2 to 9 particularly preferred embodiments of a plasma-assisted ALD method and a device suitable for this purpose are mentioned.

Zuvor werden strömungstechnische Grundlagen der Erfindung erläutert:
Viskose Strömung oder Kontinuumsströmung bezeichnet die Strömung einer Vielzahl von Gasteilchen, die durch thermische Bewegung (Brownsche Bewegung) überwiegend gegeneinander und nur gelegentlich an Prozesskammerwände stoßen und gemeinsam als Kontinuum strömen. Molekulare Strömung bezeichnet die Strömung von Gasteilchen, die aufgrund geringerer Teilchendichte relativ zu einem Strömungsquerschnitt überwiegend an Prozesskammerwände und nur gelegentlich gegeneinander stoßen. Bei sogenannter Knudsen-Strömung handelt es sich um eine Übergangsströmung zwischen molekularer und viskoser Strömung. Strömung ist eine gerichtete Bewegung von Teilchen oder einem Kontinuum insbesondere in Richtung niedrigeren Prozessdrucks (bzw. in Richtung des Massenflusses), während Diffusion eine richtungsunabhängige Teilchenbewegung beschreibt, die bei überlagerter Strömung auch Teilchenbewegungen entgegen der Strömungsrichtung umfasst.
Before flow principles of the invention are explained:
Viscous flow or continuum flow refers to the flow of a plurality of gas particles that predominantly collide against each other and only occasionally on process chamber walls by thermal motion (Brownian motion) and flow together as a continuum. Molecular flow refers to the flow of gas particles that, due to lower particle density relative to a flow cross-section, predominantly abut against process chamber walls and only occasionally against each other. Knudsen flow is a transitional flow between molecular and viscous flow. Flow is a directed movement of particles or a continuum, especially in the direction of lower process pressure (or in the direction of mass flow), while diffusion describes a direction-independent particle movement, which also includes particle movements against the flow direction with superimposed flow.

Dabei ist die sogenannte Eigendiffusion eines Prozessgases oder Prozessgasgemisches grundsätzlich mit molekularer Strömung vergleichbar, da es sich um Teilchenbewegungen handelt, die nur bedingt von der Strömungsbewegung eines Gaskontinuums abhängig sind. Bei molekularer Strömung wird jedoch nur die Gasbewegung in Abpumprichtung (Massenfluss) bzw. in Richtung von einem höheren zu einem niedrigeren Druck betrachtet, während Diffusion grundsätzlich die Bewegung eines Gasteilchens von seinem Ursprungsort in beliebige Richtungen bezeichnet. Diffusion ist als mittlere Strecke definierbar, die sich ein Teilchen (Prozessgasmolekül) in einem ruhenden Medium in einer vorgegebenen Zeit von seinem Ursprungsort entfernt. Bei zusätzlich bewegtem Medium wird die Strömungsbewegung überlagert (Gasteilchen erhalten durch andere Gasteilchen Bewegungspulse in Strömungsrichtung), so dass eine Diffusion entgegen der Strömungsrichtung sich mit zunehmender Geschwindigkeit der Strömung verringert und etwa bei Schallgeschwindigkeit entfällt. Um unterhalb von Schallgeschwindigkeit alle diffundierenden Teilchen aus einem Prozessbereich zu spülen, wird eine geeignete Spülzeit benötigt, wie in nachfolgendem Beispiel in Näherung erläutert wird. Mit „Diffusion” wird in der vorliegenden Anmeldung sowohl Eigendiffusion einzelner Prozessgase oder gleichmäßiger Prozessgasgemische untereinander als auch Diffusion unterschiedlicher Prozessgase mit unterschiedlicher lokaler Konzentration bezeichnet, da das gleiche Ausbreitungsprinzip vorliegt und zur Darstellung der Erfindung nur der grundlegende Vergleich zwischen Diffusions- und Strömungsbewegungen erforderlich ist. In der Beispielrechnung wird mit dem Begriff „Diffusion” die innerhalb einer gewählten Zeit zurückgelegte mittlere Strecke (bzw. der mittlere Abstand) eines Teilchens vom Ursprungsort bei ruhendem Medium angegeben.In this case, the so-called inherent diffusion of a process gas or process gas mixture is fundamentally comparable to molecular flow, since it involves particle movements that are only conditionally dependent on the flow movement of a gas continuum. In molecular flow, however, only the gas movement in Abpumprichtung (mass flow) or in the direction of a higher to a lower pressure is considered, while diffusion basically refers to the movement of a gas particle from its origin in any direction. Diffusion is definable as the mean distance from which a particle (process gas molecule) in a quiescent medium leaves its place of origin in a given time. In additionally agitated medium, the flow movement is superimposed (gas particles obtained by other gas particles movement pulses in the flow direction), so that a diffusion opposite to the flow direction decreases with increasing velocity of the flow and accounts for about the speed of sound. In order to purge all diffusing particles from a process area below the speed of sound, a suitable purge time is required, as explained in the following example in an approximation. In the present application, "diffusion" refers both to diffusion of individual process gases or uniform process gas mixtures with one another and to diffusion of different process gases having different local concentrations, since the same propagation principle is present and only basic comparison between diffusion and flow motions is required to illustrate the invention. In the example calculation, the term "diffusion" is used to denote the mean distance (or the mean distance) of a particle traveled within a selected time from the place of origin when the medium is at rest.

Diffusion kann allgemein durch den Diffusionskoeffizienten D [m2/s] beschrieben werden. Durch die Einstein-Smoluchowsky-Gleichung d2 = 2Ds (mit d = mittlerer Abstand eines Teilchens vom Ursprungsort, D = Diffusionskoeffizient, s = Sekunden) kann die von den Gasteilchen in einer Raumrichtung bei ruhendem Gaskontinuum zurückgelegte Strecke d dann zeitabhängig berechnet werden. Aus der Einstein-Smoluchowsky-Gleichung ist ersichtlich, dass die Diffusion (Strecke pro Zeit) nicht linear verläuft. So wird beispielsweise zur Durchdringung einer doppelten Strecke die vierfache Zeit benötigt. Der Diffusionskoeffizient steigt bei Druckreduzierung.Diffusion can generally be described by the diffusion coefficient D [m 2 / s]. By the Einstein-Smoluchowsky equation d 2 = 2Ds (with d = average distance of a particle from the place of origin, D = diffusion coefficient, s = seconds), the distance d traveled by the gas particles in a spatial direction with the gas continuum at rest can then be calculated time-dependent. From the Einstein-Smoluchowsky equation it can be seen that the diffusion (distance per time) is not linear. For example, to penetrate a double track takes four times the time. The diffusion coefficient increases with pressure reduction.

Die vorliegende Erfindung macht sich diese Gesetzmäßigkeit für ein sehr vorteilhaftes ALD Verfahren zu nutze. Durch die Wahl des Prozessdruckbereiches (Knudsen-Strömung/Übergangsströmung) können unterschiedliche Diffusionsparameter eingestellt werden, ohne die Pumpleistung eines Vakuumsystems zu verändern. Bei Verwendung eines relativ linearen Vakuumsystems (z. B. Turbomolekularpumpe mit Vorpumpe) werden sowohl bei Prozessgaszufuhr mit geringen Durchfluss (z. B. 10 cm3/min bei Standardbedingungen) als auch bei Prozessgaszufuhr mit größerem Durchfluss (z. B. 100 cm3/min bei Standardbedingungen) etwa gleiche mittlere Strömungsgeschwindigkeiten erzielt. Dies bedeutet, dass der Prozessdruck bei geringerem Massenfluss niedriger ist als bei größerem Gasdurchfluss. Die Gasdiffusion nimmt jedoch mit Druckabnahme deutlich zu, so dass sich die Verweilzeit bereits zugeführter Prozessgasteilchen bei gleicher mittlerer Strömungsgeschwindigkeit durch Diffusionsbewegung entgegen der Strömungsrichtung erhöht. Gleichzeitig nimmt durch Diffusion radial zur Strömungsrichtung die Anzahl der Oberflächenkontakte zu, so dass ein höherer Anteil der zugeführten Gasteilchen adsorbiert werden kann. Dabei ist natürlich zu berücksichtigen, dass innerhalb einer vorgesehenen Zufuhrdauer eine für den Prozess ausreichende Menge an Gasteilchen zugeführt wird und der Prozessdruck bei gleichbleibender Zufuhrzeit nicht beliebig reduzierbar ist.The present invention makes use of this law for a very advantageous ALD process. By choosing the process pressure range (Knudsen flow / transition flow), different diffusion parameters can be set without changing the pumping power of a vacuum system. When using a relatively linear vacuum system (eg. B. turbomolecular pump having a backing pump) in both the process gas supply at a low flow rate (z. B. 10 cm 3 / min under standard conditions) (as well as process gas supply with a higher flow z. B. 100 cm 3 / min at standard conditions) achieved about the same average flow velocities. This means that the process pressure is lower at lower mass flow than at higher gas flow. However, the gas diffusion increases significantly with pressure decrease, so that increases the residence time of already supplied process gas particles at the same average flow velocity by diffusion movement against the flow direction. At the same time, the number of surface contacts increases by diffusion radially to the flow direction, so that a higher proportion of the supplied gas particles can be adsorbed. Of course, it should be taken into consideration that an amount of gas particles sufficient for the process is supplied within a designated supply period and the process pressure can not be reduced in any desired manner while the feed time remains the same.

Die Prozessbedingungen sollen im Beispiel derart gewählt sein, dass ein kubischer Prozessbereich mit 220 mm Kantenlänge über den gesamten Strömungsquerschnitt mit 4,6 m/s Prozessgasgeschwindigkeit durchströmt wird. Bei Zufuhr von 10 cm3/min bei Standardbedingungen eines schichtbildenden Prozessgases beträgt dabei der Prozessdruck im Prozessbereich etwa 0,001 mbar und bei Zufuhr von 100 cm3/min bei Standardbedingungen eines spülenden Prozessgases beträgt der Prozessdruck etwa 0,01 mbar. Die Beispielberechnungen wurden näherungsweise mit Argon als Prozessgas bei 70°C und Selbstdiffusion durchgeführt und dienen ausschließlich zur Verdeutlichung der Erfindung. Grundsätzlich können natürlich detailliertere Berechnungen durchgeführt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch bereits bei entsprechender Wahl des Prozessdruckbereichs und Wahl hoher und niedriger Massenflüsse vom Fachmann realisierbar, so dass überschlägige Berechnungen und Abschätzungen (ohne Berücksichtigung sämtlicher Prozessgasanteile etc.) vollständig ausreichend sind.The process conditions should be selected in the example such that a cubic process area with 220 mm edge length is traversed over the entire flow cross-section with 4.6 m / s process gas velocity. Upon supply of 10 cm 3 / min at standard conditions of a layer-forming process gas, while the process pressure in the process area is about 0.001 mbar and with supply of 100 cm 3 / min at standard conditions of a purging process gas, the process pressure is about 0.01 mbar. The example calculations were carried out approximately with argon as process gas at 70 ° C and self-diffusion and serve only to illustrate the invention. In principle, of course, more detailed calculations can be performed. However, the method according to the invention can already be implemented by a person skilled in the art with appropriate selection of the process pressure range and choice of high and low mass flows, so that rough calculations and estimates (without consideration of all process gas portions, etc.) are completely sufficient.

