DE19727857C1

DE19727857C1 - Plasmarektor mit Prallströmung zur Oberflächenbehandlung

Info

Publication number: DE19727857C1
Application number: DE1997127857
Authority: DE
Inventors: Bentsian Elkine; Joachim Meyer; Christian Dr Oehr
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1997-06-30
Filing date: 1997-06-30
Publication date: 1999-04-29
Anticipated expiration: 2017-07-01
Also published as: TW384627B; WO1999001886A1; DE29800950U1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Plasmareaktor zum Behandeln von flächigen Substraten oder solchen mit unebener Oberflächenkontur, dessen Gasführung verbessert ist, sowie ein Verfahren zur Plasmabehandlung von solchen Substraten.

Plasmen sind teilweise oder vollständig ionisierte Gase und Dämpfe, deren Teilchen außerdem eine große Anzahl angeregter Zustände enthalten. Sie lassen sich durch elektromagnetische Felder erzeugen und aufrechterhalten.

Die im Plasma vorhandenen Ionen, Elektronen, Moleküle in elektronisch angeregten Zuständen und die vorhandene Strahlung aktivieren und/oder ätzen Oberflächen oder leiten bei vielen (insbesondere organischen) Substanzen Polymerisationen in der Gasphase und Schichtbildung auf der Oberfläche von Substraten ein.

Auch üblicherweise nicht sehr reaktionsfähige Verbindungen lassen sich in Plasmen zu chemischen Reaktionen anregen.

Wesentliche Möglichkeiten der Plasma-Substrat-Wechselwirkung sind in folgender Übersicht zusammengefaßt:

Plasmabehandlungen werden unter Vakuum in speziellen Reaktoren durchgeführt. Dabei ist es meist wichtig, daß das Substrat gleichmäßig behandelt wird.

Die wichtigste Voraussetzung für gleichmäßige Behandlung (insbesondere bei der Schichtabscheidung) ist der für alle zu behandelnde (oder zu beschichtende) Flächen gleichmäßige Leistungs- und Stoffeintrag. Dieser hängt von der Verteilung der elektrischen Felder und Gasströmungen ab.

Annähernd gleichmäßige Verteilung von elektrischen Feldern wird im sog. Parallelplattenreaktor erreicht [siehe H. V. Boenig, Fundamentals of Plasma Chemistry and Plasma Technology, Technomic Publishing AG, Lancaster & Basel, 1988]. Die Reaktoren von diesem Typus finden deshalb besonders starke Verbreitung. Die Reaktionsgase werden jedoch parallel zum Substrat geführt und bei den chemischen Reaktionen umgesetzt. Diese Umsetzungen können sowohl zu Stoffverarmung (z. B. durch Depositionen) als auch zu Molzahlerhöhung (z. B. durch Fragmentierung von Ausgangsmolekülen) führen. Deshalb ist die Gaszusammensetzung am Gaseinlaß anders als am Gasauslaß. Dies führt zu einer ungleichmäßigen Behandlung. Durch Erhöhung des Gasflusses kann man diese Erscheinung zurückdämmen, allerdings um den Preis einer geringeren Ausbeute und unter Umständen einer Verschlechterung der Schichtqualität.

Außerdem entstehen bei solchen Anlagen Probleme bei der Aufskalierung der Prozesse: bei größeren zu beschichtenden Oberfläche ist man gezwungen, den Abstand zwischen den Elektroden und insbesondere den Gasfluß überproportional zu erhöhen, um akzeptable Gleichmäßigkeit zu erreichen. Das ändert aber die Verhältnisse zwischen den Parametern des Prozesses, und ein Optimum kann oft nur aufgrund einer aufwendigen Versuchsreihe auf der aufskalierten Anlage wieder gefunden werden. Die Ergebnisse, die man auf einer kleineren Laboranlage bekommen hat, können nur bedingt genutzt werden.

Mit der Absicht, gleichmäßigere Beschichtungen zu erzielen, wurde ein sog. "Radialfluß-Reaktor" [A. R. Reinberg, Ann. Rev. Mater. Sci., V. 9, S. 341-372 (1979)] entwickelt. In diesem Reaktor wird das Prozeßgas durch eine Öffnung in der Mitte einer Elektrode entweder zugeführt oder abgesaugt. Die Gasströmung ist radialsymmetrisch.

Allerdings muß die maximale Substratgröße für eine gleichmäßige Beschichtung viel geringer sein als die Reaktorabmessungen sind (z. B. 4-Zoll-Wafers in einem 22-Zoll-Reaktor). Auch ist für eine gleichmäßige Beschichtung die genaue Anpassung des Gasstromes und der RF-Leistung notwendig, und das System ist nicht ohne weiteres aufskalierbar.

In einer noch weiterer Modifikation, die in der japanischen Patentschrift JP 59,02,375 beschrieben ist, wird eine "Duschelektrode" verwendet, d. h. der Gaseinlaß wird über die Fläche der Elektrode verteilt. In einem derartigem System realisiert man partiell die für die Plasmawechselwirkung (z. B. Deposition) günstige Prallströmung. Außerdem werden die unerwünschten Konzentrationsgradienten in der Gasphase noch etwas verringert, nicht aber vollständig beseitigt.

