DE68908194T2 - Anlage zur plasma-chemischen Dampfphasenreaktion. - Google Patents
Anlage zur plasma-chemischen Dampfphasenreaktion.Info
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Anlage zur plasma-chemischen Dampfphasenreaktion, insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich, eine Anlage für Plasma-ECR(Elektronzyklotronresonanz)-CVD (Chemical Vapour Deposition = chemische Abscheidung aus der Dampfphase).
- Plasma-ECR-CVD-Anlagen sind z.B. im Artikel von Matsuo et al unter dem Titel "Low Temperature Chemical Vapour Deposition Method Utilizing an Electron Cyclotron Resonance Plasma" beschrieben, wie er im Japanese Journal of Applied Physics, Bd. 22, Nr. 4, April 1983, Seiten L210 - L212 veröffentlicht ist, wie auch im Artikel von Kawarada et al unter dein Titel "Large Area Chemical Vapour Deposition of Diamond Particles and Films Using Magneto-Microwave Plasma", veröffentlicht in Japanese Journal of Applied Physics, Bd. 26, Nr. 6, Juni 1987, Seiten L1032 - L1034. Sowohl der Artikel von Matsuo et al als auch der von Kawarada et al offenbaren eine Anlage zur plasma-chemischen Dampfphasenreaktion mit einer Reaktionskammer, einem Gaszuführsystem zum Einleiten von Reaktionsgas in die Reaktionskammer, Helmholtz-Spulen zum Hervorrufen eines axialen Magnetfelds innerhalb der Reaktionskammer, einen Mikrowellengenerator zum Einleiten von Mikrowellenenergie in die Reaktionskammer in axialer Richtung, wobei das Magnetfeld und die Mikrowellenenergie Bedingungen zum aufrechterhalten von Elektronzyklotronresonanz innerhalb des Reaktionsgases erzeugen, und einen Substrathalter aufweist, um ein Substrat an einer Position in der Reaktionskammer in solcher Weise zu halten, daß die Oberfläche des Substrats der Abscheidung von Material aus dem Plasma ausgesetzt ist.
- Die ECR-CVD-Technik hat wegen ihres hochwirksamen Anregungsvermögens das Interesse von Forschern auf sich gezogen. Als Abscheideverfahren nutzt sie ECR (Elektronzyklotronresonanz), die zwischen geladenen Teilchen und Mikrowellen in einem Magnetfeld stattfindet. Da die durch ECR übertragene Energie sehr hoch ist, tritt der Nachteil auf, daß die Gefahr besteht, daß ein zu behandelndes Substrat unter Sputterschäden leidet. Wie es im oben angegebenen Artikel von Matsuo et al gezeigt ist, wurden Substrate daher entfernt von der Position angeordnet, in der die Bedingungen für das Magnetfeld und die Mikrowellenenergie erfüllt sind, die zum Erzielen von ECR erforderlich sind, und die Plasmaerzeugnisse werden durch ein divergierendes Magnetfeld auf das Substrat herausgezogen. Dies hat zum Nachteil bei der bekannten ECR-CVD-Technik geführt, daß die Plasmadichte im Substratbereich relativ klein ist und der Druck des Reaktionsgases in der Anlage in der Größenordnung von 10&supmin;&sup4; Torr (1 Torr = 133,3 N/m²) liegen muß, um es dein angeregten Gas zu ermöglichen, das zu bearbeitende Substrat zu erreichen, und es konnten keine stark kristallisierten Abscheidungen, wie solche von Diamant, hergestellt werden.
- Demgemäß ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Anlage zur plasma-chemischen Dampfphasenreaktion anzugeben, die zu wirkungsvoller Behandlung eines Substrats in der Lage ist. Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, eine Anlage zur plasma-chemischen Dampfphasenreaktion anzugeben, die dazu in der Lage ist, hochkristalline Filme auf Substraten abzuscheiden.
