DE19923018C2

DE19923018C2 - Vorrichtung zur Bearbeitung bandförmiger Werkstücke mit Hilfe resonanter Hochfrequenzplasmen

Info

Publication number: DE19923018C2
Application number: DE19923018A
Authority: DE
Inventors: Alfred Kottwitz; Heinrich Grueger; Ralf Terasa
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 1999-05-19
Filing date: 1999-05-19
Publication date: 2001-09-27
Anticipated expiration: 2019-05-20
Also published as: DE19923018A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abtragung, Modifikation oder Beschichtung von Oberflächen bandförmiger, durch einen Bearbeitungsraum bewegter Werkstücke oder Trägermaterialien (Substrate) durch in einer elektrischen Niederdruckgasentladung im VHF- Bereich angeregte, ionisierte oder dissoziierte Arbeitsgase.

Die Verwendung koaxialer Wendelleiter als eine Möglichkeit zur Anregung der resonanten Hochfrequenz-Niederdruck-Entladungen ist prinzipiell bekannt. Dabei ist die konkrete konstruktive Ausführung solcher Vorrichtungen, die Formung der elektromagnetischen Felder und ihre Ankopplung an die Niederdruckgasentladung sowie die Anordnung und Bewegung der Werkstücke in der Vorrichtung entscheidend für das Funktionsprinzip und in welchem Maße die gewünschte Abtragung, Beschichtung oder Modifikation einer Werkstückoberfläche erreicht werden kann.

In DE 43 37 119 C2 wird eine koaxiale Vorrichtung beschrieben, in der die Entladung im Raum zwischen gewendeltem Innenleiter und dem Außenleiter (bzw. zwischen Außenleiter und einer zwischen den beiden Leitern eingebrachten dielektrischen Abschirmung) betrieben wird. Die zu bearbeitenden Werkstücke sind außerhalb der als Plasmaquelle wirkenden Vorrichtung angeordnet. Der homogenen Bearbeitung von großen Werkstückoberflachen sind dabei prinzipielle Grenzen gesetzt.

US 5 304 282 A beschreibt eine Vorrichtung zur Waferbearbeitung (Beschichtung und insbesondere Ätzprozesse). Die Entladung wird hierbei im Inneren einer dielektrischen Abschirmung betrieben, um welche der Innenleiter konzentrisch gewendelt ist. Das zu bearbeitende Substrat befindet sich außerhalb der Vorrichtung; auf die Möglichkeit der Positionierung im Entladungsraum wird hingewiesen. Die zylindrische Form und die Große der Vorrichtung sind der Geometrie der Wafer angepaßt.

Die in WO 95/29273 A1 beschriebene Plasmaquelle mit Induktionsheizung besitzt einen konzentrisch gewendelten Außenleiter, der Innenleiter ist streifenförmig auf ein den Reaktionsraum umschließendes zylinderförmiges Dielektrikum aufgebracht.

US 3 619 402 beschreibt eine Plasmaquelle mit gewendeltem Außenleiter und einem geschlitzten zylindrischen Innenleiter. Das Reaktionsgas wird im Inneren der Anordnung plasmachemisch zerlegt, das zu beschichtende Substrat befindet sich außerhalb der Vorrichtung.

In US 3 663 858 wird eine koaxiale Plasmaquelle beschrieben, die einen geschlitzten Innenleiter (auch in Form einer Wendel) verwendet und in Verbindung mit einem zusätzlichen statischen Magnetfeld im Innenraum der Quelle ein intensives Plasma zu erzeugen gestattet.

Weitere Varianten von koaxialen Plasmaquellen oder Vorrichtungen, die gewendelte und zum Teil auf Resonanz abgestimmte Leiter verwenden, sind in US 5 241 245 A, US 4 368 092, US 4 388 344 und in US 4 918 031 beschrieben.

Allen bis hierhin beschriebenen und aus dem Stand der Technik bekannten Plasmaquellen liegt eine zylinderförmige Symmetrie zugrunde, sie unterscheiden sich damit schon in ihrer Bauweise von der Erfindung.

