DE102013010408A1

DE102013010408A1 - METHOD AND DEVICE FOR DETECTING A PLASMA IGNITION

Info

Publication number: DE102013010408A1
Application number: DE102013010408.4A
Authority: DE
Inventors: Dr. Gschwandtner Alexander
Original assignee: HQ Dielectrics GmbH
Current assignee: HQ Dielectrics GmbH
Priority date: 2013-06-21
Filing date: 2013-06-21
Publication date: 2014-12-24

Abstract

Es ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Detektieren eines durch Mikrowellenanregung erzeugten Plasmas in einer Prozesskammer zur Behandlung von Substraten beschrieben. Die Vorrichtung weist eine Prozesskammer zur Aufnahme wenigstens eines Substrats, wenigstens eine Mikrowellenelektrode, die zur Abgabe von Mikrowellenstrahlung in die Prozesskammer angeordnet ist und wenigstens einen Mikrowellensensor auf, der so angeordnet ist, dass er Mikrowellen innerhalb der Prozesskammer detektieren und ein der detektierten Mikrowellenleistung entsprechendes Ausgangssignal ausgeben kann. Ferner ist wenigstens eine Auswerteeinheit vorgesehen, die in der Lage ist ein Ausgangssignal des Mikrowellensensors über einen Zeitraum hinweg zu verfolgen und wenigstens anhand einer Veränderung des Ausgangssignals des Mikrowellensensors eine Zündung oder ein Erlöschens eines Plasmas zu ermitteln. Bei dem Verfahren wird eine durch wenigstens eine Mikrowellenelektrode abgegebenen Mikrowellenstrahlung innerhalb der Prozesskammer mit einem Mikrowellensensor über einen Zeitraum gemessen und eine Veränderung der Mikrowellenstrahlung über den Zeitraum detektiert. Anhand wenigstens der Veränderung wird dann eine Zündung und/oder ein Erlöschen eines Plasmas ermittelt.A method and a device for detecting a plasma generated by microwave excitation in a process chamber for treating substrates is described. The device has a process chamber for receiving at least one substrate, at least one microwave electrode which is arranged to emit microwave radiation into the process chamber and at least one microwave sensor which is arranged such that it detects microwaves within the process chamber and an output signal corresponding to the detected microwave power can spend. Furthermore, at least one evaluation unit is provided, which is able to track an output signal of the microwave sensor over a period of time and to determine at least on the basis of a change in the output signal of the microwave sensor whether an ignition or extinguishing of a plasma. In the method, microwave radiation emitted by at least one microwave electrode within the process chamber is measured with a microwave sensor over a period of time and a change in the microwave radiation over the period of time is detected. Ignition and / or extinction of a plasma is then determined on the basis of at least the change.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Detektieren eines durch Mikrowellenanregung erzeugten Plasmas und insbesondere einer Plasmazündung in einer Prozesskammer zur Behandlung von Substraten, insbesondere Halbleitersubstraten.The present invention relates to a method and a device for detecting a plasma generated by microwave excitation and in particular a plasma ignition in a process chamber for the treatment of substrates, in particular semiconductor substrates.

Bei der Herstellung von elektronischen Bauelementen, wie beispielsweise Speicherchips, Mikroprozessoren, aber auch in der Photovoltaik oder im Bereich von Flachbildschirmen sind unterschiedliche Produktionsschritte zur Herstellung eines Endprodukts notwendig. Dabei werden während der Herstellung der Produkte unterschiedliche Schichten zum Aufbau der elektronischen Bauelemente aufgebracht. Eine wichtige Klasse dieser Schichten sind dielektrische Schichten, welche unterschiedliche Schichten isolieren. Wie auch bei allen anderen Schichtaufbauten ist es notwendig, die dielektrischen Schichten fehlerfrei und zuverlässig aufzubauen, um die Funktionalität des Bauelements sicherzustellen.In the production of electronic components, such as memory chips, microprocessors, but also in photovoltaics or in the field of flat screens different production steps for the production of a final product are necessary. During the production of the products, different layers are applied for the construction of the electronic components. An important class of these layers are dielectric layers which insulate different layers. As with all other layer structures, it is necessary to build the dielectric layers faultlessly and reliably to ensure the functionality of the device.

Für die Ausbildung von dielektrischen oder anderen Schichten oder auch die Behandlung solcher Schichten auf einem Substrat sind unterschiedliche Verfahren bekannt. Insbesondere sind thermische Behandlungsverfahren vielfältig bekannt. Eine neuere Entwicklung zeigt, dass der Einsatz eines Plasmas bei der Schichtbildung auf Substraten oder auch der Behandlung von Substraten vorteilhaft sein kann.For the formation of dielectric or other layers or the treatment of such layers on a substrate, different methods are known. In particular, thermal treatment methods are widely known. A recent development shows that the use of a plasma can be advantageous in the layer formation on substrates or the treatment of substrates.

