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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ICP-RIE-Reaktoren (zum Ätzen mittels reaktiver Ionen
mit induktiv gekoppelten Plasmaquellen) und auf die mit ihnen verbundenen Ätzprozeduren.
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STAND DER TECHNIK
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Ein
Reaktor dieses Typs, der zurzeit umfangreich in der Herstellung
von MEM=s, MOEM=s, fortschrittlicher Optoelektronik oder von Mikroelektronik-Bauelementen
eingesetzt wird, bildet allgemein ausgedrückt ein System zum Trockenätzen. Muster sowie
geeignete Strukturen mit Sub-Mikron-Abmessungen
können
auf Halbleiterscheiben hergestellt werden. Ein Reaktor dieses Typs
besteht im Grunde aus einer ICP-Plasmaquelle, einer Plasma-Diffusionskammer
und einem an HF (13,56 MHz) angeschlossenen Substrathalter, wie
in herkömmlichen RIE-Reaktoren.
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1 der
beigefügten
Zeichnungen zeigt in Form eines Diagramms einen Reaktor des Typs,
auf den sich die Erfindung bezieht, gemäß dem bekannten Stand der Technik,
in dem die Plasmaquelle mit 1, die Diffusionskammer mit 2 und
allgemein der Substrathalter mit 3 bezeichnet ist, wobei 5 ein
HF-Generator ist.
Das Plasma wird in der Quelle 1 aus einem Prozessgas erzeugt,
zum Beispiel SiCl4 oder Cl2,
das in die Kammer gepumpt wird, was bewirkt, dass das Prozessgas
durch den Einfluss von Elektronen und Cl-Atomen, die das Haupt-Ätzmittel bilden, dissoziiert.
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In
den meisten ICP-RIE-Reaktoren hält
der Substrathalter 3 (in 2 detaillierter
gezeigt) das zu ätzende
Substrat 8 mit mechanischen Mitteln auf dem Spannfutter 9 des
Substrathalters 3. Statt des Substrates 8 kann
der Halter 3 auch Trägerscheiben halten,
die dazu benutzt werden können, kleine
Proben zu handhaben, die nicht direkt mechanisch auf den Substrathalter
geklemmt werden können.
Die Hauptfunktion des Substrathalters 3 ist das Tragen der
Komponente 8, d.h. des Substrates oder der Trägerscheiben,
während
des Ätzprozesses.
Darüber
hinaus muss er während
des Ätzprozesses
das Substrat auf einer konstanten und genauen Temperatur halten
und die HF-Versorgung (13,56 MHz) sicherstellen, wozu ein HF-Generator 5 verwendet
wird, der an eine Anpassungseinheit 6 angeschlossen ist.
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Das
Substrat wird mechanisch festgeklemmt und auf dem Spannfutter 9 des
Substrathalters 3 unter einem großen Klemmring 10 gehalten,
der sich im oberen Teil des Substrathalters 3 befindet.
Dieses robuste mechanische Teil 10 wird im Allgemeinen
aus einer Aluminium-Legierung oder rostfreiem Stahl hergestellt,
wie auch die anderen Teile der Reaktionskammer.
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Das
Spannfutter 9 kann mittels eines Kühlers oder eines Kreises mit
flüssigem
Stickstoff, der durch 17 (siehe 2) eintritt,
gekühlt
werden, bzw. mit Widerstands-Heizern 11, die im Spannfutter 9 installiert sind,
geheizt werden. Die Temperatur des Substrathalters 3 wird
dann mit einem Regelungssystem (nicht gezeigt) geregelt, welches
das Heizen und Kühlen
des Spannfutters 9 ausgleicht.
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Der
Wärmeaustausch
zwischen dem Substrat 8 und dem Spannfutter 9 wird
durch eine Heliumschicht 12 zwischen der Rückseite
des Substrates 8 und dem Spannfutter 9 sichergestellt.
Der Heliumdruck, der unter dem Substrat von einer Helium-Gasversorgung 7 geliefert
wird, wird durch eine Pumpe 15 aufrecht erhalten, wobei
eine Heliumleitung benutzt wird, die im Substrathalter 3 installiert
ist, und wobei der Heliumdruck durch ein Manometer 14 und einen
Flussmengenregler 16 überwacht
wird.
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Während langen Ätzprozessen
verhindert dieses System zur Regelung der Substrattemperatur das
thermische Weglaufen des Substrates, das dem extrem dichten reaktiven
Plasma ausgesetzt ist, welches von der ICP-Quelle ausgesendet wird.
