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Diese
Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung
hochverdichteten Plasmas.
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Eine
breite Palette an unterschiedlichen Verfahren wird auf dem Gebiet
der Plasmatechnologie eingesetzt, die Dünnfilmbeschichtung, beispielsweise
Bestäuben
(Sputtering), Verdampfen, chemische Gasphasenabscheidung, Reinigungs-
und Ätzprozesse
umfassen.
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Zum
Bieispiel ist es seit vielen Jahren bekannt, dass Dünnschichtabscheidungsprozesse
und die Eigenschaften der abgeschiedenen Schichten selbst verbessert
werden können,
indem man energiereiche Ionen auf die aufwachsende Fläche der
in Abscheidung befindlichen Schicht auftreffen lässt; und zwar rührt dies
von einem Energietransfer zwischen den energiegeladenen Ionen und
den sogenannten „Adatomen" der in Abscheidung
befindlichen Dünnschicht
her. Dies erhöht
die Oberflächenmobilität der Adatome
und lässt
sie schneller zu den bevorzugten Gitterstellen wandern.
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Zerstäubungsprozesse
werden breitgefächert
für die
Abscheidung von Dünnbeschichtungen oder
Materialschichten auf Substraten verwendet. Solche Prozesse finden
in einer Vakuumkammer statt, die eine geringe Menge ionisierbaren
Gases, z.B. Argon, enthält.
Elektronen, die aus einer in der Kammer enthaltenen Quelle ausgestoßen werden, ionisieren
das Gas und bilden Plasma; ein (Kathoden-) Ziel oder Ionenkollektor,
das/der das zu bestäubende
Material umfasst, wird mit den Ionen beschossen, wodurch bewirkt
wird, dass Atome des Ionenkollektormaterials von ihrem Platz verdrängt und
anschließend
auf dem zu beschichtenden Material abgeschieden werden.
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Es
ist auch hinlänglich
bekannt, dass sich die Abscheidungsrate bei Bestäubungsprozessen durch Einsatz
von Magneteinrichtungen, beispielsweise einer Anordnung von Permanentmagneten
erhöhen lässt, die
auf eine vorbestimmte Weise (allgemein als geschlossene Schleife)
angeordnet sind, die mit dem Kathodenionenkollektor verbunden sind,
um im Gebrauch ein Plasma zu erzeugen, das sich örtlich entlang einer Bestäubungszone
des Ionenkollektors anordnet und konzentriert und dadurch den Bereich oder
das Gebiet festlegt, von dem aus ein Bestäuben oder eine Abtragen des
Ionenkollektors stattfindet.
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Bei
Aufdampfungsprozessen, insbesondere der plasmagestützten chemischen
Gasabscheidung (PECVD), wird ein in einer Vakuumkammer enthaltenes
chemisches Gas aufgespaltet und durch das Plasma in einer Menge
je Zeiteinheit aktiviert, die allgemein proportional zur Dichte
des Plasmas ist.
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Bei
Plasmaätz-
oder Plasmareinigungsprozessen werden energiegeladene Ionen und/oder chemisch
aktive Ionen, die durch ein in einer Vakuumkammer vorhandenes Plasma
erzeugt werden, dazu verwendet, beispielsweise bei der Herstellung von
integrierten Halbleiterschaltungen ein Material von einem Substrat
zu entfernen.
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In
allen derartigen Prozessen ist ein wichtiger Parameter die Fähigkeit,
hochverdichtetes Plasma bei niedrigstmöglichem Stromverbrauch herzustellen.
Die Vorteile hochverdichteten Plasmas umfassen im Allgemeinen die
Herstellung von Beschichtungen hoher Güte, was für gewöhnlich für eine größere Homogenität in der
Mikrostruktur der Beschichtung sorgt.
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Im
Stande der Technik wurde vorgeschlagen, hochverdichtetes Plasma
mittels Elektronenzyklotronresonanz (ECR) durch den Einsatz von
Mikrowellen mit einer spezifischen Frequenz von 2,45 GHz und einem
Magnetfeld von 875 Gauß im
Vakuum herzustellen. Obwohl dies ein brauchbares hochverdichtetes
Plasma hervorbringt, ist das erforderliche Magnetfeld jedoch so
groß,
dass es große
Strommengen verbraucht und deshalb teuer ist.
