WO2001063981A1 - Hochfrequenz-plasmaquelle - Google Patents

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WO2001063981A1
WO2001063981A1 PCT/EP2001/001952 EP0101952W WO0163981A1 WO 2001063981 A1 WO2001063981 A1 WO 2001063981A1 EP 0101952 W EP0101952 W EP 0101952W WO 0163981 A1 WO0163981 A1 WO 0163981A1
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Manfred Weiler
Roland Dahl
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Ccr Gmbh Beschichtungstechno Logie
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    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/46—Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy

Definitions

  • the invention relates to a device for the efficient excitation of a low-pressure gas discharge (plasma).
  • the device provides a highly ionized and charge-compensated plasma jet, which consists of a high-density low-pressure
  • Plasma is extracted.
  • the properties of the plasma beam e.g. ion energy, ion current density, composition of the ion beam
  • a negative or positive particle stream can be extracted in connection with a system for the selective extraction of electrons or ions.
  • Plasma systems are of the utmost importance for the production and processing of solid materials in high technology.
  • plasma reactors that generate quasi-neutral plasma jets.
  • These plasma reactors also referred to below as plasma sources, can be used in a wide variety of areas of application for plasma processing. This includes the deposition and growth of thin layers, sputtering, etching, cleaning, etc.
  • a plasma jet consists in equal parts of positively charged ions and (negatively charged) electrons and is therefore electrically neutral.
  • the quasi-neutrality of the plasma jet allows the coating and surface treatment of electrically insulating materials without the need for an additional structure to neutralize the plasma jet.
  • Electrodes form a bias voltage, the size of which depends on the electrode area and the applied high-frequency amplitude.
  • the substrate is placed on the cathode.
  • the disadvantage of the capacitively coupled high-frequency systems is the very low plasma density, which results from the inefficient coupling of the high-frequency power into the plasma.
  • the particle stream incident on the substrate contains only about 5% of energetic particles. This is not sufficient for many practical applications which require an energetic ion-dominated process.
  • Another disadvantage of conventional high-frequency plasma sources is the broad ion energy distribution. In addition, these have
  • the U.S. Patent 5,017,835 describes a high-frequency ion source for generating large-area ion beams, inductive high-frequency energy being coupled into the plasma.
  • This source uses the electron cyclotron wave resonance excitation of a plasma in a tubular plasma vessel which is clamped between a carrier plate and an end plate.
  • a tunable intermediate circuit connects the high-frequency generator to the load circuit coil.
  • a weak direct current magnetic field is superimposed on the plasma.
  • An ion-optical system for ion extraction consisting of several electrodes is arranged in the carrier plate.
  • a quasi-neutral plasma jet is extracted from a low-pressure plasma generated by electrical and magnetic fields by applying a high-frequency voltage to an extraction electrode and a further electrode, between which the low-pressure plasma is located.
  • the amplitude of the high-frequency voltage falling between the plasma and the extraction electrode determines the energy of the extracted ions.
  • the plasma density is very low below a pressure of 10 "3 mbar.
  • the plasma beam is generated by a high-frequency (13.56 MHz), inductively coupled plasma discharge with a transversely superimposed static magnetic field.
  • the ion energy can be varied by applying a high-frequency amplitude to an electrode located behind the plasma.
  • the U.S. -Patent 5,858,477 comprises methods and devices for the production of wear protection layers on storage media by the deposition of amorphous tetrahedral hydrocarbon.
  • One of the systems describes a plasma source in which an antenna encloses a plasma volume and thus that
  • Plasma inductively excited by high frequency a coupling electrode for plasma volume and an extraction electrode is arranged above the opening of the plasma volume, which extracts an ion beam from the plasma by capacitive coupling.
  • Coils for generating a rotating transverse magnetic field are arranged around the plasma volume in order to homogenize the plasma beam.
  • a problem with conventional plasma sources is that ion energy and ion current density cannot be set independently of one another.
  • Another problem with conventional radio frequency sources is that a separate radio frequency impedance matching network is required.
  • the high-frequency matching network feeds the power of the high-frequency generator via a cable into the excitation electrode, which results in considerable power losses.
  • the amplitude of the high-frequency voltage and the amplitude of the high-frequency current in the high-frequency matching network cannot be set independently of one another in conventional plasma sources. This means that resonance effects such as electron cyclotron wave resonance or Landau attenuation cannot be used optimally.
  • the object of the invention is to increase the versatility, functionality and efficiency of a plasma source, i.e. To make ion energy and ion current density controllable independently of one another, at the same time to provide high plasma densities and a high degree of dissociation or ionization and to reduce power losses.
  • the high-frequency plasma source which can be used to generate a quasi-neutral plasma beam or an ion beam, consists of a carrier element on which a magnetic field coil arrangement for generating a transverse magnetic field, a gas distribution system for admitting the working gas into the plasma volume and a unit for extracting one Plasma jets are arranged, with an additional high-frequency matching network for feeding the generator power into the plasma, which usually consists of a primary circuit with an arbitrary and a variable capacitor and a high-frequency air coil and a secondary circuit with a capacitor, is located inside the plasma source, a high-frequency air coil and at least one excitation electrode, the two circuits being coupled capacitively to one another via the inductive flow of the high-frequency air coils.
  • ion energy, ion current density, degree of dissociation and degree of ionization can be set independently of one another.
  • the source uses radio frequency (typically 13.56 or 27.12 MHz) to excite the gas discharge.
  • the high-frequency power is predominantly inductively transferred into a magnetic field-supported plasma via the mechanism of the electron cyclotron
  • the high-frequency matching network which is used, among other things, to reduce power losses, is an integral part of the plasma source, ie it is arranged inside the source, so that no additional matching network is required. It allows the ion energy to be adjusted over a wide range regardless of the ion current density. If a variable capacitor is used in the secondary circuit, this can be done continuously.