Die DE 33 12 307 A1 von Sando Iron Works beschreibt eine Vorrichtung, bei der eine Plasma-Behandlungskammer zuerst evakuiert und sodann mit dem Behandlungsgas beaufschlagt wird. Erst danach wird zwischen zwei Elektrodenplatten ein Niedertemperaturplasma erzeugt, das in dem von den Elektrodenplatten gebildeten Raum eingeschlossen bleiben soll, um ausreichend lange einwirken zu können. Die Absaugung des Gases erfolgt auf der dem Einlaß entgegengesetzen Seite der Kammer.

Ähnlich verhält es sich mit der Kammer der DE 32 48 730 A1, ebenfalls von Sando Iron Works. Auch hier sind Einlaß und Auslaß einander gegenüberliegend; die beiden sich gegenüberliegenden Elektrodenplatten werden aus Maschendraht oder porösem Metall hergestellt, um das Gas gleichförmig über die gesamte Plattenfläche verteilen zu können und so auf der gesamten Elektrodenfläche ein überall gleiches Niedertemperaturplasma erzeugen zu können. Bei der Behandlung wird das Gas durch eine Stoffbahn hindurchgezogen; undurchlässige Substrate können nicht in dieser Kammer behandelt werden.

Die EP 779 645 A2 von Applied Materials beschreibt einen Gaseinlaß für einen Plasmareaktor. Angaben zu konstruktiven Ausgestaltungen für einen Gasauslaß sind in dieser Schrift nicht enthalten.

Die US-Patente 5,556,500 und und US 5,445,709 zeigen ebenfalls sogenannte Duschelektroden; das Gas wird dabei jeweils seitlich vom Substrat abgezogen.

Das US-Patent 5,627,435 der The BOC Group beschreibt eine Hohlkathoden-Anordnung zur Erzeugung eines Plasmas. Plasma wird in Öffnungen erzeugt, die sich entlang einer Wand des Gehäuses erstrecken, wodurch die Hohlkathoden gebildet werden. Die Hohlkathoden-Anordnung befindet sich innerhalb einer Vakuumkammer. Das zu behandelnde Substrat liegt parallel zur Hohlkathoden-Anordnung. Der Gasabfluß erfolgt seitwärts.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Anlage für die Behandlung von flächigen Substraten oder solchen mit unebener Oberflächenkontur in einem Glimmentladungs- Niedertemperaturplasma sowie ein Verfahren zum Behandeln von flächigen oder dreidimensional geformten Substraten, welches eine erhöhte Gleichmäßigkeit der Gasbehandlung sicherstellt.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Plasmaelektrodenreaktor gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 20. Besonders bevorzugt sind Reaktoren gemäß Anspruch 3, die einen modularen Aufbau aufweisen.

Spezielle Ausgestaltungen des Reaktors sind in den Fig. 1 bis 12 dargestellt, worin:

- Fig. 1 eine erfindungsgemäße Ausgestaltung mit modularem Aufbau im seitlichen Schnitt zeigt,

- Fig. 2 dieselbe Ausgestaltung, jedoch in den Schnittebenen A und B der Fig. 1, zeigt,

- Fig. 3 eine Ausgestaltung zeigt, in der das Gas mit Hilfe von Röhrchen auch auf ein Substrat mit ungleichmäßiger Oberflächenkontur mit gleichbleibendem Abstand geleitet werden kann,

- Fig. 4 eine ebenfalls modular aufgebaute Ausgestaltung im seitlichen Querschnitt zeigt, in der die obere Elektrode einen Rahmen mit parallel zueinander befestigten Gasverteilungs(-zuführungs-)vorrichtungen umfaßt, die sich der Länge nach über die Elektrode erstrecken,

- Fig. 5 dieselbe Ausgestaltung von oben in zwei verschiedenen Schnittebenen E und F zeigt,

- Fig. 6 ein Detail dieser Ausgestaltung zeigt, aus dem man die Befestigung der Gaszuführungsvorrichtungen im Rahmen der Elektrode erkennen kann

- Fig. 7 eine Gaszuführungsvorrichtung der Fig. 5 im seitlichen Schnitt zeigt,

- Fig. 8 dieselbe Vorrichtung von oben in zwei verschiedenen Schnitthöhen G, H zeigt,

- Fig. 9 dieselbe Vorrichtung im seitlichen Schnitt I-J zeigt

- Fig. 10 die Ausgestaltung wie in Fig. 4 zeigt, wobei jedoch zusätzlich Hohlleiter und Antennen für die Einspeisung von Mikrowellen in die Plasmabehandlungskammer vorgesehen sind,

- Fig. 11 die Ausgestaltung der Fig. 10 von oben in zwei verschiedenen Schnittebenen K, L zeigt,

- Fig. 12 eine Vorrichtung mit ebenfalls modularem Aufbau im seitlichen Schnitt zeigt, worin die obere Elektrode wie bei Fig. 4 einen Rahmen mit parallel angeordneten Gaszuführungsvorrichtungen umfaßt, die in diesem Falle jedoch in Form von langgestreckten Röhren mit zur Plasmabehandlungskammer hingerichteten Auslaßöffnungen ausgestaltet sind,

- Fig. 13 die Vorrichtung der Fig. 12 von oben in der Schnitthöhe X, Y zeigt, und

- Fig. 14 eine Ausgestaltung ähnlich der in Fig. 12 gezeigten darstellt, worin jedoch die Auslaßöffnungen der langgestreckten Röhren von der Plasmabehandlungskammer weg- und auf Reflektoren gerichtet sind, die das Gas diffus in Richtung des Substrates verteilen.