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Ein
Vorschlag aus jüngerer
Zeit zur Herstellung hochverdichteten Plasmas besteht in der Verwendung
hochverdichteter Plasmawellen. Diese können in einer Kammer mit hohem
Vakuum, beispielsweise 10–2 bis 10–4 mbar
durch die Wechselwirkung eines gleichmäßigen Magnetfelds und des Verlaufs eines
elektrischen Felds einer außenliegenden
Antenne erzeugt werden, die mit einer Hochfrequenz (HF) arbeitet.
Die Wellenenergie aus den Antennenausstrahlungen wird auf die Elektronen übertragen, die
in einer Plasmaentladung, beispielsweise durch in der Kammer vorhandenes
Argon, durch einen hinlänglich
bekannten Vorgang, der als Landau-Dämpfung (Landau damping) bekannt
ist, entsteht; man geht davon aus, dass mit diesen Wellen der Energieaustausch
auf eine viel effizientere Weise stattfindet als mit anderen Entladungsarten.
Dieser Effekt kann allgemein als kollisionsloses Dämpfen von
Wellen in einem Plasma angesehen werden, der von Partikeln im Plasma
herrührt,
die eine Geschwindigkeit besitzen, die der Phasengeschwindigkeit
der Welle beinahe gleichkommt. Solche Partikel neigen dazu, sich mit
der Welle fortzubewegen, ohne ein schnell veränderliches elektrisches Feld „zu sehen", und können deshalb
Energie mit der Welle austauschen. Ein Plasma enthält Elektronen,
wovon manche schneller und manche langsamer als die Welle selbst
sind. Jedoch gibt es in einer Maxwell-Verteilung mehr langsamere
als schnellere Elektronen, und deshalb gibt es mehr Partikel, die
Energie aus der Plasmawelle erhalten als solche, die der Welle Energie
abgeben.
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Die
Entladung mit einer Frequenz von 13,56 MHz ist die zur Herstellung
hochverdichteter Plasmawellen am verbreitetsten eingesetzte, obwohl
auch damit in Verbindung stehende Frequenzen von 6,78 MHz und 27,12
MHz verwendet werden könnten.
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Eine
Plasmaerzeugung durch hochverdichtete Plasmawellen kann nutzbringend
in einer Kammer durchgeführt
werden, in der, oder um die herum, Feldspulen vorhanden sind, um
in einem vorbestimmten Bereich der Kammer ein gleichmäßiges (für gewöhnlich zylindrisches)
Magnetfeld hervorzurufen. Drei solcher Magnetspulen in einer linearen
Anordnung entlang der Längsrichtung
des einschlägigen Teils
der Kammer beabstandet reichen im Allgemeinen aus. An einem Ende
der Anordnung wird die HF-Antenne positioniert, die, wenn der Prozess
abläuft,
die starke Plasmawelle bewirkt, die durch die Wechselwirkung zwischen
dem Magnetfeld und der HF-Energieversorgung entsteht, was wiederum
die Plasmaelektronen durch den Landau-Dämpfungsvorgang beschleunigt.
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Die
Auslegung der HF-Antenne, die zur Herstellung von Heliconwellen
und der anschließenden Erzeugung
eines hochverdichteten Plasma benötigt wird, ist von Bedeutung.
Die Auslegung war Gegenstand einer umfangreichen Erläuterung
in den Originalschriften von R. W. Boswell und D. Henry, die in „Applied
Physics Letters" 47
(1985) 1095, und anschließend
durch F. F. Chen im „Journal
Of Vacuum Science and Technology" A10
(1992) 1389 und danach von vielen anderen Autoren veröffentlicht
wurden.
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Frühere Auslegungen
haben sich auf komplexe Konfigurationen konzentriert, in denen den
verschiedenen Betriebsarten eine konkrete Form verliehen wurde,
um insbesondere ein Doppelschleifensystem bereitzustellen, das aus
einer durchgehenden Bahn leitfähigen
Materials bestand, mit:
einer ersten Schleife mit einer Hauptachse,
die parallel zur Richtung des in der Kammer vorhandenen Magnetfelds
ausgerichtet ist;
einer zweiten Schleife, die auch eine Hauptachse aufweist,
die parallel zur Richtung des in der Kammer vorhandenen Magnetfelds
ist; und
einer elektrischen Querverbindung zwischen der ersten
und zweiten Schleife mit variierender Auslegung.