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ICP-RIE-Ätzen wird
insbesondere im Bereich der Ätz-Anwendungen an Si,
SiO2 oder Halbleitermaterialien der Gruppe
III–V
eingesetzt, wenn eine HF-Vorspannung an den gesamten Substrathalter angelegt
wird. Das bedeutet, dass sowohl das Substrat, als auch der Klemmring
eine HF-Vorspannung bekommen muss.
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Systeme,
wie das gerade beschriebene nach dem Stand der Technik haben verschiedene
Nachteile:
- i) Ein erster Nachteil liegt in
dem Phänomen
des parasitären Ätzens und
Sputterns, das auf der Oberfläche
des Klemmringes 10 auftritt. Wenn die HF-Vorspannung an
den Substrathalter 3 angelegt wird, erhalten das Substrat 8 sowie
der Klemmring 10 eine HF-Vorspannung. Auf diese Weise ist
das parasitäre
Sputtern des Klemmringes 10 sehr effektiv.
Bezogen
auf das Substrat 8 ist die Aufgabe dieser HF-Vorspannung die Verbesserung
der Wirkung des Ionen-Sputterns, das auf der Oberfläche des Substrates
stattfindet. Auf diese Weise wird die relative Energie (bezogen
auf das Substrat) der auftreffenden Ionen, die von der Quelle emittiert werden,
stark erhöht.
Je höher
die Vorspannung des Substrathalters 3, umso stärker ist
das damit verbundene Sputter-Phänomen
auf dem Substrat 8, sowie auf dem Klemmring 10.
Diese Vorspannungsversorgung steuert die Anisotropie des Substrat-Ätzens.
In bekannten Reaktoren
dieser Klasse ist das Problem des parasitären Sputterns des Klemmringes noch
komplizierter, wenn das zur Herstellung des Ätzplasmas verwendete reaktive
Gas reines Chlor oder eine Mischung chlorierter Gase ist. Die chemischen
Mittel reagieren mit der Aluminium-Legierung oder dem Edelstahl
und erzeugen nichtflüchtige
Nebenprodukte, die sich auf der Oberfläche der Probe absetzen und
Mikro-Masken bilden. Dieser Mikro-Masken-Effekt verursacht grob geätzte Bodenflächen des
Substrates, wie in den Mikro-Fotografien in 3a und 3b gezeigt. Auch
in diesem Fall werden diese chemischen Reaktionen durch den Effekt
des Ionen-Sputterns stark verstärkt.
Es muss darauf hingewiesen werden, dass Aluminium (elementares Aluminium) nicht
zum Problem der Mikro-Masken
führt,
da Aluminium-Chlorid-(AlClx)-Nebenprodukte
flüchtig
sind. Die Probleme kommen von den anderen Bestandteilen der Aluminiumlegierung
oder ihrer Verunreinigungen.
Wegen der beiden Komponenten (chemisch
oder mechanisch) der Ätz-Mechanismen,
die stattfinden, wird der Klemmring 10 geätzt und "aufgebraucht", was einen Belastungseffekt
bewirkt. Hierdurch reduziert sich die Ätzrate der Substrat-Probe um
bis zu 30%. Wenn sich der Aluminium-Klemmring 10 in einer
Chlor-Umgebung befindet,
korrodiert er außerdem
allmählich,
was Korrosions-Flecken bewirkt, die wiederum eine weitere Quelle
von Mikro-Masken bilden oder Probleme durch Oberflächen-Verunreinigungen
verursachen.
- ii) Weitere Probleme ergeben sich durch den Temperaturanstieg
des Klemmringes 10, der beginnt, sobald das Plasma gezündet wurde.
Das Plasma ist extrem dicht, und die Ionenstrom-Dichte an der Oberfläche des
Substrathalters 3 ist sehr hoch. Somit kann einige Minuten
nach dem Beginn des Ätzprozesses
ein beträchtlicher
Temperaturanstieg beobachtet werden, wenn diese Aufheizung nicht
durch das Temperaturregelungssystem (Kühlung) ausgeglichen wird.
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Speziell
wird in allen Substrathalter-Unterbaugruppen verschiedener Typen
von ICP-RIE-Reaktoren nach dem bisherigen Stand der Technik die Substrattemperatur
durch das Klemmsystem mit Heliumfluss auf der Rückseite, wie oben beschrieben, gut
geregelt und kontrolliert. Wegen des mechanischen Designs dieses
Substrathalters 3 wird die Temperatur des Klemmringes 10 selbst
durch den Heliumfluss jedoch nicht richtig geregelt (gekühlt), wie
es beim Substrat 8 der Fall ist.
