DE102012017453A1

DE102012017453A1 - Plasmabehandlungseinrichtung und Verfahren zur Behandlung zumindest eines Substrats

Info

Publication number: DE102012017453A1
Application number: DE102012017453.5A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Beckmann; Sabine Nölker; Birgit Huth; Stefan Kastl; Benjamin Mayer
Original assignee: Manz AG
Current assignee: Manz AG
Priority date: 2012-09-04
Filing date: 2012-09-04
Publication date: 2014-03-06
Also published as: KR20150053789A; CN104704142A; WO2014037101A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Plasmabehandlungseinrichtung zur Behandlung zumindest eines Substrats, mit: – einer Plasmabehandlungskammer (12), in welcher ein zur Behandlung der Substrats (1) vorgesehenes Plasma (14) erzeugbar ist, – zumindest einem in die Plasmabehandlungskammer (12) mündenden Gaseinlass (16) zur Zuleitung zumindest eines Prozessgases (15), – einer Vakuumpumpeinrichtung (18), welche über einen Gasauslass (20) mit der Plasmabehandlungskammer (12) in Strömungsverbindung steht und die in einem Druckbereich zwischen 2 Pa und 50 Pa ein auf molekularen Stickstoff (N2) bezogenes und auf die Innenoberfläche der Plasmabehandlungskammer (12) normiertes effektives Saugvermögen von mindestens 1500 m3/h pro Quadratmeter Innenoberfläche der Plasmabehandlungskammer (12) aufweist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Plasmabehandlungseinrichtung zur Behandlung zumindest eines Substrats sowie ein entsprechendes Verfahren zur Plasmabehandlung des Substrats.
Stand der Technik
Vorrichtungen und Verfahren zum plasmaunterstützten Behandeln von Substraten, insbesondere zum Ätzen und/oder Beschichten von Substratoberflächen sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt. So kommen zum Beispiel für ein möglichst gleichmäßiges Auftragen dünner Schichten auf Substraten unter anderem chemische Dampfabscheidungsverfahren, insbesondere plasmaunterstützte chemische Dampfabscheidungsverfahren, sogenannte PECVD-Verfahren zum Einsatz. Hierbei werden ein oder mehrere Substrate in einer innerhalb einer Vakuumkammer vorgesehenen Plasmabehandlungskammer angeordnet, in die unter Einhaltung vorgegebener Druck- und Temperaturbereiche zumindest ein Reaktionsgas bzw. ein für den jeweiligen Prozess vorgesehenes Gasgemisch eingeleitet wird. Dieses kann durch geeignete Zufuhr elektromagnetischer Energie, etwa im Hochfrequenz- oder RF-Bereich, zumindest teilweise in einen Plasmazustand versetzt werden.
Zur Erzeugung und Aufrechterhaltung eines zur Substratbehandlung vorgesehenen Plasmas können innerhalb einer Vakuum- oder Plasmabehandlungskammer angeordnete Elektroden vorgesehen werden. Die Plasmaerzeugung kann aber auch auf der Basis einer oder mehrerer, etwa außerhalb der Plasmabehandlungskammer oder außerhalb der Vakuumkammer angeordneter Spulen erfolgen, mittels derer die zum Zünden und Aufrechterhalten des Plasmas erforderliche Energie induktiv in die Plasmabehandlungskammer einkoppelbar ist.
Insbesondere bei Substratbeschichtungsprozessen, wie sie etwa zur Herstellung von Solarzellen, Displayelementen oder Halbleiterstrukturen vorgesehen werden können, ist es aus Gründen der Prozessökonomie und Wirtschaftlichkeit erstrebenswert, das erzeugte Plasma möglichst effizient zu nutzen. Neben einer möglichst gleichmäßigen und hochwertigen Beschichtung des Substrats spielt die Wirtschaftlichkeit des Beschichtungsprozesses eine wichtige Rolle. So ist es erstrebenswert, in möglichst kurzer Zeit und unter Einhaltung vergleichsweise kurzer Taktzyklen möglichst hohe Beschichtungsraten der Substrate zu erzielen.
So ist beispielsweise aus der US 5 683 548 ein mittels induktiv gekoppeltem Plasma durchführbarer Beschichtungsprozess beschrieben, wobei der komplette Gasfluss zwischen 40 und 200 Standardkubikzentimetern pro Minute (sccm) und beträgt und ein Vakuumsystem zur Bereitstellung eines Prozessdrucks von 1 bis 10 Millitorr (0,013 bis 0,13 Pa) eingestellt ist. Zur Plasmaerzeugung wird eine Hochfrequenzleistung zwischen 0,1 kW und 5 kW in die RF-Spulen eingekoppelt.
Mit derartigen Prozessparametern sind Beschichtungsraten erreichbar, die allenfalls im Bereich von 1 nm/s liegen. Für eine wettbewerbsfähige Fertigung beschichteter Substrate ist jedoch die Erzielung weitaus höherer Beschichtungsraten erforderlich.
So wird zum Beispiel in der US 2012/0171391 A1 ein Beschichtungsprozess für eine Silizium enthaltende dielektrische Schicht unter Verwendung einer mikrowellen-unterstützten chemischen Dampfabschscheidungs-Kammer (chemical vapor deposition (CVD)) beschrieben. Hierin wird vorgeschlagen, die Flussrate in Abhängigkeit der Größe der zu behandelnden Substrate einzustellen. In Fällen, in denen ein Substrat etwa eine Fläche von 730 mm zu 920 mm aufweist, kann zur Beschichtung einer Siliziumnitrid-Schicht mit SiH₄ und NH₃ ein Gasfluss von SiH₄ bei einer Flussrate von etwa 150 sccm/L bis etwa 3000 sccm/L vorgesehen werden. Der Prozessdruck in der Kammer kann hierbei zwischen 50 mTorr bis 250 mTorr (etwa 0,6 Pa bis 3,3 Pa) betragen.
Mittels eines derartigen Verfahrens sollen Siliziumnitrid-Schichten mit einer Beschichtungsrate oberhalb von 250 nm/Minute mit einer Schichtdicken-Ungleichmäßigkeit von weniger als 14% erzeugbar sein.
Derartige Schichtdickenvariationen sind jedoch für eine Vielzahl von zu fertigenden Substraten, wie sie etwa für Solarzellen vorzusehen wären, schlicht inakzeptabel.
Es ist daher Zielsetzung der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Plasmabehandlungseinrichtung und ein entsprechendes Verfahren zur Behandlung zumindest eines Substrats bereitzustellen, mittels derer eine qualitativ hochwertige Substratbehandlungen, insbesondere Substratbeschichtungen bei hohen Beschichtungsraten erreichbar sind. Daneben soll das erzeugte Plasma möglichst effizient zur Oberflächenbehandlung, insbesondere zur Beschichtung von Substraten nutzbar gemacht werden.
Diese Aufgabe wird mit einer Plasmabehandlungseinrichtung nach Patentanspruch 1 sowie mit einem Verfahren zum Behandeln zumindest eines innerhalb einer Plasmabehandlungskammer angeordneten Substrats nach Patentanspruch 14 gelöst, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen jeweils Gegenstand abhängiger Patentansprüche sind.
Die insoweit vorgesehene Plasmabehandlungseinrichtung ist zur Behandlung, insbesondere zur Beschichtung zumindest eines Substrats ausgebildet. Die Plasmabehandlungseinrichtung weist hierfür eine Plasmabehandlungskammer auf, in welcher ein zur Behandlung des Substrats vorgesehenes Plasma erzeugbar ist. In die Plasmabehandlungskammer mündet zumindest ein Gaseinlass zur Zuleitung zumindest eines Prozessgases, vorzugsweisen eines Gasgemisches. Ferner ist zumindest eine Vakuumpumpeinrichtung vorgesehen, welche über einen Gasauslass mit der Plasmabehandlungskammer in Strömungsverbindung steht. Mittels der Vakuumpumpeinrichtung kann innerhalb der Plasmabehandlungskammer ein vorgegebenes Druckniveau herbeigeführt werden, wobei auch der Zufluss des Prozessgases bzw. des Gasgemisches über den Gaseinlass entsprechend kontrollierbar bzw. regelbar ist.
