DE102015003379A1

DE102015003379A1 - Plasmaerzeugungsvorrichtung mit einer Induktionsspule

Info

Publication number: DE102015003379A1
Application number: DE102015003379.4A
Authority: DE
Inventors: Stefan Kastl
Original assignee: Manz AG
Current assignee: Manz AG
Priority date: 2015-03-17
Filing date: 2015-03-17
Publication date: 2016-09-22

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Plasmaerzeugungsvorrichtung mit einer Induktionsspule (12; 112), welche zumindest eine erste Spulenwindung (14) und eine zweite Spulenwindung (16) aufweist, wobei die erste Spulenwindung (14) in einer erste Spulenebene (24) liegt und wobei die zweite Spulenwindung (16) in einer zweiten Spulenebene (26) liegt, welche geneigt zur ersten Spulenebene (24) ausgerichtet ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Plasmaerzeugungsvorrichtung mit einer Induktionsspule sowie eine hiermit ausgestattete Plasmabehandlungsvorrichtung zur Oberflächenbehandlung von Substraten.
Hintergrund
Vorrichtungen und Verfahren zum plasmaunterstützten Behandeln von Substraten, insbesondere zum Ätzen oder Beschichten von Substratoberflächen sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt. So kommen zu einem möglichst gleichmäßigen Auftragen dünner Schichten auf Substraten unter anderem chemische Dampfabscheidungsverfahren, insbesondere plasmaunterstützte chemische Dampfabscheidungsverfahren, sogenannte PECVD-Verfahren, zum Einsatz.
Hierbei werden ein oder mehrere Substrate in einer Vakuumkammer angeordnet, in die unter Einhaltung vorgegebener Druck- und Temperaturbereiche ein Reaktionsgas bzw. ein auf die Beschichtung abgestimmtes Gasgemisch eingeleitet wird, welches durch Zufuhr elektromagnetischer Energie im HF-Bereich zumindest teilweise in einen Plasmazustand übergeht.
So ist beispielsweise aus der DE 10 2011 013 467 A1 eine Vorrichtung zum plasmaunterstützten Behandeln zumindest zweier gegenüberliegend zueinander angeordneter Substrate bekannt. Die Substrate sind dabei einander zugewandt in einem vertikalen Abstand in Richtung ihrer Flächennormalen nahezu überdeckend zueinander angeordnet.
Zur Einhaltung geforderter Reinraumbedingungen und zur Vermeidung von Partikelkontaminierung der Oberflächen der zu behandelnden Substrate innerhalb der Plasmabehandlungsvorrichtung kann grundsätzlich eine im Wesentlichen vertikale Ausrichtung der Substrate innerhalb der Plasmabehandlungsvorrichtung vorgesehen werden. Die sichere, abschattungsfreie Halterung von vertikal ausgerichteten Substraten innerhalb der Vakuum- oder Prozesskammer erweist sich für Substrate ohne Aussparungen jedoch als durchaus schwierig. Für einige Oberflächenbehandlungsprozesse wurde daher bereits vorgeschlagen, die zu behandelnden Substrate zumindest geringfügig gegenüber der Vertikalrichtung zu neigen, sodass die Substrate rein schwerkraftbedingt in einer von der Vertikalrichtung abweichenden schrägen Ausrichtung innerhalb der Plasmabehandlungsvorrichtung abschattungsfrei gehalten, bspw. an einen Träger angelehnt werden können.
So ist es aus der DE 10 2007 022 431 A1 bekannt, zumindest ein Substrat während der Durchführung einer Behandlung mit der zu behandelnden Oberfläche nach unten mit einem Winkel Alpha in einem Bereich zwischen 0° und 90°, vorzugsweise mit einem Wert von 1°, 3°, 5°, 7°, 9°, 11° gegenüber einer Lotrichtung anzuordnen.
Eine derart gegenüber der Lotrechten geneigte Ausrichtung von Substraten erweist sich für ein plasmaunterstütztes chemisches Dampfabscheideverfahren (Plasmaenhanced chemical vapor deposition (PECVD)) als überaus schwierig, da eine gegenüber der Lotrechten geneigte Ausrichtung von Substraten unweigerlich dazu führt, dass einzelne Bereiche einer zu behandelnden Substratoberfläche unterschiedliche Abstände zum erzeugten Plasma aufweisen. Dies wirkt sich nachteilig auf die Homogenität des Oberflächenbehandlungsprozesses aus. Bei PECVD-basierten Beschichtungsprozessen führt bereits eine auch nur geringfügige Verkippung des Substrats gegenüber der Plasmageometrie oder Plasmaausdehnung bereits zu einer recht inhomogenen Beschichtung.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Plasmaerzeugungsvorrichtung sowie eine verbesserte Plasmabehandlungsvorrichtung bereitzustellen, mittels derer auch zumindest geringfügig gegenüber einer Lotrechten geneigt ausgerichtete Substrate besonders homogen und fertigungsrationell behandelt, insbesondere beschichtet werden können. Es ist insbesondere Zielsetzung, eine Plasmaerzeugungsvorrichtung und eine Plasmabehandlungsvorrichtung bereitzustellen, die ein gleichzeitiges Oberflächenbehandeln von zumindest zwei Substraten ermöglicht, die an oder auf gegenüberliegenden Seiten des erzeugten Plasmas anordenbar sind. Zudem soll die Plasmaerzeugungsvorrichtung möglichst einfach implementierbar sein und sich durch einen möglichst einfachen konstruktiven Aufbau sowie durch möglichst geringe Fertigungs- und Montagekosten auszeichnen.
