DE69834020T2

DE69834020T2 - Kapazitiv gekoppelter rf plasmareaktor und verfahren zur herstellung von werkstücken

Info

Publication number: DE69834020T2
Application number: DE69834020T
Authority: DE
Inventors: Jerôme PERRIN; Mustapha Elyaakoubi; Jacques Schmitt
Original assignee: Unaxis Balzers AG
Current assignee: OC Oerlikon Balzers AG
Priority date: 1997-01-17
Filing date: 1998-01-13
Publication date: 2006-09-14
Anticipated expiration: 2018-01-14
Also published as: ES2262218T3; US5981899A; EP0953204A1; JP4773591B2; KR100523766B1; TW423045B; KR20000070265A; US6281469B1; JP2001508923A; EP0953204B1; DE69834020D1; WO1998032154A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen kapazitiv gekoppelten RF-Plasmareaktor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ferner ein Verfahren zur Herstellung von Werkstücken gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 18.
Gewöhnliche kapazitiv gekoppelte RF-Plasmareaktoren umfassen eine erste und zweite gegenseitig platzierte Elektrode, welche das Plasmareaktionsvolumen zusammen begrenzen. Neben den beiden Elektroden agieren deren leitende Elektrodenoberflächen ohne weitere elektrisch leitende Teile als dritte Elektrode mit einem extern angelegten elektrischen Potential in das Plasmareaktionsvolumen. Daher werden typische kapazitiv gekoppelte RF-Plasmareaktoren als „diodenartige" Reaktoren bezeichnet. Die Begrenzung des Plasmareaktionsvolumens zwischen den zwei Elektroden, welche mit einem elektrischen RF-Potential gegenseitig betrieben werden, wird normalerweise durch das Vorhandensein eines Abstandes an den Grenzen der beiden Elektroden erreicht, welches einer elektrischen Isolierung im Sinne von Gleichstrom ausreicht, aber welches das Ausbreiten der Plasmaentladung außerhalb des Raumes, welches durch die zwei Elektroden begrenzt wird, verhindert. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, in dem der Abstand der beiden Elektroden an deren Peripherie kleiner als der Abstand des Dunkelraumabstands der entsprechenden Betriebszustände ist.
Solche kapazitiv gekoppelten RF-Plasmareaktoren wurden seit vielen Jahren im Bereich der Plasmabearbeitung verwendet, speziell für die Behandlung flacher Substrate, solche wie Silizium-Wafer.
Die am meisten verbreiteten Anwendungen solcher Reaktoren sind plasmagestützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) und Plasmatrockenätzen. Plasmatrockenätzen kann unterteilt werden in reaktives Ionenätzen (RIE), in welchem ein Ionenbeschuss verwendet wird, um ein anisotropes Ätzen voranzutreiben, oder in Plasmaätzen (PE), in welchem ein Ionenbeschuss vermieden werden soll.
Plasmareinigung, Entfernung von einer Polymerschutzschicht (Veraschung) oder plasmainduzierte Oberflächenaktivierung von Werkstücken können ebenso in einem kapazitiv gekoppelten RF-Plasmareaktor durchgeführt werden. Die meisten solcher Reaktoren sind mit planaren Elektroden ausgelegt.
In diesen Anwendungen wird das Plasma durch eine antreibende RF-Spannung erzeugt, am häufigsten für industrielle Anwendungen bei einer Frequenz von 13,56 MHz.
Ein RF-getriebenes Plasma entwickelt eine große Selbstvorspannung zwischen dem Plasma und der das Plasmareaktionsvolumen umgebenden Wandung, dass, wie angegeben, die Oberflächen der Elektroden sind. Dies geschieht aufgrund des gleichrichtenden Effekts der RF-Spannung über die Plasmahülle durch die entsprechende Plasmahülle des Dunkelraumes, welches angrenzend an jeder Oberfläche der Elektroden in Richtung der Plasmaentladung oder des Reaktionsvolumens liegt. Als Folge wird in einem klassischen kapazitiv gekoppelten RF-Reaktor der Ionenbeschuss eines Werkstückes oder Substrates durch das Verhältnis zwischen den zwei Bereichen der Elektrodenoberflächen, welche in Kontakt mit der Plasmaentladung sind, geregelt. Die meisten Plasmaselbstvorspannungen, die den Ionenbeschuss erhöhen, treten angrenzend zur Elektrodenoberfläche des kleineren Elektrodenbereichs auf, und die Potentialdifferenz über der Hülle oder dem Dunkelraum, angrenzend zu der Fläche der größeren Elektrode, ist dementsprechend kleiner. Dieser Effekt wird in geeigneter Weise von Plasmaprozessentwicklern ausgenutzt, um den Ionenbeschuss auf das Substrat zu konfektionieren. Beispielsweise wird beim RIE das Werkstück oder Substrat angrenzend oder auf dem kleineren Bereich der Elektrode an das Plasma angekoppelt, woraus ein größerer Ionenbeschuss resultiert. Umgekehrt wird beim PE das Werkstück angrenzend oder auf dem größeren Bereich der Elektrode platziert, wodurch der Ionenbeschuss kleiner wird.
Heutzutage gibt es einen Bedarf für die Plasmabearbeitung großflächiger Werkstücke, wie z.B. Glasplatten mit großer Oberfläche. Beispielsweise wird heute in der Flachbildschirmindustrie entsprechend die Herstellung solcher Platten von ca. 1 m² durchgeführt. Die Verfahren der Bearbeitung, die ausgeführt werden sollen, um pixelbezogene elektronische Schaltkreise auf solchen Glasplatten zu produzieren, sind von derselben Natur wie die Bearbeitungsprozesse, welche in der Mikroelektronik verwendet werden, die aber bei signifikant größeren Oberflächen der Werkstücke ausgeführt werden müssen.
Muss ein großflächiges Substrat mit einem kapazitiv gekoppelten RF-Plasmareaktor bearbeitet werden und unter Bearbeitungsbedingungen, die ähnlich zu denen sind, bei denen Silizium-Wafer behandelt werden, muss die Plasmaspalte (der Abstand zwischen den zwei Elektroden, beispielsweise bei einem planaren kapazitiven Reaktor) auf einen vorbestimmten Wert gehalten werden, um die Anzahl der Kollisionen der angeregten Spezies wie gewünscht zu erhalten. Daher liegt der typische Wert für eine Plasmaspalte zwischen 1 und 10 cm (einschließlich beider Grenz.
Bei Werkstücken mit großer Oberfläche und solchen Plasmaspalten, nehmen die Elektroden des Reaktors ein stark erweitertes Längenverhältnis an und das Verhältnis der Elektrodenoberflächenbereiche geht gegen 1. Dies impliziert, dass bei einem kapazitiv gekoppelten RF-Plasmareaktor für Werkstücke mit großer Oberfläche, es nahezu keine Kontrolle des Ionenbeschusses gibt. Der Ionenbeschuss erscheint an beiden Elektrodenoberflächen im Wesentlichen gleich. Solch eine Situation begrenzt sehr stark die Bearbeitung groß dimensionierter Werkstücke und speziell groß dimensionierte Substrate durch die bekannte kapazitiv gekoppelte RF-Plasmabearbeitung, wie Sie für die Mikroelektronikindustrie entwickelt wurde.
Aus den Patent Abstracts of Japan Vol. 096, Nummer 007, 31. Juli, 1996 und JP 08078187 A ist es bekannt, eine Vielzahl von Hochfrequenzelektroden bereitzustellen, um über einen weiten Bereich ein gleichmäßiges Plasma für ein Material zu erzeugen, das plasmabehandelt wird, und dazu eine hohe Frequenz durch eine Hochfrequenzleistungsquelle anzulegen.
Aus der US 5 609 690 und Patent Abstracts of Japan Vol. 095, Nummer 011, 26. Dezember 1995 und JP 07226395 ist ein kapazitiv gekoppelter RF-Plasmareaktor bekannt, welcher eine Reaktorkammer hat. Ein Paar von lang gestreckten Elektroden sind gegenseitig und mit gleich bleibendem Abstand innerhalb der Vakuumkammer und bestimmen den Plasmaentladungsraum innerhalb der Kammer. Eine der Elektrodenanordnungen ist in elektrisch gegenseitig isolierte Subelektroden unterteilt, wobei die zweite Elektrodenanordnung eine Substratträgerelektrode ist. Gruppen von gegenseitig isolierten Subelektroden sind zu gemeinsamen elektrischen Eingängen und einer RF-Generatoranordnung, welche die Gruppe elektrisch versorgt, verbunden. Dadurch wird die RF-Generatoranordnung durch einen RF-Generator für jede der Gruppen und einem galvanisch getrennten Kondensator geschaffen.
Gas wird seitlich in die Kammer eingelassen.
Ausgehend von einem kapazitiv gekoppelten RF-Plasmareaktor, so wie oben beschrieben, besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die Steuerbarkeit und Kosteneffizienz der Ionenbeschusssteuerung auf ein Werkstück, welches durch einen solchen Plasmareaktor behandelt wird, zu erhöhen. Dies wird erreicht durch Schaffen eines kapazitiv gekoppelten RF-Plasmareaktors, wie er im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 dargelegt ist, und durch die Ausführung eines Verfahrens zur Herstellung von Werkstücken gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 19.
Ferner ist die EP 0 099 174 zu beachten. Aus diesem Dokument ist es bekannt, im Innern einer Vakuumkammer eine Vielzahl von lang gestreckten Elektroden vorzusehen. Dabei ist ein Teil der lang gestreckten Elektroden durch Substrate gebildet, welche in der Kammer behandelt werden sollen. Eine Vielzahl von Plasmaentladungen wird zwischen den entsprechenden Elektroden und den Substraten erzeugt. Um mit einem Plasma Löcher in den Substraten zu bearbeiten, wobei die Substrate Tafeln mit aufgedruckten Schaltkreisen sind, fließt Gas durch die Elektroden einschließlich der Tafeln mit den Löchern. Dieses Gas wird peripher in die Vakuumkammer eingelassen, so dass Maßnahmen getroffen werden, um eine gleichmäßige Verteilung des Gasflusses durch alle Elektroden und den entsprechenden Plas maentladungsräumen zu schaffen. Eine dieser Maßnahmen ist die Unterteilung der Elektroden in rahmenartige Subelektroden, wobei alle mit Gasdurchflussbohrungen versehen sind, und die Kompensierung der auftretenden ungleichmäßigen Gasströmungsverteilung entlang der Kammer, und durch die Vielzahl der Plasmaentladungsräume, durch Versorgung der Subelektroden von einem RF-Versorgungsgenerator über unterschiedliche Dämpfungsglieder.
Die vorliegende Erfindung erlaubt die Behandlung von großen Werkstückoberflächen mit einer genauen Steuerung des Ionenbeschusses auf den entsprechenden Elektrodenoberflächen und deshalb an dem angrenzenden Werkstück bis zu einem gewünschten niedrigen oder bis zu einem gewünschten hohen Niveau.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Subelektroden der einen Gruppe und die Subelektroden der zweiten Gruppe abwechselnd periodisch angeordnet, also beispielsweise eine nach der anderen, bezüglich zumindest entlang einer Richtung entlang der unterteilten Elektrodenanordnung. In der bevorzugten Art der Realisierung, in welcher Subelektroden, von denen zumindest zwei Subelektrodengruppen entsprechend mit unterschiedlichen elektrischen Eingängen verbunden sind, speziell RF-Eingängen, abwechselnd periodisch sind, sollte der Abstand von einer Subelektrode, welche mit einem RF-Eingang verbunden ist, zu der nächsten solchen Subelektrode, die zum selben RF-Eingang verbunden ist und daher eine lokale Periodizität des Subelektrodenmusters aufweist, unter Berücksichtigung ihrer elektrischen Versorgung, in der Größe oder kleiner als das Ausmaß der Plasmaspalte zwischen den zwei gegenseitig zugewandten Elektrodenanordnungen sein. Dies stellt sicher, dass die Werkstückoberfläche, die bearbeitet werden soll, Gegenstand eines „gemittelten" Effekts der Plasmaentladung ist.