Es ist hierbei vorgesehen, dass die Vakuumpumpeinrichtung in einem Druckbereich zwischen 2 Pa und 50 Pa ein auf molekularen Stickstoff (N₂) bezogenes und auf die Innenoberfläche der Plasmabehandlungskammer normiertes effektives Saugvermögen von mindestens 1500 m³/h pro Quadratmeter Innenoberfläche der Plasmabehandlungskammer aufweist. Zumindest weist die Vakuumpumpeinrichtung dabei das angegebene Saugvermögen in einem Druckbereich zwischen 2 Pa und 20 Pa auf.
Mittels einer derart bemessenen und leistungsstarken Vakuumpumpeinrichtung kann ein für einen Beschichtungsprozess vorteilhafter Gasfluss bzw. Gasdurchsatz in der Plasmabehandlungskammer erreicht werden. Die Vakuumpumpeinrichtung ist hierbei in der Lage, das angegebene normierte Mindestsaugvermögen von 1500 m³/h über den gesamten Druckbereich zwischen 2 Pa und 50 Pa, zumindest zwischen 2 Pa und 20 Pa bereitzustellen. In einzelnen Druckintervallen des angegebenen Druckbereichs zwischen 2 Pa und 50, so etwa zwischen 5 Pa und 20 Pa, insbesondere zwischen 10 Pa und 15 Pa sowie zwischen 15 Pa und 20 Pa, kann das effektive Saugvermögen auch deutlich darüber liegen.
Mit dem angegebenen effektiven Saugvermögen kann im Druckbereich von 2 Pa bis 50 Pa, zumindest zwischen 2 Pa und 20 Pa ein Gasfluss von mehr als 3 Standardliter (slm), bevorzugt von mehr als 4 slm, bei höheren Drücken, etwa zwischen 10 Pa und 20 Pa auch Gasflüsse größer 7,5 slm, 10 slm, 12 slm oder sogar größer als 15 slm erreicht werden. Die Angabe Standardliter pro Minute (slm), gleichbedeutend mit 1000 Standard-Kubikzentimeter pro Minute (sccm), ist hierbei ein Maß für die Molekülmenge, die pro Minute und unter Normbedingungen, das heißt bei 1013 hPa durch einen vorgegebenen Querschnitt strömt.
Der Gasmengenstrom eines Standardliters entspricht hierbei ungefähr einem Volumenstrom von 6000 m³Pa/h.
Um einen vorgegebenen Gasmengenstrom in der Plasmabehandlungskammer zu erzeugen, ist neben der geeigneten Wahl einer Vakuumpumpeinrichtung die geometrische Ausgestaltung der Plasmabehandlungskammer und ihrer gasführenden Strukturen von Bedeutung.
Es hat sich hierbei ferner gezeigt, dass die Innenoberfläche der Plasmabehandlungskammer, welche dem zu erzeugenden Plasma unmittelbar zugewandt ist, in Relation zum effektiven Saugvermögen der Vakuumpumpeinrichtung zu setzen ist. Neben dem zu behandelnden Substrat kann nämlich auch die Innenoberfläche der Plasmabehandlungskammer, ähnlich wie das Substrat, einem Oberflächenbehandlungsprozess unweigerlich ausgesetzt sein. Die Vergrößerung etwa der Innenoberfläche der Plasmabehandlungskammer kann bei ansonsten gleichbleibenden Prozessparametern zu einer effektiven Verringerung etwa der am Substrat messbaren Beschichtungsrate führen, da die von Substrat und Plasmabehandlungskammer-Innenoberfläche gebildete Gesamtfläche größer wird.
Bei einer verhältnismäßig kleinen Gesamt-Innenoberfläche der Plasmabehandlungskammer kann der Plasmabehandlungsprozess weitaus effizienter ablaufen. Es gilt hierbei allerdings zu bedenken, dass eine geometrische Veränderung der Plasmabehandlungskammer auch gleichzeitig mit einer entsprechenden Veränderung ihrer gasführenden Strömungscharakteristik einhergeht, wodurch das effektive Saugvermögen der Vakuumpumpeinrichtung beeinträchtigt bzw. beeinflusst werden kann.
Insoweit sind nahezu sämtliche Angaben hinsichtlich des Saugvermögens der Vakuumpumpeinrichtung, deren effektives Saugvermögen als auch Angaben hinsichtlich strömungstechnischer Leitwerte gasführender Strukturen jeweils auf 1 Quadratmeter (m²) Innenoberfläche der Plasmabehandlungskammer normiert. Die genannten Parameter hinsichtlich Saugvermögen und strömungstechnischer Leitwerte wären dementsprechend bei einer etwa eine Innenoberfläche von 2 m² aufweisenden Plasmabehandlungskammer um einen Faktor 2 zum multiplizieren, bei einer entsprechend kleiner dimensionierten Plasmabehandlungskammer um einen entsprechenden Faktor zu dividieren.
In bevorzugter Ausgestaltung kann anstelle einer Normierung auf die Innenoberfläche der Plasmabehandlungskammer auch auf die Gesamtfläche der in der Behandlungskammer zu beschichtenden Substrate abgestellt werden. Anstelle einer Normierung auf Quadratmeter Innenoberfläche der Plasmabehandlungskammer kann auch eine Normierung bezüglich 0,1 m² Gesamtsubstratoberfläche erfolgen. Demgemäß weist die Vakuumpumpeinrichtung in einem Druckbereich zwischen 2 Pa und 50 Pa, zumindest aber im Druckbereich zwischen 2 Pa und 20 Pa ein auf molekularen Stickstoff bezogenes und auf die Gesamtoberfläche des zu behandelnden Substrats normiertes effektives Saugvermögen von mindestens 1500 m³/h pro 0,1 m² zu beschichtender Oberfläche des Substrats auf.
Unter dem effektiven Saugvermögen der Vakuumpumpeinrichtung ist vorliegend das Saugvermögen der Pumpeinrichtung gemeint, welches von der Pumpeinrichtung effektiv auf die Plasmabehandlungskammer ausübbar ist. Da die Vakuumpumpeinrichtung entweder indirekt, so etwa durch entsprechende gasführende Leitungen, oder direkt an ein Gehäuse, so z. B. an eine die Plasmabehandlungskammer umschließende Vakuumkammer angeschlossen ist, können sich aufgrund der zwischen Plasmabehandlungskammer und Vakuumpumpeinrichtung vorgesehen gasführende Leitungen insbesondere in dem hier vorgesehenen Druckbereich zwischen 2 und 50 Pa, als auch im Druckbereich zwischen 2 Pa und 20 Pa durchaus nennenswerte Leistungs- und Druckverluste ergeben.
Insoweit sind die Vakuumpumpeinrichtung und die Plasmabehandlungskammer bzw. eine die Plasmabehandlungskammer umschließende Vakuumkammer derart aufeinander abgestimmt, dass unter Berücksichtigung sämtlicher gasführender oder gasleitender Strukturen zwischen Plasmabehandlungskammer und Vakuumpumpeinrichtung das geforderte effektive Saugvermögen im Bereich der Plasmabehandlungskammer zur Verfügung gestellt werden kann.
Nach einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ergibt sich das genannte effektive Saugvermögen der Vakuumpumpeinrichtung aus dem Saugvermögen der Vakuumpumpeinrichtung selbst und aus dem strömungstechnischen Leitwert sämtlicher gasführender Strukturen, die sich stromabwärts der Plasmabehandlungskammer und stromaufwärts der Vakuumpumpeinrichtung, folglich zwischen Vakuumpumpeinrichtung und dem zu erzeugenden Plasma befinden.