Erfindung und vorteilhafte Ausgestaltungen
Diese Aufgabe wird mit einer Plasmaerzeugungsvorrichtung nach Patentanspruch 1 sowie mit einer Plasmabehandlungsvorrichtung nach Patentanspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind dabei jeweils Gegenstand abhängiger Patentansprüche.
Insoweit weist die erfindungsgemäße Plasmaerzeugungsvorrichtung eine Induktionsspule auf, die zumindest eine erste Spulenwindung und eine zweite Spulenwindung aufweist. Die erste Spulenwindung liegt dabei in einer ersten Spulenebene. Die zweite Spulenwindung liegt in einer zweiten Spulenebene. Die zweite Spulenebene bzw. die zweite Spulenwindung geneigt zur ersten Spulenebene bzw. geneigt zur ersten Spulenwindung ausgerichtet. Die erfindungsgemäße Plasmaerzeugungsvorrichtung zeichnet sich somit durch eine zumindest zwei Windungen umfassende Induktionsspule auf, deren Windungen nicht, wie für Spulen üblich, parallel, sondern unter einem vorgegebenen Winkel zueinander geneigt ausgerichtet sind.
Auf diese Art und Weise ist es prinzipiell möglich, die Geometrie, insbesondere die Außengeometrie des mittels der Induktionsspule zu erzeugenden Plasmas derart zu verändern, dass etwaige in einem vorgegebenen Behandlungsabstand zum Plasma angeordnete und gegenüber einer Vertikalen oder Lotrechten zumindest geringfügig geneigt ausgerichteten Substrate im Wesentlichen parallel oder mit einem konstanten Abstand zur Außenkontur des Plasmas anordenbar sind. Mittels den zueinander geneigt ausgerichteten Spulenebenen oder Spulenwindungen kann die Geometrie eines Plasmabereichs innerhalb einer Prozesskammer einer Plasmabehandlungsvorrichtung an die vorgegebene Substratausrichtung innerhalb der Plasmabehandlungsvorrichtung angepasst werden.
Mittels der zumindest zwei zueinander geneigt ausgerichteten Spulenwindungen ist es möglich, eine räumliche Magnetfeldverteilung und hiermit einhergehend eine räumliche Verteilung der Plasmaanregungsenergie bereitzustellen, die dazu führt, dass das mittels der Induktionsspule mit elektrischer Energie versorgte Plasma eine der Substratanordnung bzw. Substratausrichtung geforderte geometrische Form annimmt.
Nach einer Weiterbildung ist ferner vorgesehen, dass die erste und die zweite Spulenwindung koaxial zueinander angeordnet sind. Das heißt, die Mittelpunkte der ersten und zweiten Spulenwindungen liegen auf einer Geraden, die sich im Wesentlichen senkrecht zur Ebene der ersten oder zweiten Spulenwindung erstreckt. Unter einer koaxialen Anordnung sollen vorliegend auch noch geringfügige Abweichungen von einer parallelen Ausrichtung der ersten und zweiten Spulenwindung zueinander verstanden werden. So ist insbesondere vorgesehen, dass erste und zweite Spulenwindungen nebeneinander bzw. axial versetzt zueinander angeordnet sind, oder dass erste und zweite Spulenwindungen im Wesentlichen in Axialrichtung (z), das heißt senkrecht zur ersten oder zweiten Spulenebene, aneinander angrenzend angeordnet sind.
Es ist für die koaxiale Anordnung von erster und zweiter Spulenwindung insbesondere vorgesehen, dass erste und zweite Spulenwindungen im Wesentlichen fluchtend und horizontal nebeneinander oder horizontal versetzt zueinander angeordnet sind.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weisen die erste und die zweite Spulenwindung im Wesentlichen identische Grundgeometrien auf. Die Außenkontur, aber auch die Innenkontur erster und zweiter Spulenwindungen sind im Wesentlichen identisch oder sind vollständig identisch. Insoweit können die erste und die zweite Spulenwindung, in Axialrichtung betrachtet, weitgehend überdeckend zueinander angeordnet sein. Insbesondere ist die relative Neigung zwischen der ersten und zweiten Spulenebene vergleichsweise gering, sodass für die erste und die zweite Spulenwindung immer noch von einer annähernd parallelen Ausrichtung gesprochen werden kann. Identische Grundgeometrien für die erste und die zweite Spulenwindung ermöglichen die Bildung eines weitgehend homogenen bzw. wohldefinierten Magnetfeldes zur Einkopplung elektromagnetischer Energie in den Plasmabereich innerhalb einer Prozesskammer einer Plasmabehandlungsvorrichtung. Jede der Windungen ist von Vorteil eben ausgestaltet und fällt bevorzugt vollständig mit der jeweiligen Spulenebene zusammen.
Die Induktionsspule ist insbesondere für eine induktive Plasmaanregung ausgelegt. Sie ist insbesondere zum Einkoppeln elektromagnetischer Energie in das Plasma oder in das ein Plasma bildendes Gasgemisch ausgebildet, welches sich innerhalb des Plasmabereichs der Prozesskammer befindet. Insoweit ist die Plasmaerzeugungsvorrichtung als sogenannte ICP-Quelle ausgestaltet, wobei die Abkürzung ICP für induktiv gekoppeltes Plasma steht.
