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
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
Ein weiteres Verfahren mit variierenden Massenflüssen der Prozessgase ist in
Weiterhin sind PEALD Verfahren mit zwei Prozessbereichen bekannt.Furthermore, PEALD processes with two process areas are known.
Klassische ALD Verfahren benötigen vier Prozessschritte (Zuführen eines schichtbildenden Prozessgases, Spülen, Zuführen eines reaktiven Prozessgases, Spülen) während für PEALD Verfahren sogar nur drei Prozessschritte (
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
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
In den Ansprüchen 2 bis 9 werden besonders bevorzugte Ausgestaltungen eines plasmaunterstützten ALD Verfahrens und eine hierfür geeignete Vorrichtung genannt.In the
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
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.
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
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
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.
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:
In
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.
- 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
Durch Anpassung von Größe und Anzahl der Öffnungen
Die Strömungsrichtung zwischen erstem Prozessbereich
In
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,
- 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 .
In
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,
- 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,
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.
Die Reaktionskammer
Bevorzugt wird entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach
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.
In
Anhand des Beispiels aus
Es wird einerseits eine Silberschicht durch Reflexionskurve
Andererseits wird eine Silberschicht durch Reflexionskurve
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)
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2929938A1 (en) | 2014-04-11 | 2015-10-14 | Plasma Electronic GmbH | Analysis container and analysis system |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20030075273A1 (en) * | 2001-08-15 | 2003-04-24 | Olli Kilpela | Atomic layer deposition reactor |
US20050016956A1 (en) * | 2003-03-14 | 2005-01-27 | Xinye Liu | Methods and apparatus for cycle time improvements for atomic layer deposition |
EP1092233B1 (en) * | 1999-04-06 | 2006-12-27 | Genitech, Inc. | Method of forming a thin film |
US20110003087A1 (en) * | 2007-12-17 | 2011-01-06 | Beneq Oy | Method and apparatus for generating plasma |
US20110070141A1 (en) * | 2008-05-20 | 2011-03-24 | Sundew Technologies Llc | Deposition method and apparatus |
-
2011
- 2011-06-14 DE DE201110104132 patent/DE102011104132B3/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1092233B1 (en) * | 1999-04-06 | 2006-12-27 | Genitech, Inc. | Method of forming a thin film |
US20030075273A1 (en) * | 2001-08-15 | 2003-04-24 | Olli Kilpela | Atomic layer deposition reactor |
US20050016956A1 (en) * | 2003-03-14 | 2005-01-27 | Xinye Liu | Methods and apparatus for cycle time improvements for atomic layer deposition |
US20110003087A1 (en) * | 2007-12-17 | 2011-01-06 | Beneq Oy | Method and apparatus for generating plasma |
US20110070141A1 (en) * | 2008-05-20 | 2011-03-24 | Sundew Technologies Llc | Deposition method and apparatus |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2929938A1 (en) | 2014-04-11 | 2015-10-14 | Plasma Electronic GmbH | Analysis container and analysis system |
DE102014105219A1 (en) | 2014-04-11 | 2015-10-15 | Plasma Electronic Gmbh | Analysis container and analysis system |
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