DE68911390T2

DE68911390T2 - Plasmareaktor.

Info

Publication number: DE68911390T2
Application number: DE68911390T
Authority: DE
Inventors: Patrick Chollet; Philippe Leprince; Serge Saada
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 1988-05-09
Filing date: 1989-05-09
Publication date: 1994-07-07
Anticipated expiration: 2009-05-10
Also published as: JPH03504301A; FR2631199B1; EP0346168B1; WO1989011206A1; FR2631199A1; US5063330A; ES2049339T3; EP0346168A1; DE68911390D1

Description

Die Erfindung betrifft einen Plasmareaktor. Sie betrifft auch eine Verwendung hiervon zur Oberflächenbehandlung von Proben, insbesondere in der Mikroelektronik.
Bekannte Plasmareaktoren weisen ein zur Aufnahme einer gewünschten Gasströmung geeignetes evakuiertes Gehäuse, einen Mikrowellen-Erzeuger und eine Wellenleiter-Vorrichtung auf, welche die Mikrowellen in das Gehäuse führt (EP-A-0 046 945).
Um z.B. ein homogenes Plasma für eine bessere Oberflächenbehandlung von Proben zu schaffen, ist zumeist vorgesehen, im Gehäuse ein magnetisches Diffusionsfeld anzulegen.
Die Verwendung eines solchen magnetischen Diffusionsfeldes weist den Nachteil des Verbrauchs einer großen Energiemenge auf, die bisweilen größer ist als die zur Erzeugung des Plasmas aufgebrachte.
Daraus folgt eine Begrenzung der Reaktorausmaße und folglich eine Begrenzung des erhaltenen Plasmas, was eine Behandlung von Proben mit großen Abmessungen verhindert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dieses Problem einer Lösung zuzuführen.
Insbesonders strebt sie eine Verbesserung der Verwendungsmöglichkeiten des Plasmareaktors und Breite seiner Einsatzmöglichkeiten an.
Die Erfindung betrifft einen Plasmareaktor mit einem Gehäuse, einer Einrichtung zum Zuführen einer gewünschten Behandlungsgasströmung, einem Mikrowellen-Erzeuger und einer Wellenleiter-Vorrichtung, die die Mikrowellen mit nicht-resonanter Kopplung in das Gehäuse führt, so daß das Gehäuse keine Hochfrequenzenergie in Form elektromagnetischer Strahlung abstrahlt, die bei Vorhandensein der gewünschten Behandlungsgasströmung zur Plasmaerzeugung in das Gehäuse eingestrahlt wird.
Gemäß einem Hauptkennzeichen der Erfindung ist vorgesehen, daß sich der Ausgangsabschnitt der Wellenleiter-Vorrichtung fortlaufend in einer ersten Richtung verjüngt und sich in einer senkrecht zur ersten Richtung verlaufenden zweiten Richtung verbreitert, bis er einen flachen rechtwinkligen Querschnitt aufweist, der das Gehäuse völlig umschließt, wobei die nicht-resonante Kopplung mit dem Gehäuse erhalten bleibt.
Gemäß eines Erfindungsmerkmals ist eine Hochfrequenz-Kurzschlußvorrichtung in Form eines Kolbens vorgesehen, der im Inneren des Ausgangsabschnitts der Wellenleiter-Vorrichtung und der der Mikrowellenzuführung diametral gegenüberliegend angeordnet ist, wobei der Kolben derart eingestellt ist, daß er im Gehäuse ein gewünschtes elektrisches Hochfrequenzfeld bestimmt.
In bevorzugter Ausgestaltung ist im Rahmen einer industriellen Verwendung des Plasmareaktors erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Hochfrequenz-Kurzschlußvorrichtung fest ist.