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Ein
Beispiel einer Vorrichtung, die eine derartige Antenne umfasst,
ist in der
US 4,990,229 offenbart.
Die offenbarte Vorrichtung weist eine zylindrische Plasmaerzeugungskammer
auf, um die herum sich die Antenne und die Magnetfeldspulen befinden. Die
Magnetfeldspulen stellen ein Magnetfeld bereit, welches das Plasma
zu einer gesonderten Reaktionskammer befördert. Sowohl in die Ausgangsstoffkammer
als auch in die Reaktionskammer wird Gas eingeleitet. Die räumliche
Ausdehnung des Plasmas in der Reaktionskammer kann gesteuert werden,
indem der Strom in einer weiteren Magnetfeldspule verändert wird.
Ein zu beschichtendes oder zu ätzendes
Substrat wird in die Reaktionskammer eingebracht und mit dem Plasma
beschossen, das eine Dichte von bis zu 1 × 10
13/cm
3 haben kann. Somit offenbart die
US 4,990,229 eine Ausbildungsvorrichtung
für hochverdichtetes
Plasma, die eine Vakuumkammer aufweist, die eine Reaktionskammer,
eine Ausgangsstoffkammer, die an einem Ende zur Reaktionskammer
vollständig
offen ist, und einen Einlass für
ionisierbares Gas umfasst; einen in der Reaktionskammer angebrachten
Ionenkollektor; eine Hochfrequenzantenne zur Ausbildung eines Plasmas
in der Ausgangsstoffkammer; und eine Magneteinrichtung, durch welche
das Plasma auf den Ionenkollektor geleitet und konzentriert werden
kann.
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Obwohl
sich gezeigt hat, dass die Verwendung von Heliconwellensystemen
hochverdichtetes Plasma mit guter Wirkung erbringen kann, kann doch die
Komplexität
der HF-Antenne und ihre räumliche Gestaltung
mit der Magnetanordnung, die zur Wechselwirkung mit der HF-Energie
notwendig ist, Schwierigkeiten bei der Implementierung der Heliconwellenerzeugung
von Heliconwellenplasma bereiten.
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Die
Erfindung befasst sich mit der Bereitstellung hochverdichteter Plasmasysteme,
die eine Antenne mit einer einfacheren, leichter einzusetzenden Auslegung
eingebaut haben und weitere wie nachstehend beschriebene Vorteile
aufweisen.
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Die
EP 0 489 407 A2 offenbart
einen Plasmareaktor, der eine Vakuumreaktionskammer umfasst, in
die Ätzgas
und/oder Abscheidungsgas eingebracht wird. Ein Abschnitt der Kammer
ist durch eine dielektrische Kuppel gebildet, und eine HF-Antenne
ist um diese Kuppel angeordnet, um ein Ätz- und/oder Abscheidungsplasma
zu entwickeln. Die bevorzugte HF-Antenne hat eine Gestaltung mit
einer einzelnen Windung, aber es wird auch eine alternative Wendelanordnung
mit mehreren Windungen erwähnt.
Ein oder mehrere Elektromagnet/en ist/sind angrenzend an die Kammer
angebracht, der/die zur Bereitstellung eines elektrischen Felds
verwendet werden kann/können,
das die Dichte des Plasmas an einem Halbleiterwafer verstärkt, der
sich in der Kammer befindet.
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Erfindungsgemäß wird eine
Vorrichtung zur Ausbildung hochverdichteten Plasmas bereitgestellt, die
eine Vakuumkammer aufweist, die eine Reaktionskammer, mindestens
eine an einem Ende zur Reaktionskammer vollständig offene Ausgangsstoffkammer
und einen Einlass für
ionisierbares Gas umfasst; einen in der Reaktionskammer angebrachten Ionenkollektor;
eine Hochfrequenzantenne zur Ausbildung eines Plasmas in der Ausgangsstoffkammer; und
eine Magneteinrichtung, durch welche das Plasma auf den Ionenkollektor
geleitet und konzentriert werden kann, wobei die Antenne eine mit
der Ausgangsstoffkammer verbundene Wendelspule ist, dadurch gekennzeichnet,
dass die Vorrichtung weitere Magneteinrichtungen umfasst, die so
aufgebaut sind, dass der Plasmastrom von der Längsachse der Ausgangsstoffkammer
durch die weiteren Magneteinrichtungen auf den Ionenkollektor abgelenkt
wird.
