EP2351064A1 - Verfahren und vorrichtung zur plasmabehandlung eines flachen substrats - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur plasmabehandlung eines flachen substrats

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EP2351064A1
EP2351064A1 EP09765014A EP09765014A EP2351064A1 EP 2351064 A1 EP2351064 A1 EP 2351064A1 EP 09765014 A EP09765014 A EP 09765014A EP 09765014 A EP09765014 A EP 09765014A EP 2351064 A1 EP2351064 A1 EP 2351064A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
plasma
electrode
substrate
treated
bias
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09765014A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Rudolf Beckmann
Michael Geisler
Arndt Zeuner
Marks Fiedler
Günter GRABOSCH
Andreas Pflug
Uwe Czarnetzki
Ralf-Peter Brinkmann
Michael Siemers
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Ruhr Universitaet Bochum
Buehler Alzenau GmbH
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Leybold Optics GmbH
Ruhr Universitaet Bochum
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV, Leybold Optics GmbH, Ruhr Universitaet Bochum filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP2351064A1 publication Critical patent/EP2351064A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32082—Radio frequency generated discharge
    • H01J37/32137—Radio frequency generated discharge controlling of the discharge by modulation of energy
    • H01J37/32155—Frequency modulation
    • H01J37/32165—Plural frequencies
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32082—Radio frequency generated discharge
    • H01J37/32091—Radio frequency generated discharge the radio frequency energy being capacitively coupled to the plasma

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for plasma treatment of a substrate in each case according to the preambles of the independent claims.
  • EP 312 447 B1 describes a device for plasma deposition (PECVD) of thin layers on planar substrates for electronic or optoelectronic applications.
  • a system for the plasma coating of large flat substrates wherein the substrate surface can be of the order of magnitude of 1 m 2 and more.
  • the plasma is generated between an electrode and a counter electrode, between which the substrate to be treated is introduced.
  • the system includes means for varying the relative spacing between the electrodes, wherein a first relatively large distance is provided upon loading or unloading of the process chamber with the substrate and a second relatively small distance in performing the treatment of the substrate.
  • a layer-forming reaction gas or reaction gas mixture is supplied via a gas shower integrated into the electrode.
  • the gas shower comprises a gas shower outlet plate with a plurality of outlet openings, with the help of which the reaction gas is distributed evenly distributed in the process chamber.
  • the reaction gas is present in a quasi-neutral plasma bulk having a relatively high electron density of the plasma discharge between the substrate to be treated and the gas shower as activated gas species, with which the substrate to be treated is applied.
  • the speed and quality of the substrate coating depends on a variety of process parameters, in particular pressure, flow and composition of the reaction gases, power density and frequency of the plasma excitation as well as the substrate temperature.
  • an unwanted coating of other components of the system in addition to the desired coating of the substrate, an unwanted coating of other components of the system, in particular a Coating of parts of the gas shower by application of activated gas species from the quasineutralen plasma bulk, resulting in loss of expensive reaction gas and increased expenditure on cleaning gases.
  • the relative ion bombardment of the electrodes is determined by the area ratio of electrode and counterelectrode and reflects the relative ratio of the mean voltage dropping at the plasma edge layer in front of the electrode or counterelectrode.
  • the absolute value of said voltages scales with a power close to 2 to the area ratio of the area of the electrode to the area of the counter electrode. Since in the production of homogeneously coated substrates, the areas of the electrode and the counter electrode must be approximately the same size, the Possibilities to influence by a geometric asymmetry, the energy of the ion energy acting on the electrode and counter electrode, limited.
  • the object of the present invention is to enable a plasma treatment of a substrate in which a relative change in the application of electrode and substrate with an activated gas species can be achieved, wherein the substrate is arranged between an electrode and a counter electrode and the activated gas species in a quasi-neutral Plasmabulk between electrode and counter electrode is present.
  • the substrate is disposed between an electrode and a counter electrode at a distance d between a surface region of the substrate to be treated and the electrode,
  • an amount of at least one activatable gas species is present, with which a surface area of the substrate to be treated is applied.
  • the method is characterized in that a plasma discharge is excited
  • the invention makes it possible, by means of the specified values of d, se, sg and dp, which characterize a certain geometry of the plasma discharge, to set a rate with which a surface region of the substrate to be treated adjusts with the aid of a value of the DC - SeIf bias activated gas species is applied.
  • the DC SeiF bias is dependent on the ratio of the areas of the two electrodes.
  • the plasma discharge is excited by means of a high-frequency voltage provided by an HF generator in a process gas fed into the region between the electrodes, for example argon and / or hydrogen, with an excitation frequency in the range 1 to 40 MHz, preferably 13.56 MHz.
  • the substrate is located immediately in front of the counter electrode, it being understood that the terms "electrode” and "counter electrode” are purely conventional and interchangeable. It is assumed in the method that the voltage applied for excitation of the plasma drops predominantly in the region of the plasma edge layer in front of the electrode and counterelectrode and only slightly in the region of the quasi-neutral plasma bulge. In the case of a substrate arranged in front of the counterelectrode, the plasma edge layer extends from the substrate surface towards the quasi-neutral plasma bulkhead.
  • the thickness of the plasma boundary layer in front of the electrode or counterelectrode is different, with a lower average voltage falling off at the edge layer with the smaller thickness.
  • the plasma edge layer in front of the counter electrode extends up to the surface of the substrate surface to be treated. Preferred is a value d in a range between 1.1s and 2.5s, more preferably a value d in a range between 1.1s and 1.2s, 1.4s, 1.6s, 1.8s or 2.0s.
  • the rate at which the activated gas species present in the neutral plasma bulge affects the electrode or the substrate is, in the method according to the invention, dependent on the position of the region of the highest concentration of the activated gas species and thus on a relatively narrow quasi-neutral plasma bulk, mainly on the distance between the surface Quasi-neutral plasma bulk and the electrode or the substrate dependent, and increases in each case with decreasing distance between the quasineutral Plasmabulk and electrode or substrate.
  • This distance is determined by the thickness of the plasma boundary layer se or sg, which assumes different values in the case of a DC-SeIf bias.
  • the quasi-neutral bulb is closer to the electrode or counterelectrode, in front of which the edge layer with the smaller thickness lies. Therefore, the relative loading of the electrode or substrate with the activated gas species at the distance d according to the invention can be influenced by changing the thickness of the plasma boundary layer se and sg.
  • the quasineutral plasma bulk has a linear extension dp ⁇ 2 / 3d, dp ⁇ max (se, sg) or dp ⁇ 0.5s.
  • the linear dimension dp of the quasi-neutral plasma bulge is the thickness of the quasineutral plasma bulge parallel to a cross-sectional diameter between the opposite faces of the electrode and the substrate. Also in these cases, depending on the value of the DC Seif bias, the rate at which the substrate is exposed to activated gas species from the quasi-neutral plasma bulk can be controlled.
  • the values of the parameters d, se, sg and dp can be varied or adjusted in dependence on parameters of the plasma discharge such as discharge voltage, excitation frequency or power density, so that d has a value in a range between 1.1s and 2.5s, particularly preferably a value d in ranges between 1.1s and 1.2s, 1.4s, 1.6s, .1.8s, or 2.0s, or dp ⁇ 2 / 3d, dp ⁇ max (se, sg), or dp ⁇ 0.5s.
  • a variation of d at constant values se, sg, and dp and a variation of se, sg, and dp at a constant value d is preferred.
  • the respective values of the thickness of the plasma boundary layer in front of the electrode and counterelectrode or substrate surface and the thickness of the quasi-neutral plasma bulge can be determined in a manner known per se.
  • said values can be determined by optical plasma diagnostic methods, for example by laser diagnostics. It is understood that the said values can also be determined theoretically and / or by computer simulation.
  • the relative position of a geometric center of gravity of the quasi-neutral plasma bulge between the electrode and the counter electrode is adjusted or changed as a function of a value of the distance d or the DC self-bias, whereby the application of substrate and electrode can be influenced with activated gas species to optimize the plasma treatment.
  • the position of the geometric center of gravity in the direction of the surface to be treated is displaced relative to the position of said center of gravity in a plasma discharge without DC self-bias and thus advantageously increases the loading of the surface to be treated with activated gas species.
  • the plasma treatment comprises a plasma coating, in particular as used in the production of solar cells and flat screens.
  • the plasma treatment may include surface modification by the plasma utilizing the effect of ion bombardment as well as the activated gas species on the surface structure and composition of the substrate. Furthermore, the plasma treatment may also include an etching of the substrate, whereby the influence of the ion bombardment and the activated gas species on the etching of a surface is utilized.
  • excitation of the precursor gas can be thermal (CVD), plasma (PECVD) or photo (CVD).
  • the gas species is activated by radical formation in the quasi-neutral plasma bulk itself, since the increased electron density in the plasma bulk facilitates radical formation.
  • the quasineutral plasma bulge in this case is the source region and region of the highest concentration of activated gas species.
  • a precursor gas is used as the gas species, which can form layer-forming radicals in a plasma.
  • the precursor gas is silane (SiH 4 ) which forms the layer precursor SiH 3 in the plasma by electron impact.
  • the precursor gas may also be CH 4 , TEOS (Si (OC 2 H 5 ) 4 ) or other gases which are introduced into the process chamber in gaseous form. These compounds are stable, require excitation to be converted into a layerable species.
  • a cleaning gas is used as the activatable gas species, which can form reactive radicals in a plasma, such as NF 3 .
  • the spatial area in which an activation of the activatable gas species in the plasma bulge takes place is of importance for an optimal design of the plasma device with regard to the avoidance of parasitic coating.
  • A.Pflug, M. Siemers, B. Szyszka, M. Geisler, and R. Beckmann "Gas Flow and Plasma Simulation for Parallel Plate PACVD Reactors, 51st SVC Technical Conference, April 23, 2008 Chicago,
  • the formation of the activated gas species takes place by plasma-activated dissociation of silane in the region of the quasi-neutral plasma bulge. Therefore, by the choice according to the invention of the values of d, se, sg and dp characterizing the geometry of the plasma discharge, the coating of the substrate surface to be treated relative to the coating of the electrode can advantageously be increased.