In US 3 814 983 wird eine Plasmaquelle für den sich an den VHF-Bereich anschließenden Mikrowellenbereich (hier 100 . . . 30000 MHz) beschrieben. Der Grundgedanke besteht in der Führung der Mikrowellen-Leistung entlang einer oder mehrerer Leitungen, welche gerade, mäanderförmig oder auch gewendelt ausgeführt sein können und in ihrem Nahfeld eine Plasmaanregung gestatten Beschrieben wird eine Ausführungsvariante zur Beschichtung eines durchlaufenden Bandes.

Nachteilig erweist sich hierbei, daß

- der Mikrowellen-Energiefluß senkrecht zur Durchlaufrichtung des Bandes insbesondere für den angegebenen unteren Frequenzbereich eine homogene Bearbeitung des Bandes quer zur Durchlaufrichtung kaum zulaßt,
- nur ein geringer Teil der Mikrowellen-Leistung in das Plasma eingekoppelt wird
- für eine gewendelt ausgeführte Leitung nur das Randfeld, aber nicht das intensive elektromagnetische Feld im Inneren der Wendel ausgenutzt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für die gleichmäßige plasmatechnologische Bearbeitung von bandförmigen Werkstücken oder zu einem Band verketteter Einzelsubstrate in einem Durchlaufverfahren eine produktive und energieeffiziente Vorrichtung anzugeben.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zur elektrischen Anregung der Niederdruckgasentladung mit Frequenzen im Bereich von 27 bis 600 MHz eine abgeschirmte Leitung mit rechteckigem oder näherungsweise rechteckigem Querschnitt bei einem Seitenverhältnis größer oder gleich zwei mit gewendeltem Innenleiter vorgesehen ist, ein Bearbeitungsraum für die Werkstücke durch das vom Innenleiter umfaßte Volumen gebildet wird und das Werkstück während der Bearbeitung relativ zum gewendelten Innenleiter in Richtung seiner Wickelachse beweglich ist.

Die Erfindung nutzt die bekannte Tatsache, daß für Frequenzen oberhalb der üblicherweise benutzten Industriefrequenz (13,56 MHz) im VHF-Bereich bis ca. 600 MHz hochintensive Niederdruckplasmen angeregt werden können. Unter einem hochintensiven Plasma soll hier ein Plasma mit hohem Dissoziations-, Anregungs- bzw. Ionisierungsgrad verstanden werden. Solche hochintensiven Plasmen sind eine Voraussetzung für die produktive Bearbeitung von Werkstücken mit hoher Bearbeitungsgeschwindigkeit und mit einem hohen Ausnutzungsgrad der verwendeten Arbeitsgase. Insbesondere die Verwendung von VHF-Plasmen zur Abscheidung amorpher und mikrokristalliner Siliziumschichten und damit zur Herstellung z. B. von Solarzellen erweist sich nicht nur wegen der höheren Abscheideraten, sondern auch wegen geringerer Teilchenenergien im Plasma und daraus hervorgehender günstigerer Schichteigenschaften als vorteilhaft gegenüber einer Plasmabeschichtung bei 13,56 MHz. Technische Probleme bei der Anwendung von im VHF-Bereich angeregten Plasmen bestehen im Auftreten von Stehwellen in den elektrischen Zuleitungen und insbesondere auch auf den spannungsführenden Teilen der Vorrichtung und im Plasma selbst, wenn die Abmessungen der Werkstücke und der Anordnung in die Größenordnung der elektrischen Wellenlänge der anregenden Felder kommen. Eine sehr inhomogene Bearbeitung der Werkstückoberfläche ist die Folge.

Erfindungsgemäß werden solche Nachteile einer Anregung des Plasmas im VHF-Bereich dadurch beseitigt, daß die Stehwellen durch eine besondere Ausbildung der elektromagnetischen Felder in der Vorrichtung in einer Vorzugsrichtung - im weiteren Symmetrieachse der Vorrichtung genannt - orientiert werden und die gleichmäßige Bearbeitung des Werkstückes durch eine Relativbewegung bezogen auf den Plasmaraum längs der Symmetrieachse gewährleistet wird. Zur Erzeugung der gewünschten Konfiguration der anregenden Felder wird erfindungsgemäß eine elektrische Verzögerungsleitung mit gewendeltem Innenleiter und rechteckigem Querschnitt verwendet.