In dem hier vorgesehenen Druckbereich zwischen 2 Pa und 50 Pa oder zwischen 2 Pa und 20 Pa unterliegt das in die Plasmabehandlungskammer eingeleitete Prozess- oder Precursor-Gas, bzw. ein entsprechendes Gasgemisch nicht mehr unbedingt einer rein molekularen Strömungscharakteristik, bei welcher der Leitwert der gasführenden Leitungen oder Strukturen unabhängig vom Druck anzugeben wäre. Vielmehr kann für den geforderten Druckbereich bereits eine überwiegend laminare oder turbulente Strömungscharakteristik vorliegen, bei welcher sich der Leitwert gasführender Strukturen als druckabhängig darstellt.
Insbesondere kann der Leitwert eines Rohres oder einer anderweitigen gasführenden Struktur bei steigendem Druck überproportional ansteigen. Bei vorgegebener geometrischer Ausgestaltung einer Plasmabehandlungskammer und/oder einer die Plasmabehandlungskammer umgebenden Vakuumkammer sowie sämtlicher darin vorgesehenen gasführenden Strukturen, kann bei vorgegebenen Druck der Leitwert der stromabwärts der Plasmabehandlungskammer liegenden gasführenden Strukturen etwa rechnergestützt berechnet und unter Angabe eines bekannten Saugvermögens der Vakuumpumpeinrichtung zur Bestimmung der effektiven Saugvermögen herangezogen werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist die Vakuumpumpeinrichtung in einem Druckbereich zwischen 2 Pa und 50 Pa, zumindest aber im Druckbereich zwischen 2 Pa und 20 Pa ein auf molekularen Stickstoff (N₂) bezogenes und auf die Innenoberfläche der Plasmabehandlungskammer normiertes effektives Saugvermögen von mindestens 3000 m³/h, 4000 m³/h, 4500 m³/h, 5000 m³/h oder 5500 m³/h, jeweils pro Quadratmeter Innenoberfläche der Plasmabehandlungskammer auf.
Mit einem solch hohen effektiven Saugvermögen können letztendlich Gasflüsse bzw. Gasvolumenströme von mehr als 3 slm, insbesondere > 3,5 slm, > 5 slm, > 7,5 slm, > 10 slm, > 12,5 slm oder sogar > 15 slm erreicht werden. Größere Gasflüsse etwa oberhalb von 3,5 slm sind hierbei insbesondere in einem Druckbereich von zumindest 5 Pa, 7,5 Pa, 15 Pa, 20 Pa oder 50 Pa erreichbar.
Insoweit ist nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, dass die Vakuumpumpeinrichtung in einem Druckbereich oberhalb von 5 Pa und/oder oberhalb von 10 Pa ein auf molekularen Stickstoff bezogenes und auf die Innenoberfläche der Plasmabehandlungskammer normiertes effektives Saugvermögen von mindestens 3000 m³/h, 4000 m³/h, 4500 m³/h, 5000 m³/h oder 5500 m³/h, jeweils pro Quadratmeter Innenoberfläche der Plasmabehandlungskammer aufweist.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung kann ferner vorgesehen werden, dass die stromabwärts der Plasmabehandlungskammer und stromaufwärts der Vakuumpumpeinrichtung vorgesehenen gasführenden Strukturen bei einem Druck von 2 Pa einen auf die Innenoberfläche der Plasmabehandlungskammer normierten Gesamtleitwert von zumindest 2000 m³/h, 3000 m³/h, 4000 m³/h, 5000 m³/h oder 6000 m³/h, jeweils pro Quadratmeter Innenoberfläche der Plasmabehandlungskammer aufweisen.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die Vakuumpumpeinrichtung eine Wälzkolbenpumpe auf, die bei einem Druck von 2 Pa ein auf die Innenoberfläche der Plasmabehandlungskammer normiertes Saugvermögen von zumindest 2000 m³/h, 3000 m³/h, 4000 m³/h, 5000 m³/h oder zumindest 6000 m³/h, jeweils pro Quadratmeter Innenoberfläche der Plasmabehandlungskammer aufweist. Sollte die Plasmabehandlungskammer etwa eine Innenoberfläche von 0,5 m² aufweisen, so wären die hier angegebenen Saugvermögen um einen Faktor 2 zu dividieren. Bei einer etwa 2 m² aufweisenden Innenoberfläche der Plasmabehandlungskammer wären Wälzkolbenpumpen, sogenannte Roots-Pumpen mit einem um einen Faktor 2 multiplizierten Saugvermögen vorzusehen.
Die Verwendung von zumindest einer Wälzkolbenpumpe erweist sich für die Bereitstellung eines vergleichsweise hohen Gasflusses durch die Plasmabehandlungskammer als vorteilhaft. So weisen Wälzkolbenpumpen in einem Druckbereich oberhalb von 1 Pa bzw. oberhalb von 2 Pa ein annähernd konstantes Saugvermögen auf.
Andere Pumpsysteme, wie zum Beispiel Turbomolekularpumpen, können in anderen Druckbereichen, insbesondere unterhalb von 1 Pa zwar eine im Vergleich zu Wälzkolbenpumpen größere Saug- oder Pumpleistung aufweisen. In einem hier bevorzugt vorgesehenen Druckbereich zwischen 2 Pa und 20 Pa nimmt die Pump- oder Saugleistung von Turbomolekularpumpen jedoch deutlich ab. Ein geforderter Gasfluss von zum Beispiel 3 slm oder sogar 5 slm ist in einem Druckbereich oberhalb von 2 Pa, 4 Pa oder sogar oberhalb von 5 Pa mit Turbomolekularpumpen technisch nicht sinnvoll umsetzbar oder nicht realisierbar.
Aufgrund ihrer Größe und geometrischen Ausgestaltung können Wälzkolbenpumpen meist nicht unmittelbar an die Plasmabehandlungskammer oder an ein Gehäuse einer die Plasmabehandlungskammer umschließenden Vakuumkammer angeschlossen werden. Es ist vielmehr erforderlich, dass die mit zumindest einer Wälzkolbenpumpe ausgestattete Vakuumpumpeinrichtung über gasführende Strukturen, etwa über einen Gasauslass mit der Wälzkolbenpumpe strömungstechnisch verbunden ist. Entsprechende gasführende Strukturen oder Leitungen sind hierbei derart auszulegen, dass deren strömungstechnischer Leitwert einen möglichst geringen Einfluss auf das effektive Saugvermögen der Vakuumpumpeinrichtung hat.
Der Strömungswiderstand bzw. der Leitwert, der zwischen Plasmabehandlungskammer und Vakuumpumpeinrichtung liegenden gasführenden Strukturen sollte mindestens so groß wie das Saugvermögen der Vakuumpumpeinrichtung sein. Das effektive Saugvermögen der Vakuumpumpeinrichtung ergibt sich somit aus einer Reihenschaltung des Saugvermögens der Wälzkolbenpumpe und dem Leitwert der stromaufwärts hiervon angeordneten gasführenden Strukturen.
Beträgt der Gesamtleitwert der genannten gasführenden Strukturen zum Beispiel 3000 m³/h und beträgt das Saugvermögen der Vakuumpumpeinrichtung ebenfalls 3000 m³/h, so ergibt sich durch Addieren der Kehrwerte des Leitwertes und des Saugvermögens der Kehrwert des effektiven Saugvermögens, welches für das genannte Beispiel 1500 m³/h beträgt.
Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass sämtliche hier angegebenen Saugvermögen bzw. Leitwerte stets auf die Innenoberfläche der Plasmabehandlungskammer in Quadratmetern normiert sind.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die Vakuumpumpeinrichtung über einen Druckbereich zwischen 2 Pa und 50 Pa, zumindest aber im Druckbereich zwischen 2 Pa und 20 Pa ein annähernd konstantes Saugvermögen auf. Das Saugvermögen der Vakuumpumpeinrichtung soll im genannten Druckbereich zwischen 2 Pa und 20 Pa höchstens um bis zu 10% oder 20% vom maximalen Saugvermögen abweichen. In einem Druckbereich oberhalb von 4 Pa oder 5 Pa, folglich im Druckbereich zwischen 4 Pa bzw. 5 Pa und 20 Pa weicht das Saugvermögen dabei bevorzugt um höchstens 5% vom maximalen Saugvermögen der Vakuumpumpeinrichtung ab.