In einer vereinfachten Betrachtung kann gesagt werden, dass die mit dem erfindungsgemäßen Reaktor zu bearbeitende Werkstückoberfläche, einer Vielzahl von unterschiedlichen Sub-RF-Plasmaentladungen ausgesetzt ist, welche in lokaler Parallelität erzeugt sind und unter wählbaren und daher gegenseitig unterschiedlichen RF-Signalamplituden und/oder Phasen und/oder Frequenzen und/oder Spannungs formen betrieben werden, und welche gleichwohl in dem Plasmareaktionsvolumen interagieren, das den „gemittelten" Effekt resultiert, womit unter einem Aspekt der Erfindung die RF-Versorgung von einem RF-Generator erzeugt wird.
Die vorliegende Erfindung soll nun durch Beispiele und mit Bezug zu den beigefügten Zeichnungen erklärt werden. Diese zeigen:
1: Schematisch einen kapazitiv gekoppelten RF-Plasmareaktor aus dem Stand der Technik,
2 bis 5: vier verschiedene Möglichkeiten der RF-Versorgung des Reaktors gemäß 1 und das Anordnen eines Werkstückes unter Berücksichtigung von größerer oder kleinerer Elektrode, abhängig vom gewünschten Ionenbeschuss auf der Oberfläche des Werkstückes, das bearbeitet werden soll,
6: die Abhängigkeit des Prozentsatzes der RF-Spannung über der Plasmahülle an einer Elektrode von der Substratgröße und abhängig davon, ob das Substrat oder das Werkstück auf dem kleineren oder dem größeren Bereich der das Plasmareaktionsvolumen begrenzenden Elektrode abgelegt ist, bei einem Reaktor nach dem Stand der Technik, wie in den 1 bis 5 gezeigt,
7: in einer schematischen Darstellung die gewöhnliche Elektrodenanordnung des Reaktors gemäß der vorliegenden Erfindung,
8: die schematische Darstellung der gewöhnlichen Elektrodenanordnung des Reaktors zur Erklärung der verschiedenen Möglichkeiten zur elektrischen Versorgung der unterschiedlichen Elektrodenanordnungen,
9: ausgehend vom Ansatz wie in den 7 oder 8 gezeigt, schematisch die Elektrodenanordnung des Reaktors gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer bevorzugten Form der Subelektroden,
10: eine vergrößerte Ansicht des Reaktors gemäß 9,
11: als eine Funktion der Phasenverschiebung zwischen den an den Subelektrodengruppen angelegten RF-Spannungen des erfindungsgemäßen Reaktors und als eine Funktion der Subelektrodenform der resultierende berechnete Prozentsatz der RF-Spannung an der Plasmahülle der Substrat tragenden Elektrodenanordnung,
12: der Prozentsatz der RF-Spannung über der Plasmahülle an der Substrat tragenden Elektrode und als eine Funktion des Amplitudenverhältnisses der RF-Spannung, welche an den zwei Gruppen der Subelektroden des Reaktors gemäß der Erfindung angelegt ist,
13: in einer schematischen Darstellung ein bevorzugter Aufbau des Reaktors gemäß der vorliegenden Erfindung,
14: schematisch die Unteransicht auf die Elektrodenanordnung, unterteilt in balkenartige Subelektroden des Reaktors gemäß der vorliegenden Erfindung,
15: in einer Darstellung gemäß 13, das Subelektrodenmuster mit zweidimensional angeordneten Subelektrodenquadraten,
16: in einer Darstellung gemäß 14 oder 15 eine Einrichtung aus dreieckigen Subelektroden,
17: in einer Darstellung gemäß einer der 14 bis 16 die Einrichtung von Gruppen von Bienenwaben gemusterten Subelektroden,
18: ausgehend von einem Subelektrodenmuster gemäß 15, die Draufsicht (a) und Schnittzeichnung (b) der Subelektroden mit oberflächenvergrößernden konvexen Dachformen,
19: in einer Schnittzeichnungsdarstellung die Formen von einer weiteren Subelektroden-Ausführungsform mit bogenförmiger Oberfläche,
20: eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Reaktors gemäß der vorliegenden Erfindung und 13 mit zusätzlichen bevorzugten Merkmalen,
21: schematisch eine erste bevorzugte Realisierungsart des Reaktors gemäß der vorliegenden Erfindung,
22: schematisch eine zweite bevorzugte Art des Reaktors gemäß der vorliegenden Erfindung,
23: in einer schematischen Unteransicht ein weiterer Aufbau der Subelektroden in einem konzentrischen kreisförmigen Muster,
24: in einer schematischen Darstellung gemäß 9 eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Elektrodenstruktur, welche in dem erfindungsgemäßen Plasmareaktor verwendet wird, die eine Randelektrodenanordnung hat,
25 bis 27: drei verschiedene Verteilungen des Bearbeitungseffektes auf einem 400 mm × 400 mm Substrat und in Abhängigkeit von der angelegten Gleichstromvorspannung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung mit Bezug auf die Figuren
Bevor das Verhalten des Reaktors gemäß der vorliegenden Erfindung erklärt wird, werden die Aufzeichnungen und eine Methode durch Neuberechnung des elektrischen Gleichgewichtes eines klassischen kapazitiv gekoppelten RF-Reaktors, wie schematisch in 1 gezeigt, vorgestellt. Ein solcher Reaktor umfasst, wie bereits erwähnt, zwei Elektrodenanordnungen, 1, 2 mit entsprechenden Elektrodenoberflächen A₁, A₂, welche beide kapazitiv an das Plasma 3 innerhalb des Plasmareaktionsvolumens über die entsprechende Schicht gekoppelt sind. Die RF-Antriebsspannung wird zwischen den entsprechenden Elektrodenpotentialen V₁ und V₂ erzeugt, worin gewöhnlicherweise eine dieser Potentiale, es sei dies V₂, als Referenzpotential, normalerweise Erdpotential, ist. Das Plasmapotential V_P ist einzigartig, denn ein Plasma ist ein Leiter und kann als leitend, wie ein Metall, für die Antriebsfrequenzen betrachtet werden, welche gut unterhalb der Plasmafrequenz sind. Die kapazitive RF-Kopplung zwischen einer Elektrode und dem Plasma hängt von der Schichtdicke ab. Die Schicht kann dabei als ein Vakuumkondensator betrachtet werden, deren Dicke mit der RF-Spannung oder dem Spannungsabfall über der Schicht variiert. Der am häufigsten allgemein angenommene Ansatz besteht in der Beschreibung der Schichtdicke als ein Kraftgesetz der lokalen Spannung, dass eine Potentialdifferenz ist: e1 = e2|V1 – Vp|α, e2 = eo|V2 – Vp|α, (1)worin e₁ und e₂ die entsprechenden äquivalenten Schichtdicken sind und α ein Koeffizient ist, abhängig vom Bereich des Plasmazustandes und dem verwendeten Typ von Plasmachemie.
Die Beziehung zwischen V₁, V₂ und V_p wird einfach abgeleitet, indem die zwei Schichten so betrachtet werden, als agieren sie als kapazitive Teiler: (V1 – Vp)/(Vp – V2) = (A2/e2)/(A1/e1), (2) da |V1 – Vp|/|Vp – V2| = (A2/A1)n mit n = 1/(1 – α). (3)
Hier wird das gut bekannte Kraftgesetz, welches zuerst von Koenig et al. (H. H. Koenig und L. I. Maissel, IBM J. Res. Dev. 14, 168 (1970)) abgeleitet wurde, entdeckt. In dieser ersten Ableitung wurde n als ungefähr 4 geschätzt (da α = 0,75). Tatsächlich korrespondieren die meisten elektronischen Prozesszustände mehr zu n = 1,5 bis 2, (α = 0,3 bis 0,5). In jedem Fall ist das Nettoergebnis, dass meistens die RF-Spannung vor der Oberfläche der kleineren Elektrode gefunden wird. Das Resultat dieser Berechnung ist in 6 gezeigt, worin die RF-Schichtspannung als Prozentsatz der totalen RF-Spannung über dem Plasma ausgedrückt ist. Die Berechnung ist für ein quadratisches Substrat mit einigen vernünftigen Annahmen zur Plasmaspalte (3cm) und dem Kantenabstand (4,5 cm). Es scheint, dass wenn die Substratgröße 40 cm überschreitet, es mit einem klassischen Reaktor unmöglich ist an einer Elektrode mehr als 60% der RF-Spannung zu entwickeln. Es ist ebenso unmöglich zu vermeiden, dass die RF-Spannung an der größeren Elektrode weniger als 40% der totalen Spannung ist.
Ist die über der RF-Schicht entwickelte Gleichstromspannung nahezu gleich zur Amplitude der lokalen RF-Spannung, ist es bei größeren Substraten schwierig, einen freiwilligen hochenergetischen Ionenbeschuss, wenn gewünscht, aufzuerlegen und es ist ebenso schwer irgendeinen Ionenbeschuss zu vermeiden, wenn ein solcher Beschuss nicht gewünscht ist. Daher ist es schwierig, RIE in kapazitiv gekoppelte RF-Reaktoren für große Substrate zu implementieren, weil vor dem Substrat nur die Hälfte des Potentials der Selbstvorspannung gegenwärtig ist. Die Entdeckung dieses Faktors impliziert eine Erhöhung der RF-Spannung nahezu um 2, daher wird die RF-Leistung um einen Faktor in der Größe von 3 bis 4 erhöht. Andererseits ist die Vermeidung des Ionenbeschusses notwendig bei Prozessen, welche wahrscheinlich sind, eine plasmainduzierte Zerstörung zu verursachen. Da dies nicht durch eine Reduzierung des Elektrodenoberflächenverhältnisses erreicht werden kann, muss es verringert werden durch die Reduzierung der RF-Amplitude auf Kosten einer längeren Verfahrenszeit.
In den 2 bis 5 sind verschiedene Anwendungen der RF-Steuerspannung an den zwei Elektroden des kapazitiv gekoppelten RF-Reaktors gezeigt, dabei ist das Werkstück entweder auf der größeren Elektrode für einen reduzierten Ionenbeschusses (2 und 3) oder auf der kleineren Elektrode (4 und 5) zur Ausschöpfung des Ionenbeschusses abgelegt.
Unter Zuhilfenahme der 7 soll nun ein Prinzip gemäß der vorliegenden Erfindung erklärt werden. Noch einmal, das Plasmareaktionsvolumen 3 des Reaktors wird durch zwei Elektrodenanordnungen 10 und 20 prinzipiell, gemäß dem Reaktor wie in 1 gezeigt, begrenzt. Demgegenüber ist zumindest eine der zwei Elektrodenanordnungen, bezüglich einer von denen aus 7, in Subelektroden 12 unterteilt. Die Unterteilung der Elektrodenanordnung 10 in elektrisch und gegenseitig isolierten Subelektroden 12 kann einfach in einer Richtung x entlang der Elektrodenanordnung 10 realisiert werden, so dass die Subelektroden 12 von einer balkenartigen Form sind oder in zwei Richtungen x und y realisiert werden, so dass die Subelektroden 12 ein zweidimensionales Muster bilden.
Dadurch wird es möglich, die Subelektroden 12 zu gruppieren, wie sie durch die Gruppen A, B, C in 7 gezeigt sind, und an jeder dieser Gruppen unterschiedliche elektrische Potentiale anzulegen, insbesondere Potentiale, die sich allgemein in Amplitude und/oder Phase und/oder Frequenz und/oder Form unterscheiden, dabei insbesondere solche RF-Potentiale. Solche unterschiedliche und vorzugsweise gegenseitig anpassbare Antriebssignale sind in 7 durch V₁₁ bis V₁₃ gezeigt.
Einige generelle Betrachtungen zu diesem Konzept:

– Falls beide Elektrodenanordnungen 10 und 20 beispielsweise auf RF-Potential betrieben werden und keine mit einem Referenzpotential, wie beispielsweise einem Erdpotential verbunden ist, ist es absolut möglich, beide Elektrodenanordnungen 10 und 20 in Subelektroden zu unterteilen und die Subelektroden der zweiten Elektrodenanordnung mit entsprechenden anderen Potentialen (nicht gezeigt) zu betreiben.
– In einer besonders bevorzugten Ausführungsform von einer der Elektrodenanordnungen wie Anordnung 20, welche von einem Referenzpotential betrieben wird, ist das Werkstück angrenzend an die unstrukturierte und mit einem Referenzpotential betriebene Elektrodenanordnung abgelegt, d.h. angrenzend zu oder auf der Elektrodenanordnung 20 der 7.
– Obwohl es absolut möglich ist, in einer besonders bevorzugten Ausführungsform wie in der Vorgeschlagenen vorliegend, alle möglichen gewünschten Effekte der neuen Reaktorstruktur auszuschöpfen, um die verschiedenen Steuerspannungen bei verschiedenen Frequenzen auszuwählen, unterscheiden sich die angelegten Spannungen in der Amplitude und/oder der gegenseitigen Phase.
– Wie in 7 gezeigt, erfolgt eine bevorzugte periodische Realisierung der Subelektroden 12 dadurch, dass die Subelektroden zu den Gruppen A, B, C periodisch abwechselnd angeordnet angehören, in Bezug zur Richtung x. Obgleich dies eine besonders bevorzugte Ausführungsform ist, ist es klar, dass diese Periodizität, wenn gewünscht, entfallen oder lokal unterbrochen sein kann.
– In 7 ist die Gruppierung der Subelektroden in drei entsprechende RF-betriebene Gruppen gezeigt. Wenn gewünscht können weitere solche Gruppen realisiert werden, aber in der heutigen bevorzugten Art sind die Subelektroden in zwei unterschiedliche und weiter bevorzugte anpassbare RF-getriebene Gruppen gruppiert.