- Erfindungsgemäß wird eine Anlage zur plasma-chemischen Dampfphasenreaktion angegeben, mit: einer Reaktionskammer;
- einem Gaszuführsystem zum Einleiten eines Reaktionsgases in die Reaktionskammer; einer Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds in der Reaktionskammer; einem Mikrowellengenerator zum Einleiten von Mikrowellenenergie in die Reaktionskammer; wobei die Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung und der Mikrowellengenerator Bedingungen beim Betrieb der Anlage zum Aufrechterhalten von Elektronzyklotronresonanz innerhalb eines Reaktionsgasplasmas in der Reaktionskammer erzeugen; und einem Substrathalter zum Malten eines Substrats in der Reaktionskammer an einer solchen Position, daß eine Oberfläche desselben einem Teilchenmaterial aus dem Reaktionsgasplasma ausgesetzt ist, was alles aus den oben genannten Artikeln von Matsuo und Kawarada bekannt ist; wobei die Anlage erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß eine zweite Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung vorhanden ist, um Zentripetalkräfte zu erzeugen, wie sie erforderlich sind, um das Plasma zusammenzudrücken; und der Substrathalter und die erstgenannte und die zweite Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung so angeordnet sind, daß der Substrathalter dort liegt, wo die Magnetfelder der erstgenannten und der zweiten Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung so wechselwirken, daß sie ein resultierendes Magnetfeld mit einem Feldstärkegradienten erzeugen, der so gerichtet ist, daß das Plasma zu dem zu behandelnden Substrat hin konzentriert wird.
- Die Erfindung gibt auch ein verfahren zur plasma-chemischen Dampfphasenreaktion an, mit: Anordnen eines Substrats in einer Reaktionskammer; Einleiten eines Reaktionsgases in die Reaktionskammer; Erzeugen eines Magnetfelds innerhalb der Reaktionskammer, und Einleiten von Mikrowellenenergie in die Reaktionskammer, die sich im wesentlichen parallel zum Magnetfeld ausbreitet, um durch den Aufbau von Elektronzyklotronresonanz innerhalb der Reaktionskammer ein Reaktionsgasplasma zu erzeugen; und Ausführen einer Plasmaverarbeitung auf dem Substrat mit dem Plasmagas; wie aus den oben genannten Artikeln von Matsuo und Kawarada bekannt; wobei das Verfahren gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß das Reaktionsplasma zusätzlich einem weiteren Magnetfeld unterworfen wird, das Zentripetalkräfte erzeugt, um das Plasma zusammenzudrücken; und das Substrat innerhalb der Reaktionskammer an einer Stelle angeordnet wird, in der die an das Plasma angelegten Magnetfelder so wechselwirken, daß sie ein resultierendes Magnetfeld mit einem Feldstärkegradienten erzeugen, der so gerichtet ist, daß das Plasma auf das zu behandelnde Substrat hin konzentriert wird.
- Weitere Merkmale der Erfindung sind in den beigefügten Ansprüchen dargelegt und werden, zusammen mit den oben angegebenen Merkmalen, unter Berücksichtigung der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gut verständlich.
- Fig. 1 ist eine schematische Darstellung, die eine beispielhafte Plasma-CVD-Anlage gemäß der Erfindung zeigt;
- Fig. 2(A) und 2(B) sind ein Querschnitt bzw. eine Draufsicht auf Joffé-Stäbe mit Elektromagneten;
- Fig. 3(A) und 3(B) sind ein Querschnitt bzw. eine Draufsicht auf Joffé-Stäbe mit Permanentmagneten;
- Fig. 4 ist ein Querschnitt, der eine Modifizierung der in den Fig. 3(A) und 3(B) dargestellten Joffé-Stäbe zeigt;
- Fig. 5 ist eine schematische veranschaulichung des Profils der Magnetfeldstärke im Plasmaerzeugungsraum einer ECR-CVD- Anlage, die die Erfindung nicht realisiert;
- Fig. 6 ist eine schematische Veranschaulichung des Profils der Magnetfeldstärke im Plasmaerzeugungsraum einer erfindungsgemäßen Anlage; und
- fig. 7 ist eine erläuternde Ansicht, die die Driftkräfte veranschaulicht, wie sie auf das Plasma in einer erfindungsgemäßen Anlage ausgeübt werden.
- Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist festzustellen, daß dort eine beispielhafte, erfindungsgemäße, mikrowellenunterstützte Plasma-CVD-Anlage dargestellt ist. Die Anlage weist eine Reaktionskammer auf, in der ein Plasmaerzeugungsraum 1 und ein Hilfsraum 8 festgelegt sind, die mit Hilfe eines Abpumpsystems 9 auf einem geeigneten Unterdruck gehalten werden können. Gaseinleitungssysteme 11 und 10 sind mit dem Plasmaerzeugungsraum 1 bzw. dem Hilfsraum 8 verbunden. Mikrowellenenergie wird von einem Mikrowellengenerator 4 über einen Wellenleiter 7 in den Plasmaerzeugungsraum 1 eingeleitet. Helmholtz-Spulen 5 und Joffé-Stäbe 6 sind um den Plasmaerzeugungsraum 1 angeordnet. Joffé-Stäbe sind für sich bekannt, z.B. aus Patent Abstracts of Japan, Bd. 11, Nr. 317 (C-452)(2764) vom 15. Oktober 1987. Die Joffé-Stäbe 6 sind parallel zur Mikrowellenausbreitungsrichtung angeordnet, und sie können, wie dies in den Fig. 2(A) und 2(B) dargestellt ist, mit Elektromagneten, oder wie dies in den Fig. 3(A) und 3(B) dargestellt ist, mit Permanentmagneten aufgebaut sein. In Fig. 3(A) zeigen die Pfeile die magnetischen Momente der Permanentmagneten an. Fig. 4 zeigt eine Modifizierung der in den Fig. 3(A) und 3(B) dargestellten Joffé-Stäbe. Ein zu behandelndes Substrat 2 wird auf einem Substrathalter 3 angebracht, der so ausgebildet ist, daß er das Substrat 2 heizen kann. Der Substrathalter 3 besteht aus einer Keramik, z.B. Aluminiumnitrit, die nur zu geringer Störung des von den Magneten 5 und 6 erzeugten Magnetfelds führt.
- Die relative Anordnung des Substrats 2 in bezug auf die Helmholtz-Spulen 5 ist sehr wichtig. Fig. 5 zeigt die Konfiguration einer ECR-CVD-Anlage, die die Erfindung nicht verkörpert, und sie zeigt eine solche Anordnung der Spulen 5 in bezug auf das Substrat 2, daß das Substrat zwischen den zwei Spulen angeordnet ist. Innerhalb des Plasmaerzeugungsraums 1 ist eine Anzahl von Kurven gezogen, um Flächen gleicher Stärke des von den Magneten 5 und 6 erzeugten Magnetfelds anzuzeigen. Die Magnetfeldstärke nimmt als Funktion des Abstandes von der Mitte des Substrats 2 zu. Bei dieser Anlagenkonfiguration erfährt das Plasma Driftkräfte zu Positionen mit schwächerer Magnetfeldstärke, d.h. in den Richtungen vom Substrat 2 weg. Demgemäß besteht eine Tendenz dazu, daß sich Plasma im Erzeugungsraum 1 statt im Bereich der zu behandelnden Substratoberfläche ansammelt. Allgemein gesagt, ist die auf ein Plasma in einem Magnetfeld ausgeübte Driftkraft proportional zu -Grad B, wobei B die Absolutstärke des Magnetfelds ist. Die Flächen gleicher Stärke des im Fall der Erfindung errichteten Magnetfelds sind in Fig. 6 dargestellt. Das dargestellte Magnetfeld wird in dem Substrat 2 näherliegenden Positionen schwächer. Die auf das Plasma ausgeübten Driftkräfte sind in Fig. 7 durch Pfeile dargestellt. Der Pfeil 12 repräsentiert eine Driftkraft, die dazu dient, das Plasma zum Substrat hin 2 abzulegen, und sie wird hauptsächlich durch die Helmholtz-Spulen 5 hervorgerufen. Die Pfeile 13 repräsentieren eine Zentripetalkraft, die hauptsächlich durch die Joffé-Stäbe 6 hervorgerufen wird.
- Nachfolgend wird ein beispielhaftes Verfahren zum Abscheiden von Kohlenstoffilmen auf einem Substrat unter Verwendung der erfindungsgeinäßen Anlage beschrieben. Nach dem Evakuieren der Kammer mit Hilfe des Abpumpsystems 9 wird das Eintreten von Wasserstoff in den Plasmaerzeugungsraum 1 mit 10 SCCM vom Gaszuführsystem 11 zugelassen. Die Helmholtz-Spulen 5 werden erregt, um im Plasmaerzeugungsraum 1 ein Magnetfeld von 2 k Gauss zu erzeugen. Die Joffé-Stäbe 6 modifizieren das Magnetfeld zum Erzeugen einer zentripetalwirkenden Driftkraft. Energie von Mikrowellen mit 2,45 GHz wird mit 500 W vom Mikrowellengenerator 4 eingeleitet. Durch Resonanz zwischen den Mikrowellen sowie Wasserstoffatomen und Elektronen werden angeregte Wasserstoffionen und Elektronen erzeugt. Die Resonanz kann in einem ECR-Modus, einem MCR (Mischzyklotronresonanz)-Modus oder dem Breitbandstrahlungsmodus erfolgen. Der Wasserstoffdruck wird auf 0,1 Pa gehalten. Demgemäß treffen Wasserstoffatome oder Elektronen hoher Energie auf die Oberfläche des Substrats 2 und führen Plasmareinigung aus.
