DE4337119A1 - VHF-Plasmaquelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine VHF-Plasmaquelle zur Erzeugung von Gasentladungen für die plasmagestützte Oberflächenbearbeitung und die plasmagestützte Abscheidung von Schichten.

Zur Erzeugung von Entladungen werden unterschiedliche Gase verwendet, wobei die Ionisierung, d. h. die Erzeugung des Plasmas, im allgemeinen in einer Gleichspannungs- oder Hochfrequenzentladung erfolgt. Die Nutzung von Frequenzen im VHF-Bereich für diese Ionisierung hat gezeigt, daß sowohl für Ätz- als auch für Schichtabscheidungsprozesse bessere Ergebnisse in Hinsicht der Belastung der Substrate aus und durch die Entladung erreichbar sind. In diesem Frequenzbereich treten nur sehr geringe Belastungen der zu bearbeitenden Oberflächen durch Ionenbeschuß aus der Entladung auf. Für bisher bekannte Plasmaquellen, die vorrangig im HF- und Mikrowellenbereich arbeiten, kann dieser Effekt nur durch zusätzliche externe Magnetfelder erreicht werden. Verantwortlich für diesen Effekt sind sowohl Änderungen in der Entladung selbst als auch Resonanzerscheinungen, die sich aus der konstruktiven Gestaltung des Reaktors als auch durch dessen äußere elektrische Beschaltung ergeben. Eine gezielte Beeinflussung des VHF- Plasmaprozesses ist nur über diese Resonanzerscheinungen möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Plasma- bzw. Ionenquelle verfügbar zu machen, die bei einfachen Aufbau durch Nutzung von Resonanzerscheinungen die damit verbundene Prozeßverbesserung ergibt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einem koaxialen Leitungsresonator, bestehend aus einem Außenleiter und einem gewendelten Innenleiter, der Einspeisepunkt auf den gewendelten Innenleiter gelegt ist und die Gaszuführung in den Raum zwischen Außenleiter und Innenleiter erfolgt.

Die geometrische Länge des Resonators beträgt ein Viertel der elektromagnetischen Wellenlänge λ. Die Baulänge läßt sich verringern, wenn die Leitung zusätzlich kapazitiv belastet und der Innenleiter gewendelt ausgeführt wird. Durch die Wendelung kann die Größe des Resonators soweit verringert werden, daß mit konstruktiv akzeptablen Abmessungen Resonanzfrequenzen bis herab zu 10 MHz erreichbar sind. Unterhalb 10 MHz werden die Abmessungen des Resonators zu groß. Eine obere Frequenzgrenze ist erreicht, wenn der Innenleiter aus weniger als drei Windungen besteht.

Durch Verschiebung der Anzapfstelle auf dem Innenleiter ist der Realteil der Entladungsimpedanz an den Generatorinnenwiderstand anpaßbar und die Verwendung eines Anpassungsnetzwerkes nicht notwendig.

Bei der vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 2 ist der gewendelte Innenleiter mit einer gas- und/oder vakuumdichten, elektrisch nichtleitenden Abdeckung umgeben. Das zu ionisierende Gas wird in den Raum zwischen Außenleiter und Abdeckung geleitet.

Für den Fall das die Plasmaquelle ohne leitfähige Gegenelektrode betrieben wird, wird ein Gittersystem gemäß Anspruch 3 zum Absaugen der Ionen verwendet.

Gemäß Anspruch 4 liegt die Außenleiterfläche des Resonators auf Erdpotential, wodurch die Einbringung des Resonators in einen Reaktor durch Aufstellen oder Anflanschen möglich ist.

Die Zuführung des Arbeitsgases erfolgt in vorteilhafter Weise durch eine im Boden des Außenleiters befindliche Öffnung in den vom Außenleiter umgebenen Raum. Als Zuführung sind weiterhin Öffnungen durch die Außenwand des Außenleiters oder die Einleitung von der offenen Seite des Resonators über den Reaktor möglich.

Die Betriebsfrequenz des Resonators liegt gemäß Anspruch 6 im Resonanzpunkt des mit einer Entladung belasteten koaxialen Leitungsresonators. Durch die Belastung des Resonators mit der kapazitiven Komponente der Entladung (letztendlich in Abhängigkeit vom Arbeitsdruck, der Wirkleistung und der Gasart) wird die ursprüngliche Resonanzfrequenz zu einer kleineren Frequenz (Arbeitsfrequenz) verschoben.

Nach Anspruch 7 liegt die optimale Zündfrequenz im Resonanzpunkt des unbelasteten koaxialen Leitungsresonators. Im Punkt dieser optimalen Zündfrequenz sind Spannungswerte am Einspeisungspunkt weit unter 1 V für die Zündung der Entladung ausreichend.

Für den Betrieb des Resonators ist die Zündung einer Entladung mit der optimalen Zündfrequenz nicht notwendig, da dies bei der Arbeitsfrequenz ebenfalls mit geringen Spannungswerten durchführbar ist. Für eine schonende Zündung ist die Verwendung einer einfachen Zündhilfe nach Anspruch 8, die im Punkt der optimalen Zündfrequenz arbeitet, vorteilhaft.

Die Erfindung wird nachstehend in mehreren Beispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 einen grundsätzlichen Aufbau der VHF-Plasmaquelle,

Fig. 2 einen grundsätzlichen Aufbau der VHF-Plasmaquelle mit Gittersystem,

Fig. 3 ein Dimensionierungsbeispiel für eine Resonanzfrequenz von 100 MHz,

Fig. 4 den Einbau des Dimensionierungsbeispiels in einen Reaktor und die äußere elektrische Beschaltung.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Einrichtung besteht aus einem Außenleiter 1 mit einer Bodenfläche 2. Bodenfläche und Außenleiter sind elektrisch gut leitend miteinander verbunden. Innerhalb des Außenleiters befindet sich ein gewendelter Innenleiter 3, dessen heißes Wendelende offen ist (Leerlauf am Leitungsende). Das andere Ende des Innenleiters ist mit dem Außenleiter elektrisch leitend (Kurzschluß) verbunden.