Bei der folgenden Beschreibung wird Bezug auf den Fall gemäß 7 genommen, in welchem die Subelektroden 12 periodisch in zwei Gruppen gruppiert sind, die als A und B bezeichnet werden.
Dabei sollte die Periodizität, welche der Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Subelektroden ist, welche zur selben Gruppe gehören, in der Größe oder kleiner als das Ausmaß der Plasmaspalte bezüglich des Abstands PG der 7 sein. Dadurch ergibt sich die Tatsache, dass das Werkstück einem „gemittelten" Effekt von den einzelnen „Plasmareihen" unterworfen wird, betrieben zwischen den entsprechenden Subelektroden und der Elektrodenanordnung 20 der 7.
Die allgemeinste Formulierung für das elektrische Signal V₁₁, V₁₂ etc. und V₂₀, die an den entsprechenden Subelektrodengruppen vorherrschen und, im Falle einer ungeteilten einfach vorhandenen Gegenelektrode, zu dieser Gegenelektrode 20 bezüglich 7, kann wie folgt geschrieben werden: V11 – S1(t) V12 – S2(t) V20 = S20(t).
Dabei bezeichnen S₁, S₂ und S₂₀ spektrale Darstellungen des Signals, wobei Spektren in der Zeit variieren können. Es muss darauf hingewiesen werden, dass eine der am wichtigsten spektralen Amplituden, die bei der Frequenz null vorherrscht ist, daher ist das Gleichstromvorspannungspotential an den entsprechenden Elektrodenanordnungen vertreten. Wie schematisch in 8 durch die entsprechenden anpassenden Einheiten MB₁, MB₂ und MB₂₀ und möglichen modulierten Signalgeneratoren G₁₁, G₁₂ und G₂₀ gezeigt, welche ein Ausgangssignal mit dem gewünschten Spektrum und in der Zeit variieren, wenn gewünscht, erzeugen, kann die Elektrodenanordnung betrieben werden, um einen großen Bereich von verschiedenen Effekten bezüglich der Erzeugung eines Plasmas zu erreichen. Dabei dürfen solche Elektrodenanordnungen direkt mit dem Referenzpotential verbunden werden, entweder dass zusätzlich einer der drei Generatoren entfallen kann und eine entsprechende Elektrodenanordnung über eine entsprechende anpassende Einheit zum Re ferenzpotential verbunden ist oder durch weitere Auslassung einer dieser anpassenden Einheiten.
Ferner, und gemäß der vorliegenden Erfindung, sind zwei oder drei der gezeigten Generatoren so realisiert wie ein einziger Generator, der über verschiedene anpassende Einheiten an den entsprechenden Elektrodenanordnungen verbunden ist.
Die anpassenden Einheiten, welche entweder passive Impedanznetzwerke oder möglicherweise aktive Quellen beinhalten, tragen wesentlich zur Ausbildung der Gleichstromvorspannung an den entsprechenden Elektrodenanordnungen bei, d.h. die spektrale Amplitude bei der Frequenz null.
Ausgehend vom Beispiel aus 7, ist in 9 schematisch ein bevorzugter Aufbau einer heutigen Anwendung des Reaktors gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Dieser bevorzugte Aufbau soll die Basis für die folgende Analyse sein. Dabei ist die Elektrodenanordnung 10 in zwei parallele Subelektrodenbalken 12 unterteilt, gruppiert in zwei Gruppen A und B, entsprechend betrieben durch die RF-Spannungen V₁₁ und V₁₂ bezüglich des Erdpotentials angelegt an der Elektrodenanordnung 20. Die Gruppierung der Subelektroden 12 erfolgt periodisch, wie deutlich aus der 9 gesehen werden kann. Die zu den entsprechenden Gruppen gehörenden Subelektroden 12 sind untereinander zu dem entsprechenden Eingang über den Versorgungsbus 7_A und 7_B verbunden.
Die Subelektroden der Gruppe A begrenzen die plasmagekoppelte Oberfläche A_A, wohingegen die Subelektroden der Gruppe B die der Oberfläche A_B begrenzen. Die Elektrodenanordnung 20 ist über die Oberfläche A₂₀ mit dem Plasmareaktionsvolumen gekoppelt. Beide Subelektrodengruppen sind kapazitiv an das Plasma über die entsprechende Schicht gekoppelt.
Es wird angenommen: V11 = V0exp(iΦ), V12 = V0exp(–iΦ) (4) für die RF-Antriebsspannung der zwei Subelektrodengruppen, d.h. die zwei Spannungen haben dieselbe Amplitude, aber haben eine gegenseitige Phasenverschiebung von 2Φ. Phase Φ und/oder Amplitude V₀ können angepasst oder modulierbar sein. Wie gezeigt werden wird, erlaubt solch ein Reaktoren gemäß 7 und mehr allgemeiner gemäß 8, beispielsweise realisiert gemäß 9, die Steuerung des Ionenbeschusses ungeachtet des Werkstückes oder der Substratgröße und speziell in einer planaren Geometrie. Tatsächlich kann die Gestaltung gemäß der 7 bis 9, auf das Werkstückausmaß, welches bearbeitet werden soll, vergrößert werden.
Wie aus 9 entnommen werden kann, sind die Subelektroden zusätzlich zugeschnitten worden, um die gesamte gekoppelte Oberfläche A_A, _B der Elektrodenanordnung 10 zu vergrößern. Aufgrund einer Neigung θ der dachförmigen Subelektrodenbalken 12, mit θ = 45° gemäß 9, ist die Oberfläche wie folgt: AA = AB = A20/2cos(θ). (5)
Wie in 10 gezeigt, welche einen vergrößerten Teil des Reaktoraufbaus gemäß 9 darstellt, ist festzuhalten, dass die RF-gekoppelten Oberflächen im zentralen Teil des Reaktors auf einer Einheit des periodischen Aufbaus berechnet sind. Ist das Werkstück 4 und damit der Reaktor als solcher sehr groß, können allerdings die Randeffekte in dieser Berechnung vernachlässigt werden. Unter Berücksichtigung einer genauen Steuerung eben solcher Randeffekte, wird auf die 25 und 26 bis 28 sowie der später folgenden entsprechenden Beschreibung verwiesen.
Es ist zu beachten, dass in 10 die Platten S₁₁, S₁₂, S₂₀ die entsprechenden Teile der Elektrodenoberflächen darstellen, welche als kapazitive Platten agieren.
Die Kontinuität des RF-Stromes impliziert die folgende Gleichung: (V0exp(+iΦ) – Vp)C11 + (V0exp (–iΦ) – Vp)C22 = VpC20 (6)
Weil A_A = A_B und |V₁₁| = |V₁₂|, V_P ist reell, dann hat es eine Phase mittig zwischen V₁₁ und V₁₂. Das Ergebnis ist in einer ziemlich komplexen Form ausgedrückt: tg2(Φ) = ((X/cosθ)2/α – X2)/(1 + X)2 (7) wobei X = cosΦ (V0/Vp) – 1.
Diese Beziehung wurde für ein α = 0,5 (n = 2) berechnet und die Ergebnisse sind in 11 gezeigt. 11 zeigt den Prozentsatz der RF-Steuerspannungsamplitude, welche an der Grenze zur Schicht vorliegt, der unteren Elektrode 20 zugewandt, auf welche das Substrat 4 abgelegt ist. Die Berechnung wurde für vier Typen von Sägezahnprofilen durchgeführt, demzufolge für vier Werte des Winkels B. Für die Phasenverschiebung null, in anderen Worten wenn alle Elektrodengruppen durch dieselbe RF-Spannung betrieben werden, entdeckt man die erwarteten Ergebnisse, ausgedrückt in Gleichung (3). Die RF-Spannung wird gleichermaßen geteilt, wenn zwei flache Elektroden einander zugewandt sind (θ = 0°). Wenn die Elektrode durch eine Sägezahnstruktur gewellt ist, dann ist die kleinste Oberflächenelektrode die untere Elektrodenanordnung 20 und ein steigender großer Bruchteil der RF-Spannung erscheint angrenzend und dem Werkstück 4 zugewandt. Sehr beeindruckend ist, wie effektiv die Phasenverschiebung zur Verringerung der RF-Spannung vor der Substrat tragenden unteren Elektrode 20 ist. Wenn die zwei Antriebsspannungen in Gegenphase sind, wird die RF-Spannung vor der Werkstück tragenden unteren Elektrode 20 null.
