DE4138691A1

DE4138691A1 - Verfahren zum betrieb eines plasmareaktors oder eines gasentladungslasers

Info

Publication number: DE4138691A1
Application number: DE19914138691
Authority: DE
Inventors: Robert Dipl Phys Dr Seeboeck; Walter Dipl Phys Dr Koehler; Rudolf Dipl Phys Dr Deutsch; Eberhard Dipl Phys Dr Raeuchle
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1991-11-25
Filing date: 1991-11-25
Publication date: 1993-05-27

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines Reaktors oder eines Gasentladungslasers, der ein Plasma ent hält, insbesondere zur Bestimmung der Elektronendichte n_s und der Elektronentemperatur T_e im Plasma.

Plasmatechnische Reaktoren werden bekanntlich für die plasma chemische Bearbeitung von Oberflächen eingesetzt. Sie dienen sowohl zur Beschichtung als auch zum Schichtabtrag auf solchen Oberflächen. Mit zunehmenden Anforderungen an den in einem Reaktor ablaufenden Plasmaprozeß wächst auch der Wunsch nach Reproduzierbarkeit bestehender und Schnelligkeit bei der Ent wicklung neuer Prozesse in diesen Reaktoren. Es wird allgemein davon ausgegangen, daß nur durch die Überwachung der Plasma parameter, vorzugsweise der Elektronendichte n_s und der Elek tronentemperatur T_e, und die Kenntnis des Zusammenhangs der Plasmaparameter einerseits und der makroskopischen Prozeßpara meter andererseits ein zuverlässiger Betrieb der Reaktoren möglich ist. Von großem technischen Interesse ist auch die Überwachung von Gasentladungslasern, um eine Kontrolle über die Degradation der Eigenschaften und die Einleitung möglicher Gegenmaßnahmen zu haben.

Zur Diagnostik solcher Plasmen zum Zwecke der Kontrolle der Plasmaparameter kann beispielsweise die bekannte Langmuirsonde eingesetzt werden, die eine Bestimmung der Elektronenenergie verteilung sowie der Ionendichte und des Plasmapotentials im Plasma erlaubt. Diese bekannte Einrichtung leidet aber an der Veränderung der Sondenoberfläche durch das Plasma und damit einer Verfälschung der Meßergebnisse. Bei ihrer Verwendung in einem ätzenden Plasma ist ihre Lebensdauer begrenzt und in beschichtenden Plasmen kann diese Sonde in verhältnismäßig kurzer Zeit beschichtet werden (Plasma Diagnostic Techniques, Huddlestone and Leonard, Academic Press 1965, Seiten 113 bis 124).

Ferner können zur Bestimmung der Plasmaparameter bekanntlich optische spektroskopische Verfahren, wie beispielsweise die Absorptionsspektroskopie, plasmainduzierte Emissionsspektros kopie und laserinduzierte Fluoreszenzspektroskopie, oder auch die Mikrowelleninterferometrie angewendet werden. Die letztere erlaubt eine Bestimmung der ortsgemittelten Elektronendichte, während die spektroskopischen Verfahren eine Bestimmung von Schwerteilchendichten einschließlich Radikal- und Ionendichten erlauben. Diese bekannten Verfahren benötigen jedoch ein ge eignetes Fenster im Reaktor. Durch Beschichtung dieses Fen sters während des Plasmaprozesses kann es somit zu einer zeit lichen Änderung und damit Verfälschung der Meßsignale kommen (Proud and Luessen: Radioactive Processes in Discharge Plas mas, Plenum Press New York 1986, Seiten 495 bis 508).

