DE4242324A1 - Verfahren und Einrichtung zur Behandlung der Innenwand eines Hohlkörpers mittels eines Mikrowellenplasmas - Google Patents
Verfahren und Einrichtung zur Behandlung der Innenwand eines Hohlkörpers mittels eines MikrowellenplasmasInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Mikrowellen-
Plasmaverfahren zum Niederschlagen einer Schicht aus einem
vorgegebenen Material auf der Innenwand eines länglichen
Hohlraums, der ein erstes offenes Ende und ein zweites Ende
hat, mittels einer das vorgegebene Material liefernden
Reaktion mindestens einer dampfförmigen Verbindung, bei
welchem
- a) in den Hohlraum eine die dampfförmige Verbindung(en) enthaltene Atmosphäre mit einem unter dem äußeren Atmosphärendruck liegenden Druck eingeleitet wird,
- b) in das erste Ende des Hohlraums Mikrowellenenergie eingespeist wird, die sich längs des Inneren des Hohl raumes ausbreitet,
- c) in einem örtlich begrenzten Bereich Bedingungen her gestellt werden, die das Entstehen eines Plasmas fördern,
wobei der Druck, die genannten Bedingungen und die Leistung
des Hochfrequenzfeldes so gewählt sind, daß in dem genannten
begrenzten Bereich eine Niederdruck-Gasentladung entsteht,
und
- d) man einen durch die Niederdruckentladung erzeugten Plasmapfropfen längs des Hohlraumes zum ersten Ende, dem Einkoppelende, laufen läßt,
- e) die Einspeisung der Mikrowellen in das erste Ende unter brochen wird und
- f) die Verfahrensschritte (d) bis (f) so oft wiederholt werden, bis eine gewünschte Dicke der Beschichtung erreicht ist, nach Patent 24 14 401.
Bei dem Verfahren gemäß dem Hauptpatent wird im Verfahrens
schritt (c) in dem örtlich begrenzten Bereich ein Magnetfeld
erzeugt, das die Entstehung eines Mikrowellenplasmas fördert.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das
bekannte Verfahren und die bekannte Einrichtung zu verein
fachen und ihren Einsatz auch dort zu ermöglichen, wo Magnet
felder stören, sowie eine weitere Anwendung anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
anstelle der Unterstützung der Erzeugung des Plasmas durch
die Mikrowelle in dem erwähnten Bereich am zweiten Ende des
Hohlkörpers durch ein Magnetfeld das Plasma in einem
gewissen, im Prinzip beliebigen Abstand vom Ort der
Einkopplung der Mikrowellen in den Hohlkörper durch ein
elektrisches Feld erzeugt wird, das eine so hohe Feldstärke
hat, daß das elektrische Feld für sich allein (also ohne
zusätzliches Magnetfeld) ausreicht, das Plasma zu erzeugen.
Besonders vorteilhaft ist es, das Plasma durch eine lokale
Überhöhung der Feldamplitude des elektrischen Feldes der
Mikrowelle selbst zu zünden, z. B. an einer metallischen
Spitze, die in einen den erwähnten Bereich enthaltenden
Hohlleiter hineinreicht, oder Blenden oder Stege im Hohl
leiter, die eine Erhöhung des elektrischen Feldes im Hohl
leiter bewirken.
Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Einrichtung
zu seiner Durchführung sind, daß der apparative Aufwand
geringer ist, die Einrichtung einfacher und störungssicherer
ist und das Verfahren und die Einrichtung auch dort verwendet
werden können, wo die im vorgeschlagenen Falle verwendeten,
relativ starken Magnetfelder unerwünscht sind, z. B. bei der
Plasmadiagnostik zur Prozeßoptimierung. Das Verfahren und die
Einrichtung gemäß der Erfindung können auch zum Plasmaätzen
verwendet werden.
Eine bevorzugte Einrichtung zur Durchführung des erfindungs
gemäßen Verfahrens enthält:
- a) einen Mikrowellengenerator zum Erzeugen von Mikrowellen;
- b) eine Einkoppelvorrichtung zum Einkoppeln der Mikrowellen in ein erstes, offenes Ende eines mit einer Innen beschichtung zu versehenden Hohlraumes;
- c) eine Einrichtung zum Erzeugen einer unter vermindertem Druck stehenden Gasatmosphäre im Hohlraum;
- d) eine Vorrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Feldes, das für sich alleine ausreicht, eine Niederdruck-Gas entladung zu erzeugen (vorzugsweise eine Vorrichtung zum Erzeugen einer örtlichen Überhöhung der Feldamplitude des elektrischen Feldes der Mikrowellen) beim oder in der Nähe des zweiten Endes des Hohlraumes und
- e) eine Vorrichtung zum Abschalten des Mikrowellengenerators wenn eine vom Bereich der Niederdruck-Gasentladung aus gehende Ionisierungsfront durch den Hohlraum gelaufen ist.