Bevorzugt ist erfindungsgemäß im Rahmen einer experimentellen Verwendung des Plasmareaktors vorgesehen, daß die Hochfrequenz-Kurzschlußvorrichtung beweglich ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß das Gehäuse ein konzentrisch zum Gehäuse ausgerichtetes inneres, luftleeres Rohrelement aufweist, dessen Wandung aus einem Material besteht, das nur schwache dielektrische Verluste aufweist, z.B. Quarz.
Gemäß einem anderen erfindungsgemäßen Merkmal ist im Inneren des Gehäuses eine weitere Hochfrequenz-Kurzschlußvorrichtung angeordnet, die mit dem Rohrelement verbunden ist und eine erste und eine zweite ringförmige Platte aufweist, welche das Rohrelement umschließen, einen vorbestimmten Abstand zueinander aufweisen und im Hinblick auf das Einschließen des Plasmas in dem zwischen den ringförmigen Platten angeordneten Abschnitt des Rohrelementes verstellbar sind.
Im Rahmen einer industriellen Verwendung des Plasmareaktors ist die zusätzliche Hochfrequenz-Kurzschlußvorrichtung fest.
Im Rahmen einer experimentellen Verwendung des Plasmareaktors ist die zusätzliche Hochfrequenz-Kurzschlußvorrichtung erfindungsgemäß beweglich.
Gemäß eines weiteren erfindungsgemäßen Merkmals weist die Wellenleiter-Vorrichtung an ihrem sich einerseits verjüngenden und andererseits verbreitenden Ausgangsabschnitt Einstellvorrichtungen, wie eine Vielzahl von hineinragenden Verstellschrauben auf.
In einer Variante ist vorgesehen, daß die Wellenleiter-Vorrichtung in ihrem Mittelabschnitt Einstellvorrichtungen, wie eine Vielzahl von hineinragenden Verstellschrauben, aufweist.
Im Falle eines zur Oberflächenbehandlung einer Probe bestimmten Plasmareaktors liegt die Probe auf einem Probenträger auf, welcher im Inneren des Rohrelementes und dem Abschnitt des Rohrelementes zwischen den ringförmigen Platten der zusätzlichen Hochfrequenz-Kurzschlußvorrichtung plaziert.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Probenträger im Rohrelement und außerhalb des Abschnitt zwischen den ringförmigen Platten der zusätzlichen Hochfrequenz-Kurzschlußvorrichtung plaziert.
Um den Plasmareaktor zum Schneiden von Substraten und/oder zur Lackentfernung zu verwenden, weist der Plasmareaktor überdies eine Generatoreinrichtung zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes zwischen der Zuführeinrichtung für die Gasströmung und dem Probenträger auf, um die Probe zu polarisieren.
In bevorzugter Ausgestaltung weist der Plasmareaktor des weiteren eine Heizvorrichtung zum Erwärmen der Probe auf.
Gemäß eines weiteren Merkmals der Erfindung ist eine Probeneinführschleuse vorgesehen, um eine Probe auf dem Probenträger plazieren zu können.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, in der die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert ist. Dabei zeigt:
Figur 1 den erfindungsgemäßen Plasmareaktor schematisch im Querschnitt;
Figur 2 eine Draufsicht auf den Plasmareaktor aus Figur 1;
Figur 3 eine schematische Gesamtansicht der wesentlichen und grundlegenden Einrichtungen des erfindungsgemäßen Plasmareaktors; und
Figur 4 den mit einer Einrichtung zur Polarisation der Probe versehenen erfindungsgemäßen Plasmareaktor im Querschnitt.
Die beiliegenden Zeichnungen weisen zahlreiche Elemente bestimmten Charakters auf, die allein ihren Teil beitragen können. Sie sind folglich ein wesentlicher Bestandteil der Beschreibung, um diese zu erläutern und die Erfindung zu verdeutlichen.
Ein Plasmareaktor (Figur 1 und 2) weist ein metallisches Gehäuse 10, z.B. aus Kupfer, mit einem im wesentlichen zylinderförmigen Mantel auf.