Nach einer weiteren Ausführungsform weisen die erste und die zweite Spulenwindung jeweils einen ersten Windungsabschnitt und einen zweiten Windungsabschnitt auf. Der zweite Windungsabschnitt der ersten als auch der zweiten Spulenwindung ist dabei dem jeweiligen ersten Windungsabschnitt von erster und zweiter Spulenwindung gegenüberliegend angeordnet. Ein erster Abstand zwischen den ersten Windungsabschnitten von erster und zweiter Spulenwindung unterscheidet sich erfindungsgemäß von einem zweiten Abstand zwischen den zweiten Windungsabschnitten der ersten Spulenwindung und zweiten Spulenwindung.
Die ersten und zweiten Abstände beziehen sich typischerweise auf die Abstände oder Abstandskomponenten in Horizontal- oder Axialrichtung zwischen den zum Beispiel obenliegenden ersten Windungsabschnitten und den untenliegenden zweiten Windungsabschnitten. Wenn eine vertikale oder lotrechte Ausrichtung der Induktionsspule mit einer hiermit einhergehenden nahezu vertikalen oder nur zumindest geringfügig vertikalen Ausrichtung ausgerichteten ersten und zweiten Spulenwindungen vorgesehen ist, kann der erste Windungsabschnitt insbesondere einen obenliegenden Abschnitt von erster und zweiter Spulenwindung definieren, während der zweite Windungsabschnitt einen gegenüberliegenden unteren Windungsabschnitt von erster und zweiter Spulenwindung definiert.
In einem solchen Fall ist insbesondere vorgesehen, dass der erste Abstand, das heißt der Abstand zwischen den oberen Endabschnitten von erster und zweiter Spulenwindung größer ist als der zweite Abstand, das heißt der Abstand zwischen den unteren Enden von erster und zweiter Spulenwindung. In einer Seiten- oder Querschnittsansicht ergibt sich somit eine V-förmige Ausrichtung der beiden Spulenwindungen.
Infolge dessen kann das mittels der Induktionsspule erzeugbare Plasma in einem oberen Bereich eine weitaus größere Erstreckung zwischen gegenüberliegenden Substraten aufweisen, als dies im unteren Bereich des Plasmas der Fall ist. Demgemäß können die Substrate nahezu vertikal jedoch nach oben hin hach außen, d. h. vom Plasma weg, geneigt ausgerichtet sein.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Plasmaerzeugungsvorrichtung sind die erste und die zweite Windung elektrisch miteinander verbunden. Ferner verlaufen die erste und die zweite Windung gleichsinnig. Das heißt, sie sind gleichartig gewickelt. Demgemäß sind die erste und die zweite Windung gleichsinnig und in gleicher Richtung mit elektrischem Strom beaufschlagbar. Die von der ersten und der zweiten Windung erzeugbaren Magnetfelder können insoweit zur Bildung eines möglichst homogenen Magnetfelds superponieren.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist die Induktionsspule im Wesentlichen vertikal oder lotrecht ausgerichtet, wobei die ersten und die zweiten Spulenebenen in entgegengesetzten Richtungen geneigt zu einer Vertikalrichtung oder geneigt zur Lotrechten ausgerichtet sind. Erste und zweite Spulenwindungen können hierbei symmetrisch zur Vertikalrichtung oder symmetrisch zur Lotrechten ausgerichtet sein. Dies bedeutet, dass erste und zweite Spulenwindungen betragsmäßig gleichermaßen, aber in entgegengesetzten Richtungen geneigt zur Vertikalrichtung oder zur Lotrechten ausgerichtet sein können. Die Neigung der Spulenwindung ist typischerweise nach oben hin divergierend, d. h. der horizontale Abstand zwischen den Spulenwindungen vergrößert sich von unten nach oben betrachtet.
Die vertikale Ausrichtung der Induktionsspule bringt hierbei lediglich zum Ausdruck, dass ein gedachter Schwerpunkt oder dass die gedachte geometrische Mitte zwischen den ersten und zweiten Spulenwindungen im Wesentlichen parallel zur Vertikalrichtung verläuft. Ferner ist denkbar, dass die Neigung der ersten Spulenwindung auch als Drehung oder Verkippung bezüglich einer ersten Drehachse darstellbar ist, und dass die Neigung oder Verkippung der zweiten Spulenwindung als Drehung oder Verkippung in Bezug zu einer zweiten Drehachse darstellbar ist. Die Drehachsen können hierbei entweder zusammenfallen oder aber parallel zueinander ausgerichtet sein. Im Ergebnis können die ersten und zweiten Spulen Windungen, in einer Seitenansicht betrachtet, ein V-förmiges oder U-förmiges Querschnittsprofil bilden, wobei bei einem U-förmigen Profil die nach oben abragenden und von den jeweiligen Spulenwindungen gebildeten Schenkel nach oben divergierend oder voneinander wegweisend ausgerichtet sind.
Demgemäß ist nach einer weiteren Ausgestaltung ferner vorgesehen, dass die erste und die zweite Spulenebene, mithin die erste und zweite Spulenwindung, von unten nach oben betrachtet, in Horizontalrichtung (H) oder in Axialrichtung (z) einen stetig größer werdenden Abstand zueinander aufweisen. Es ist insbesondere denkbar, dass der zweite oder untenliegende Abstand zwischen den zweiten Windungsabschnitten von erster und zweiter Spulenwindung vergleichsweise gering oder sogar Null ist, und dass sich erste und zweite Spulenwindungen in einem unteren Windungsabschnitt, mit zumindest einer elektrischen Isolation versehen, einander berühren, während und erste und obenliegende Windungsabschnitte von erster und zweiter Spulenwindung einen geforderten Abstand größer Null aufweisen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung beträgt ein relativer Neigungswinkel zwischen der ersten und der zweiten Spulenebene bzw. zwischen der ersten und zweiten Spulenwindung zwischen 10° und 20°. Er beträgt insbesondere in etwa 12°, 14° oder 16°. Grundsätzlich sind aber auch kleinere relative Neigungswinkel, so etwa Neigungswinkel im Bereich zwischen 4° und 10°, so zum Beispiel 4°, 6°, 8° oder 10° als auch größere Neigungswinkel im Bereich zwischen 20° und 30°, so zum Beispiel 20°, 22°, 24°, 26°, 28° oder 30° denkbar. Entsprechend dem relativen Neigungswinkel der Spulenebenen sind in etwa entsprechend ausgerichtete Außenkonturen des induktiv angeregten Plasmas erzeugbar.