Bei einer speziellen Ausführungsform, die sich besonders für
enge zylindrische Hohlräume eignet, enthält die Einkoppel
vorrichtung einen Leiter, der sich in das Innere des Hohl
raums erstreckt und dessen Wand eine Art von Koaxialleitung
bildet. Zwischen diesem Leiter und der Wand des Hohlraumes
kann eine Gleichspannung angelegt werden, um die Energie der
auf die Innenwand auftreffenden Ionen zu erhöhen. Im allge
meinen wird der Innenleiter positiv bezüglich der Innenwand
vorgespannt werden. Am Außenleiter und/oder dem Innenleiter
kann eine metallische Spitze zur Feldüberhöhung angeordnet
sein.
Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht eines Körpers mit einer Bohrung,
die mit einer PECVD-Innenbeschichtung versehen ist,
und eine schematische Darstellung einer Einrichtung
zur PECVD-Innenbeschichtung dieser Bohrung durch ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens gemäß
der Erfindung und
Fig. 2 eine Fig. 1 entsprechende Ansicht mit einer abge
wandelten Einrichtung.
Fig. 1 zeigt schematisch einen Körper 10, der eine lang
gestreckte zylindrische Bohrung 12 aufweist, deren Innenwand
durch PECVD mit einer Beschichtung versehen werden soll. Der
Körper 10 kann aus beliebigem Material, z. B. auch aus ferro
magnetischem Metall bestehen, die Innenwand der Bohrung 12
soll nur eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit
aufweisen.
Eine für die Beschichtung geeignete Ausführungsform einer
Einrichtung gemäß der Erfindung enthält einen Mikrowellen
generator 14, der z. B. Mikrowellen mit einer Frequenz von
2,45 GHz und einer Leistung von etwa 1 kW zu liefern vermag,
eine mit dem Ausgang des Mikrowellengenerators verbundene
Einkoppelvorrichtung 16, welche aus einem rohrformigen Hohl
leisterstück besteht, das am einen Ende einen mit dem Mikro
wellengenerator 14 gekoppelten Einkoppelstift und am anderen
Ende einen Flansch aufweist und das vorzugsweise den gleichen
Querschnitt wie die Bohrung 12 hat. Das Hohlleiterstück ist
außerdem über eine Rohrleitung 18 mit einer Arbeitsgasquelle
20 verbunden, welche mehrere Arbeitsgasbehälter 22 und eine
Durchflußregelvorrichtung 24 enthält. Die Arbeitsgasquelle
dient dazu, eine für die PECVD-Schichterzeugung bzw. Plasma
ätzung geeignete Dampf- oder Gasatmosphäre in der Bohrung 12
zu erzeugen. Die Einrichtung enthält ferner ein zweites
Hohlleiterstück 26, dessen Querschnitt hinsichtlich Form und
Abmessung vorzugsweise ebenfalls dem der Bohrung 12 ent
spricht und das ein mit einem Flansch versehenes offenes Ende
und ein geschlossenes Ende aufweist. Das Hohlleiterstück 26
ist über eine Rohrleitung 28 mit einer Vakuumpumpe 30
verbunden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung enthält das zweite Hohlleiterstück 26 eine
metallische Spitze 27, die in das Innere des Hohlleiter
stückes 26 vorspringt und eine örtliche Überhöhung der Feld
amplitude des elektrischen Feldes der Mikrowelle erzeugt.
Um eine örtliche Zündung des Plasmas durch die lokale Über
höhung der Feldamplitude des elektrischen Feldes der Mikro
wellen zu gewährleisten, muß der Druck im Bereich der lokalen
Überhöhung der Feldamplitude des elektrischen Feldes der
Mikrowelle in Relation zur elektrischen Feldstärke in einem
Bereich unterhalb der Zündbedingungen für die "normale",
nicht überhöhte elektrische Feldamplitude gewählt werden
(z. B. für E = 100 V/cm typisch 100 Pa). Der Druck darf nur
soweit verringert werden, daß die "normale", nicht überhöhte
elektrische Feldamplitude zur Aufrechterhaltung des Mikro
wellenplasmas ausreicht. Ist dies der Fall, so zündet die
Entladung lokal im Bereich überhöhten elektrischen Feldes und
eine von der Mikrowelle getragene Ionisierungsfront läuft
dann mit hoher Geschwindigkeit (typisch einige km/s) durch
den Hohlraum zum Ort der Einkopplung der Mikrowelle. Der
Mikrowellengenerator wird kurzzeitig abgeschaltet, wenn die
Entladung den Ort der Einkopplung erreicht hat. Man kann auch
einen gepulsten Mikrowellengenerator, z. B. mit einem
Magnetron, verwenden. Man wiederholt den beschriebenen
Vorgang bis zu dem angestrebten Ergebnis, also bis eine
gewünschte Schichtdicke oder eine gewünschte Ätzung erreicht
ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Tatsache, daß
zur Zündung eines Plasmas eine höhere elektrische Feldstärke
erforderlich ist als zu seiner Aufrechterhaltung.