  • the high-frequency matching network is designed in such a way that the independent control and adjustability of the high-frequency current amplitude and the high-frequency voltage amplitude is ensured. This enables the precise selection of the conditions necessary for the excitation mechanism (ECWR or Landau) so that the plasma can be excited with high efficiency.
  • the plasma source according to the invention generates very high plasma densities up to 10 13 cm 3 , provides very high degrees of ionization up to 50% and has very high degrees of dissociation, which in the case of two-atom molecules such as oxygen, nitrogen or hydrogen up to 80% can be. Furthermore, there is the possibility of continuously setting the ion energy over a range from 10 to approximately 1,000 eV, regardless of the ion current density.
  • the plasma source according to the invention thus generates a highly ionized charge-compensated plasma beam with a well-defined characteristic of the ion energy, ion current density and composition of the plasma beam. In addition, the homogeneity and the absence of particles in the plasma jet are ensured. This ensures the long-term stability of the plasma source and thus the manageability of the process as well as very long downtimes between the maintenance intervals.
  • the excitation electrode which is used for combined inductive and capacitive plasma excitation, can be arranged both inside the vacuum and outside. It should be adapted in shape, size and arrangement to the geometry of the desired plasma jet. A plurality of excitation electrodes can also be used, which are then preferably arranged next to one another in a vacuum at a distance of between 10 and 100 mm. In this case, each electrode is usually fed via its own matching network and a separate high-frequency generator. It is thus possible to generate different plasmas in the individual plasma volumes and to control and adjust the beam properties of these plasmas largely independently of one another.
  • excitation electrodes Only excitation electrodes are used whose number of turns is n ⁇ 1. In this way, the inductance of the excitation electrode and thus the high-frequency amplitude, which falls between the excitation electrode and earth via the plasma, is minimized. As a result, the power input into the plasma is predominantly inductive. A continuously switchable capacitive power coupling then takes place via the interconnection of the adapter network according to the invention.
  • Excitation electrodes are usually made of pipe or wire material. If the ion energy is now to be increased by means of a capacitive coupling to the plasma, i.e. due to an additional high-frequency amplitude, which is applied between the excitation electrode and earth above the plasma, the maximum achievable ion energy is nevertheless quite low. Higher ion energies cannot be achieved with excitation electrodes made of pipe or wire material.
  • the edges of the plasma volume usually consist of from grounded as well as high-frequency surfaces. The greater the ratio of the high-frequency area to the earthed area, the higher the maximum achievable ion energy.
  • the excitation electrode is thus designed in the form of a jacket or band in order to replace as much grounded area as possible with a high-frequency area. The height of the jacket corresponds at most to the length of the plasma volume.
  • the electrode can be in the form of a plate or a non-closed jacket, this jacket being preferably ring-shaped, sector-shaped, square or rectangular in section.
  • the power is fed into the plasma by high frequency. So that the
  • the magnetic field can be generated by magnetic field coils arranged around the plasma volume. These can be arranged both outside and inside the vacuum and can be adapted to the geometry of the plasma volume. If the coils are operated with direct current, the magnetic field is static. When operating with alternating current, rotation of the magnetic field about the longitudinal axis of the plasma source can be achieved by actuating coils lying next to one another at different times or by means of phase-shifted currents. The magnetic field is then dynamic.
  • the variation of the magnetic field can be used to either resonate the plasma by generating a standing wave or by fulfilling the resonance conditions for the Landau damping.
  • the refractive index n of the plasma can be varied over wide ranges, usually between 50 and 500, by varying the magnetic field strength in the plasma space.
  • the phase velocity C PL of the electromagnetic wave must match the average velocity V e of the plasma electrons.
  • the phase velocity is determined by the refractive index and the average velocity of the electrons over the electron temperature T e .
  • a stationary transverse field is not homogeneous across the plasma volume. This results in a locally different excitation efficiency in the plasma volume and results in a locally different plasma density.
  • the extracted plasma jet is therefore also inhomogeneous.
  • the inhomogeneity of the transverse magnetic field thus forms on the substrate.
  • the homogeneity of the excitation can be optimized by using a dynamic magnetic field. Instead of two magnetic field coils (stationary), at least three magnetic field coils are then arranged around the plasma volume. To drive the
  • Coils can use alternating current (f ⁇ 100 Hz) in such a way that the currents in two coils lying next to one another (or one behind the other) are phase-shifted from one another. This results in a rotation of the magnetic field around the longitudinal axis of the plasma source. This rotation of the magnetic field leads integrated or summed over a rotation cycle to a homogeneous excitation of the plasma. In addition, there is a homogeneity-improving mixing of the plasma.
  • An additional improvement in the homogeneity of the extracted plasma jet is achieved if a second layer is arranged over the innermost coil layer such that the center of a coil from the second layer is positioned over the ends of a pair of coils from the innermost layer.
  • magnetic field coils, excitation electrodes and gas inlet system in the high-frequency plasma source are spatially and geometrically matched to one another.
  • a unit for extracting a plasma jet can be arranged at the opening of the plasma volume.
  • an aperture i.e. a flat plate with a
  • Opening are used so that an outflow of the plasma is guaranteed.
  • a variant consists in the use of a grid, network or wire mesh, which is at earth potential.
  • the energy of the ions emerging from the source thus results from the difference between the plasma and earth potential.
  • the plasma potential can be varied by the high-frequency amplitude of the alternating electrical field applied to the excitation electrode.
  • the kinetic energy of the ions can thus be varied by the high-frequency voltage amplitude.
  • FIG 1 shows the schematic structure of the plasma source
  • Figures 2 a - j show possible shapes and arrangements of excitation electrodes
  • FIGS. 3 a - c show a section through an excitation electrode.