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein verhältnis mäßig einfaches Verfahren zum Betrieb eines Reaktors oder eines Gasentladungslasers, der ein Plasma enthält, zu ermög lichen, das die genannten Nachteile ausschließt und zugleich die Messung und Überwachung der Plasmaparameter ermöglicht.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den Verfahrensmerkmalen gemäß dem Kennzeichen des Anspruchs 1. Besonders vorteilhafte Ausführungsformen einer Anordnung zur Durchführung des Verfah rens ergeben sich aus dem Anspruch 2 und den Unteransprüchen. Aus dem Quotienten n_s/T_e kann die Elektronentemperatur T_e be stimmt werden, wenn die Ionendichte n aus einer anderen Messung bekannt ist oder wenn die Elektronentemperatur T_e bei spielsweise aus einer Rechnung bekannt ist, kann die Ionen dichte n_s bestimmt werden.

Zur Bestimmung des Quotienten n_s/T_e aus der Ionendichte n_s, die in einem neutralen Plasma bei genügender Entfernung von der Plasmarandschicht gleich der Elektronendichte ist, und der Elektronentemperatur T_e wird die Antwort des Entladekreises mit brennender Entladung auf eine momentane Änderung des Ver laufs der anregenden Spannung durch einen überlagerten Impuls gemessen. Die Überlagerung erhält man bei Wechselspannungsent ladungen beispielsweise durch eine sättigende Induktivität am Ausgang des Generators für den Anregungskreis. Sowohl für Gleich- als auch für Wechselspannungsentladungen kann der Spannung des Anregungskreises auch ein Rechteckimpuls oder ein ausreichend kurzer Impuls überlagert werden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 eine bekannte Ausführungsform eines Reaktors für eine plasmachemische Bearbeitung schema tisch veranschaulicht ist. In Fig. 2 ist ein Ersatzschaltbild für den Reaktor dargestellt. In Fig. 3 ist eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens schematisch veranschaulicht. Ver schiedene Diagramme gemäß den Fig. 4 bis 11 dienen zur Er läuterung der Verfahrensschritte.

In der Ausführungsform eines Reaktors gemäß Fig. 1 wird zwi schen Elektroden 4 und 5 ein Plasma 2 gebildet, dessen strich punktiert angedeuteten Grenzschichten in der Figur mit 6 bzw. 7 und dessen gestrichelt angedeuteten Vorschichten in der Fi gur mit 8 bzw. 9 bezeichnet sind. Der Reaktor ist in der Figur mit 10, die Induktivität des Entladungskreises mit 12 und die Kapazität mit 14 bezeichnet. Für einen Diodenbetrieb des Reak tors 10 ist die Elektrode 5, deren Elektrodenfläche in der dargestellten Ausführung des Reaktors 10 zum Plasmaätzen klei ner ist als die Elektrode 4, an Masse gelegt.

Für eine ebene Hochfrequenzentladung in einem kapazitiv ge koppelten Reaktor 10 können gemäß Fig. 2 die Grenzschichten 6 und 7 jeweils durch eine Diode 22 bzw. 23 mit bekannter Strom- Spannungskennlinie modelliert werden, die jeweils einem Kon densator 18 bzw. 19 parallelgeschaltet sind, und deren Span nungen mit U₆ bzw. U₇ bezeichnet sind. In diesem Ersatz schaltbild sind die Kopplung über die Induktivität 12 und die Kapazität 14 berücksichtigt und die ohmschen Verluste des Plasmas 2 und der Leitungen in der Figur durch einen Wider stand 16 angedeutet. Die Streukapazitäten an den Randschichten der Elektroden 4 und 5 sind in der Figur mit 26 bzw. 27 be zeichnet. Die Entladungsspannung zwischen den Elektroden 4 und 5 ist mit U angegeben. Die lediglich mit U_o bezeichnete Anre gungsspannung des Entladungskreises beträgt für eine Wechsel spannungsentladung U_o·cos ωt.

Im Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Fig. 3 ist der Reaktor 10, dessen eine Elek trode für Diodenbetrieb geerdet ist, über die Induktivität 12 und die Kapazität 14 sowie eine variable Zusatzinduktivität 30 an einen Generator 40, beispielsweise für eine Frequenz von 100 kHz, angeschlossen. Als Spannungsgeber für den Entlade kreis kann beispielsweise ein Impulsgenerator 32 vorgesehen sein, dem gegebenenfalls zusätzlich noch eine Sättigungsinduk tivität 34 zugeordnet sein kann. Der Entladekreis enthält ferner einen Meßwertaufnehmer 36 zum Erfassen des Stromver laufes i(t).