Der erfindungsgemäße Plasmaelektrodenreaktor umfaßt einen Reaktorgaseinlaß, durch den das Gas in den Reaktor eingebracht wird. Anschließend gelangt das Gas ohne Behinderungen wie Verengungen oder dergleichen in einen Gasverteilungsraum, so daß es sich mit gleichbleibendem Druck dort verteilt. Der Gasverteilungsraum ist genauso wie der Gasabsaugraum durch eine erste Elektrode von der Plasmabehandlungskammer getrennt. In letzterer wird das Gas zu einem Plasma angeregt, worauf es sodann als Plasma auf einem Substrat auftrifft und dieses verändert. Das Substrat ist auf einer der ersten Elektrode gegenüberliegenden Gegenelektrode angeordnet. Beispielsweise kann es aufliegen (z. B. wenn, was häufig der Fall ist, diese Elektrode sich waagerecht erstreckt, insbesondere, wenn sie undurchlässig ist und den Boden des Plasmaelektrodenreaktors bildet). Selbstverständlich kann das Substrat auch an oder in der Nähe dieser zweiten Elektrode befestigt sein, so daß die zweite Elektrode nicht zwangsweise den Boden der Anlage bilden muß. Dieses ist jedoch bevorzugt.

Damit das Gas im wesentlichen senkrecht, also als "Prallströmung", auf das Substrat auftreffen kann, muß die erste Elektrode, durch die das Gas hindurchtritt, im wesentlichen über ihre Fläche verteilte Gaseinlässe aufweisen. Diese können symmetrisch verteilt oder in Reihen oder dergleichen angeordnet sein; die Geometrie der Anordnung ist nicht von Bedeutung. Erforderlich ist aber, daß die Anzahl der Gaseinlässe ausreichend ist, so daß das im wesentlichen senkrecht hindurchtretende Gas, welches nur unwesentlich abgelenkt wird, auf der gesamten Fläche des Substrates im wesentlichen gleichmäßig und in gleicher Menge auftrifft. Von besonderem Vorteil ist es dabei, wenn die Einlaßquerschnitte der einzelnen Gaseinlässe möglichst klein gehalten sind. Selbstverständlich wird die Zahl der Gaseinlässe um so größer sein, je kleiner die Einlaßquerschnitte sind. Bevorzugt sind die Einlaßquerschnitte der einzelnen Gaseinlässe nicht größer als etwa 16 mm² (z. B. nicht größer als etwa 15,5 mm²), stärker bevorzugt nicht größer als etwa 7 mm² (z. B. nicht größer als etwa 4 mm²), und ganz besonders bevorzugt nicht größer als etwa 2,5 mm² (z. B. nicht größer als etwa 1 mm²). Die Geometrie der Gaseinlässe ist dabei nicht wesentlich, beispielsweise können diese rund oder quadratisch sein oder aber auch in Form von länglichen Schlitzen gebildet sein. Im letzteren Falle ist üblicherweise der Einlaßquerschnitt etwas größer als in den beiden ersteren Fällen. Bevorzugt ist der charakteristische Abstand zwischen den Einlaß- bzw. Auslaßöffnungen geringer als der Abstand zwischen den Gaseinlässen und dem Substrat, um zu der Substratoberfläche parallele Strömungen zu vermeiden.

Nachdem das Gas mit seinen das Substrat verändernden Bestandteilen auf diesem aufgetroffen ist, sollte es möglichst nicht parallel zum Substrat abgezogen werden, um zu vermeiden, daß ein Konzentrationsgradient entlang der Substratoberfläche entsteht. Deshalb ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß das Gas über Gasauslässe in derselben ersten Elektrode auch wieder austreten kann, durch einen Gasabsaugraum strömt und dann den Reaktor verläßt. Die Gasauslässe und der Gasabsaugraum müssen selbstverständlich vom Gasverteilungsraum und den Gaseinlässen räumlich getrennt sein. Dieses Prinzip läßt sich in einer Vielzahl von Ausgestaltungen variieren, die nachstehend anhand von Einzelbeispielen besonders erläutert werden. Aus dem Gasabsaugraum wird das Gas dann über einen Reaktor-Gasauslaß, beispielsweise mit Hilfe einer Vakuumpumpe, abgesaugt.

