DE3144016A1 - Plasmabehandlungsapparat - Google Patents

Plasmabehandlungsapparat

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DE3144016A1 DE19813144016 DE3144016A DE3144016A1 DE 3144016 A1 DE3144016 A1 DE 3144016A1 DE 19813144016 DE19813144016 DE 19813144016 DE 3144016 A DE3144016 A DE 3144016A DE 3144016 A1 DE3144016 A1 DE 3144016A1
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Masahiko Denda
Hiroshi Harada
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Description

1A-3738
Me-599
(F-2136)
MITSUBISHI DENKI KABUSHIKI KAISHA Tokyo, Japan
Plasmabehandlungsapparat
Die Erfindung betrifft einen Plasmabehandlungsapparat und insbesondere einen Plasmabehandlungsapparat, welcher von der örtlichen Elektron-Cyclotron-Resonanz Gebrauch macht.
Erfindungsgemäß wird ein Plasmabehandlungsapparat geschaffen, welcher eine Spule mit einem Luftkern umfaßt. Diese erzeugt ein statisches, magnetisches Feld, das in axialer Richtung gleichförmig ist. Ferner ist eine Hoch-
31 UOI 6
frequenz-Wellenführung vorgesehen, welche ein elektromagnetisches Hochfrequenzfeld erzeugt, das in axialer Richtung der Spule mit Luftkern unregelmäßig ist. Innerhalb der Hochfrequenz-Wellenführung ist ein Plasma erzeugendes Glasrohr angeordnet. Es ist derart ausgebildete daß ©in Gas zugeführt werden kann. Ein Plasma-Reaktionsbad wird unter Vakuum gehalten und dient zur Aufnahme der Plasmaströmung, welche axial in der Glasröhre erzeugt wird» Eine Substratplattform ist in dem Reaktionsbad angeordnet und dient der Unterstützung eines Substrats9 welches mit dem Plasmastrom behandelt werden soll, wobei zwischen dem Plasmastrom und dem Substrat ein rechter Wink©! besteht. Zur Formung des Plasmas ist eine ein Magnetfeld erzeugende Spule außerhalb des Reaktionsbades angeordnet»
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung Aufbaus einer Grundausführungsform des erfindungsgemäßen Apparats;
Fig. 2 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der Ausführungsform gemäß Fig. 1j und
Fig. 3 und 4 zeigen schematische Darstellungen abgewandelter Ausführungsformen der Erfindung.
Im folgenden wird die Erfindung im einzelnen anhand der Fig. 1 bis 4 erläutert. Fig. 1 zeigt eine Grundausführung des erfindungsgemäßen Apparats. Dieser besteht allgemein aus einem Plasmaerzeugungsabschnitt und einem Plasmareaktionsabschnitt. Der Plasmaerzeugungsabschnitt A umfaßt eine Spule 1 mit einem Luftkern zur Erzeugung eines statischen, magnetischen Feldes, das in der axialen Richtung gleichförmig ist. Ferner ist eine Hochfrequenz-Wellenführung 2 zur Erzeugung eines elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes vorgesehen, das in der axialen Richtung unregelmäßig ist. Schließlich ist eine Plasmaerzeugungsglasröhre 3 vorgesehen. Die Zufuhr der Hochfrequenz·=
3U4016
-χ-1
energie zur Hochfrequenz-Wellenführung 2 erfolgt über einen Kopplungsanschluß 4 für die Hochfrequenzversorgung. Die Zufuhr des Gases zur Plasmaerzeugungsglasrohre 3 erfolgt über ein Gaszufuhrventil 5.
