DE4200636A1 - Vorrichtung zur messung von plasmaparametern in hochfrequenzentladungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung von Plasmaparametern in Hochfrequenzentladungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Hochfrequenzplasmaentladungen spielen eine wichtige Rolle bei der Bearbeitung von Oberflächen und ober­ flächennahen Schichten sowie bei der Aufheizung von Plasmenfusionsreaktoren.

Beispiele für die Oberflächenbearbeitung sind die Ab­ scheidung dekorativer Schichten, die Härtung von Ober­ flächen, die Glättung oder gezielte Aufrauung von Ober­ flächen, sowie Beschichtungs- und Abtragungsprozesse bei der Herstellung integrierter Schaltkreise auf Halb­ leiterscheiben.

Die Qualität abgeschiedener Schichten und die Deposi­ tionsrate hängen eng mit den Parametern des Plasmas wie Ionendichte, Elektronendichte, Elektronentemperatur, Plasma-Potential, Floating-Potential und Elektronen­ energieverteilung zusammen. In Abtragungsprozessen bestimmen die Plasmaparameter die Ätzraten, die An­ isotropie und die Homogenität des Verfahrens. Die Kenntnis der Plasmaparameter ist deshalb von großer Bedeutung bei der Anlagen- und Prozeßentwicklung.

Eine Vorrichtung zur Messung der Plasmaparameter in Gleichspannungsentladungen ist seit langem bekannt. Die Vorrichtung weist eine elektrisch leitende Sonde, eine sogenannte Langmuir-Sonde, auf, die in das Plasma ein­ gebracht wird. Aus den über die Sonde aufgenommenen Strom-Spannungs-Kennlinien können die Plasmaparameter ermittelt werden.

Die Vorrichtung eignet sich jedoch nur für die Bestim­ mung der Plasmaparameter in Gleichspannungsentladungen und nicht in Plasmen, die mit Hochfrequenz angeregt werden. In Hochfrequenzentladungen ist die Messung mit einer Langmuir-Sonde in der Regel mit erheblichen Feh­ lern behaftet, da die gemessenen Werte, aus denen die Plasmaparameter bestimmt werden, mit der Hochfrequenz sowie deren Oberwellen moduliert sind.

Bei der Aufnahme der Strom-Spannungs-Kennlinien wirkt sich die Modulation des Potentials zwischen der Lang­ muir-Sondenspitze und dem Plasma dahingehend aus, daß die Kennlinie gegenüber der tatsächlichen Kurve ver­ schoben ist.

Die Modulation führt zu einer Verschiebung des Floa­ ting-Potentials, also des Potentials, das bei ausge­ schaltetem Sondenstrom gemessen wird, zu negativen Werten hin. Da in die Auswerteverfahren für Sondenkenn­ linien der Wert des Floating-Potentials in die Bestim­ mung der weiteren Plasmaparameter eingeht, führt die Verschiebung der Kennlinien zu inkorrekten Zahlenwerten für diese Parameter.

In technischen Anlagen ist die Plasmaanregung durch kapazitive Einkopplung verbreitet, sie wird aber auch induktiv realisiert. Bei beiden Varianten erfolgt die Plasmaerzeugung über eine Hochfrequenzanregung mit Frequenzen im Megahertz-Bereich, so daß die Messung der Plasmaparameter mit Hilfe der Langmuir-Sonde gerade bei den technisch relevanten Verfahren problematisch ist.

Um dennoch Messungen mit Hilfe der bewährten Sonden durchführen zu können, wurden Verfahren zur Kompensa­ tion der Modulation vorgeschlagen. In der Veröffentli­ chung von N.St.J. Braithwaite und Mitarbeitern "An Electrostatic Probe Technique for RF Plasma", in Jour­ nal of Physics E, Scientific Instruments, 20, 1987, Seite 1046-1049, wird das Sondenpotential während der Aufnahme einer Kennlinie phasen- und amplitudenrichtig mit einer Hochfrequenz überlagert, so daß sich die Modulation des Plasmapotentials und die der Sondenspan­ nung aufgeprägte Modulation kompensieren. Hierzu wird ein Signal vom Generator, der das Plasma anregt, über einen Phasenschieber und ein Dämpfungsglied auf die Sondenspannung gegeben, wobei die Amplitude und die Phase des Signals getrennt überprüft werden. Die Be­ stimmung der Plasmaeigenschaften erfolgt so, als würde es sich um eine Gleichspannungsentladung handeln.

Solche Kompensationsverfahren bereiten jedoch Probleme, da sie einen kritischen elektrischen Aufbau aufweisen und weil die Abstimmung von Amplitude und Phase äußerst empflindlich ist. Darüber hinaus muß die Kompensation bei jeder Parameteränderung in der Plasmaerzeugung, wie zum Beispiel bei Änderung der Hochfrequenzleistung oder des Gasdruckes im Plasma nachgeregelt werden.