Obwohl es praktisch ist, eine reine Phasenverschiebung zwischen den Steuerspannungen der beiden Elektrodengruppen A und B gemäß V₁₁ und V₁₂ zu betrachten, ist es nicht notwendig, dass die Spannungen an beiden Subelektrodengruppen des Feldes von derselben Amplitude sind, so wie es in den verallgemeinerten Betrachtungen der 8 erklärt wurde, und eben solche Amplituden – einzelne bei einer Frequenz, oder mehrfache bei verschiedenen spektralen Frequenzen – können in der Zeit variieren. Daher wird Amplitudenmodulation, Frequenzmodulation oder Pha senmodulation verwendet. Zusätzlich oder an Stelle der variierenden Phasen, ist es beispielsweise auch möglich, das Amplitudenverhältnis der RF-Steuerspannungen zu variieren. Für das duale periodische Feld wie in den 9 und 10 gezeigt, in welcher eine die bevorzugte Ausführungsform der Anordnung gemäß der 8 ist, und noch immer mit einer Phasenverschiebung von 2Φ, kann die Variation der einen Frequenzamplitude folgendermaßen ausgedrückt werden: V11 = V0exp(iΦ), V12 = aV0exp(–iΦ). (8)in welcher "a" ein reeller Koeffizient zwischen 0 und 1 ist.
Als ein Beispiel wird der Fall eines dualen periodischen Feldes ohne Phasenverschiebung Φ (Φ = 0 in Gleichung (8) betrachtet, aber nur mit einer Variation der Amplitude der RF-Spannung am RF-Eingang der Gruppe B, V₁₂. Die Berechnung kann in derselben Weise wie oben durchgeführt werden. Zur Illustration zeigt 12 das Ergebnis für ein Sägezahn duales Feld mit θ = 45° und n = 2. 12 zeigt die Variation der Plasma-RF-Spannung über dem Substrat relativ zur Amplitude der Hauptspannungsamplitude V₀, wenn die Amplitude der Spannung bei V₁₂ bezüglich „a" von (8) variiert wird. Es wird gefunden, dass die Plasmaspannung von 15 bis 67 % variieren kann, wenn die Amplitude aV₀ der Spannung V₁₂ variiert wird. Noch auffallender ist die Variation der Selbstvorspannung an der Hauptelektrode. Die Selbstvorspannung ist berechnet unter der Annahme, dass die Plasmashüllen perfekt die RF-Spannung korrigieren. Es wird gefunden, dass die Selbstvorspannung das Vorzeichen wechselt, wenn die Spannungsamplitude der V₁₂ variiert wird.
Bevor einige experimentelle Resultate berichtet werden, soll eine bevorzugte Form der Realisierung des Reaktors gemäß der vorliegenden Erfindung, unter Zuhilfenahme der 13, erklärt werden.
Die Balken als Subelektroden 12 der Gruppe A sind mit dem gemeinsamen Busbalken 7_A und den Balken der Gruppe B zu dem gemeinsamen Busbalken 7_B verbunden. Die Busbalken 7 sind entsprechend zum RF-Leistungseingang 8_A und 8_B verbunden. Um eine falsche Plasmazündung zu vermeiden, sind die Rückseite des Subelektrodenfeldes und die Räume zwischen den elektrischen Verbindungen zu den Subelektrodenbalken 12 mit Abstandsschilden 9 geschützt. Das Substrat 4 ist auf der gegenüberliegenden Elektrode 20, welche vorzugsweise geerdet ist, abgelegt. Alle Elektroden in dieser Ausführungsform sind gekühlt oder durch eine zirkulierende Flüssigkeit temperaturgeregelt. Die Flüssigkeit zirkuliert in Leitungen 11 in den Subelektrodenbalken 12 der Anordnung 10 und in der Basiselektrodenanordnung 20 in Leitungen 12. Das Plasma 13 füllt den Plasmaspalt zwischen den Elektrodenanordnungen 10 und 20, deren Spalt GP etwas größer als der Abstand P zwischen zwei angrenzenden Subelektroden 12 ist.
Wie bereits in den bevorzugten Ausführungsformen gemäß 13 aber auch gemäß 7 bis 10 festgehalten wurde, sind die beiden Subelektrodengruppen von gleicher Oberfläche, aber es ist ebenso möglich den Fall von ungleichen Oberflächen der Subelektrodengruppenoberflächen zu berücksichtigen. Wie auch in den 9 und 10 gezeigt, ist die Oberfläche der unterteilten Subelektrodenanordnung 10 freiwillig wellenförmig auf der Seite, die dem Plasma 13 zugewandt ist. Der Zweck davon ist, die Oberfläche des Kontaktes zwischen dem Plasma und der Elektrodenanordnung 10 zu erhöhen. Es ist zu beachten, dass das Profil von einer Subelektroden 12 effektiv im Ansteigen der Kontaktoberfläche ist, wenn die geometrischen Merkmale weit genug sind, so dass das Plasma in die resultierende Wellenform eindringen kann. In der Ausführungsform gemäß 13 haben die Subelektrodenbalken wieder θ = 45°. Die Oberfläche des Kontaktes zwischen der Elektrodenanordnung 10 und dem Plasma 13 ist daher um den Faktor √2 vergrößert, verglichen zur flachen Basiselektrodenanordnung 20.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Basiselektrode 20 als eine Spannvorrichtung zum Halten durch Ansaugen flacher Werkstücke 4 aus Glasplatten, welche behandelt werden sollen, ausgelegt sein. Zur Umsetzung einer solchen Spannvorrichtung (in 13 nicht gezeigt) ist innerhalb der Elektrodenanordnung 20 ein System von Ansaugkanälen realisiert, welche an eine Vielzahl von Ansauglöchern auf der oberen Oberfläche der Elektrode 20 anliegen, um das Werkstück 4 sitzpassend während der Bearbeitung zu halten, oder es wird eine elektrostatische Spannvorrichtung bereitgestellt.
Experimente wurden an einem wie in 13 gezeigten ausgelegten Reaktor durchgeführt. Beide Extreme unter Berücksichtigung des RF-Antriebs wurden durchgeführt, nämlich wo beide elektrischen Eingänge 8_A und 8_B gemeinsam betrieben wurden und daher V₁₁ = V₁₂ (siehe 9) und wo einer der Eingänge 8_B oder 8_A , geerdet war, daher a = 0 gemäß (8) realisiert ist. Das Selbstvorspannungspotential und die RF-Antriebsamplitude wurden gemessen. Wie in Tabelle 1 zu sehen ist, sind die Ergebnisse qualitativ sehr zufriedenstellend. Im Besonderen wird ein spektakulärer Wechsel des Vorzeichens der Selbstvorspannung beobachtet, wenn die äquivalente Elektrodenkontaktfläche um den Faktor 2 reduziert wird, wenn die an eine Subelektrodengruppe angelegte RF-Spannung von nominal auf null variiert wird. Der absolute Wert der RF-Selbstvorspannung trifft nicht die theoretische Abschätzung. Dies liegt hauptsächlich an der Tatsache, dass die Messungen an einen ziemlich kleinen Reaktor von 500 × 500 mm² durchgeführt wurden. Die Berechnungen für einen unbeschränkten Reaktor wie in 12 gezeigt, muss korrigiert werden, um die Beiträge der Reaktorkanten zur RF-Kopplung zu berücksichtigen. Dies wurde in einer annähernden Weise in Tabelle 1 getan. Nichtsdestotrotz sind die drastischen Variationen der Gleichstromvorspannung erstaunlich. Die RF-Vorspannung des Prozessplasmas vor dem Werkstück kann durch eine relative Variation der RF-Eingangsspannung an den Subelektrodengruppen drastisch verändert werden.