Vorteilhaft wird durch eine dielektrische Abschirmung des gewendelten Innenleiters ein galvanischer Kontakt zwischen gewendeltem Innenleiter und der Entladung vermieden.

Weiterhin vorteilhaft wird nur der vom Dielektrikum umschlossene Raum als Bearbeitungsraum ausgebildet, der mit dem Arbeitsgas bei reduziertem Druck befüllt ist.

Von Vorteil ist die Einkopplung der Hochfrequenzleistung über eine Anzapfung des gewendelten Innenleiters und/oder das Betrieben der Anordnung in Verbindung mit der brennenden Entladung in einem ihrer möglichen Resonanzzustände.

Bei einer vorteilhaften Abscheidung von Schichten gemäß Anspruch 5 wird, beispielsweise, ein Arbeitsgas oder Gasgemisch verwendet, das in der Entladung chemisch so modifiziert wird, daß es kondensationsfähige Radikale oder Verbindungen bildet, die zu einer Schichtabscheidung gewünschter Zusammensetzung führen. Bei Verwendung von Siliziumwasserstoff (Silan), beispielsweise, entstehen Siliziumschichten, deren photoelektrische Eigenschaften bei Abscheidungen mit Frequenzen im VHF-Bereich besonders günstig beeinflußt werden. Für erfindungsgemäß erzeugte Plasmen sind die hohen Teilchendichten und die aus den geringen Brennspannungen und den besonderen Anregungsbedingungen bei Frequenzen im VHF-Bereich folgenden geringen Teilchenenergien typisch.

In Anwendungsfällen, in denen das Werkstück bzw. eine aufwachsende Schicht nicht durch energiereichen Teilchenbeschuß aus dem Plasma geschädigt werden darf, kann die Erfindung ebenfalls vorteilhaft eingesetzt werden. Die Belegung des Bearbeitungsraumes mit Werkstücken kann dem Bearbeitungszweck variabel angepaßt werden. Die doppelseitige Bearbeitung eines bandförmigen Werkstückes, z. B. die beidseitige Beschichtung eines Substrates, erfolgt zweckmäßig durch eine Anordnung bzw. Bewegung des Werkstückes auf bzw. längs der Symmetrieachse. Eine effiziente und arbeitsgassparende Anordnung der Substrate bei einseitiger Beschichtung besteht gemäß der Ansprüche 9 und 10 auf den Innenflächen des gewendelten Leiters. Das Plasma wird dann durch die zu bearbeitenden Werkstücke umfaßt, so daß keine weiteren Flächen der Anordnung zugleich mitbeschichtet (abgetragen oder bearbeitet) werden. Damit können material- und zeitaufwendige Reinigungszyklen prinzipiell entfallen oder auf ein Minimum beschränkt werden.

In der Regel wird die Erfindung in einem kontinuierlichen Bearbeitungsprozeß integriert sein, daß heißt, daß das Werkstück gemäß Anspruch 10 gleichmäßig und in einer Richtung durch den Bearbeitungsraum hindurchgeführt wird. Insbesondere für lange Bänder (z. B. "Rolle zu Rolle"- Bearbeitung) wird dies eine effektive Betriebsart sein. Bei relativ kurzen Werkstücken kann gemäß Anspruch 11 und bei diskontinuierlicher Beschickung der Anordnung eine oszillatorische Bewegung vorteilhaft sein. Das Ein- und Ausschleusen de(s)r Werkstücke(s) kann dann über eine Schleuse von einer Seite aus erfolgen.