  • FIGS. 4 a - n show possible shapes and arrangements of magnetic field coils
  • Figure 5 shows the ion current density as a function of the magnetic
  • FIG. 1 The basic structure of the plasma source is shown in FIG. 1.
  • the plasma source is composed of various main components. It consists of a carrier element (1) on which an arrangement of several magnetic field coils (4) for generating a transverse magnetic field, a unit for extracting a plasma jet (5) and a gas distribution system (6) are arranged.
  • a high-frequency matching network (2) for impedance matching with an associated excitation electrode (3) for generating the plasma is located inside the plasma source, also connected to the carrier element (1).
  • the excitation electrode (3) is arranged in a vacuum and connected to the main part of the adapter network via vacuum current feedthroughs (9). The working gas is admitted into the plasma volume through the plasma source via the gas distribution system (6).
  • the plasma source is a compact unit that can be flanged to the housing wall of a vacuum vessel (7).
  • a high-frequency generator (8) with a frequency of 13.56 MHz is required to feed the power.
  • the magnetic field coils (4) are activated in such a way that a rotating magnetic field is generated.
  • the shape and size of the excitation electrodes are adapted to the cross section of the desired plasma beam.
  • the sector-shaped excitation electrode (FIG. 2 a) generates a round beam profile
  • the square (FIG. 2 b) a square beam profile.
  • the rectangular (FIG. 2 c) and the excitation electrode designed as a band (FIG. 2 d) generate a linear beam profile.
  • the excitation electrodes described by way of example can be used in a variety of ways with only a small amount
  • a distance of 10 to 100 mm can be positioned next to each other ( Figures 2 e - j).
  • FIG. 3 a shows a sectional illustration of a 5 mm wide and 50 mm high jacket-shaped excitation electrode.
  • FIG. 3 b shows a variant of the excitation electrode, a pipe (10) being connected to it.
  • Figure 3 c shows another
  • Variant of the excitation electrode which itself is provided with a cavity (12).
  • the interior of the pipeline (11) or the cavity (12) can be flushed with a liquid medium, preferably with water.
  • Figure 4 shows possible shapes and arrangements of magnetic field coils
  • FIG. 5 shows the resonance behavior of the source in the representation of the ion current density as a function of the magnetic field coil current.
  • Figure 6 shows different variants of an extraction system.
  • a flat plate with an opening (13) can be used (FIG. 6 a).
  • Figure 6 b shows a wire mesh (14), which is at earth potential.

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Abstract

Hochfrequenz-Plasmaquelle mit einem Trägerelement (1), auf dem eine Magnetfeldspulenanordnung (4), ein Gasverteilungssystem (6) und eine Einheit zur Extraktion eines Plasmastrahls (5) angeordnet sind, wobei sich im Innern der Plasmaquelle zusätzlich ein Hochfrequenz-Anpaßnetzwerk (2) befindet.

Description

Hochfrequenz-Plasmaquelle
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur effizienten Anregung einer Niederdruck- Gasentladung (Plasma). Die Vorrichtung stellt einen hoch ionisierten und ladungs- kompensierten Plasmastrahl bereit, welcher aus einem hochdichten Niederdruck-
Plasma extrahiert wird. Die Eigenschaften des Plasmastrahls (z.B. Ionenenergie, Ionenstromdichte, Zusammensetzung des Ionenstrahls) können sehr gut kontrolliert und eingestellt werden. Alternativ kann in Verbindung mit einem System zur selektiven Extraktion von Elektronen bzw. Ionen ein negativer bzw. positiver Teilchenstrom extrahiert werden.
Plasmasysteme sind für die Herstellung und Bearbeitung von Festkörpermaterialien in der Hochtechnologie von größter Bedeutung. Besonderes Interesse besteht für Plasmareaktoren, welche quasi-neutrale Plasmastrahlen erzeugen. Diese Plasma- reaktoren, im folgenden auch als Plasmaquellen bezeichnet, können in den verschiedensten Anwendungsgebieten der Plasmabearbeitung eingesetzt werden. Dazu zählt die Abscheidung und das Aufwachsen dünner Schichten, das Zerstäuben, das Ätzen, das Reinigen etc. Ein Plasmastrahl besteht zu gleichen Teilen aus positiv geladenen Ionen und (negativ geladenen) Elektronen und ist somit elektrisch neutral. Die Quasi-Neutralität des Plasmastrahls erlaubt die Beschichtung und Oberflächenbehandlung von elektrisch isolierenden Materialien, ohne daß ein zusätzlicher Aufbau zur Neutralisation des Plasmastrahls erforderlich ist.
Aktuelle Anwendungen erfordern oft einen hohen Anteil an Ionen mit präzise einstellbarer Ionenenergie, um die Ausbildung der gewünschten chemischen Bindung sicherzustellen. So ist zur Abscheidung von harten Schichten aus diamant-ähnlichem Kohlenstoff (diamond-like carbon, DLC) oder kubischem Bornitrid ein hochionisierter Plasmastrahl mit Ionenenergien von ungefähr 100 eV erforderlich, um den Anteil der sp3-Bindungen zu maximieren. Ein energetischer Abscheideprozess ist zum Über- schreiten der Nukleationsschwelle ebenso erforderlich wie auch zum Sicherstellen einer geschlossenen, kontinuierlichen Schicht. Die Forderung nach einem möglichst hohen Ionenanteil bedeutet, daß die Plasmen bei niedrigen Drücken, typischerweise unter 10"3 mbar, erzeugt werden. Dies wiederum erfordert die magnetfeld-unter- stützte Anregung des Plasmas, um Verluste durch Rekombination an den Wänden des Plasmagefäßes zu vermeiden. Eine effiziente Anregung des Plasmas ist Grundvoraussetzung für eine hohe Plasmadichte und hohe Abscheide- oder Ätzraten, um somit kurze und kostengünstige Bearbeitungszeiten gewährleisten zu können. Von keiner geringeren Bedeutung ist die Fähigkeit einer Plasmaquelle möglichst große Substratflächen bearbeiten zu können, um ökonomisches Bearbeiten mit hoher Effizienz sicherzustellen.