Ein über einen derart großen Druckbereich konstantes Saugvermögen kann insbesondere mit einer Wälzkolbenpumpe erreicht werden. Insoweit erweisen sich derartige Pumpen auch in prozesstechnischer Hinsicht als vorteilhaft. So kann der Prozessdruck innerhalb der Plasmabehandlungskammer über eine Drosselung der Zufuhr des zumindest einen Prozessgases in die Plasmabehandlungskammer geregelt werden.
Zudem besteht auch die Möglichkeit, bei einem konstantem Gasfluss den gewünschten Prozessdruck innerhalb der Plasmabehandlungskammer zumindest in gewissen Grenzen über eine variierbare Drehfrequenz der Wälzkolbenpumpe einzustellen. Hierdurch kann, z. B. bei einer schleichenden Veränderung des Leitwertes der gasführenden Strukturen, ein sich etwa durch Beschichtungen oder Partikelablagerungen verändernder Prozessdruck über eine entsprechende Erhöhung oder Änderung der Drehzahl der Wälzkolbenpumpe kompensiert werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist eine Verbindungsleitung, welche die Plasmabehandlungskammer strömungstechnisch mit der Vakuumpumpeinrichtung verbindet, einen durchströmbaren Querschnitt von zumindest 200 cm², bevorzugt von zumindest 490 cm² oder sogar von mehr als 550 cm² auf. Bei einer etwa im Querschnitt kreisrunden Verbindungsleitung entspricht dies einem Durchmesser von etwa zumindest 160 mm bzw. 250 mm. Derart große Strömungsquerschnitte einer zwischen Plasmabehandlungskammer und Vakuumpumpeinrichtung vorgesehenen Verbindungsleitung sind erforderlich, um den geforderten Gasfluss innerhalb der Plasmabehandlungskammer zu ermöglichen und aufrechtzuerhalten.
Der Mindestquerschnitt der Verbindungsleitung ist ferner von der Länge der Verbindungsleitung abhängig. Beträgt der Abstand zwischen Vakuumpumpeinrichtung und Plasmabehandlungskammer etwa mehr als einen Meter, so können auch noch weitaus größere Strömungsquerschnitte der Verbindungsleitung erforderlich sein.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Plasmabehandlungskammer innerhalb einer Vakuumkammer angeordnet. Die Plasmabehandlungskammer bildet vorzugsweise eine Art Einhausung für das zu erzeugende Plasma und schirmt die Innenwände der Vakuumkammer gegenüber dem Plasma ab. Die Plasmabehandlungskammer weist hierbei zumindest einen, bevorzugt eine Vielzahl von Durchgängen auf, durch welche das in die Plasmabehandlungskammer eingeleitete Prozessgas in die Vakuumkammer und von dort in die zur Vakuumpumpeinrichtung führende Verbindungsleitung strömen kann.
Die geometrische Ausgestaltung sowie die Anzahl der Durchgänge zwischen Plasmabehandlungskammer und Vakuumkammer kann den Leitwert der gasführenden Strukturen maßgeblich beeinflussen.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung beträgt die Summe der Querschnittsflächen sämtlicher durchströmbarer Durchgänge zwischen der Plasmabehandlungskammer und der Vakuumkammer zumindest 100 cm², bevorzugt zumindest 250 cm² und weiter vorzugsweise zumindest 500 cm². Jene Querschnittsflächen sind auch hier auf die Innenoberfläche der Plasmabehandlungskammer pro Quadratmeter normiert. Beträgt die Gesamtinnenoberfläche der Plasmabehandlungskammer zum Beispiel lediglich 0,5 m², so betragen die Querschnittsflächen der genannten Durchgänge zumindest 50 cm², zumindest 125 cm² oder zumindest 250 cm². Entsprechendes gilt natürlich, wenn die Innenoberfläche der Plasmabehandlungskammer mehr als 1 m² beträgt.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Plasmabehandlungseinrichtung mit zumindest einer Plasmaerzeugungseinrichtung ausgestattet, die zumindest eine Anregungsspule zur induktiven Anregung zumindest eines innerhalb der Plasmakammer erzeugbaren Plasmas aufweist. Von Vorteil ist die Anregungsspule außerhalb der Plasmakammer oder sogar außerhalb der Vakuumkammer angeordnet. Zum einen kann hierdurch ein über die Fläche der zu behandelnden Substrate vergleichsweise homogenes Plasma gebildet werden. Ferner kann durch eine außerhalb der Plasmabehandlungskammer bzw. außerhalb der Vakuumkammer vorgesehene Anregungsspule eine Plasmabehandlung der Anregungsspule selbst weitgehend umgangen werden.
Ein vergleichsweise aufwendiges Reinigen einer Anregungsspule, welche infolge eines Plasmabeschichtungsprozesses ebenfalls beschichtet würde, kann hierdurch vermieden werden. Des Weiteren kann durch Vorsehen einer außerhalb der Plasmabehandlungskammer bzw. außerhalb der Vakuumkammer vorgesehenen Anregungsspule das Volumen der Plasmabehandlungskammer bzw. der Vakuumkammer in vorteilhafter Weise reduziert werden. Eine Reduzierung des Kammervolumens geht dabei stets mit einer Effizienzsteigerung der Plasmabehandlungseinrichtung einher. Vorgegebene Prozessdrücke sowie weitere Prozessparameter, wie etwa eine Prozesstemperatur können auf diese Art und Weise recht zügig eingestellt werden. Ferner können Prozesszyklen bzw. Taktzeiten der Plasmabehandlungseinrichtung in vorteilhafter Weise verringert werden.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung beträgt die maximale Hochfrequenzsendeleistung (PHF) der Plasmabehandlungseinrichtung zumindest jeweils 5 kW, 7,5 kW oder 10 kW pro Quadratmeter Innenoberfläche der Plasmabehandlungskammer. Mittels derart leistungsstarken Anregungsspulen und Plasmaerzeugungseinrichtungen kann ein hochdichtes Plasma innerhalb der Plasmabehandlungskammer erzeugt werden. Die Elektronen- oder Ionendichte des Plasmas kann hierbei Werte von mehr als 1 × 10¹⁸ pro Kubikmeter erreichen.
Mit Plasmabeschichtungsprozessen, die bei den zuvor genannten Parametern, nämlich bei einem Prozessdruck zwischen 2 Pa und 50 Pa, bzw. zwischen 2 Pa und 20 Pa, einem Gasvolumenstrom von 3 bis 15 slm und bei einer Hochfrequenzsendeleistung der induktiven Plasmabehandlungseinrichtung von 5 kW bis 10 kW ablaufen, können Beschichtungen mit hoher Schichtgleichmäßigkeit auf den Substraten erreicht werden. Schichtdickeschwankungen können dabei weniger als 5%, 3%, 2% oder sogar weniger als 1% der Schichtdicke betragen.
Nach einem weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die Plasmabehandlungseinrichtung eine bevorzugt einwindige Anregungsspule auf, welche die Plasmabehandlungskammer im Wesentlichen in Umfangsrichtung umschließt und welche bevorzugt außerhalb der Plasmabehandlungskammer angeordnet ist. Eine Spulenebene kann hierbei im Wesentlichen parallel zur Ebene des zumindest einen Substrats ausgerichtet sein.
Indem die Anregungsspule die Plasmabehandlungskammer in Umfangsrichtung im Wesentlich umschließt können die in Richtung der Flächennormalen des zumindest einen zu behandelnden Substrats liegenden Bereiche weitgehend frei zugänglich ausgestaltet werden. Es ist dabei sogar denkbar, zumindest zwei Substrate mit ihren zu behandelnden Flächen einander zugewandt an gegenüberliegenden Seiten des dazwischen und mittels der Anregungsspule erzeugbaren Plasmas anzuordnen.