Bei Zufuhr des schichtbildenden Prozessgases mit 10 cm3/min bei Standardbedingungen Gasdurchfluss und 0,001 mbar Prozessdruck im Prozessbereich beträgt der Diffusionskoeffizient etwa 19 m2/s. Hieraus ergibt sich bei 0,3 Sekunden Zufuhrdauer etwa eine Diffusion von 3,4 m während die mittlere Strömungsgeschwindigkeit 4,6 m/s beträgt und sich das Gas (als Kontinuum betrachtet) in der gleichen Zeit nur 1,4 m (0,3 s × 4,6 m/s) in Richtung Vakuumsystem bewegt. Es wird vereinfacht angenommen, dass sich der Ausgangsort der Diffusion ebenfalls mit Strömungsgeschwindigkeit von 4,6 m/s in Richtung des Vakuumsystems bewegt und somit eine Diffusion von 2,0 m entgegen der Strömungsrichtung des Gaskontinuums verbleibt. Aufgrund dieser Überlegungen müsste die Zufuhrdauer des Prozessgases mehr als 2 Sekunden betragen, um alle bei Zufuhrbeginn im Prozessbereich befindlichen Gasteilchen auszutauschen. Bei Zufuhr eines schichtbildenden Prozessgases sind jedoch schnelle Verteilung und Adsorption der Gasteilchen und kein Gasaustausch gewünscht, so dass ein geringer Gasdurchfluss von 10 cm3/min bei Standardbedingungen (entspricht bei Argon entsprechend Beispiel einem Massenfluss von etwa 0,0003 g pro Sekunde) vorteilhaft ist.When the layer-forming process gas is supplied at 10 cm 3 / min under standard conditions of gas flow and 0.001 mbar process pressure in the process area, the diffusion coefficient is about 19 m 2 / s. This results in a diffusion of 3.4 m at 0.3 seconds supply while the average flow rate is 4.6 m / s and the gas (considered as a continuum) in the same time only 1.4 m (0.3 s × 4.6 m / s) in the direction of the vacuum system. It is assumed in simplified terms that the starting point of the diffusion also moves with a flow velocity of 4.6 m / s in the direction of the vacuum system and thus a diffusion of 2.0 m remains opposite to the flow direction of the gas continuum. Due to these considerations, the supply time of the process gas would have to be more than 2 seconds to replace all gas particles in the process area at the start of the feed. However, when a layer-forming process gas is supplied, rapid distribution and adsorption of the gas particles and no gas exchange are desired, so that a low gas flow rate of 10 cm 3 / min at standard conditions (equivalent to a mass flow of about 0.0003 g per second for example in argon) is advantageous ,

Auf eine detaillierte Darstellung der Berechnungswege wurde verzichtet, da diese dem Fachmann einfach zugänglich sind. Dabei erfolgt die Ermittlung des Diffusionskoeffizienten über die mittlere freie Weglänge und die mittlere thermische Geschwindigkeit der entsprechenden Gasteilchen. Die zusätzlich zur Einstein-Smolucholsky-Gleichung benötigten Berechnungsgrundlagen können beispielsweise aus Wutz, Handbuch der Vakuumtechnik (Seiten 37–40 u. 53–54) entnommen werden.A detailed description of the calculation channels has been omitted since these are easily accessible to the person skilled in the art. In this case, the determination of the diffusion coefficient over the mean free path and the average thermal velocity of the corresponding gas particles. The calculation bases required in addition to the Einstein-Smolucholsky equation can, for example, be taken from Wutz, Handbook of Vacuum Technology (pages 37-40 and 53-54).

Zum Spülen des Prozessbereiches sind entsprechend Beispiel 100 cm3/min bei Standardbedingungen Gasdurchfluss bei 0,01 mbar Prozessdruck vorgesehen, wobei der Diffusionskoeffizient 1,9 m2/s beträgt.For flushing the process area 100 cm 3 / min are provided under standard conditions gas flow at 0.01 mbar process pressure according to Example, wherein the diffusion coefficient is 1.9 m 2 / s.

Hieraus ergibt sich bei 0,3 Sekunden Zufuhrdauer etwa eine Diffusion von 1,1 m, während sich das Gaskontinuum in der gleichen Zeit wiederum 1,4 m in Richtung Vakuumsystem bewegt. Entsprechend obiger Annahme wird nun eine verbleibende Diffusion von – 0,3 m erhalten, so dass bei gegebenem Massenfluss von etwa 0,003 g/s (100 cm3/min bei Standardbedingungen) prinzipiell ein vollständiger Gasaustausch innerhalb von 0,3 Sekunden Zufuhrdauer möglich ist. Dabei ist zu beachten, dass eine mittlere Diffusion unter vereinfachten Annahmen berechnet wird und ggf. eine größere Reserve (höhere Strömungsgeschwindigkeit oder längere Strömungszeit) einzuplanen ist.This results in a diffusion of 1.1 m at a delivery time of 0.3 seconds, while the gas continuum in the same time again moves 1.4 m in the direction of the vacuum system. According to the above assumption, a remaining diffusion of -0.3 m is now obtained so that, given a mass flow of about 0.003 g / s (100 cm 3 / min at standard conditions), in principle a complete gas exchange within 0.3 seconds of supply time is possible. It should be noted that an average diffusion is calculated under simplified assumptions and, if necessary, a larger reserve (higher flow velocity or longer flow time) must be planned.

Es wird jedoch gezeigt, dass durch geeignete Wahl des Prozessdruckbereichs mit entsprechenden Gasdurchflüssen (Massenfluss) und geeigneter Strömungslenkung die Pumpleistung eines Vakuumsystems beibehalten werden kann und die resultierende Prozessdruckschwankung schnelle Beschichtungszyklen bei guter Verweilzeit des schichtbildenden Prozessgases und effektivem Spülverhalten des spülenden Prozessgases ermöglicht. Durch Wahl einer Vakuumpumpe mit weniger linearer Pumpenkennlinie, wie z. B. einer Rootspumpe, kann die Pumpleistung bei höherem Druck wesentlich größer sein wie bei niedrigerem Druck. Hierdurch wird eine relativ größere Spülleistung (höhere Strömungsgeschwindigkeit) gegenüber verringerter Strömungsgeschwindigkeit bei niedrigem Druck erzielt. Dies kann für das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft sein, sofern der Massenfluss bei niedrigem Prozessdruck ausreichend ist. Gegenüber Turbomolekularpumpen werden hierfür meist wesentlich größere Pumpstände benötigt.However, it is shown that by suitable choice of the process pressure range with appropriate gas flows (mass flow) and suitable flow control, the pumping capacity of a vacuum system can be maintained and the resulting process pressure fluctuation fast Coating cycles with good residence time of the layer-forming process gas and effective flushing of the purging process gas allows. By choosing a vacuum pump with less linear pump characteristic, such. B. a Roots pump, the pump power at higher pressure can be much larger than at lower pressure. As a result, a relatively larger flushing performance (higher flow velocity) compared to reduced flow velocity at low pressure is achieved. This can be advantageous for the method according to the invention, provided that the mass flow at low process pressure is sufficient. Compared to turbomolecular pumps usually much larger pumping stations are needed for this purpose.

Als schichtbildendes Prozessgas sind beliebige Prozessgase erfindungsgemäß, die bei gegebenen Prozessbedingungen dampfförmig sind und durch Reaktion mit einem reaktiven oder einem aktivierten Prozessgas in eine Schicht umwandelbar bzw. zersetzbar sind. Dabei können beispielsweise bei oxidativer Schichtbildung Elemente des reaktiven oder des aktivierten Prozessgases in die Schicht eingebunden werden, während bei reduktiver Schichtbildung das reaktive bzw. aktivierbare Prozessgas in der Regel nicht in die Schicht eingebunden wird. Als aktivierbare Prozessgase werden Prozessgase bezeichnet, die bei gegebenen Prozessbedingungen ohne Erzeugung von Plasma im Wesentlichen unreaktiv sind und ähnlich wie Inertgase spülende Eigenschaften aufweisen, jedoch bei Erzeugung von Plasma im Einflussbereich des Plasmas reaktiv werden. Repräsentative Beispiele für solche Gase sind Sauerstoff, Wasserstoff und Stickstoff. Repräsentative Beispiele für reaktive Gase sind Wasserdampf und Ammoniak, wobei auch diese nicht zwangsläufig gegenüber jedem schichtbildenden Prozessgas ohne Plasmaerzeugung reaktiv sein müssen, jedoch mit vielen schichtbildenden Prozessgasen unmittelbar reagieren.As a layer-forming process gas are any process gases according to the invention, which are vaporous at given process conditions and can be converted or decomposed by reaction with a reactive or an activated process gas in a layer or decomposed. In the case of oxidative layer formation, for example, elements of the reactive or of the activated process gas can be incorporated into the layer, while in the case of reductive layer formation, the reactive or activatable process gas is generally not incorporated into the layer. Process gases which can be activated are those which are essentially unreactive at given process conditions without the production of plasma and, similar to inert gases, have purging properties, but become reactive in the area of influence of the plasma when plasma is generated. Representative examples of such gases are oxygen, hydrogen and nitrogen. Representative examples of reactive gases are water vapor and ammonia, although these also do not necessarily have to be reactive with any layer-forming process gas without plasma generation, but react directly with many layer-forming process gases.

Als Prozessschritte werden sowohl die klassischen Prozessschritte wie z. B. „Zufuhr eines schichtbildenden Prozessgases” oder „Spülen des Reaktionsbereichs” als auch zusätzliche Schritte wie z. B. „Zersetzung bzw. Umwandlung überschüssigen schichtbildenden Prozessgases” durch plasmaunterstützte Oberflächenreaktion oder Gasphasenabscheidung außerhalb des Reaktionsbereichs oder ”Spülen des ersten Prozessbereiches (Zufuhrbereich)” zur Vorbereitung eines Druckanstieges im Zufuhrbereich bezeichnet. Der zeitliche Ablauf der Prozessschritte erfolgt in Zyklusschritten. Dabei ist es erfindungsgemäß, dass aufgrund der Nutzung unterschiedlicher Verhältnisse von Strömung und Diffusion im Bereich der sogenannten Knudsen-Strömung, unterschiedliche Prozessschritte zu einem gemeinsamen Zyklusschritt zusammengefasst oder zumindest teilweise gleichzeitig durchgeführt werden. Hierdurch werden ALD Prozesse mit erweitertem Funktionsumfang ohne Verlängerung von Zykluszeiten ermöglicht, wobei Zykluszeiten zwischen 0,5 und 1,5 Sekunden (je Beschichtungszyklus) bevorzugt sind.As process steps, both the classical process steps such. As "supplying a layer-forming process gas" or "rinsing the reaction area" and additional steps such. B. "decomposition or conversion of excess layer-forming process gas" by plasma-assisted surface reaction or vapor deposition outside the reaction area or "rinsing the first process area (supply area)" for preparing a pressure increase in the supply area referred to. The timing of the process steps takes place in cycle steps. It is according to the invention that due to the use of different ratios of flow and diffusion in the region of the so-called Knudsen flow, different process steps are combined to form a common cycle step or at least partially performed simultaneously. This allows extended functionality ALD processes with no cycle time extension, with cycle times between 0.5 and 1.5 seconds (per coating cycle) being preferred.

Anspruch 2 betrifft eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung, wobei die Pumpleistung eines Vakuumsystems konstant gehalten wird und die Erzeugung von Plasma im zweiten Prozessbereich erfolgt. Dabei wird die Plasmaerzeugung insbesondere während der Zufuhr eines aktivierbaren oder reaktiven Prozessgases durchgeführt. Die Formulierung „in Gegenwart” umfasst zusätzlich die Erzeugung von Plasma nach Zufuhr eines aktivierbaren oder reaktiven Prozessgases während dessen Verweilzeit im zweiten Prozessbereich.Claim 2 relates to a preferred embodiment of the invention, wherein the pumping power of a vacuum system is kept constant and the generation of plasma takes place in the second process area. The plasma generation is carried out in particular during the supply of an activatable or reactive process gas. The term "in the presence" additionally includes the generation of plasma after supply of an activatable or reactive process gas during its residence time in the second process area.

Die Ansprüche 3 bis 5 betreffen bevorzugte Ausgestaltungsformen insbesondere für ein „Remote Plasma Verfahren” mit kapazitiver Plasmakopplung, wobei die Zersetzung bzw. Umwandlung überschüssiger schichtbildender Prozessgase eine wesentliche Erweiterung des Funktionsumfanges bildet. Aufgrund des relativ zum ersten Prozessbereich (Reaktionsbereich) größeren und bevorzugt wesentlich größeren zweiten Prozessbereichs und der Wahl des Prozessdrucks im Übergangsbereich zwischen viskoser Strömung (Strömung mehrerer Prozessgasteilchen als Kontinuum (Kontinuumsströmung)) und molekularer Strömung (Strömung durch thermische Bewegung der einzelnen Prozessgasteilchen) kann bei guter Prozessführung eine Kontamination des Vakuumsystems durch schichtbildende Prozessgase vermieden werden. Dabei wird die Dauer eines Beschichtungszyklus gegenüber herkömmlichen Beschichtungsprozessen im Wesentlichen nicht verlängert, da die Zersetzung überschüssiger Prozessgases zumindest teilweise währen des Spülens des ersten Prozessbereichs (Reaktionsbereich) erfolgt.The claims 3 to 5 relate to preferred embodiments, in particular for a "remote plasma method" with capacitive plasma coupling, wherein the decomposition or conversion of excess layer-forming process gases forms a significant extension of the range of functions. Due to the relatively larger and preferably substantially larger second process area relative to the first process area (reaction area) and the choice of process pressure in the transition region between viscous flow (flow of multiple process gas particles as continuum (continuum flow)) and molecular flow (flow due to thermal movement of the individual process gas particles) good process control contamination of the vacuum system by layer-forming process gases are avoided. In this case, the duration of a coating cycle is essentially not prolonged compared with conventional coating processes, since the decomposition of excess process gas takes place at least partially during the rinsing of the first process region (reaction region).