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Nach
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren
zum Herstellen eines hochverdichteten Plasmas bereitgestellt, das
folgende Schritte umfasst:
- (i) einer Wendelspulenhochfrequenzantenne,
die mit einer Ausgangsstoffkammer verbunden ist, eine Entladungsstromzufuhr
zuzuführen,
- (ii) die Ionisierung eines ionisierbaren Gases in der Ausgangsstoffkammer,
die an einem Ende zu einer Reaktionskammer vollständig offen
ist, herbeizuführen,
um Plasma auszubilden, und
- (iii) das Plasma durch Magneteinrichtungen auf einen Ionenkollektor
in der Reaktionskammer zu lenken und zu konzentrieren,
dadurch
gekennzeichnet, dass das Verfahren den weiteren Schritt umfasst:
- (iv) den Plasmastrom durch weitere Magneteinrichtungen von der
Längsachse
der Ausgangsstoffkammer auf den Ionenkollektor abzulenken.
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Erstaunlicherweise
stellte sich heraus, dass die Verwendung einer spiralartig gewickelten
Rahmenantenne im Gegensatz zu den früher verwendeten komplexen Antennen
mit guter Wirkung, und um zusätzliche
technische Vorteile zu erbringen, eingesetzt werden kann, der zu
einem Verstärkungsfaktor Drei
bei der Plasmaionendichte führen
kann. Die spiralförmig
gewickelte Rahmenantenne der Erfindung umfasst allgemein einen elektrisch
leitenden Streifen oder Draht, wobei ein Ende an die HF-Energieversorgung
angeschlossen und das andere an Erde (Masse) gelegt ist und von
daher auf eine HF-Anpas sungsschaltung hinausläuft. Als solches fließt die HF-Energie
durch jede der Windungen der spiralförmig gewickelten Spule, die
zwischen den beiden Enden gewickelt sind.
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Die
HF-Versorgung sollte allgemein im Bereich von 1 bis 200 MHz liegen,
jedoch wären
die bevorzugten Frequenzen im Bereich von 1 bis 30 MHz, wobei Frequenzen
von 6,78 MHz, 13,56 MHz und 27,12 MHz die bevorzugtesten sind. Allgemein
ist die HF-Frequenz überraschender
Weise nicht ausschlaggebend, solange nur die HF-Quelle auf eine
an sich bekannte Weise mit der Antenne abgestimmt ist.
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Das
Verfahren der Erfindung sollte vorzugsweise in einer Kammer, vorzugsweise
einer allgemein zylindrischen Kammer stattfinden, die aus einem
isolierenden Material besteht, dadurch gekennzeichnet, dass Quarz
und Glas bevorzugte Werkstoffe sind.
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In
bevorzugten Ausführungsformen
kann die spiralartig gewickelte Rahmenantenne bequem um das Äußere des
einschlägigen
Teils der Kammer gewickelt werden. Dies trifft insbesondere im Falle
einer metallischen, beispielsweise aus Messing bestehenden Streifenantenne
zu, die um eine isolierende, beispielsweise aus Quarz bestehende
Kammer angebracht ist. Die Antenne wird vorzugsweise gekühlt, zum
Beispiel wassergekühlt.
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Die
spiralartig gewickelte Rahmenantenne umfasst vorzugsweise mindestens
drei Windungen, und umfasst vorteilhafter Weise drei bis acht, zum Beispiel
drei, vier oder fünf
Windungen. Die an die spiralartig gewickelte Rahmenantenne angelegte HF-Energie
muss auf eine an sich bekannte Weise abgeglichen werden, um die
Entstehung einer hochverdichteten Plasmawelle in dem in der Kammer
vorhandenen Magnetfeld sicherzustellen.