Wird nun zur Zeit t₁ beispielsweise über die Sättigungsdrossel 34 der Anregungsspannung U_o ein Testimpuls gemäß dem Diagramm der Fig. 4, in dem die Elektrodenspannung U(t) sowie dessen erste Ableitung U(t) und seine zweite Ableitung Ü(t) über der Zeit t in Sekunden aufgetragen sind, überlagert, so ist die Antwort gemäß dem Diagramm der Fig. 7, in dem der Strom i des Entladungskreises über der Zeit t in Sekunden aufgetragen ist, eine gedämpfte Schwingung S₁ um die Gleichgewichtslage, deren Schwingungsfrequenz f₁ bestimmt wird. Diese Schwingungsfre quenz f₁ ist mit den elektrischen Parametern des Systems be stehend aus äußerem Schaltkreis und der Gasentladung gemäß dem Ersatzschaltbild nach Fig. 2 verknüpft.

In gleicher Weise kann die gedämpfte Schwingung S₁ zur Zeit t₂ durch eine Zusatzspannung U(t) in der Form eines Rechteckim pulses gemäß dem Diagramm der Fig. 5 durch den Impulsgenera tor erzeugt werden. Außerdem kann die gedämpfte Schwingung S₁ zur Zeit t₁ auch durch eine Zusatzspannung U(t) in der Form eines ausreichend kurzen Impulses gemäß Fig. 6 erzeugt wer den. Von den Zusatzspannungen U(t) sind in den Diagrammen der Fig. 4 bis 6 auch die erste Ableitung U(t) und die zweite Ableitung Ü(t) veranschaulicht.

Den Verlauf des Elektrodenstromes i(t) gemäß Fig. 7 erhält man beispielsweise mit einer Anregungsfrequenz f_o = 100 kHz ohne die Zusatzinduktivität 30. Ihr überlagert ist beispiels weise eine Eigenschwingung S₁ mit der Frequenz 7,5 MHz, die durch einen Testimpuls U(t) gemäß Fig. 4 angeregt ist. Durch einen Sprung in der Entladungsspannung bei etwa t₁ = 0,4 ms erhält man auch einen Sprung im Elektrodenstrom i gemäß i_c = C·du/dt gefolgt von der gedämpften Eigenschwingung S₁.

Es kann nun gemäß dem Diagramm der Fig. 8, in dem der Elek trodenstrom i in Ampere über der Zeit t in Sekunden aufgetra gen ist, zusätzlich der Entladespannung U_n eine Zusatzspannung U(t) gemäß Fig. 6 überlagert werden. Als Antwort erhält man eine weitere gedämpfte Schwingung S₂ beispielsweise zur Zeit t₂ in der negativen Halbwelle der Grundschwingung f_o des Stro mes i(t).

Im Diagramm der Fig. 9, in dem der normierte Strom i/i_o über der normierten Zeit t/T aufgetragen ist, wird eine numerische Simulation eines Stromverlaufs ähnlich dem gemessenen und in Fig. 8 dargestellten veranschaulicht. Dabei wurde bei t = o eine Änderung in du/dt angenommen durch den Übergang von U = const. auf U=Û sin t und bei t = 0,85 T ein zusätzlicher Impuls auf den Anregungskreis gegeben. In beiden Fällen wird die für die positive Stromhalbwelle charakteristische Eigen schwingung angeregt. Die Simulation geht von einer Formel für die spannungsabhängige Grenzschichtkapazität aus, die sich aus der Grenzschichttheorie ergibt und für eine Anregungsfrequenz f_o unterhalb der Ionenplasmafrequenz f_ip gilt. Anschließend werden für den Ersatzkreis gemäß Fig. 2 die Differential gleichungen aufgestellt und numerisch gelöst. Bei der Auswer tung der gemessenen Eigenfrequenz f₁ wird berücksichtigt, daß sich für beide Stromhalbwellen der Anregungsfrequenz f_o unter schiedliche Eigenfrequenzen ergeben, da für die Eigenfrequenz die Gesamtinduktivität L des Entladungskreises und die Gesamt kapazität C maßgeblich ist. Die Gesamtkapazität C ist haupt sächlich die Kapazität der gerade gesperrten Grenzschicht, das ist somit eine der Kapazitäten 18 und 19. Die Serienkapazität 14 ist mit etwa 5 bis 10 nF wesentlich größer als diese Kapa zitäten 18 und 19, während die parasitären Streukapazitäten 26 und 27 abgeschätzt werden können. Im allgemeinen sind sie we sentlich kleiner als die Kapazitäten 18 und 19.