Der Grund für die Erzeugung eines Plasmastroms im vorerwähnten Plasmaerzeugungsabschnitt A soll im folgenden erläutert werden. Die axiale Richtung soll im folgenden mit Z bezeichnet werden. Die Intensität des statischen, magnetischen Feldes, welches in axialer Richtung ungleichmäßig ist, wird mit B(Z) bezeichnet. Die Hochfrequenzwellen, welche über den Versorgungsanschluß 4 in das Innere der Hochfrequenz-Wellenführung 2 gelangen, werden von einem Reflektor 7 reflektiert, welcher am offenen Ende 6 der Wellenführung 2 angeordnet ist. Hierdurch wird ein elektrisches Hochfrequenzfeld Erf(Z) aufgebaut, das entlang der Wellenführung 2 irregulär oder ungleichmäßig ist. Ein typisches Beispiel eines unregelmäßigen elektrischen Hpchfrequenzfeldes Brf(Z) ist schematisch in Fig.2 dargestellt (Sinuswelle).
Wenn nun die Winkelfrequenz der Hochfrequenzwellen mit cu bezeichnet wird, so kann die Winkelfrequenz der Elektronen im statischen, magnetischen Feld B der obigen Intensität ausgedrückt werden als Cyclotron-Winkelfrequenz to c = eB/mc. Dieser Sachverhalt ist hinreichend bekannt. Wenn nun die Cyclotron-Resonanzbedingung c<->= COc gilt, so wird die Energie der Hochfrequenzwellen den Elektronen kontinuierlich zugeführt, so daß die Energie der Elektronen erhöht wird. Im vorliegenden Falle ist das in Fig. 2 gezeigte statische, magnetische Feld B(Z) ungleichmäßig und die Hochfrequenz der Wellen ist fixiert, so daß die Cyclotron-Resonanzbedingung co = CO c z.B. nur am Ort Z = Zo bestätigt wird. Somit gilt eine örtliche Elektronen-Cyclotron-Resonanzbedingung. Darüberhinaus kann
A a 4 β
ft · ·
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diese Bedingung im Falle einer fixierten Hochfrequenz der Wellen verwirklicht werden entweder durch eine zweckentsprechende Einstellung des elektrischen Stroms» welcher der vorerwähnten Spule 1 mit Luftkern gemäß Fig« 1 zugeführt wird, oder durch zweckentsprechende Einstellung der Anordnung einer Vielzahl von Spulen 1 mit Luftkern. Falls demgegenüber die Intensität B(Z) des statischen, magnetic sehen Feldes fixiert ist, so kann die Elektron-Cyclo» tron-Resonanzbedingung CO = co c erreicht werden durch Einstellen der Hochfrequenz der Wellen.
Im folgenden soll der Fall betrachtet werden, daß di® Cyclotron-Resonanzbedingung OJ= Cue bei Z = Zo gilt,, und zwar bei der vorerwähnten Anordnung gemäß Fig. 1. Wenn unter diesen Bedingungen ein Gas unter zweckentsprechendem Druck in die Plasmaerzeugungsglasröhre 3 eingeleitet wird, so werden die Elektronen durch die fortwährende Energiezufuhr durch die Hochfrequenzwellen in einen höheren Energiezustand versetzt, wobei diese Elektronen im vorerwähnten Entladungszustand gebildet werden« Die Elektronen mit diesem hohen Energiezustand kollidieren mit den Gasmolekülen und erzeugen das Plasma, in das die Hochfrequenzleistung unter Resonanzbedingung injiziert wird. Es soll nun der Fall betrachtet werden, daß das in das Plasmaerzeugungsglasrohr 3 eingeleitete Gas aus CF^
besteht. In diesem Falle werden die Ionen F+, CF+, CF? +
und CF, erzeugt. Die Arten der Ionen, die Konzentrationen derselben und die Energien derselben können erfindungsgemäß gesteuert werden. Desgleichen können die Arten, Konzentrationen und Energien der Radikale, wie F oder CF , gesteuert werden. Diese Steuerung erfolgt durch zweckentsprechende Einstellung der Leistung der Hochfrequenzwellen zusätzlich zur Steuerung des Gas~ drucks. Die bisher beschriebene Situation kann mehr oder
- ψ-. ί.
weniger auch unter Bedingungen erreicht werden, welche nicht nur nicht mit dem Gasdruck in Übereinstimmung stehen, sondern auch nicht mit der Resonanzbedingung£0= ^c. Die Effizienz ist jedoch nicht immer befriedigend.