Das Gehäuse 10 ist mit einem inneren, zylindrisch zum Gehäuse 10 ausgerichteten Zylinderrohr 12 versehen, dessen Wandung aus einem nur schwache dielektrische Verluste aufweisenden Material, z.B. Quartz, besteht.
Das Rohr 12 weist an jedem seiner Enden 14 und 16 eine kreisförmige Öffnung auf.
Das Unterteil des Gehäuses 10 weist eine konzentrisch zum Gehäuse 10 ausgerichtete kreisringförmige Öffnung 18 mit einem der Öffnung 16 des Rohrs 12 entsprechenden Durchmesser auf. Die kreisförmigen Öffnungen 16 und 18 sind derart übereinander angeordnet, daß das Rohr 12 mit der Außenseite des Gehäuses 10 verbunden ist.
Das Oberteil des Gehäuses 10 ist gleichermaßen mit einer zum Gehäuse 10 konzentrisch ausgerichteten kreisförmigen Öffnung 20 versehen, deren Durchmesser gleich derjenigen der Öffnung 14 des Rohr 12 ist. Die kreisförmige Öffnung 20 ist vollständig mittels einer kreisförmigen Metallabdeckung 22, z.B. aus Aluminium, abgedichtet. Die Abdeckung 22 weist zentral eine Durchbohrung als Durchführung für ein Rohr 24 auf, dessen Ende 26 im Rohr 12 mündet.
Im folgenden wird auf Figur 3 Bezug genommen. Eine gewählte Gasströmung zirkuliert im Rohr 24. Das Rohr 24 kann auf konventionelle Weise mit das Gas, z.B. Argon, Sauerstoff, Helium, etc., enthaltenden Flaschen 28 verbunden sein.
Mittels der Steuerungseinrichtungen 30, wie Durchflußmessern und Durchflußsteuerungen, können der Durchfluß der Gasströmung im Rohr 24 überwacht sowie eine gewählte Gasmischung erhalten werden.
Wie aus den Figuren 1 und 2 ersichtlich ist, weist der Plasmareaktor überdies einen Mikrowellen-Erzeuger 32 auf, der mit einer Frequenz in der Größenordnung von 2,45 GHz und einer Leistung von 1,2 KW betrieben werden kann.
Eine Wellenleiter-Vorrichtung 34 führt die Mikrowellen in das mit ihr nicht-resonant gekoppelte Gehäuse 10, so daß das Gehäuse 10 keine Hochfrequenzenergie in Form elektromagnetischer Strahlung abstrahlt, die bei Vorhandensein des Gases im Gehäuse 10 eingestrahlt wird. Der Anfangs- und Mittelabschnitt 36, 37 der Wellenleiter-Vorrichtung weisen einen rechtwinkligen Querschnitt auf. Die elektromagnetische Energie breitet sich in diesem Leiter in Längsrichtung des Leiters 34 (Pfeil a) aus, wobei das elekrische Feld E senkrecht zur Richtung a orientiert ist.
Im Anfangsabschnitt 36 der Wellenleiter-Vorrichtung 34 ist ein bidirektionaler Koppler 39 vorgesehen. Im Mittelabschnitt 37 weist die Wellenleiter-Vorrichtung eine Vielzahl von hineinragenden Verstellschrauben 40 (z.B. drei an der Zahl) auf, um die Impedanz des Reaktors für eine gute Ausbeute hinsichtlich der Hochfrequenz-Transmission in Richtung des Gehäuses 10 anpassen zu können.
Alternativ können die Schrauben 40 im Ausgangsabschnitt 38 der Wellenleiter-Vorrichtung, wie später beschrieben, angeordnet sein.
Gemäß eines Hauptmerkmals der Erfindung verjüngt sich der Ausgangsabschnitt 38 der Wellenleiter-Vorrichtung einerseits (vertikale Richtung) und verbreitert sich andererseits (horizontale Richtung), biser einen flachen rechtwinkligen Querschnitt aufweist, der das Gehäuse 10 völlig umschließt.