Nach einem weiteren unabhängigen Aspekt ist ferner ein Verfahren zum Behandeln eines innerhalb einer Plasmabehandlungskammer angeordneten Substrats vorgesehen. Hierbei wird in einem ersten Schritt das zumindest eine Substrat in der Plasmabehandlungskammer angeordnet. Nach einem Einstellen vorgegebener Prozessparameter, insbesondere eines Prozessdrucks wird in der Plasmabehandlungskammer ein Plasma erzeugt. Die Plasmaerzeugung basiert hierbei bevorzugt auf einer induktiven Anregung, welche mittels einer etwa außerhalb der Plasmabehandlungskammer oder außerhalb einer Vakuumkammer angeordneten Spule generierbar ist.
Zur Erzeugung des Plasmas wird zumindest ein Prozessgas oder ein Prozessgasgemisch bzw. werden mehrere Precursor-Gase in die Plasmabehandlungskammer eingeleitet. Gleichzeitig hierzu erfolgt ein Abpumpen des zumindest einen Prozessgases oder des entsprechenden Prozessgasgemischs.
Bei gezündetem Plasma erfolgt zudem eine chemische Reaktion, sodass zumindest ein Teil des eingeleiteten Prozessgases in ein Reaktionsgas übergeht.
Das eingeleitete Prozessgas sowie zumindest ein infolge der Plasmabehandlung gebildetes Reaktionsgas sowie entsprechende Gasgemische können mittels einer über einen Gasauslass mit der Plasmabehandlungskammer in Strömungsverbindung stehenden Vakuumpumpeinrichtung schließlich abgepumpt werden.
Durch kontrolliertes Einleiten des zumindest einen Prozessgases und durch gleichzeitiges Abpumpen des Prozessgases sowie entstehender Reaktionsgase und entsprechender Gasgemische kann ein geforderter Gasmengenstrom innerhalb der Plasmabehandlungskammer gezielt eingestellt werden. Hierbei wird über einen Druckbereich in der Plasmabehandlungskammer von 2 Pa bis 50 Pa, bevorzugt zwischen 2 Pa und 20 Pa pro Quadratmeter Innenoberfläche der Plasmabehandlungskammer ein effektives Saugvermögen der Vakuumpumpeinrichtung von mindestens 1500 m³/h bereitgestellt, welches auf molekularen Stickstoff bezogen ist.
Sofern andere Prozessgase oder Reaktionsgase in die Plasmabehandlungskammer eingeleitet oder aus dieser abgepumpt werden, können auch hiervon abweichende effektive Saugvermögen der Vakuumpumpeinrichtung und somit auch andere Gasmengenströme eingestellt werden. Gängige Vakuumpumpeinrichtungen sind hinsichtlich ihres Saugvermögens bezüglich einer Vielzahl von infrage kommender Prozessgase, wie etwa für Helium, Wasserstoff, Argon charakterisiert und entsprechend kalibriert. Aus den typischerweise von Pumpenherstellern bereitgestellten Datenblättern können zum Beispiel die auf molekularen Stickstoff bezogenen Gasmengenströme bzw. ein entsprechendes effektives Saugvermögen einer Plasmabehandlungskammer auch auf andere Gase umgerechnet und entsprechend skaliert werden.
Prozesstechnisch ist hierbei natürlich vorgesehen, dass vor einem Einlassen des zumindest einen Prozessgases in die Plasmabehandlungskammer die Vakuumpumpeinrichtung in Betrieb genommen wurde. Das zumindest eine Prozessgas wird so bei laufender Pumpe in die Kammer eingelassen, sodass sich ein geforderter Prozessdruck möglichst unmittelbar in der Kammer einstellt. Das Einlegen des zumindest einen Substrats in die Plasmabehandlungskammer erfolgt hierbei entweder vorab, durch nachgeschaltetes Entlüften bzw. Abpumpen oder durch Verwendung eines geeigneten Schleusenmechanismus.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist ferner vorgesehen, dass in der Plasmabehandlungskammer über einen Druckbereich von 2 Pa bis 50 Pa, bevorzugt über einen Druckbereich von 2 Pa bis 20 Pa pro Quadratmeter Innenoberfläche der Plasmabehandlungskammer ein effektives Saugvermögen von mindestens 3000 m³/h, 4000 m³/h, 4500 m³/h, 5000 m³/h oder von zumindest 5500 m³/h, jeweils pro Quadratmeter Innenoberfläche der Plasmabehandlungskammer bereitgestellt wird.
Mittels derartiger effektiver Saugvermögen können weiter bevorzugt im Druckbereich von 2 Pa bis 20 Pa Gasmengen- oder Gasvolumenströme von jeweils mehr als 3 slm, 3,5 slm, 5 slm, 7,5 slm, 10 slm, 12,5 slm oder sogar von mehr als 15 slm eingestellt werden. Die genannten Gasmengenströme sind dabei insbesondere in einem Druckbereich oberhalb von 5 Pa einzustellen. Insbesondere für Druckbereiche oberhalb von 10 Pa oder 15 Pa können Gasvolumenströme pro Quadratmeter Innenoberfläche der Plasmabehandlungskammer von mehr als 7,5 slm oder von mehr als 10 slm eingestellt werden, bei bis zu 20 Pa sind mehr als 15 slm erzielbar, bei Drücken von bis zu 50 Pa sogar Gasvolumenströme von deutlich mehr als 20 slm.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung wird das zumindest eine Prozessgas derart in die Plasmabehandlungskammer eingelassen und aus dieser abgepumpt, dass das betreffende Gas und/oder das infolge des Plasmaprozesses entstehende Reaktionsgas in einem Druckbereich von 2 Pa bis 50 Pa, bevorzugt in einem Druckbereich von 2 Pa bis 20 Pa in der Plasmabehandlungskammer eine Verweilzeit t von t ≤ 0,5 s, t ≤ 0,3 s oder t ≤ 0,2 s aufweist.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist ferner vorgesehen, dass das Verhältnis einer HF-Sendeleistung (PHF[kW]) der Plasmaerzeugungseinrichtung in kW zu dem in der Plasmabehandlungskammer vorherrschenden Druck in Pa (p[Pa]) pro Quadratmeter Innenoberfläche der Plasmabehandlungskammer größer oder gleich 1 eingestellt wird. So ist bei einer Innenoberfläche der Behandlungskammer von 1 m² und bei einem Prozessdruck von 2 Pa eine HF-Leistung der Plasmaerzeugungseinrichtung von zumindest 2 kW vorzusehen. Bei einem höheren Gasdruck, etwa von 5 Pa sind zumindest 5 kW HF-Leistung vorzusehen. Beträgt die Innenoberfläche der Prozesskammer etwa 2 m² so wären entsprechend höhere HF-Leistungen der Plasmaerzeugungseinrichtung vorzusehen bzw. einzustellen.
Es ist hierbei ferner anzumerken, dass die beschriebene Plasmabehandlungseinrichtung und das Verfahren zum Behandeln zumindest eines innerhalb einer Plasmabehandlungskammer angeordneten Substrats in einem unmittelbaren Wechselverhältnis zueinander stehen. So gelten sämtliche zur Plasmabehandlungseinrichtung beschriebenen Merkmale und sich hieraus ergebender Vorteile gleichermaßen für das Behandlungsverfahren, und umgekehrt.
Kurzbeschreibung der Figuren
Weitere Ziele, Merkmale sowie vorteilhafte Ausgestaltungen werden in der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Plasmabehandlungseinrichtung,
2 eine exemplarisch erzielte Beschichtungsrate in Abhängigkeit des Gasflusses und
3 eine räumliche Verteilung der Abscheideraten auf dem Substrat bei unterschiedlichen Leistungen der Plasmaerzeugungseinrichtung.
