WO2012156062A1

WO2012156062A1 - Verfahren zur plasmabehandlung eines substrats in einer plasmavorrichtung

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Publication number: WO2012156062A1
Application number: PCT/EP2012/002044
Authority: WO
Inventors: Rudolf Beckmann; Sabine BINDER; Falko MOOTZ
Original assignee: Leybold Optics Gmbh
Priority date: 2011-05-13
Filing date: 2012-05-11
Publication date: 2012-11-22
Also published as: TW201246368A

Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Beschichtung eines Substrats in einer Plasmavorrichtung, wobei das Substrat zwischen zumindest einer Elektrode und zumindest einer Gegenelektrode angeordnet wird, zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode mittels einer RF-Spannung, welche zumindest zwei Frequenzkomponenten aufweist, eine Plasmaentladung angeregt wird, wobei die Frequenz der niedrigeren Frequenzkomponente mindestens 1 MHz und die Frequenz der zumindest einen höheren Frequenzkomponente mindestens das Doppelte der Frequenz der unteren Frequenzkomponente beträgt, zeichnet sich dadurch aus, dass der zu behandelnde Oberflächenbereich zumindest 1 m² und die mittlere Leistung der niedrigeren Frequenzkomponente maximal 70% der mittleren Leistung der höheren Frequenzkomponente beträgt und eine Beschichtungshomogenität einer auf das Substrat aufgebrachten Schicht in Abhängigkeit von einem Leistungsverhältnis LV = (mittlere Leistung der höheren Frequenz/mittlere Leistung der niedrigeren Frequenz mittlere Leistung der höheren Frequenz) eingestellt wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens.

Description

Beschreibung

Verfahren zur Plasmabehandlung eines Substrats in einer Plasmavorrichtung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Plasmabehandlung eines Substrats in einer Plasmavorrichtung jeweils nach den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.

Vorrichtungen zur Plasmabehandlung flacher Substrate sind an sich 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.

Bei einer Einstellung der Prozessparameter zur gleichzeitigen Erreichung hoher Beschich- tungsraten und hoher Schichtqualität, insbesondere bei großflächigen Substraten, stößt man insbesondere bei der Beschichtung unter anderem auf folgende Sachverhalte: a) Die Qualität der Beschichtung steigt durch lonenbeschuss, was in der Literatur bekanntermaßen auf dem Gebiet„Ion assisted deposition" ausgenutzt wird. b) Die Qualität der Schichten steigt, wenn der lonenbeschuss sinkt. Dies gilt zum großen Teil für Halbleiteranwendungen, also auch Solar-Beschichtungen.

Zur Erhöhung der Beschichtungsrate ist es im Allgemeinen erforderlich, die Leistungsdichte des Plasmas zu erhöhen, was jedoch aufgrund der damit steigenden Entladespannung zu einem höheren lonenbeschuss des Substrats führen und damit die Qualität der abgeschiedenen Schicht negativ beeinflussen kann. Dies gilt insbesondere für eine Plasmaanregung mit 13,56 MHz Hochfrequenzspannung, die ansonsten den Vorteil hat, große Elektrodenflächen auf einfache Weise sehr homogen mit Hochspannung versorgen zu können und somit homogene Beschichtungen auf großen Flächen ermöglicht.

Weiter ist bekannt, dass bei einer Plasmaanregung mit einer VHF-Hochfrequenzspannung (27 MHz bis ca. 150 MHz) zwar der lonenbeschuss des Substrats auch bei hohen Leistungsdichten gering ist, wie beispielsweise im Artikel von Amanatides, Mataras und Rapakoulias im Journal of Applied Physics, Band 90, Nummer 11 , Dezember 2001 , beschrieben ist. Allerdings ist eine homogene Verteilung der VHF-Hochfrequenzspannung über eine große Fläche nur mit hohem Aufwand zu erreichen. Ebenso sind neben der Anregung eines Plasmas mit einer festen Frequenz in der Literatur auch andere Anregungsarten bekannt. So beschreibt die EP 0 688 469 B1 ein plasmaunterstütztes Bearbeitungs- bzw. Herstellungsverfahren, 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.