  • a process gas and / or an activatable gas species is transported in the region between the electrode and the counterelectrode by means of an electrode, which comprises a gas distribution device with a plurality of gas outlet openings, in this way a higher homogeneity of the application a substrate surface to be treated can be achieved.
  • the DC SeIf bias can be achieved very simply by a geometric asymmetry of electrode and counterelectrode.
  • an RF voltage which has at least two harmonic frequency components with a predetermined relative phase relationship to each other (mixing frequency), wherein at least one of the higher frequency components is an even harmonic of a lower frequency component .
  • the formation of the DC-SeIf bias achieved in this way is referred to below as the electrical asymmetry effect.
  • N denote the density of radicals and f (x) a source function proportional to the electron density. This results in:
  • the contrast function K as a characteristic variable. This is given by the quotient of the difference of the absolute values of the rivers and the sum of the absolute values of the rivers.
  • K s.
  • the electrical asymmetry effect makes it possible to independently control the ion energy and the ion flux applied to the electrode and substrate.
  • Such a generation of the DC self-bias is preferably used in the case of a geometric symmetry of the electrode and counterelectrode, in particular in the case of a plasma apparatus which is designed for the treatment of flat substrates with a surface to be treated of more than> 1m 2 , for example 1.2mx 1.2m.
  • the DC self-bias is varied depending on the relative phase relationship between the harmonic frequency components and / or the amplitudes of the two harmonic frequency components of the RF voltage, thus ion energy and ion flux applied to the substrate , can be controlled dynamically during a plasma treatment.
  • the substrate, electrode and counterelectrode have a flat surface.
  • the surfaces mentioned are preferably planar. It is understood that substrate, electrode and counter electrode can also have concave or convex surfaces.
  • a plasma coating of substrates having an area of 1m 2 and more by means of a precursor gas is preferred.
  • a process gas pressure between 100 Pa and 2000 Pa, in particular 1300 Pa 1 and a power density between 0.01 W / cm 3 and 5 W / cm 3 , in particular 1 W / cm 3 is preferred.
  • the output power of the HF generator is in a range between 5OW and 5OkW, preferably at 1 kW.
  • values of between 2 mm and 10 mm and values of between 1 mm and 5 mm are preferred.
  • values of dp between 1mm and 5mm are preferred.
  • a preferred value of d is between 5mm and 20mm.
  • the device according to the invention for the plasma treatment of a substrate comprises
  • Means for exciting a capacitively coupled plasma discharge having a DC bias bias in a region between an electrode and a counter electrode;
  • the substrate is disposed or disposable between the electrode and the counter electrode at a distance d between a surface region of the substrate to be treated and the electrode.
  • the device is designed in such a way that a plasma discharge can be excited with a DC voltage bias.
  • the device is provided by a control device for controlling the device, so that sets a plasma discharge
  • the distance d has a value in a range between s and 2.5s, where se denotes a thickness of a plasma edge layer in front of the electrode and sg a thickness of a plasma edge layer in front of the counterelectrode or - in which the quasineutrale Plasmabulk between the to be treated
  • the controller includes means for generating the DC self-biased plasma discharge by means of an RF voltage, the RF voltage having at least two harmonic frequency components having a predetermined relative phase relationship and at least one of the higher frequency components being an even harmonic of a lower frequency component ,
  • known means for plasma diagnostics are provided which provide input values for the control device.
  • means are provided for optical plasma diagnostics, for example for plasma laser diagnosis.
  • FIG. 1 shows a device according to the invention for the plasma treatment of flat substrates
  • FIG. 2 shows a device according to the invention for the plasma treatment of flat substrates
  • Figure 3 shows a profile of the electrical potential
  • the reactor 1 shows a simplified representation of a plasma apparatus (reactor 1) for the treatment of preferably flat and rectangular substrates 3.
  • the reactor 1 can be designed, for example, as a PECVD reactor.
  • the reactor 1 comprises means for exciting a capacitively coupled DC discharge plasma discharge in a region between an electrode and a counterelectrode, in particular a process space 9 with an electrode 5 and a grounded counter electrode 7, which are designed to produce a plasma for the treatment of a surface to be treated of one or more flat substrates 3.
  • the electrode 5 may be connected to or connected to a high-frequency supply source, preferably an RF voltage source, not shown, wherein a controller with associated control means as well as optionally provided means for plasma diagnostics available, but not shown are.
  • the substrate 3 is located immediately in front of the grounded counter electrode 7, it being understood that a different connection of the electrodes may be provided.
  • the electrodes 5, 7 are preferably designed for treating substrates having an area of at least 1 m 2 as a treatment or processing step in the production of highly efficient thin-film solar modules, for example for amorphous or microcrystalline silicon thin-film solar cells.
  • the electrodes 5, 7 form two opposite walls of the process space 9.
  • the process space 9 is located in a vacuum chamber 11, which has a loading and unloading opening 49, which can be closed by a closure device 35.
  • the closure device is optional.
  • the vacuum chamber 11 is formed by a housing 13 of the reactor 1. To seal against the environment seals 15 are provided.
  • the vacuum chamber 11 may have any spatial form, for example, with a round or polygonal, in particular rectangular cross-section.
  • the process space 9 is designed, for example, as a flat parallelepiped. In another embodiment, the vacuum chamber 11 itself is the process space 9.
  • the electrode 5 is arranged in a holding structure 31 in the vacuum chamber 11, which is formed by the housing rear wall 33.
  • the electrode 5 is accommodated in a recess of the holding structure 31 and separated from the vacuum chamber wall by a dielectric.
  • a pumping channel 29 is formed by a groove-shaped second recess in the support structure 31.
  • the substrate 3 is received by the counter electrode 7 on its front side facing the electrode 5 by a holder 34.
  • the gaseous material may be, for example, argon (Ar) and / or hydrogen (H2).
  • the gas species used is a precursor gas which forms layer-forming radicals in a plasma.
  • the precursor gas is silane (SiH 4 ) which forms the layer precursor SiH 3 in the plasma by electron impact.
  • a cleaning gas is used as the activatable gas species, for example NF3.
  • a coating material source 19 with a channel 23 is provided, which are connected to a gas distribution device.
  • the gas distribution device is integrated into the electrode 5, but in other embodiments may also be formed separately from the electrode.
  • the gas distribution device has a gas outlet plate 25 in the present embodiment; this includes a plurality of apertures opening into the process space 9 through which gaseous material can be introduced into the process space 9.
  • the gas distribution device is preferably designed such that a homogeneous loading of the substrate 3 with gas species can be achieved.
  • the plurality of outlet openings is uniformly distributed in the gas outlet plate 25, so that the gaseous material is distributed evenly into the process chamber 9.
  • the means for introducing gaseous material can also be formed differently from that of the illustration in FIG. 1, as can the gas distributor device 25.
  • the reactor 1 comprises a device for adjusting and / or varying the relative distance between the electrodes, which in the embodiment of FIG. 1 is designed as a sliding bolt 41, which can execute a linear movement in the vacuum chamber 11 by means of a bearing plate 43.
  • the sliding bolt 41 is connected to the back of the counter electrode 7 facing away from the electrode 5. A the pin 41 associated drive is not shown.
  • the counter electrode 7 covers the recess during the execution of the plasma treatment.
  • the counter electrode has contact elements 38 for associated contact elements 37 of the holding structure, so that the counter electrode is at the electrical potential of the vacuum chamber 11 during the performance of the plasma treatment.
  • the counter electrode 7 is a device, not shown in FIGS Substrates, which is formed such that the substrate or substrates are at least while performing the treatment of the treated or treated surface oriented downward at an angle alpha in a range between 0 ° and 90 ° relative to the direction of the solder are arranged.
  • the surface to be treated can be oriented upwards.
  • a plasma (not shown in FIG. 1) is excited by means of a high-frequency voltage in a region between electrode 5 and counterelectrode 7, more precisely between gas outlet plate 25 and substrate 3 supported on counterelectrode 5.
  • reaction gas is furthermore preferably additionally introduced homogeneously into the plasma via the gas outlet plate 25.
  • the reaction gas is present in a quasi-neutral plasma bulk of the plasma discharge having a relatively high electron density between the substrate to be treated and the gas outlet plate 25 as an activated gas species, with which the surface of the substrate 3 to be treated is acted upon.
  • the controller controls the device so that sets an asymmetric plasma discharge as shown below.
  • said quasi-neutral plasma bulk between the surface region to be treated and the counterelectrode can have a linear expansion dp with dp ⁇ 1 / 3d, dp ⁇ max (s e + S g ) or d p ⁇ 0.5 s.
  • the thickness of the quasi-neutral plasma bulge becomes parallel as a linear expansion dp of the quasi-neutral plasma bulge to a cross-sectional diameter between the opposite surfaces of the gas outlet plate 25 and substrate 3.
  • electrode 5 and counter electrode 7 are formed geometrically symmetrical and / or the DC - SeIf bias is generated by means of a suitable non - harmonic RF excitation voltage, as will be shown in more detail below.
  • FIG. 2 shows, in a simplified representation, a plasma apparatus corresponding to FIG. 1 with a vacuum chamber 100, a vacuum chamber wall 102, a gas inlet 104, a gas outlet 106, an electrode 112 connected to an RF power supply 120 and a grounded counterelectrode 108.
  • the distance between electrode 112 and counter electrode 110 can be varied.
  • a control device 125 is provided for controlling the plasma device.
  • the electrode 112 is provided with an integrated gas distribution device, which is not shown in FIG. Between the electrodes 108 and 112, a plasma 114 is generated.
  • the control device 125 has means for generating the DC self-bias plasma discharge by means of an RF voltage.
  • An RF voltage is generated by means of the RF power supply system 120, the RF voltage having two harmonic frequency components of predetermined relative phase relationship with each other, the higher frequency component being an even harmonic of the lower frequency component.