Tabelle 1: Vergleich Experiment-Theorie für ein duales Feld mit 45° Sägezahn. Der korrigierte Wert ist von einer Berechnung wie oben abgeleitet, trägt aber nur grob den Kanteneffekten Rechnung, welche fern von einer Vernachlässigung in relativ kleinen Reaktoren sind.

Die Gestaltung der Subelektroden gemäß der 9, 10 und 13 ist sehr einfach. Es ist die einfachste periodische Struktur. Von der Unterseite erscheint es als parallele Streifen wie in 14 gezeigt, mit abwechselnden Verbindungen zu den zwei RF-Eingängen.
Eine solche periodische Gestaltung kann ebenfalls in zwei Dimensionen, x/y der 7 durchgeführt werden. Ein solches Beispiel ist schematisch in 15 für eine quadratisch geformte Subelektrode 12 gezeigt.
Ähnlich kann ein duales Feld aus dreieckförmigen Subelektroden 12 gemacht werden, wie schematisch in 16 gezeigt. Eine noch höher entwickelte Anwendung ist in 17 gezeigt, worin ein dreifaches Feld mit drei RF-Eingängen und drei Gruppen A, B, C von Subelektroden realisiert ist. Noch einmal, die drei korrespondierenden RF-Steuerspannungen oder mehr gewöhnliche Signalspektren, können außer Phase und/oder von verschiedenen Amplituden, möglicherweise sogar von verschiedenen Frequenzen und/oder Spannungsformen sein, die Signale können verschiedene Spektren haben.
Die periodische Struktur des Subelektrodenfeldes kann ebenfalls Merkmale bezüglich der Elektrodenoberfläche, wie es das beschriebene Zahnmuster tut, einfließen lassen. Eine Diamantenform, wie in 18 gezeigt, erhöht die RF-kapazitivgekoppelte Oberfläche jeder Subelektrode und kann bei verschiedenen Subelektrodenstrukturen, wie beispielsweise in den 15 bis 17 gezeigt, angewendet werden. Das Subelektrodenprofil kann ebenso abgerundet sein, wie in Schnittzeichnung in 19 gezeigt. Eine der einzigen Beschränkungen für die Gestaltungsregeln des Elektrodenfeldaufbaus ist, dass wenn die Subelektrodeneinheiten geformt werden, sollten Hohlvolumen oder Volumen, welche zum Plasmareaktionsvolumen offen sind, solche wie Löcher, Rillen oder Nuten, weiter als die zweifache Hüllendicke oder des Dunkelraumabstandes sein, so dass das Plasma tief in solche Ausnehmun gen eindringen kann. In einem typischen Plasmaprozess ist die Hüllendicke ein paar mm, daher ist es vernünftig anzunehmen, dass keine hohle Eindringung auf der Oberfläche der Elektrodenanordnung 10 schmaler als ungefähr 1 cm sein sollte, falls solche Eindringung auf der aktiv gekoppelten Oberfläche einer solchen Elektrode hinzugefügt werden soll.
Betrachtet man die Elektrodenstruktur als in einem Reaktor gemäß der vorliegenden Erfindung eingebaut, muss festgehalten werden, dass die angenehmste Methode das flache Ablegen des Werkstückes auf den Boden der horizontalen Elektrodenanordnung 20 ist, aber die gleiche Gestaltung kann vertikal realisiert werden oder mit dem Substrat und der Elektrodenanordnung 20 oben, sofern ein geeignetes Werkstück und speziell Substrathalterung realisiert wird. Solche unterschiedliche geometrische Anordnung kann, dabei mit einem Auge auf die Partikelsteuerung blickend, berücksichtigt werden.
Einige bevorzugte zusätzliche Merkmale sollen im Hinblick auf 20 erklärt werden, welche eine vergrößerte Schnittzeichnung des Subelektrodenfeldes zeigt. Um die kapazitive Kopplung zwischen den Subelektroden und der beispielsweise zwei Subelektrodengruppen zu begrenzen, können die Spalten 23 zwischen den angrenzenden Subelektroden mit Abstandhaltern 24 versehen werden. Diese Abstandhalter können aus einem nicht leitenden Material, solches wie Keramik oder aus Metall gebildet sein, entweder bei Schwebepotential oder bei einem bestimmten Potential, das zwischen den an den angrenzenden Subelektroden angelegtem Potential liegt. Ähnlich reduziert ein über den Subelektroden liegendes Schild 26 die kapazitive Kopplung, entweder zwischen den Subelektroden und/oder von den Subelektroden zu der rückwärtigen Grundplatte 25. Das Schild 26 kann durchgängig sein, soll aber dann aus einem nicht leitenden Material, solches wie Keramik sein, oder falls es metallisch ist, soll es unterbrochen sein, wie in 20 gezeigt. Mehrere Abschirmungsschichten können eingeschoben werden, um die kapazitive Entkopplung zu verbessern. In 20 ist ein zweites Schild 27 gezeigt, um die Entkopplung zwischen dem Subelektrodenfeld und der rückwärtigen Grundplatte 25 zu verbessern. Das Schild 27 ist eigentlich ein Gitter, um dem Gas den Fluss dadurch zu erlauben.
Dies bringt einen anderen Vorteil des Subelektrodenfeldes ein. Aus den Abständen oder den Spalten 23 zwischen den Subelektroden kann der Vorteil gezogen werden, dem Gas 31 das Fließen zwischen den Subelektroden und in das Reaktionsvolumen zu gestatten. Dafür wird ein Prozessgas 31 durch ein Rohr 28 in den Bereich hinter dem Subelektrodenfeld eingesetzt. Die Mittel werden zur Verfügung gestellt, um gleichmäßig das Einlassgas 31 auf die Gasauslässe 23 zu verteilen, wie beispielsweise durch das Gitterschild 27 realisiert.
Einige weitere Betrachtungen zum RF-Versorgungssystem:
Von den bereitgestellten Subelektrodengruppen soll zumindest eine, mit zumindest einer Subelektrode, RF-spannungsgetrieben sein.
Die Eingänge zu den Gruppen der Subelektroden für die RF-Spannung sollte mit Vakuumdurchführungen realisiert werden.
Eine Methode gemäß der vorliegenden Erfindung ist schematisch in 21 gezeigt. Darin ist ein RF-Oszillator 47 bereitgestellt, davon wird eine RF-Ausgangsfrequenz über eine anpassbare Phasenverschiebungseinheit 48 auf einen Leistungsverstärker 49 und zusätzlich direkt an den Eingang eines zweiten Leistungsverstärkers 50 geleitet. Vorzugsweise sind die Verstärker 49 und 50 so gestaltet, dass sie große reflektierte Leistung aufnehmen und sind an die RF-Eingänge des Reaktors über einfache passive Anpassungsschaltungsanordnungen gekoppelt, um die Plasmaimpedanz grob der Generatorimpedanz anzugleichen. Eine andere bevorzugte Gestaltung gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 22 gezeigt, worin zwei Verstärkerausgangsstufen 55 und 56 durch denselben – eine Frequenz – RF-Oszillator getrieben werden, aber eine unabhängige Anpassung der Amplitude und/oder Phase der RF-Ausgangsspannung bieten. Der Ausgang der Verstärkerstufe 55 ist durch eine anpassende Einheit zur Primärwicklung 51 eines Transformators gekoppelt. Die Sekundärwicklung 60 des Transformators verschafft eine RF-Spannungsdifferenz zwischen den Gruppeneingängen zu den Subelektrodengruppen, gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Mittelpunkt der Sekundärwicklung 52 ist über eine anpassende Einheit 54 zum Ausgang der zweiten Verstärkerausgangsstufe 56 verbunden. Phasensteuerung und/oder Amplitudensteuerung wird vorzugsweise an Verstärkerstufe 56 und/oder 55 durchgeführt.
Daher ist der wichtigste generische Aspekt der Elektrodenanordnung, so wie es gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Reaktor verwendet wird, zumindest eine unterteilte Elektrode zur Verfügung zu stellen. Trotz der hiervon beschriebenen bevorzugten Beispiele, könnte es interessant sein, die Subelektroden nicht gleichmäßig zu verteilen, beispielsweise zur Lösung genereller Ätzprobleme unter Berücksichtigung einer homogenen Bearbeitungsverteilung. Subelektroden in ringförmiger Form oder von rahmenähnlicher Form könnten um eine zentrale Achse herum angeordnet sein. Solch eine zentrische Gruppierung der Subelektroden ist schematisch in 24 gezeigt.
Ferner muss betont werden, dass es absolut möglich ist, eine oder die andere oder mehr als eine der Subelektrodengruppen, bei einem vorbestimmten nicht RF-Potential, solches wie eine Gleichspannung, zu betreiben. Es ist ferner offensichtlich, dass die RF-Versorgung mit Phasen- und Amplitudenanpassung auch digital verwirklicht werden kann, wobei zum Versorgen der Subelektrodengruppeneingänge eine Ausgangsleistungsverstärkerstufe bereitgestellt wird. Da auch das erfindungsgemäße Konzept separate unabhängige Eingänge erlaubt, ist es passend, die verschiedenen Subelektrodengruppen durch verschieden geformten Spannungen gemäß den verschiedenen Signalspektren zu betreiben, kurz gesagt, man hat die komplette Freiheit die Subelektrodengruppen bei jedem gewünschten elektrischen Signal und gegenseitig unabhängig zu betreiben.
Es muss ferner betont werden, dass beispielsweise bei RIE-Anwendungen der Reaktor gemäß der vorliegenden Erfindung, und mit wellenförmig vergrößerter Oberfläche der Subelektroden, mit allen Subelektrodengruppen an derselben RF- Spannung betrieben werden kann, wobei die bloße Tatsache der verlängerten Elektrodenoberfläche der strukturierten Elektrodenanordnung, den Ionenbeschuss des Substrats, das sich auf der Gegenelektrodenanordnung gemäß der Anordnung 20 der 7 befindet, signifikant verbessert. In RIE-Anwendungen und unter Verwendung des Reaktors wie in 13 gezeigt, wobei alle Subelektrodengruppen mit derselben RF-Spannung versorgt werden, war es möglich Glassubstrate von 370 × 370 mm Ausmaß durch Kohlenstoffabscheidung mit einer einheitlichen Beschichtung bezüglich einer maximalen Abweichung von 5% von der gewünschten Dicke, zu bearbeiten. Nach der Bearbeitung wurde der Reaktor durch ein Sauerstoffplasma gereinigt.
Weitere Beachtung muss der Kühlung und der Erhitzung der Substrate, welche bearbeitet werden sollen, gegeben werden. Daher und bezüglich der Elektrode 20 der 13, ist die Kühlung/Heizung vorzugsweise genau gesteuert, um verschiedene Substrattemperaturen zu erreichen, abhängig davon, ob das Substrat durch eine chemische Gasphasenabscheidung in dem erfindungsgemäßen Reaktor beschichtet wird oder geätzt wird. Für zu ätzende Substrate, und speziell Substrate, welche mit einer Fotolackschicht versehen sind, soll die Substrattemperatur vorzugsweise unterhalb der Schmelztemperatur des Fotolackes aufrechterhalten werden. Daher wird bei einem solchen Arbeitsvorgang das Substrat, beispielsweise auf Elektrode 20 der 13, durch ein Kühlungssystem 21 auf eine Temperatur im Bereich von 40°C bis 80°C gekühlt.
Wird der Reaktor zur Schichtablagerung auf ein Substrat verwendet, wie zur Durchführung einer plasmagestützten Gasphasenabscheidung, dann wird das Substrat vorzugsweise geheizt, beispielsweise bis ungefähr 200°C. Dies verbessert wesentlich die Qualität der abgelegten Schichten, in dem die Schichten mit reduzierter Spannung abgelegt sind, ohne zusätzliche erforderliche Wärmebehandlung. Dabei ist es eher unüblich das Substrat während PECVD auf solche relativ hohen Temperaturen zu erhitzen.
Rückblickend auf 7, von V₁₁, V₁₂, V₁₃...