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann auch derart formuliert werden, dass Prozessgasströmung von einem ersten Prozessbereich ohne Plasmaerzeugung über einen zweiten Prozessbereich mit Plasmaerzeugung in ein Vakuumsystem mit in Strömungsrichtung verlaufendem Druckabfall vorgesehen wird, wobei zumindest ein Substrat im ersten Prozessbereich angeordnet wird und Prozessdruck und Strömungsgeschwindigkeit derart gewählt werden, dass bei Plasmaerzeugung im zweiten Prozessbereich eine Radikalzufuhr durch Diffusion der Radikale entgegen der Strömungsrichtung oder seitlich zur Strömungsrichtung erfolgt.The embodiment according to the invention can also be formulated in such a way that process gas flow is provided from a first process area without plasma generation via a second process area with plasma generation into a vacuum system with a pressure drop running in the direction of flow, whereby at least one substrate is arranged in the first process area and process pressure and flow rate are selected in that in the case of plasma generation in the second process area a radical is supplied by diffusion of the radicals counter to the flow direction or laterally to the flow direction.

Die Ansprüche 6 und 7 betreffen eine bevorzugte Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere für ein direktes Plasmaverfahren mit induktiver Plasmakopplung bevorzugt für Batchbeschichtung mehrerer Substrate. Dabei entspricht der erste Prozessbereich nicht wie in vorangegangenen Ausführungsformen dem Reaktionsbereich, sondern einem Vorbereitungsbereich für Druckerhöhungen (Zufuhrbereich).The claims 6 and 7 relate to a preferred embodiment of the method according to the invention, in particular for a direct plasma process with inductive plasma coupling preferably for batch coating of multiple substrates. The first process area is not the same as in Previous embodiments, the reaction area, but a preparation area for pressure increases (supply area).

Bei der Zufuhr von Spülgas mit relativ zu anderen Prozessgasen hohem Massenfluss können schichtbildende oder reaktive Prozessgase durch Druckerhöhung im ersten Prozessbereich (Zufuhrbereich) in die Zufuhrleitungen zurückgedrängt werden, gegebenenfalls auch kondensieren und zusammen mit dem Spülgas langsam abgegeben werden, so dass keine optimale Spülwirkung erzielt wird. Erfindungsgemäß wird eine optimale Spülwirkung derart erreicht, dass der erste Prozessbereich (mit niedrigem Strömungsquerschnitt) zuerst mit geringem Massenfluss ohne wesentliche Druckerhöhung gespült wird, während das zu spülende (schichtbildende oder reaktive) Prozessgas im zweiten Prozessbereich durch Diffusion weiterhin zur Verfügung steht, und dass anschließend ein spülendes Prozessgas mit entsprechend höherem Massenfluss über den ersten Prozessbereich zum Spülen des zweiten Prozessbereiches zugeführt wird. Somit wird der erste Prozessbereich, der dem Zufuhrbereich der Prozessgase entspricht, bereits vor einer Druckerhöhung gespült, so dass keine schichtbildenden oder reaktiven Prozessgase im Zufuhrbereich vorliegen, die in die Zufuhrleitungen zurückgedrängt werden könnten, während der Prozessdruck im zweiten Prozessbereich aufgrund des großen Strömungsquerschnitts auch bei Zufuhr des spülenden Prozessgases in der Regel den Zufuhrdruck des schichtbildenden Prozessgases nicht übersteigt. Es wird ein zweifacher Massenfluss des spülenden Prozessgases relativ zum Massenfluss des aktivierbaren Prozessgases genannt, um einen wahrnehmbaren Spüleffekt durch das spülende Prozessgas zu erzielen. Bevorzugt wird das spülende Prozessgas jedoch mit mehr als fünffachem und besonders bevorzugt mit mehr als zehnfachem Massenfluss zugeführt.In the supply of purge gas with relative to other process gases high mass flow layer-forming or reactive process gases can be pushed back by pressure increase in the first process area (supply area) in the supply lines, optionally also condense and slowly released together with the purge gas, so that no optimal flushing effect is achieved , According to the invention, an optimum rinsing effect is achieved such that the first process area (with low flow cross-section) is first rinsed with low mass flow without significant pressure increase, while the process gas to be rinsed (layer-forming or reactive) is still available in the second process area by diffusion, and then a purging process gas is supplied with a correspondingly higher mass flow over the first process area for purging the second process area. Thus, the first process area, which corresponds to the supply area of the process gases, is already purged before an increase in pressure so that there are no layer-forming or reactive process gases in the supply area that could be forced back into the supply lines, while the process pressure in the second process area is also at Supply of the purging process gas usually does not exceed the supply pressure of the layer-forming process gas. It is called a two-fold mass flow of the purging process gas relative to the mass flow of the activatable process gas to achieve a noticeable rinsing effect by the purging process gas. Preferably, however, the purging process gas is supplied with more than five times and more preferably more than ten times the mass flow.

Bei PEALD Prozessen mit schichtbildenden sowie reaktiven Prozessgasen, die bereits ohne Plasmaerzeugung bei gegebenen Prozessbedingungen miteinander reaktiv sind, ist es besonders volteilhaft, dass die Zufuhr der Prozessgase in den ersten Prozessbereich (Zufuhrbereich) über zumindest zwei Zufuhrleitungen erfolgt, wobei eine der Zufuhrleitung für schichtbildende Prozessgase und die andere Zufuhrleitung für reaktive Prozessgase verwendet wird, und dass während der Zufuhr eines schichtbildenden oder eines reaktiven Prozessgases durch eine der Zufuhrleitungen, die jeweils andere Zufuhrleitung durch ein Leitungsspülgas mit niedrigem Massenfluss vor dem Eindringen des jeweiligen Prozessgases geschützt wird. Dabei ist es auch vorteilhaft, dass ein Leitungsspülgas, welches im Reaktionsbereich im Wesentlichen keine Funktion als Prozessgas erfüllt, mit niedrigem Massenfluss über die gesamte Dauer eines Beschichtungszyklus durch alle Zufuhrleitungen geleitet wird, die Prozessgase derart in die Zufuhrleitungen eingekoppelt werden, dass das Leitungsspülgas zusätzlich als Trägergas dient und vor Prozessdruckerhöhung Prozessgaszufuhrpausen vorgesehen sind, innerhalb derer der Zufuhrbereich (erster Prozessbereich) und die Zufuhrleitungen mit dem Leitungsspülgas gespült werden. Eine derartige Prozessgaszufuhr ist auch für ALD Verfahren ohne Plasmaerzeugung anwendbar und als Zufuhrverfahren für ALD Verfahren mit wechselndem Prozessdruck geeignet.In PEALD processes with layer-forming and reactive process gases, which are already reactive with each other without plasma generation at given process conditions, it is particularly volteilhaft that the supply of process gases in the first process area (supply area) via at least two supply lines, wherein one of the supply line for layer-forming process gases and the other feed line for reactive process gases is used, and that during the supply of a film-forming or a reactive process gas through one of the supply lines, the other supply line is protected by a low-flow line purging gas from penetrating the respective process gas. It is also advantageous that a pipeline purging gas, which essentially fulfills no function as a process gas in the reaction region, is conducted through all supply lines with low mass flow over the entire duration of a coating cycle, the process gases being coupled into the supply lines in such a way that the pipeline purging gas additionally acts as Carrier gas is used and before process pressure increase process gas supply pauses are provided, within which the supply area (first process area) and the supply lines are flushed with the line purging gas. Such a process gas supply is also applicable to ALD processes without plasma generation and suitable as a feed method for ALD process with changing process pressure.

Bei Verwendung aktivierbarer Prozessgase, die bei gegebenen Prozessbedingungen nur während der Erzeugung von Plasma reaktiv werden und im ersten Prozessbereich (Zufuhrbereich) nicht unmittelbar reaktiv sind, sondern spülende Eigenschaften haben, ist die oben genannte Zufuhr eines Leitungsspülgases für einzelne Zufuhrleitungen nicht erforderlich. Es ist bevorzugt, dass der erste Prozessbereich mit einem Massenfluss gespült wird, der einen lokalem Prozessgasdruck bildet, welcher dem lokalen Prozessgasdruck bei Zufuhr eines schichtbildenden Prozessgases im Wesentlichen entspricht und bevorzugt kleiner oder gleich, bei sehr niedrigem Prozessgasdruck des schichtbildenden Prozessgases gegebenenfalls jedoch auch größer gewählt wird. Dabei ist es vorteilhaft, dass der Prozessdruck bevorzugt im ersten Prozessbereich und besonders bevorzugt in der Zufuhrleitung für schichtbildende Prozessgase zyklusschrittabhängig überwacht wird, so dass der Mangel eines schichtbildenden Prozessgases auf einfache Weise unmittelbar detektierbar ist und das entsprechende Prozessgas in einer Beschichtungspause, ohne Abbruch des Beschichtungsprozesses ausgetauscht werden kann. Ebenfalls ist es vorteilhaft, dass der Prozessdruck im zweiten Prozessbereich oder bevorzugt im Abpumpbereich zyklusschrittabhängig überwacht und eine durch Druckanstieg detektierbare übermäßige Zufuhr schichtbildenden Prozessgases vermieden wird. Entsprechende Drucküberwachungen sind nicht nur in Bezug auf diese Ausgestaltung sondern auf die Erfindung im Allgemeinen anwendbar.When activatable process gases are used which become reactive only during the generation of plasma under given process conditions and are not directly reactive in the first process region (feed region) but have purging properties, the above-mentioned supply of a line purging gas to individual supply lines is not required. It is preferred that the first process area is purged with a mass flow which forms a local process gas pressure which substantially corresponds to the local process gas pressure when supplying a layer-forming process gas, and preferably less than or equal to it, but optionally also selected to be larger at very low process gas pressure of the layer-forming process gas becomes. It is advantageous that the process pressure in the first process area and particularly preferably in the supply line for layer-forming process gases is monitored cycle step-dependent, so that the lack of a layer-forming process gas can be detected directly in a simple manner and the corresponding process gas in a coating break, without interrupting the coating process can be exchanged. It is likewise advantageous that the process pressure in the second process area or preferably in the pumpdown area is monitored in a cycle-step-dependent manner and an excessive supply of layer-forming process gas detectable by pressure increase is avoided. Corresponding pressure controls are not only applicable in relation to this embodiment but on the invention in general.

Anspruch 8 betrifft eine Spezifizierung der Erfindung mittels Berechnung, wobei Mittel zur erfindungsgemäßen Auslegung von Prozessgasströmungen mit vorherrschender Diffusion oder vorherrschender Strömung genannt werden.Claim 8 relates to a specification of the invention by means of calculation, wherein means for the inventive design of process gas flows with predominant diffusion or prevailing flow are mentioned.

Entsprechend Anspruch 8 und o. g. Beispiel werden erhalten:
Für 10 cm3/min bei Standardbedingungen Gasdurchfluss und einem Prozessdruck von 0,001 mbar ist das Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit multipliziert mit der halben Zufuhrdauer ((4,6 m/s)2 × 0,5 × 0,3 s = 3,173 m2/s) kleiner dem Diffusionskoeffizienten mit 19 m2/s und es ist Diffusion mit hoher Verweildauer zugeführter Prozessgase vorherrschend.
According to claim 8 and the above example are obtained:
For 10 cm 3 / min at standard conditions of gas flow rate and a process pressure of 0.001 mbar, the square of the flow speed is multiplied by half the feed period ((4.6 m / s) 2 × 0.5 × 0.3 s = 3,173 m 2 / s ) is smaller than the diffusion coefficient of 19 m 2 / s and diffusion with high residence time of supplied process gases is predominant.

Für 100 cm3/min bei Standardbedingungen Gasdurchfluss ist bei einem Prozessdruck von 0,01 mbar das Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit multipliziert mit der halben Zufuhrdauer ((4,6 m/s)2 × 0,5 × 0,3 s = 3,173 m2/s) größer dem Diffusionskoeffizienten mit 1,9 m2/s und es ist Strömung mit spülenden Eigenschaften vorherrschend. For 100 cm 3 / min at standard conditions of gas flow at a process pressure of 0.01 mbar, the square of the flow speed is multiplied by half the feed period ((4.6 m / s) 2 × 0.5 × 0.3 = 3.173 m 2 s / s) greater than the diffusion coefficient of 1.9 m 2 / s and flow with purging properties is predominant.