Der gewendelte Innenleiter ist durch eine Abdeckung 5, die aus Glas oder Keramik besteht, umgeben. Diese Abdeckung ist mit dem Boden gas- bzw. vakuumdicht verbunden. Die Zuführung der HF- bzw. VHF- Leistung erfolgt durch einen im Boden 2 eingearbeiteten Isolator 6 mittels eines Rohres oder Bandes 7. Der Einspeisungspunkt 8 liegt auf dem gewendelten Innenleiter 3. Im Boden bzw. an der Außenleiterfläche 1 befindet sich der Einlaß 9 für das Arbeitsgas.

Die Leistungseinkopplung erfolgt direkt (galvanisch) durch eine Wendelanzapfung 8. Durch Verschiebung der Anzapfstelle 8 auf dem gewendelten Innenleiter 3 wird der Realteil der Entladungsimpedanz an den Generatorinnenwiderstand angepaßt. Auf die Verwendung eines Anpassungsnetzwerkes kann somit verzichtet werden.

Außerhalb des Außenleiters 1 ist kein Feld vorhanden, da die Außenleiterfläche auf Erdpotential liegt. Damit kann die Plasmaquelle ohne Bedingungen in einem Reaktor aufgestellt oder mittels eines Flansches an einen Reaktor angebracht werden.

In Fig. 2 ist die Plasmaquelle mit einem Gittersystem dargestellt. In einem aus nichtleitendem Material bestehenden Gitterhalter 10 ist ein Schirmgitter 11 und ein Beschleunigungsgitter 12 eingefaßt. Diese Anordnung ist für die Anwendung ohne leitende Gegenelektrode zum Bearbeiten von isolierenden Substraten bzw. für den Einsatz als Ionenquelle vorgesehen.

Fig. 3 zeigt ein Dimensionierungsbeispiel für eine Resonanzfrequenz von 100 MHz. In der Fig. sind die wichtigsten Größen angegeben, die für eine Dimensionierung der Plasmaquelle notwendig sind. Die Wandstärke des Außenleiters soll möglichst groß gegenüber der Eindringtiefe der Hochfrequenz sein. Der Durchmesser des Innenleiters 3 sollte mindestens das Fünffache dieser Eindringtiefe betragen.

Fig. 4 zeigt den Einbau des Dimensionierungsbeispiels in einen Reaktor mit einer äußeren elektrischen Beschaltung. Die Plasmaquelle ist auf einem Vakuumflansch 13 befestigt und damit in einen Vakuumkessel 14 eingebaut. Die Hochfrequenzquelle, bestehend aus dem HF-Generator 15 und einem breitbandigen Leistungsverstärker 16, wird zwischen Außenleiter und dem gewendelten Innenleiter angelegt. Eine separate Anpassung zwischen Wendel und Hochfrequenzquelle ist bei geeigneter Wahl des Einspeisungspunktes auf dem gewendelten Innenleiter nicht notwendig. Die Arbeitsfrequenz der Hochfrequenzquelle sollte zumindest im Resonanzpunkt des mit einer Entladung belasteten koaxialen Leitungsresonators liegen. Messungen der in der Entladung umgesetzten Wirkleistung mittels eines Leistungsmessers 17, der am Einspeisungspunkt anliegenden HF- Spannung mittels eines Millivoltmeters 18, des HF-Stromes mittels eines HF-Strom-Spannungswandlers 19, sowie des Phasenwinkels zwischen HF-Strom und HF-Spannung mittels eines Vektorvoltmeters gestatten eine vollständige elektrische Charakterisierung der Plasmaquelle, sind aber letztendlich für den Betrieb in dem angegebenen Umfang nicht notwendig.

Claims (8)

1. VHF-Plasmaquelle zur Erzeugung von Gasentladungen für die plasmagestützte Oberflächenbearbeitung und die plasmagestützte Abscheidung von Schichten, gekennzeichnet dadurch, daß die Plasmaquelle ein koaxialer Leitungsresonator, bestehend aus Außenleiter (1) und gewendelten Innenleiter (3) ist, bei dem der Einspeisepunkt (8) der Hochfrequenzleistung auf dem gewendelten Innenleiter (3) liegt und die Gaszuführung in den Raum zwischen Außenleiter (1) und Innenleiter (3) erfolgt.

2. VHF-Plasmaquelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der gewendelte Innenleiter (3) mit einer gas- und/oder vakuumdichten, elektrisch nichtleitenden Abdeckung (5) umgeben ist und die Gaszuführung in den Raum zwischen Außenleiter (1) und Abdeckung (5) erfolgt.

3. VHF-Plasmaquelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die offene Seite des koaxialen Leitungsresonators mit einem oder mehreren Gittern abgedeckt ist und die Gitter vom Außenleiter (1) elektrisch isoliert sind.

4. VHF-Plasmaquelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Außenleiter (1) auf Erdpotential liegt.

5. VHF-Plasmaquelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß sich die Zuführung des Arbeitsgases im Boden des Außenleiters (1) befindet.

6. VHF-Plasmaquelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Betriebsfrequenz des Resonators im Resonanzpunkt des mit einer Entladung belasteten koaxialen Leitungsresonators liegt.

7. VHF-Plasmaquelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die optimale Zündfrequenz im Resonanzpunkt des unbelasteten koaxialen Leitungsresonators liegt.

8. VHF-Plasmaquelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß zur Zündung der Entladung eine Zündhilfe vorgesehen ist.