Nach einer weiteren Ausgestaltung beträgt ein absoluter Neigungswinkel zwischen einer der Spulenebenen bzw. Spulenwindungen gegenüber der Vertikalrichtung oder der Lotrechten zwischen 5° und 10°. Der absolute Neigungswinkel kann insbesondere in etwa 6°, 7° oder 8° betragen. Im Unterschied zum relativen Neigungswinkel, welcher die Ausrichtung erster und zweiter Spulenwindungen relativ zueinander angibt, bezieht sich der absolute Neigungswinkel auf die absolute Ausrichtung der Spulenwindungen bzw. der von ihnen gebildeten Spulenebenen im Raum und somit in Bezug auf eine Vertikalrichtung oder Lotrechte. Die absolute Neigung zumindest einer Spulenwindung im Bereich von 5° bis 10° gegenüber einer Vertikalrichtung ist für eine entsprechend geneigte Halterung und Ausrichtung von Substraten innerhalb einer Plasmabehandlungsvorrichtung von Vorteil. Auf diese Art und Weise kann die Plasmageometrie, insbesondere die Außenkontur des mit der Plasmaerzeugungsvorrichtung erzeugbaren Plasmas an die geringfügig geneigte, im Wesentlichen vertikal ausgerichtete Halterung von Substraten, angepasst werden.
Es ist hierbei insbesondere vorgesehen, dass das mittels der Plasmaerzeugungsvorrichtung erzeugbare Plasma in etwa mittig zwischen zwei Substraten erzeugt wird, welche Substrate auf unterschiedlichen und gegenüberliegenden Seiten des Plasmas angeordnet sind und deren zu behandelnde Oberflächen einander zugewandt sind. Für eine derartige gleichzeitige Behandlung zumindest zweier auf gegenüberliegenden Seiten eines Plasmas angeordneter Substrate ist eine zu einer Mittelsenkrechten des Plasmas symmetrische Anordnung und Ausrichtung der gegenüberliegenden Substrate von Vorteil. Insoweit ist es für die geometrische Anpassung des zu erzeugenden Plasmas ebenfalls von Vorteil, wenn die erste Spulenwindung einen absoluten Neigungswinkel zwischen –5° bis –10°, und wenn die zweite Spulenwindung einen absoluten Neigungswinkel von +5° bis +10° jeweils gegenüber der Vertikalrichtung oder Lotrechten aufweist.
Nach einer weiteren Ausgestaltung entspricht ein axialer Abstand zwischen der ersten Spulenwindung und der zweiten Spulenwindung dem Radius einer der Spulenwindungen. Mit anderen Worten kann die Induktionsspule in Form einer Helmholtzspule aufgebaut sein, mittels derer ein besonders homogenes Magnetfeld erzeugbar ist.
Für jede konkrete Ausgestaltung der Induktionsspule, etwa als Helmholtzspule aber auch für jegliche andere prinzipiell denkbare Ausgestaltung der Induktionsspule können verschiedenartigste Bauformen, insbesondere verschiedenartigste geometrische Formen der Spulenwindungen vorgesehen sein. Die einzelnen Spulenwindungen können eine kreisförmige oder zylindrische, aber auch eine rechteckige oder quadratische Geometrie bzw. Kontur aufweisen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Plasmaerzeugungsvorrichtung ist die Induktionsspule in einem hermetisch abgeschlossenen Spulengehäuse angeordnet. Das Spulengehäuse mitsamt der Induktionsspule kann dabei innerhalb oder außerhalb einer Prozesskammer einer Plasmabehandlungsvorrichtung angeordnet sein, in welcher das Plasma erzeugbar ist und in welcher die Substrate oberflächenbehandelbar sind. Das Spulengehäuse weist typischerweise einen dielektrischen Wandungsabschnitt bzw. eine Gehäusewand auf, die zumindest abschnittsweise aus einem dielektrischen Material, beispielsweise aus einem Glas, Quarzglas oder einem keramischen Werkstoff gefertigt ist. Insoweit ist das Spulengehäuse zumindest abschnittsweise induktionsdurchlässig ausgestaltet, sodass die von der Induktionsspule ausgehende elektromagnetische Energie in den Plasmabereich im Inneren der Prozesskammern der Plasmabehandlungsvorrichtung möglichst verlustfrei einkoppelbar ist.
Die Einkapslung der Induktionsspule in ein gesondertes Spulengehäuse ermöglicht es ferner, den Umgebungsdruck um die Induktionsspule herum auf einen Bereich unterhalb des Drucks in der Prozesskammer herabzusetzen. Dies kann sich für die möglichst effiziente Übertragung elektromagnetischer Energie in den Plasmabereich der Prozesskammer als besonders vorteilhaft erweisen. Ferner können mechanische Kräfte auf die Spulenkammer infolge der Erzeugung von Vakuumbedingungen in der Prozesskammer reduziert werden. Dies erlaubt ferner eine Reduzierung der Wandstärke des Spulengehäuses-.