– zumindest einer umfasst ein effektives RF-Spektrum
– alle Signale an einer einseitigen Elektroden (Substrat- oder Nicht-Substratelektrode) können dieselben sein
– Gleichstrom, Wechselstrom, pulsierende Rampe und alle Arten von Signalen, die aus einer Superposition resultieren, wie DC + AC + Rampe, können angelegt sein.

Insbesondere in der Ausführungsform gemäß 9 können die Subelektrodengruppen durch ein gemeinsames Signal betrieben werden, wobei in solch einem Fall die Subelektroden leitend verbunden sind, um einen gewellten Elektrodenbereich zu formen, um den Oberflächenbereich zu vergrößern. Dasselbe gilt auch für den Aufbau wie in den 14 bis 19 gezeigt.
Bisher wurde nicht irgendwelche Merkmale des erfindungsgemäßen Reaktors beschrieben, um mit Randeffekten in Bezug auf die Homogenität der Substratbearbeitung umzugehen. In 24 ist ein Elektrodenaufbau gemäß 9 gezeigt und elektrisch betrieben, wie es allgemein in Verbindung mit 21 diskutiert wurde, wobei eine Randelektrode 50, in beispielsweise dreieckiger Querschnittsform wie gezeigt, neben den zwei Gruppen von Subelektroden mit V₁₁, V₁₂ betrieben, zur Verfügung gestellt ist. Diese Randelektrode 50 wird allgemein elektrisch über eine anpassende Einheit MB_B und einem Generator G_B betrieben. Wobei, noch einmal, der Generator G_B ein Signal mit vorbestimmtem Spektrum, möglicher Frequenz, phasen- oder amplitudenmoduliert, erzeugt, dabei ein einziges Frequenzsignal erzeugen kann, oder ein solcher Generator G_B einfach weggelassen ist, die anpassende Einheit einfach mit dem Erdpotential verbunden bleibt. Die anpassende Einheit trägt wieder zur Gleichstromvorspannung bei, entsprechend der an der Randelektrode 50 vorherrschenden spektralen Frequenzamplitude null des Signals V_B0. Mittels der Rand- oder peripheren Elektrode 50, die vorzugsweise die unterteilte Elektrodenanordnung 10 umgibt und entweder passiv verbunden, vorzugsweise über eine anpassende Einheit zu einem Referenzpotential, oder aktiv durch einen zusätzlichen Generator betrieben, wird eine wesentliche Verbesserung in Bezug auf eine Gleichförmigkeit der Bearbeitung erreicht und insbesondere in Bezug zur Gleichförmigkeit der Ätzung an einem Substrat. Dabei darf die Randelektrode 50 sogar auf Schwebepotential bleiben. Die Randelektrode 50 ist nichtsdestotrotz im bevorzugten Betrieb über eine anpassende Einheit zum Referenzpotential mit oder ohne zusätzlichen Generator G_B verbunden.

Ein Reaktor gemäß 25 wurde wie folgt betrieben:

V₁₁:	RF; 13,56 MHz, 0 V Gleichstromvorspannung, 1 kV RF-Leistung
V₂₀:	zum Erdpotential über eine passive einstellbare anpassende Einheit verbunden
V_B0:	zum Erdpotential über eine passive einstellbare anpassende Einheit MB_B verbunden

In einem CF₄/SF₆ a-Si: H-Atmosphäre, bei 5 × 10^–2 mbar, wurde die Verteilung des Ätzeffektes auf 400 mm × 400 mm Substrat getestet.
26 zeigt die Verteilung bei:

Gleichstromvorspannung von V₂₀: –215V

Gleichstromvorspannung von V_B0: +107V

Gleichstromvorspannung von V₁₁, V₁₂: 0V
27 zeigt die Verteilung bei:

Gleichstromvorspannung von V₂₀: –320V

Gleichstromvorspannung von V_B0: –83V

Gleichstromvorspannung von V₁₁, V₁₂: 0V
28 zeigt die Verteilung bei:

Gleichstromvorspannung von V₂₀: –312V

Gleichstromvorspannung von V_B0: +3V.