In der WO 2010/015385 A ist eine stabförmige Mikrowellen-Plasmaelektrode beschrieben, bei der ein Innenleiter in einem ersten Teilbereich vollständig von einem Außenleiter umgeben ist. Benachbart zu diesem Teilbereich schließt sich ein Teilbereich an, in dem der Außenleiter eine sich zu einem freien Ende erweiternde Öffnung vorsieht. Im Bereich der sich erweiternden Öffnung wird Mikrowellenleistung zur Erzeugung eines Plasmas ausgekoppelt. Solche stabförmigen Plasmaelektroden können einem zu behandelnden Substrat gegenüberliegend angeordnet werden und das Substrat ist nicht zwischen den das Plasma erzeugenden Elektroden angeordnet, wie es bei älteren Behandlungsvorrichtungen, wie zum Beispiel einer Vorrichtung gemäß der US 2005 01 64 523 A1 der Fall ist. Mit solchen Plasmaelektroden lassen sich verbesserte Bearbeitungsergebnisse erzielen.In the WO 2010/015385 A is a rod-shaped microwave plasma electrode described in which an inner conductor is completely surrounded in a first portion of an outer conductor. Adjacent to this sub-area is followed by a sub-area, in which the outer conductor provides an opening which widens to a free end. In the area of the widening opening, microwave power is decoupled to produce a plasma. Such rod-shaped plasma electrodes may be disposed opposite to a substrate to be treated, and the substrate is not disposed between the plasma-generating electrodes as in the case of older treatment devices such as a device according to the present invention US 2005 01 64 523 A1 the case is. With such plasma electrodes, improved processing results can be achieved.

Ein Beispiel einer Anwendung solcher Plasmaelektroden liegt in der Ausbildung von dielektrischen Schichten auf Halbleitersubstraten, wie es beispielsweise in der DE 20 2011 100 024 A1 beschrieben ist. Hier wird ein Prozessgas in Kontakt mit dem Halbleitersubstrat geleitet und ein Plasma aus dem Prozessgas benachbart zu wenigstens einer Oberfläche des Halbleitersubstrats erzeugt.An example of an application of such plasma electrodes lies in the formation of dielectric layers on semiconductor substrates, as described, for example, in US Pat DE 20 2011 100 024 A1 is described. Here, a process gas is conducted into contact with the semiconductor substrate and a plasma is generated from the process gas adjacent to at least one surface of the semiconductor substrate.

Bei allen Behandlungsverfahren, welche Plasma einsetzen, ist es für den Prozess wichtig zu wissen, wann ein Plasma gezündet ist und wann nicht. Dies gilt insbesondere bei Prozessen, bei denen nur eine geringe Mikrowellenleistung in die Mikrowellenelektrode(n) eingespeist wird und eine Plasmazündung nicht immer gegeben ist oder nur verzögert auftritt. Bisher ist hierzu kein verlässliches Messverfahren bekannt.In all treatment processes using plasma, it is important for the process to know when a plasma is ignited and when not. This is especially true in processes in which only a small microwave power is fed into the microwave electrode (s) and a plasma ignition is not always given or occurs only delayed. So far, no reliable measurement method is known.

Zwar könnten optische Sensoren rasch eine plasmabedingte Lichterscheinung detektieren, aber nur, wenn nicht zusätzliche Lichtquellen vorhanden sind, welche die Lichterscheinung überlagern können, wie es beispielsweise bei Heizlampen innerhalb der Prozesskammer der Fall sein kann.Although optical sensors could quickly detect a plasma-induced light phenomenon, but only if there are no additional light sources, which can superimpose the light phenomenon, as may be the case for example with heating lamps within the process chamber.

Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Detektieren eines durch Mikrowellenanregung erzeugten Plasmas vorzusehen, das bzw. die eine sichere Detektierung eines Plasmas erlaubt.Therefore, it is an object of the present invention to provide a method and apparatus for detecting a plasma generated by microwave excitation, which allows a safe detection of a plasma.

Erfindungsgemäß ist hierfür ein Verfahren zum Detektieren eines durch Mikrowellenanregung erzeugtes Plasma nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 10 vorgesehen. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.According to the invention for this purpose, a method for detecting a generated by microwave excitation plasma according to claim 1 and an apparatus according to claim 10 is provided. Further embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.

Insbesondere wird bei dem Verfahren zum Detektieren eines durch Mikrowellenanregung erzeugten Plasmas in einer Prozesskammer zur Behandlung von Substraten, eine durch wenigstens eine Mikrowellenelektrode abgegebene Mikrowellenstrahlung innerhalb der Prozesskammer mit einem Mikrowellensensor über einen Zeitraum gemessen und eine Veränderung der Mikrowellenstrahlung über den Zeitraum hinweg detektiert. Anhand wenigstens der Veränderung wird dann eine Zündung und/oder ein Erlöschen eines Plasmas ermittelt. Dieses Verfahren nutzt den Effekt, dass im Mikrowellen-Plasma eine große Anzahl von geladenen Teilchen erzeugt wird, welche die Ausbreitung der Mikrowelle wenigstens teilweise abschirmen. Die Mikrowellen werden somit wenigstens teilweise abgeschirmt und können durch den Mikrowellensensor nicht mehr gemessen werden, wodurch sich eine signifikante Veränderung im Ausgangssignal desselben ergibt. Bei einem Erlöschen des Plasmas bei fortgesetzter Abstrahlung von Mikrowellen durch die wenigstens eine Mikrowellenelektrode entsteht wiederum eine entsprechende signifikante Änderung im Ausgangssignal. Das Verfahren ermöglicht somit eine verlässliche Detektierung eines Plasmas in der Prozesskammer.In particular, in the method for detecting a plasma generated by microwave excitation in a process chamber for treating substrates, a microwave radiation emitted by at least one microwave electrode within the process chamber is measured with a microwave sensor over a period of time and a change in microwave radiation over the time period is detected. On the basis of at least the change then an ignition and / or extinguishment of a plasma is determined. This method utilizes the effect of producing a large number of charged particles in the microwave plasma which at least partially shield the propagation of the microwave. The microwaves are thus at least partially shielded and can no longer be measured by the microwave sensor, resulting in a significant change in the output thereof. In the case of extinction of the plasma with continued radiation of microwaves by the at least one microwave electrode, a corresponding significant change in the output signal arises again. The method thus enables a reliable detection of a plasma in the process chamber.