Das Spulengehäuse kann insbesondere als ringförmiges Gehäuse mit einer Durchgangsöffnung ausgestaltet sein. Die Windungen der Induktionsspule verlaufen hierbei in einem ringförmigen Hohlraum des Spulengehäuses. Im Innenbereich des ringförmigen Spulengehäuses kann somit ein Plasma entstehen. Ferner können die zur Plasmabildung vorgesehenen Gase durch jene Durchgangsöffnung des Spulengehäuses hindurchströmen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist die Plasmaerzeugungsvorrichtung mit einer Gasverteilerstruktur versehen, welche einen der ersten Spulenwindung zugeordneten ersten Verteilerstrang und einen der zweiten Spulenwindung zugeordneten zweiten Verteilerstrang aufweist. Der erste Verteilerstrang ist hierbei parallel zu ersten Spulenebene ausgerichtet, während der zweite Verteilerstrang parallel zur zweiten Spulenebene der Induktionsspule ausgerichtet ist. Indem die Gaszufuhr für die zur Erzeugung des Plasmas vorgesehenen Reaktionsgase an die Geometrie der Induktionsspule angepasst ist, kann auch die geometrische Ausgestaltung, insbesondere die Außenkontur des zu erzeugenden Plasmas weitaus besser an vorgegebene Erfordernisse angepasst werden, wie diese beispielsweise durch die geneigte Ausrichtung von zu behandelnden Substraten vorgegeben sind. Die Verteilerstränge befinden sich innerhalb der Prozeskammer aber außerhalb des Spulengehäuses.
Nach einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ferner eine Plasmabehandlungsvorrichtung mit einer Prozesskammer sowie mit einer zuvor beschriebenen Plasmaerzeugungsvorrichtung. Die Plasmaerzeugungsvorrichtung ist dabei zur Erzeugung eines Plasmas in einem Plasmabereich innerhalb der Prozesskammer ausgebildet. Die Plasmabehandlungsvorrichtung weist ferner eine erste und eine zweite Substrathalterung auf, welche auf gegenüberliegenden Seiten des Plasmabereichs in der Prozesskammer anordenbar sind.
Es ist hierbei nach einer Weiterbildung insbesondere vorgesehen, dass die erste Substrathalterung im Wesentlichen parallel zur ersten Spulenebene ausgerichtet ist, und dass die zweite Substrathalterung im Wesentlichen parallel zur zweiten Spulenebene ausgerichtet ist. Durch die zueinander geneigte Ausrichtung erster und zweiter Spulenebenen, bzw. durch die geneigte Ausrichtung erster und zweiter Spulenwindungen sowie optional einer geneigten Ausrichtung von ersten und zweiten Verteilersträngen einer Gasverteilerstruktur, kann ein Plasma mit einer Außenkontur erzeugt werden, die über die Fläche der zu behandelnden Substrate einen möglichst konstanten Abstand aufweist. Insoweit ermöglicht die relative bzw. absolute Neigung erster und zweiter Spulenwindungen eine geometrische Anpassung eines Plasmas für einen PECVD-Oberflächenbehandlungsprozess, bei welchem gleichzeitig zwei zumindest geringfügig gegenüber der Lotrechten geneigt und annähernd vertikal ausgerichtete Substrate auf gegenüberliegenden Seiten ein und desselben Plasmas behandelbar insbesondere beschichtbar sind.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung und wechselseitige Ausrichtung erster und zweiter Spulenwindungen wird es somit ermöglicht, beispielsweise unter einem Winkel von 5° oder 7° zu einer Lotrechten geneigt ausgerichtete Substrate abschattungsfrei mittels eines PECVD-basierten Beschichtungsprozesses zu beschichten, wobei auf gegenüberliegenden Seiten des Plasmas mehrere Substrate gleichzeitig beschichtbar sind.
Kurzbeschreibung der Figuren
Weitere Ziele, Merkmale sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Plasmaerzeugungsvorrichtung und Plasmabehandlungsvorrichtung werden in der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine perspektivische und schematische Darstellung einer Induktionsspule nach einer ersten Ausgestaltung der Erfindung,
2 einen Querschnitt durch die Induktionsspule gemäß 1,
3 eine weitere Ausgestaltung einer Induktionsspule,
4 eine schematische Darstellung einer mit einer erfindungsgemäßen Plasmaerzeugungsvorrichtung ausgestatteten Plasmabehandlungsvorrichtung und
5 eine schematische Darstellung der in einem Spulengehäuse angeordneten Induktionsspule in Draufsicht.
Detaillierte Beschreibung
Die in den 1 und 2 gezeigte Induktionsspule 12 gehört zu einer Plasmaerzeugungsvorrichtung 10, welche in einer in 4 schematisch gezeigten Plasmabehandlungsvorrichtung 100, insbesondere in oder an einer Prozesskammer 40 der Plasmabehandlungsvorrichtung 100 anordenbar ist. Die in den 1 und 2 gezeigte Induktionsspule 12 weist eine erste Spulenwindung 14 sowie eine zweite Spulenwindung 16 auf. Die beiden Spulenwindungen 14, 16 weisen vorliegend eine rechteckige oder quadratische Grundgeometrie auf. Erste und zweite Spulenwindungen 14, 16 sind dabei weitgehend identisch aufgebaut bzw. sie weisen eine identische Grundgeometrie auf.