  • a substrate 110 is disposed immediately in front of the grounded electrode 108, however, it should be understood that the substrate could also be located in front of the electrode 112 with a corresponding adjustment of the gas distribution device. It is further understood that also the electrical connection of the electrode and the counterelectrode may differ from the illustration shown in FIG. 2; For example, in one further embodiment, one of the mentioned frequency components may be applied to the electrode or counterelectrode in each case.
  • a DC self-bias is generated by the applied RF voltage, which produces an asymmetry in the plasma boundary layers 118 and 119 in front of electrode 112 and counterelectrode 108, such that the thickness of the plasma edge layer S E of the electrode differs from the thickness of the plasma boundary layer S G is in front of the counter electrode.
  • the voltage drop across the electrode and counterelectrode or substrate surface can be varied, which also corresponds to an asymmetry of the respective plasma edge layers in the case of geometrically symmetrical electrodes.
  • control device 120 comprises means for inputting a desired ion energy and / or a desired ion current in the region of the substrate surface. Further, control means for adjusting a power density of the plasma and means for adjusting an amplitude and / or relative phase relationship of the harmonic frequency components of the RF voltage for adjusting the ion energy of the plasma and / or the ion flux of the plasma and means for controlling the amplitude and / or relative Phase relationship of the harmonic frequency components of the RF voltage provided.
  • the control unit 125 is connected to means for plasma diagnostics 126 for determining respective values of the thickness of the plasma boundary layer in front of the electrode surface and the substrate surface sg. Furthermore, the means 126 can optionally also be used to measure the linear expansion dp of the quasi-neutral plasma bulge. The measured values can be fed to the control unit as input values.
  • V AC (t) 315 (cos (2 ⁇ / t + ⁇ ) + cos (4 ⁇ / t))
  • FIG. 3 is the example of a plasma coating with silane without DC self-bias (FIG. 3A) and with DC self-bias (FIG. 3B) the electric potential U (lower curve, left ordinate) as well as an electron density, which is a concentration the activated gas species [SiH 3 ] corresponds to each (upper curve, right ordinate).
  • the coating gas silane is preferably introduced homogeneously into the region between the electrode and the substrate via a gas distribution device integrated into the electrode.
  • the quasineutral plasma bulk is positioned substantially symmetrically in the region between the electrode and the substrate surface.
  • This position of the quasineutral plasma bulge corresponds to the area with the highest concentration of activated gas species [SiH 3 ] corresponding to the downward arrow of the upper curve having the same distance from the electrode and the substrate surface. Electrode and substrate surface are therefore acted upon at substantially the same rate by the activated gas species, with the result of an equally strong coating of electrode and substrate surface.
  • FIG. 3b it is shown in comparison that the area of the quasi-neutral plasma bulge is shifted in the direction of the substrate surface. This corresponds to a lower potential drop at the substrate surface and a higher potential drop at the electrode.
  • the region of highest concentration of activated gas species [SiH 3 ] is also shifted to the substrate surface and therefore has a greater distance from the electrode surface. Accordingly, the substrate surface has a higher coating rate Bs than the coating rate Be of the electrode.

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Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Plasmabehandlung eines Substrats in einer Plasmavorrichtung, wobei - das Substrat (110) zwischen einer Elektrode (112) und einer Gegenelektrode (108) mit einem Abstand d zwischen einem zu behandelnden Oberflächenbereich des Substrats und der Elektrode angeordnet wird, - zwischen der Elektrode (112) und der Gegenelektrode (108) eine kapazitiv gekoppelte Plasmaentladung mit Bildung eines DC- SeIf - Bias angeregt wird, - in einem Bereich der Plasmaentladung zwischen dem zu behandelnden Oberflächenbereich und der Elektrode mit einem quasineutralen Plasmabulk (114) eine Menge zumindest einer aktivierbaren Gasspezie vorliegt, mit welcher ein zu behandelnder Oberflächenbereich des Substrats beaufschlagt wird, - ist vorgesehen, dass eine Plasmaentladung angeregt wird, - bei der der Abstand d einen Wert aufweist, der vergleichbar ist mit s = se+sg, wobei se eine Dicke einer Plasmarandschicht (119) vor der Elektrode und sg eine Dicke einer Plasmarandschicht (118) vor der zu behandelnden Substratoberfläche bezeichnet oder - bei der der quasineutrale Plasmabulk(114) zwischen dem zu behandelndem Oberflächenbereich und der Elektrode eine lineare Ausdehnung dp mit dp < 1/3d, dp< max( se+sg) oder dp < 0.5s aufweist.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Plasmabehandlung eines flachen Substrats
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Plasmabehandlung eines Substrats jeweils nach den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Vorrichtungen zur Plasmabehandlung flacher Substrate sind bekannt. So beschreibt beispielsweise die EP 312 447 B1 eine Vorrichtung zur Plasma-Ablagerung (PECVD) dünner Schichten auf flächenhaften Substraten für elektronische oder optoelektronische Anwendungen.
In der unveröffentlichten DE 10 2007 022 252.3 ist ein System zur Plasma-Beschichtung großflächiger flacher Substrate beschrieben, wobei die Substratfläche in der Größenordnung von 1 m2 und mehr liegen können. Das Plasma wird zwischen einer Elektrode und einer Gegenelektrode erzeugt, zwischen die das zu behandelnde Substrat eingebracht ist. Das System beinhaltet eine Vorrichtung zum Variieren des relativen Abstandes zwischen den Elektroden, wobei ein erster relativ großer Abstand bei einer Be- oder Entladung der Prozesskammer mit dem Substrat und eine zweiter relativ geringer Abstand bei Durchführung der Behandlung des Substrats vorgesehen ist. Über eine in die Elektrode integrierte Gasdusche wird ein schichtbildendes Reaktionsgas bzw. Reaktionsgasgemisch zugeführt. Die Gasdusche umfasst eine Gasduschenaustrittsplatte mit einer Vielzahl von Austrittsöffnungen, mit deren Hilfe das Reaktionsgas gleichmäßig verteilt in die Prozesskammer geleitet wird. Das Reaktionsgas liegt in einem eine relativ hohe Elektronendichte aufweisenden quasineutralen Plasmabulk der Plasmaentladung zwischen dem zu behandelndem Substrat und der Gasdusche als aktivierte Gasspezie vor, mit welcher das zu behandelnde Substrat beaufschlagt wird. Die Geschwindigkeit und Qualität der Substratbeschichtung hängt von einer Vielzahl von Prozessparametern ab, insbesondere von Druck, Fluss und Zusammensetzung der Reaktionsgase, von Leistungsdichte und Frequenz der Plasmaanregung sowie der Substrattemperatur.
Bei einer Änderung der Prozessparameter zur gleichzeitigen Erreichung hoher Beschichtungsraten und hoher Schichtqualität, insbesondere bei großflächigen Substraten treten Probleme auf, von denen im Folgenden einige kurz angesprochen werden.
Zunächst erfolgt neben der erwünschten Beschichtung des Substrats auch eine nicht erwünschte Beschichtung weiterer Komponenten des Systems, insbesondere eine Beschichtung von Teilen der Gasdusche durch Beaufschlagung mit aktivierten Gasspezies aus dem quasineutralen Plasmabulk, was zu Verlust an teurem Reaktionsgas sowie zu erhöhtem Aufwand an Reinigungsgasen führt.
Zur Erhöhung der Beschichtungsrate ist es im Allgemeinen erforderlich, die Leistungsdichte des Plasmas zu erhöhen, was jedoch zu einem höheren lonenbeschuss des Substrats führen und damit die Qualität der abgeschiedenen Schicht negativ beeinflussen kann.
Bei einer Plasmaanregung mit einer 13,56 MHz Hochfrequenzspannung kann auch eine große Elektrodenfläche auf einfache Weise sehr homogen mit Hochspannung versorgt werden, wobei jedoch mit steigender Leistungsdichte ein unerwünschter lonenbeschuss des Substrats zunimmt. Bei einer Plasmaanregung mit einer VHF-Hochfrequenzspannung (27 MHz - ca. 150 MHz) ist zwar der lonenbeschuss des Substrats auch bei hohen Leistungsdichten gering, wie beispielsweise im Artikel von Amanatides, Mataras und Rapakoulias, Journal of Applied Physics Volume 90, Number 11 , Dezember 2001 , beschrieben ist. Allerdings ist eine homogene Verteilung der VHF- Hochfrequenzspannung über eine große Flächen nur mit hohem Aufwand zu erreichen.
Aus der EP 0688469 B1 ist bereits ein plasmaunterstütztes Bearbeitungs- bzw. Herstellungsverfahren bekannt, bei dem Gasentladungen mit einer anharmonischen Wechselspannung angeregt werden, deren Frequenzspektrum aus einer Grundfrequenz und einem ganzzahligen Vielfachen dieser Grundfrequenz besteht. Dabei sind die Amplituden der einzelnen Frequenzkomponenten an die Erfordernisse des plasmaunterstützten Verfahrens angepasst. Der Begriff anharmonisch ist dabei im Sinn von nicht harmonisch, also nicht sinusförmig zu verstehen. Ziel dieses bekannten Verfahrens ist unter anderem die Erzeugung einer prozessspezifischen lonenverteilung zur Verbesserung von plasmaunterstützten Bearbeitungs- und Herstellungsverfahren für dünne Schichten, ohne dass jedoch angegeben wird, wie der relative lonenbeschuss der Elektroden beeinflusst werden könnte.