Um die Kapazität 18 oder 19 an der jeweils gesperrten Grenz schicht 6 bzw. 7 zu bestimmen, muß die Induktivität 12 bekannt sein, was im allgemeinen nicht der Fall ist. Gemäß der Erfin dung wird deshalb mit der Induktivität 12 eine vorbestimmte Zusatzinduktivität 30 in Reihe geschaltet und dann die verän derte Eigenfrequenz f₁ des Entladungskreises gemessen. Diese Zusatzinduktivität 30 wird so groß gewählt, daß dagegen die Induktivität 12 vernachlässigbar klein ist.

Im Diagramm der Fig. 10 ist der Strom i(t) in Ampere an der unteren Elektrode 5 über der Zeit t in 10^-4 s aufgetragen. Mit der Induktivität 12 des Entladungskreises für ein Plasma 2 in Argon bei einem Druck von 25 Pa und einer Frequenz f_o = 100 kHz sowie einer Leistung von 25 W erhalt man einen Strom verlauf i(t), von dem nur zwei Halbwellen dargestellt sind. Mit dem Zuschalten einer Zusatzinduktivität 30 von beispiels weise L₃₀ = 47 µH ergibt sich eine Eigenschwingung S₃, deren Frequenz f₁ gegeben ist durch Eigenschwingungsfrequenz

f₁ = (2)⁻¹ × [(L₁₂ + L₃₀) × C]⁻¹^/².

Trägt man gemäß dem Diagramm der Fig. 11 diese gemessene Frequenz auf über L₃₀ ^-1/2 auf, so erhält man für L₃₀ » L₁₂ eine steigende Gerade, die für kleine L₃₀ in einen konstanten Wert entsprechend L₁₂ übergeht, wie es im Diagramm der Fig. 11 gestrichelt angedeutet ist. Das Diagramm zeigt die beiden Geraden für C₁₈ und C₁₉ der Kondensatoren 18 bzw. 19 getrennt für die in beiden Stromhalbwellen angeregten Eigenschwingun gen.

Da die Kreisinduktivität L₁₂ als in beiden Halbwellen gleich angenommen werden kann, ergeben sich daraus beispielsweise die Werte für die Kapazitäten C₁₈ = 134 pF und C₁₉ = 208 pF, wobei die parasitären Kapazitäten vernachlässigt wurden. Zusätzlich erhält man als Wert für die Induktivität L₁₂ = 1,41 µH.

Für die Grenzschichtkapazität

erhält man im Fall einer angelegten Wechselspannung U_o · cos ωt des Anregungskreises und einer Anregungsfrequenz f_o<fp_i sowie

mit
ε_o Dielektrizitätskonstante des Vakuums,
A₁ Elektrodenfläche,

k Boltzmannkonstante,
T_e Elektronentemperatur,
n_s Ionendichte an der Grenzfläche zwischen Vorschicht und Randschicht,
q Ladungszahl der Ionen
eine auf C_o normierte Schichtkapazität