Ferner sind die erste und die zweite Spulenwindung 14, 16 annähernd koaxial zueinander angeordnet. Das heißt, die Windungen sind, in Axialrichtung (z) betrachtet, nahezu überdeckend angeordnet. In Axialrichtung (z) liegen die Spulenwindungen 14, 16 nebeneinander. Sie können abschnittsweise unmittelbar in Kontaktstellung miteinander sein. Abschnittsweise weisen sie aber einen definierten Abstand zueinander auf. Die erste Spulenwindung 14 liegt in einer ersten Spulenebene 24, während die zweite Spulenwindung 16 in einer zweiten Spulenebene 26 liegt. Beide Spulenebenen 24, 26 sind gedachte Ebenen und ergeben sich aus der Geometrie der jeweiligen Spulenwindung 14, 16.
Wie anhand 2 gezeigt, sind die ersten und zweiten Spulenebenen 24, 26 geneigt zueinander ausgerichtet. So weisen die ersten und zweiten Spulenwindungen 14, 16 jeweils einen oberen oder ersten Windungsabschnitt 14a, 16a auf. Ferner weisen erste und zweite Spulenwindung 14, 16 auch jeweils einen zweiten Windungsabschnitt 14b, 16b auf, der auf der jeweiligen Spulenwindung 14, 16 dem ersten Windungsabschnitt 14a, 16a gegenüber liegt. Vorliegend, wie in 2 gezeigt, befinden sich die zweiten Windungsabschnitte 14b, 16b an einem unteren Ende der annähernd vertikal oder lotrecht ausgerichteten ersten bzw. zweiten Spulenwindung 14, 16.
Wie in 2 gezeigt, weisen die oberen oder ersten Windungsabschnitte 14a, 16a einen ersten Abstand d1 zueinander auf, der größer ist als der zweite Abstand d2 zwischen den zweiten Windungsabschnitten 14b, 16b der beiden Spulenwindungen 14, 16.
Ein relativer Neigungswinkel N zwischen der ersten und der zweiten Spulenebene 24, 26 beträgt typischerweise zwischen 10° und 20°. Er kann je nach konkreter Ausgestaltung auch 12°, 14° oder 16° sowie beliebige dazwischen befindliche Werte betragen. Sofern die Induktionsspule 12 vertikal bzw. lotrecht ausgerichtet ist und die beiden Spulenebenen 24, 26 in entgegengesetzte Richtung weitgehend symmetrisch und geneigt zu einer Vertikalrichtung V ausgerichtet sind, ergeben sich absolute Neigungswinkel A zwischen zumindest einer der beiden Spulenebenen 24, 26 zur Vertikalrichtung V zwischen 5° und 10°. Der absolute Neigungswinkel A kann dabei insbesondere 6°, 7° oder 8° betragen. Derart geringfügige Abweichungen von der Vertikalrichtung bzw. von der Lotrechen sind für eine abschattungsfreie Halterung von Substraten unter Einfluss der Schwerkraft für eine annähernd vertikale Ausrichtung der Substrate von Vorteil.
Die in den 1 und 2 gezeigte Induktionsspule 12 weist quadratisch oder rechteckig geformte Spulenwindungen 14, 16 auf. Prinzipiell ist die Induktionsspule 12 nicht auf derartige Windungsgeometrien beschränkt. Vielmehr kann die Induktionsspule auch zylindrische oder kreisförmige Spulenwindungen 14, 16 aufweisen.
Wie in 1 konkret dargestellt, geht die erste Windung 14 über einen Übergangsbereich 18 am Fuße der Induktionsspule 12 in die zweite Spulenwindung 16 über. Auf diese Art und Weise sind die erste und die zweite Windung 14, 16 elektrisch miteinander verbunden. Sie verlaufen ferner gleichsinnig und werden bei Beaufschlagung mit elektrischem Strom gleichsinnig von Strom durchflossen.
In 3 ist eine weitere Ausgestaltung einer Induktionsspule 112 gezeigt. Diese ist nach Art einer Helmholtzspule ausgebildet. Sie weist gleichermaßen eine erste Induktionsspule 14 und eine zweite Induktionsspule 16 auf. Im Unterschied zur in den 1 und 2 gezeigten Ausgestaltung ist der mittlere Abstand D in Horizontalrichtung H zwischen den beiden Spulenwindungen 14, 16 in etwa so groß wie der Radius R der Spulenwindungen 14, 16. Die Spulenwindungen 14, 16 sind auch hier durch einen Übergangsbereich 18, beispielsweise in Form eines elektrischen Leiters, elektrisch miteinander verbunden.
In 4 ist schließlich eine Plasmabehandlungsvorrichtung 100, insbesondere eine PECVD-Plasmabehandlungsvorrichtung schematisch gezeigt. Die Plasmabehandlungsvorrichtung 100 weist eine Prozesskammer 40 auf. Deren Innenraum ist mittels einer oder mehrerer Vakuumpumpen 46 auf ein vorgegebenes Druckniveau bringbar. Ferner ist innerhalb der Prozesskammer 40 ein Plasmabereich 42 vorgesehen, innerhalb welchem ein zur Oberflächenbehandlung von Substraten 60 vorgesehenes Plasma gezündet und aufrechterhalten werden kann.
Substrate 60 können mittels zweier Substrathalterungen 54, 56 auf unterschiedlichen und gegenüberliegenden Seiten des Plasmabereichs 42 im Inneren der Prozesskammer 40 positioniert werden. Wie anhand 4 ersichtlich, ist hierbei eine geringfügig geneigte Ausrichtung der Substrathalterungen 54, 56, mithin der daran angeordneten Substrate 60 gegenüber der Vertikalrichtung V bzw. gegenüber der Lotrechten vorgesehen. Auf diese Art und Weise können die Substrate 60 abschattungsfrei und ausschließlich unter Einwirkung der Schwerkraft sicher und ohne weitere klebende oder elektrostatische Kräfte an den Substrathalterungen 54, 56 zuverlässig gehalten werden.