Bei einer Ausführungsform wird beim Ermitteln einer Zündung und/oder eines Erlöschens eines Plasmas wenigsten einer der weiteren Prozessparameter berücksichtigt: die in die wenigstens eine Mikrowellenelektroden eingespeiste und/oder von dieser reflektierte Mikrowellenleistung, der Druck in der Prozesskammer und die Prozessgaszusammensetzung. Diese ermöglichen über die reine Detektierung einer Zündung und/oder eines Erlöschens eines Plasmas zusätzlich eine Analyse hinsichtlich der Gründe für die Zündung und/oder des Erlöschens und/oder einer nicht erfolgten (aber erwarteten) Zündung. Diese können gegebenenfalls in der aktuellen oder einer zukünftigen Prozessführung berücksichtigt werden. In one embodiment, upon determining ignition and / or extinguishment of a plasma, at least one of the other process parameters is taken into account: the microwave power fed into and / or reflected by the at least one microwave electrode, the pressure in the process chamber, and the process gas composition. These additionally allow an analysis of the reasons for the ignition and / or the extinction and / or a failure (but expected) ignition via the mere detection of an ignition and / or extinguishment of a plasma. If necessary, these can be taken into account in the current or future process management.

Die Vorrichtung zum Detektieren eines durch Mikrowellenanregung erzeugten Plasmas in einer Prozesskammer zur Behandlung von Substraten, weist eine Prozesskammer zur Aufnahme wenigstens eines Substrats, wenigstens eine Mikrowellenelektrode, die zur Abgabe von Mikrowellenstrahlung in die Prozesskammer angeordnet ist und wenigstens einen Mikrowellensensor, der so angeordnet ist, dass er Mikrowellen innerhalb der Prozesskammer detektieren und ein der detektierten Mikrowellenleistung entsprechendes Signal ausgeben kann, auf. Ferner ist wenigstens eine Auswerteeinheit vorgesehen, die in der Lage ist ein Ausgangssignal des Mikrowellensensors über einen Zeitraum hinweg zu verfolgen und wenigstens anhand einer Veränderung des Ausgangssignals des Mikrowellensensors eine Zündung und/oder ein Erlöschen eines Plasmas zu ermitteln. Eine solche Vorrichtung ermöglicht eine sichere und einfache Detektierung eines Plasmas in einer Prozesskammer.The device for detecting a plasma generated by microwave excitation in a process chamber for the treatment of substrates, has a process chamber for receiving at least one substrate, at least one microwave electrode, which is arranged for emitting microwave radiation into the process chamber and at least one microwave sensor, which is arranged so in that it can detect microwaves within the process chamber and output a signal corresponding to the detected microwave power. Furthermore, at least one evaluation unit is provided, which is able to track an output signal of the microwave sensor over a period of time and to determine at least by means of a change in the output signal of the microwave sensor, an ignition and / or extinguishment of a plasma. Such a device enables a safe and simple detection of a plasma in a process chamber.

Die Vorrichtung weist vorzugsweise Mittel zum Bestimmen eines Wertes wenigstens eines der Folgenden auf: die in die wenigstens eine Mikrowellenelektroden eingespeiste und/oder von dieser reflektierte Mikrowellenleistung, den Druck in der Prozesskammer und die Prozessgaszusammensetzung, wobei die wenigstens eine Auswerteeinheit ferner in der Lage ist ein Signal, das den obigen Werten entspricht über einen Zeitraum zu verfolgen und bei der Ermittlung eine Zündung und/oder ein Erlöschens eines Plasmas zu berücksichtigen.The device preferably has means for determining a value of at least one of the following: the microwave power fed into and / or reflected by the at least one microwave electrode, the pressure in the process chamber and the process gas composition, wherein the at least one evaluation unit is also capable of To track the signal over a period of time corresponding to the above values and to consider ignition and / or extinguishment of a plasma upon determination.

Bevorzugt weist die Vorrichtung wenigstens eine einseitig mit Mikrowellen beaufschlagte Mikrowellenelektrode mit Innen- und Außenleiter auf, wobei der Außenleiter eine sich zu einem freien Ende der Elektrode erweiternde Auskopplungsöffnung bildet.The device preferably has at least one microwave electrode having inner and outer conductors, which is acted upon by microwaves on one side, wherein the outer conductor forms a coupling-out opening widening to a free end of the electrode.

Für eine zuverlässige Detektierung ist der Mikrowellensensor bevorzugt außerhalb eines zu erwartenden Plasmabereichs der wenigstens einen Mikrowellenelektrode angeordnet. Bei einer Ausführungsform weist der Mikrowellensensor einen Innenleiter, einen Außenleiter der den Innenleiter umgibt, und einen Gleichrichter insbesondere in Form einer Hochfrequenzdiode oder eines Transistors auf. Zum Schutz des Mikrowellensensors ist dieser bevorzugt über ein dielektrisches Gehäuse gegenüber der Prozesskammer isoliert. Insbesondere kann das Gehäuse durch einen einseitig geschlossenen Zylinder aus dielektrischem Material gebildet werden, der sich durch eine Gehäusewand der Prozesskammer hindurch erstreckt und zur wenigstens teilweisen Aufnahme des Mikrowellensensors bemessen ist.For reliable detection, the microwave sensor is preferably arranged outside of an expected plasma region of the at least one microwave electrode. In one embodiment, the microwave sensor has an inner conductor, an outer conductor which surrounds the inner conductor, and a rectifier, in particular in the form of a high-frequency diode or a transistor. To protect the microwave sensor, it is preferably insulated from the process chamber via a dielectric housing. In particular, the housing can be formed by a cylinder closed on one side of dielectric material, which extends through a housing wall of the process chamber and is dimensioned for at least partially receiving the microwave sensor.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert; in den Zeichnungen zeigt:The invention will be explained in more detail with reference to the figures; in the drawings shows:

1 eine schematische Schnittansicht durch eine Vorrichtung zum Behandeln von Substraten mithilfe eines Plasmas; 1 a schematic sectional view through an apparatus for treating substrates by means of a plasma;

2 eine vergrößerte schematische Schnittansicht durch einen Mikrowellensensor; 2 an enlarged schematic sectional view through a microwave sensor;

3 eine Kurve, welche ein Beispiel eines Ausgangssignals des Mikrowellensensors während einer Zündphase einer Plasmaelektrode zeigt. 3 a curve showing an example of an output signal of the microwave sensor during an ignition phase of a plasma electrode.

Die in der nachfolgenden Beschreibung verwendeten relativen Begriffe, wie zum Beispiel links, rechts, über und unter beziehen sich auf die Zeichnungen und sollen die Anmeldung in keiner Weise einschränken, auch wenn sie bevorzugte Anordnungen bezeichnen können.The relative terms used in the following description, such as left, right, above and below, refer to the drawings and are not intended to limit the application in any way, even though they may refer to preferred arrangements.

1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung 1 zum Behandeln von Substraten 2 mit Hilfe eines Plasmas. Die Vorrichtung 1 besitzt ein Gehäuse 3, das als ein Vakuumgehäuse ausgeführt ist und das über eine nicht dargestellte. Vakuumeinheit auf einen Unterdruck abgepumpt werden kann. Innerhalb des Gehäuses 3 ist eine Prozesskammer 4 definiert. Das Gehäuse 3 besitzt eine Be-/Entladeöffnung 5, die über einen Türmechanismus 6 in bekannter Art und Weise geöffnet und geschlossen werden kann. 1 shows a schematic sectional view of a device 1 for treating substrates 2 with the help of a plasma. The device 1 has a housing 3 , which is designed as a vacuum housing and the not shown. Vacuum unit can be pumped to a vacuum. Inside the case 3 is a process chamber 4 Are defined. The housing 3 has a loading / unloading opening 5 that have a door mechanism 6 can be opened and closed in a known manner.

Die Vorrichtung 1 besitzt ferner eine Substrattrageinheit 7, eine Plasmaeinheit 8, eine Heizeinheit 10 sowie eine Detektoreinheit 12. Die Trageinheit 7 besitzt eine Substratauflage 18, die über eine Welle 20 drehbar innerhalb der Prozesskammer 4 getragen wird, wie durch den Pfeil A dargestellt ist. Die Welle 20 ist hierfür mit einer nicht näher dargestellten Dreheinheit verbunden. Darüber hinaus ist die Welle 20 und somit die Auflage 18 auf und ab bewegbar, wie durch den Doppelpfeil B dargestellt ist. Hierdurch lässt sich die Auflageebene der Auflage 18 innerhalb der Prozesskammer 4 nach oben bzw. nach unten verstellen, wie nachfolgend noch näher erläutert wird.The device 1 also has a substrate support unit 7 , a plasma unit 8th , a heating unit 10 and a detector unit 12 , The carrying unit 7 has a substrate support 18 that over a wave 20 rotatable within the process chamber 4 is worn, as shown by the arrow A. The wave 20 is connected for this purpose with a rotary unit, not shown. In addition, the wave 20 and thus the edition 18 movable up and down as shown by the double arrow B. This allows the support level of the support 18 within the process chamber 4 Move up or down, as will be explained in more detail below.

Die Plasmaeinheit 8 besteht aus einer Vielzahl von stabförmigen Plasmaelektroden 24, des Mikrowellen-Typs, wie er in der WO 2010/015385 A beschrieben ist, die hinsichtlich des Aufbaus der Mikrowellenelektrode durch Bezugnahme aufgenommen wird, um Wiederholungen zu vermeiden. Insbesondere sind die Plasmaelektroden 24 einseitig mit Mikrowellen beaufschlagte Mikrowellenelektroden mit Innen- und Außenleiter. Der Außenleiter ist so geformt, dass er eine sich zu einem freien Ende der Mikrowellenelektrode erweiternde Auskopplungsöffnung bildet. Hierdurch kann über die Länge der Mikrowellenelektrode eine gleichmäßige Auskopplung von Mikrowellen und somit ein gleichmäßiges Plasma erreicht werden. Für die Einkopplung der Mikrowellen in die Mikrowellenelektrode ist ein nicht dargestellter Mikrowellengenerator vorgesehen. Ferner können Mittel vorgesehen sein, welche die eingekoppelte und/oder die reflektierte Mikrowellenleistung für jede Mikrowellenelektrode erfassen können. The plasma unit 8th consists of a variety of rod-shaped plasma electrodes 24 , of the microwave type, as in the WO 2010/015385 A described with respect to the structure of the microwave electrode by reference, to avoid repetition. In particular, the plasma electrodes 24 Microwave electrodes with inner and outer conductors exposed to microwaves on one side. The outer conductor is shaped to form a coupling-out opening which widens to a free end of the microwave electrode. In this way, a uniform coupling of microwaves and thus a uniform plasma can be achieved over the length of the microwave electrode. For the coupling of the microwaves in the microwave electrode, an unillustrated microwave generator is provided. Furthermore, means may be provided which can detect the coupled and / or the reflected microwave power for each microwave electrode.