- Nach dem Reinigen der Substratoberfläche wird das Einleiten von Wasserstoff beendet und statt dessen wird z.B. ein Wasserstoffverbindungsgas wie CH&sub4;, C&sub2;H&sub4;, C&sub2;H&sub2;, CH&sub3;OH oder C&sub2;H&sub5;OH eingeleitet. Das Wasserstoffverbindungsgas wird auf dieselbe Weise wie oben für den Wasserstoffreinigungsprozeß angeregt, und es scheidet einen Kohlenstoff-Dünnfilm aus Diamant oder aus i-Kohlenstoff ab. Gemäß den von uns ausgeführten Versuchen können Diamantfilme erzeugt werden, wenn die Substrattemperatur nicht niedriger als 450º C ist. Wenn das Abscheiden auf dieselbe Weise, jedoch ohne Magnetfeld ausgeführt wurde, wurden nur Graphitfilme gebildet.
- Von erfindungsgemäß abgeschiedenen, dünnen Kohlenstoffilmen wurden Elektronenstrahl-Beugungsbilder aufgenommen. Im Bild wurden Fleckmuster, die das Vorhandensein einer Diamantstruktur anzeigen, zusammen mit Halomustern beobachtet, die amorphen Strukturen eigentümlich sind. Das bedeutet, daß die Kohlenstoffilme aus i-Kohlenstoff bestanden. Es wurde bestätigt, daß Filme aus i-Kohlenstoff (diamantähnlicher Kohlenstoff) ausgebildet werden können, wenn das Substrat nicht beheizt wird. Der diamantähnliche Kohlenstoff ist ein amorpher Kohlenstoff, jedoch weist er eine hochabriebfeste Oberfläche und hohe thermische Leitfähigkeit auf. Wenn die Substrattemperatur erhöht wurde, verschwanden die Halomuster allmählich und es wurde bestätigt, daß bei nicht weniger als 650º C die Filme Diamantfilme waren.
- Das Ramanspektrum des Films wies bei etwa 1500 cm&supmin;¹ eine verschmierte Spitze und bei etwa 1333 cm&supmin;¹ eine scharfe Spitze auf, die das Vorhandensein von Diamant anzeigt.
- Während verschiedene Ausführungsbeispiele speziell beschrieben wurden, ist zu beachten, daß die Erfindung nicht auf die besonderen, beschriebenen Beispiele beschränkt ist, und daß Modifizierungen und Änderungen vorgenommen werden können, ohne daß von der Erfindung abgewichen wird, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert ist. Beispiele für solche Modifizierungen werden nachfolgend beschrieben.
- Verbessere Siliziumkarbidfilme und Aluminiumnitridfilme können erfindungsgemäß unter Verwendung von Methylsilan bzw. unter Verwendung einer gasförmigen Aluminiumverbindung und Ammoniak hergestellt werden. Ebenso können auf dieselbe Weise Wolfram, Titan, Molybdän oder ihre Silikate mit hohen Schmelzpunkten ausgebildet werden.
- Die Kristallinität der erfindungsgemäß hergestellten Filme konnte durch Hinzufügen von Wasser oder Sauerstoff zum Reaktionsgas erhöht werden. Obwohl die speziellen, beschriebenen Ausführungsbeispiele das Abscheiden betreffen, ist die Erfindung auf allgemeine Plasmaprozesse anwendbar, wie sie in einem Magnetfeld ausgeführt werden, wie auf Plasmaätzprozesse und plasmareinigungsprozesse.
- Wahlweise kann eine UV-Lichtquelle angebracht werden, um das Reaktionsgas in der Kammer zu bestrahlen, um zu gewährleisten, daß sich dieses Reaktionsgas nahe dem zu bearbeitenden Substrat in einem angeregten Zustand befindet. Auch kann eine Vor-Gleichspannung an das Reaktionsgas im Plasmazustand angelegt werden. Die Vorspannung kann mit Hilfe einer Spannungsversorgung 14 angelegt werden, die zwischen den Substrathalter 3 und ein Elektrodennetz 15 angeschlossen ist, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist.