Mit der Erfindung kann ein wesentlicher Teil der bekannten plasmatechnologischen Verfahren wie Schichtabscheidung (Plasma CVD) auf band- und plattenförmigen Substraten, Abtrag (plasmachemisches Ätzen) von Werkstücken, Oberflächenreinigung und -härtung von Werkstücken u. ä. realisiert werden.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnungen in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Realisierungsvariante im Längschnitt

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Realisierungsvariante im Querschnitt

Fig. 3 ein Diagramm mit Darstellung der Plasmaleistung in Abhängigkeit von der Frequenz

In der Fig. 1 ist eine Realisierungsvariante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch dargestellt. In einem Außenleiter 1 ist ein Innenleiter 2 angeordnet, der um eine Abschirmung 5 gewendelt ist. Die Abschirmung 5 begrenzt den Bearbeitungsraum 4 zum Innenleiter 2. Im Bearbeitungsraum 4 ist ein langgestrecktes Werkstück 3 in Bearbeitungsrichtung dargestellt. Der Innenleiter 2 weist eine Anzapfung auf, an der ein Generator 7 und daran ein Anpaßnetzwerk 6 angeschlossen sind.

Das für die Erzeugung und die räumliche Verteilung der Entladung notwendige elektromagnetische Hochfrequenzfeld bildet sich innerhalb einer Verzögerungsleitung aus, die aus dem üblicherweise geerdeten Außenleiter 1 und dem gewendelten Innenleiter 2 jeweils mit rechteckigem Querschnitt besteht. Die Achse der Leitung, die gleichzeitig die Symmetrieachse der Anordnung darstellt, gibt die Richtung der (Relativ-) Bewegung der(s) Werkstücke(s) (3) an. Das Werkstück erfährt seine Bearbeitung, indem es durch den Bearbeitungsraum 4 hindurchbewegt wird.

Durch die rechteckige Ausbildung des Leitungsquerschnittes unter Einhaltung der Bedingung Breite B < 2 . Höhe H wird gewährleistet, daß sich die Plasmadichte quer zur Symmetrieachse näherungsweise homogen ausbildet. Die mit der starken Ortsabhängigkeit der Plasmadichte längs der Symmetrieachse gekoppelte inhomogene Bearbeitung des Werkstückes, hervorgerufen durch Stehwellen, die Knoten und Bäuche in den Strom- und Spannungsverteilungen nach sich ziehen, wird erfindungsgemäß durch eine Relativbewegung des Werkstückes längs der Symmetrieachse ausgemittelt. Analoges gilt für Inhomogenitäten, die aus unterschiedlichen Anregungsbedingungen in den Stromknoten (vorwiegend induktive Anregung) bzw. in den Spannungsknoten (vorwiegend kapazitive Anregung) folgen.

Eine Verbesserung des Ausnutzungsgrades des Arbeitsgases, eine verlustarme Einkopplung der Hochfrequenzleistung sowie günstigere Zündbedingungen lassen sich erreichen, wenn der Wendelleiter gemäß Anspruch 2 durch eine zusätzliche dielektrische Abschirmung 5 galvanisch vom Plasma abgetrennt und wenn der Raum, in dem sich die Entladung ausbilden kann, gleichzeitig auf den Bearbeitungsraum 4 begrenzt wird.

Die Einkopplung der VHF-Leistung des Generators 7 erfolgt, falls erforderlich, über ein Anpaßnetzwerk 6 durch die Anordnung Außenleiter 1/gewendelter Innenleiter 2, die eine Verzögerungsleitung bilden, in die Entladung. Da die erfindungsgemäß verwendetete Verzögerungsleitung elektrisch stark verkürzt erscheint, kann im VHF- Bereich ohne weiteres die geometrische Länge des Innenleiters in die Größenordnung von dessen elektrischer Wellenlänge gebracht werden. Die praktischen Vorteile, die sich daraus gemäß Anspruch 3 ergeben, sind folgende: Die Anordnung kann in verschiedenen resonanten Zuständen (Stehwellen!) betrieben werden, die zu einer verstärkten Leistungseinkopplung ins Plasma und damit zu einer erhöhten Effizienz der Werkstückbearbeitung führen und bei optimaler Dimensionierung eine Vereinfachung der Einkopplung ermöglichen (Verzicht auf das Anpaßnetzwerk).