Die an der ersten Substrathalterung 54 angeordneten Substrate 60 sind mit ihrer zu behandelnden Oberfläche den an der zweiten Substrathalterung 56 angeordneten Substraten 60 zugewandt ausgerichtet; und umgekehrt. Der Plasmabereich 42 befindet sich mithin zwischen den in einem horizontalen Abstand zueinander angeordneten Substrathalterungen 54, 56 und den daran jeweils gehaltenen Substraten 60. Zur Erzeugung eines Plasmas im Plasmabereich 42 ist eine Gasverteilerstruktur 30 vorgesehen, die vorliegend einen ersten Verteilerstrang 34 mit einzelnen Gasauslassöffnungen 35 sowie einen zweiten Verteilerstrang 36, ebenfalls mit einzelnen Auslassöffnungen 37 vorsieht.
Der erste Verteilerstrang 34 bzw. seine Auslassöffnungen 35 ist hierbei typischerweise parallel zur Erstreckung der ersten Substrathalterung 54 bzw. zur Ausrichtung der daran befindlichen Substrate 60 ausgerichtet. Selbiges trifft für den zweiten Verteilerstrang 36 und seine Auslassöffnungen 37 in Bezug auf die zweite Substrathalterung 56 und die daran angeordneten Substrate 60 zu. Die Induktionsspule 12 mit ihren beiden zueinander geneigt ausgerichteten Spulenwindungen 14, 16 ist in einem gesonderten hermetisch abgeschlossenen Spulengehäuse 20 angeordnet, welches sich horizontal zwischen den Substrathalterungen 54, 56 als auch zwischen den Verteilersträngen 34, 36 befindet.
Die Induktionsspule 12 ist elektrisch mit einer elektrischen Energieversorgung 28 gekoppelt, um elektromagnetische Energie in den Plasmabereich 42 einzukoppeln, und um die dort mittels der Gasverteilerstruktur 30 eingeleiteten Gase in einen Plasmazustand anzuregen. Das Spulengehäuse 20 ist mit einer gesonderten Vakuumpumpe 48 gekoppelt, welche unabhängig von der für die Prozesskammer 40 vorgesehenen Vakuumpumpe 46 betätigbar bzw. steuerbar ist. Das Druckniveau innerhalb des Spulengehäuses 20 kann in etwa an das Druckniveau innerhalb der Prozesskammer 40 angepasst werden, sodass im Betrieb der Plasmabehandlungsvorrichtung 100 nur vergleichsweise geringe Kräfte auf das Spulengehäuse 20 einwirken.
Das Spulengehäuse 20 ist zumindest abschnittsweise oder bereichsweise induktionspermeabel ausgestaltet. Das Spulengehäuse 20 kann beispielsweise eine Gehäusewand aus Glas, insbesondere Quarzglas oder aus einem keramischen Werkstoff aufweisen, sodass die von der Induktionsspule 12 bereitgestellte elektromagnetische Leistung möglichst verlustfrei in den Plasmabereich 42 einkoppelbar ist.
Die Neigung der Spulenwindungen 14, 16 der Induktionsspule 12 ist insbesondere an die Neigung der Substrathalterungen 54, 56 sowie die Ausrichtung und Neigung der Verteilerstränge 34, 36 angepasst, sodass der Plasmabereich 42 eine geometrische Form erhält, die der geneigten Ausrichtung und Anordnung der Substrate 60 entspricht. In dem in 4 gezeigten Querschnitt entlang der ersten und zweiten Spulenebene 24, 26 können entweder zwei Teilplasmen gebildet werden, welche sich entsprechend der Neigung einer jeden Spulenwindung 14, 16 ausbilden, oder aber es ist die Erzeugung eines in der Seitenansicht trapezförmigen Plasmas denkbar, welches zur oberen Wand der Prozesskammer 40 hin eine größere Erstreckung in Horizontalrichtung H aufweist als in Richtung zur unteren Wand der Prozesskammer 40.
Über die Fläche der geneigt ausgerichteten Substrate 60 betrachtet, weist das Plasma jedoch eine weitgehend konstante und gleichförmige Außenkontur oder Dichte mit einem über die Fläche der Substrate 60 weitgehend konstanten Abstand zum jeweiligen Substrat auf. Insoweit können mittels der geneigten Spulenwindungen 14, 16 überaus homogene Beschichtungen oder anderweitige Oberflächenbehandlungsprozesse der Substrate 60 erfolgen. In der Draufsicht gemäß 5 ist die Anordnung der Induktionsspule 12 innerhalb des Spulengehäuses 20 gezeigt.
Das Spulengehäuse 20 ist insbesondere ringförmig ausgebildet. Es weist einen der Geometrie der Spulenwindungen 14, 16 angepassten ringförmigen Hohlraum 23 auf, der nach innen von einer Innenseite 21 und nach außen von einer Außenseite 22 begrenzt ist. In dem von Innenseite 21 und Außenseite 22 begrenzten umlaufenden Hohlraum 23 ist die Induktionsspule 12 mit ihren zumindest zwei Spulenwindungen 14, 16 angeordnet. Inmitten des Spulengehäuses 20 befindet sich eine Durchgangsöffnung 25, die einen ungehinderten Gasfluss und hiermit einhergehend eine ungehinderte Plasmaentstehung in der geometrischen Mitte des Spulengehäuses 20 ermöglicht. Das Spulengehäuse 20 ist zumindest abschnittsweise induktionspermeabel ausgestaltet, sodass die mittels der Induktionsspule 12 erzeugbare elektromagnetische Strahlung möglichst verlustfrei in den Plasmabereich 42 einkoppelbar ist.