Es gibt verschiedenartige Systeme zur plasma-gestützten Behandlung von Festkörperoberflächen. Ein Teil dieser Systeme beruht auf der Verwendung von hochfrequenten elektrischen Wechselfeldern zur Erzeugung des Plasmas. Die meisten dieser Systeme haben Kathoden- und Anoden-Platten, wobei die Hochfrequenz- Leistung kapazitiv über die Kathode in das Plasma eingespeist wird. Zwischen den
Elektroden bildet sich eine Vorspannung aus, deren Größe von der Elektrodenfläche und der angelegten Hochfrequenz-Amplitude abhängig ist. Um den Ionenbeschuß zu maximieren, wird das Substrat auf der Kathode plaziert. Nachteil der kapazitiv gekoppelten Hochfrequenz-Systeme ist die sehr geringe Plasmadichte, welche sich aus der ineffizienten Einkopplung der Hochfrequenz-Leistung in das Plasma ergibt. Bei typischen Prozeßdrücken im Bereich von 10"3 mbar enthält der auf das Substrat einfallende Teilchenstrom lediglich etwa 5 % energetischer Teilchen. Dies reicht für viele praktische Anwendungen, die einen energetischen ionen-dominierten Prozeß erfordern, nicht aus. Ein weiterer Nachteil konventioneller Hochfrequenz- Plasmaquellen ist die breite Ionenenergie-Verteilung. Zusätzlich haben diese
Systeme relativ geringe Aufwachsraten, wobei die Leistungsdaten auch noch sehr von den Umgebungsbedingungen abhängen.
Das U.S. -Patent 5,017,835 beschreibt eine Hochfrequenz-Ionenquelle zur Erzeugung von großflächigen Ionenstrahlen, wobei induktiv Hochfrequenzenergie in das Plasma eingekoppelt wird. Diese Quelle nutzt die Elektronen-Zyklotronen-Wellenresonanz- Anregung eines Plasmas in einem rohrförmigen Plasmagefäß, welches zwischen einer Trägerplatte und einer Abschlußplatte eingeklemmt ist. Ein abstimmbarer Zwischenkreis verbindet den Hochfrequenz-Generator mit der Lastkreisspule. Ein schwaches Gleichstrom-Magnetfeld ist dem Plasma überlagert. Ein aus mehreren Elektroden bestehendes ionenoptisches System zur Ionenextraktion ist in der Trägerplatte angeordnet.
Das U.S. -Patent 5,156,703 beschreibt ein Verfahren zur Abtragung und Struktu- rierung von Oberflächen, zur Herstellung von Oberflächendotierungen und zum
Erzeugen von Oberflächenschichten durch Teilchenbeschuß aus einem Plasma. Es wird ein quasi-neutraler Plasmastrahl aus einem durch elektrische und magnetische Felder erzeugten Niederdruckplasma dadurch extrahiert, daß eine Hochfrequenzspannung an eine Extraktionselektrode und eine weitere Elektrode, zwischen denen sich das Niederdruckplasma befindet, angelegt wird. Die Amplitude der zwischen dem Plasma und der Extraktionselektrode abfallenden Hochfrequenzspannung bestimmt die Energie der extrahierten Ionen.
M. Weiler et al. hat in den Applied Physics Letters Vol. 64 (1994), Seiten 2797-2799, und im Physical Review B, Vol. 53 (1996), Seiten 1594-1608, die Abscheidung von amorphem tetraedrisch gebundenem Kohlenwasserstoff mittels einer Plasmaquelle beschrieben, die eine hochfrequente (13.56 MHz), kapazitiv gekoppelte, magnetfeldunterstützte Plasmaentladung erzeugt. Diese Quelle besteht aus einer großen beweglichen hochfrequenz-gespeisten Elektrode sowie einer kleineren Netz-Elektrode, welche auf Erdpotential geschaltet ist. Dem Plasma wird ein statisches hyperbolisches Magnetfeld überlagert. Zwischen Elektrode, dem Plasma und dem geerdeten Netz bildet sich eine positive Vorspannung aus. Die Elektrode kann vertikal verschoben werden. Dabei ändert sich ihre effektive Fläche und ebenso die sich ausbildende Vorspannung. Somit kann über diese Veränderung die Energie der Ionen eingestellt werden, ohne den Gasdruck oder die eingespeiste Leistung zu verändern. Die Innova- tion besteht bei dieser Quelle darin, daß die Ionenenergie nicht durch Anlegen einer
Spannung an das Substrat, sondern durch eine interne Vorspannung kontrollierbar bzw. einstellbar ist. Wie bei allen kapazitiv gekoppelten Plasmaquellen ist auch bei diesem System die Plasmadichte unterhalb einem Druck von 10"3 mbar sehr gering.
Eine verbesserte Version der Plasmaquelle wurde durch M. Weiler et al. in den
Applied Physics Letters Vol. 72 (1998), Seiten 1314-1316, beschrieben. Der Plasmastrahl wird durch eine hochfrequente (13.56 MHz), induktiv gekoppelte Plasmaentladung mit einem transversal überlagerten statischen Magnetfeld erzeugt. Die Ionenenergie kann durch Anlegen einer Hochfrequenzamplitude an eine sich hinter dem Plasma befindende Elektrode variiert werden.