Zur Verhinderung des störenden Einflusses der Modula­ tion des Potentials zwischen Sonde und Plasma während der Kennlinienaufnahme ist auch ein Verfahren bekannt­ geworden, bei welchem die Modulation unterdrückt wird. Die Unterdrückung kann dadurch erreicht werden, daß in unmittelbarer Nähe der Sondenspitze geeignete Filter eingebaut werden, so daß die Hochfrequenzkomponente am Filter auftritt und nicht zwischen Sondenspitze und Plasma. Der Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, daß die Langmuir-Sonde zum Einbau des Filters modifiziert werden muß. Es kann also nicht mit einer herkömmlichen Langmuir-Sonde gearbeitet werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Messung von Plasmapara­ metern mit einer Langmuir-Sonde anzugeben, bei der eine Langmuir-Sonde beliebiger Bauform ohne bauliche Verän­ derung verwendbar ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merk­ malen des Anspruchs 1 gelöst.

Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin­ dung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Vorrichtung besteht aus einer Langmuir-Sonde belie­ biger Bauart, die zur Messung der Plasmaparameter in einen Plasmareaktor eingeführt ist. Damit sich die Langmuir-Sonde für Messungen in mit Hochfrequenz ange­ regten Plasmen eignet, ist sie mit einer Hochfrequenz­ filter-Anordnung ausgestattet, die eine Unterdrückung der Modulation des Potentials zwischen Sonde und Plasma bewirkt.

Erfindungsgemäß stellt die elektrische Zuleitung von der Hochfrequenzfilteranordnung zur Sondenspitze ein Element der Hochfrequenzfilteranordnung dar. Die Hoch­ frequenzeigenschaften der Zuleitung werden dabei im Verhalten dieser Hochfrequenz-Unterdrückungsschaltung berücksichtigt.

Durch die Ausnutzung der Zuleitung der Sondenspitze als Bestandteil der Filteranordnung können die übrigen Elemente der Filteranordnung in größere Entfernung von der Sondenspitze angebracht werden. Damit wird eine Modifizierung der Langmuir-Sonde, wie sie bisher beim Einsatz einer Hochfrequenz-Unterdrückungsschaltung notwendig war, vermieden. Die übrigen Elemente der Filteranordnung sind bei einer erfindungsgemäßen Vor­ richtung außerhalb des Plasmareaktors angeordnet.

Nach Anspruch 2 ist die Hochfrequenz-Filteranordnung so dimensioniert, daß die Sondenspitze dem Hochfrequenzan­ teil des Plasmapotentials folgen kann. Dies wird da­ durch erreicht, daß die Hochfrequenz-Filteranordnung so ausgestaltet wird, daß die Impedanz der Sondenspitze einen so hohen Wert annimmt, daß praktisch die gesamte Hochfrequenzspannung über diese Impedanz abfällt. Im Idealfall geht die Impedanz gegen Unendlich.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Anspruch 3 gekennzeichnet. Danach besteht die Hochfrequenz-Filteranordnung aus einem Parallelreso­ nanzkreis, dessen Kapazität aus der Zuleitung der Sonde und dessen Induktivität aus zwei hintereinander ge­ schalteten Spulen besteht, wobei parallel zur zweiten Spule ein Kondensator angeordnet ist. Nach Anspruch 4 weist die erste Spule die dreifache Induktivität der zweiten Spule auf. Mit dieser Ausgestaltung wird eine Höhe der Impedanz der Sondenspitze erreicht, die zur Unterdrückung der Grundschwingung sowie der ersten Oberschwingung der Hochfrequenzspannung ausreicht.

Bei einer Weiterbildung gemäß Anspruch 5 ist parallel zu der Induktivität des Parallelresonanzkreises und damit parallel zur Zuleitung eine zusätzliche Kapazität angeordnet. Die zusätzliche Kapazität stellt in dieser Anordnung eine künstliche Verlängerung der Zuleitung zwischen der Hochfrequenz-Filteranordnung und der Son­ denspitze dar. Damit kann die Hochfrequenz-Unter­ drückungsschaltung auf unterschiedliche Sonden mit verschieden langen Zuleitungen abgestimmt werden. Die Abstimmung läßt sich besonders einfach durchführen, wenn gemäß Anspruch 6 die Kapazität als einstellbarer Kondensator ausgelegt ist.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in Anspruch 7 gekennzeichnet. Diese Vorrichtung weist eine Einrichtung zur Messung des Floating-Potentials auf. Die Abstimmung der Hochfre­ quenz-Filteranordnung erfolgt derart, daß das Floating Potential einen Maximalwert annimmt. Erfahrungsgemäß werden mit dieser Abstimmung die zuverlässigsten Werte für die Plasmaparameter gewonnen.