- Die Vorspannung wird so an den Halter 3 angelegt, daß dieser im Fall von Si-Abscheidung die Kathode ist, wobei das Netz im Fall einer Kohlenstoffabscheidung oder eines Ätzvorgangs unter Verwendung von F oder B die Kathode ist. Wenn der Halter aus leitfähigem Material besteht, enthält die Vorspannung nur eine Gleichspannungskomponente. Wenn der Halter aus einem nichtleitenden Material besteht, enthält die Vorspannung eine Gleichspannungs- und eine überlagerte Wechselspannungskomponente.
Claims (5)
1. Anlage zur plasma-chemischen Dampfphasenreaktion, mit:
- einer Reaktionskammer (1);
- einem Gaszuführsystem (10, 11) zum Einleiten eines
Reaktionsgases in die Reaktionskammer;
- einer Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung (5) zum Erzeugen
eines Magnetfelds in der Reaktionskammer;
- einem Mikrowellengenerator (4) zum Einleiten von
Mikrowellenenergie in die Reaktionskammer;
- wobei die Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung (5) und der
Mikrowellengenerator (4) Bedingungen beim Betrieb der Anlage
zum Aufrechterhalten von Elektronzyklotronresonanz innerhalb
eines Reaktionsgasplasmas in der Reaktionskammer (1)
erzeugen; und
- einem Substrathalter (3) zum Halten eines Substrats (2) in
der Reaktionskammer an einer solchen Position, daß eine
Oberfläche desselben einem Teilchenmaterial aus dem
Reaktionsgasplasma ausgesetzt ist;
dadurch gekennzeichnet, daß:
- eine zweite Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung (6) vorhanden
ist, um Zentripetalkräfte zu erzeugen, wie sie erforderlich
sind, um das Plasma zusammenzudrücken; und
- der Substrathalter (3) und die erstgenannte und die zweite
Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung (5, 6) so angeordnet sind,
daß der Substrathalter (3) dort liegt, wo die Magnetfelder
der erstgenannten und der zweiten
Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung (5, 6) so wechselwirken, daß sie ein resultierendes
Magnetfeld mit einem Feldstärkegradienten erzeugen, der so
gerichtet ist, daß das Plasma zu dem zu behandelnden
Substrat hin konzentriert wird.
2. Anlage nach Anspruch 1, bei der die erstgenannte
Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung (5) Helmholtz-Spulen
aufweist, die die Reaktionskammer (1) umgeben.
3. Anlage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der die
zweite Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung mehrere
langgestreckte Permanentmagneten aufweist, die um den Umfang der
Reaktionskamlmer (1) herum angeordnet sind, wobei sich die
Magnetpole dieser Magneten entlang in Querrichtung
gegenüberliegenden Längskanten derselben erstrecken und so
angeordnet sind, daß ihre magnetischen Momente zwischen einem
Magneten und dem nächsten um den Umfang der Reaktionskammer
einander abwechseln, oder sie eine äquivalente
elektromagnetische Anordnung aufweist.
4. Anlage nach den Ansprüchen 2 und 3, bei der die
langgestreckten Permanentmagneten, oder die äquivalente
elektromagnetische Anordnung, sich innerhalb der Helmholtz-Spulen (5)
und wesentlich über ein axiales Ende derselben hinaus bis zu
einem Ort erstrecken, der wesentlich von dem einen axialen
Ende beabstandet ist und im wesentlichen dem Ort des
Substrathalters (3) entspricht.
5. Verfahren für plasma-chemische Dampfphasenreaktion,
mit:
- Anordnen eines Substrats in einer Reaktionskammer;
- Einleiten eines Reaktionsgases in die Reaktionskammer;
- Erzeugen eines Magnetfelds innerhalb der Reaktionskammer,
und Einleiten von Mikrowellenenergie in die Reaktionskammer,
die sich im wesentlichen parallel zum Magnetfeld ausbreitet,
um durch den Aufbau von Elektronzyklotronresonanz innerhalb
der Reaktionskammer ein Reaktionsgasplasma zu erzeugen; und
Ausführen einer Plasmaverarbeitung auf dem Substrat mit dem
Plasmagas;
dadurch gekennzeichnet, daß
- das Reaktionsplasma zusätzlich einem weiteren Magnetfeld
unterworfen wird, das zentripetalkräfte erzeugt, um das
Plasma zusammenzudrücken; und
- das Substrat innerhalb der Reaktionskammer an einer Stelle
angeordnet wird, in der die an das Plasma angelegten
Magnetfelder so wechselwirken, daß sie ein resultierendes
Magnetfeld mit einem Feldstärkegradienten erzeugen, der so
gerichtet ist, daß das Plasma auf das zu behandelnde Substrat hin
konzentriert wird.
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