Das U.S. -Patent 5,858,477 umfaßt Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von Verschleißschutzschichten auf Speichermedien durch die Abscheidung von amorphem tetraedrisch gebundenen Kohlenwasserstoff. Eines der Systeme beschreibt eine Plasmaquelle, bei der eine Antenne ein Plasmavolumen umschließt und damit das
Plasma durch Hochfrequenz induktiv anregt, eine Koppelelektrode zum Plasma- volumen hin und eine Extraktions-Elektrode über der Öffnung des Plasmavolumens angeordnet ist, die einen Ionenstrahl durch kapazitive Kopplung aus dem Plasma extrahiert. Spulen zur Erzeugung eines rotierenden transversalen Magnetfeldes sind zur Homogenisierung des Plasmastrahls um das Plasmavolumen herum angeordnet.
Ein Problem bei herkömmlichen Plasmaquellen ist, daß Ionenenergie und Ionen- stromdichte nicht unabhängig voneinander einstellbar sind. Ein weiteres Problem bei konventionellen Hochfrequenz-Quellen besteht darin, daß ein separates Hochfrequenz- Impedanzanpaßnetzwerk erforderlich ist. Das Hochfrequenz-Anpaßnetzwerk speist hierbei die Leistung des Hochfrequenz-Generators über ein Kabel in die Anregungselektrode ein, woraus sich erhebliche Leistungsverluste ergeben. Darüber hinaus können in üblichen Plasmaquellen die Amplitude der Hochfrequenz-Spannung sowie die Amplitude des Hochfrequenz-Stromes im Hochfrequenz-Anpaßnetzwerk nicht unabhängig voneinander eingestellt werden. Damit können Resonanz-Effekte wie die Elektronen-Zyklotronen-Wellenresonanz oder die Landau-Dämpfung nicht in optimaler Weise genutzt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vielseitigkeit, Funktionalität und Effizienz einer Plasmaquelle zu erhöhen, d.h. Ionenenergie und Ionenstromdichte unabhängig voneinander kontrollierbar zu machen, gleichzeitig hohe Plasmadichten sowie einen hohen Dissoziations- bzw. Ionisationsgrad bereitzustellen und Leistungsverluste zu verringern.
Erfindungsgemäß besteht die Hochfrequenz-Plasmaquelle, die zur Erzeugung eines quasineutralen Plasmastrahls oder eines Ionenstrahls verwendet werden kann, aus einem Trägerelement, auf dem eine Magnetfeldspulenanordnung zur Erzeugung eines transversalen magnetischen Feldes, ein Gasverteilungssystem zum Einlassen des Arbeitsgases in das Plasmavolumen und eine Einheit zur Extraktion eines Plasmastrahls angeordnet sind, wobei sich im Innern der Plasmaquelle zusätzlich ein Hochfrequenz-Anpaßnetzwerk zur Einspeisung der Generatorleistung ins Plasma befindet, das üblicherweise aus einem primären Schaltkreis mit einem beliebigen und einem variablen Kondensator und einer Hochfrequenz-Luftspule besteht sowie einem sekundären Schaltkreis mit einem Kondensator, einer Hochfrequenz-Luftspule und mindestens einer Anregungselektrode, wobei die beiden Schaltkreise über den induktiven Fluß der Hochfrequenz-Luftspulen und zusätzlich kapazitiv miteinander gekoppelt sind. Bei der erfindungsgemäßen Plasmaquelle sind Ionenenergie, Ionenstromdichte, Dissoziations- und Ionisationsgrad unabhängig voneinander einstellbar. Die Quelle nutzt Hochfrequenz (typischerweise 13.56 oder 27.12 MHz) zur Anregung der Gasentladung. Die Hochfrequenz-Leistung wird dabei überwiegend induktiv in ein magnetfeld-unterstütztes Plasma über den Mechanismus der Elektronen-Zyklotronen-
Wellenresonanz oder der Landau-Dämpfung in das Plasma eingespeist.
Das Hochfrequenz-Anpaßnetzwerk, das u.a. zur Verringerung von Leistungsverlusten dient, ist integrativer Bestandteil der Plasmaquelle, d.h. es ist im Innern der Quelle angeordnet, so daß kein zusätzliches Anpaßnetzwerk mehr erforderlich ist. Es erlaubt, die Ionenenergie über einen weiten Bereich unabhängig von der Ionenstromdichte einzustellen. Bei Verwendung eines variablen Kondensators im Sekundärkreis kann dies kontinuierlich geschehen. Das Hochfrequenz-Anpaßnetzwerk ist derart gestaltet, daß die unabhängige Kontrolle und Einstellbarkeit der Hochfrequenz-Strom-Amplitude und der Hochfrequenz-Spannungs-Amplitude gewährleistet ist. Dies ermöglicht die präzise Wahl der für den Anregungsmechanismus (ECWR oder Landau) notwendigen Bedingungen, damit das Plasma jeweils mit hoher Effizienz angeregt werden kann. Die erfindungsgemäße Plasmaquelle erzeugt sehr hohe Plasmadichten bis zu 1013 cm3, stellt sehr hohe Ionisationsgrade bis zu 50 % bereit und weist sehr hohe Dissoziationsgrade auf, welche im Falle von zwei-atomigen Molekülen, wie z.B. Sauerstoff, Stickstoff oder Wasserstoff bis zu 80 % betragen können. Des weiteren besteht die Möglichkeit, die Ionenenergie unabhängig von der Ionenstromdichte über einen Bereich von 10 bis etwa 1.000 eV kontinuierlich einzustellen. Somit erzeugt die erfindungsgemäße Plasmaquelle einen hoch-ionisierten ladungs-kompensierten Plasmastrahl mit wohldefinierter Charakteristik der Ionenenergie, Ionenstromdichte und Zusammensetzung des Plasmastrahls. Zusätzlich wird die Homogenität wie auch die Partikelfreiheit des Plasmastrahls sichergestellt. Dadurch sind die Langzeitstabilität der Plasmaquelle und damit die Beherrsch barkeit des Prozesses sowie auch sehr lange Standzeiten zwischen den Wartungsintervallen gewährleistet.