Die wesentlichen Vorteile der Erfindung bestehen insbe­ sondere darin, daß die aus Gleichspannungsentladungen bekannte Sondenmeßtechnik auf mit Hochfrequenz angereg­ te Plasmen angewendet werden kann, ohne die dort einge­ setzten Langmuir-Sonden modifizieren zu müssen. Gegen­ über Vorrichtungen, bei denen die Hochfrequenzmodu­ lation kompensiert wird, zeichnet sich die erfindungs­ gemäße Vorrichtung durch einen unempfindlichen elektri­ schen Aufbau und eine einfache Abstimmungsprozedur aus. Darüber hinaus muß die Abstimmung nur die Sondengeome­ trie berücksichtigen und nicht die jeweiligen Plasmapa­ rameter des zu untersuchenden Plasmas. Bei Änderung der Parameter in der Plasmaerzeugung wie Hochfrequenzlei­ stung oder Plasmagasdruck, braucht keine Nachjustierung vorgenommen werden. Eine erfindungsgemäße Hochfrequenz­ filteranordnung kann durch einfache Veränderung einer variablen Kapazität für unterschiedliche Leitungslängen der Zuleitung einer Langmuir-Sonde eingesetzt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 Vorrichtung zur Bestimmung von Plasmapara­ metern mit Hochfrequenzunterdrückung in schematischer Darstellung,

Fig. 2 Hochfrequenz-Ersatzschaltbild von Sonde und Plasma,

Fig. 3 Hochfrequenz-Unterdrückungs-Schaltkreis.

In einem Plasmareaktor 1 (Fig. 1) wird zwischen zwei parallelen Platten 2, 3, ein Plasma 4 erzeugt. Die Plas­ maanregung erfolgt durch Einspeisung einer Hochfrequenz aus einer Hochfrequenzspannungsquelle 5. Eine typische Frequenz für die Plasmaanregung beträgt 13,56 MHz. Aus der Strom-Spannungs-Kennlinie einer Langmuir-Sonde 8 werden die Plasmaparameter ermittelt. Um dieses aus der Messung vom Plasmaparametern in Gleichspannungsentla­ dungen bekannte Verfahren bei Hochfrequenzentladungen einsetzen zu können, muß dafür Sorge getragen werden, daß die Hochfrequenzkomponente nicht über dem Dunkel­ raum zwischen Sondenspitze 7 und Plasma 4 auftritt. Deshalb ist ein Hochfrequenzunterdrückungsschaltkreis 8 vorgesehen.

Die Sonde 6 ist wahlweise mit der Gleichspannungsver­ sorgung 9 oder mit einer Einrichtung 10 zur Messung des Floating-Potentials verbunden. Zunächst wird der Schal­ ter 11 in die Position zur Messung des Floating Poten­ tials gebracht. Für eine bestimmte Sonde 6 wird der Hochfrequenzunterdrückungsschaltkreis so abgestimmt, daß das Floating-Potential einen maximalen Wert an­ nimmt. Dieser Vorgang braucht für eine bestimmte Sonde nur einmal durchgeführt werden. Nach erfolgter Abstim­ mung ist die Vorrichtung zur Bestimmung der Plasmapara­ meter bereit.

Die Fig. 2 zeigt das Hochfrequenzersatzschaltbild von Sonde und Plasma. Der Hochfrequenzunterdrückungsschaltkreis 8 ist über die Zuleitung 13a, 13b mit der Sonden­ spitze 7 verbunden. Die Zuleitung 13a, 13b ist ein BNC- Kabel mit Innenleiter 13a und Abschirmung 13b.

Die Sondenspitze 7 und das Plasma 4 befinden sich in­ nerhalb des Reaktors (Reaktorwand 12), der Hochfre­ quenzunterdrückungsschaltkreis außerhalb des Reaktors. Der Dunkelraum zwischen Plasma 4 und Sondenspitze 7 ist durch einen Verlustwiderstand R_p und eine Kapazität C_p darstellbar. Über diesen Dunkelraum fließt der Sonden­ strom mit der Hochfrequenzkomponente I _p. Die Impedanz an der Sondenspitze wird mit Z _o bezeichnet. Der Hoch­ frequenzunterdrückungsschaltkreis muß eine Impedanz Z _o gegen Unendlich bzw. einen Strom I _p = 0 bewirken.