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Die
Antenne muss so angepasst sein, dass sie ein elektrisches HF-Feld
erzeugt, dass eine Wechselwirkung zwischen diesen elektrischen Feldern
und dem Magnetfeld ein modifiziertes elektrisches Feld erzeugt wird,
das wiederum eine Plasmawelle hervorbringt, die durch einen Landau-Dämpfungsvorgang
Energie in die Plasmaelektronen einkoppelt, was wiederum eine hohe
Ionisierung des Plasmagases und somit ein intensitätsstarkes
Plasma hervorruft.
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Die
Magneteinrichtung kann einen Einzelmagneten umfassen, beispielsweise
einen ringförmigen Elektromagneten,
der koaxial um die Kammer gelegt und entfernt von der Antenne angeordnet
ist, um im Gebrauch ein Magnetfeld bezüglich der Antennenachse zwischen
dem Magneten und der Antenne zu erzeugen.
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Vorzugsweise
umfasst die Magneteinrichtung jedoch mehr als einen Magneten. In
bevorzugten Ausführungsformen
ist ein erster Magnet (Ausgangskammermagnet), der mit der Antenne
verbunden ist, und ein zweiter Magnet (Reaktionskammermagnet) vorgesehen,
der sich fern von der Antenne befindet, um ein verkoppeltes Magnetfeld
zu schaffen.
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In
bestimmten Ausführungsformen
ist der Ausgangskammermagnet vorzugsweise ein ringförmiger Elektromagnet,
der koaxial um die spiralartig gewickelte Rahmenantenne angeordnet
ist, wobei sich ein kleiner Spielraum zwischen dem Außendurchmesser
der Antenne und dem Innendurchmesser des Elektromagneten befindet.
In machen Fällen ist
der Quellenmagnet jedoch etwas zur Seite der Antenne und vom Reaktionskammermagneten
weg oder aber auf die entgegengesetzte Seite der Reaktionskammer
gerückt,
mit der er aber gleichzeitig koaxial bleibt.
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In
anderen bevorzugten Ausführungsformen umfasst
der Reaktionskammermagnet auch einen ringförmigen Elektromagneten, der
koaxial mit der Antennenachse angeordnet ist, aber einen größeren Durchmesser
hat als der Quellenmagnet, um die Magnetflusslinien die Reaktionskammer überbrücken zu lassen.
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Beispielsweise
kann der Großmagnet
dergestalt sein, dass er ein Magnetfeld in der Größenordnung
von 5 × 10–3 Tesla
parallel zur Achse der Ausgangsstoffkammer und/oder Antenne erzeugt,
und der Reaktionskammermagnet kann ein stärkeres Magnetfeld in der Größenordnung
von 5 × 10–2 Tesla, auch
wieder parallel zur Mittelachse der Ausgangsstoffkammer und/oder
Antenne erzeugen, wobei das verkoppelte Magnetfeld der Erfindung
entsprechend ist.
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Insbesondere
im Falle des Einsatzes eines oder mehrerer Elektromagneten bestimmt
der durch den/die Elektromagneten fließende Strom die Magnetfeldstärke, das
Magnetfeldgefälle über die
Kammer (falls vorhanden), und die Richtung des Gesamtfelds. Dies
ist für
den Gesamtablauf des Prozesses und die Steuerung seiner Betriebsparameter
entscheidend.
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Allgemein
muss im Falle des Einsatzes von mehr als einem Magneten, der Quellenmagnet
und jeder andere Magnet jeweilige Magnetfelder in derselben Richtung
erzeugen; es sollte jedoch festgehalten werden, dass der Prozess
auch ungeachtet eben dieser ausgewählten Richtung funktioniert.
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Ein
Vorteil der Erfindung ist, dass der Einsatz eines weiteren Magneten
auf einer Seite der Kammer zwischen dem Quellenmagneten (oder der
Antenne, falls kein Quellenmagnet verwendet wird) und dem Reaktionskammermagneten überraschender
Weise ermöglicht,
dass der Plasmastrahl in der Reaktionskammer, je nach der Polarität des Mag neten,
zum weiteren Magneten hin angezogen oder davon weg „gelenkt" werden kann. In
solchen Ausführungsformen
ist die Verwendung eines Elektromagneten insofern vorteilhaft, als
das Umschalten des Stroms des Elektromagneten in eine Richtung das
Plasma zum Elektromagneten hin ablenkt, und das Umschalten des Stroms
in die andere Richtung das Plasma vom Elektromagneten weg abstößt.