Dieser Zusammenhang kann auch derart formuliert werden, dass Diffusion in einem Prozessbereich vorherrscht, wenn die Prozessbedingungen derart gewählt werden, dass die aus Massenfluss und Teilchendichte (Druck) eines Prozessgases ermittelbare mittlere Strömungsgeschwindigkeit multipliziert mit der Zufuhrdauer des Prozessgases eine Wegstrecke ergibt, die kleiner der mittleren Wegstrecke ist, die sich ein Prozessgasteilchen bei ruhendem Prozessgas und gleicher Teilchendichte (Druck) in einer der Zufuhrdauer entsprechenden Zeit durch thermische Bewegung (Diffusion) von seinem Ursprungsort entfernt. Und dass Strömung mit spülenden Eigenschaften vorherrscht, wenn die Prozessbedingungen derart gewählt werden, dass die aus Massenfluss und Teilchendichte (Druck) eines Prozessgases ermittelbare mittlere Strömungsgeschwindigkeit multipliziert mit der Zufuhrdauer des Prozessgases eine Wegstrecke ergibt, die größer der mittleren Wegstrecke ist, die sich ein Prozessgasteilchen bei ruhendem Prozessgas und gleicher Teilchendichte (Druck) in einer der Zufuhrdauer entsprechenden Zeit durch thermische Bewegung (Diffusion) von seinem Ursprungsort entfernt.This relationship can also be formulated such that diffusion prevails in a process area when the process conditions are chosen such that the average flow velocity determined from mass flow and particle density (pressure) of a process gas multiplied by the supply time of the process gas results in a distance that is smaller than the mean The distance is that a process gas particle at a stationary process gas and the same particle density (pressure) in a time corresponding to the supply time by thermal movement (diffusion) away from its place of origin. And that flow with purging properties predominates when the process conditions are selected such that the average flow velocity determined from mass flow and particle density (pressure) of a process gas multiplied by the supply time of the process gas results in a distance greater than the mean travel that a process gas particle with stationary process gas and same particle density (pressure) in a time corresponding to the supply time by thermal movement (diffusion) from its place of origin.

Aufgrund des gewählten Strömungsbereichs (Knudsen-Strömung) könnte „vorherrschende Strömung” auch als „vorherrschende viskose Strömung” bezeichnet werden, weil dem viskosen Strömungsanteil die besseren spülenden Eigenschaften zugesprochen werden und der viskose Strömungsanteil gegenüber dem molekularen Strömungsanteil mit steigendem Prozessdruck zunimmt. Da jedoch die mittlere Strömungsgeschwindigkeit aus dem Massenfluss und dem Strömungsquerschnitt bzw. der Teilchendichte ermittelt wird, gehen sowohl molekularer als auch viskoser Strömungsanteil in die Berechnung ein, so dass von „vorherrschender Strömung” gesprochen werden sollte. Vorherrschende Strömung bedeutet, dass bei gegebener Zufuhrdauer die Strömung gegenüber der Diffusion vorherrscht und die spülenden Eigenschaften überwiegen.Due to the selected flow regime (Knudsen flow), "prevailing flow" could also be referred to as "prevailing viscous flow" because the viscous flow fraction is attributed the better purging properties and the viscous flow fraction increases over the molecular flow fraction with increasing process pressure. However, since the mean flow velocity is determined from the mass flow and the flow cross section or the particle density, both molecular and viscous flow fraction are included in the calculation, so that should be spoken of "prevailing flow". Prevailing flow means that for a given supply time, the flow prevails over the diffusion and outweighs the purging properties.

Anspruch 9 betrifft eine Vorrichtung insbesondere für eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens nach einem der Ansprüche 3 bis 5.Claim 9 relates to a device, in particular for a preferred embodiment of the method according to one of claims 3 to 5.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:In the following, embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawing. Show it:

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Beschichtungszyklus bei Anordnung eines Substrates im ersten Prozessbereich 1 a schematic representation of a coating cycle according to the invention in the arrangement of a substrate in the first process area

2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung für ein Verfahren nach 1 2 a schematic representation of an apparatus for a method according to 1

3 eine schematische Darstellung einer weiteren Vorrichtung für ein Verfahren nach 1, 3 a schematic representation of another device for a method according to 1 .

4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Beschichtungszyklus bei Anordnung von Substraten im zweiten Prozessbereich, 4 a schematic representation of a coating cycle according to the invention in the arrangement of substrates in the second process area,

5 eine schematische Darstellung eines Verfahrens entsprechend 4 bei Zufuhr eines schichtbildenden und eines ohne Plasmaerzeugung reaktiven Prozessgases, 5 a schematic representation of a method accordingly 4 when supplying a layer-forming and a non-plasma reactive process gas,

6 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung für ein Beschichtungsverfahren nach 4 oder 5, 6 a schematic representation of an apparatus for a coating method according to 4 or 5 .

7 ein Element mit einem ersten Prozessbereich zur Prozessgaszufuhr und nachfolgender symmetrischer Strömungsquerschnittserweiterung, 7 an element with a first process area for process gas supply and subsequent symmetrical flow cross-sectional widening,

8 eine schematische Darstellung des Strömungsverlaufes innerhalb einer Vorrichtung entsprechend 6 und 7 und 8th a schematic representation of the flow path within a device accordingly 6 and 7 and

9 Reflexions- und Transmissionskurven von zwei bei direkter Plasmaeinwirkung erzeugten Silberschichten 9 Reflection and transmission curves of two silver layers generated by direct plasma exposure

In 1 sind in einer ersten Zeile die Prozessschritte innerhalb eines ersten Prozessbereiches und in der zweiten Zeile die Prozessschritte innerhalb eines zweiten Prozessbereiches dargestellt. Weiterhin wird durch die Buchstaben „S” und „D” dargestellt ob in dem jeweiligen Prozessschritt erfindungsgemäß Strömung (S) oder Diffusion (D) vorherrscht. Die zeitgleichen Prozessschritte beider Prozessbereiche bilden gemeinsam aufeinanderfolgende Zyklusschritte entsprechend der Nummerierung 1), 2) und 3).In 1 the process steps within a first process area are shown in a first line and the process steps within a second process area are shown in the second line. Furthermore, the letters "S" and "D" show whether flow (S) or diffusion (D) prevails in the respective process step according to the invention. The simultaneous process steps of both process areas together form successive cycle steps corresponding to the numbering 1), 2) and 3).

In den nachfolgenden Zeilen werden Prozessgasflüsse und zeitliche Platzierung der Plasmaerzeugung durch Rechtecke dargestellt. Bei den Prozessgasflüssen gibt die Rechteckhöhe niedrige und hohe Massenflüsse der Prozessgase an.In the following lines, process gas flows and temporal placement of the plasma generation are represented by rectangles. In the process gas flows, the rectangular height indicates low and high mass flows of the process gases.

Bei Anordnung zumindest eines Substrates in einem ersten Prozessbereich wird ein Beschichtungszyklus aus folgenden Zyklusschritten gelbildet, wobei der Beschichtungszyklus bis zum Erreichen einer gewünschten Schichtdicke wiederholt wird:

  • 1) Zuführen eines schichtbildenden Prozessgases A über den ersten Prozessbereich zur Adsorption auf einem im ersten Prozessbereich angeordnetem Substrat und Beenden der Zufuhr,
  • 2) Zuführen eines aktivierbaren Prozessgases B über den ersten Prozessbereich bei vorherrschender Strömung im ersten Prozessbereich und Spülen des Substrates bei zumindest teilweise gleichzeitiger Erzeugung von Plasma im zweiten Prozessbereich zur Zersetzung überschüssigen schichtbildenden Prozessgases A, wobei eine Diffusion von Radikalen in den ersten Prozessbereich durch die im ersten Prozessbereich vorherrschende Strömung reduziert oder im Wesentlichen gesperrt wird, und
  • 3) Zuführen eines aktivierbaren Prozessgases B bei derart reduziertem Massefluss durch den ersten Prozessbereich, dass Diffusion im ersten Prozessbereich vorherrscht und Erzeugen von Plasma im zweiten Prozessbereich mit vorherrschender Diffusion von Radikalen in den ersten Prozessbereich, so dass auf dem Substrat adsorbiertes schichtbildendes Prozessgas A in eine Schicht umgewandelt wird, wobei bevorzugt der reduzierte Anteil des Massenflusses von Prozessgas B umgelenkt und dem zweiten Prozessbereich direkt zugeführt wird.
When arranging at least one substrate in a first process area, a coating cycle is formed from the following cycle steps, wherein the coating cycle is repeated until a desired layer thickness is reached:
  • 1) supplying a layer-forming process gas A via the first process area for adsorption on a substrate arranged in the first process area and terminating the feed,
  • 2) supplying an activatable process gas B over the first process area at prevailing flow in the first process area and rinsing the substrate at least partially simultaneous generation of plasma in the second process area to decompose excess layer-forming process gas A, wherein a diffusion of radicals in the first process area by the in first process area prevailing flow is reduced or substantially blocked, and
  • 3) supplying an activatable process gas B at such reduced mass flow through the first process area that diffusion prevails in the first process area and generating plasma in the second process area with prevailing diffusion of radicals into the first process area, so that adsorbed on the substrate layer-forming process gas A in a Layer is converted, wherein preferably the reduced portion of the mass flow of process gas B is deflected and fed directly to the second process area.

Die Erzeugung von Plasma im zweiten Zyklusschritt 2) beginnt dabei bevorzugt um einen Initiierungszeitraum 7 verzögert zum Zufuhrbeginn des aktivierbaren Prozessgases B, so dass im ersten Prozessbereich bei Plasmabeginn bereits Strömung vorherrscht.The generation of plasma in the second cycle step 2) preferably begins by an initiation period 7 delayed to the start of supply of the activatable process gas B, so that in the first process area at the beginning of the plasma already prevails flow.

2 und 3 betreffen Ausgestaltungen der Erfindung im Wesentlichen entsprechend Anspruch 9. 2 and 3 Embodiments of the invention substantially according to claim 9.

2 zeigt einen als Hohlelektrode 50 ausgestalteten ersten Prozessbereich 100, welcher mit RF-Leistung 70 beaufschlagbar ist, während die Prozesskammer 300 eine geerdete Gegenelektrode darstellt und gleichzeitig den zweiten Prozessbereich 200 bildet. Die Hohlelektrode 50 ist mit gasdurchlässigen Öffnungen 55 für den Durchfluss von Prozessgasen 10, 20 ausgestattet. Ein Substrat 40 ist innerhalb der Hohlelektrode 50 angeordnet. Die Zufuhr der Prozessgase 10, 20 erfolgt insbesondere über die Hohlelektrode 50. In bevorzugter Ausgestaltung sind Mittel zur Strömungsumleitung 25 eines Anteils des aktivierbaren Prozessgases 20 direkt in den zweiten Prozessbereich (Plasmabereich) 200 vorgesehen, während die Zufuhr des schichtbildenden Prozessgases 10 ausschließlich über den ersten Prozessbereich (Reaktionsbereich) 100 vorgesehen ist. Der umzulenkende Anteil des aktivierbaren Prozessgases 20 kann vom Fachmann durch geeignete Wahl der Strömungsquerschnitte oder Verwendung von Drosselelementen eingestellt werden. 2 shows one as a hollow electrode 50 designed first process area 100 , which with RF power 70 can be acted upon while the process chamber 300 represents a grounded counter electrode and simultaneously the second process area 200 forms. The hollow electrode 50 is with gas-permeable openings 55 for the flow of process gases 10 . 20 fitted. A substrate 40 is inside the hollow electrode 50 arranged. The supply of process gases 10 . 20 takes place in particular via the hollow electrode 50 , In a preferred embodiment, means for flow diversion 25 a portion of the activatable process gas 20 directly into the second process area (plasma area) 200 provided during the supply of the layer-forming process gas 10 exclusively via the first process area (reaction area) 100 is provided. The diverted portion of the activatable process gas 20 can be adjusted by the skilled person by suitable choice of the flow cross sections or use of throttle elements.

Durch Anpassung von Größe und Anzahl der Öffnungen 55 ist zusätzlich zum Einfluss der Strömungsquerschnitte der Prozessbereiche 100, 200 die Druckdifferenz zwischen den beiden Prozessbereichen 100 und 200 einstellbar. Bei gegenüber dem Strömungsleitwert (Strömungsquerschnitt) des ersten Prozessbereichs 100 reduziertem Strömungsleitwert der Summe der Öffnungen 55 kann Diffusion in Richtung des Substrates auch bei relativ kleinem Massenfluss im Wesentlichen gesperrt werden, während bei größerem Leitwert überwiegend das Verhältnis zwischen Diffusion und spülender Strömung geregelt wird, so dass Strömung oder Diffusion vorherrscht. Das Abpumpen der Prozessgase 10, 20 erfolgt über den zweiten Prozessbereich 200 mittels eines nicht dargestellten Vakuumsystems durch eine Abpumpöffnung 31. Es ist ein elektrisch isolierendes Verbindungselement 90 zwischen geerdeter Prozesskammer 300 und Hohlelektrode 50 vorgesehen, wobei die Beheizung der Hohlelektrode 50 bevorzugt über die Erzeugung von Plasma erfolgt. Dabei ist es vorteilhaft, dass die Plasmaerzeugung innerhalb gleicher Beschichtungszyklen während vorherrschender Diffusion im ersten Reaktionsbereich 100 konstant gehalten und nur bei vorherrschender Strömung im ersten Prozessbereich 100 zur Temperaturregelung verändert wird, so dass Zufuhrlänge und Art der zugeführten Radikale im Beschichtungsverlauf für gleiche Beschichtungszyklen im Wesentlichen gleich bleibt.By adjusting the size and number of openings 55 is in addition to the influence of the flow cross sections of the process areas 100 . 200 the pressure difference between the two process areas 100 and 200 adjustable. With respect to the Strömungsleitwert (flow cross-section) of the first process area 100 reduced Strömungsleitwert the sum of the openings 55 For example, diffusion in the direction of the substrate can be essentially blocked even with a relatively small mass flow, whereas with larger conductance the ratio between diffusion and purging flow is predominantly regulated so that flow or diffusion predominates. The pumping out of the process gases 10 . 20 takes place via the second process area 200 by means of a vacuum system, not shown, through a pump-down opening 31 , It is an electrically insulating connection element 90 between grounded process chamber 300 and hollow electrode 50 provided, wherein the heating of the hollow electrode 50 preferably takes place via the generation of plasma. It is advantageous that the plasma generation within the same coating cycles during prevailing diffusion in the first reaction region 100 kept constant and only at prevailing flow in the first process area 100 is changed for temperature control, so that supply length and type of radicals supplied in the coating process for the same coating cycles remains substantially the same.