Wenn andererseits das statische, magnetische Feld B(Z) und das elektrische Feld Erf(Z) unregelmäßig sind, so erhält man andererseits gemäß Fig. 2 eine axiale Kraft Fz gemäß folgender Gleichung. Diese Kraft wirkt auf die Elektronen, so daß diese in axialer Richtung beschleunigt werden.
r Erf(Z)2 Ί
Demzufolge werden die Elektronen im Plasma, welches im vorerwähnten Plasmaerzeugungsabschnitt A der Fig. 1 erzeugt werden, axial in Richtung auf den Plasmareaktionsabschnitt B beschleunigt, so daß in dem Plasma ein elektrostatisches Feld Eo(Z) zur axialen Beschleunigung der Ionen gebildet wird. Demzufolge wird mit anderen Worten das Plasma insgesamt in axialer Richtung beschleunigt, so daß ein axialer Plasmastrom in einem Plasmareaktionsbad 11 aufgebaut wird.
Darüberhinaus wird der Durchmesser des Plasmastroms zu diesem Zeitpunkt bestimmt durch den Durchmesser des offenen Endes 8 des Plasmaerzeugungsglasrohrs 3. Im Falle eines großen Abstandes zu dem zu behandelnden Substrat 10 auf der Plattform 9, welches dem offenen Ende 8 gegenüberliegt, erhält der Plasmastrom, welcher aus dem offenen Ende 8 in das Bad 11 austritt, einen Durchmesser, welcher größer 1st als der Durchmesser des offenen Endes 8. Der Plasmastrom hat daher eine divergierende Gestalt. Dies beruht darauf, daß die Linien des magnetischen Kraftfeldes der Spule 1 mit Luftkern in diesem Bereich divergieren.
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Wenn andererseits das Substrat 10, z.B. ein Sillciumsub= strat, für die Behandlung auf der vorerwähnten Plattform 9 angeordnet wird und gleichförmig über die gesamte Fläche mit dem Plasma bestrahlt werden soll, so ist es @r° forderlich, den Durchmesser des Plasmastroras im Plasma-* reaktionsbad 11 einzustellen. Zur Erfüllung dieser Forderung werden rund um das Bad 11 statische, magnetische Polder erzeugende Spulen 12 und 13 zur Korrektur der Gestalt des Plasmastroms angeordnet. Dabei kann es sich um eine;, zwei oder mehr als zwei Spulen handeln. Auf diese Weis© gelingt es, ein Substrat 10 mit einer bestimmten Größe über seine gesamte Oberfläche gleichmäßig mit dem Plasma·= strom zu bestrahlen, und zwar im rechten Winkel. Hierzu ist es lediglich erforderlich, die Position und di® Anordnung der Spulen, die Gestalt der magnetischen Kraftlinien der Spulen und die räumliche Verteilung des Magnetfeldes zweckentsprechend einzustellen. Das Plasmareaktionsbad 11 kann mit Beobachtungsfenstern 14 und 15 versehen werden, durch welche sowohl der Zustand des Plasmastroms als auch der Oberflächenzustand des Substrats im Verlauf der Behandlung beobachtet werden könneno Di© Evakuierung des Gases erfolgt über Auslässe 17 eines evakuierten Bades 16. Die Substratplattform 9 kann auf» und abbewegt werden sowie gedreht werden. Ein© Abschirmung 18 dient dazu, einen Austritt der Hochfrequenzv/el= len zu verhindern.
Die Ausführungsform des Plasmabehandlungsapparats gemäß Fig. 1 kann verschiedensten Oberflächenbehandlungen ang©° paßt werden, und zwar insbesondere der Plasmaätzung, d@m CVD-Verfahren (chemisches Aufwachsen aus der Dampfphase) und der Oxidationsbehandlung. Alle diese Behandlungen laufen vorteilhaft ab.