Fig. 2 zeigt noch einen der Fig. 1 entsprechenden Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Um das Werkstück 3 herum ist zunächst die Abschirmung 5, dann der Innenleiter 2 und danach der Außenleiter 1 dargestellt.

Fig. 3 zeigt die ins Plasma einkoppelbare Leistung in Abhängigkeit von der Frequenz. Deutlich sind die Resonanzmaxima zu erkennen. Der Kurve liegt folgendes Ausführungsbeispiel zu Grunde: Breite 300 mm, Höhe 40 mm, Länge des Innenleiters 100 mm, 10 Windungen, Abstand des Innenleiters zum Außenleiter 20 mm, Anzapfung nach 1 Windung, ein Ende des Innenleiters geerdet. Bei einer Einkopplung der VHF- Leistung über eine Anzapfung der Innenleiterwendel in Verbindung mit der Erdung eines oder beider Spulenende(s)n oder einer beliebigen Windung kann für das Zünden und Brennen der Entladung sowie für maximalen Leistungsumsatz optimale Anpassung erreicht werden.

Bezugszeichenliste

1

Außenleiter

2

Innenleiter

3

Werkstück

4

Bearbeitungsraum

5

Abschirmung

6

Anpaßnetzwerk

7

Generator

Claims

1. Vorrichtung zur Abtragung, zur Modifikation oder zur Beschichtung von Oberflächen bandförmigen durch einen Bearbeitungsraum bewegter Werkstücke oder Trägermaterialien durch in einer elektrischen Niederdruckgasentladung im VHF-Bereich angeregte, ionisierte oder dissoziierte Arbeitsgase, dadurch gekennzeichnet, daß zur elektrischen Anregung der Niederdruckgasentladung mit Frequenzen im Bereich von 27 bis 600 MHz eine abgeschirmte Leitung mit rechteckigem oder näherungsweise rechteckigem Querschnitt bei einem Seitenverhältnis großer oder gleich zwei mit gewendeltem Innenleiter (2) vorgesehen ist, ein Bearbeitungsraum (4) für die Werkstücke (3) durch das vom Innenleiter (2) umfaßte Volumen gebildet wird und das Werkstück (3) während der Bearbeitung relativ zum gewendelten Innenleiter (2) in Richtung seiner Wickelachse beweglich ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gewendelte Innenleiter (2) durch eine dielektrische Abschirmung (5) vom Bearbeitungsraum (4) getrennt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der von der dielektrischen Abschirmung (5) umschlossene Raum als Bearbeitungsraum (4) ausgebildet ist, und der Bearbeitungsraum (4) mit einem Arbeitsgas bei reduziertem Druck befüllbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzleistung über eine Anzapfung des gewendelten Innenleiters (2) einkoppelbar ist und/oder daß die Anordnung in Verbindung mit der brennenden Entladung in einem ihrer Resonanzzustände betreibbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder beide Enden des gewendelten Innenleiters (2) mit Erdpotential verbunden sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zu einer Schichtabscheidung führenden Materialien im gasförmigen Zustand in den Bearbeitungsraum (4) einbringbar sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zu einer Abtragung der Oberfläche des Werkstückes führenden Materialien im gasförmigen Zustand in den Bearbeitungsraum (4) einbringbar sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zu einer Änderung der Eigenschaften der Oberfläche des Werkstückes führenden Materialien im gasförmigen Zustand in den Bearbeitungsraum (4) einbringbar sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des Werkstückes von einer der Innenflächen des gewendelten Innenleiters (2) einstellbar ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Innenflächen des gewendelten Innenleiters (2) mit Werkstücken (3) belegbar sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine gleichmäßige Relativbewegung zwischen gewendeltem Innenleiter (2) und Werkstück (3) einstellbar ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine oszilierende Relativbewegung zwischen gewendeltem Innenleiter (2) und Werkstück (3) einstellbar ist.