Detaillierte Beschreibung
Die in 1 schematisch skizzierte Plasmabehandlungseinrichtung 10 weist eine Vakuumkammer 11 auf, innerhalb derer eine Plasmabehandlungskammer 12 angeordnet ist. Die Plasmabehandlungskammer 12 ist mit einer Zufuhrleitung 34 zur Zufuhr zumindest eines Prozessgases 15 strömungstechnisch gekoppelt. Die Zufuhrleitung 34 weist im Mündungsbereich an die Plasmabehandlungskammer 12 einen Einlass 16 auf. Ein in die Plasmabehandlungskammer 12 einströmendes Prozessgas 15 oder ein entsprechendes Gasgemisch kann durch Einkopplung von elektromagnetisches Energie, welche z. B. über eine Plasmaerzeugungseinrichtung 40 mit einer etwa umlaufenden Anregungsspule 42 bereitstellbar ist, zumindest teilweise in einen Plasmazustand versetzt werden.
Folglich kann sich durch eine über die Anregungsspule 42 bereitstellbare induktive Anregung innerhalb der Plasmabehandlungskammer 12 ein Plasma 14 bilden. Dieses kann vornehmlich zur Behandlung der Oberfläche eines innerhalb der Plasmabehandlungskammer 12, bevorzugt auf einem mobilen Träger 2 angeordneten Substrats 1 Verwendung finden.
An die Vakuumkammer 11 ist eine Verbindungsleitung 26 angeschlossen, über welche das zumindest eine Prozessgas 15 bzw. infolge des Plasmaprozesses gebildete Reaktionsgase 15' aus der Plasmabehandlungskammer 12 bzw. aus der Vakuumkammer 11 abgesaugt werden können. Stromabwärts der Verbindungsleitung 26 ist schließlich eine Vakuumpumpeinrichtung 18 vorgesehen. Diese weist bevorzugt eine Vorpumpe 28 sowie eine Wälzkolbenpumpe 30 oder Roots-Pumpe auf. Die bauliche Ausgestaltung einer Wälzkolbenpumpe 30 macht es erforderlich, zwischen der Vakuumpumpeinrichtung 18 und der Vakuumkammer 12 eine gasführende Verbindungsleitung 26 vorzusehen.
Die zwischen der Plasmabehandlungskammer 12 und der Vakuumpumpeinrichtung 18 liegenden gasführenden Strukturen 22, 24, 26 weisen eine derart strömungstechnisch optimierte Geometrie und Gestaltung auf, um der Vakuumpumpeinrichtung 18 ein gefordertes effektives Saugvermögen von mindestens 1500 m³/h je Quadratmeter Innenoberfläche der Plasmabehandlungskammer 12 zu verleihen.
So ist eine ausreichende Anzahl entsprechend groß dimensionierter Durchgänge 22 zwischen Plasmabehandlungskammer 12 und Vakuumkammer 11 vorzusehen. Diese, mithin auch als Pumpspalte zu bezeichnenden Durchgänge 22 sollten in Summe eine Querschnittsfläche von zumindest 100 cm², bevorzugt von zumindest 250 cm² oder weiter vorzugsweise von zumindest 500 cm² pro Quadratmeter Innenoberfläche der Plasmabehandlungskammer 12 aufweisen.
So sind von Vorteil zumindest vier, bevorzugt acht oder sogar sechzehn Durchgänge 22 zwischen Plasmabehandlungskammer 12 und Vakuumkammer 11 vorzusehen. Die Durchgänge 22 sind hierbei angrenzend an eine Seitenwand 36 der Plasmabehandlungskammer 12 vorgesehen. Die Durchgänge 22 können dabei andererseits von einem Träger 2 für das zumindest eine zu behandelnde Substrat 1 oder von einem entsprechend ausgebildeten Boden 2 der Plasmabehandlungskammer begrenzt sein.
Zwischen dem Träger oder Kammerboden 2 und der Vakuumkammer 11 verläuft stromabwärts der Plasmabehandlungskammer 12 zumindest ein, bevorzugt mehrere Durchgangskanäle 24, über welche das aus der Plasmabehandlungskammer 12 herausströmende und in die Vakuumkammer 11 einströmende Gas 15, 15' einem Gasauslass 20 und eine hieran mündende Verbindungsleitung 26 zuführbar ist.
Je nach Länge der Verbindungsleitung 26 zur Vakuumpumpeinrichtung 18 sind durchströmbare Innenquerschnitte der Verbindungsleitung 26 von zumindest 200 cm², bevorzugt von zumindest 490 cm² oder mehr als 500 cm² vorzusehen. Entsprechende kreisrunde Innendurchmesser der Verbindungsleitung 26 sollten hierbei zumindest 160 mm, bevorzugt 250 mm oder mehr betragen.
Stromabwärts der Vakuumpumpeinrichtung 18 ist schließlich eine Abgasleitung 32 vorgesehen, über welche die aus der Plasmabehandlungskammer 12 abgesaugten Gase 15, 15' entsorgt oder wiederaufbereitet werden können.
Für eine möglichst homogene und zügige Beschichtung des Substrats 1, insbesondere zur Erzielung von Beschichtungsraten von mehr als 4 nm/s, 5 nm/s, 6 nm/s, 8 nm/s oder sogar von mehr als 10 nm/s ist es von Vorteil, wenn in der Plasmabehandlungskammer ein Gasmengenstrom von mehr als 3 slm, 3,5 slm, 5 slm, 7,5 slm, 10 slm, 12,5 slm oder sogar von mehr als 15 slm eingestellt wird.
Kombiniert mit einer entsprechend hohen Anregungsenergie bzw. Hochfrequenzsendeleistung der zumindest eine Anregungsspule 42 aufweisenden Plasmaerzeugungseinrichtung können vergleichsweise hochdichte Plasmen 14 erzeugt werden, die zur Verwirklichung der zuvor genannten hohen Beschichtungsraten bei gleichzeitig geringen Schichtdickeschwankungen besonders geeignet sind.

Die nachfolgend aufgeführte Tabelle gibt für eine bestehende Plasmabehandlungseinrichtung mit vorgegebenen geometrischen Abmessungen diverse strömungstechnische Parameter bei unterschiedlichen Prozessdrücken wieder.

1	2	3	4	5	6
Druck	Leitwert gasführender. Struktur	Saugvermögen Pumpe	eff. Saugvermögen	Gasfluss	Verweilzeit
[Pa]	[m³/h]	[m³/h]	[m³/h]	[slm]	[s]
2	5463	5500	2741	0,9	0,28
5	13398	5800	4048	3,4	0,19
10	25774	5700	4668	7,8	0,16
20	50000	5600	5036	16,8	0,15

In der ersten Spalte ist der jeweilige Prozessdruck angegeben. In der zweiten Spalte ist die sich hierzu ergebende Summe der strömungstechnischen Leitwerte der gasführenden Strukturen stromabwärts der Plasmabehandlungskammer und stromabwärts der Vakuumpumpeinrichtung in Kubikmeter pro Stunde wiedergegeben. Es zeigt sich hier, dass bei einem anfänglichen Druck von 2 Pa der Leitwert von knapp 5500 m³/h auf etwa 50000 m³/h bei einem Druck von 20 Pa ansteigt.
In der dritten Spalte ist ferner das Saug- oder Pumpvermögen der Vakuumpumpeinrichtung 18 bei dem jeweils vorherrschenden Prozessdruck angegeben. Die Vakuumpumpeinrichtung 18 weist hierbei die bereits beschriebene Wälzkolbenpumpe auf. Wie aus Spalte 3 ersichtlich, ist das Saugvermögen im Druckbereich zwischen 2 Pa und 20 Pa nahezu konstant.
Aus dem Saugvermögen der Vakuumpumpeinrichtung und dem in Spalte 2 angegebenen Leitwert der gasführenden Strukturen zwischen Vakuumpumpeinrichtung 18 und Plasmabehandlungskammer 12 ergibt sich das in Spalte 4 jeweils angegebene effektive Saugvermögen der Vakuumpumpeinrichtung. Dieses beträgt über den gesamten hier betrachteten Druckbereich zwischen 2 Pa und 20 Pa mehr als 2500 m³/h. Es steigt sogar mit zunehmendem Prozessdruck an und beträgt bei etwa 20 Pa mehr als 5000 m³/h.