Das Gehäuse 10 ist in seinem Mittelabschnitt in zwei Teilgehäuse 11 und 13 unterteilt, die voneinander durch einen Zwischenraum ("gap" oder Spalt) eines rechtwinkligen Querschnitts getrennt sind, der gleich dem des Ausgangsabschnitts 38 der Wellenleiter-Vorrichtung ist, so daß durch diesen Ausgangsabschnitt 38 des Wellenleiter ein völliges Umschließen erfolgt. Auf diese Weise umgibt der Ausgangsabschnitt 38 des Wellenleiters völlig das Gehäuse 10 in Höhe der Trennung der beiden Teilgehäuse 11 und 13, so daß Mikrowellen zum Rohr 12 geführt werden.
Der rechtwinklige Querschnitt des Ausgangsabschnitts 38 des Wellenleiters ist größer als derjenige des die beiden Teilgehäuse 11 und 13 trennenden Zwischenraums. Es ergibt sich so die Bildung eines Zwischenraums ("gap" oder Spalt), welcher eine nicht-resonante Kopplung des Wellenleiters mit dem Gehäuse 10 ermöglicht.
Aufgrund der geometrischen Ausbildung des Ausgangsabschnitts des Wellenleiters, nämlich einerseits verjüngt und andererseits verbreitert, läßt sich die elektromagnetische Energie gleichförmig in jeden Abschnitt des Gehäuses 10 verteilen. Daraus ergibt sich eine weit größere Anregungzone als die durch klassische zylinderförmige oder rechtwinklige Wellenleiter vorgesehene. Andererseits ist der Ausgangsabschnitt 38 an seinem Ende geklemmt, um die Richtdämpfung der einfallenden elektromagnetischen Wellen zu vergrößern.
Theoretisch sollte ein derartiger Ausgangsabschnitt des Wellenleiters höhermodige Wellen im Gehäuse erzeugen, die geeignet sind, die über den Wellenleiter dem das Gehäuse zugeführte Hochfrequenzenergie abzustrahlen.
Nun haben die Antragsteller auf überraschende Weise festgestellt, daß ein derartiger Plasmareaktor mit einem Wellenleiter mit einem das Gehäuse völlig umschließenden flachen rechtwinkligen Querschnitt eine Absorbtionsstruktur bildet, in der die höhermodigen Wellen nicht erzeugt werden. An der diametral entgegengesetzten Seite bezüglich des Mikrowellenleiters 34 ist bevorzugt eine nicht-resonante Kopplung mit dem Gehäuse vorgesehen, wobei die Kopplung gleichermaßen völlig durch den Ausgangsabschnitt 38 der Wellenleiter-Vorrichtung umschlossen ist.
Bei der nicht-resonanten Kopplung handelt es sich um eine Kurzschlußvorrichtung 50 in Form eines Kolbens. Der Kolben 50 weist einen flachen rechtwinkligen Querschnitt auf, der gleich demjenigen des Ausgangsabschnitts 38 der Wellenleiter-Vorrichtung ausgebildet ist.
Die Kopplung ist nicht-resonant. Denn bei vorhandenem Plasma im Rohr 12 strahlt die Kopplung keine Hochfrequenzenergie, die zugeführt würde, in Form elektromagnetischer Strahlung ab.
Die Portion des Kolbens 15 ist zur Bestimmung eines gewünschten elektrischen Hochfrequenzfeldes im Gehäuse 10 eingestellt. Der Kurzschluß-Kolben 50 weist dieselben Merkmale hinsichtlich der elektromagnetischen Wellenabführung auf wie der Ausgangsabschnitt 38 des Wellenleiters, wodurch eine symmetrische Wellenausbreitung ermöglicht wird. Die Nachstellung der Position des Kolbens 15 ermöglicht eine Kopplung besser 90%. Der mit seinen Verstellschrauben 40 versehene, rechtwinklige Wellenleiter 34 ermöglicht, was ihn betrifft, eine verfeinerte Kopplung besser 95%.
Im Rahmen einer industriellen Verwendung ist der Kolben 50 fest, während er im Rahmen einer experimentellen Verwendung beweglich ist.
Im Inneren des Gehäuses 10 ist bevorzugt eine mit dem Rohr 12 gekoppelte zweite Hochfrequenz-Kurzschlußvorrichtung 52 vorgesehen. Diese zweite Kurzschlußvorrichtung 52 weist zwei ringförmige Platten 52 und 54 gleichen Typs wie der Kolben auf.