Die Plasmaelektroden 24 sind in Hüllrohren 26 aus dielektrischem Material, wie beispielsweise aus Quarz aufgenommen und somit gegenüber der Prozessatmosphäre innerhalb der Prozesskammer 4 isoliert. Diese Hüllrohre 24 können sich durch die gesamte Prozesskammer 4 hindurch erstrecken und durch entsprechende Öffnungen im Gehäuse 3 in abgedichteter Weise nach Außen geführt sein, wie es beispielsweise in der DE 10 2010 050 258 A beschrieben ist, die insofern durch Bezugnahme aufgenommen wird, um Wiederholungen zu vermeiden. Sie können aber auch in anderer Weise angeordnet sein, um die Plasmaelektroden 24 aufzunehmen oder die Plasmaelektroden 24 könnten auch gemeinsam durch ein einzelnes Plattenelement gegenüber der Prozesskammer 4 isoliert sein. Bei der dargestellten Anordnung kann sich um die jeweiligen Plasmaelektroden 24 ein Plasma 28 aus dem eingesetzten Prozessgas ausbilden, sofern die in die Plasmaelektroden 24 eingekoppelte Mikrowellenleistung ausreicht, um das Plasma zu zünden. Dies hängt unter anderem auch von weiteren Prozessbedingungen, wie zum Beispiel dem Druck und der Gaszusammensetzung des Prozessgases ab, wie der Fachmann erkennen wird. Die einzelnen Plasmen 28 können sich während des Prozesses im Wesentlichen zu einem gemeinsamen Plasma vereinigen.The plasma electrodes 24 are in ducts 26 of dielectric material, such as quartz, and thus to the process atmosphere within the process chamber 4 isolated. These ducts 24 can get through the entire process chamber 4 extend through and through corresponding openings in the housing 3 be guided in a sealed manner to the outside, as for example in the DE 10 2010 050 258 A is hereby incorporated by reference so as to avoid repetition. However, they can also be arranged in a different way to the plasma electrodes 24 or the plasma electrodes 24 could also be shared by a single plate element opposite the process chamber 4 be isolated. The arrangement shown may be around the respective plasma electrodes 24 a plasma 28 form from the process gas used, provided that in the plasma electrodes 24 coupled microwave power is sufficient to ignite the plasma. Among other things, this depends on other process conditions, such as the pressure and the gas composition of the process gas, as will be apparent to those skilled in the art. The individual plasmas 28 can essentially unite during the process to a common plasma.

Die Heizeinheit 10 besteht aus einer Vielzahl von Strahlungsquellen 30, die parallel oder auch senkrecht zu den Plasmaelektroden 24 angeordnet sein können. Die Strahlungsquellen weisen jeweils eine Lampe, wie beispielsweise eine Bogen- oder Halogenlampe auf, die von einem Hüllrohr 32, beispielsweise aus Quarz umgeben ist. Auch hier könnten die Strahlungsquellen 30 beispielsweise durch eine gemeinsame Quarzplatte gegenüber der Prozesskammer isoliert sein. Die Strahlung der Strahlungsquellen 30 ist in der Lage das Substrat 2 direkt zu erwärmen, wenn die Auflage 20 für die Strahlung der Strahlungsquelle 30 im Wesentlichen transparent ist. Hierzu könnte die Auflage 20 beispielsweise aus Quarz aufgebaut sein. Es ist aber auch möglich eine indirekte Heizung des Substrats 2 vorzusehen, wobei hierfür beispielsweise die Auflage 20 aus einem die Strahlung der Strahlungsquelle 30 im Wesentlichen absorbierenden Material aufgebaut ist. Die Strahlung würde dann die Auflage 20 erwärmen, die dann wiederum das Substrat 2 erwärmt.The heating unit 10 consists of a variety of radiation sources 30 that are parallel or perpendicular to the plasma electrodes 24 can be arranged. The radiation sources each have a lamp, such as an arc or halogen lamp, that of a cladding tube 32 , for example, is surrounded by quartz. Again, the radiation sources could 30 be isolated for example by a common quartz plate relative to the process chamber. The radiation of the radiation sources 30 is capable of the substrate 2 to heat directly when the pad 20 for the radiation of the radiation source 30 is essentially transparent. This could be the edition 20 be constructed of quartz, for example. But it is also possible an indirect heating of the substrate 2 provide, for example, the edition 20 from one the radiation of the radiation source 30 essentially absorbent material is constructed. The radiation would then be the edition 20 then they heat up the substrate 2 heated.

Die Vorrichtung 1 weist vorzugsweise wenigstens eine Temperaturmesseinheit auf, um die Temperatur des Substrats 2 zu ermitteln. Die ermittelte Temperatur kann an eine nicht dargestellte Steuereinheit weitergeleitet werden, die dann anhand einer Temperaturvorgabe die Heizeinheit 10 entsprechend regeln kann, um eine vorbestimmte Temperatur des Substrats zu erhalten, wie es in der Technik bekannt ist.The device 1 preferably has at least one temperature measuring unit to the temperature of the substrate 2 to investigate. The determined temperature can be forwarded to a control unit, not shown, which then based on a temperature specification, the heating unit 10 Accordingly, to obtain a predetermined temperature of the substrate, as is known in the art.