Hieraus ergeben sich die in Spalte 5 angegebenen Gasflüsse in Standardlitern pro Minute (slm). Während bei einem Druck von 2 Pa ein Gasfluss von 0,9 slm erreicht wird, beträgt der Gasfluss bei 5 Pa bereits 3,4 slm. Bei noch höheren Prozessdrücken, wie etwa bei 10 Pa oder 20 Pa beträgt der Gasfluss sogar 7,8 slm bzw. 16,8 slm. Aus den genannten und in Tabelle 1 wiedergegebenen Parametern ergeben sich schließlich die in Spalte 6 wiedergegebenen Verweilzeiten der Prozessgase in der Plasmabehandlungskammer 12.
Bei 2 Pa beträgt die Verweilzeit weniger als 0,3 Sekunden. Bei größeren Prozessdrücken, so etwa bei 5 Pa kann die Verweilzeit sogar weniger als 0,2 Sekunden betragen. Bei 10 Pa ist eine Verweilzeit von 0,16 Sekunden und bei 20 Pa ist eine Verweilzeit von 0,15 Sekunden realisierbar.
In den 2 und 3 sind experimentelle Ergebnisse der Beschichtung eines ebenen Substrats 1 mit Siliziumnitrid dargestellt. Hierbei wurde eine erfindungsgemäße Plasmabehandlungseinrichtung 10 mit einer Plasmabehandlungskammer 12 verwendet, die eine Innenoberfläche von 1,1 m² aufweist und die mit einer Vakuumpumpeinrichtung 18 in Strömungsverbindung steht. Prozessgase 15 zur Abscheidung einer Siliziumnitrid Schicht wurden in die Plasmabehandlungskammer 12 eingeleitet. Die Plasmabehandlungskammer 12 und die Vakuumpumpeinrichtung 18 weisen hierbei die in Tabelle 1 beschriebenen Leitwerte bzw. Saugvermögen auf.
Mittels induktiver Anregung wurde hierbei ein Plasma 14 gezündet. Die Plasmaerzeugungseinrichtung 40 weist hierfür eine bevorzugt einwindige Anregungsspule 42 auf, welche außerhalb der Plasmabehandlungskammer 12 ist, gegebenenfalls auch außerhalb der Vakuumkammer 11 angeordnet sein kann. Die Ebene der Anregungsspule 42 erstreckt sich dabei bevorzugt im Wesentlichen parallel zur Ebene des zumindest einen Substrats 1.
Mit variierendem Gasfluss und bei einer HF-Leistung der Plasmaerzeugungseinrichtung 40 von 10 kW konnten dabei die in 2 dargestellten Beschichtungsraten auf dem Substrat 1 erzielt werden. Bei einem Gasfluss von etwa 2000 sccm NH₃ und einem Gasfluss von etwa 1000 sccm SiH₄, welcher 2,0 slm bzw. 1,0 slm entspricht, konnte bei einer Prozesstemperatur von 360°C eine Beschichtungsrate von 7,8 nm/s erreicht werden. Der Prozessdruck in der Vakuum- bzw. Plasmabehandlungskammer betrug hierbei etwa 7,6 Pa.
Doch selbst bei einem geringeren Gasfluss von etwa 1500 sccm NH₃ _, bzw. bei einem entsprechend verringerten Gasfluss von SiH₄ konnten Beschichtungsraten noch oberhalb von 5 nm/s, 5,5 nm/s oder sogar oberhalb von 5,75 nm/s erreicht werden.
In 3 sind ferner diverse Beschichtungsraten jeweils bei Gasflüssen von wiederum 1,9 slm NH₃ und 0,8 slm SiH₄ bei variierender Leistung der Plasmaerzeugungseinrichtung 40 dargestellt.
Bei einem der Tabelle 1 entsprechenden effektiven Saugvermögen der Vakuumpumpeinrichtung 18 herrschte hierbei vor dem Zünden des Plasmas 14 ein Druck in der Plasmabehandlungskammer 12 von etwa 6,5 Pa. Bei ansonsten identischen Behandlungs- und Prozessparametern wurde auf zumindest einem Substrat 1, welches in Form einer Siliziumprobe vorlag Siliziumnitrid durch Zünden und Aufrechterhalten eines HF-Plasmas 14 abgeschieden. Die sich hierbei ergebende räumliche Schichtdickenverteilung bzw. eine hiermit korrespondierende Beschichtungsrate über der Substratfläche wurde dabei jeweils für HF-Leistungen von 2 kW, 3 kW, 4 kW, 7 kW und 10 kW HF-Leistung bestimmt.
Durch die Zersetzung der Gasmoleküle im Plasma 14 stieg der Anteil der Anzahl der Gase in der Plasmabehandlungskammer 12 und damit der Druck auf Werte von bis zu 7,8 Pa an.
Wie in 3 dargestellt ergibt sich bei einer HF-Leistungen von weniger als 3 kW bei dem angegeben Prozessdruck eine Beschichtungsrate von weniger als 1 nm/s. Das Plasma 14 leuchtet inhomogen und schwach. Bei HF-Leistungen zwischen 3 kW und 5 kW nimmt zwar die Intensität des Plasmas 14 zu. Die Beschichtungsraten sind jedoch vergleichsweise inhomogen mit einem deutlichen Minimum im Zentrum des Plasmas bzw. im Zentrum des Substrats 1. Das Substrat 1, welches vorliegend eine Erstreckung von 380 mm aufweist liegt mit seinem Zentrum in der Darstellung nach 3 etwa bei 190 mm.
Erst ab HF-Leistungen von 7 kW und darüber hinaus erscheint eine über der Fläche des Substrats 1 annähernd homogene Beschichtung möglich. Ein zuvor beobachtetes Minimum in der Beschichtungsrate ist nicht mehr vorhanden. Es taucht vielmehr ein leichter Abfall der Beschichtungsraten zum Rand des Substrats 1 hin auf.
Bei einer HF-Leistung von 10 kW ist ein solcher Randabfall nicht mehr vorhanden. Die insbesondere bei einer HF-Leistung von 10 kW erzeugbaren Schichten, welche mit einer Abscheiderate von 7,8 nm/s erzeugt wurden erweisen sich als ausgesprochen homogen. Gemessen von einer Mitte des Substrats, welche bei 190 mm der in 3 angegebenen Skala liegt, ist die Schichtdicke in einen Bereich von –170 mm oder –150 mm bis +150 mm bzw. +170 mm auf dem Substrat 1 annähernd konstant. Variationen der Schichtdicke gegenüber einer mittleren oder gemittelten Schichtdicke betragen dabei über die Gesamtfläche bzw. über eine Gesamtlänge des Substrats 1 von etwa 340 mm weniger als 4%, weniger als 3% oder sogar weniger als 2,5%.
Es wurde beobachtet, dass die für eine homogene Beschichtung erforderliche minimale HF-Leistung zudem noch vom Druck abhängt; so kann bei z. B. 3 Pa Druck bereits bei 5 kW eine homogene Beschichtung erzielt werden. Dabei sind wegen des geringeren Gasflusses die Beschichtungsraten allerdings zum hier beschriebenen Beispiel geringer.