Das Plasma entsteht im Rohr 12 und kann mehr oder weniger dank der zwei ringförmigen Platten 53 und 54 eingeschlossen werden, deren Höhe einstellbar ist.
Die Kolben 53 und 54 weisen folglich einen vorbestimmten Abstand zueinander auf und sind einstellbar im Hinblick auf das Einschließen des Plasmas in dem zwischen den Kolben 53 und 54 angeordneten Abschnitt des Rohrs 12.
Im Rahmen einer industriellen Verwendung sind die Kolben 53 und 54 fest, während sie im Rahmen einer experimentellen Verwendung verstellbar sind.
Es wird erneut auf Figur 3 Bezug genommen.
Die kreisförmige Öffnung 18 des Unterteils des Gehäuse 10 ist mit der Außenseite durch Zwischenschaltung einer anderen zylindrischen Öffnung 60, die einen demjenigen der Öffnung 18 entsprechenden Durchmesser aufweist, verbunden und im Deckel einer Metallbüchse 61, z.B. aus Aluminium, verwirklicht, auf der das Gehäuse 10 ruht. Die Öffnungen 16, 18 und 60 sind derart übereinander angeordnet, daß das Rohr 12 mit dem Inneren der Büchse 61 verbunden ist.
Die Büchse 61 weist im wesentlichen eine rechtwinklige Form auf und ist an einer ihrer Seitenflächen mit einer Schleusenkammer 62 versehen, die mit einem Ventil 64, wie einem Schieber, gekoppelt ist, um die Proben in das Rohr 12, wo sich das Plasma bildet, einführen zu können.
Eine zur Plasmabehandlung bestimmte Probe 67 wird von der Außenseite der Büchse 61 zum Probenträger 66 mittels eines Transportrohrs 65 befördert. Der Probenträger 66 ist im Inneren der Büchse 61 und konzentrisch zum Rohr 12 angeordnet. Dieser Probenträger 66 ist horizontal verschiebbar, so daß er die Probe 67 heraus oder in das sich im Rohr 12 bildende Plasma hinein transportieren kann. Im Falle einer Oberflächenbehandlung von Proben, die spröde Materialien, z.B. Polymere enthalten, sollte die Probe bevorzugt aus dem Plasma heraus in die Nähe von diesem transportiert werden.
Das Rohr 12 und die Büchse 61 sind mittels einer ersten Pumpe 70 grob und mittels einer zweiten Pumpe weiter evakuiert. Bei der zweiten Pumpe 72 handelt es sich um sogenannte ROOTS-Pumpe mit einem Durchfluß in der Größenordnung von 250 m³ pro Stunde.
Ein Druckmesser 74 vervollständigt die Evakuiereinrichtung. Dieser Druckmesser 74 weist einen mit der Büchse 61 verbundenen Eingang und einen an eine Druckregelung 76 angeschlossenen Ausgang auf. Aufgrund des durch den Druckmesser 74 gemessenen Druckes betätigt die Druckregelung 76 einen Motor (nicht dargestellt), welcher einen mit der zweiten Pumpe 72 zur Durchflußregelung verbundenen Schieber 78 steuernd öffnet bzw. schließt.
Es wird nun auf Figur 4 Bezug genommen. Für besondere Oberflächenbehandlungen, insbesondere zur Ätzung einer Siliziumoxidschicht auf einem Mikroelektronikchip, steht fest, daß ein Mikrowellen-Plasma allein keine schnelle Ätzung des Siliziumoxids ermöglicht.
In diesem Falle weist der erfindungsgemäße Plasmareaktor überdies eine geeignete Generatoreinrichtung 80 zur Überlagerung eines elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes zwischen der Gasströmung-Zuführvorrichtung 24 und dem Probenträger 66 auf, um die Ätzgeschwindigkeit zu verbessern.
Die Generatoreinrichtung 80 liefert z.B. eine Wechselspannung mit einer Frequenz in der Größenordnung von 13 MHz. Diese Wechselspannung wird z.B. an den Probenträger 66 angelegt, während das Gehäuse 10 geerdet ist.