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Somit
wird bei langen Ätzprozessen,
speziell bei hohen Leistungen der ICP-Quelle die Hitze nicht vom
Klemmring 10 abgeführt.
Durch die Wärmeleitung,
die zwischen dem Klemmring 10 und dem Rand des Substrates 8 über die
kleine Fläche
stattfindet, auf der das Substrat in engem Kontakt zum Klemmring 10 steht,
wird eine inhomogene Verteilung der Temperatur im Substrat 8 bewirkt.
Da die Ätzmechanismen
sehr empfindlich gegen die Substrattemperatur sind, sind die Ätzergebnisse
(Tiefe, Anisotropie, usw.) nicht auf dem gesamten Substrat 8 homogen. Bis
jetzt ist eine Lösung
zur Beseitigung der Nachteile der bisherigen Technik, die dem Anmelder
bekannt ist, die folgende.
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Der
Aluminium-Klemmring 10 kann passiviert werden, indem ein
spezieller Ablagerungsprozess eingesetzt wird, um eine dünne Schicht
Aluminiumoxid herzustellen, welche die Oberfläche des Klemmringes 10 bedeckt.
Dieser Al2O3-Film
ist chemisch inert in der Chlor-Ätz-Umgebung,
die zum Beispiel zum Ätzen
von Materialien der Gruppe III–V
verwendet wird. Das Foto in 4 zeigt
in perspektivischer Ansicht einen Substrathalter des kommerziell erhältlichen
Systems Alcatel ICP-RIE 601E, das mit einem Klemmring 10 ausgestattet
ist, der mit einer speziellen Behandlung passiviert ist, die von
Pechiney für
Alcatel Vacuum Technology France ausgeführt wird.
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Die
Passivierungs-Behandlung unterdrückt die
chemischen Reaktionen mit Chlorverbindungen, die in den Reaktor
gelangen, aber leider wird die dünne
Schicht Aluminiumoxid durch energiereiche Ionen gesputtert, die
von der ICP-Quelle emittiert und von der HF-Vorspannungsversorgung
des Klemmringes beschleunigt werden. Als Folge davon wird schließlich der
durch Passivierung gebildete Aluminiumoxid-Film vollständig von der Oberfläche des
Ringes 10 entfernt, so dass die Gesamt-Lebensdauer einer solchen
Behandlung sehr kurz ist. Je höher
die Vorspannung des Klemmringes 10, umso kürzer ist
die Lebensdauer der Passivierungs-Behandlung.
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In
US 5,292,399 wird ein Reaktor
gemäß der Präambel von
Anspruch 1 offen gelegt. Die Oberfläche des Klemmringes und die
Klemmfinger sind mit auswechselbaren Stäben aus Quarz oder leitfähigen Materialien
bedeckt. Als leitfähiges
Material wird dotiertes Silizium bevorzugt. Zwischen dem Klemmring oder
den Fingern und den auswechselbaren Stäben ist kein Abstand. Das Problem
des Temperaturanstiegs des Klemmringes wird nicht offen gelegt.
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Andererseits
wurde, soweit es dem Anmelder bekannt ist, keine andere Lösung zur
Beseitigung des Problems des Temperaturanstieges des Klemmringes
während
eines langen Ätzprozesses
vorgeschlagen. In der derzeitigen Praxis ist es die einzige Möglichkeit,
den Ätzprozess
für einige
Minuten zu unterbrechen. Auf diese Weise kann sich der Klemmring 10 abkühlen, und
dann wird mit dem Ätzprozess fortgefahren.
Die Unterbrechung muss so oft wie nötig wiederholt werden, bis
die eingestellte Ätztiefe
erreicht ist. Solche Unterbrechungen können jedoch beträchtliche
Verschlechterungen des Aussehens und der Glattheit der durch das Ätzen gebildeten
Seitenwände
verursachen.
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Eine
andere Lösung
ist die Verwendung eines Wasser-Kühlkreislaufs
im Substrathalter. Es ist möglich,
den Klemmring 10 mit einem speziellen Kühlkreislauf effizient zu kühlen, der
in engem Kontakt zum Klemmring gehalten werden muss. Diese Lösung ist
jedoch nicht einfach und macht die Realisierung des Substrathalters
schwieriger und erhöht folglich
die Gesamt-Herstellungskosten.