Das erfindungsgemäße Prinzip, nämlich Gaseinlaß und Gasauslaß jeweils durch die dem zu behandelnden Substrat gegenüberliegende Elektrode zu bewirken, ermöglicht einen extrem einfachen Aufbau des gesamten Reaktors. Es ist nämlich nicht erforderlich,(wenn auch natürlich nicht ausgeschlossen), daß die Bestandteile wie Elektroden und dergleichen in einer äußeren Reaktorkammer angeordnet sind, die durch jeweils einen Gasein- und -auslaß mit der Umgebung kommuniziert. Vielmehr ist es ausreichend, daß die erforderlichen Räume für das Behandeln des Substrates von den notwendigerweise sowieso vorhandenen Bestandteilen selbst gebildet werden. So kann beispielsweise die Plasmabehandlungskammer durch die erste Elektrode (die mit den oben beschriebenen Gasverteilungssystemen bestückt ist), die ihr gegenüberliegende zweite Elektrode, die das Substrat tragen kann, sowie einen dazwischenliegenden Rahmen gebildet werden. Wenn diese Bestandteile durch isolierende Dichtungen voneinander getrennt und miteinander verbunden werden, erhält man einen sehr einfachen modularen Aufbau. In bevorzugter, weil sehr einfacher Weise ist es sodann möglich, die für die Gaszufuhr bzw. für den Abtransport des Gases erforderlichen Räume dadurch zu bilden, daß der eine dieser Räume innerhalb der ersten Elektrode bzw. in Nuten, anderen Ausnehmungen oder in Rohren oder anderen Konstrukten innerhalb dieser Elektrode angeordnet ist, während der andere der beiden Räume auf der der Plasmabehandlungskammer abgewandten Seite der Elektrode gebildet wird. Zur Abtrennung dieses letzten genannten Raums von der äußeren Umgebung läßt sich in einfacher Weise ein Deckel verwenden, der in seinem Inneren eine Ausnehmung aufweist, so daß beim dichtenden Aufsetzen des Deckels auf die erste Elektrode ein solcher Gasraum gebildet wird, der über einen Reaktor-Gaseinlaß oder -auslaß mit einer Vakuumpumpe oder einer Gaszufuhrvorrichtung oder dergleichen verbunden sein kann. Der andere der beiden Gasräume kann mit der Umgebung durch einen Gasein- oder -auslaß in Verbindung stehen, der durch den Rahmen der ersten Elektrode geführt wird.

Wenn die vier Bestandteile: (1) zweite Elektrode (z. B. in Form einer massiven Abschluß-Elektrodenplatte), (2) isolierender Zwischenrahmen, (3) erste, mit den Gasdurchtrittsöffnungen versehene Elektrode (ebenfalls mit einem festen Außenrahmen) und (4) Deckel dieselben Abmessungen besitzen, beispielsweise in der Aufsicht rechteckig oder quadratisch sind, lassen sie sich in einfacher Weise als modulare Bauteile verwenden, die durch O- Ringe aus Gummi oder dergleichen oder andere dichtende Teile miteinander verbunden werden. In einfacher Weise lassen sich dabei gegebenenfalls einzelne dieser modularen Teile gegen andere Teile auswechseln, so daß eine hohe Variabilität von Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Plasmaelektrodenreaktors mit einer geringen Anzahl von Bauteilen möglich ist.

Der zwischen den beiden Elektroden liegende Zwischenrahmen kann aus elektrisch isolierendem Material gebildet sein. Jedoch ist manchmal ein Metallbauteil zu empfehlen, weil die Auswahl an vakuum- und plasmakompatiblen elektrisch isolierenden Materialien relativ gering ist. Kunststoffe in der Plasmabehandlungskammer sollte man wegen der hohen Ausgasungsrate und der Degradation unter den Plasmabedingungen nach Möglichkeit vermeiden. Als isolierende Materialien sind daher vor allem Glas und Keramiken geeignet, die jedoch häufig spröde sind. Ihre Bearbeitungsmöglichkeiten sind meist eingeschränkt, und die Bearbeitung ist häufig teuer. Wird deshalb statt dessen Metall oder ein anderes leitendes Material verwendet, sollte jedoch ein Isolator auf der zur Plasmaabhandlungskammer gerichteten Seite angeordnet sein, damit die Gleichmäßigkeit des elektrischen Feldes nicht beeinträchtigt wird.

Nachstehend soll die Erfindung nun anhand von einzelnen Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen Reaktor mit einer unteren Elektrode 4, auf die das zu behandelnde Substrat 5 aufgelegt oder anders befestigt wird, dem Zwischenrahmen 6 aus einem elektrisch isolierenden Stoff, z. B. Glas oder Keramik, und der oberen Elektrode 13, in die das Gasverteilungssystem eingebaut ist.

Auf die obere Elektrode 13 ist der Deckel 25 aufgebracht, der innerhalb eines Rahmens mit etwa derselben Rahmenbreite wie der des Zwischenrahmens 6 eine Ausnehmung aufweist, so daß zwischen Deckel und Elektrode ein Hohlraum 29 gebildet wird. Auf der Elektrode 13 liegt eine Abdeckplatte 2 auf. Das Arbeitsgas tritt durch den Reaktor-Gaseinlaß 7 ein und wird über den Gasraum 17 gleichmäßig verteilt, welcher Nuten im Elektrodenkörper 13 bildet, die durch die Abdeckplatte 2 von dem Absaugraum 29 abgetrennt sind. Anschließend wird es gleichmäßig durch die Eintrittsdurchlässe 18 in den Plasmabehandlungsraum 26 geführt. Eine gleichmäßige Verteilung ist z. B. dann gegeben, wenn der Gesamt-Querschnitt der Durchlässe einer Nut wesentlich geringer als der Nutquerschnitt ist und deshalb der Druckabfall erst in den Durchlässen stattfindet.