Bei Plasmareaktoren mit einer Parallel-Plattenanordnung ist bei konstanter Leistungsdichte der Plasmaanregung der relative lonenbeschuss der Elektroden durch das Flächenverhältnis von Elektrode und Gegenelektrode bestimmt und reflektiert das relative Verhältnis der an der Plasmarandschicht vor der Elektrode bzw. Gegenelektrode abfallenden mittleren Spannung. Wie in dem Artikel von Heil, Czarnetzki, Brinkmann und Mussenbrock, J. Phys D: Appl. Phys. 41 (2008) 165002 gezeigt wurde, skaliert der Absolutwert der erwähnten Spannungen mit einer Potenz nahe 2 zum Flächenverhältnis der Fläche der Elektrode zur Fläche der Gegenelektrode. Da bei der Herstellung von homogen zu beschichtenden Substraten, die Flächen von Elektrode und Gegenelektrode annährend gleich groß sein müssen, sind die Möglichkeiten, durch eine geometrische Asymmetrie, die Energie der die Elektrode und Gegenelektrode beaufschlagenden lonenenergie zu beeinflussen, beschränkt.
Ein alternatives Verfahren, unabhängig von einer geometrischen Asymmetrie, bei gegebener Anregungsfrequenz- und Spannung, die Energie der Elektrode bzw. Gegenelektrode beaufschlagenden Ionen zu beeinflussen, wurde in dem oben genannten Artikel Heil, Czarnetzki, Brinkmann und Mussenbrock beschrieben. Danach wird ein DC-Self-Bias mittels einer RF-Spannung erzeugt, welche zumindest zwei harmonische Frequenzkomponenten mit vorgegebener relativer Phasenbeziehung zueinander aufweisen, wobei zumindest eine der höheren Frequenzkomponenten eine geradzahlige harmonische Oberschwingung einer niedrigeren Frequenzkomponente ist. In Abhängigkeit von der relativen Phasenbeziehung zwischen den zwei harmonischen Frequenzkomponenten kann eine Einstellung eines relativen Verhältnisses von lonenenergien an Elektrode und Gegenelektrode vorgenommen werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Plasmabehandlung eines Substrats zu ermöglichen, bei der eine relative Änderung der Beaufschlagung von Elektrode und Substrat mit einer aktivierten Gasspezie erreichbar ist, wobei das Substrat zwischen einer Elektrode und einer Gegenelektrode angeordnet ist und die aktivierte Gasspezie in einem quasineutralen Plasmabulk zwischen Elektrode und Gegenelektrode vorliegt.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
Bei dem erfindungsgemäße Verfahren zur Plasmabehandlung eines Substrats in einer Plasmavorrichtung ist zunächst vorgesehen, dass
das Substrat zwischen einer Elektrode und einer Gegenelektrode mit einem Abstand d zwischen einem zu behandelnden Oberflächenbereich des Substrats und der Elektrode angeordnet wird,
- zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode eine eine kapazitiv gekoppelte Plasmaentladung mit Bildung eines DC- SeIf - Bias angeregt wird,
in einem Bereich der Plasmaentladung zwischen dem zu behandelnden Oberflächenbereich und der Elektrode mit einem quasineutralen Plasmabulk eine Menge zumindest einer aktivierbaren Gasspezie vorliegt, mit welcher ein zu behandelnder Oberflächenbereich des Substrats beaufschlagt wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass eine Plasmaentladung angeregt wird,
bei der der Abstand d einen Wert in einem Bereich zwischen s und 2.5s aufweist, mit s = se+sg , wobei se eine Dicke einer Plasmarandschicht vor der Elektrode und sg eine Dicke einer Plasmarandschicht vor der Gegenelektrode bezeichnet oder
- bei der der quasineutrale Plasmabulk zwischen dem zu behandelndem
Oberflächenbereich und der Elektrode eine lineare Ausdehnung dp mit dp < 1/3d, dp< max( se+sg) oder dp < 0.5s aufweist.
Die Erfindung ermöglicht es, durch die angegebenen, eine bestimmte Geometrie der Plasmaentladung charakterisierenden Werte von d, se, sg und dp, in Abhängigkeit von einem Wert des DC - SeIf - Bias eine Rate einzustellen, mit der ein zu behandelnder Oberflächenbereich des Substrats mit der aktivierten Gasspezie beaufschlagt wird.
Der DC - SeIf - Bias ist dabei abhängig von dem Verhältnis der Flächen der beiden Elektroden. Die Plasmaentladung wird mittels einer von einem HF -Generator zur Verfügung gestellten Hochfrequenzspannung in einem in den Bereich zwischen den Elektroden zugeführten Prozessgas, beispielsweise Argon und/oder Wasserstoff, mit einer Anregungsfrequenz im Bereich 1 bis 40 MHz, vorzugsweise 13,56 MHz angeregt. Das Substrat befindet sich unmittelbar vor der Gegenelektrode, wobei es sich versteht, dass die Bezeichnungen „Elektrode" und „Gegenelektrode" rein konventionell und vertauschbar sind. Vorausgesetzt ist bei dem Verfahren, dass die zur Anregung des Plasmas angelegte Spannung überwiegend im Bereich der Plasmarandschicht vor Elektrode und Gegenelektrode abfällt und nur wenig im Bereich des quasineutralen Plasmabulks. Bei einem vor der Gegenelektrode angeordneten Substrat ist erstreckt sich die Plasmarandschicht ausgehend von der Substratoberfläche hin zum quasineutralen Plasmabulk.
Bei einer Plasmaentladung mit einem DC-Self-Bias ist die Dicke der Plasmarandschicht vor Elektrode bzw. Gegenelektrode unterschiedlich, wobei an der Randschicht mit der geringeren Dicke eine geringere mittlere Spannung abfällt. Wenn der Wert d vergleichbar ist mit s = se+sg, also d einen Wert ungefähr gleich s annimmt, wobei se eine Dicke einer Plasmarandschicht vor der Elektrode und sg eine Dicke einer Plasmarandschicht vor der Gegenelektrode bezeichnet, ist die Ausdehnung des quasineutralen Plasmabulks zwangsläufig relativ klein. Die Plasmarandschicht vor der Gegenelektrode erstreckt sich dabei bis zur Oberfläche der zu behandelnden Substratoberfläche. Bevorzugt ist ein Wert d in einem Bereich zwischen 1.1s und 2.5s, besonders bevorzugt ein Wert d in einem Bereich zwischen 1.1s und 1.2s, 1.4s, 1.6s, 1.8s oder 2.0s.
Die Rate, mit der die im neutralen Plasmabulk vorliegende aktivierte Gasspezie die Elektrode bzw. das Substrat beaufschlagt, ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren von der Lage des Bereichs der höchsten Konzentration der aktivierten Gasspezie und damit bei einem relativ schmalen quasineutralen Plasmabulk hauptsächlich von dem Abstand zwischen dem quasineutralen Plasmabulk und der Elektrode bzw. dem Substrat abhängig, und nimmt jeweils mit abnehmenden Abstand zwischen dem quasineutralen Plasmabulk und Elektrode bzw. Substrat zu. Dieser Abstand ist durch die Dicke der Plasmarandschicht se bzw. sg bestimmt, die bei einem DC- SeIf - Bias unterschiedliche Werte annimmt. Der quasineutrale BuIk liegt näher an der Elektrode bzw. Gegenelektrode, vor der die Randschicht mit der geringeren Dicke liegt. Daher kann die relative Beaufschlagung von Elektrode bzw. Substrat mit der aktivierten Gasspezie bei dem erfindungsgemäßen Abstand d durch Änderung der Dicke der Plasmarandschicht se und sg beeinflusst werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung hat der quasineutrale Plasmabulk eine lineare Ausdehnung dp <2/3d, dp < max (se, sg) oder dp < 0,5s. Als lineare Ausdehnung dp des quasineutralen Plasmabulks wird die Dicke des quasineutralen Plasmabulks parallel zu einem Querschnittsdurchmesser zwischen den gegenüberliegenden Flächen von Elektrode und Substrat bezeichnet. Auch in diesem Fällen kann in Abhängigkeit vom Wert des DC- SeIf- Bias, die Rate mit der das Substrat von aktivierten Gasspezie aus dem quasineutralen Plasmabulk beaufschlagt wird, kontrolliert werden.
Die Werte der Parameter d, se, sg und dp können in Abhängigkeit von Parametern der Plasmaentladung wie Entladungsspannung, Anregungsfrequenz oder Leistungsdichte variiert oder eingestellt werden, so dass d einen Wert in einem Bereich zwischen 1.1s und 2.5s, besonders bevorzugt ein Wert d in einem Bereich zwischen 1.1s und 1.2s, 1.4s, 1.6s, .1.8s oder 2.0s annimmt oder dass dp <2/3d, dp < max (se, sg) oder dp < 0,5s gilt.
Bevorzugt ist eine Variation von d bei konstanten Werten se, sg, und dp sowie eine Variation von se, sg und dp bei konstantem Wert d.
Die jeweiligen Werte der Dicke der Plasmarandschicht vor Elektrode und Gegenelektrode bzw. Substratoberfläche sowie der Dicke des quasineutralen Plasmabulks können in an sich bekannter Weise ermittelt werden. Vorzugsweise können die besagten Werte mit Methoden optischer Plasmadiagnostik, beispielsweise mittels Laserdiagnostik ermittelt werden. Es versteht sich, dass die besagten Werte auch theoretisch und/oder durch Computersimulation bestimmt werden können. Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die relative Lage eines geometrischen Schwerpunktes des quasi neutralen Plasmabulks zwischen Elektrode und Gegenelektrode in Abhängigkeit vom einem Wert des Abstandes d oder des DC-Self-Bias eingestellt oder verändert wird, womit die Beaufschlagung von Substrat und Elektrode mit aktiviertem Gasspezie zur Optimierung der Plasmabehandlung beeinflusst werden kann.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Lage des geometrischen Schwerpunktes in Richtung der zur behandelnden Oberfläche relativ zur Lage des besagten Schwerpunktes bei einer Plasmaentladung ohne DC-Self-Bias verschoben und damit die Beaufschlagung der zur behandelnden Oberfläche mit aktivierten Gasspezie vorteilhaft erhöht.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Plasmabehandlung eine Plasmabeschichtung, insbesondere wie sie bei der Herstellung von Solarzellen und Flachbildschirmen eingesetzt wird.