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Unter
manchen Umständen
kann es Probleme geben, die mit der Abscheidung von Material von einem
im Plasma vorhandenen Ionenkollektor nicht nur auf ein Substrat,
das in der Vakuumkammer enthalten ist, sondern auch auf die Innenflächen der
Vakuumkammer verbunden sind, insbesondere wenn sie für Beschichtungsprozesse
verwendet wird.
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Solche
Probleme hängen
im Allgemeinen mit einem HF-Kriechstrom über solche Beschichtungen auf
den Innenflächen
zusammen, dessen Auswirkung zunimmt, wenn die Beschichtungen dicker und/oder
flächendeckender
werden, und der die Gesamteffizienz des Beschichtungsprozesses senkt.
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In
weiteren bevorzugten Ausführungsformen der
Erfindung ist deshalb beabsichtigt, dass die Vorrichtung eine Vakuumreaktionskammer
mit einer Ausgangsstoffkammer umfasst, in der die Antenne zum Einsatz
kommt, mit einer Magneteinrichtung in unmittelbarer Nähe der Ausgangsstoffkammer
und der Reaktionskammer, um das Magnetfeld sich fortpflanzen zu
lassen und dadurch das hochverdichtete Plasma zu erzeugen, das aus
der Ausgangsstoffkammer aus- und in die Reaktionskammer eintritt.
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In
solch einer Anordnung können
sich ein abzuscheidendes, einen Ionenkollektor umfassendes Material
und ein Substrat, auf dem das Ionenkollektormaterial abgeschieden
werden soll, in der Reaktionskammer befinden. Bei einer solchen
Anordnung werden, auch wenn eine gewisse Abscheidung auf den Reaktionskammerflächen auftreten
kann, relativ geringe oder gar keine Abscheidungsmengen an Ionenkollektormaterial
auf den Innenflächen
der Ausgangsstoffkammer, wo die Antenne angeordnet ist, auftreten.
Im Ergebnis sollte ein Kriechstrom aus der HF-Antenne über die
Kammerflächenabscheidungen vermieden
sein.
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Zum
besseren Verständnis
der Erfindung wird nun rein beispielhaft Bezug auf die begleitenden Zeichnungen
genommen:
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1 ist
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach der Erfindung;
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2 ist
eine schematische Darstellung einer Querschnitts einer Ausführungsform
der Erfindung;
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3 ist
eine weitere schematische Darstellung einer Vorrichtung einer weiteren
Ausführungsform
der Erfindung;
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4 ist
eine schematische Darstellung des Querschnitts einer zweiten bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung, die Magneteinrichtungen besitzt, um den Plasmastrom
abzulenken;
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5 ist
eine weitere schematische Darstellung des Querschnitts der zweiten
bevorzugten Ausführungsform
von 4.
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1 zeigt
das äußere Erscheinungsbild
einer Ausführungsform
der Erfindung 1 mit einer Reaktionskammer 3, einer Ausgangsstoffkammer 2 mit
einer dazugehörigen
Spule 10.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung der Erfindung. Darin
ist eine im Wesentlichen zylindrische Vakuumkammer 1 gezeigt, die
eine Ausgangsstoffkammer 2 mit einem ersten Querschnitt,
eine Reaktionskammer 3 mit einem größeren Querschnitt und ein Abschlussende 4 mit
einem sich verjüngenden
Querschnitt aufweist.
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Die
Ausgangsstoffkammer besitzt einen Einlass 5, in den ionisierbares
Gas eingeführt
werden kann. Die Reaktionskammer 3 besitzt einen Auslass 6,
der an Vakuumpumpen 7 angebracht ist, um die Vakuumkammer 1 luftleer
zu pumpen und im Gebrauch der Vorrichtung eine Strömung von
Prozessgas durch diese zu bewirken. Das Abschlussende 4 wird
durch ein spiralartig angeordnetes Wasserrohr 8 wassergekühlt; das
Ende des Abschlussendes 4 enthält ein Schauglas 9 zur
Beobachtung des in der Kammer erzeugten Plasmas „P".