Im folgenden soll ein anderes Beispiel einer Steuereinrichtung für die Ionenenergie des Plasmastroms erläutert werden. Wenn z.B. nur die Ionen des Plasmastroms verwendet werden sollen, so ordnet man in dem vorerwähnten Plasmareaktionsbad 11 mindestens ein Steuergitter an. Man kann z.B. zwei Steuergitter 19 und 20 gemäß Fig. 3 vorsehen. Diese schneiden den Plasmastrom im rechten Winkel. Durch Beaufschlagung dieser Gitter 19 und 20 mit zweckentsprechenden Potentialen kann man erreichen, daß die Oberfläche des Substrats 10 nur durch die Ionen bzw. Radikale beaufschlagt wird. Darüberhinaus kann in diesem Falle die Größe und Verteilung der Arbeitsenergie willkürlich geändert werden, und zwar durch zweckentsprechende Kombination der Potentiale und der Hochfrequenzleistungen für die Gitter 19 und 20 sowie des Gasdrucks. Diese Steuerungen können in wirksamer Weise dazu dienen, die Energie des Ions F , welches zu den Reaktionen beiträgt, derart einzustellen, daß man eine ausgezeichnete Reaktionseffizienz erhält. Ferner kann man mit diesen Steuerungen erreichen,' daß die Ionen stets im rechten Winkel auf die Substratoberfläche auftreffen. Somit kann man eine reaktive Ionen-Ätzbehandlung mit ausgezeichneter Richtwirkung erreichen.
Gemäß der Ausführungsform der Fig. 4 kann man ferner Steuergitter 21 und 22 außerhalb des Plasmastroms und parallel zu diesem anordnen, und zwar in Form eines Zylinders oder eines Schlitzes. Die Kontur des Plasmastroms kann dadurch geformt werden, daß man diese Steuergitter 21 und 22 mit zweckentsprechenden Potentialen beaufschlagt. Zusätzlich sind diese Gitter 21 und 22 dazu befähigt, die Rolle von Elektronenkollektoren zu spielen, wenn sie mit einem Potential zweckentsprechender Polarität,z.B. negativer Polarität, und mit einem zweckentsprechenden Pegel beaufschlagt werden. Diese dritte Ausführungsform ist wirksam zur Erhöhung der Gleichförmigkeit der Reaktionen der Oberfläche des Substrats, insbesondere entlang der Umfangslinie.
Leerseite

Claims (2)

  1. « 4
    ο α ο ·
    :. 3 1 4401
    Patentansprüche
    Plasmabehandlungsapparat, gekennzeichnet durch eine Spule mit Luftkern (1) zur Erzeugung eines statischen, magnetischen Feldes, welches axial gleichförmig ist; einen Hochfrequenzhohlleiter (2) zur Erzeugung eines elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes, welches in Axialrichtung der Spule (1) mit Luftkern ungleichmäßig ist; ein Plasmaerzeugungs-Glasrohr (3) innerhalb des Hochfrequenzhohlleiters (2) mit einem Gaseinlaß (5); ein Plasmareaktionsbad (11), welches unter hohem Vakuum gehalten wird und in das der axial im Glasrohr (3) erzeugte Plasmastrom eintritt; eine Substratplattform (9)» welche im Reaktionsbad (11) angeordnet ist und ein zu behandelndes Substrat (10) im rechten Winkel in bezug auf Plasmastrom hält; und durch eine ein Magnetfeld erzeugende Spule (12,13) für die Formung des Plasmas außerhalb des Reaktionsbades (11).
  2. 2. Plasmabehandlungsapparat nach Anspruch 1» gekennzeichnet durch ein Plasmasteuergitter (19,20 5 21,22), welches im Plasmareaktionsbad (11) entweder im rechten Winkel oder parallel zum Plasmastrom angeordnet ist.
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