Die Antragssteller haben eine Ätzgeschwindigkeit in der Größenordnung von einigen 1/10 um (1000 A) pro Minute mit einer guten Ätzhomogenität erhalten. Dieses Ergebnis erklärt sich dadurch, daß die Plasma-Mikrowellen sehr reich an positiven Ionen sind. In der Tat bombardieren diese positiven Ionen die durch das vorhandene elektromagnetische Feld negativ polarisierte Probe 67, wobei das Feld durch Anlegen der Wechselspannung an den Probenträger 66 erzeugt wird.
Für Oberflächenbehandlungen von Proben, wie der Entfernung von Harzlack, haben die Antragsteller ein homogenes Entfernen des Harzes in einer Größenordnung von mehreren um pro Minute erreicht. Die verbesserten, die Homogenität des Entfernens betreffenden Resultate ergaben sich bei Plazierung des Substrates außerhalb des Plasmas. Bei dem zur Harzlackentfernung verwendeten Gas handelte es sich um reinen Sauerstoff oder eine Mischung mit Sauerstoff als Basis.
Bisweilen besteht Veranlassung, die Probe zu erwärmen. In diesem Fall weist der Plasmareaktor überdies eine geeignete Heizvorrichtung zum Erwärmen der Probe auf. Vorteilhaft ermöglicht das durch Anlegen einer Wechselspannung erzeugte elektromagnetische Feld die Erwärmung der Probe 67.
Der Einsatz des Plasmareaktors geschieht folgendermaßen:
- zuerst wird die Kopplung zwischen dem Kolben 50 und dem Wellenleiter 34 wie vorhergehend beschrieben eingestellt;
- dann wird die zusätzliche Kurzschlußvorrichtung 52 justiert, um das Plasma zwischen den beiden ringförmigen Platten 53 und 54 der Kurzschlußvorrichtung 52 mit dem Rohr 12 einzuschließen.
Die Untersuchungen werden dann mit variablen Fülldrücken des Reaktors zwischen 1 Pa und 10³ Pa(10 mTorr und 10&sup4; mTorr) für nachfolgende Gaskonfigurationen durchgeführt: reiner Sauerstoff, reines Argon, und eine Argon-Sauerstoff-Mischung, in der 66 Vol% an Argon enthalten sind. Die angelegte Mikrowellenleitung betrug 800 W. Die Einstellung der Kurzschlußvorrichtung 50 und der Schrauben 40 erfolgte, um ein minimales Reflexionsvermögen von ungefähr 10 Pa (10² mTorr) zu erzeugen.
Für reinen Sauerstoff war folglich zu beobachten, daß der Plasmareaktor von einer bemerkenswerten Stabilität mit einem Reflexionsvermögen/Gesamtleistung-Verhältnis, TOS für Stationärwellen-Verhältnis genannt, versehen war, welches zwischen 1 Pa und 10² Pa (10 mTorr und 1 mTorr) nie mehr als 2% betrug. Jenseits von 10² Pa (1 Torr) vergrößerte sich das TOS-Verhältnis sehr schnell bis zum Abtöten des Plasmas.
Bei reinem Argon bliebt TOS niedrig (unter 7%), aber dennoch weit höher als bei reinem Sauerstoff.
Bei einem Argon-Sauerstoff-Gemisch vergrößerte sich der Druckbetriebsumfang jenseits von 10² Pa (1 Torr) mit TOS in einer Größenordnung von einigen %. Man gewann mit einem Argon-Sauerstoff-Gemisch einerseits einen großen Funktionsbereich für Argon und andererseits ein Plasma, welches eine Produktion von reaktivem Sauerstoff bei hohem Druck zuließ.
Andere Untersuchungen wurden unter den folgenden experimentellen Bedingungen ausgeführt. Die angelegte Mikrowellenleistung wurde variabel zwischen 200 und 1.200 W gehalten.