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Eine
spiralartig gewickelte Wendelspulenantenne 10 weist vier
Windungen auf und liegt in Form eines Messingstreifens vor, dessen
Enden voneinander elektrisch isoliert sind, wobei ein Ende an die HF-Energieversorgung 11 angeschlossen
und das andere an Masse gelegt ist. Die vier Windungen sind jeweils
von den benachbarten Windungen um ein bis zwei Zentimeter beabstandet.
Die Gesamtlänge
der Antenne beträgt
ca. sechs bis acht Zentimeter. Die HF-Versorgung erfolgt mit einer
Frequenz von 13,56 MHz.
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Um
die Antenne herum und koaxial mit dieser befindet sich ein Quellenmagnet 12 in
Form eines ringförmigen
Elektromagneten mit einem Innendurchmesser, der etwas größer als
der Außendurchmesser
der Antenne und elektrisch von dieser isoliert ist. Die Aktivierung
des Elektromagneten 12 findet durch eine (nicht gezeigte)
Stromquelle statt.
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Um
das Abschlussende 4 der Kammer 1 herum befindet
sich ein Kammermagnet 13 in Form eines weiteren ringförmigen Elektromagneten,
der einen größeren Durchmesser
aufweist als der Quellenmagnet 12.
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Die
beispielhaft dargestellte Vorrichtung von 2 weist
eine Ausgangsstoffkammer 2, die aus Quarz besteht und einen
Innendurchmesser von einhundertfünfzig
Millimetern hat, eine breitere Reaktionskammer 3 und ein
Abschlussende 4 auf, das am Anfang denselben Durchmesser
hat wie die Ausgangsstoffkammer 2, aber sich in einer Richtung
von der Reaktionskammer 3 weg verjüngt.
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Im
Gebrauch der Vorrichtung, wobei die Vakuumpumpen 7 eingeschaltet
sind, werden sowohl der Quellenmagnet 12 als auch der Kammerelektromagnet 13 jeweils
aktiviert, wobei die Wicklungen der beiden Elektromagneten Magnetfelder
parallel zur Achse der Reaktionskammer in derselben Richtung erzeugen,
und der Kammermagnet 13 den größeren Einzelmagnetfeldeffekt
(5 × 10–2 Tesla)
erzeugt als der Quellenmagnet (5 × 10–3 Tesla),
aber wobei die Ströme
der jeweiligen Magnetfelder sich verbinden, um insgesamt ein nicht
axiales Magnetfeld bezüglich der
Hauptachse (Längsachse)
der Wendelspulenantenne 10 zu erzeugen. Typische Strömungslinien
eines solchen nicht axialen Magnetfelds sind in 3 gezeigt,
die dieselbe Art von Vorrichtung darstellt wie 2.
Es wäre
jedoch festzuhalten, dass der Einsatz eines gleichmäßigen Magnetfelds
nicht wesentlich ist, da im Allgemeinen eine gewisse Unregelmäßigkeit
im Hinblick auf das Magnetfeld bestehen wird.
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Das
so entstandene Magnetfeld bedeutet, dass im Gebrauch ein magnetisches
Gefälle
besteht, das in einer Richtung von der Antenne 10 weg zunimmt,
und das erzeugte elektrische HF-Feld mit Linien des Magnetstroms
in der Vakuumkammer eine Wechselwirkung eingehen muss.
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Zusätzlich wird
Kühlwasser
durch das spiralförmig
angeordnete Rohr 8 geleitet und (ionisierbares) Argongas
ist in der luftleeren Vakuumkammer 1 vorhanden, wobei der
Kammerdruck vorzugsweise zwischen 7 × 10–5 mbar
und 2 × 10–2 mbar
liegen sollte.
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Der
Betrieb der in 2 gezeigten Vorrichtung zeigte,
dass ein hochverdichteter Plasmastrahl P bei niedrigen Drücken entstand.
Insbesondere war der Ionenwirkungsgrad von Argon so berechnet, dass
er bei 5 kW Leistung und 8 × 10–4 mbar
Druck über
dreißig
Prozent lag.
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4 zeigt
den Einsatz eines Lenkmagneten 40 als Zusatz zu der in 2 gezeigten
Vorrichtung. Der Lenkmagnet liegt in Form eines ringförmigen Elektromagneten vor,
der an einer Seite der Reaktionskammer 3 (oben, wie gezeigt)
angeordnet ist. Im Gebrauch bestimmt die Polarität des Elektromagneten, ob der
Plasmastrahl P zum Lenkmagneten 40 hin (wie gezeigt) oder
alternativ vom Magneten weg abgelenkt oder gelenkt wird.