Das Arbeitsgas tritt aus den Öffnungen 18 in den Plasmabehandlungsraum 26 ein und trifft im wesentlichen senkrecht auf das Substrat 5 auf. Wenn die Öffnungen 18 klein genug sind und der Arbeitsdruck entsprechend ausgewählt ist, können die gasdynamischen Effekte ("Prallströmung") beispielsweise zu einer vorzüglichen Abscheidung von Plasmapolymerisationsprodukten auf der gegenüberliegenden Seite, d. h. auf dem Substrat, führen. Dies ist ein erwünschter Effekt. Allerdings wird der Durchmesser üblicherweise aus fertigungstechnischen Gründen nicht beliebig verringerbar sein. Öffnungen unter 0,5 bis 1 mm beispielsweise lassen sich kaum mehr mechanisch bohren, Laserbohrungen sind zwar möglich und vorliegend einsetzbar, aber relativ teuer. (Ein Prallströmungs- Effekt wird zum Beispiel dann erreicht, wenn der Abstand zwischen den Gasaustrittsöffnungen 18 im Abstand von etwa 1,5 cm [bei einer Anordnung in etwa quadratischem Muster, siehe Fig. 2] und der Durchmesser der Öffnungen etwa 0,8 mm bei einem Abstand zwischen Elektrode 4 und Substrat 5 von etwa 4 cm betragen, wobei der Gasdruck während der Behandlung im Plasmaraum bei 100 Pa liegt und das Gas mit 0,5 sccm (standard cubic centimeter) pro Eintrittsöffnung fließt.

Zur Evakuierung des Reaktors und dem Absaugen der Reaktionsprodukte sind Durchlässe 19 im Elektrodenkörper 13 sowie Öffnungen 20 in der Abdeckplatte 2 vorgesehen. Diese Durchlässe sind wie auch die Gaseintritts-Durchlässe 18 über die Elektrodenfläche verteilt. Anschließend geht der Gasstrom durch den Absaugraum 29 im Deckel 25 zu dem Reaktor-Gasauslaß 1, der z. B. an eine Vakuumpumpe angeschlossen ist.

Die Abdichtung zwischen den Reaktorbauteilen 4, 6, 13 und 25 erfolgt durch O-Ringe 3 aus Gummi.

Fig. 3 stellt eine andere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Reaktors dar. Der Aufbau des Reaktors ist dem der Fig. 1 und 2 ähnlich. Der Gasanschluß 7 wird als Reaktor-Gaseinlaß benutzt, und der Elektrodenkörper 13 hat eine andere Konstruktion. Das Arbeitsgas wird aus dem Raum 17 durch Röhrchen 8 nahe an die Substratoberfläche gebracht. Für den Durchmesser der Röhrchen gilt dabei das oben Gesagte: Für eine gleichmäßige Gasverteilung in der Plasmabehandlungskammer soll der Druckabfall erst beim Durchtreten des Gases durch die Röhrchen erfolgen. Die Absaugung des abreagierten Gases erfolgt durch die Öffnungen 19 in der zur Elektrode 13 gehörigen Abdeckplatte 27 (durch die in der Darstellung der Figur konzentrisch auch die Röhrchen durchgeführt werden, was aber nicht zwingend der Fall bei einer solchen Anordnung sein muß) weiterhin durch den Hohlraum 28 und durch den Absaug-Anschluß 1 im Elektrodenkörper 13. Der Vorteil dieser Konstruktion ist, daß sich die Länge der verschiedenen Röhrchen variabel gestalten läßt. Dadurch kann die Gaszufuhr an Substrate 5, die nicht flach sind, sondern eine ungleichmäßige Oberflächenkontur aufweisen (wie in der Figur schematisch gezeigt), herangeführt werden. In einer Ausgestaltung werden die Röhrchen aus einem elektrisch isolierenden Stoff gemacht. Die Verteilung der elektrischen Felder wird in diesem Fall im Vergleich zu einem Parallelplattenreaktor nicht wesentlich geändert. In einer anderen Ausgestaltung werden die Röhrchen aus einem leitenden Stoff wie z. B. Metall gemacht. Dies führt zu einer wesentlichen Vergrößerung der Elektrodenoberfläche und zusätzlich auch zu einem Hohlkathodeneffekt, wobei die Plasmaeffizienz wesentlich verbessert werden kann.

Die Ausgestaltung der Fig. 4 und 5 unterscheidet sich von der Ausgestaltung gemäß Fig. 1 und 2 im Elektrodenaufbau und in der Gasführung. Auf die obere Elektrode 13 ist wiederum ein Deckel 25 derart aufgebracht, daß ein Hohlraum 29 entsteht. Die Elektrode 13 besteht aus einem Rahmen 16, auf dem Gasverteiler 15 montiert sind. Ein solcher Gasverteiler ist in den Fig. 7 bis 9 abgebildet; er besteht aus einem Körper 10 und einer Abdeckplatte 11, die zusammengeklebt oder auf eine sonstige Weise verbunden sind. Durch die tiefere Nut 30 wird das Arbeitsgas gleichmäßig über Gasaustrittsspalten 12 verteilt, die zwischen einer Vertiefung im Körper 10 und der Abdeckplatte 11 gebildet werden. Die Breite der Spalte 12 kann durch die Stege 31 sehr genau gehalten werden. Die Stege 31 können integrale Bestandteile der Körper 10 oder der Platten 11 sein, sie können aber auch aufgeklebt oder anderweitig befestigt sein. In den Gasverteiler 15 wird das Gas durch eine Rohrverbindung 9 eingeführt, die in Fig. 6 dargestellt ist.