Ein derartiges Anpaßnetzwerk ist detailliert in der deutschen Patentanmeldung „Hochfrequenz-Anpaßnetzwerk" mit dem amtlichen Aktenzeichen 100 08 485.0 der Firma CCR GmbH Beschichtungstechnologie beschrieben. Die Anregungselektrode, die zur kombinierten induktiven sowie kapazitiven Plasmaanregung dient, kann sowohl innerhalb des Vakuums als auch außerhalb angeordnet sein. Sie sollte in Form, Größe und Anordnung der Geometrie des gewünschten Plasmastrahls angepaßt sein. Es können auch mehrere Anregungselektrpden verwendet werden, die dann vorzugsweise mit einem Abstand zwischen 10 und 100 mm nebeneinander im Vakuum angeordnet sind. Üblicherweise wird in diesem Fall jede Elektrode über ein eigenes Anpaßnetzwerk und einen separaten Hochfrequenz- Generator gespeist. So besteht die Möglichkeit, in den einzelnen Plasmavolumen unterschiedliche Plasmen zu erzeugen, sowie die Strahleigenschaften dieser Plasmen weitgehend unabhängig voneinander zu kontrollieren und einzustellen.
Es werden nur Anregungselektroden eingesetzt, deren Windungszahl n < 1 ist. Hierdurch wird die Induktivität der Anregungselektrode und damit die Hochfrequenzamplitude, welche zwischen Anregungselektrode und Erde über das Plasma abfällt, minimiert. Dadurch erfolgt die Leistungseinkopplung in das Plasma überwiegend induktiv. Eine kontinuierlich zuschaltbare kapazitive Leistungseinkopplung erfolgt dann über die erfindungsgemäße Verschaltung des Anpaßnetzwerkes.
Üblicherweise werden Anregungselektroden aus Rohr- oder Drahtmaterial angefertigt. Soll die Ionenenergie nun mittels einer kapazitiven Ankopplung an das Plasma erhöht werden, d.h. durch eine zusätzliche Hochfrequenz-Amplitude, die zwischen Anregungselektrode und Erde über dem Plasma angelegt wird, so ist die maximal erreichbare Ionenenergie dennoch recht gering. Höhere Ionenenergien können durch Anregungselektroden aus Rohr- oder Drahtmaterial nicht erreicht werden. Die Randflächen des Plasmavolumens bestehen i.d.R. aus geerdeten wie auch aus hochfrequenzführenden Flächen. Je größer das Verhältnis aus hochfrequenzführender Fläche zu geerdeter Fläche ist, desto höher wird auch die maximal erreichbare Ionenenergie. Die Anregungselektrode wird somit mantel- oder bandförmig ausgeführt, um möglichst viel geerdete Fläche durch hochfrequenzführende zu ersetzen. Die Höhe des Mantels entspricht dabei maximal der Länge des Plasmavolumens. Die Elektrode kann die Form einer Platte oder eines nichtgeschlossenen Mantels haben, wobei dieser Mantel im Schnitt vorzugsweise ringförmig, sektorförmig, quadratisch oder rechteckförmig ist.
Die Leistungseinspeisung in das Plasma erfolgt durch Hochfrequenz. Damit sich die
Effizienz der Leistungseinspeisung erhöht, wird üblicherweise dem Plasma und auch der Anregungselektrode ein transversales Magnetfeld zur Resonanzanregung überlagert. Das Magnetfeld kann durch um das Plasmavolumen herum angeordnete Magnetfeldspulen erzeugt werden. Diese können sowohl außerhalb als auch innerhalb des Vakuums angeordnet und der Geometrie des Plasmavolumens angepaßt sein. Werden die Spulen mit Gleichstrom betrieben, ist das Magnetfeld statisch. Beim Betrieb mit Wechselstrom kann durch zeitlich versetzte Ansteuerung nebeneinander liegender Spulen bzw. durch phasenverschobene Ströme eine Rotation des Magnetfeldes um die Längsachse der Plasmaquelle erreicht werden. Das Magnetfeld ist dann dynamisch.
Über die Variation des Magnetfeldes kann wahlweise eine Resonanzanregung des Plasmas über die Erzeugung einer stehenden Welle oder durch die Erfüllung der Resonanzbedingungen für die Landau-Dämpfung durchgeführt werden. Über die Variation der magnetischen Feldstärke im Plasmaraum kann der Brechungsindex n des Plasmas über weite Bereiche, in der Regel zwischen 50 und 500 variiert werden.
Zur Erfüllung der Landau-Resonanzbedingung muß die Phasengeschwindigkeit CPL der elektromagnetischen Welle mit der mittleren Geschwindigkeit Ve der Plasmaelektronen übereinstimmen. Die Phasengeschwindigkeit wird durch den Brechungsindex und die mittlere Geschwindigkeit der Elektronen über die Elektronentemperatur Te bestimmt. Es muß CPL = Cv/n = (kTe/me)1 2 gelten.