Die Einrichtung gemäß Fig. 2 eignet sich besondere für den
Fall, daß die Innenwand von Rohren oder Hohlkörpern mit einer
Beschichtung versehen oder geätzt werden soll, die so eng
ist, daß sich die Mikrowelle längs des Hohlraums nicht mehr
frei ausbreiten kann. Die Einrichtung gemäß Fig. 2 stimmt im
wesentlichen mit der gemäß Fig. 1 überein mit der Ausnahme,
daß die Einkoppelvorrichtung 16a als Koaxialleiterstück mit
einem Innenleiter 36 ausgebildet ist, der sich durch den
Hohlraum 12 und das nun ebenfalls als Koaxialleiter
ausgebildete Rohrstück 26a am anderen Ende der Bohrung
erstreckt, so daß eine Koaxialleitungsstruktur gebildet wird,
in der sich die Mikrowelle unabhängig von der Dimension des
Hohlraums 12 ausbreiten kann. Das Rohrstück 26a ist durch
einen Isolator verschlossen, der den Leiter 36 haltert.
Die Ausführungsform gemäß Fig. 2 bietet weiterhin den
Vorteil, daß durch eine nur schematisch dargestellte Gleich
spannungsquelle 38 eine Gleichspannung zwischen den Innen
leiter 36 um die zu beschichtende bzw. zu ätzende Wand
gelegt werden kann, um die Ionenenergie zu erhöhen. Damit
kann die Ätz- oder Beschichtungsrate erhöht und/oder die
Schichtqualität gezielt beeinflußt werden. Die Gleich
spannungsquelle kann ein Netzgerät sein, das eine Spannung
z. B. von 500 V mit 10 mA liefert. Die Verwendung des Innen
leiters 36 und einer zusätzlichen Gleichspannung ist selbst
verständlich nicht auf enge Hohlräume beschränkt.
Die Unterbrechung der Einspeisung der Mikrowellen kann durch
einen Fühler in der Einspeisungsvorrichtung 16, 16a, der auf
das Plasma anspricht, z. B. ein lichtempfindliches Element,
gesteuert werden und die Unterbrechungseinrichtung kann ein
Zeitkonstantenglied enthalten, das die Dauer der Unter
brechung (z. B. größenordnungsmäßig Millisekunden) die für ein
Erlöschen der Entladung und eine genügende Entionisierung
ausreichen muß, bestimmt. Statt dessen, kann, wie erwähnt,
auch ein gepulster Mikrowellengenerator verwendet werden,
dessen Puls- und Pausendauer dann vorzugsweise einstellbar
sind.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung treten an die
Stelle der Spitze 27 zwei einander gegenüberliegende,
isoliert gehalterte z. B. stab- oder nadelförmige Elektroden,
die mit einer Spannungsquelle gekoppelt sind. Bei Anlegen
einer Spannung geeigneter Größe entsteht im Bereich zwischen
den Elektroden eine Niederdruck-Gasentladung, von der aus
sich durch die Wirkung der Mikrowelle eine Ionisierungsfront
durch den Hohlraum ausbreitet. Die Spannung an den Elektroden
kann intermittierend, mit dem Beginn der Mikrowellenpulse
synchronisiert angelegt werden oder auch kontinuierlich,
wobei dann in dem Bereich, von dem aus sich die Ionisierungs
front durch den zu behandelnden Hohlraum ausbreitet, ein
stetiges Plasma zur Verfügung steht, von dem aus sich die
Ionisierungsfront beim Einschalten der Mikrowelle ausbreiten
kann. Die Elektroden brauchen nicht in einem Hohlleiterstück
angeordnet werden, es genügt auch z. B. eine Halterung in Form
einer das betreffende Ende des zu behandelnden Hohlraums
verschließenden Kappe.