und ein auf kT_e/2q normiertes Elektrodenpotential

wobei V(x=o) das Potential der jeweiligen Elektrode 4 bzw. 5 darstellt (R. Deutsch, U. Erz, H. Herold, E. Räuchle: Numeri sche Berechnungen des Spannungsverlaufs und der Bias-Spannun gen in Plasmareaktoren mit HF-Entladungen, IPF-89-1 (Institut für Plasmaforschung der Universität Stuttgart), April 1989, Seiten 6 bis 8). Eine Mittelung der Schichtkapazität G(ψ) über den Wertebereich der durchlaufenen Elektrodenpotentiale U₆ und U₇ ergibt für den experimentellen Fall der Grenzschicht 6 =0,8 und damit λ_D=0,0096 cm, woraus folgt n_s/T_e=6×10⁹ cm⁻³ (eV)⁻¹. Falls aus einer unabhängigen Messung eine der beiden Größen bestimmt ist, ergibt sich die andere durch diesen Zusammenhang.

Weiterhin kann nach diesem Verfahren die Ionendichte unabhän gig bestimmt werden. Verändert man nämlich die Zusatzindukti vität L₃₀ und damit die Frequenz f₁ der Eigenschwingung, so kann damit auch der Wert der Ionenplasmafrequenz f_pi über strichen werden. Da bei dieser Frequenz f_pi die Ionen eine Schwingung ausführen können, erhält man eine resonanzartige Überhöhung der Schwingungsamplitude.

Außerdem kann mit diesem Verfahren die höchste Ionendichte des Plasmas als Funktion weiterer Parameter, beispielsweise des Druckes oder der Gaszusammensetzung, bestimmt werden. Da bei der größten Ionendichte auch die Leitfähigkeit des Plasmas 2 maximal ist, muß die Dämpfung der angeregten Eigenschwingung f₁ hier minimal sein.

Wird das Verfahren gemäß der Erfindung auf eine Gleichspan nungsglimmentladung angewendet, so wird für die Grenzschicht kapazität C₁₈ oder C₁₉ eine bekannte Gleichspannungsformel verwendet. Wird das Verfahren gemäß der Erfindung auf Hoch frequenzentladungen bei Anregungsfrequenzen oberhalb der Ionentransitfrequenz angewendet, so ist die Frequenz f₁ der Eigenschwingung kleiner als die der Plasmaanregung, so daß sich abweichende Kurvenverläufe des Elektrodenstromes i(t) ergeben.

Claims

1. Verfahren zum Betrieb eines Reaktors oder eines Gasentla dungslasers, der ein Plasma enthält, insbesondere zur Bestim mung der Elektronendichte n_s oder der Elektronentemperatur T_e im Plasma, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kreisinduktivität (12) des Anregungskreises um eine bekannte Zusatzinduktivität (30) erhöht wird, die wesentlich größer ist als die Kreisinduktivität (12) des Anregungskrei ses,
und daß dann der Spannung U_o des Anregungskreises für das Plasma (2) mit der Anregungsfrequenz f_o, die kleiner ist als die Ionen-Plasmafrequenz f_pi, ein Testimpuls U(t) überlagert wird, der eine überlagerte gedämpfte Schwingung des Elektro denstromes i(t) mit einer Frequenz f₁ um eine Gleichgewichts lage bewirkt,
und daß dann diese Frequenz f₁ des Elektrodenstromes i(t) ge messen wird
und dann mit der Gesamtkapazität C_o und der Debye-Länge λ_D aus der Grenzschichtkapazität C_s der Quotient Elektronendichte n_s/ Elektronentemperatur T_e ermittelt wird.

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Anre gungskreis für das Plasma (2) eine vorbestimmte Zusatzindukti vität (30) sowie wenigstens ein Impulsgeber zum Zuschalten des Testimpulses U(t) und ein Meßwertaufnehmer (36) für den Elek trodenstrom i(t) vorgesehen ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß als Impulsgeber ein Impulsgenerator (32) vorgesehen ist.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß dem Impulsgeber (32) eine Sättigungs induktivität (34) zugeordnet ist.