Außerdem ist für Plasmareaktoren mit einer Parallel-Plattenanordnung 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, Journal of Physics D: Applied Physics 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.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es auf großflächigen Substraten gleichzeitig hohe Beschichtungsraten, hohe Beschichtungsgleichmäßigkeit bei gleichem oder sogar vermindertem lonenbeschuss des Substrates zu erreichen. Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Plasmabehandlung eines Substrats in einer Plasmavorrichtung ist zunächst vorgesehen, dass das Substrat zwischen zumindest einer Elektrode und zumindest einer Gegenelektrode angeordnet wird, zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode mittels einer RF-Spannung, welche zumindest zwei Frequenzkomponenten aufweist, eine Plasmaentladung angeregt wird, wobei die Frequenz der zumindest einen niedrigeren Frequenzkomponente mindestens 1 MHz und die Frequenz der zumindest einen höheren Frequenzkomponente mindestens das Doppelte der Frequenz der unteren Frequenzkomponente beträgt.

Das Verfahren zeichnet sich weiter dadurch aus, dass der zu behandelnde Oberflächenbereich zumindest 1 m² und die mittlere Leistung der zumindest einen niedrigeren Frequenzkomponente maximal 70% der mittleren Leistung der zumindest einen höheren Frequenzkomponente beträgt und eine Beschichtungshomogenität einer auf das Substrat aufgebrachten Schicht in Abhängigkeit von einem Leistungsverhältnis LV = (mittlere Leistung der höheren Frequenz/mittlere Leistung der niedrigeren Frequenz + mittlere Leistung der höheren Frequenz) eingestellt wird.

Damit ergeben sich Abscheidebedingungen, die es erlauben, große Substrate unter Seriengesichtspunkten mit guter Schichthomogenität mit guter Schichtqualität zu beschichten.

Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass bei guten Schichteigenschaften auch eine deutliche Steigerung der Beschichtungsraten ermöglicht wird. Besonders vorteilhaft ist hierbei, wenn die Frequenz der zweiten Frequenzkomponente mindestens 25 MHz und höchstens 300 MHz beträgt. Außerdem lässt sich ein Zusammenhang zwischen der Bias- spannung und den daraus folgenden Schichteigenschaften vorteilhaft zur weiteren Optimierung der Schichthomogenität nutzen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt die mittlere Leistung der zumindest einen niedrigeren Frequenzkomponente maximal 70% der mittleren Leistung der höheren Frequenzkomponente und mindestens 10% der mittleren Leistung der zumindest einen höheren Frequenzkomponente. Diese Flexibilität erlaubt es, die Homogenität der abgeschiedenen Schichten unter gleichzeitiger Beibehaltung der Schichtqualität, wie elektronischen Eigenschaften von amorphem und mikrokristallinem Silizium, zu optimieren.

In einer weiteren Ausgestaltung können Amplitude und Phase der zumindest zwei Frequenzkomponenten frei eingestellt werden. Dies wird dadurch ermöglicht, dass die Phasen der zumindest zwei Frequenzkomponenten zwar fest korreliert sein können, die relative Phasenbeziehung der zumindest zwei Frequenzkomponenten jedoch zueinander frei einstellbar sein kann. Dieses ermöglicht eine optimale Einstellung der Abscheidebedingungen bei gleichzeitig möglichst großem Parameterraum von Leistung und DC-Self-Bias zur Optimierung der Schichtqualität. Auf diese Weise wird durch Reduzierung der Energie der abgeschiedenen Ionen sowie Reduzierung der Energie des lonenbeschusses der aktivierten Gasspezie während der Be- schichtung die Abscheidung einer Schicht mit verbesserter Homogenität bei zumindest gleich bleibend hoher Schichtqualität ermöglicht.

Vorteilhaft kann die lonenenergie über einen Phasenschieber direkt beeinflusst werden; dies ermöglicht eine optimale Einstellung der Abscheidebedingungen für amorphe und mikrokristalline Silizium-Schichten. Weiterhin kann die Plasmadichte erhöht werden, ohne damit zwangsläufig einen erhöhten lonenbeschuss auf die aufwachsende Schicht zu erzeugen. Damit ist eine Steigerung der Abscheiderate ohne Reduktion des Wirkungsgrades möglich.