Claims (12)
1. Mikrowellen-Plasmaverfahren zur Behandlung der Innenwand
eines länglichen Hohlraums, der ein erstes offenes Ende und
ein zweites Ende hat, durch Ätzen oder Niederschlagen einer
Schicht aus einem vorgegebenen Material mittels eines
Plasmas bei welchem
- a) im Hohlraum eine für die Behandlung geeignete Atmosphäre mit einem unter dem äußeren Atmosphärendruck liegenden Druck erzeugt wird,
- b) in das erste Ende des Hohlraums Mikrowellenenergie eingespeist wird, die sich längs des Inneren des Hohl raumes ausbreitet,
- c) in einem örtlich begrenzten Bereich Bedingungen her gestellt werden, die das Entstehen eines Plasmas fördern,
wobei der Druck, die genannten Bedingungen und die Leistung
des Hochfrequenzfeldes so gewählt sind, daß in dem genannten
begrenzten Bereich eine Niederdruck-Gasentladung entsteht,
und
- d) man eine Ionisierungsfront ausgehend von dem Plasma durch den Hohlraum zum ersten Ende, dem Einkoppelende, laufen läßt,
- e) die Einspeisung der Mikrowelle in das erste Ende unter brochen wird und
- f) die Verfahrensschritte (d) bis (f) so oft wiederholt werden, bis ein gewünschtes Bearbeitungsergebnis erreicht ist, nach Patent 24 14 401,
dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma ausschließlich durch
ein elektrisches Feld ausreichender Feldstärke erzeugt wird.
2. Mikrowellen-Plasmaverfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das Plasma in dem vorgegebenen Bereich
durch eine örtliche Überhöhung der Amplitude des elektri
schen Feldes der Mikrowelle gezündet wird.
3. Mikrowellen-Plasmaverfahren nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Druck unterhalb des Druckes gehalten
wird, bei dem eine Zündung des Plasmas bei normaler nicht
überhöhter elektrischer Feldstärke der Mikrowelle außerhalb
des genannten Bereiches stattfinden kann.
4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
Anspruch 2 oder 3, mit
- a) einer Vorrichtung (20, 30), um in einem Hohlraum (12), dessen Innenwand durch Plasma-Ätzen oder Beschichten zu behandeln ist, eine für die Behandlung geeignete Atmosphäre mit einem unter dem äußeren Atmosphärendruck liegenden Druck zu erzeugen,
- b) einer Vorrichtung (14, 16) zum Einspeisen von Mikro wellen in den Hohlraum (12),
- c) einer Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmas in einem vorgegebenen Bereich, der mit der Atmosphäre im Hohlraum kommuniziert, und
- d) Mitteln zur Beendigung des Einspeisens der Mikrowellen nachdem eine vom Plasma ausgehende Ionisierungsfront durch den Hohlraum gelaufen ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Erzeugen des
Plasmas eine solche örtliche Überhöhung der elektrischen
Feldstärke der Mikrowellen in dem vorgegebenen Bereich
bewirkt, daß die Zündung bei einem Druck gewährleistet ist,
der unter dem Druck liegt, bei dem eine Zündung durch die
Mikrowellen außerhalb des genannten Bereiches, wo die
elektrische Feldstärke nicht überhöht ist, möglich ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
der Hohlraum an einer der Einspeisung der Mikrowellen
entgegengesetzten Seite mit einem Wellenleiterstück (16)
verbunden ist, in dem sich die Vorrichtung (27) zum Über
höhen der elektrischen Feldstärke der Mikrowelle befindet.
6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Vorrichtung zur Überhöhung der
elektrischen Feldstärke mindestens eine elektrisch leit
fähige Spitze (27) enthält.
7. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Vorrichtung zur Überhöhung der elektrischen Feldstärke
mindestens eine Blende oder mindestens einen Steg im
Hohlleiter enthält.
8. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
Anspruch 1, mit
- a) einer Vorrichtung (20, 30), um in einem Hohlraum (12), dessen Innenwand durch Plasma-Ätzen oder Beschichten zu behandeln ist, eine für die Behandlung geeignete Atmosphäre mit einem unter dem äußeren Atmosphärendruck liegenden Druck zu erzeugen,
- b) einer Vorrichtung (14, 16) zum Einspeisen von Mikro wellen in den Hohlraum (12),
- c) einer Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmas in einem vorgegebenen Bereich, der mit der Atmosphäre im Hohlraum kommuniziert, und
- d) Mitteln zur Beendigung des Einspeisens der Mikrowellen nachdem eine vom Plasma ausgehende Ionisierungsfront durch den Hohlraum gelaufen ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Erzeugen des
Plasmas zwei Elektroden und eine mit diesen gekoppelte
Spannungsquelle enthält.
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