Ferner kann die Plasmabehandlung eine Oberflächenmodifikation durch das Plasma umfassen, wobei der Effekt eines lonenbombardements sowie der aktivierten Gasspezie auf die Oberflächenstruktur und Zusammensetzung des Substrats genutzt wird. Ferner kann die Plasmabehandlung auch ein Ätzen des Substrats umfassen, wobei der Einfluss des lonenbombardements sowie der aktivierten Gasspezie auf das Ätzen einer Oberfläche genutzt wird.
Allgemein kann die Anregung des Precursorgases thermisch (CVD), durch Plasmaanregung (PECVD) oder durch Lichtanregung (Foto - CVD) erfolgen.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt eine Aktivierung der Gasspezie durch Radikalenbildung im quasineutralen Plasmabulk selbst, da die im Plasmabulk erhöhte Elektronendichte eine Radikalenbildung erleichtert. Der quasineutrale Plasmabulk ist in diesem Fall Quellbereich und Bereich der höchsten Konzentration von aktivierten Gasspezie.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird als Gasspezie ein Precursorgas verwendet, welches in einem Plasma schichterzeugende Radikale bilden kann. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Precursorgas um Silan (SiH4) das in dem Plasma durch Elektronenstoß den Schichtprecursor SiH3 bildet. Bei dem Precursorgas kann es sich auch um CH4, TEOS (Si(OC2H5)4) oder andere Gase handeln, die gasförmig in die Prozesskammer eingelassen werden. Diese Verbindungen sind stabil, benötigen eine Anregung, um in eine schichtbildungsfähige Spezies umgesetzt zu werden. Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass als aktivierbare Gasspezie ein Reinigungsgas verwendet wird, welches in einem Plasma reaktive Radikale bilden kann, wie beispielsweise NF3.
Der räumliche Bereich in dem eine Aktivierung der aktivierbaren Gasspezie im Plasmabulk erfolgt, ist insbesondere bei der Beschichtung mit Silan oder ähnlichen Schichtbildungsgasen von Bedeutung für eine optimale Auslegung der Plasmavorrichtung hinsichtlich der Vermeidung von parasitärer Beschichtung. Wie in der Veröffentlichung von A.Pflug, M. Siemers, B. Szyszka, M. Geisler und R. Beckmann „Gas Flow and Plasma Simulation for Paralle Plate PACVD Reactors, 51 st SVC Technical Conference, April 23, 2008 Chicago dargestellt ist, erfolgt bei einer Plasmaentladung eines Silan/ Wasserstoffplasmas in einem Parallelplatten-Reaktor die Bildung der aktivierten Gasspezie durch plasma - aktivierte Dissoziation von Silan im Bereich des quasineutralen Plasmabulks. Daher kann durch die erfindungsgemäße Wahl, der die Geometrie der Plasmaentladung charakterisierenden Werte von d, se, sg und dp die Beschichtung der zu behandelnden Substratoberfläche relativ zu der Beschichtung der Elektrode vorteilhaft erhöht werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wird ein Prozessgas und/oder eine aktivierbare Gasspezie mittels einer Elektrode, welche eine Gasverteileinrichtung mit einer Vielzahl von Austrittsöffnungen für Gas umfasst, in dem Bereich zwischen Elektrode und Gegenelektrode transportiert, da auf diese Weise eine höhere Homogenität der Beaufschlagung einer zu behandelnden Substratoberfläche erreicht werden kann.
Gemäß einer weiteren für flache Substrate bevorzugten Ausführungsform, kann der DC-SeIf- Bias sehr einfach durch eine geometrische Asymmetrie von Elektrode und Gegenelektrode erreicht werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zur Erzeugung des DC-Self-Bias eine RF-Spannung verwendet, welche zumindest zwei harmonische Frequenzkomponenten mit vorgegebener relativer Phasenbeziehung zueinander aufweisen (Mischfrequenz), wobei zumindest eine der höheren Frequenzkomponenten eine geradzahlige harmonische Oberschwingung einer niedrigeren Frequenzkomponente ist. Die auf diese Weise erreichte Ausbildung des DC-SeIf - Bias wird im Folgenden als elektrischer Asymmetrie - Effekt bezeichnet.
Durch den elektrischen Asymmetrie-Effekt lässt sich eine asymmetrische Verteilung der Elektronendichte im quasineutralen Plasmabulk herstellen. Die Quellenstärke zur Erzeugung von Radikalen im quasineutralen Plasmabulk kann nun bei ansonsten homogen verteilter Elektronentemperatur bzw. Energieverteilungsfunktion im quasineutralen Plasmabulk als proportional zur Elektronendichte angenommen werden. Die Beaufschlagung der Elektroden mit aktivierten Gasspezie, d.h. der Radikalenfluss auf die Elektroden ist dann über die Diffusionsgleichung durch das Dichteprofil der Elektronen gegeben. Dies sein im Folgenden für den Fall vollständig adsorbierender Elektroden dargelegt. Der Fall nicht vollständig adsorbierender Elektroden lässt sich analog mit veränderten Randbedingungen behandeln.
Die Elektroden seien auf einer normierten Längenskala bei x = pi lokalisiert. N bezeichne die Dichte der Radikale und f(x) eine zur Elektronendichte proportionale Quellenfunktion. Damit ergibt sich:
32N
=/(x) mit _V(±1) =0 dx (1 )
Der Fluss ist aufgrund des Ficksche-Gesetzes proportional zur Ableitung der Dichte nach dem Ort. R bezeichne das Verhältnis der Absolutbeträge der Flüsse auf beide Elektroden:
Man erhält durch elementare Integration von Gleichung (1) als Lösung:
Als Beispiel sei hier der Extremfall einer deltaförmigen Quellenfunktion am Ort x = s diskutiertt: f(x) = a D(x-s). Es ergibt sich sodann:
RJ + s \ - s (4)
Man erkennt deutlich, wie sich über Variation des Ortes s zwischen -1 und 1 beliebige Verhältnisse zwischen Null und Unendlich einstellen lassen.
Alternativ kann man als charakteristische Größe auch die Kontrastfunktion K benutzen. Diese ist durch den Quotienten aus der Differenz der Absolutwerte der Flüsse und der Summe der Absolutwerte der Flüsse gegeben. Im vorliegenden Fall ist der Fluss zur Elektrode bei x = +1 positiv und bei x = -1 negativ. Diesen Vorzeichenwechsel eingerechnet erhält man:
Für das oben betrachtete Beispiel der Delta-Funktion erhält man damit K = s. K variiert also zwischen -1 und +1, wobei negative Werte eine Dominanz des Flusses zur Elektrode bei x = -1 kennzeichnen und positive Werte eine Dominanz zur Elektrode bei x = +1.
Der elektrische Asymmetrieeffekt ermöglicht es, die lonenenergie und den lonenfluss mit denen Elektrode und Substrat beaufschlagt werden, unabhängig voneinander zu kontrollieren.
Bevorzugt wird eine derartige Erzeugung des DC-Self-Bias im Fall einer geometrischen Symmetrie von Elektrode und Gegenelektrode eingesetzt, insbesondere bei einer Plasmavorrichtung die ausgelegt ist für die Behandlung von flachen Substraten mit einer zu behandelnden Oberfläche von mehr als > 1m2, beispielsweise 1.2m x 1.2m.
Bevorzugte Verfahren sowie Vorrichtungen zur Erzeugung eines DC-Self-Bias sind in der unveröffentlichten Patentanmeldung PCT/EP 2008/059133 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt in vollem Umfang durch Bezugnahme zum Offenbarungsgehalt der vorliegenden Patentanmeldung gemacht wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wird der DC-Self-Bias in Abhängigkeit von der relativen Phasenbeziehung zwischen den harmonischen Frequenzkomponenten und/oder den Amplituden der zwei harmonischen Frequenzkomponenten der RF-Spannung verändert, womit lonenenergie und lonenfluss, mit der das Substrat beaufschlagt wird, dynamisch während einer Plasmabehandlung kontrolliert werden können.
Besonders bevorzugt ist, wenn in Abhängigkeit von der relativen Phasenbeziehung zwischen zwei harmonischen Frequenzkomponenten eine Einstellung eines relativen Verhältnisses von lonenenergie an Elektrode und Gegenelektrode beziehungsweise Substrat erfolgt, womit eine Änderung der lonenenergien ohne größere Änderungen der lonenflüsse möglich ist.
Es ist bevorzugt, wenn Substrat, Elektrode und Gegenelektrode eine flache Oberfläche aufweisen. Bevorzugt ist sind die genannten Oberflächen plan. Es versteht sich, dass Substrat, Elektrode und Gegenelektrode auch konkave oder konvexe Oberflächen aufweisen können. Bevorzugt ist insbesondere eine Plasmabeschichtung von Substraten mit einer Fläche von 1m2 und mehr mittels eines Precursorgases.
Bei der Herstellung von amorphen oder mikrokristallinen Beschichtungen ist ein Prozessgasdruck zwischen 100 Pa und 2000 Pa, insbesondere 1300 Pa1 und eine Leistungsdichte zwischen 0.01 W/cm3 und 5 W/cm3, insbesondere 1 W/cm3 bevorzugt. Die Ausgangsleistung des HF- Generators liegt in einem Bereich zwischen 5OW und 5OkW, vorzugsweise bei 1 kW.
Insbesondere bei der Herstellung von amorphen oder mikrokristallien Beschichtungen sind Werte von se zwischen 2mm und 10mm sowie Werte von sg zwischen 1mm und 5mm bevorzugt. Ferner sind Werte von dp zwischen 1mm und 5mm bevorzugt. Ein bevorzugter Wert von d liegt zwischen 5mm und 20 mm.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Plasmabehandlung eines Substrats umfasst
Mittel zur Anregung einer kapazitiv gekoppelten, einen DC- SeIf - Bias aufweisenden Plasmaentladung in einem Bereich zwischen einer Elektrode und einer Gegenelektrode sowie
Mittel zum Transport einer Menge zumindest einer aktivierbaren Gasspezie in einen Bereich der Plasmaentladung mit einem quasineutralen Plasmabulk, wobei
das Substrat zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode mit einem Abstand d zwischen einem zu behandelnden Oberflächenbereich des Substrats und der Elektrode angeordnet ist oder anordenbar ist.