Die Gasverteiler werden auf dem Rahmen 16 montiert und durch Schrauben 14 befestigt. Die Rohrverbindung 9 endet im Gaskanal 24 (einer Sackloch-Bohrung), der mit dem Gaseinlaß 7 verbunden ist.

Die Evakuierung (Absaugung) des Gases erfolgt durch die Zwischenräume zwischen den Gasverteilern 15, weiterhin durch den Hohlraum 29 im Deckel 25 und den Anschluß 1.

Die Zwischenräume zwischen den Gasverteilern können zu einem Hohlkatodeneffekt führen, der in vielen Fällen die Plasmaeffizienz erhöhen kann. Falls jedoch die damit verbundene Umverteilung des Plasmas unerwünscht ist, kann der Effekt ggf. durch Anbringen eines flachen Gegenstandes, z. B. eines Metallsiebs 32, unterdrückt werden, der von der Plasmabehandlungskammer aus betrachtet vor der Elektrode 13 angeordnet und mit dieser elektrisch verbunden ist und sie so zu einer Flachelektrode macht. Dieser Gegenstand kann aus Metall oder einem beliebigen Material hergestellt sein, sofern es leitend ist oder leitend beschichtet ist. Statt eines Siebes ist pin Lochblech oder eine andere Gestaltung mit einer Vielzahl von Öffnungen möglich.

Der Vorteil dieses Systems ist, daß die Gasaustrittsspalte 12, durch die das Gas in die Plasmabehandlungskammer 16 eintritt, sehr schmal gemacht werden können. Damit können die bei der ersten Ausgestaltung (Fig. 1 und 2) erwähnten gasdynamischen Effekte in besonders effektiver Weise erzielt werden. Außerdem ist diese Konstruktion in der Herstellung sehr einfach und wirtschaftlich, da eine Vielzahl von Gaseinlässen durch das Verbinden von nur zwei Teilen, dem Körper 10 und der Abdeckplatte 11, bewirkt werden kann. Das Bohren einer Vielzahl von kleinen Löchern ist hier nicht erforderlich.

Weiterhin unterscheidet sich diese Konstruktion von der Ausgestaltung der Fig. 1 und 2 dadurch, daß der Zwischenrahmen 6 aus Metall gefertigt ist. Um die elektrische Isolation zwischen den Teilen zu gewährleisten, werden deshalb neben den O-Ringen 3 auch Abstandshalter 33 aus Kunststoff eingesetzt. Da die metallischen Wände des Zwischenrahmens die Rolle einer zusätzlichen Elektrode spielen können, insbesondere wenn das System unter Hochfrequenz betrieben wird, und dadurch die Gleichmäßigkeit der Verteilung des elektrischen Feldes beeinträchtigen können, sind Scheiben 23 aus einem Isolator, z. B. aus Glas, vorgesehen, die die metallischen Wände von der Plasmabehandlungskammer abschirmen.

Die Fig. 10 und 11 stellen eine Abwandlung der Ausgestaltung der Fig. 4 und 5 dar. Die Gasführung ist die gleiche. Die Energieeinspeisung erfolgt hier zusätzlich durch Mikrowellen, die durch koaxiale (bzw. Hohlleiter-) Durchführungen 21 eingespeist werden, welche abgedichtet durch den Deckel 25 und weiterhin durch die Räume zwischen den Gasverteilern 15 in den Plasmabehandlungsraum 26 eingeführt werden. Sie können z. B. durch Antennen 22 in den Raum 26 eingestrahlt werden. Die Plasmaeffizienz wird durch die gemeinsame Einwirkung von Mikrowellen- und Hochfrequenzenergie wesentlich erhöht, was in manchen Fällen wünschenswert ist.

Die Fig. 12 und 13 zeigen eine Ausgestaltung, in der die Gasführung und -verteilung ähnlich wie in Fig. 4 und 5 realisiert sind. Als Gasverteiler werden hier jedoch Rohre 34 mit Öffnungen 35 verwendet. Für die Größe der Öffnungen der Rohre gilt selbstverständlich das gleiche, was für die Öffnungen der Gaseinlässe in die Plasmabehandlungskammer zuvor gesagt wurde. Die Verwendung der Rohre 34 anstelle der Gasverteiler 15 hat den Vorteil, konstruktiv besonders einfach zu sein.

Fakultativ kann in einer derartigen Ausgestaltung der Plasmabehandlungsraum 26 vom Absaugraum 29 im Deckel 25 durch ein Metallgitter oder -sieb 39 zusätzlich getrennt werden. In diesem Falle können die Rohre aus leitendem oder aber auch aus nichtleitendem Material gestaltet werden.

Fig. 14 zeigt eine Ausgestaltung, die der der Fig. 12 und 13 sehr ähnlich ist. Hier sind jedoch die Rohre so angeordnet, daß ihre Öffnungen nicht zur Plasmabehandlungskammer weisen, sondern in die entgegengesetzte Richtung. Das austretende Gas trifft hier auf Reflektoren 40, die das Gas diffus in Richtung des Substrates reflektieren. Obwohl die Gasströmung in dieser Ausgestaltung etwas diffuser ist, entstehen im wesentlichen keine zum Substrat parallelen Gasströmungen.