Die Detektoreinheit 12 dient dazu die Gegenwart eines Plasmas 28 insbesondere durch Detektieren einer Plasmazündung und/oder dem Erlöschen eines Plasmas 28 zu detektieren. Die Detektoreinheit 12 weist entsprechend 2 eine Anordnung aus koaxial angeordneten Innenleiter 36 und Außenleiter 38, sowie einem Gleichrichter 40 auf. Diese Anordnung ist in einer Aufnahme 42 wenigstens teilweise aufgenommen, wie nachfolgend noch näher erläutert wird.The detector unit 12 serves the presence of a plasma 28 in particular by detecting a plasma ignition and / or the extinction of a plasma 28 to detect. The detector unit 12 points accordingly 2 an arrangement of coaxially arranged inner conductor 36 and outer conductor 38 , as well as a rectifier 40 on. This arrangement is in a receptacle 42 at least partially included, as will be explained in more detail below.

Der Innenleiter 36 und der Außenleiter 38 bilden eine Antennenstruktur, die insbesondere für den Empfang von Mikrowellen ausgelegt ist. Der Gleichrichter 40 steht mit dem Innenleiter 36 und dem Außenleiter 38 in Verbindung und weist beispielsweise eine Hochfrequenzdiode, wie eine Schottky-Diode, oder einen Transistor auf. Die Detektoreinheit 12 stellt somit eine Anordnung dar, die als Mikrowellenempfangsantenne dient und beim Empfang von Mikrowellen in der Lage ist ein Strom- oder Spannunssignal auszugeben, das proportional zu der empfangenen Mikrowellenleistung ist. Statt der dargestellten Ausführung der Detektoreinheit 12 können auch andere in der Technik bekannte Detektoreinheiten engesetzt werden, welche in der Lage sind die Gegenwart von Mikrowellen zu detektieren und eine der empfangenen Mikrowellenleistung entsprechendes Signal auszugeben.The inner conductor 36 and the outer conductor 38 form an antenna structure, which is designed in particular for the reception of microwaves. The rectifier 40 stands with the inner conductor 36 and the outer conductor 38 and has, for example, a high-frequency diode, such as a Schottky diode, or a transistor. The detector unit 12 thus represents an arrangement which serves as a microwave receiving antenna and when receiving microwaves is capable of outputting a current or voltage signal which is proportional to the received microwave power. Instead of the illustrated embodiment of the detector unit 12 For example, other detector units known in the art may be used which are capable of detecting the presence of microwaves and outputting a signal corresponding to the received microwave power.

Die Aufnahme 42 besteht aus einem einseitig (zur Prozesskammer 4 weisend) geschlossenen Zylinder 44 aus einem dielektrischen Material, wie beispielsweise Quarz oder einem anderen geeigneten Material. An dem geöffneten Ende des Zylinders 44 ist ein umlaufender sich nach außen erstreckender Flansch 46 ausgebildet. Der Zylinder 44 ist in einer Durchführung 48 des Gehäuses 3 aufgenommen und erstreckt sich in die Prozesskammer 4 hinein. Über den Flansch 46 und einen O-Ring 50 ist der Zylinder 44 gegen die Außenwand des Gehäuses 3 abgedichtet.The recording 42 consists of a one-sided (to the process chamber 4 pointing) closed cylinder 44 of a dielectric material, such as quartz or other suitable material. At the open end of the cylinder 44 is a circumferential outwardly extending flange 46 educated. The cylinder 44 is in an execution 48 of the housing 3 taken up and extends into the process chamber 4 into it. about the flange 46 and an O-ring 50 is the cylinder 44 against the outer wall of the housing 3 sealed.

Der Betrieb der Vorrichtung 1 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, wobei im nachfolgenden davon ausgegangen wird, dass das Substrat 2 ein Siliziumhalbleiterwafer ist, auf dem eine Siliziumoxidschicht als dielektrische Schicht ausgebildet wird. Im Betrieb können aber auch andere Schichten ausgebildet werden, oder eine Schichtbehandlung ohne neue eine Schichtbildung durchgeführt werden.The operation of the device 1 will be explained in more detail with reference to the drawings, it being assumed in the following that the substrate 2 a silicon semiconductor wafer on which a silicon oxide layer is formed as a dielectric layer. In operation, however, other layers can be formed, or a layer treatment can be carried out without new layer formation.

Hierzu wird in die Prozesskammer 4, in der ein Unterdruck herrscht ein geeignetes Prozessgas, beispielsweise aus reinem Sauerstoff oder auch einem Sauerstoff-Wasserstoffgemisch oder auch vermischt mit N₂ oder NH₃ eingeleitet. Anschließend werden die Plasmaelektroden 24 mit Mikrowellen beaufschlagt, die diese (bis auf einen reflektierten Teil) in die Prozesskammer 4 leiten. Die Mikrowellen bewirken bei entsprechender Prozessführung, dass ein Plasma 28 des Prozessgases gezündet wird. Optional kann das Substrat auch noch über die Heizeinheit 10 auf eine gewünschte Prozesstemperatur gebracht werden.This is done in the process chamber 4 , in which a negative pressure prevails a suitable process gas, for example, pure oxygen or an oxygen-hydrogen mixture or mixed with N ₂ or NH ₃ introduced. Subsequently, the plasma electrodes 24 subjected to microwaves, these (except for a reflected part) in the process chamber 4 conduct. The microwaves cause with appropriate process control that a plasma 28 the process gas is ignited. Optionally, the substrate can also over the heating unit 10 be brought to a desired process temperature.