Ein stationäres transversales Feld ist über das Plasmavolumen nicht homogen. Daraus ergibt sich eine örtlich unterschiedliche Anregungseffizienz im Plasmavolumen und es resultiert eine örtlich unterschiedliche Plasmadichte. Der extrahierte Plasmastrahl ist demzufolge auch inhomogen. Schlußendlich resultiert z.B. eine
Beschichtung mit hohen Schichtdicken-Schwankungen. Die Inhomogenität des transversalen Magnetfeldes bildet sich somit auf dem Substrat ab. Die Homogenität der Anregung kann dadurch optimiert werden, daß ein dynamisches Magnetfeld verwandt wird. Anstatt zwei Magnetfeldspulen (stationär) werden dann mindestens drei Magnetfeldspulen um das Plasmavolumen herum angeordnet. Zum Antreiben der
Spulen kann Wechselstrom (f < 100 Hz) eingesetzt werden, und zwar derart, daß die Ströme in zwei nebeneinander (oder hintereinander) liegenden Spulen zueinander phasenverschoben sind. Dadurch wird eine Rotation des Magnetfeldes um die Längsachse der Plasmaquelle erreicht. Diese Rotation des Magnetfeldes führt integriert bzw. summiert über einen Rotations-Zyklus zu einer homogenen Anregung des Plasmas. Zusätzlich findet eine homogenitätsverbessemde Durchmischung des Plasmas statt.
Eine zusätzliche Verbesserung der Homogenität des extrahierten Plasmastrahls wird erreicht, wenn über der innersten Spulen-Lage eine zweite Lage derart angeordnet wird, daß die Mitte einer Spule aus der 2. Lage über den Enden eines Spulenpaares aus der innersten Lage positioniert wird.
Idealerweise sind in der Hochfrequenz-Plasmaquelle Magnetfeldspulen, Anregungs- elektroden und Gaseinlaßsystem räumlich und geometrisch aufeinander abgestimmt.
Zur Extraktion von elektrisch geladenen Teilchen (in der Regel Ionen und/oder Elektronen) aus dem Plasma kann eine Einheit zur Extraktion eines Plasmastrahls, auch als Extraktionssystem bezeichnet, an der Öffnung des Plasmavolumens ange- ordnet sein. Im einfachsten Fall kann eine Blende, d.h. eine ebene Platte mit einer
Öffnung, verwendet werden, so daß ein Ausströmen des Plasmas gewährleistet ist. Eine Variante besteht in der Verwendung eines Gitters, Netzes oder Drahtgewebes, welches sich auf Erdpotential befindet. Die Energie der aus der Quelle austretenden Ionen ergibt sich damit aus der Differenz von Plasma- und Erdpotential. Das Plasma- potential kann durch die Hochfrequenzamplitude des an der Anregungselektrode anliegenden elektrischen Wechselfeldes variiert werden. Es kann somit die kinetische Energie der Ionen durch die Hochfrequenz-Spannungsamplitude variiert werden.
Im folgenden wird die Erfindung beispielhaft anhand von Zeichnungen verdeutlicht:
Figur 1 zeigt den schematischen Aufbau der Plasmaquelle
Figuren 2 a - j zeigen mögliche Formen und Anordnungen von Anregungselektroden
Figuren 3 a - c zeigen einen Schnitt durch eine Anregungselektrode Figuren 4 a - n zeigen mögliche Formen und Anordnungen von Magnetfeldspulen
Figur 5 zeigt die Ionenstromdichte als Funktion der magnetischen
Feldstärke zur Darstellung der Landau-Dämpfungsresonanz
Figuren 6 a, b zeigen verschiedene Anordnungen eines Plasmastrahl-Extraktionssystems Der prinzipielle Aufbau der Plasmaquelle ist in Figur 1 dargestellt. Die Plasmaquelle setzt sich aus verschiedenen Hauptkomponenten zusammen. Sie besteht aus einem Trägerelement (1), auf dem eine Anordnung mehrerer Magnetfeld-Spulen (4) zur Erzeugung eines transversalen Magnetfeldes, eine Einheit zur Extraktion eines Plasmastrahls (5) und einem Gasverteilungssystem (6) angeordnet sind. Außerdem befindet sich im Innern der Plasmaquelle, ebenfalls mit dem Trägerelement (1) verbunden, ein Hochfrequenz-Anpaßnetzwerk (2) zur Impedanzanpassung mit dazugehöriger Anregungselektrode (3) zur Erzeugung des Plasmas. Die Anregungselektrode (3) ist im Vakuum angeordnet und über Vakuumstromdurchführungen (9) mit dem Hauptteil des Anpaßnetzwerks verbunden. Das Arbeitsgas wird über das Gasverteilungssystem (6) durch die Plasmaquelle hindurch in das Plasmavolumen eingelassen. Die Plasmaquelle stellt in zusammengebautem Zustand und nach Abstimmung aller Komponenten eine kompakte Einheit dar, die an die Gehäusewand eines Vakuumgefäßes (7) angeflanscht werden kann. Zur Leistungseinspeisung ist ein Hochfrequenz- Generator (8) erforderlich, dessen Frequenz bei 13,56 MHz liegt. Die Ansteuerung der Magnetfeld-Spulen (4) erfolgt derart, daß ein rotierendes Magnetfeld erzeugt wird.
In Figur 2 sind verschiedene Formen und Anordnungen der Anregungselektroden dargestellt. Form und Größe der Anregungselektroden sind dem Querschnitt des gewünschten Plasmastrahls angepaßt. Die sektorförmige Anregungselektrode (Figur 2 a) erzeugt ein rundes Strahlprofil, die quadratische (Figur 2 b) ein quadratisches Strahlprofil. Die rechteckförmige (Figur 2 c) sowie die als Band (Figur 2 d) ausgeführte Anregungselektrode erzeugen ein linienförmiges Strahlprofil. Die beispielhaft beschriebenen Anregungselektroden können in vielfältiger Weise mit nur geringem
Abstand von 10 bis 100 mm nebeneinander positioniert werden (Figuren 2 e - j).
Figur 3 a zeigt eine Schnittdarstellung einer 5 mm breiten und 50 mm hohen mantel- förmigen Anregungselektrode. Figur 3 b zeigt eine Variante der Anregungselektrode, wobei eine Rohrleitung (10) mit ihr verbunden ist. Figur 3 c zeigt eine weitere
Variante der Anregungselektrode, wobei diese selbst mit einem Hohlraum (12) versehen ist. Zur Kühlung kann das Innere der Rohrleitung (11) bzw. der Hohlraum (12) mit einem flüssigen Medium, vorzugsweise mit Wasser, durchspült werden.