Die Vorrichtung ist derart ausgelegt, dass eine Plasmaentladung mit einem DC- SeIf - Bias anregbar ist.
Die Vorrichtung zeichnet sich aus durch ein Steuergerät zur Ansteuerung der Vorrichtung vorgesehen ist, so dass sich eine Plasmaentladung einstellt
bei der der Abstand d einen Wert in einem Bereich zwischen s und 2.5s aufweist, wobei se eine Dicke einer Plasmarandschicht vor der Elektrode und sg eine Dicke einer Plasmarandschicht vor der Gegenelektrode bezeichnet oder - bei der der quasineutrale Plasmabulk zwischen dem zu behandelndem
Oberflächenbereich und der Elektrode eine lineare Ausdehnung dp mit dp < 1/3d, dp< max( se+sg) oder dp < 0.5s aufweist.
Die Vorteile der Vorrichtung entsprechen denen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Das Steuergerät umfasst Mittel zur Erzeugung der den DC-Self-Bias aufweisenden Plasmaentladung mittels einer RF-Spannung, wobei die RF-Spannung zumindest zwei harmonische Frequenzkomponenten mit vorgegebener relativer Phasenbeziehung zueinander aufweist und zumindest eine der höheren Frequenzkomponenten eine geradzahlige harmonische Oberschwingung einer niedrigeren Frequenzkomponente ist.
Zur Ermittlung der jeweils vorliegenden Werte der Dicke der Plasmarandschicht vor Elektrode und Gegenelektrode bzw. Substratoberfläche sowie der Dicke des quasineutralen Plasmabulks sind an sich bekannte Mittel zur Plasmadiagnostik vorgesehen, die Eingangswerte für das Steuergerät liefern. Vorzugsweise sind Mittel zur optischen Plasmadiagnostik, beispielsweise zur Plasmalaserdiagnostik vorgesehen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher beschrieben, denen auch unabhängig von der Zusammenfassung in den Patentansprüchen weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung zu entnehmen sind.
Es zeigen in schematischer Darstellung
Figur 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Plasmabehandlung flacher Substrate
Figur 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Plasmabehandlung flacher Substrate
Figur 3 einen Verlauf des elektrischen Potentials sowie der
Konzentration einer schichtbildenden aktivierten Gasspezie in einem Bereich zwischen einer Elektrode und einer Gegenelektrode für eine harmonische RF- Anregungsspannung und eine Anregungsspannung mit einer Mischfrequenz.
Fig. 1 zeigt in vereinfachter Darstellung eine Plasmavorrichtung (Reaktor 1) zur Behandlung von vorzugsweise flachen und rechteckigen Substraten 3. Der Reaktor 1 kann beispielsweise als PECVD - Reaktor ausgelegt sein. Der Reaktor 1 umfasst Mittel zur Anregung einer kapazitiv gekoppelten, einen DC- SeIf - Bias aufweisenden Plasmaentladung in einem Bereich zwischen einer Elektrode und einer Gegenelektrode, insbesondere einen Prozessraum 9 mit einer Elektrode 5 sowie einer geerdeten Gegenelektrode 7, die zur Erzeugung eines Plasmas zur Behandlung einer zu behandelnden Oberfläche eines oder mehrerer flacher Substrate 3 ausgelegt sind. Die Elektrode 5 kann zur Erzeugung eines elektrischen Feldes in dem Prozessraum 9 an eine nicht näher dargestellte Hochfrequenz - Versorgungsquelle, vorzugsweise eine RF-Spannungsquelle angeschlossen werden oder angeschlossen sein, wobei ein Steuergerät mit zugehörigen Steuerungsmitteln sowie optional vorgesehene Mittel zur Plasmadiagnostik vorhanden, jedoch nicht dargestellt sind. Das Substrat 3 befindet sich unmittelbar vor der geerdeten Gegenelektrode 7, wobei es sich versteht, dass auch eine andere Verschaltung der Elektroden vorgesehen sein kann. Die Elektroden 5,7 sind vorzugsweise ausgelegt zur Behandlung von Substraten mit einer Fläche von mindestens 1 m2 als Behandlungs- oder Bearbeitungsschritt bei der Herstellung von hocheffizienten Dünnschichtsolarmodulen, beispielsweise für amorphe oder mikrokristalline Silizium - Dünnschicht - Solarzellen.
Die Elektroden 5,7 bilden zwei gegenüberliegende Wände des Prozessraumes 9. Der Prozessraum 9 befindet sich in einer Vakuumkammer 11, die eine Be- und Entladungsöffnung 49 aufweist, welche mit einer Verschlussvorrichtung 35 verschließbar ist. Die Verschlussvorrichtung ist optional. Die Vakuumkammer 11 wird durch ein Gehäuse 13 des Reaktors 1 gebildet. Zur Abdichtung gegenüber der Umwelt sind Dichtungen 15 vorgesehen.
Die Vakuumkammer 11 kann eine beliebige Raumform, beispielsweise mit einem runden oder mehreckigen, insbesondere rechteckigen Querschnitt aufweisen. Der Prozessraum 9 ist beispielsweise als flaches Parallelepiped ausgebildet. In einer anderen Ausführungsform ist die Vakuumkammer 11 selbst der Prozessraum 9.
Die Elektrode 5 ist in einer Haltestruktur 31 in der Vakuumkammer 11 angeordnet, die von der Gehäuserückwand 33 gebildet ist. Dazu ist die Elektrode 5 in einer Ausnehmung der Haltestruktur 31 untergebracht und von der Vakuumkammerwand durch ein Dielektrikum getrennt. Ein Pumpkanal 29 ist durch eine nutförmige zweite Ausnehmung in der Haltestruktur 31 gebildet.
Das Substrat 3 wird durch die Gegenelektrode 7 auf ihrer der Elektrode 5 zugewandten Vorderseite durch eine Halterung 34 aufgenommen.
Zum Einbringen und zum Entfernen von gasförmigem Material sind an sich bekannte Mittel vorgesehen, wobei es sich bei dem gasförmigen Material beispielsweise um Argon (Ar) und/oder Wasserstoff (H2) handeln kann. Insbesondere sind Mittel zum Transport einer Menge zumindest einer aktivierbaren Gasspezie in einen Bereich der Plasmaentladung mit einem quasineutralen Plasmabulk vorgesehen. Vorzugsweise wird als Gasspezie ein Precursorgas verwendet, welches in einem Plasma schichterzeugende Radikale bildet. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Precursorgas um Silan (SiH4) das in dem Plasma durch Elektronenstoß den Schichtprecursor SiH3 bildet. Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass als aktivierbare Gasspezie ein Reinigungsgas verwendet wird, beispielsweise NF3. Das Einbringen und Entfernen des gasförmigen Materials kann sowohl sequenziell als auch parallel erfolgen.
Als Mittel zum Einbringen von gasförmigem Material ist eine Beschichtungsmaterialquelle 19 mit einem Kanal 23 vorgesehen, die an eine Gasverteilungsvorrichtung angeschlossen sind. Die Gasverteilungsvorrichtung ist in die Elektrode 5 integriert, kann jedoch in anderen Ausführungsformen auch separat von der Elektrode ausgebildet sein. Die Gasverteilungsvorrichtung weist in der vorliegenden Ausführungsform eine Gasaustrittsplatte 25 auf; diese umfasst eine Vielzahl von in den Prozessraum 9 mündenden Öffnungen durch die gasförmiges Material in den Prozessraum 9 eingebracht werden kann. Die Gasverteilungsvorrichtung ist vorzugsweise derart ausgelegt, dass eine homogene Beaufschlagung des Substrats 3 mit Gasspezies erreicht werden kann. Vorzugsweise ist die Vielzahl von Austrittsöffnungen gleichmäßig in der Gasaustrittsplatte 25 verteilt, so dass das gasförmige Material gleichmäßig verteilt in die Prozesskammer 9 geleitet wird.
Es versteht sich, dass die Mittel zum Einbringen von gasförmigem Material auch verschieden von der der Darstellung in Figur 1 ausgebildet sein können, ebenso wie die Gasverteilereinrichtung 25.
Der Reaktor 1 umfasst eine Vorrichtung zum Einstellen und/oder Variieren des relativen Abstandes zwischen den Elektroden, welche in der Ausführungsform der Fig. 1 als Schiebebolzen 41 , der mittels einer Lagerplatte 43 eine Linearbewegung in der Vakuumkammer 11 ausführen kann, ausgebildet ist. Der Schiebebolzen 41 ist mit der Elektrode 5 abgewandten Rückseite der Gegenelektrode 7 verbunden. Ein dem Schiebebolzen 41 zugeordneter Antrieb ist nicht dargestellt.
In der Darstellung der Fig. 1 ist vorgesehen, dass die Gegenelektrode 7 während der Durchführung der Plasmabehandlung die Ausnehmung abdeckt. Vorzugsweise weist die Gegenelektrode Kontaktelemente 38 für zugeordnete Kontaktelemente 37 der Haltestruktur auf, so dass die Gegenelektrode während der Durchführung der Plasmabehandlung auf dem elektrischen Potential der Vakuumkammer 11 liegt.
Erfindungsgemäß ist in einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass die Gegenelektrode 7 eine in den Fig. 1 nicht dargestellte Vorrichtung zur Aufnahme von flachen Substraten aufweist, die derart ausgebildet ist, dass das oder die Substrate zumindest während der Durchführung der Behandlung der zu behandelnden oder behandelten Oberfläche nach unten orientiert mit einem Winkel Alpha in einem Bereich zwischen 0° und 90° gegenüber der Lotrichtung angeordnet sind. Bei einer derartigen Anordnung eines Substrats können Kontaminationen der zu behandelnden, insbesondere zu beschichtenden oder beschichteten Oberfläche des Substrats vermieden oder zumindest reduziert werden, da die betreffenden Partikel im Schwerefeld nach unten und sich damit von der gefährdeten Oberfläche entfernen. Es versteht sich, dass in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung die zu behandelnde Oberfläche nach oben orientiert sein kann.