Durch das Prozessgas kommt es zu einem Schichtwachstum auf der Oberfläche des Substrats, der durch das Plasma beeinflusst wird. Während das Plasma 28 brennt, kann der Abstand der Plasmaelektroden 24 (und somit des Plasmas 28) zur Oberfläche des Substrats 2 verändert werden. Hierdurch können unterschiedliche Wachstumsmechanismen für das Schichtwachstum eingestellt werden. Diese werden durch unterschiedliche Wechselwirkungen zwischen Plasma und Substrat bedingt. Insbesondere kann bei kleineren Abständen ein deutlicher Überschuss von Elektronen gegenüber Ionen und Radikalen benachbart zur Oberfläche des Substrats eingestellt werden. Hierdurch ergibt sich eine prozessgasabhängige anodische Oxidation der Substratoberfläche. Eine solche anodische Oxidation ist selbstjustierend, da dort, wo geringere Schichtdicken gebildet werden ein größeres elektrisches Feld entsteht. Dieses beschleunigt wiederum lokal das Schichtwachstum. Der Begriff anodisch soll hierbei ausdrücken, dass die Reaktion Oxidation/Nitridierung etc. primär durch Elektronen/Ionen getrieben ist bzw. durch das entstehende elektrische Feld. Bei einem größeren Abstand zur Oberfläche des Substrats befinden sich im Wesentlichen nur noch Radikale benachbart zur Oberfläche des Substrats. Hierdurch ergibt sich eine Prozessgasabhängige radikalische Oxidation der Substratoberfläche. Als radikalisch wird eine Reaktion beschrieben, die primär über im Plasma erzeugte Radikale getrieben wird.The process gas causes a layer growth on the surface of the substrate, which is influenced by the plasma. While the plasma 28 burns, can the distance of the plasma electrodes 24 (and thus the plasma 28 ) to the surface of the substrate 2 to be changed. As a result, different growth mechanisms for layer growth can be set. These are caused by different interactions between plasma and substrate. In particular, at smaller distances, a significant excess of electrons can be set against ions and radicals adjacent to the surface of the substrate. This results in a process gas-dependent anodic oxidation of the substrate surface. Such anodic oxidation is self-adjusting, because where smaller layer thicknesses are formed a larger electric field is formed. This in turn accelerates layer growth locally. The term anodic is intended to mean that the oxidation / nitridation reaction, etc., is primarily driven by electrons / ions or by the resulting electric field. At a greater distance from the surface of the substrate are substantially only radicals adjacent to the surface of the substrate. This results in a process gas-dependent radical oxidation of the substrate surface. As a radical, a reaction is described, which is driven primarily by radicals generated in the plasma.

Über entsprechende Gaseinleitung können im Bereich der jeweiligen Plasmen 28 unterhalb der Plasmaelektroden 24, die einander natürlich überlappen können, unterschiedliche Gaszusammensetzungen und/oder unterschiedliche Drücke eingestellt werden. Das Plasma kann während des Prozesses auch gepulst betrieben werden.About appropriate gas introduction can in the area of the respective plasmas 28 below the plasma electrodes 24 naturally overlap each other, different gas compositions and / or different pressures can be set. The plasma can also be pulsed during the process.

Für die obigen Prozessabläufe ist es wichtig, dass das Plasma auch zuverlässig zündet, was insbesondere wenn die eingeleitete Mikrowellenenergie gering sein soll, problematisch sein kann. Daher soll erfindungsgemäß das Vorhandensein eines Plasmas sicher und zuverlässig detektiert werden. Dies geschieht primär über die Detektoreinheit 12, die Mikrowellen in der Prozesskammer 4 detektiert ein der detektierten Mikrowellenleistung entsprechendes Signal beispielsweise in Form eine Spannung ausgibt. 3 zeigt eine beispielhafte Spannungs-Zeit-Kurve des Ausgangssignals der Detektoreinheit 12 während des Prozesses, wobei t0 den Zeitpunkt zeigt, zu dem das Beaufschlagen der Plasmaelektroden 24 mit Mikrowellen beginnt und tz den Zeitpunkt zu dem das Plasma zündet. Wie zu erkennen ist, detektiert die Detektoreinheit 12 zunächst eine ansteigende Mikrowellenleistung, die zum Zeitpunkt der Zündung des Plasmas signifikant zurückgeht und insbesondere sprunghaft abfallen kann. Dieser Rückgang ist dadurch bedingt, dass im Plasma eine große Anzahl von geladenen Teilchen erzeugt wird, welche die Ausbreitung der Mikrowelle wenigstens teilweise abschirmen. Hieran sind insbesondere Elektronen im Plasma beteiligt. Dabei kann es zu einem unterschiedlichen Grad der Abschirmung des Plasmas kommen, der beispielsweise durch die Dichte des Plasmas beeinflusst wird. Diese kann auch eine Ausbreitung des Plasmas beeinflussen. Die Dichte des Plasmas kann unter anderem durch den Druck in der Prozesskammer beeinflusst werden.For the above processes it is important that the plasma also ignites reliably, which can be problematic especially if the introduced microwave energy is to be low. Therefore, according to the invention, the presence of a plasma should be reliably and reliably detected. This is done primarily via the detector unit 12 , the microwaves in the process chamber 4 detects a signal corresponding to the detected microwave power output, for example in the form of a voltage. 3 shows an exemplary voltage-time curve of the output signal of the detector unit 12 during the process, where t0 indicates the time when the plasma electrodes are applied 24 begins with microwaves and tz the time at which the plasma ignites. As can be seen, the detector unit detects 12 First, an increasing microwave power, which significantly decreases at the time of ignition of the plasma and in particular can drop sharply. This decrease is due to the fact that a large number of charged particles are generated in the plasma, which at least partially shield the propagation of the microwave. In particular, electrons in the plasma are involved in this. This can lead to a different degree of shielding of the plasma, which is influenced for example by the density of the plasma. This can also influence a spread of the plasma. The density of the plasma can be influenced inter alia by the pressure in the process chamber.