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Die
Lösung
der Passivierung des Klemmringes ist nicht völlig zufriedenstellend. Der
Passivierungsfilm ist immer dünn
(100 Mikrometer oder weniger) und nach mehreren Betriebsstunden
ist dieser Film durch Ionen-Sputtern komplett von der Oberfläche des
Klemmringes 10 entfernt. Mit anderen Worten ist die Lebensdauer
des passivierten Klemmringes 10 immer noch sehr kurz. Somit
muss der Klemmring 10 häufig
ersetzt werden, was die Stillstandszeit der Maschine erhöht. Dieser
Punkt kann in der Produktion ein schwerer Nachteil sein. Die Gesamt-Herstellungskosten
eines solchen Teils (einschließlich
Passivierungs-Behandlung) sind daher nicht vernachlässigbar.
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Ein
weiteres Problem dieser Passivierungs-Behandlung des Klemmringes 10 bezieht
sich auf die chemische Qualität.
Wenn die Passivierungsschicht nicht rein genug ist und bestimmte
Verunreinigungen enthält,
die beim Ablagerungsprozess eingefügt wurden (wie z.B. Schwefel
oder metallische Elemente), bilden sich nichtflüchtige Nebenprodukte, und das
Problem der Mikro-Masken existiert immer noch. Natürlich ist
das Finden und Überwachen
der geeigneten Passivierungs-Behandlung
bezüglich
der Reinheit extrem schwierig, und eine garantiert reproduzierbare
Qualität
der Passivierungs-Behandlung wurde
bisher nicht erreicht.
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Daher
ist dieses Verfahren keine Lösung
des thermischen Weglaufens des Klemmringes 10, das bei
einem langen Ätzprozess
auftreten kann.
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CHARAKTERISIERUNG DER
ERFINDUNG
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Daher
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine effektive Abschirmung
in ICP-RIE-Reaktoren gegen parasitäres Sputtern und zu starke
Aufheizung des Klemmringes des Substrathalters bereitzustellen,
die sich besser für
lange oder auf Chlor basierende Ätzprozesse
in Reaktoren eignet, in denen Plasma verwendet wird.
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Hierzu
bezieht sich die Erfindung auf einen Reaktor zur Anwendung des Ätzens auf
ein Substrat, wozu reaktive Ionen verwendet werden, und der eine Plasmaquelle,
eine Diffusionskammer und einen Substrathalter enthält, wobei
der Substrathalter über Klemmring-Mittel
verfügt,
die das Substrat festhalten, das dem Fluss reaktiver Ionen des Plasmas
ausgesetzt wird, und die eine Schirmvorrichtung enthalten, die abnehmbar
am Substrathalter über
den Klemmring-Mitteln befestigt ist, um den Klemmring gegen den
Fluss reaktiver Ionen abzuschirmen.
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Die
Erfindung wird gemäß Anspruch
1 beschrieben. Die bevorzugten Ausführungen der Erfindung werden
durch die abhängigen
Ansprüche
beschrieben.
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Gemäß der Erfindung
wird die Schirmvorrichtung auf dem Substrathalter über den
Klemmring-Mitteln montiert, hat eine kurze Entfernung von den Klemmring-Mitteln
und besteht aus metallischem Material.
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Gemäß einer
Ausführung
besteht die Schirmvorrichtung aus mindestens zwei sehr dünnen Ringen,
die über
den Klemmring-Mitteln
aufgesetzt sind und die voneinander und von den Klemmring-Mitteln
getrennt sind.
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Gemäß einer
möglichen
Ausführung
wird das Material der Schirmvorrichtung passiviert, indem sie mit
einer sehr dünnen
Schicht eines dielektrischen Materials passiviert wird.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführung
der Erfindung ist die Schirmvorrichtung über den Substrathalter mit
Erde verbunden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Im
Folgenden werden zwei bevorzugte Ausführungen der Erfindung beschrieben,
ausschließlich als
Beispiel und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:
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1 ein
Diagramm eines bekannten ICP-RIE-Reaktors nach dem bisherigen Stand
der Technik darstellt;
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2 eine
vergrößerte Diagramm-Ansicht des
Substrathalters des Reaktors in 1 nach dem bisherigen
Stand der Technik zeigt;
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Die 3a und 3b zwei
Mikro-Fotografien sind, die Substrat-Bodenflächen zeigen, die als Folge
von Mikro-Masken-Problemen
grob geätzt wurden;
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4 die
Anordnung eines passivierten Maskierungsringes in einem Substrathalter
eines Reaktors der Klasse zeigt, auf die sich die Erfindung bezieht;
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5 eine
der 2 ähnliche
Ansicht ist, die einen Substrathalter zeigt, der eine Ausführung der vorliegenden
Erfindung enthält;
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6 eine
der 5 ähnliche
Ansicht ist, die einen Substrathalter zeigt, der eine weitere Ausführung der
vorliegenden Erfindung enthält.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
in der vorliegenden Erfindung vorgeschlagene Lösung (siehe 5 und 6)
beruht auf der Verwendung einer Abschirmung 20, die direkt über dem
Spannfutter 9 des Substrathalters 3 befestigt
wird, der an der Ätzkammer
mit einem mechanischen Flansch 19 befestigt ist, der es
erlaubt den Substrathalter 3 mit der Ätzkammer (nicht gezeigt) zu koppeln,
um sicherzustellen, dass der Ätzreaktor leckdicht
ist oder das Vakuum im Ätzreaktor
aufrecht zu erhalten. F zeigt schematisch einen Faltenbalg, um eine
vertikale Bewegung des Substrathalters 3 zu ermöglichen,
um die Entfernung zwischen der ICP-Quelle und dem Substrat 8 im
Reaktor 1 einzustellen. Der Flansch 19 und die
Feder F sind elektrisch mit Erde verbunden.