Die Strömungsrichtung zwischen erstem Prozessbereich 100 und zweitem Prozessbereich 200 durch Öffnungen 55 ist durch Strömungspfeile dargestellt, wobei prozessabhängig in zumindest einem Zyklusschritt auch eine Diffusion entgegen der Strömungsrichtung vorgesehen ist.The flow direction between the first process area 100 and second process area 200 through openings 55 is represented by flow arrows, wherein process-dependent in at least one cycle step, a diffusion opposite to the flow direction is provided.

3 entspricht im Wesentlichen 2, mit dem Unterschied, dass die Hohlelektrode 50 geerdet ist und eine mit Hochfrequenzleistung 70 beaufschlagbare Gegenelektrode 60 im zweiten Prozessbereich 200 angeordnet ist. Hierdurch lassen sich die Eigenschaften des Plasmas verändern und es kann auf ein elektrisch isolierendes Verbindungselement (90) entsprechend 2 verzichtet werden, so dass eine Beheizung des Substrates 40 auch direkt über ein geerdetes Heizelement 95 realisierbar ist. Auch bei dieser Ausgestaltung der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass der erste Prozessbereich 100 mit Ausnahme der Prozessgaszufuhr thermisch von der Prozesskammer getrennt ist, so dass nicht die gesamte Prozesskammer auf Prozesstemperatur aufgeheizt werden muss. 3 essentially corresponds 2 , with the difference that the hollow electrode 50 is grounded and one with high frequency power 70 act on counter electrode 60 in the second process area 200 is arranged. In this way, the properties of the plasma can be changed and it can be applied to an electrically insulating connecting element ( 90 ) corresponding 2 be dispensed with, so that heating of the substrate 40 also directly via a grounded heating element 95 is feasible. Also in this embodiment of the invention, it may be advantageous that the first process area 100 with the exception of the process gas supply is thermally separated from the process chamber, so that not the entire process chamber must be heated to process temperature.

In 4 ist ein Beschichtungszyklus mit 4 Zyklusschritten entsprechend einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung schematisch dargestellt. In einer ersten Zeile werden die Prozessschritte innerhalb eines ersten Prozessbereiches (Zufuhrbereich) und in der zweiten Zeile die Prozessschritte innerhalb eines zweiten Prozessbereiches (Reaktionsbereich) dargestellt. Weiterhin wird durch die Buchstaben „S” und „D” dargestellt, ob in dem jeweiligen Prozessschritt erfindungsgemäß Strömung (S) oder Diffusion (D) vorherrscht. Die zeitgleichen Prozessschritte beider Prozessbereiche bilden gemeinsam aufeinanderfolgende Zyklusschritte entsprechend der Nummerierung 1), 2), 3) und 4).In 4 a coating cycle with 4 cycle steps according to a further embodiment of the invention is shown schematically. In a first line, the process steps within a first process area (feed area) and in the second line the process steps within a second process area (reaction area) are shown. Furthermore, the letters "S" and "D" show whether in the respective process step flow (S) or diffusion (D) prevails according to the invention. The simultaneous process steps of both process areas together form successive cycle steps corresponding to the numbering 1), 2), 3) and 4).

In der nachfolgenden Zeile werden die Prozessgasflüsse dargestellt, wobei die Rechteckhöhe niedrige und hohe Massenflüsse der Prozessgase anzeigt. Die dargestellte Ausführungsform entspricht im Wesentlichen Anspruch 7. Im Gegensatz zu bekannten Verfahren wird der Reaktionsbereich (zweiter Prozessbereich) nicht durch Zufuhr des aktivierbaren Prozessgases B, sondern erst bei zusätzlicher Zufuhr des spülenden Prozessgases S gespült. Dieses wird bevorzugt als Inertgas gewählt, da hierdurch die Verwendung für beliebige Prozessgase möglich ist und somit der Spülschritt für den zweiten Prozessbereich prozessunabhängig für beliebige Prozesse fest eingestellt werden kann. Dabei ist eine gleichzeitige Zufuhr des aktivierbaren Prozessgases B mit dem spülenden Prozessgas S nicht zwingend erforderlich, verringert jedoch die Schalthäufigkeit des entsprechenden Ventils um zwei Schaltungen je Beschichtungszyklus und die Strömung des aktivierbaren Prozessgases B ist bei Plasmaerzeugung bereits initiiert und gleichmäßig. Als spülendes Prozessgas wird bevorzugt Argon verwendet.The following line shows the process gas flows, with the rectangular height indicating low and high mass flows of the process gases. The illustrated embodiment essentially corresponds to claim 7. In contrast to known methods, the reaction area (second process area) is not rinsed by supplying the activatable process gas B, but only with additional supply of the purging process gas S. This is preferably selected as the inert gas, since this makes it possible to use it for any desired process gases, and thus the purging step for the second process region can be set fixed independently of process for any desired processes. In this case, a simultaneous supply of the activatable process gas B with the purging process gas S is not absolutely necessary, but reduces the switching frequency of the corresponding valve by two circuits per coating cycle and the flow of activatable process gas B is already initiated and uniform in plasma generation. Argon is preferably used as the purging process gas.

Bei Anordnung zumindest eines Substrates in einem zweiten Prozessbereich wird ein Beschichtungszyklus aus folgenden Zyklusschritten gelbildet, wobei der Beschichtungszyklus bis zum Erreichen einer gewünschten Schichtdicke wiederholt wird:

  • 1) Zuführen eines schichtbildenden Prozessgases A mit relativ zu einem spülenden Prozessgas S niedrigem Massenfluss bevorzugt über den ersten Prozessbereich in den zweiten Prozessbereich zur Adsorption auf einem oder mehreren Substraten im zweiten Prozessbereich und Beenden der Zufuhr des schichtbildenden Prozessgases A,
  • 2) Zuführen eines aktivierbaren Prozessgases B mit relativ zum spülenden Prozessgas S niedrigem Massenfluss über den ersten Prozessbereich zum Spülen des ersten Prozessbereiches bei zumindest teilweise fortgesetzter Verweildauer des zugeführten schichtbildenden Prozessgas A im zweiten Prozessbereich durch vorherrschende Diffusion,
  • 3) Zuführen eines spülenden Prozessgases S mit relativ zu den anderen Prozessgasen A, B hohem Massenfluss über den ersten Prozessbereich zum Spülen der Substrate im zweiten Prozessbereich, wobei bevorzugt die Zufuhr des aktivierbaren Prozessgases B mit relativ zum spülenden Prozessgas S niedrigem Massenfluss beibehalten wird, und Beenden der Zufuhr des spülenden Prozessgases S, und
  • 4) Zuführen eines aktivierbaren Prozessgases B mit relativ zum spülenden Prozessgas S niedrigem Massenfluss über den ersten Prozessbereich und Erzeugung von Plasma im zweiten Prozessbereich, so dass auf dem Substrat adsorbiertes schichtbildendes Prozessgas in eine Schicht umgewandelt wird und Beenden von Plasmaerzeugung und Zufuhr des aktivierbaren Prozessgases B,
wobei als spülendes Prozessgas mit hohem Massenfluss bevorzugt ein Inertgas (Edelgas) verwendet wird.When arranging at least one substrate in a second process area, a coating cycle is formed from the following cycle steps, wherein the coating cycle is repeated until a desired layer thickness has been reached:
  • 1) supplying a layer-forming process gas A with a low mass flow relative to a purging process gas S preferably via the first process area into the second process area for adsorption on one or more substrates in the second process area and terminating the supply of the layer-forming process gas A,
  • 2) supplying an activatable process gas B with a low mass flow relative to the purging process gas S via the first process area for purging the first process area with at least partially continued dwell time of the supplied layer-forming process gas A in the second process area due to prevailing diffusion,
  • 3) feeding a purging process gas S relative to the other process gases A, B high mass flow over the first process area for purging the substrates in the second process area, wherein preferably the supply of the activatable process gas B is maintained relative to the purging process gas S low mass flow, and Terminating the supply of the purging process gas S, and
  • 4) supplying an activatable process gas B with low mass flow relative to the purging process gas S over the first process area and generating plasma in the second process area, so that layer-forming process gas adsorbed on the substrate is converted into a layer and terminating plasma generation and supplying the activatable process gas B .
wherein an inert gas (noble gas) is preferably used as the high-mass-flow purging process gas.

In 5 ist ein Beschichtungszyklus entsprechend 4 jedoch mit insgesamt 6 Zyklusschritten dargestellt. Dieser Beschichtungszyklus ist insbesondere zur Verwendung eines reaktiven Prozessgases anstelle eines aktivierbaren Prozessgases geeignet und ermöglicht grundsätzlich auch ALD Beschichtungsprozesse ohne Plasmaerzeugung bei variablem Prozessdruck. Die Darstellung entspricht 4. wobei jedoch auf Angabe der jeweiligen Prozessgasströmung verzichtet wurde, da diese sich analog zu 4 ergeben.In 5 is a coating cycle accordingly 4 but shown with a total of 6 cycle steps. This coating cycle is particularly suitable for use of a reactive process gas instead of an activatable process gas and basically also allows ALD coating processes without plasma generation at variable process pressure. The representation corresponds 4 , However, it was waived to specify the respective process gas flow, since this is analogous to 4 result.

Bei Anordnung zumindest eines Substrates in einem zweiten Prozessbereich wird ein Beschichtungszyklus aus folgenden Zyklusschritten gelbildet:

  • 1) Zuführen eines schichtbildenden Prozessgases A mit relativ zu einem spülenden Prozessgas S niedrigem Massenfluss bevorzugt über den ersten Prozessbereich in den zweiten Prozessbereich zur Adsorption auf einem oder mehreren Substraten im zweiten Prozessbereich sowie Zuführen eines Leitungsspülgases S* zumindest über die Zufuhrleitung eines reaktiven Prozessgases C mit relativ zu einem spülenden Prozessgas S niedrigem Massenfluss und Beenden der Zufuhr des schichtbildenden Prozessgases,
  • 2) Zuführen des Leitungsspülgases S* mit relativ zum spülenden Prozessgas S niedrigem Massenfluss über beide Zufuhrleitungen in den ersten Prozessbereich zum Spülen des ersten Prozessbereiches bei zumindest teilweise fortgesetzter Verweildauer des zugeführten schichtbildenden Prozessgas A im zweiten Prozessbereich durch vorherrschende Diffusion,
  • 3) Zuführen eines spülenden Prozessgases S mit relativ zu den anderen Prozessgasen A, C und dem Leitungsspülgas S* hohem Massenfluss zum Spülen der Substrate im zweiten Prozessbereich, wobei bevorzugt die Zufuhr des Leitungsspülgases S* mit relativ zum spülenden Prozessgas S niedrigem Massenfluss über zumindest eine Zufuhrleitung beibehalten wird, und Beenden der Zufuhr des spülenden Prozessgases S
  • 4) Zuführen eines reaktiven Prozessgases C mit relativ zum spülenden Prozessgas S niedrigem Massenfluss über den ersten Prozessbereich und Erzeugung von Plasma im zweiten Prozessbereich, so dass auf dem Substrat adsorbiertes schichtbildendes Prozessgas A in eine Schicht umgewandelt wird, sowie Zuführen eines Leitungsspülgases S* zumindest über die Zufuhrleitung des schichtbildenden Prozessgases A mit relativ zu dem spülenden Prozessgas S niedrigem Massenfluss und Beenden von Plasmaerzeugung und der Zufuhr des reaktiven Prozessgases C,
  • 5) Zuführen des Leitungsspülgases S* mit relativ zum spülenden Prozessgas S niedrigem Massenfluss über beide Zufuhrleitungen in den ersten Prozessbereich zum Spülen des ersten Prozessbereiches bei zumindest teilweise fortgesetzter Verweildauer des zugeführten reaktiven Prozessgas C im zweiten Prozessbereich durch Diffusion,
  • 6) Zuführen eines spülenden Prozessgases S mit relativ zu den anderen Prozessgasen A, C und dem Leitungsspülgas S* hohem Massenfluss zum Spülen der Substrate im zweiten Prozessbereich, wobei bevorzugt die Zufuhr des Leitungsspülgases S* mit relativ zum spülenden Prozessgas S niedrigem Massenfluss über zumindest eine Zufuhrleitung beibehalten wird, und Beenden der Zufuhr des spülenden Prozessgases S,
wobei bevorzugt das spülende Prozessgas S sowie das Leitungsspülgas S* als Inertgas gewählt werden und besonders bevorzugt als Leitungsspülgas S* Helium und als spülendes Prozessgas S Argon verwendet wird.When arranging at least one substrate in a second process area, a coating cycle is formed from the following cycle steps:
  • 1) supplying a layer-forming process gas A with relative to a purging process gas S low mass flow preferably over the first process area in the second process area for adsorption on one or more substrates in the second process area and supplying a Leitungsspülgases S * at least via the supply line of a reactive process gas C with relative to a purging process gas S low mass flow and terminating the supply of the layer-forming process gas,
  • 2) supplying the pipeline flushing gas S * with low mass flow via both supply lines into the first process area for purging the first process area with at least partially continued dwell time of the supplied layer-forming process gas A in the second process area due to prevailing diffusion,
  • 3) feeding a purging process gas S with relative to the other process gases A, C and the line purging gas S * high mass flow for purging the substrates in the second process area, wherein preferably the supply of the line purging gas S * relative to the purging process gas S low mass flow over at least one Maintaining supply line is maintained, and stopping the supply of the purging process gas S
  • 4) supplying a reactive process gas C with low mass flow relative to the purging process gas S over the first process area and generation of plasma in the second process area, so that on the substrate adsorbed layer-forming process gas A is converted into a layer, as well as supplying a Leitungsspülgases S * over the supply line of the layer-forming process gas A with relative to the purging process gas S low mass flow and termination of plasma generation and the supply of the reactive process gas C,
  • 5) supplying the pipeline flushing gas S * with low mass flow via both supply lines into the first process area for purging the first process area with at least partially continued dwell time of the supplied reactive process gas C in the second process area by diffusion,
  • 6) feeding a purging process gas S with relative to the other process gases A, C and the line purging gas S * high mass flow for purging the substrates in the second process area, wherein preferably the supply of Leitungsspülgases S * relative to the purging process gas S low mass flow over at least one Supply line is maintained, and stopping the supply of the purging process gas S,
wherein preferably the purging process gas S and the line purging gas S * are selected as the inert gas and is particularly preferably used as a line purging gas S * helium and as a purging process gas S argon.

Inertgase sind für beliebige Prozesse verwendbar, da sie unabhängig von der Wahl eines reaktiven oder eines schichtbildenden Prozessgases mit diesem unreaktiv sind.Inert gases can be used for any process, since they are unreactive with the choice of a reactive or a layer-forming process gas.

Dabei ist Helium als Trägergas sehr gut geeignet und hat bei Plasmaerzeugung einen sehr geringen Einfluss auf die Schichtbildung, während Argon aufgrund seines hohen Molgewichts sehr gute Spüleigenschaften aufweist.In this case, helium is very well suited as a carrier gas and has a very small influence on the formation of layers during plasma generation, while argon has very good rinsing properties owing to its high molecular weight.

Als reaktives Prozessgas C sind alle Prozessgase erfindungsgemäß, die mit einem jeweiligen schichtbildenden Prozessgas A mit oder ohne Plasmaerzeugung eine Schicht bilden. Insbesondere bevorzugt sind reaktive Prozessgase C, die durch Verdampfen von Wasser, Ameisensäure, Oxalsäure oder Ammoniumformiat gebildet werden.As reactive process gas C are all process gases according to the invention, which form a layer with a respective layer-forming process gas A with or without plasma generation. Particularly preferred are reactive process gases C, which are formed by evaporation of water, formic acid, oxalic acid or ammonium formate.

6 zeigt eine Prozesskammer zur Beschichtung mehrerer Substrate entsprechend eines Verfahrens insbesondere nach Anspruch 6. Durch Austrittsöffnungen 43 eines Elements zur Strömungsquerschnittserweiterung sind Prozessgase einem zweiten Prozessbereich 201 (Reaktionsbereich) zuführbar, der durch ein rohrförmiges Antennenelement 501 zur Einkopplung von Hochfrequenzleistung begrenzt ist und sich in einer Reaktionskammer 301 befindet. Dabei ist der zweite Prozessbereich 201 aufgrund der Anordnung der Austrittsöffnungen 43 und der Begrenzung durch das Antennenelement 501 von Prozessgasen gleichmäßig durchströmbar und insbesondere zur gleichzeitigen Aufnahme und Beschichtung mehrerer Substrate geeignet. Substrate und Substrathalterungen (vorzugsweise aus dielektrischem Material) sind nicht dargestellt und bevorzugt so anzuordnen, dass weiterhin ein gleichmäßiges Durchströmen des zweiten Prozessbereiches 201 gewährleistet ist. Zur Verbesserung der Strömungsführung sind Isolationselemente 91 und 92 vorgesehen. Das Antennenelement 501 entspricht einer Spule mit einer Windung und wird in einen Hochfrequenz-Schwingkreis über die beiden Spulenenden durch zwei Durchführungen 51 und 52 eingebunden. Optional ist ein Erdungspunkt 53 in der Mitte der Spule vorgesehen. Dabei ist die Temperatur des Antennenelements 501 bevorzugt entweder über die beiden Durchführungen 51,52 oder den Erdungspunkt 53 regelbar. 6 shows a process chamber for coating a plurality of substrates according to a method in particular according to claim 6. Through outlet openings 43 of an element for flow cross-sectional widening process gases are a second process area 201 (Reaction area) fed through a tubular antenna element 501 is limited to the coupling of high frequency power and in a reaction chamber 301 located. This is the second process area 201 due to the arrangement of the outlet openings 43 and the boundary by the antenna element 501 Of process gases can be flowed through evenly and in particular suitable for simultaneous recording and coating of multiple substrates. Substrates and substrate holders (preferably of dielectric material) are not shown and preferably to be arranged such that furthermore a uniform flow through the second process area 201 is guaranteed. To improve the flow guidance are insulation elements 91 and 92 intended. The antenna element 501 corresponds to a coil with one turn and is transformed into a high-frequency resonant circuit via the two coil ends through two feedthroughs 51 and 52 involved. Optional is a grounding point 53 provided in the middle of the coil. Here is the temperature of the antenna element 501 preferably either via the two feedthroughs 51 . 52 or the grounding point 53 adjustable.

Die Reaktionskammer 301 ist über eine möglichst symmetrisch zum Reaktionsbereich 501 angeordnete Abpumpöffnung 31 evakuierbar, wobei auch mehrere Abpumpöffnungen vorgesehen sein können. Es ist eine Kammertür vorgesehen, die den Blick in die Reaktionskammer 301 versperren würde und daher nicht dargestellt wurde. Zur Erhöhung der Plasmadichte ist ein stationäres Magnetfeld 71 vorgesehen, welches bevorzugt senkrecht zur Strömungsrichtung symmetrisch durch den zweiten Prozessbereich (Reaktionsbereich) 201 verläuft und bevorzugt durch geeignete Anordnung von Helmholzspulen zur Erzeugung von Elektron-Zyklotron-Resonanz (oder auch Ionen-Zyklotron-Resonanz) in seiner Feldstärke regelbar ausgeführt ist. Der erste Prozessbereich 101 ist in 6 nicht dargestellt und aus der zugehörigen 7 ersichtlich. 7 zeigt ein Element zur Strömungsquerschnittserweiterung 401 mit Austrittsöffnungen 43, Prozessgaszufuhröffnungen (Zufuhrleitungen) 41 und 42 und einen ersten Prozessbereich (Zufuhrbereich) 101. Der Strömungsweg der Prozessgase wird durch Strömungspfeile schematisch dargestellt, wobei Punkte den Pfeilspitzen einer Strömung senkrecht zur Darstellungsebene entsprechen. Prozessgasströmung durch die mittig angeordnete Zufuhrleitung 41 verläuft durch den ersten Prozessbereich 101 (Zufuhrbereich) und wird symmetrisch auf die Austrittsöffnungen 43 aufgeteilt, und strömt aus diesen in einen in 6 dargestellten zweiten Prozessbereich 201. Prozessgasströmung durch die andere Zufuhrleitung 42 wird ebenfalls über den ersten Prozessbereich symmetrisch auf die Austrittsöffnungen 43 aufgeteilt, wobei im Zufuhrbereich 101 jedoch eine Strömungslenkung mittels eines Strömungslenkelements 81 in Richtung der Austrittsöffnungen 43 vorgesehen ist und Strömung in Richtung der mittig angeordneten Zufuhrleitung 41 reduziert wird.The reaction chamber 301 is about as symmetrical as possible to the reaction area 501 arranged Abpumpöffnung 31 be evacuated, with several Abpumpöffnungen can be provided. There is a chamber door provided, which looks into the reaction chamber 301 would block and therefore was not shown. To increase the plasma density is a stationary magnetic field 71 provided, which preferably symmetrically to the flow direction through the second process area (reaction area) 201 runs and is preferably carried out by suitable arrangement of Helmholz coils for generating electron cyclotron resonance (or ion cyclotron resonance) in its field strength controllable. The first process area 101 is in 6 not shown and from the associated 7 seen. 7 shows an element for flow cross-sectional widening 401 with outlet openings 43 , Process gas supply openings (supply lines) 41 and 42 and a first process area (feed area) 101 , The flow path of the process gases is represented schematically by flow arrows, wherein points correspond to the arrowheads of a flow perpendicular to the representation plane. Process gas flow through the centrally arranged supply line 41 passes through the first process area 101 (Feed area) and is symmetrical to the outlet openings 43 divided, and flows from these into one 6 illustrated second process area 201 , Process gas flow through the other supply line 42 is also symmetrical over the first process area on the outlet openings 43 split, being in the feed area 101 However, a flow control means a flow steering element 81 in the direction of the outlet openings 43 is provided and flow in the direction of the centrally disposed supply line 41 is reduced.

Bevorzugt wird entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach 5 ein schichtbildendes Prozessgas A durch die mittig angeordnete Zufuhrleitung 41 zugeführt, während die andere Zufuhrleitung 42 mit einem Leitungsspülgas S* gespült wird. Die Zufuhr eines reaktiven Prozessgases C wird über die andere Zufuhrleitung 42 vorgenommen, während die mittig angeordnete Zufuhrleitung 41 mit einem Leitungsspülgas S* gespült wird. Zumindest während der Zyklusschritte zum Spülen des ersten Prozessbereiches 101, bevorzugt jedoch während des gesamten Beschichtungszyklus wird Leitungsspülgas S* durch beide Zufuhrleitungen 41, 42 zugeführt. Der zweite Prozessbereich 201 wird bevorzugt über die Zufuhrleitung 42 mit Strömungsweg über das Strömungslenkelement 81 mit einem spülenden Prozessgas S gespült. Bei einem Verfahren nach einem Ausführungsbeispiel entsprechend 4 ist die mittig angeordnete Zufuhrleitung 41 ausreichend und es kann auf die andere Zufuhrleitung 42 und den Strömungsweg mit Strömungslenkelement 81 verzichtet werden, da das schichtbildende Prozessgas A und das aktivierbare Prozessgas B bei geeigneten Prozessbedingungen nur im zweiten Prozessbereich 201 bei Plasmaerzeugung miteinander reagieren und die Zufuhr in den ersten Prozessbereich 101 ohne Trennung der Strömungswege erfolgen kann. Dabei ist vorgesehen, dass die Einkopplung der schichtbildenden Prozessgase A in die Zufuhrleitung 41 derart zwischen erstem Prozessbereich 101 und Einkoppelbereich der Prozessgase mit spülenden Eigenschaften B, S erfolgt, dass zumindest bei Zufuhr des aktivierbaren Prozessgases B die gesamte Zufuhrleitung 41 gespült wird.Preferably, according to the embodiment according to 5 a layer-forming process gas A through the centrally arranged supply line 41 fed while the other supply line 42 is purged with a line purge S *. The supply of a reactive process gas C is via the other supply line 42 made while the centrally located supply line 41 is purged with a line purge S *. At least during the cycle steps for purging the first process area 101 but preferably throughout the coating cycle, line purge S * is through both supply lines 41 . 42 fed. The second process area 201 is preferred over the supply line 42 with flow path over the flow deflecting element 81 flushed with a purging process gas S. In a method according to an embodiment according to 4 is the centrally located supply line 41 sufficient and it can be on the other supply line 42 and the flow path with flow-directing element 81 be omitted because the layer-forming process gas A and the activatable process gas B under suitable process conditions only in the second process area 201 when plasma generation react with each other and the feed into the first process area 101 Can be done without separation of the flow paths. It is provided that the coupling of the layer-forming process gases A in the supply line 41 so between the first process area 101 and coupling region of the process gases with purging properties B, S, that at least when supplying the activatable process gas B, the entire supply line 41 is rinsed.