Man konnte dann beobacht n, daß der Plasmareaktorbetrieb mit TOS unter 7% und mit fast vollkommenen Anpassungsbereichen konstant blieb. Andererseits ist unter Beachtung der vorhergehenden Ergebnisse die Stabilität des Reaktors bei reinem Sauerstoff besser als bei Argon oder einem Argon-Sauerstoff-Gemisch.
Diese Untersuchungen zeigen, daß der erfindungsgemäße Plasmareaktor den Vorteil einer großen Betriebsdynamik sowohl druck- als auch leistungsmäßig, mit schwachem, ja sogar sehr schwachem TOS aufweist. Ferner kann ein sehr stabiles Plasma mit Variationen bezüglich Druck und/oder nennenswerter Leistung erhalten werden. Die Herstellungsbedingungen des Plasmas sind einfach reproduzierbar. Andere Gase, wie Ethylen, Stickstoff und Siliziumchlorid können für die ganze Gasströmung verwendet werden, wobei die Betriebsmerkmale des Reaktors gleich bleiben.
Für die Antragssteller hat sich in gleicher Weise herausgestellt, daß die elektromagnetische Feldverteilung ein Maximum in der Nähe der Rohrwandung 12 und ein Minimum im Zentrum besagten Rohrs aufweist. Unter diesen Bedingungen scheint es, daß die erzeugten Hochfrequenzwellen im Gas insbesonders Oberflächenwellen darstellen. Das Plasma, welches folglich homogen im Bereich zwischen den ringförmigen Platten 53 und 54 der zusätzlichen Kurzschlußvorrichtung 52 enthalten ist, stellt also eine Aufnahme für stationäre Hochfrequenzwellen sehr hohe Intensität dar. Es hat sich gleichermaßen herausgestellt, daß die Anregungsfrequenz, das ist die Frequenz des Mikrowellen-Erzeugers, die Elektronendichte und das Volumen des Plasmas beeinflussen.
Es hat sich des weiteren herausgestellt, daß bei Verringerung der Anregungsfrequenz als Folge die Elektronendichte verringert wird, jedoch in derselben Zeit das Plasmavolumen vergrößert werden kann. Folglich ist es notwendig, für Anwendungen, welche z.B. ein Plasma mit sehr großem Volumen und sehr schwacher Elektronendichte benötigen, die Anregungsfrequenz zu verringern und umgekehrt.
Es wurden unterschiedliche Untersuchungen mit einem Plasmareaktor durchgeführt, dessen Ausmaße im folgenden genannt werden.
Das Gehäuse 10 wies einen Durchmesser von ungefähr 400mm und eine Höhe von 300mm auf.
Der Durchmesser des Rohrs 12 betrug ungefähr 195mm, die Höhe ungefähr 300mm.
Die Querschnittsausmaße der Mikrowellenleiter wiesen im mittleren Abschnitt 37 43 X 86mm auf.
Die Querschnittsausmaße der Kurzschlußvorrichtung 50 betrugen in etwa 400 X 10mm.
Die Querschnittsausmaße der Wellenleiter in ihrem Ausgangsabschnitt betrugen etwa 400 X 10mm.
Der erfindungsgemäße Plasmareaktor weist die folgenden Vorteile auf:
- keine Elektroden;
- kein magnetisches Diffusionsfeld mit großem Energieverbrauch;
- eine Elektronendichte hoher Qualität (eine Elektronendichte bei Argon in der Größenordnung von 10¹² bis 10¹³ pro cm³);
- eine große Betriebsdruckdynamik (einige 10&supmin;¹Pa bis einige 10²Pa; inige 10&supmin;³Torr bis einige Torr);
- Stabilität und Reproduzierbarkeit der Betriebsbedingungen;
- Plasma großen Querschnitts und großen Volumens;
- Einstellung des Plasmavolumens durch Eingrenzung des elektromagnetischen Feldes (Regelung der Kurzschlußvorrichtung 52);
- Einstellung des Plasmavolumens durch die Größe der auftretenden Leistung (Regelung der Leistung des Erzeugers 32);
- Homogenität der Verteilungsarten;
- sehr gute nicht-resonante Hochfrequenzenergie-Kopplung;
- Stabilität der nicht-resonanten Kopplung für unterschiedliche Gas-Gemische.