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Die
Abschirmung 20 schützt
den Klemmring 10 gegen den Ionenfluss von der ICP-Quelle.
Diese Abschirmung 20 muss verhindern, dass der Klemmring 10 mechanischer
Erosion ausgesetzt wird, muss aber gleichzeitig als thermische Abschirmung
wirken.
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Um
den Klemmring 10 zu schützen,
wird die Abschirmung 20 getrennt in einem kleinen vorher festgelegten
Abstand von einigen Zehntel mm über dem
Klemmring 10 mit einem Abstandshalter 21 montiert,
der sich in der Nähe
seines Außenrandes befindet,
so dass ein Abstand festgelegt wird, in dem ein Vakuum zwischen
der Abschirmung 20, die durch den Ionenfluss aufgeheizt
wird, und dem Klemmring 10 ist. Auf diese Weise wird ein
effektiver thermischer Schutz erreicht und ein Temperaturanstieg
des Klemmringes 10 verhindert.
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Gemäß einer
anderen bevorzugten Ausführung
der vorliegenden Erfindung, die in 6 gezeigt wird,
besteht die Abschirmung aus mindestens zwei (zum Beispiel 2 oder
3) sehr dünnen
Ringen 22 aus Aluminium, Wolfram oder Tantal, die durch
Abstandshalter 21, die in der Nähe des Außenrandes der Abschirmung angeordnet
sind, um einen kleinen vorher festgelegten Abstand von einigen Zehntel
mm physikalisch voneinander und vom Klemmring 10 getrennt sind.
Auch in diesem Fall bildet die Vakkuum-Lücke zwischen dem Klemmring 10 und
den Ringen 22, welche die Abschirmung bilden, und zwischen
den Ringen 22 selbst, eine effektive thermische Isolation des
Klemmringes 10.
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Da
sie aus Metall bestehen, können
diese Abschirmungen 20, 22 gemäß der Erfindung an 23 über den
Substrathalter 9 elektrisch mit Erde verbunden werden,
so dass die metallischen Abschirmungen keine Vorspannung erhalten
und somit die relative Energie der auftreffenden Ionen bezüglich der
Abschirmung extrem klein ist (das Plasma-Potential beträgt nur ungefähr einige
eV (10–15V),
während
das Potential des Klemmringes mit HF-Vorspannung im Bereich von
100–400V
liegt), wodurch die Effekte der parasitären Sputter-Mechanismen stark
verringert oder sogar unterdrückt
werden.
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Das
Wolfram und das Tantal, die als bevorzugte Metalle zur Herstellung
der metallischen Abschirmungen 20 und 22 vorgeschlagen
werden, werden durch die Chlor-Umgebung nicht beeinflusst (sie werden
durch das Chlor nicht chemisch angegriffen), aber in jedem Fall
und gemäß einer
noch anderen bevorzugten Ausführung
der Erfindung können
diese Metalle passiviert werden, um sie mit einer sehr dünnen (sie
kann sehr dünn
sein, da die parasitären Sputter-Effekte
nicht mehr vorhanden sind) dielektrischen Schicht aus SiNx oder Al2O3 zu versehen,
die einfach mit einem herkömmlichen
PECVD-Verfahren (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) abgeschieden
wird. Aluminium kann auch verwendet werden, dann ist es aber bezüglich der
chlorierten chemischen Mittel sicherer, das Teil durch PECVD mit
einer dielektrischen Schicht zu bedecken.
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Obwohl
die Erfindung bezüglich
mehrerer bevorzugter Ausführungen
beschrieben wurde, ist es selbstverständlich, dass diese nur als
Beispiel angegeben wurden und dass viele Variationen, Änderungen
und Anwendungen der Erfindung durchgeführt werden können.