Der geringe Durchmesser der Gasaustritts-Öffnungen 18, 35 bzw. Spalten 12 führt, wie bereits erläutert, zu einer zum Substrat gerichteten Prallströmung, die vorteilhaft ist, da sie in den meisten Fällen eine bessere Ausnutzung der Chemikalien und höhere Behandlungsrate (z. B. Deposition oder Ätzung) ermöglicht; außerdem wird dadurch gewährleistet, daß der Druckabfall erst in den Austrittsöffnungen stattfindet und die Gasflüsse aus allen diesen Öffnungen gleich sind. Allerdings muß eine solche Prallströmung nicht für alle Behandlungsverfahren optimal sein. Sie kann ggf. nämlich zu einem Behandlungsmuster auf dem Substrat führen, das der Verteilung dieser Öffnungen entspricht. Um dies zu vermeiden, wird der Gasstrom in speziellen Fällen, wie in Fig. 14 gezeigt, erst in die entgegengesetzte Richtung gerichtet und dann durch die Gasreflektoren 40 diffus in Richtung Substrat reflektiert.

Bezugszeichenliste

1

Reaktor-Gasauslaß

2

Abdeckplatte

3

O-Ring

4

Gegenelektrode

5

Substrat

6

Zwischenrahmen

7

Reaktor-Gaseinlaß

8

Gaseinlaßröhrchen

9

Rohrverbindung

10

Gasverteiler-Korpus

11

Spalteinlaß-Abdeckplatte

12

Gasaustrittsspalt

13

gasdurchlässige erste Elektrode

14

Schraube

15

Gasverteiler

16

Rahmen der ersten Elektrode

17

Nut (Gaskanal)

18

Gaseinlaß-Feinbohrungen

19

Absaug-Durchlässe

20

Schlitze

21

MW-Durchführung (Koax oder Hohlleiter)

22

MW-Antenne

23

Isolator

24

Gaskanal (Bohrung)

25

Deckel

26

Plasmaraum

27

Abdeckplatte

28

Hohlraum im Elektrodenkörper

29

Hohlraum im Elektrodendeckel

30

Nut

31

Abstandshalter (Steg)

32

Metallsieb

33

elektrisch isolierender Abstandshalter

34

Rohr-Gasverteiler

35

Gasaustrittsöffnung

36

Gaseintrittskollektor

38

Elektrodenrahmen

39

Metallgitter

40

Gasreflektor

Claims

1. Plasmareaktor, umfassend

1. einen Reaktor-Gaseinlaß (7),
2. einen Gasverteilungsraum (17),
3. eine Plasmabehandlungskammer (26), die von einer ersten Elektrode (13) und einer gegenüberliegenden zweiten Elektrode (4) begrenzt wird,
4. einen Gasabsaugraum (28, 29), sowie
5. einen Reaktor-Gasauslaß (1),

wobei die erste Elektrode (13) den Gasverteilungsraum (17) von der Plasmabehandlungskammer (26) trennt und mit im wesentlichen über ihre Fläche verteilten Gaseinlässen (18), durch die das Gas vom Gasverteilungsraum (17) in die Plasmabehandlungskammer (26) strömen kann, versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode auch den Gasabsaugraum (28, 29) von der Plasmabehandlungskammer trennt und mit im wesentlichen über ihre Fläche verteilten Gasauslässen (19), durch die das Gas aus der Plasmabehandlungskammer (26) in den Gasabsaugraum (29) strömen kann, versehen ist.

2. Plasmareaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche der Einlaßquerschnitte der einzelnen Gaseinlässe (18) nicht größer als etwa 16 mm², bevorzugt nicht größer als etwa 4 mm² und ganz besonders bevorzugt nicht größer als etwa 2,5 mm² ist.

3. Plasmareaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er eine mit entweder einem Gaseinlaßsystem oder einem Gasauslaßsystem sowie mit von diesem System getrennten Durchtrittsöffnungen für entweder den Gasaustritt oder den Gaseintritt versehene Platte (13) aus leitendem Material als erste Elektrode, einen Zwischenrahmen (6), eine Bodenplatte (4) aus leitendem Material als zweite Elektrode sowie einen Deckel (25), der entweder mit dem Reaktor-Gasauslaß (1) oder mit dem Reaktor-Gaseinlaß (7) versehen ist, aufweist, wobei die Bodenplatte (4), der Zwischenrahmen (6) und die Platte (13) unter Bildung der Plasmabehandlungskammer dichtend miteinander verbunden sind und der eine Ausnehmung aufweisende Deckel (25) auf einem Rahmen der Platte derartig dichtend aufgesetzt ist, daß zwischen dem Deckel (25) und der Platte (13) entweder der Gasabsaugraum (29) oder der Gasverteilungsraum (17) gebildet wird.

4. Plasmareaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (25) einen Reaktor- Gasauslaß (1) aufweist und zwischen ihm und der Elektrode (13) ein Gasabsaugraum (29) gebildet wird.