Die Hochfrequenzwellenlänge λ in der Zuleitung beträgt bei üblichen Koaxialleitungen und einer Frequenz von 13,56 MHz 14,6 m. Dagegen weist die Zuleitung 13 zwi­ schen der Hochfrequenzunterdrückungsschaltung und der Sondenspitze 7 üblicherweise eine Länge l zwischen 10 cm und 1 m auf und ist damit wesentlich kürzer als die Wellenlänge λ. Die Zuleitungen 13a, 13b haben die Wirkung, daß die Impedanz Z _o an der Sondenspitze auf die Impedanz Z ₁ am Eingang der Hochfrequenzunter­ drückungsschaltung transformiert wird. Bei kurzen Lei­ tungslängen (l < λ/4) kann diese Wirkung durch eine Kapazität gegen Masse beschrieben werden.

Damit die Sondenspitze dem Hochfrequenzanteil des Plas­ mapotentials U _p folgen kann, darf über der Kombination von C_p und R_p keine Hochfrequenzspannung abfallen. Die­ se Bedindung ist sichergestellt, wenn die gesamte Hoch­ frequenzspannung U _p über Z _o abfällt. Deshalb muß die Impedanz Z _o für die zu unterdrückende Hochfrequenz Ω 0 und die zugehörigen Frequenzvielfachen k × w 0 (wobei k eine natürliche Zahl ist) gegen Unendlich gehen.

In Fig. 3 ist der Prinzipaufbau eines Hochfrequenzun­ terdrückungsschaltkreises dargestellt, mit dem die notwendige hohe Impedanz Z₀ (w₀, 2w₀) für die Unter­ drückung der Grundschwingung w₀ sowie der ersten Ober­ schwingung 2w₀ erreicht wird. Der Anschlußpunkt 15 entspricht dem Anschlußpunkt 15 aus Fig. 2. Der In­ nenleiter 13a der Zuleitung 13 zur Sondenspitze 7 ist durch einen Pfeil nach links dargestellt. Der Pfeil 14 weist in Richtung des Gleichspannungssondenstromkrei­ ses.

Zur Unterdrückung der Hochfrequenz dient ein Parallel­ resonanzkreis, dessen Kapazität durch die Kapazität der Zuleitung der Sonde gebildet wird und dessen Induktivi­ tät aus der Kombination der Bauelemente 3L, L und C besteht. Um eine Abstimmung auf unterschiedliche Sonden bzw. verschieden lange Zuleitungen zu erreichen ist parallel zur Zuleitung eine Kapazität C_v angeordnet, die eine künstliche Leitungsverlängerung darstellt. Die Kapazität C_v ist als einstellbarer Kondensator ausge­ legt, so daß die Hochfrequenzunterdrückung für unter­ schiedliche Leitungslängen der Zuleitung einsetzbar ist. Der Kondensator C_∞ verhindert das Abfließen des Sondengleichstromes nach Masse.

Diese Schaltung liefert nicht nur das erforderliche Impedanzverhalten, sondern bietet durch den Kondensator C_v auch eine einfache Möglichkeit zur Abstimmung auf verschiedene Sonden. Bei dieser Abstimmung wird aus­ schließlich die Sondengeometrie berücksichtigt und nicht wie bei bekannten Verfahren die jeweiligen Plas­ maparameter des zu untersuchenden Plasmas.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Messung von Plasmaparametern in Hochfrequenzentladungen mit einer Langmuir-Plasmasonde, die in einen Plasmareaktor einführbar ist und zur Un­ terdrückung der Modulation des Potentials zwischen Sonde und Plasma mit einer Hochfrequenz-Filteranordnung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Zuleitung von der Hochfrequenzfilteranordnung zur Sondenspitze als Element der Hochfrequenzfilteranordnung dient und daß die übrigen Elemente der Filteranordnung außerhalb des Plasmareaktors angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenz-Filteran­ ordnung derart ausgebildet ist, daß die gesamte Hoch­ frequenzspannung über der Impedanz der Sondenspitze abfällt.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Hochfrequenz-Filteran­ ordnung ein Parallelsonanzkreis verwendet wird, dessen Kapazität im wesentlichen aus der Zuleitung der Sonde und dessen Induktivität aus einer Spule im Hochfre­ quenzunterdrückungsschaltkreis besteht.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Hochfrequenzfilteran­ ordnung zur Unterdrückung der Grundwelle sowie der ersten Oberwelle der Anregungsfrequenz ein Parallelre­ sonanzkreis verwendet wird, dessen Kapazität im wesent­ lichen aus der Zuleitung der Sonde und dessen Indukti­ vität aus einer Hintereinanderschaltung einer ersten Spule und einer zweiten Spule besteht, zu der ein Kon­ densator parallel geschaltet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spule die drei­ fache Induktivität der zweiten Spule aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur der Induktivi­ tät des Parallelresonanzkreises eine zusätzliche Kapa­ zität angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Kapazität als einstellbarer Kondensator ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Mes­ sung des Floating Potentials vorgesehen ist, und die Hochfrequenzfilterschaltung derart abgestimmt ist, daß bei gegebener Sondengeometrie das Floating Potential einen Maximalwert aufweist.