Die Temperatur der Substrate wird bevorzugt durch die zugeführte Plasmaleistung geregelt. Dies erfolgt bevorzugt dadurch, dass zwischen einer Schichtbildungsreaktion durch Plasmaerzeugung und erneuter Zufuhr eines schichtbildenden Prozessgases ein temperaturregelndes Prozessgas zugeführt und während der Zufuhr im Reaktionsbereich Plasma erzeugt wird wobei der Plasmaenergieeintrag des nicht schichtbildenden Plasmas im Beschichtungsverlauf zur Regelung der Substratoberflächentemperatur verändert wird, und wobei entweder der Plasmaenergieeintrag mit fortschreitendem Beschichtungsverlauf verringert und die Substratoberflächentemperatur im Wesentlichen konstant gehalten wird oder mittels Temperaturmessung eines Substrates oder eines repräsentativen Bereiches im Reaktionsbereich die Substrattemperatur durch einen geschlossenem Regelkreis gesteuert wird, während Plasmaleistung und Plasmadauer des schichtbildenden Plasmas nicht in Abhängigkeit vom Beschichtungsverlauf verändert werden. Dabei wird als temperaturregelndes Prozessgas bevorzugt Helium gewählt, da dieses einen sehr geringen Einfluss auf die Schichtbildung hat. Das temperaturregelnde Prozessgas kann aber auch als aktivierbares oder reaktives Prozessgas gewählt werden, wobei die Plasmalänge nach erfolgter Schichtbildungsreaktion verändert und eine Mindestzeit zur Schichtbildung beibehalten wird.The temperature of the substrates is preferably controlled by the supplied plasma power. This preferably takes place in that a temperature-regulating process gas is supplied between a layer-forming reaction by plasma generation and renewed supply of a layer-forming process gas and plasma is generated during the feed in the plasma reaction region, the plasma energy input of the non-coating plasma being changed in the course of the coating to control the substrate surface temperature, and either the Reduces plasma energy input as the coating progresses, and the substrate surface temperature is kept substantially constant or by temperature measurement of a substrate or a representative region in the reaction region, the substrate temperature is controlled by a closed loop, while plasma power and plasma duration of the layering plasma are not changed depending on the coating process. In this case, helium is preferably chosen as the temperature-regulating process gas, since this has a very small influence on the layer formation. However, the temperature-regulating process gas can also be selected as an activatable or reactive process gas, wherein the plasma length is changed after the layer formation reaction has taken place and a minimum time for layer formation is maintained.

8 zeigt anhand der Strömungssimulation einer Vorrichtung entsprechend 6 und 7, dass der gesamte zweite Prozessbereich 201, welcher dem Reaktionsbereich entspricht und zur Aufnahme von Substraten vorgesehen ist, über den ganzen Strömungsquerschnitt im Wesentlichen gleichmäßig durchströmt wird, so dass im gesamten Reaktionsbereich 201 insbesondere bei homogener Plasmaerzeugung und vorherrschender Diffusion der Prozessgasse eine gleichmäßige Beschichtung von Substraten erzielt werden kann. 8th shows according to the flow simulation of a device accordingly 6 and 7 that the entire second process area 201 , which corresponds to the reaction region and is provided for receiving substrates, is flowed through substantially uniformly over the entire flow cross-section, so that the entire reaction region 201 In particular, homogeneous plasma generation and prevalent diffusion of the process alley a uniform coating of substrates can be achieved.

In 9 sind zwei Silberschichten anhand der Reflexionskurven 16, 18 und der Transmissionskurven 17, 19 dargestellt. Es besteht die weitverbreitete Meinung, dass bei direkter Plasmaeinwirkung nur dünne Schichten mäßiger Qualität herstellbar sind.In 9 are two silver layers based on the reflection curves 16 . 18 and the transmission curves 17 . 19 shown. There is a widespread belief that only thin layers of moderate quality can be produced by direct plasma exposure.

Anhand des Beispiels aus 9 für ein PEALD Verfahren entsprechend 4 bzw. 5 wird gezeigt, dass direkte Plasmaerzeugung bei geeigneter Prozessgaswahl die Bildung dünner Schichten mit hervorragenden Eigenschaften ermöglicht.Based on the example 9 for a PEALD method accordingly 4 respectively. 5 It is shown that direct plasma generation with suitable process gas selection enables the formation of thin layers with excellent properties.

Es wird einerseits eine Silberschicht durch Reflexionskurve 18 und Transmissionskurve 19 dargestellt, die auch herkömmlichen PEALD Schichten entspricht und sowohl verringerte Reflexion in der Reflexionskurve 18 als auch Absorption im kurzwelligen Bereich (380–480 nm) der Transmissionskurve 19 zeigt. Diese Schicht wurde bei direkter Plasmaerzeugung in Gegenwart von Argon mit Silberpivalat als schichtbildendem Prozessgas und Sauerstoff sowie Wasserstoff als aktivierbare Prozessgase gebildet. Dabei wurden in Beschichtungszyklen zuerst ein Sauerstoffplasma (Bildung von Silberoxid) und anschließend ein Wasserstoffplasma (Reduktion der Silberoxidschicht in eine Silberschicht) erzeugt. Bei gleichem Beschichtungszyklus mit reduzierter Argonzufuhr konnte das Reflexionsverhalten deutlich verbessert, eine Absorption im kurzwelligen Bereich aber nicht vollständig vermieden werden.It is on the one hand a silver layer by reflection curve 18 and transmission curve 19 which also corresponds to conventional PEALD layers and both reduced reflection in the reflection curve 18 as well as absorption in the short-wave range (380-480 nm) of the transmission curve 19 shows. This layer was formed by direct plasma generation in the presence of argon with silver pivalate as a layer-forming process gas and oxygen and hydrogen as activatable process gases. In coating cycles, first an oxygen plasma (formation of silver oxide) and then a hydrogen plasma (reduction of the silver oxide layer in a silver layer) were generated. With the same coating cycle with reduced argon supply, the reflection behavior could be significantly improved, but absorption in the short-wave range could not be completely avoided.

Andererseits wird eine Silberschicht durch Reflexionskurve 16 und Transmissionskurve 17 dargestellt, die eine hohe Reflektion und keine wahrnehmbare Absorption zeigt und näherungsweise mit aufgedampften oder gesputterten Silberschichten sehr guter Qualität vergleichbar ist. Diese Silberschicht (16, 17) wurde ohne nennenswerte Gegenwart von Argon mit Silberpivalat als schichtbildendem Prozessgas und Wasserdampf als reaktivem Prozessgas mit einem mit 5 vergleichbarem Verfahren gebildet.On the other hand, a silver layer becomes a reflection curve 16 and transmission curve 17 which shows a high reflection and no perceptible absorption and is approximately comparable to vapor deposited or sputtered silver layers of very good quality. This silver layer ( 16 . 17 ) was with no significant presence of argon with silver pivalate as a layer-forming process gas and water vapor as a reactive process gas with a 5 formed similar method.

Für ein erfindungsgemäßes Verfahren insbesondere mit direkter Plasmaerzeugung im Reaktionsbereich ist es erforderlich, dass während der Plasmaerzeugung im Wesentlichen kein Trägergas mit unerwünschtem Einfluss auf die Schichtbildung zugeführt wird oder bei Plasmaerzeugung anwesend ist. Dabei wird bevorzugt, dass bei Verwendung eines Trägergases ein inertes Trägergas mit einem Molgewicht gewählt wird, welches geringer als das Molgewicht des reaktiven oder aktivierbaren Gases ist.For a method according to the invention, in particular with direct plasma generation in the reaction region, it is necessary that substantially no carrier gas with undesirable influence is supplied to the layer formation during plasma generation or is present during plasma generation. It is preferred that when using a carrier gas, an inert carrier gas is selected with a molecular weight which is less than the molecular weight of the reactive or activatable gas.

Weiterhin ist bevorzugt, dass das reaktive oder aktivierbare Prozessgas derart gewählt wird, dass das erzeugte Plasma sowohl oxidierende als auch reduzierende Radikale aufweist, die derart in einem neutralen Gleichgewicht stehen, dass bei der Schichtbildungsreaktion entstehende Reaktionsprodukte auch bei fortdauernder Plasmaerzeugung im Wesentlichen nicht weiter mit der gebildeten Schicht reagieren, wobei bevorzugt als reaktives Prozessgas Wasserdampf verwendet wird. Anstelle von Wasser wäre grundsätzlich auch ein entsprechend aus Sauerstoff und Wasserstoff zusammengesetztes Gasgemisch möglich, wobei sich dies aus Sicherheitsaspekten verbietet. Es ist jedoch vorteilhaft, dass (insbesondere mit einem aus Wasser gebildeten Prozessgas) das neutrale Gleichgewicht des Plasmas durch Zugabe von Sauerstoff oder von Wasserstoff verbessert wird.Furthermore, it is preferred that the reactive or activatable process gas is selected such that the generated plasma has both oxidizing and reducing radicals which are in a neutral equilibrium such that reaction products formed during the layer formation reaction essentially do not continue with the plasma generation react formed layer, wherein preferably used as the reactive process gas steam. In principle, instead of water, a gas mixture composed accordingly of oxygen and hydrogen would also be possible, and this is prohibited for safety reasons. However, it is advantageous that (especially with a process gas formed from water), the neutral balance of the plasma is improved by the addition of oxygen or hydrogen.

Ebenfalls kann das reaktive oder aktivierbare Prozessgas aus Ameisensäure, Oxalsäure oder Ammoniumformiat ggf. mit zusätzlichem Sauerstoff- oder Wasserstoffanteil gebildet werden. Die Verwendung von Wasser zur Bildung eines reaktiven Prozessgases bei gleichzeitiger Erzeugung von Plasma ermöglicht entsprechend der vorliegenden Erfindung insbesondere die Bildung metallischer Schichten hoher Qualität. Dabei enthält das schichtbildende Prozessgas besonders bevorzugt Silber oder wird ebenfalls bevorzugt mit Kupfer, Nickel, Gold, Platin, Palladium, Iridium oder Ruthenium gebildet. Dabei werden bevorzugt schichtbildende Prozessgase gewählt, die sich aus dem schichtbildenden Anteil und einem oder mehreren der Elemente Kohlenstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, und/oder Stickstoff zusammensetzen und somit bevorzugt frei von Phosphor, Fluor und Schwefel sind.Likewise, the reactive or activatable process gas can be formed from formic acid, oxalic acid or ammonium formate optionally with additional oxygen or hydrogen content. The use of water to form a reactive process gas with the simultaneous generation of plasma according to the present invention allows in particular the formation of high quality metallic layers. In this case, the layer-forming process gas particularly preferably contains silver or is likewise preferably formed with copper, nickel, gold, platinum, palladium, iridium or ruthenium. In this case, layer-forming process gases are preferably selected, which are composed of the layer-forming portion and one or more of the elements carbon, oxygen, hydrogen, and / or nitrogen and thus are preferably free of phosphorus, fluorine and sulfur.