Jedenfalls kann die Veränderung im Ausgangssignal der Detektoreinheit 12 zum Zeitpunkt der Zündung des Plasmas in einer nicht dargestellten Auswerteeinheit erfasst werden. Diese kann das Signal über einen Zeitraum hinweg auswerten und hierdurch das Vorhandensein eines Plasmas erkenne. Sollte das Plasma (bei weitergehender Beaufschlagung der Plasmaelektroden 24 mit Mikrowellen) wieder erlöschen, würde das Signal der Detektoreinheit 12 wieder ansteigen, was ebenfalls durch die Auswerteeinheit erkannt werden kann. Somit kann eine verlässliche Detektierung eines Plasmas vorgesehen werden. Der Auswerteeinheit können optional noch weitere Werte zur Verfügung gestellt werden, wie beispielsweise wenigstens einer der folgenden: die in die Mikrowellenelektroden eingespeiste und/oder von diesen reflektierte Mikrowellenleistung, der Druck in der Prozesskammer und die Prozessgaszusammensetzung. Diese können Anhaltspunkte über die Gründe einer Plasmazündung (oder Nichtzündung) und/oder dem Erlöschen eines Plasmas geben, welche in der aktuellen Prozessführung oder einer Späteren berücksichtigt werden können.In any case, the change in the output signal of the detector unit 12 be detected at the time of ignition of the plasma in an evaluation unit, not shown. This can evaluate the signal over a period of time and thereby detect the presence of a plasma. Should the plasma (with further exposure to the plasma electrodes 24 With microwaves) go out again, the signal would be the detector unit 12 rise again, which can also be detected by the evaluation. Thus, a reliable detection of a plasma can be provided. The evaluation unit can optionally be provided with further values, such as at least one of the following: the microwave power fed into and / or reflected by the microwave electrodes, the pressure in the process chamber and the process gas composition. These can provide clues about the causes of a plasma ignition (or non-ignition) and / or or the expiration of a plasma, which can be taken into account in the current process or a later process.

Der oben beschriebene Prozessablauf ist für die Ausbildung einer Oxidschicht als dielektrische Schicht besonders geeignet, er kann aber, wie erwähnt auch andere Schichten bilden, zur Behandlung von Schichten und auch zur Entfernung von Schichten und/oder Kontaminationen eingesetzt werden. Wichtig ist in jedem Fall eine Detektierung eines Plasmas während des Prozesses, da dieses wesentlich den Prozess beeinflussen kann.The process described above is particularly suitable for the formation of an oxide layer as a dielectric layer, but it can, as mentioned also form other layers, be used for the treatment of layers and also for the removal of layers and / or contaminations. In any case, it is important to detect a plasma during the process, as this can significantly influence the process.

Die Erfindung wurde zuvor anhand bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, ohne auf die konkreten Ausführungsformen begrenzt zu sein. Insbesondere kann auch ein anderer Aufbau der Detektoreinheit 12 vorgesehen werden, solange die Detektoreinheit Mikrowellen detektieren und ein der detektierten Mikrowellenleistung entsprechendes Signal ausgeben kann.The invention has been described above with reference to preferred embodiments of the invention, without being limited to the specific embodiments. In particular, another structure of the detector unit 12 may be provided as long as the detector unit detect microwaves and can output a signal corresponding to the detected microwave power.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2010/015385 A [0004, 0023]
US 20050164523 A1 [0004]
DE 202011100024 A1 [0005]
DE 102010050258 A [0024]

Claims

A method for detecting a plasma generated by microwave excitation in a process chamber for the treatment of substrates, comprising the following steps: Measuring a microwave radiation emitted by at least one microwave electrode within the process chamber with a microwave sensor over a period of time; Detecting a change in the microwave radiation over the period of time; and Determining an ignition and / or extinction of a plasma based on at least the change.

The method of claim 1, wherein in determining an ignition or extinction of a plasma, a microwave power input and / or reflected into the at least one microwave electrode is taken into account.

Apparatus for detecting a plasma generated by microwave excitation in a process chamber for treating substrates, comprising a process chamber for receiving at least one substrate; at least one microwave electrode arranged to emit microwave radiation into the process chamber; at least one microwave sensor arranged to detect microwaves within the process chamber and output an output signal corresponding to the detected microwave power; and at least one evaluation unit, which is able to track an output signal of the microwave sensor over a period of time, and at least based on a change in the output signal of the microwave sensor to detect an ignition or extinction of a plasma.

Apparatus according to claim 3, wherein the apparatus further comprises means for determining values of at least one of the following process parameters: the microwave power fed into and / or reflected by the at least one microwave electrode, the pressure in the process chamber and the process gas composition, wherein the at least one evaluation unit further capable of tracking a signal corresponding to at least one of the above values over a period of time and taking into account ignition and / or extinguishment of a plasma upon determination.

Device according to one of claims 3 or 4, wherein the plasma is generated via a one-sided microwaves microwave electrode with inner and outer conductor, wherein the outer conductor forms a widening to a free end of the electrode coupling-out opening.

Device according to one of claims 3 to 5, wherein the microwave sensor is arranged outside of an expected plasma region of the at least one microwave electrode.

Apparatus according to any one of claims 3 to 6, wherein the microwave sensor comprises: an inner conductor, an outer conductor coaxially surrounding the inner conductor, and a rectifier, in particular in the form of a high-frequency diode or a transistor.

Device according to one of claims 3 to 7, wherein the microwave sensor is insulated from the process chamber via a dielectric housing.

The apparatus of claim 8, wherein the housing is formed by a one-sided closed cylinder of dielectric material, which extends through a housing wall of the process chamber and is dimensioned for at least partially receiving the microwave sensor.