Bei der Be- oder Entladung der Prozesskammer 9 mit dem Substrat 3 ist ein relativ großer Abstand zwischen Elektrode 5 und Gegenelektrode 7 und eine zweiter relativ geringer Abstand bei Durchführung der Behandlung des Substrats 3 vorgesehen.
Bei der Plasmabehandlung wird mittels einer Hochfrequenzspannung ein Plasma (in Figur 1 nicht dargestellt) in einem Bereich zwischen Elektrode 5 und Gegenelektrode 7, genauer zwischen der Gasaustrittsplatte 25 und dem an der Gegenelektrode 5 gehalterten Substrat 3 angeregt. Zur Plasmabehandlung wird ferner zusätzlich vorzugsweise Reaktionsgas in über die Gasaustrittsplatte 25 homogen verteilt in das Plasma eingebracht. Das Reaktionsgas liegt in einem eine relativ hohe Elektronendichte aufweisenden quasineutralen Plasmabulk der Plasmaentladung zwischen dem zu behandelndem Substrat und der Gasaustrittsplatte 25 als aktivierte Gasspezie vor, mit welcher die zu behandelnde Oberfläche des Substrats 3 beaufschlagt wird.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht eine geometrische Asymmetrie zwischen Elektrode 5 und Gegenelektrode 7, da die Flächen der Elektroden unterschiedlich groß gewählt sind, wobei es zur Ausbildung eines geometrischen DC - SeIf - Bias kommt.
Das Steuergerät steuert die Vorrichtung so an, dass sich eine asymmetrische Plasmaentladung einstellt wie im Folgenden dargestellt ist.
Erfindungsgemäß ist ein Abstand zwischen Substrat 3 (bzw. Oberfläche des Substrats 3) und Gasaustrittsplatte 25 bei der Behandlung vorgesehen, dessen Wert vergleichbar ist mit s = se+sg , wobei se eine Dicke einer Plasmarandschicht vor der Elektrode und sg eine Dicke einer Plasmarandschicht vor der Gegenelektrode bezeichnet. Ferner kann der besagte Abstand so gewählt sein, dass der quasineutrale Plasmabulk zwischen dem zu behandelndem Oberflächenbereich und der Gegenelektrode eine lineare Ausdehnung dp mit dp <1/3d, dp< max(se+Sg) oder dp < 0.5s aufweist. Als lineare Ausdehnung dp des quasineutralen Plasmabulks wird dabei die Dicke des quasineutralen Plasmabulks parallel zu einem Querschnittsdurchmesser zwischen den gegenüberliegenden Flächen von Gasaustrittsplatte 25 und Substrat 3 bezeichnet.
In einem weiteren, zu dem in Figur 1 dargestellten analogen Ausführungsbeispiel, sind Elektrode 5 und Gegenelektrode 7 geometrisch symmetrisch ausgebildet und/oder der DC - SeIf - Bias wird mittels einer geeigneten nicht - harmonischen RF - Anregungsspannung erzeugt, wie im weiteren genauer dargestellt wird.
Figur 2 zeigt in vereinfachter Darstellung eine der Figur 1 entsprechende Plasmavorrichtung mit einer Vakuumkammer 100, einer Vakuumkammerwand 102, einem Gaseinlass 104, einem Gasauslass 106, mit einer RF-Spannungsversorgung 120 verbundenen Elektrode 112 und einer geerdeten Gegenelektrode 108. Optional kann der Abstand zwischen Elektrode 112 und Gegenelektrode 110 variiert werden. Zur Ansteuerung der Plasmavorrichtung ist ein Steuergerät 125 vorgesehen. Vorzugsweise ist die Elektrode 112 mit einer integrierten Gasverteilungsvorrichtung versehen, die in Figur 2 jedoch nicht dargestellt ist. Zwischen den Elektroden 108 und 112 wird ein Plasma 114 erzeugt.
Erfindungsgemäß weist das Steuergerät 125 Mittel zur Erzeugung der den DC-Self-Bias aufweisenden Plasmaentladung mittels einer RF-Spannung auf. Eine RF-Spannung wird mittels des RF-Spannungsversorgungssystems 120 erzeugt, wobei die RF-Spannung zwei harmonische Frequenzkomponenten mit vorgegebener relativer Phasenbeziehung zueinander aufweist, wobei die höhere Frequenzkomponente eine geradzahlige harmonische Oberschwingung der niedrigeren Frequenzkomponente ist. Im vorliegenden Beispiel, ist ein Substrat 110 unmittelbar vor der geerdeten Elektrode 108 angeordnet, wobei es sich jedoch versteht dass das Substrat auch vor der Elektrode 112 angeordnet sein könnte - mit einer entsprechenden Anpassung der Gasverteilungsvorrichtung. Es versteht sich weiter, dass auch die elektrische Verschaltung von Elektrode und Gegenelektrode sich von der in Figur 2 gezeigten Darstellung unterscheiden kann; beispielsweise kann in einer weiteren Ausführungsform jeweils eine der erwähnten Frequenzkomponenten an Elektrode beziehungsweise Gegenelektrode angelegt sein.
Wie in Figur 2 dargestellt ist, bilden sich zwischen dem Plasma 114 und Oberflächen, die dem Plasma ausgesetzt sind, Plasmarandschichten 116, 118, 119, in deren Bereich der Großteil des Spannungsabfalls auftritt, während nur ein geringer Spannungsabfall im Bereich des quasineutralen Plasmabulks erfolgt. Erfindungsgemäß wird durch die angelegte RF- Spannung ein DC-Self-Bias erzeugt, der eine Asymmetrie in den Plasmarandschichten 118 und 119 vor Elektrode 112 und Gegenelektrode 108 erzeugt, so dass die Dicke der Plasmarandschicht SE der Elektrode unterschiedlich von der Dicke der Plasmarandschicht SG vor der Gegenelektrode ist. Eine detaillierte Beschreibung dieses Verfahrens sowie korrespondierender Vorrichtungen zur Erzeugung des DC-Self-Bias sind der oben genannten PCT/EP 2008/059133 zu entnehmen.
Erfindungsgemäß kann durch Variation der Phasenbeziehung zwischen den zwei Frequenzkomponenten der Spannungsabfall an Elektrode und Gegenelektrode beziehungsweise Substratoberfläche variiert werden, dem auch bei geometrisch symmetrischen Elektroden eine Asymmetrie der jeweiligen Plasmarandschichten entspricht.
In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Steuergerät 120 Mittel zur Eingabe einer gewünschten lonenenergie und/oder eines gewünschten lonenstroms im Bereich der Substratoberfläche. Ferner sind Steuermittel zur Einstellung einer Leistungsdichte des Plasmas und Mittel zu Einstellung einer Amplitude und/oder relativen Phasenbeziehung der harmonischen Frequenzkomponenten der RF-Spannung zur Einstellung der lonenenergie des Plasmas und/oder des lonenflusses des Plasmas sowie Mittel zur Steuerung der Amplitude und/oder relativen Phasenbeziehung der harmonischen Frequenzkomponenten der RF-Spannung vorgesehen.
Das Steuergerät 125 ist mit Mitteln zur Plasmadiagnostik 126 zur Ermittlung von jeweils vorliegenden Werten der Dicke der Plasmarandschicht vor Elektrode se und Substratoberfläche sg verbunden. Ferner kann mit den Mitteln 126 optional auch die lineare Ausdehnung dp des quasineutralen Plasmabulks gemessen werden. Die Messwerte sind als Eingangswerte dem Steuergerät zuführbar.
Für den Fall einer Anregungsspannung
V AC(t) = 315 (cos (2π/t +θ) + cos (4π/t))
wobei f=13,56 mHz ist und θ die Phasendifferenz zwischen den beiden harmonischen Komponenten von VAC bezeichnet, sind in der PCT/EP 2008/059133 Monte-Carlo- Simulationen des Spannungsabfalls zwischen Elektrode und Gegenelektrode vorgenommen worden. Es konnte dabei gezeigt werden, dass bei einer geerdeten Gegenelektrode für θ = 0, der Spannungsabfall auf Grund des mit der angegebenen RF-Spannung erzeugten DC- Self-Bias an der Substratsoberfläche geringer ist, als an der Elektrode. Dem entspricht eine geringere Energie, der die Substratoberfläche als die Elektrode beaufschlagenden Ionen. Bei einer relativen Phasendifferenz von θ = π/2 zwischen den beiden harmonischen Frequenzkomponenten kehren sich die Verhältnisse um: in diesem Fall ist der Spannungsabfall an der Substratoberfläche höher als der Spannungsabfall an der Elektrode und dementsprechend die Energie, der die Substratoberfläche beaufschlagenden Ionen höher als die Energie der Ionen, die die Elektrode beaufschlagen. Bei einer symmetrischen Quellenfunktion, d.h. f(-x) = f(x) ergeben sich hingegen bis auf die Vorzeichen immer gleiche Werte für die beiden Integrale und das Verhältnis der Flüsse ist exakt eins.
Figur 3 ist am Beispiel einer Plasmabeschichtung mit Silan ohne DC-Self-Bias (Figur 3A) und mit DC-Self-Bias (Figur 3B) das elektrische Potential U (jeweils untere Kurve, linke Ordinate) sowie eine Elektronendichte ne, der eine Konzentration der aktivierten Gasspezie [SiH3 ] entspricht (jeweils obere Kurve, rechte Ordinate) dargestellt. Werte der x-Achse entsprechen jeweils Orten zwischen Elektrode und Gegenelektrode, wobei der Wert x = 0 der Oberfläche des Substrats und x= d der Oberfläche der Elektrode entsprechen. Ferner ist in Figuren 3A und 3B jeweils bei x = 0 und x = d eine Beschichtungsrate Bs bzw. Be beziehungsweise die innerhalb eines Zeitintervalls erreichte Beschichtungsdicke auf der Substratoberfläche (links) beziehungsweise der Oberfläche der Elektrode (rechts) veranschaulicht.