Claims

1. Plasmareaktor mit

einem Gehäuse (10),

einer Einrichtung (24) zum Zuführen einer gewünschten Behandlungsgasströmung in das Gehäuse,

einem Mikrowellen-Erzeuger (32) und einer Wellenleiter-Vorrichtung (34), die die Mikrowellen in das Gehäuse (10) führt,

wobei das Gehäuse und die Wellenleiter-Vorrichtung über eine nicht-resonante Kopplung miteinander gekoppelt sind, so daß das Gehäuse keine Hochfrequenzenergie in Form elektromagnetischer Strahlung abstrahlt, die bei Vorhandensein der gewünschten Behandlungsgasströmung zur Plasmaerzeugung in das Gehäuse eingestrahlt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsabschnitt (38) der Wellenleiter-Vorrichtung sich in einer ersten Richtung fortlaufend verjüngt und in einer senkrecht zur ersten Richtung verlaufenden zweiten Richtung verbreitert, bis er einen flachen rechtwinkligen Querschnitt aufweist, der das Gehäuse (10) völlig umschließt, wobei die nicht-resonante Kopplung mit dem Gehäuse erhalten bleibt.

2. Plasmareaktor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Kurzschlußvorrichtung in Form eines Kolbens, der im Inneren des Ausgangsabschnittes (38) der Wellenleiter-Vorrichtung und der der Mikrowellenzuführung diametral gegenüber liegend angeordnet ist, wobei der Kolben (50) derart eingestellt ist, daß er im Gehäuse ein gewünschtes elektrisches Hochfrequenzfeld bestimmt.

3. Plasmareaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschlußvorrichtung (50) fest ist.

4. Plasmareaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschlußvorrichtung (50) beweglich ist.

5. Plasmareaktor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (10) ein konzentrisch zum Gehäuse (10) ausgerichtetes inneres, luftleeres Rohrelement (12) aufweist, dessen Wandung aus einem Material besteht, das nur schwache dielektrische Verluste aufweist, z.B. Quarz.

6. Plasmareaktor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des Gehäuses (10) eine weitere Kurzschlußvorrichtung (52) angeordnet ist, die mit dem Rohrelement (12) verbunden ist und eine erste und eine zweite ringförmige Platte (53, 54) aufweist, die das Rohrelement (12) umschließen, einen vorbestimmten Abstand zueinander aufweisen und im Hinblick auf das Einschließen des Plasmas in dem zwischen den ringförmigen Platten (53, 54) angeordneten Abschnitt des Rohrelementes verstellbar sind.

7. Plasmareaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Kurzschlußvorrichtung (52) fest ist.

8. Plasmareaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschlußvorrichtung (52) beweglich ist.

9. Plasmareaktor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiter-Vorrichtung in ihrem Mittelabschnitt (37) Einstellvorrichtungen, wie eine Vielzahl von hineinragenden Verstellschrauben (40), aufweist.

10. Plasmareaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiter-Vorrichtung an ihrem sich einerseits verjüngenden und andererseits verbreiternden Ausgangsabschnitt Einstellvorrichtungen, wie eine Vielzahl von hineinragenden Verstellschrauben (40), aufweist.

11. Plasmareaktor zur Oberflächenbehandlung einer Probe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe (67) auf einem Probenträger (66) aufliegt, welcher im Inneren des Rohrelements (12) in dem Abschnitt zwischen den zwei ringförmigen Platten (53, 54) plaziert ist, in dem sich das Plasma bildet.

12. Plasmareaktor zur Oberflächenbehandlung einer Probe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe (67) auf einem Probenträger (66) aufliegt, der in dem Rohrelement (12) außerhalb des Abschnitts zwischen den zwei ringförmigen Platten (53, 54) plaziert ist, in dem sich das Plasma bildet.

13. Plasmareaktor nach Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch eine Generatoreinrichtung (80) zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes im Hochfrequenzbereich zwischen der Zuführeinrichtung für die Gasströmung (24) und dem Probenträger (66), um die Probe (67) zu polarisieren.

14. Plasmareaktor nach einem der Ansprüche 11 bis 13, gekennzeichnet durch eine Heizvorrichtung zum Erwärmen der Probe.

15. Plasmareaktor nach einem der Ansprüche von 11 bis 14, gekennzeichnet durch eine Probeneinführschleuse, um eine Probe (67) auf dem Probenträger (66) plazieren zu können.