Claims (9)

Plasmaunterstütztes ALD Verfahren zur Bildung einer dünnen Schicht auf einem Substrat in einem Reaktionsbereich bei durch ein Vakuumsystem reduziertem Prozessdruck mit Beschichtungszyklen innerhalb derer in Zyklusschritten ein schichtbildendes Prozessgas zugeführt, der Reaktionsbereich gespült und nachfolgend der adsorbierte Anteil des schichtbildenden Prozessgases durch Zufuhr oder Erzeugung eines reaktiven Prozessgases in eine dünne Schicht umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Prozessgas mit spülenden Eigenschaften über einen ersten Prozessbereich mit begrenztem Strömungsquerschnitt einem zweiten Prozessbereich mit relativ zum ersten Prozessbereich größerem Strömungsquerschnitt zugeführt und aus diesem abgepumpt wird, wobei Verhältnis und Größe der Strömungsquerschnitte, die Pumpleistung des Vakuumsystems, sowie die Zufuhrdauer und der Massenfluss des Prozessgases zumindest während eines Zyklusschrittes derart aufeinander abgestimmt werden, dass eine Übergangsströmung zwischen molekularer und viskoser Strömung mit in den beiden Prozessbereichen unterschiedlichem lokalen Prozessdruck und derart verschiedenem Verhältnis zwischen Strömung und Diffusion gebildet wird, dass der erste Prozessbereich aufgrund vorherrschender Strömung gespült wird, während der zweite Prozessbereich aufgrund vorherrschender Diffusion den zugeführten Prozessgasen ausgesetzt bleibt, so dass zwei unterschiedliche Prozessschritte zumindest teilweise gleichzeitig während eines Zyklusschrittes durchgeführt werden.Plasma assisted ALD method of forming a thin film on a substrate in a reduced vacuum process pressure reaction zone with coating cycles within which a process gas is applied in cycle steps, the reaction region is purged, and subsequently the adsorbed portion of the process gas forming the film by supplying or generating a reactive process gas a thin layer is converted, characterized in that a process gas with purging properties over a first process area with limited flow cross section a second process area with relative to the first process area larger flow cross-section supplied and pumped out of this, wherein the ratio and size of the flow cross-sections, the pumping power of the vacuum system , And as the supply duration and the mass flow of the process gas at least during a cycle step are coordinated such that a Transitional flow is formed between molecular and viscous flow with different local process pressure and such different ratio between flow and diffusion in the two process areas that the first process area is purged due to prevailing flow, while the second process area is exposed to the supplied process gases due to prevailing diffusion, so that two different process steps are performed at least partially simultaneously during a cycle step. Plasmaunterstütztes ALD Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung unterschiedlicher Prozessdrücke und Strömungsverhältnisse zwischen Diffusion und Strömung innerhalb eines Beschichtungszyklus durch Zufuhrdauer und Massenfluss der Prozessgase ohne Veränderung der Pumpleistung des Vakuumsystems oder der Strömungsquerschnitte geregelt wird und dass bei Zufuhr oder in Gegenwart eines aktivierbaren oder reaktiven Prozessgases im zweiten Prozessbereich Plasma erzeugt wird.Plasma-assisted ALD method according to claim 1, characterized in that the adjustment of different process pressures and flow conditions between diffusion and flow within a coating cycle by supply duration and mass flow of the process gases without changing the pumping power of the vacuum system or the flow cross-sections is controlled and that when supplied or in the presence of an activatable or reactive process gas in the second process area plasma is generated. Plasmaunterstütztes ALD Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Substrat im ersten Prozessbereich angeordnet und im zweiten Prozessbereich während der Zufuhr eines aktivierbaren Prozessgases Hochfrequenzplasma erzeugt wird, wobei das aktivierbare Prozessgas innerhalb eines Zyklusschrittes derart zugeführt wird, dass im ersten Prozessbereich Strömung mit spülenden Eigenschaften vorherrscht und bei Aktivierung des Prozessgases durch Plasmaerzeugung im zweiten Strömungsbereich eine Ausbreitung von Radikalen entgegen der Strömungsrichtung in den ersten Prozessbereich verringert oder gesperrt wird und wobei in einem nachfolgenden Zyklusschritt der Massenfluss des Prozessgases durch den ersten Prozessbereich derart reduziert wird, dass im ersten Prozessbereich Diffusion vorherrscht und eine hohe Ausbreitung von Radikalen entgegen der Strömungsrichtung erfolgt, so dass auf dem Substrat adsorbiertes schichtbildendes Prozessgas in eine dünne Schicht umgewandelt wird.Plasma-assisted ALD method according to claim 1 or 2, characterized in that a substrate arranged in the first process area and in the second process area during the supply of an activatable process gas high frequency plasma is generated, wherein the activatable process gas is supplied within a cycle step such that in the first process area with flow when the process gas is activated by plasma generation in the second flow region, a propagation of radicals against the flow direction into the first process region is reduced or blocked and wherein in a subsequent cycle step the mass flow of the process gas through the first process region is reduced such that in the first process region Diffusion prevails and a high spread of radicals against the Flow direction is such that adsorbed on the substrate layer-forming process gas is converted into a thin layer. Plasmaunterstütztes ALD Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung des Massenflusses durch den ersten Prozessbereich durch Umlenkung des reduzierten Prozessgasanteils und direkte Zufuhr in den zweiten Prozessbereich bewirkt wird, so dass der Prozessdruck im zweiten Prozessbereich während der Plasmaerzeugung konstant gehalten wird.Plasma-assisted ALD method according to claim 3, characterized in that the reduction of the mass flow through the first process area by deflection of the reduced process gas content and direct supply is effected in the second process area, so that the process pressure in the second process area is kept constant during the plasma generation. Plasmaunterstütztes ALD Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Beschichtungszyklus durch folgende Zyklusschritte gebildet wird: Zuführen eines schichtbildenden Prozessgases über den ersten Prozessbereich zur Adsorption auf einem im ersten Prozessbereich angeordnetem Substrat, Zuführen eines aktivierbaren Prozessgases über den ersten Prozessbereich bei vorherrschender Strömung im ersten Prozessbereich und Spülen des Substrates bei zumindest teilweise gleichzeitiger Erzeugung von Plasma im zweiten Prozessbereich zur Zersetzung überschüssigen schichtbildenden Prozessgases, wobei eine Diffusion von Radikalen in den ersten Prozessbereich durch die im ersten Prozessbereich vorherrschende Strömung reduziert oder gesperrt wird, und Zuführen eines aktivierbaren Prozessgases bei derart reduziertem Massefluss durch den ersten Prozessbereich, dass Diffusion im ersten Prozessbereich vorherrscht und Erzeugen von Plasma im zweiten Prozessbereich mit vorherrschender Diffusion von Radikalen in den ersten Prozessbereich so dass auf dem Substrat adsorbiertes schichtbildendes Prozessgas in eine Schicht umgewandelt wird, wobei bevorzugt der reduzierte Anteil des Massenflusses umgelenkt und dem zweiten Prozessbereich direkt zugeführt wird.Plasma-assisted ALD method according to one of the preceding claims, characterized in that a coating cycle is formed by the following cycle steps: Supplying a layer-forming process gas via the first process area for adsorption on a substrate arranged in the first process area, Supplying an activatable process gas over the first process area at prevailing flow in the first process area and purging the substrate at least partially simultaneously generating plasma in the second process area for decomposing excess layer-forming process gas, wherein a diffusion of radicals into the first process area by the prevailing flow in the first process area is reduced or blocked, and Supplying an activatable process gas at such reduced mass flow through the first process area that diffusion prevails in the first process area and generating plasma in the second process area with prevailing diffusion of radicals into the first process area so that layer-forming process gas adsorbed on the substrate is converted into a layer Preferably, the reduced portion of the mass flow is deflected and fed directly to the second process area. Plasmaunterstütztes ALD Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt des ersten Prozessbereiches durch gleichmäßige Strömungverteilung auf den Strömungsquerschnitt des zweiten Prozessbereiches gebracht wird und ein oder mehrere Substrate im zweiten Prozessbereich angeordnet werden, wobei nach Spülen des ersten Prozessbereiches bei vorherrschender Diffusion im zweiten Prozessbereich, ein spülendes Prozessgas derart mit hohem Massenfluss und geeigneter Zufuhrdauer zugeführt wird, dass auch im zweiten Prozessbereich Strömung mit spülenden Eigenschaften vorherrscht und die Substrate gespült werden, bevor durch geeignete Mittel im zweiten Prozessbereich, welcher dem Reaktionsbereich entspricht, bevorzugt ein induktiv gekoppeltes Hochfrequenzplasma erzeugt wird.Plasma-assisted ALD method according to claim 1 or 2, characterized in that the flow cross section of the first process area is brought by uniform flow distribution to the flow cross section of the second process area and one or more substrates are arranged in the second process area, wherein after rinsing the first process area in prevailing diffusion in second process area, a purging process gas is supplied in such a high mass flow and suitable supply duration that prevails in the second process area flow with purging properties and the substrates are purged before by suitable means in the second process area, which corresponds to the reaction area, preferably an inductively coupled high-frequency plasma is produced. Plasmaunterstütztes ALD Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche zur Bildung einer dünnen Schicht auf einem Substrat in einem Reaktionsbereich, wobei die Zufuhr von Prozessgasen über einen Zufuhrbereich mit gegenüber dem Reaktionsbereich kleinerem Strömungsquerschnitt erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Beschichtungszyklus durch folgende Zyklusschritte gebildet wird: Zuführen eines schichtbildenden Prozessgases zur Adsorption auf dem Substrat, Zuführen eines aktivierbaren Prozessgases, wobei Massenfluss und Zyklusschrittdauer derart gewählt werden, dass der Zufuhrbereich durch vorherrschende Strömung gespült wird, während im Reaktionsbereich durch vorherrschende Diffusion keine Spülwirkung erzielt wird, Zuführen eines spülenden Prozessgases mit relativ zu den anderen Prozessgasen hohem Massenfluss zum Spülen des Reaktionsbereichs bei fortgesetzter Zufuhr des aktivierbaren Prozessgases und Erzeugen von Plasma bei fortgesetzter Zufuhr des aktivierbaren Prozessgases zur Prozessgasaktivierung und Bildung einer dünnen Schicht, wobei als spülendes Prozessgas ein Inertgas gewählt und mit mehr als zweifachem Massenfluss relativ zum Massenfluss des aktivierbaren Prozessgases zugeführt wird.Plasma-assisted ALD method according to one of the preceding claims for forming a thin layer on a substrate in a reaction region, wherein the supply of process gases via a feed region with respect to the reaction region smaller flow cross-section, characterized in that a coating cycle is formed by the following cycle steps: Supplying a layer-forming process gas for adsorption on the substrate, Supplying an activatable process gas, wherein mass flow and cycle step duration are chosen such that the feed region is purged by prevailing flow, while in the reaction region by prevailing diffusion no rinsing effect is achieved, Supplying a purging process gas with high mass flow relative to the other process gases for purging the reaction area with continued supply of the activatable process gas and Generating plasma with continued supply of the activatable process gas for process gas activation and formation of a thin layer, wherein an inert gas is selected as the purging process gas and supplied with more than twice the mass flow relative to the mass flow of the activatable process gas. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für Prozessgasströmung mit vorherrschender Diffusion der Massenfluss im Verhältnis zur Pumpleistung des Vakuumsystems und zum jeweiligen Strömungsquerschnitt derart gewählt wird, dass das Quadrat der mittleren Strömungsgeschwindigkeit multipliziert mit der halben Zufuhrdauer bei gleicher Einheitenwahl kleiner dem Diffusionskoeffizienten ist, welcher aus lokalem Prozessdruck, Art des Prozessgases und Prozesstemperatur ermittelbar ist, während für Prozessgasströmung mit vorherrschender Strömung der Massenfluss im Verhältnis zur Pumpleistung und zum Strömungsquerschnitt derart gewählt wird, dass bei resultierendem Prozessdruck das Quadrat der mittleren Strömungsgeschwindigkeit multipliziert mit der halben Zufuhrdauer größer dem Diffusionskoeffizienten ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that selected for process gas flow with prevailing diffusion of the mass flow in relation to the pumping power of the vacuum system and the respective flow cross-section such that the square of the average flow velocity multiplied by the half supply time at the same unit selection is smaller than the diffusion coefficient which is determinable from local process pressure, type of process gas and process temperature, while for predominantly flowed process gas flow the mass flow is chosen in relation to the pump power and flow cross section such that at a resulting process pressure the square of the mean flow velocity multiplied by half the feed duration is greater than the diffusion coefficient is. Vorrichtung mit einer Prozesskammer mit Mitteln zur Zufuhr von Prozessgasen, Mitteln zur Erzeugung eines kapazitiv gekoppelten Plasmas und einem Vakuumsystem zum Abpumpen der Prozessgase insbesondere für ein plasmaunterstütztes ALD Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Reaktionskammer zumindest eine Elektrode angeordnet und derart hohl ausgestaltet ist, dass sie den ersten Strömungsbereich bildet und ein Substrat in die Elektrode einbringbar ist, dass Prozessgase durch die Elektrode zuführbar sind und dass Öffnungen in der Elektrode zwischen Substrat und einer Gegenelektrode vorgesehen sind, die in Strömungskontakt mit dem zweiten Prozessbereich, welcher der Prozesskammer entspricht, und dem Vakuumsystem stehen, so dass Plasma in der Prozesskammer erzeugbar ist, welches durch geeignete Anordnung und Ausgestaltung der Elektrodenöffnungen eine gleichmäßige Schichtbildungsreaktion auf einem in der Elektrode befindlichen Substrat durch Diffusion von Prozessgasradikalen in den ersten Strömungsbereich ermöglicht.Device having a process chamber with means for supplying process gases, means for generating a capacitively coupled plasma and a vacuum system for pumping out the process gases, in particular for a plasma-assisted ALD method according to one of claims 1, 2, 3, 4, 5 or 8, characterized in that at least one electrode is arranged within the reaction chamber and is hollow so that it forms the first flow region and a substrate can be introduced into the electrode, that process gases can be supplied through the electrode and that openings in the electrode between substrate and one Counter electrode are provided, which are in flow contact with the second process area, which corresponds to the process chamber, and the vacuum system, so that plasma can be generated in the process chamber, which by suitable arrangement and configuration of the electrode openings a uniform film forming reaction on a substrate located in the electrode Diffusion of process gas radicals in the first flow range allows.
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