Bezugszeichenliste

1: Substrat
2: Träger
10: Plasmabehandlungseinrichtung
11: Vakuumkammer
12: Plasmabehandlungskammer
14: Plasma
15: Prozessgas
16: Gaseinlass
18: Vakuumpumpeinrichtung
20: Gasauslass
22: Durchgang
24: Durchgangskanal
26: Verbindungsleitung
28: Vorpumpe
30: Wälzkolbenpumpe
32: Abgasleitung
34: Zufuhrleitung
36: Seitenwand
40: Plasmaerzeugungseinrichtung
42: Anregungsspule

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5683548 [0005]
US 2012/0171391 A1 [0007]

Claims

Plasmabehandlungseinrichtung zur Behandlung zumindest eines Substrats (1), mit: – einer Plasmabehandlungskammer (12), in welcher ein zur Behandlung der Substrats (1) vorgesehenes Plasma (14) erzeugbar ist, – zumindest einem in die Plasmabehandlungskammer (12) mündenden Gaseinlass (16) zur Zuleitung zumindest eines Prozessgases (15), – einer Vakuumpumpeinrichtung (18), welche über einen Gasauslass (20) mit der Plasmabehandlungskammer (12) in Strömungsverbindung steht und die in einem Druckbereich zwischen 2 Pa und 50 Pa ein auf molekularen Stickstoff (N₂) bezogenes und auf die Innenoberfläche der Plasmabehandlungskammer (12) normiertes effektives Saugvermögen von mindestens 1500 m³/h pro Quadratmeter Innenoberfläche der Plasmabehandlungskammer (12) aufweist.
Plasmabehandlungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei sich das effektive Saugvermögen der Vakuumpumpeinrichtung (18) aus dem Saugvermögen der Vakuumpumpeinrichtung (18) und aus dem strömungstechnischen Leitwert sämtlicher gasführender Strukturen (22, 24 26) zusammensetzt, welche sich stromabwärts der Plasmabehandlungskammer (12) und stromaufwärts der Vakuumpumpeinrichtung (18) befinden.
Plasmabehandlungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vakuumpumpeinrichtung (18) in einem Druckbereich zwischen 2 Pa und 50 Pa ein auf molekularen Stickstoff (N₂) bezogenes und auf die Innenoberfläche der Plasmabehandlungskammer (12) normiertes effektives Saugvermögen von mindestens 3000 m³/h, 4000 m³/h, 4500 m³/h, 5000 m³/h oder 5500 m³/h pro Quadratmeter Innenoberfläche der Plasmabehandlungskammer (12) aufweist.
Plasmabehandlungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vakuumpumpeinrichtung (18) in einem Druckbereich oberhalb von 5 Pa und/oder oberhalb von 10 Pa ein auf molekularen Stickstoff (N₂) bezogenes und auf die Innenoberfläche der Plasmabehandlungskammer (12) normiertes effektives Saugvermögen von mindestens 3000 m³/h, 4000 m³/h, 4500 m³/h, 5000 m³/h oder 5500 m³/h jeweils pro Quadratmeter Innenoberfläche der Plasmabehandlungskammer (12) aufweist.
Plasmabehandlungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, wobei die stromabwärts des Plasmas (14) und stromaufwärts der Vakuumpumpeinrichtung (18) vorgesehenen gasführenden Strukturen (22, 24, 26) bei einem Druck von 2 Pa einen auf die Innenoberfläche der Plasmabehandlungskammer (12) normierten Gesamtleitwert von zumindest 2000 m³/h, 3000 m³/h, 4000 m³/h, 5000 m³/h oder von zumindest 6000 m³/h jeweils pro Quadratmeter Innenoberfläche der Plasmabehandlungskammer (12) aufweisen.
Plasmabehandlungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vakuumpumpeinrichtung (18) eine Wälzkolbenpumpe (30) aufweist, die bei einem Druck von 2 Pa ein auf die Innenoberfläche der Plasmabehandlungskammer (12) normiertes Saugvermögen von zumindest 2000 m³/h, 3000 m³/h, 4000 m³/h, 5000 m³/h oder von zumindest 6000 m³/h jeweils pro Quadratmeter Innenoberfläche der Plasmabehandlungskammer (12) aufweist.
Plasmabehandlungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vakuumpumpeinrichtung (18) über einen Druckbereich zwischen 2 Pa und 50 Pa ein annähernd konstantes, höchstens um 10% oder 20% von ihrem maximalen Saugvermögen abweichendes Saugvermögen aufweist.
Plasmabehandlungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine die Plasmabehandlungskammer (12) mit der Vakuumpumpeinrichtung (18) strömungstechnisch verbindende Verbindungsleitung (26) einen durchströmbaren Querschnitt von zumindest 200 cm², bevorzugt von zumindest 490 cm² oder von mehr als 500 cm² aufweist.
Plasmabehandlungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Plasmabehandlungskammer (12) innerhalb einer Vakuumkammer (11) angeordnet ist.
Plasmabehandlungseinrichtung nach Anspruch 9, wobei die Plasmabehandlungskammer (12) über zumindest einen durchströmbaren Durchgang (22) mit der Vakuumkammer (11) in Strömungsverbindung steht, wobei die Summe der Querschnittsflächen sämtlicher Durchgänge (22) zwischen Plasmabehandlungskammer (12) und Vakuumkammer (11) zumindest 100 cm², bevorzugt zumindest 250 cm², weiter vorzugsweise zumindest 500 cm², jeweils pro Quadratmeter Innenoberfläche der Plasmabehandlungskammer (12) beträgt.
Plasmabehandlungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit zumindest einer Plasmaerzeugungseinrichtung (40), welche zumindest eine Anregungsspule (42) zur induktiven Anregung zumindest eines innerhalb der Plasmakammer (12) erzeugbaren Plasmas (14) aufweist.
Plasmabehandlungseinrichtung nach Anspruch 11, wobei die die Plasmabehandlungskammer (12) im Wesentlichen in Umfangsrichtung umschließende Anregungsspule (42) außerhalb der Plasmabehandlungskammer (12) angeordnet ist und mit ihrer Spulenebene im Wesentlichen parallel zur Ebene des zumindest einen Substrats (1) ausgerichtet ist.
Plasmabehandlungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hochfrequenzsendeleistung (PHF) der Plasmaerzeugungseinrichtung (40) zumindest jeweils 5 kW, 7,5 kW oder 10 kW pro Quadratmeter Innenoberfläche der Plasmabehandlungskammer (12) aufweist.
Verfahren zum Behandeln zumindest eines innerhalb einer Plasmabehandlungskammer (12) angeordneten Substrats (1), mit den Schritten: – Anordnen des zumindest einen Substrats in der Plasmabehandlungskammer (12), – Einleiten zumindest eines Prozessgases (15) in die Plasmabehandlungskammer (12), – Abpumpen des zumindest einen Prozess- und/oder infolge der Plasmabehandlung gebildeten Reaktionsgases (15') mittels einer über einen Gasauslass (20) mit der Plasmabehandlungskammer (12) in Strömungsverbindung stehenden Vakuumpumpeinrichtung (18), – Erzeugen eines Plasmas (14) innerhalb der Plasmabehandlungskammer (12), – wobei über einen Druckbereich in der Plasmabehandlungskammer (12) von 2 Pa bis 50 Pa eine auf molekularen Stickstoff (N₂) bezogene und auf die Innenoberfläche der Plasmabehandlungskammer (12) normiertes effektives Saugvermögen von mindestens 1500 m³/h pro Quadratmeter Innenoberfläche der Plasmabehandlungskammer (12) bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei über einen Druckbereich in der Plasmabehandlungskammer (12) von 2 Pa bis 50 Pa pro Quadratmeter Innenoberfläche der Plasmabehandlungskammer (12) ein Gasmengenstrom von mindestens 3 slm, 3,5 slm, 5 slm, 7,5 slm, 10 slm, 12,5 slm, oder von mindestens 15 slm eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 14 oder 15, wobei das zumindest eine Prozessgas (15) derart in die Plasmabehandlungskammer (12) eingelassen und aus dieser abgepumpt wird, dass das betreffende Gas (15) und/oder das Reaktionsgas (15') in einem Druckbereich von 2 Pa bis 50 Pa eine Verweilzeit in der Plasmabehandlungskammer (12) von ≤ 0,5 s, ≤ 0,3 s oder ≤ 0,2 s aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 16, wobei das Verhältnis einer HF-Sendeleistung (PHF[kW]) der Plasmaerzeugungseinrichtung (40) in kW zu dem in der Plasmabehandlungskammer (12) vorherrschenden Druck in Pa (p[Pa]) pro Quadratmeter Innenoberfläche der Plasmabehandlungskammer (12) größer als 1 eingestellt wird.