Figur 4 zeigt mögliche Formen und Anordnungen von Magnetfeldspulen zur
Erzeugung des transversalen Feldes. Figur 5 zeigt das Resonanzverhalten der Quelle in der Darstellung der Ionenstromdichte als Funktion des Magnetfeldspulenstromes.
Figur 6 zeigt verschiedene Varianten eines Extraktionssystems. Im einfachsten Fall kann eine ebene Platte mit einer Öffnung (13) verwendet werden (Figur 6 a). Figur 6 b zeigt ein Drahtgewebe (14), welches sich auf Erdpotential befindet.
Bezugszeichenliste:
1 Trägerelement
2 Hochfrequenz-Anpaßnetzwerk 3 Anregungselektrode
4 Magnetfeldspulenanordnung
5 Einheit zur Extraktion eines Plasmastrahls
6 Gasverteilungssystem
7 Gehäusewand eines Vakuumgefäßes 8 Hochfrequenz-Generator
9 Vakuumstromdurchführung
10 Rohrleitung
11 Inneres der Rohrleitung
12 Hohlraum der Anregungselektrode 13 Lochblende
14 Gitter, Netz oder Drahtgewebe

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Hochfrequenz-Plasmaquelle mit einem Trägerelement (1), auf dem
- eine Magnetfeldspulenanordnung (4),
- ein Gasverteilungssystem (6) und
- eine Einheit zur Extraktion eines Plasmastrahls (5) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Innern der Plasmaquelle zusätzlich ein Hochfrequenz-Anpaßnetzwerk (2) befindet.
2. Hochfrequenz-Plasmaquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hochfrequenz-Anpaßnetzwerk (2) aus einem primären Schaltkreis mit einem beliebigen und einem variablen Kondensator und einer Hochfrequenz-Luftspule sowie einem sekundären Schaltkreis mit einem Kondensator, einer Hochfrequenz-Luftspule und mindestens einer Anregungselektrode besteht, wobei die Schaltkreise über den induktiven Fluß der Hochfrequenz-Luftspulen und zusätzlich kapazitiv miteinander gekoppelt sind.
3. Hochfrequenz-Piasmaquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen kapazitiver und induktiver Plasmaankopplung gewählt werden kann.
4. Hochfrequenz-Plasmaquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß kontinuierlich zwischen kapazitiver und induktiver Plasmaankopplung gewählt werden kann.
5. Hochfrequenz-Plasmaquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Anregungselektrode (3) im Vakuum angeordnet ist.
6. Hochfrequenz-Plasmaquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Form, Größe und Anordnung der Anregungselektrode (3) der Geometrie des gewünschten Plasmastahls angepaßt sind.
7.^ Hochfrequenz-Plasmaquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungselektrode (3) die Form einer Platte hat.
8. Hochfrequenz-Plasmaquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungselektrode (3) die Form eines nichtgeschlossenen Mantels hat.
9. Hochfrequenz-Plasmaquelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtgeschlossene Mantel im Schnitt ringförmig ist.
10. Hochfrequenz-Plasmaquelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtgeschlossene Mantel im Schnitt sektorförmig ist.
11. Hochfrequenz-Plasmaquelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtgeschlossene Mantel im Schnitt quadratisch ist.
12. Hochfrequenz-Plasmaquelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtgeschlossene Mantel im Schnitt rechteckförmig ist.
13. Hochfrequenz-Plasmaquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Anregungselektroden (3) mit einem Abstand zwischen 10 und 100 mm nebeneinander im Vakuum angeordnet sind.
14. Hochfrequenz-Plasmaquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Anregungselektrode (3) ein transversales Magnetfeld überlagert ist.
15. Hochfrequenz-Plasmaquelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des transversalen Magnetfeldes Magnetfeldspulen (4) um das Plasmavolumen herum angeordnet sind.
16. Hochfrequenz-Plasmaquelle nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldspulen (4) außerhalb des Vakuums angeordnet sind.
17. Hochfrequenz-Plasmaquelle nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldspulen (4) innerhalb des Vakuums angeordnet sind.
18. Hochfrequenz-Plasmaquelle nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldspulen (4) der Geometrie des Plasmavolumens angepaßt sind.
19. Hochfrequenz-Plasmaquelle nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldspulen (4) mit Gleichstrom betrieben werden und das Magnetfeld statisch ist.
20. Hochfrequenz-Plasmaquelle nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldspulen (4) mit Wechselstrom betrieben werden und das Magnetfeld dynamisch ist und/oder rotiert.
21. Hochfrequenz-Plasmaquelle nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das dynamische Magnetfeld derart erzeugt wird, daß die Ströme durch benachbarte Magnetfeldspulen (4) phasenverschoben sind.
22. Hochfrequenz-Plasmaquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldspulen (4), die Anregungselektrode (3) und das Gasverteilungssystem (6) räumlich und geometrisch aufeinander abgestimmt sind.
23. Hochfrequenz-Plasmaquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß ein Extraktionssytem (5) vor der Öffnung des Plasmavolumens angeordnet ist.
24. Hochfrequenz-Plasmaquelle nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Extraktionssystem (5) aus einer Lochblende (13) besteht.
25. Hochfrequenz-Plasmaquelle nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Extraktionssystem aus einem Gitter, Netz oder Drahtgewebe (14) besteht.
26. Verwendung einer Hochfrequenz-Plasmaquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 25 zur Erzeugung eines quasineutralen Plasmastrahls.
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