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Die
Fähigkeit,
den Plasmastrahl lenken zu können,
kann bei bestimmten Beschichtungsverfahren von beträchtlichem
Nutzen sein, bei denen die Steuerung der Richtung des Plasmas bezüglich des Substrats,
beispielsweise eines Substrats, das im oberen oder unteren Teil
der Reaktionskammer 3 angeordnet ist, von Bedeutung ist.
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In
dieser Hinsicht zeigt 5 den Einsatz einer Ausgangsstoffkammer
mit einer mittleren Längsachse,
die parallel mit, aber nicht kolinear mit der Ebene des Ionenkollektors
ist. Da der Ionenkollektor so angeordnet ist, muss das aus der Ausgangsstoffkammer
in die Reaktionskammer eintretende Plasma im Wesentlichen zum Ionenkollektor
hin abgelenkt werden.
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Die
Vorrichtung von 5 umfasst eine zylindrische
Vakuumkammer 1 mit einer Reaktionskammer 51 und
einer Ausgangsstoffkammer 52, in der eine HF-Wendelspulenantenne 53 zum
Einsatz kommt. Ein Ionenkollektor 54 ist auch in der Kammer 1 vorhanden,
der eine zu bestäubende
Materialfläche und
ein Substrat 55 aufweist, auf dem das Ionenkollektormaterial
abgeschieden werden soll.
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Eine
elektromagnetische Einrichtung 56 am oberen Teil (wie gezeigt)
der Reaktionskammer 51 der Ausgangsstoffkammer 52 entgegengesetzt
oder rechts von der Antenne, und eine weitere elektromagnetische
Einrichtung 57, die um die Reaktionskammer 51 herum
angeordnet ist, stellen im Gebrauch der Vorrichtung Magneteinrichtungen
zur Erzeugung eines elektrischen Felds bereit, das durch Wechselwirkung
mit dem Verlauf des elektrischen Felds der HF-Antenne 53 im
Gebrauch der Vorrichtung eine hochverdichtete Plasmawelle erzeugt.
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Im
Gebrauch der Vorrichtung von 5 wird durch
das Einleiten von Gas, zum Beispiel wieder in die Kammer in Richtung
des Pfeils G, die Kammer 1 mittels Vakuumpumpen (nicht
gezeigt), die in Richtung des Pfeils V wirken, luftleer gepumpt,
wodurch wieder ein sehr hochverdichtetes Plasma mittels der hochverdichteten
Plasmawelle erzeugt werden kann, die sich von der Wendelspulenantenne 53 aus
fortpflanzt und aufgrund der Elektromagneten 56, 57 in dem
allgemeinen Bereich in unterbrochenen Linien, der mit dem Bezugszeichen
P angegeben ist, zwischen dem Ionenkollektor 54 und einem
Substrat 55 vorhanden sein kann.
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Die
Fähigkeit,
in 5 ein hochverdichtetes Plasma zwischen dem Ionenkollektor 54 und
dem Substrat 55 ausgehend von einer Antenne 53 herzustellen,
die in der Ausgangsstoffkammer und deshalb fern vom Beschichtungsbereich
der Kammer vorhanden ist, bietet klar die Möglichkeit, einen HF-Kriechstrom
aus der Antenne zu vermeiden oder zumindest zu minimieren, indem
keine Beschichtung der Innenwand der Kammer in der Ausgangsstoffkammer
in der unmittelbaren Nähe
der Antenne 53 stattfinden sollte.
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Die
Ausgangsstoffkammer 52 kann eine andere als die in 5 gezeigte
Ausrichtung haben, indem der Winkel α größer als die in 5 gezeigten neunzig
Grad, beispielsweise einhundertfünfunddreißig Grad,
ausgelegt wird. Dies würde
die Möglichkeit, einen
HF-Kriechstrom aus der Antennen 53 zu verhindern insofern
noch erhöhen,
als noch weniger Beschichtung auf der Wand der Ausgangsstoffkammer auftreten
würde.