5. Plasmareaktor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte (4), der Zwischenrahmen (6), die Platte (13) sowie der Deckel (25) durch O-Ringe dichtend miteinander verbunden sind.

6. Plasmareaktor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (13) zum Gasabsaugraum (29) hin mit einer Durchtrittsöffnungen (20) aufweisenden Abdeckplatte (2) versehen ist, die in der Elektrode (13) vorhandene Nuten (17 der Fig. 2) vom Gasabsaugraum (29) trennt und deren Durchtrittsöffnungen (20) mit den Gasauslässen (19) der ersten Elektrode (13) kommunizieren, derart, daß Gas aus der Plasmabehandlungskammer (26) durch die Gasauslässe (19) und die Öffnungen (20) in den Gasabsaugraum (29) strömen und über den Reaktor- Gasauslaß (1) abgesaugt werden kann.

7. Plasmareaktor nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (13) einen sich durch ihren Rahmen (16) seitlich erstreckenden Reaktor-Gaseinlaß (7), sich im wesentlichen parallel über die gesamte innere Fläche der Platte erstreckende Nuten (17 der Fig. 3), die mit dem Reaktor-Gaseinlaß (7) verbunden sind, sowie eine Vielzahl von innerhalb der Nuten angeordnete Gasdurchtrittsöffnungen (18) zum Einlassen des Gases in die Plasmabehandlungskammer (26) aufweist, wobei die Durchmesser der Gasdurchtrittsöffnungen (18) wesentlich kleiner als der Querschnitt der Nuten (17) ist.

8. Plasmareaktor nach Anspruch 7, worin die Elektrode (13) einstückig gefertigt ist.

9. Plasmareaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die Gaseinlässe (18) als Röhrchen (8) gebildet sind, die sich durch die erste Elektrode (13) hindurch in die Plasmabehandlungskammer (26) hinein erstrecken.

10. Plasmareaktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhrchen (8) unterschiedlich weit in die Plasmabehandlungskammer (26) hineinragen, derart, daß der Abstand der Röhrchenenden zur Oberfläche eines auf der zweiten Elektrode (4) aufliegenden oder aufgebrachten Substrates (5) auch dann gleichbleibend sein kann, wenn das Substrat eine ungleichmäßige Oberflächenkontur aufweist.

11. Plasmareaktor nach Anspruch 9 der 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhrchen (8) aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet sind.

12. Plasmareaktor nach Anspruch 9 der 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhrchen (8) aus einem leitenden Material gebildet sind.

13. Plasmareaktor nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasauslässe (19) konzentrisch um die Röhrchen (8) angeordnet sind.

14. Plasmareaktor nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen Deckel (25) und erster Elektrode (13) ein Gasverteilungsraum (17) befindet, aus dem über die Röhrchen (8) Gas in die Plasmabehandlungskammer (26) eintreten kann.

15. Plasmareaktor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaßquerschnitt der Röhrchen nicht größer als etwa 16 mm², bevorzugt nicht größer als etwa 4 mm² ist und ganz bevorzugt nicht größer als etwa 2,5 mm² ist.

16. Plasmareaktor nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (13) zur Plasmabehandlungskammer hin eine mit Gasauslässen (19) versehene Abdeckplatte (27) umfaßt, derart, daß zwischen dem zum Gasverteilungsraum (17) weisenden Teil der ersten Elektrode (13) und der Abdeckplatte (27) ein Gasabsaugraum (28) gebildet wird, der mit einem seitlich in der ersten Elektrode (13) angeordneten Reaktor- Gasauslaß (1) in Verbindung steht.

17. Plasmareaktor nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (13) einen sich durch ihren Rahmen (16) seitlich erstreckenden Reaktor-Gaseinlaß (7) sowie auf dem Rahmen im wesentlichen parallel zueinander montierte Gasverteilungseinrichtungen (15) umfaßt, die mit dem Reaktor-Gaseinlaß (7) kommunizieren.

18. Plasmareaktor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Koaxiale bzw. Hohlleiter durch die erste Elektrode (13) in die Plasmabehandlungskammer (26) geführt werden, durch die Mikrowellenenergie in die Plasmabehandlungskammer (26) eingebracht werden kann.

19. Plasmareaktor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der ersten Elektrode (13) und der Plasmabehandlungskammer (26) ein flaches, mit einer Vielzahl von Öffnungen versehendes Element (32) aus leitendem Material angeordnet und mit der Elektrode (13) leitend verbunden ist.

20. Verfahren zum Behandeln von Substraten mit einem Glimmentladungs-Niedertemperaturplasma, worin Plasma in einer Plasmabehandlungskammer angeregt wird und das angeregte Plasma im wesentlichen senkrecht auf das in derselben Kammer befindliche Substrat auftrifft, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasabsaugung in Gegenrichtung zur Beaufschlagung des Substrates mit Gas ebenfalls im wesentlichen senkrecht zum Substrat erfolgt.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas durch Öffnungen in die Plasmabehandlungskammer eingeleitet wird, die der Oberfläche des Substrates gegenüber im wesentlich gleichmäßig verteilt angeordnet sind und jeweils einen Querschnitt von nicht mehr als etwa 16 mm², bevorzugt von nicht mehr als etwa 4 mm² und ganz besonders von nicht mehr als 2,5 mm² aufweisen.