Gleichstromvorspannung von V₁₁, V₁₂: 0V
Daher kann klar gesehen werden, dass die Verteilung des Prozesseffekts entlang des Werkstückes genau eingestellt werden kann, durch die passende Auswahl des entsprechenden Gleichstromvorspannungssignals, das an beiden Elektroden angelegt ist.

Claims

Kapazitiv gekoppelter RF Plasmareaktor umfassend: – eine Reaktorkammer, – eine erste und eine zweite langgestreckte Elektrodenanordnung (10, 20), welche gegenseitig und mit im Wesentlichen gleich bleibendem Abstand in der Reaktorkammer angeordnet sind und das Plasmareaktionsvolumen der Kammer bestimmt, – die erste Elektrodenanordnung (10) ist in elektrisch gegenseitig isolierte Subelektroden (12) unterteilt, wobei die Subelektrodenoberflächen in Richtung der zweiten Elektrodenanordnung (20) weisen und die zweite Elektrodenanordnung (20) eine Werkstückträgerelektrode ist, – eine erste Gruppe (A_A) der Subelektroden (12), die mit einem ersten gemeinsamen elektrischen Eingang (V₁₁) verbunden ist, – eine zweite Gruppe (A_B) der Subelektroden (12), die mit einem zweiten gemeinsamen elektrischen Eingang (V₁₂) verbunden ist, – wobei die ersten (V₁₁) und die zweiten (V₁₂) elektrischen Eingänge unabhängig voneinander sind, – eine RF-Generatoranordnung, die die ersten (10) und die zweiten (20) Elektrodenanordnungen elektrisch versorgt, dadurch gekennzeichnet, dass die RF-Generatoranordnung aus einem RF-Generator (47) besteht, der betriebsmäßig mit den ersten (V₁₁) und den zweiten (V₁₂) elektrischen Eingängen über signalanpassende Einheiten (44, 49, 50) verbunden ist.
Plasmareaktor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass benachbarte Subelektroden durch Spalten (23) getrennt sind, die näher als der Dunkelraumabstand eines RF-Plasmas angeordnet sind, das zwischen den ersten und den zweiten langgestreckten Elektrodenanordnungen (10, 20) erzeugt wird und durch eine Gas- (31) Eingangsanordnung, die Gas durch die Spalten (23) zwischen den Subelektroden in das Plasmareaktionsvolumen zwischen den ersten und der zweiten langgestreckten Elektrodenanordnungen (10, 20) einführt.
Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass die Subelektroden als parallele Subelektrodenbalken ausgebildet sind (14).
Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass die erste Elektrodenanordnung (10) als ein zweidimensionales Muster von Subelektroden (15 bis 18) unterteilt ist.
Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Elektrodenanordnung (10) in rahmenähnliche oder ringförmige Subelektroden unterteilt ist (24).
Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in zumindest einer Richtung entlang der ersten langgestreckten Elektrodenanordnung (10), Subelektroden der Gruppen in einem periodisch sich wiederholenden Muster (14 bis 17) angeordnet sind.
Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Subelektroden (12) Oberflächen aufweisen, die zu der Werkstückträgerelektrode (20) zeigen, mit Oberflächen, welche konvex oder konkav verlängert sind.
Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnungen (10, 20) im Wesentlichen eben sind.
Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Subelektroden (12) dazwischenliegende Spalten bestimmen und Oberflächen aufweisen, die zu Werkstückträgerelektroden (20) weisen und, welche konvex verlängerte Oberflächen aufweisen (11, 13, 18, 19, 20).
Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine anpassende Einheit, die mit der Werkstückträgerelektrode verbunden ist.
Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine weitere Elektrode (50) angrenzend an zumindest einer der ersten und der zweiten Elektrodenanordnungen (10, 20) angeordnet ist.
Reaktor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Elektrode (50) zumindest eine der ersten und der zweiten Elektrodenanordnungen (10, 20) umrundet.
Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrodenanordnung (10) in mehr als zwei Gruppen von Subelektroden (A, B, C) unterteilt ist.
Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der ersten und zweiten Eingänge (V₁₁, V₁₂), der Werkstückträgerelektrode (20) und, falls zur Verfügung stehend, der weiteren Elektrode (50) elektrisch mittels eines Referenzpotentials über eine anpassende Einheit (53), die als passives Impedanznetzwerk ausgebildet ist, betrieben wird.
Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der ersten und zweiten Elektrodenanordnungen (10, 20) mit einer temperaturgesteuerten Fluidquelle durch eine Kanalanordnung (11, 21) verbunden ist.
Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch eine Gasverteilungskammer (28) auf der Rückseite der ersten Elektrodenanordnung, die über Gaszuflüsse zwischen benachbarten Subelektroden mit dem Reaktionsvolumen in Beziehung steht.
Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen Subelektroden derselben Gruppe nahezu gleich dem Abstand (PG) der ersten (10) und zweiten (20) Elektrodenanordnungen ist.
Verfahren zur Herstellung flacher plasmabehandelter Werkstücke mittels eines kapazitiv gekoppelten RF Plasmareaktors, der umfasst: – eine Reaktorkammer; – eine erste und eine zweite langgestreckte Elektrodenanordnung (10, 20) gegenüberliegend in der Reaktorkammer angeordnet und das Plasmareaktionsvolumen der Kammer bestimmend; – die erste Elektrodenanordung (10), die in elektrisch gegenseitig isolierten Subelektroden (12) unterteilt ist, wobei die Subelektrodenoberflächen in Richtung der zweiten Elektrodenanordnung (20) zeigen, und die zweite Elektrodenanordnung (20) eine Werkstückträgerelektrode ist; – eine erste Gruppe (A_A) der Subelektroden (12), die mit einem gemeinsamen ersten elektrischen Eingang (V₁₁) verbunden sind; – eine zweite Gruppe (A_B) der Subelektroden (12), die mit einem ge meinsamen zweiten elektrischen Eingang (V₁₂) verbunden sind; – die ersten (V₁₁) und die zweiten (V₁₂) elektrischen Eingänge sind getrennt voneinander; – eine RF-Generatoranordnung, die die ersten (10) und die zweiten (20) Elektrodenanordnungen elektrisch versorgt, umfassend den Schritt des Ablegens eines Werkstücks auf der zweiten Elektrodenanordnung (20) und Aufbauen einer RF-Plasmaentladung in dem Plasmareaktionsvolumen, gekennzeichnet durch die Steuerung eines Ionenbeschießungsverhältnisses auf die ersten (10) und die zweiten (20) Elektrodenanordnungen durch Erzeugen eines RF-Versorgungssignals, erzeugend aus dem RF-Versorgungssignal ein erstes Versorgungssignal zu dem ersten elektrischen Eingang (V₁₁) und ein zweites Versorgungssignal zum zweiten elektrischen Eingang (V₁₂) und gegenseitiges Anpassen des ersten und des zweiten Versorgungssignals.
Verfahren nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch eine Temperatursteuerung (11, 21) von zumindest einer der ersten (10) und der zweiten Elektrodenanordnungen (20).
Verfahren nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch die Steuerung der Ionenbeschießung, um das Werkstück anzuätzen und die Temperatur des Werkstücks zu steuern, um im Bereich von 40°C bis 80°C zu sein, wobei beide Grenzen eingeschlossen sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, gekennzeichnet durch die Steuerung des Ionenbeschießungsverhältnisses, um eine Beschichtung auf dem Werkstück zu erreichen und die Temperatur des Werkstücks über 150°C, vorzugsweise um 200°C, zu halten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, wobei die Subelektroden durch Spalten voneinander getrennt sind, gekennzeichnet durch das Einlassen (31) eines Gases durch die Spalten in das Plasmareaktionsvolumen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, gekennzeichnet durch das Versorgen der Eingänge (V₁₁, V₁₂) mit gleichen elektrischen Signalen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 23, wobei eine weitere Elektrode (50) zu Verfügung gestellt wird, die zumindest an eine der Elektrodenanordnungen angegrenzt, gekennzeichnet durch das Versorgen von zumindest zwei der Eingänge und der weiteren Elektrode (50) durch gleiche elektrische Signale.
Verfahren nach Anspruch 22 gekennzeichnet durch das Zuführen des Gases zu den Spalten mit Hilfe einer Verteilungskammer auf der Rückseite der ersten Elektrodenanordnung (10).