Bezugszeichenliste

10: Plasmaerzeugungsvorrichtung
12: Induktionsspule
14: Spulenwindung
14a, b: Windungsabschnitt
16: Spulenwindung
16a, b: Windungsabschnitt
18: Übergangsbereich
20: Spulengehäuse
21: Innenseite
22: Außenseite
23: Hohlraum
24: Spulenebene
25: Durchgangsöffnung
26: Spulenebene
28: Energieversorgung
30: Gasverteilerstruktur
34: Verteilerstrang
35: Auslassöffnung
36: Verteilerstrang
37: Auslassöffnung
40: Prozesskammer
42: Plasmabereich
46: Vakuumpumpe
48: Vakuumpumpe
54: Substrathalterung
56: Substrathalterung
60: Substrat
100: Plasmabehandlungsvorrichtung
112: Induktionsspule
d1: Abstand
d2: Abstand
D: Abstand
V: Vertikalrichtung
H: Horizontalrichtung
N: Neigungswinkel
A: Neigungswinkel
R: RadiuFfigs

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011013467 A1 [0004]
DE 102007022431 A1 [0006]

Claims

Plasmaerzeugungsvorrichtung mit einer Induktionsspule (12; 112), welche zumindest eine erste Spulenwindung (14) und eine zweite Spulenwindung (16) aufweist, wobei die erste Spulenwindung (14) in einer erste Spulenebene (24) liegt und wobei die zweite Spulenwindung (16) in einer zweiten Spulenebene (26) liegt, welche geneigt zur ersten Spulenebene (24) ausgerichtet ist.
Plasmaerzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Spulenwindung (14, 16) koaxial zueinander angeordnet sind.
Plasmaerzeugungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und die zweite Spulenwindung (14, 16) identische Grundgeometrien aufweisen.
Plasmaerzeugungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und die zweite Spulenwindung (14, 16) jeweils einen ersten Windungsabschnitt (14a, 16a) und einen zweiten Windungsabschnitt (14b, 16b) aufweisen, wobei der zweite Windungsabschnitt (14b, 16b) dem ersten Windungsabschnitt (14a, 16a) gegenüberliegt und wobei sich ein erster Abstand (d1) zwischen den ersten Windungsabschnitten (14a, 16a) der beiden Spulenwindungen (14, 16) von einem zweiten Abstand (d2) zwischen den zweiten Windungsabschnitten (14b, 16b) der beiden Spulenwindungen (14, 16) unterscheidet.
Plasmaerzeugungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und die zweite Windung (14, 16) elektrisch miteinander verbunden sind und gleichsinnig verlaufen.
Plasmaerzeugungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Induktionsspule (12; 112) vertikal ausgerichtet ist und wobei die ersten und die zweiten Spulenebenen (24, 26) in entgegengesetzten Richtungen geneigt zu einer Vertikalrichtung (V) ausgerichtet sind.
Plasmaerzeugungsvorrichtung nach Anspruch 6, wobei die erste und die zweite Spulenebene (24, 26) von unten nach oben betrachtet in Horizontalrichtung (H) oder Axialrichtung (z) einen stetig größer werdenden Abstand zueinander aufweisen.
Plasmaerzeugungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein relativer Neigungswinkel (N) zwischen der ersten und der zweiten Spulenebene (24, 26) zwischen 10° und 20° beträgt, insbesondere in etwa 12°, 14° oder 16° beträgt.
Plasmaerzeugungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 8, wobei ein absoluter Neigungswinkel (A) zumindest einer der Spulenebenen (24, 26) gegenüber der Vertikalrichtung (V) zwischen 5° und 10° beträgt, insbesondere in etwa 6°, 7° oder 8° beträgt.
Plasmaerzeugungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein axialer Abstand (D) zwischen der ersten Spulenwindung (14) und der zweiten Spulenwindung (16) dem Radius (T) einer der Spulenwindungen (14, 16) entspricht.
Plasmaerzeugungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Induktionsspule (12; 112) in einem hermetisch abgeschlossenen Spulengehäuse (20) angeordnet ist.
Plasmaerzeugungsvorrichtung einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einer Gasverteilerstruktur (30), welche einen der ersten Spulenwindung (14) zugeordneten ersten Verteilerstrang (34) und einen der zweiten Spulenwindung (16) zugeordneten zweiten Verteilerstrang (36) aufweist, wobei der erste und der zweite Verteilerstrang (34, 36) jeweils parallel zur ersten und zur zweiten Spulenebene (24, 26) ausgerichtet sind.
Plasmabehandlungsvorrichtung mit einer Prozesskammer (40), einer Plasmaerzeugungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Erzeugung eines Plasmas (P) in einem Plasmabereich (42) innerhalb der Prozesskammer (40) und mit zumindest einer ersten Substrathalterung (54) und mit einer zweiten Substrathalterung (56), welche auf gegenüberliegenden Seiten des Plasmabereichs (42) anordenbar sind.
Plasmabehandlungsvorrichtung nach Anspruch 13, wobei die erste Substrathalterung (54) im Wesentlichen parallel zur ersten Spulenebene (24) ausgerichtet ist und wobei die zweite Substrathalterung (56) im Wesentlichen parallel zur zweiten Spulenebene (26) ausgerichtet ist.