Das Beschichtungsgas Silan wird vorzugsweise über eine in die Elektrode integrierte Gasverteilungsvorrichtung homogen in den Bereich zwischen Elektrode und Substrat eingebracht. Der Abstand d ist so klein gewählt, dass sein Wert vergleichbar s=se+sg ist.
In Figur 3a ist für den Fall einer Plasmaentladung ohne DC-Self-Bias zu erkennen, dass der quasineutrale Plasmabulk in wesentlichen symmetrisch in dem Bereich zwischen Elektrode und der Substratoberfläche positioniert ist. Dieser Position des quasineutralen Plasmabulks entspricht, dass der Bereich mit der höchsten Konzentration an aktivierten Gasspezie [SiH3], entsprechend dem nach unten gerichteten Pfeil der oberen Kurve, gleichen Abstand von Elektrode und Substratoberfläche aufweist. Elektrode und Substratoberfläche werden daher mit in wesentlichen gleicher Rate von den aktivierten Gasspezie beaufschlagt, mit der Folge einer gleich starken Beschichtung von Elektrode und Substratoberfläche.
In Figur 3b ist im Vergleich dargestellt, dass der Bereich des quasineutralen Plasmabulks in Richtung auf die Substratoberfläche verschoben ist. Dem entsprechen ein geringerer Potentialabfall an der Substratoberfläche und ein höherer Potentialabfall an der Elektrode. Der Bereich der höchsten Konzentration an aktivierten Gasspezie [SiH3] ist gleichfalls zur Substratoberfläche verschoben und weist daher einen größeren Abstand von der Elektrodenoberfläche auf. Dem entsprechend weist die Substratoberfläche eine höhere Beschichtungsrate Bs gegenüber der Beschichtungsrate Be der Elektrode auf. Bezugszeichenliste
I Plasmavorrichtung, Reaktor 3 Substrat
5 erste Elektrode
7 zweite Elektrode, Gegenelektrode
9 Prozessraum
I 1 Vakuumkammer 13 Gehäuse
15 Dichtung
18 Vakuumleitungen
19 Beschichtungsmaterialquelle 1 Oberfläche 3 Kanal 5 Gasaustrittsplatte 7 Verschlussvorrichtung 9 Pumpkanal 1 Trennwand 3 Gehäuserückwand 4 Halterung 5 Verschlussvorrichtung 7 Kontaktstelle 8 Kontaktstelle 9 Doppelpfeil 1 Schiebebolzen 3 Lagerplatte 5 Gehäusewand 7 Doppelpfeil 9 Öffnung 00 Plasmavorrichtung 02 Kammerwand 04 Gaseinlass 06 Gasaustrittsöffnung 08 Elektrode 10 Substrat 12 Gegenelektrode 14 Plasma 16 Plasmarandschicht 18 Plasmarandschicht 119 Plasmarandschicht
120 Spannungsversorgungssystem
125 Steuergerät
126 Mittel zur Plasmadiagnostik

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Plasmabehandlung eines Substrats in einer Plasmavorrichtung, wobei
das Substrat zwischen einer Elektrode und einer Gegenelektrode mit einem Abstand d zwischen einem zu behandelnden Oberflächenbereich des Substrats und der Elektrode angeordnet wird,
zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode eine eine kapazitiv gekoppelte Plasmaentladung mit Bildung eines DC- SeIf - Bias angeregt wird,
in einem Bereich der Plasmaentladung zwischen dem zu behandelnden Oberflächenbereich und der Elektrode mit einem quasineutralen Plasmabulk eine Menge zumindest einer aktivierbaren Gasspezie vorliegt, mit welcher ein zu behandelnder Oberflächenbereich des Substrats beaufschlagt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Plasmaentladung angeregt wird,
bei der der Abstand d einen Wert in einem Bereich zwischen s und 2.5s aufweist, mit s = se+sg, wobei se eine Dicke einer Plasmarandschicht vor der Elektrode und sg eine Dicke einer Plasmarandschicht vor der zu behandelnden Substratoberfläche bezeichnet oder
bei der der quasineutrale Plasmabulk zwischen dem zu behandelndem Oberflächenbereich und der Elektrode eine lineare Ausdehnung dp mit dp < 1/3d, dp< max( se+sg) oder dp < 0.5s aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die relative Lage eines geometrischen Schwerpunktes des quasineutralen Plasmabulks zwischen Elektrode und Gegenelektrode in Abhängigkeit von einem Wert des Abstandes d und/oder des DC - SeIf - Bias eingestellt oder verändert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage des besagten geometrischen Schwerpunktes in Richtung der besagten zu behandelnden Oberfläche relativ zur Lage des besagten Schwerpunktes bei einer Plasmaentladung ohne DC-Self-Bias verschoben wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmabehandlung eine Plasmabeschichtung, eine Oberflächenmodifikation oder ein Ätzen des Substrats umfasst.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aktivierung der Gasspezie durch Radikalenbildung vorzugsweise im Bereich des quasineutralen Plasmabulks erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als aktivierbare Gasspezie ein Precursorgas verwendet wird, welches in einem Plasma schichterzeugende Radikale bilden kann.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass als aktivierbare Gasspezie ein Reinigungsgas verwendet wird, welches in einem Plasma reaktive Radikale bilden kann.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine aktivierbare Gasspezie mittels einer Elektrode, welche eine Gasverteilereinrichtung mit einer Vielzahl von Austrittsöffnungen für Gas umfasst, in den Bereich zwischen Elektrode und Gegenelektrode transportiert wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des DC-Self-Bias eine geometrische Asymmetrie von Elektrode und Gegenelektrode vorgesehen ist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des DC-Self-Bias, vorzugsweise bei einer geometrischen Symmetrie von Elektrode und Gegenelektrode, eine RF-Spannung verwendet wird, welche zumindest zwei harmonische Frequenzkomponenten mit vorgegebener relativer Phasenbeziehung zueinander aufweist, wobei zumindest eine der höheren Frequenzkomponenten eine geradzahlige harmonische Oberschwingung einer niedrigeren Frequenzkomponente ist.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der DC-Self-Bias in Abhängigkeit von der relativen Phasenbeziehung zwischen den zumindest zwei harmonischen Frequenzkomponenten und / oder den Amplituden der zumindest zwei harmonischen Frequenzkomponenten der RF-Spannung verändert wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der relative Phasenbeziehung zwischen den zumindest zwei harmonischen Frequenzkomponenten eine Einstellung eines relativen Verhältnisses von lonenenergien an Elektrode und Gegenelektrode erfolgt.
13. Vorrichtung zur Plasmabehandlung eines Substrats, umfassend
Mittel zur Anregung einer kapazitiv gekoppelten, einen DC- SeIf - Bias aufweisenden Plasmaentladung in einem Bereich zwischen einer Elektrode und einer Gegenelektrode sowie
Mittel zum Transport einer Menge zumindest einer aktivierbaren Gasspezie in einen Bereich der Plasmaentladung mit einem quasineutralen Plasmabulk, wobei
das Substrat zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode mit einem Abstand d zwischen einem zu behandelnden Oberflächenbereich des Substrats und der Elektrode angeordnet ist oder anordenbar ist
dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuergerät zur Ansteuerung der Vorrichtung vorgesehen ist, so dass sich eine Plasmaentladung einstellt
bei der der Abstand d einen Wert in einem Bereich zwischen s und 2.5s aufweist, mit s = se+sg , wobei se eine Dicke einer Plasmarandschicht vor der Elektrode und sg eine Dicke einer Plasmarandschicht vor der zu behandelnden Substratoberlfäche bezeichnet oder
bei der der quasineutrale Plasmabulk zwischen dem zu behandelndem Oberflächenbereich und der Elektrode eine lineare Ausdehnung dp mit dp < 1/3d, dp< max( se+sg) oder dp < 0.5s aufweist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Einstellung des Abstandes d vorgesehen ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode eine Gasverteilereinrichtung mit einer Vielzahl von Austrittsöffnungen für Gas umfasst, mit der zumindest eine aktivierbare Gasspezie in den Bereich zwischen Elektrode und Gegenelektrode transportierbar ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät Mittel zur Erzeugung der den DC-Self-Bias aufweisenden Plasmaentladung mittels einer RF-Spannung umfasst, wobei die RF-Spannung zumindest zwei harmonische Frequenzkomponenten mit vorgegebener relativer Phasenbeziehung zueinander aufweist und zumindest eine der höheren Frequenzkomponenten eine geradzahlige harmonische Oberschwingung einer niedrigeren Frequenzkomponente ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät umfasst
Mittel zur Eingabe einer gewünschten lonenenergie und/oder eines gewünschten lonenstroms zur Beaufschlagung einer zu behandelnden Substratoberfläche
Steuermittel zur Einstellung einer Leistungsdichte des Plasmas
Mittel zu Einstellung einer Amplitude und/oder relativen Phasenbeziehung der harmonischen Frequenzkomponenten einer RF-Spannung zur Einstellung der lonenenergie des Plasmas und/oder des lonenflusses des Plasmas
Mittel zur Steuerung der Amplitude und/oder relativen Phasenbeziehung der harmonischen Frequenzkomponenten der RF-Spannung.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch dass zur Ermittlung von jeweils vorliegenden Werten der Dicke der Plasmarandschicht vor Elektrode se und Substratoberfläche sg und/oder der linearen Ausdehnung dp des quasineutralen Plasmabulks Mittel zur Plasmadiagnostik vorgesehen sind, die als Eingangswerte dem Steuergerät zuführbar sind.
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