Eine weitere günstige Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die relative Phasenbeziehung der zwei Frequenzkomponenten zueinander mit einer Phasendifferenz = 0° eingestellt werden kann, wobei vorzugsweise ein Absolutwert der Phasendifferenz von 90° eingestellt werden kann. Bevorzugt kann der Absolutwert der Phasendifferenz so eingestellt werden, dass die Homogenität der abgeschiedenen Schicht optimal ist. Dies kann durch Messungen während oder nach der Abscheidung leicht überprüft werden.

Insbesondere kann die Frequenz der einen der zumindest zwei Frequenzkomponenten einem ganzzahligen Vielfachen der Frequenz einer anderen der zumindest zwei Frequenzkomponenten entsprechen und die relative Phasenbeziehung sowie die jeweilige Amplitude jeder Frequenzkomponente einzeln geregelt werden.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird eine Beschichtungshomogenität einer auf das Substrat aufgebrachten Schicht in Abhängigkeit der relativen Phasenbeziehung der beiden Frequenzkomponenten eingestellt. Für ein gegebenes Leistungsverhältnis LV kann dann vorteilhaft ein niedriger oder minimaler Wert der Beschichtungshomogenität durch Variation der relativen Phasenbeziehung eingestellt werden.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann als Gasspezie ein Precursorgas verwendet werden, 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 und benötigen eine Anregung, um in eine schichtbildungsfähige Spezies umgesetzt zu werden.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Plasmabehandlung eines Substrats umfasst Mittel zur Anregung einer Plasmaentladung mittels einer RF-Spannung, welche zumindest zwei Frequenzkomponenten aufweist, wobei die Frequenz der niedrigeren Frequenzkomponente mindestens 1 MHz und die Frequenz der höheren Frequenzkomponente mindesten 25 MHz beträgt 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 angeordnet ist oder anordenbar ist, und der zu behandelnde Oberflächenbereich zumindest 1 m² und die mittlere Leistung der niedrigeren Frequenzkomponente maximal 70% der mittleren Leistung der höheren Frequenzkomponente beträgt.

Die Vorrichtung zeichnet sich aus durch ein Steuergerät zur Ansteuerung der Vorrichtung, welches Mittel zur Steuerung der Amplitude und/oder relativen Phasenbeziehung der zumindest zwei Frequenzkomponenten der RF-Spannung aufweist.

Die Vorteile der Vorrichtung entsprechen denen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann weiter eine Einrichtung zur Einstellung des Leistungsverhältnisses zwischen der niedrigeren und der höheren Frequenzkomponente vorgesehen sein, wobei die mittlere Leistung der niedrigeren Frequenzkomponente maximal 70% der mittleren Leistung der höheren Frequenzkomponente beträgt und mindestens 10% der mittleren Leistung der höheren Frequenzkomponente beträgt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode eine Gasverteilereinrichtung mit einer Vielzahl von Austrittsöffnungen für Gas umfassen kann, mit der zumindest eine aktivierbare Gasspezie in den Bereich zwischen Elektrode und Gegenelektrode transportierbar ist, da auf diese Weise eine höhere Homogenität der Beaufschlagung einer zu behandelnden Substratoberfläche erreicht werden kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorteilhaft derart gestaltet sein, 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 transportierbar ist. Dieses vorteilhafte Vorgehen ermöglicht ein möglichst optimales Zuführen der für den Beschichtungsprozess nötigen Gase in den Plasmaraum und somit optimale Reaktions- und Abscheidebedingungen.

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 Schichtdickenverteilung bei der Abscheidung einer Schicht mit einer Frequenzkomponente von 13,56 MHz;

Figur 3 eine Schichtdickenverteilung bei der Abscheidung einer Schicht mit einer Frequenzkomponente von 27,12 MHz;

Figur 4 eine Schichtdickenverteilung bei der Abscheidung einer Schicht mit einer Frequenzkomponente von 13,56 MHz (200 W) sowie einer Frequenzkomponente von 27,12 MHz (2000 W);

Figur 5 eine Anordnung zur Anregung eines Plasmas mit einer 13,56 MHz Komponente und einer 27,12 MHz Komponente;

Figur 6 eine exemplarische Signalform einer fasenkorrodierten Anregung mit einer 13,56

MHz und einer 27,12 MHz Frequenzkomponente;

Figur 7 eine Schichtdickenverteilung bei der Abscheidung einer Schicht mit einer Frequenzkomponente von 13,56 MHz mit 350 W sowie einer Frequenzkomponente von 27,12 MHz mit 600 W und mit einer Phasendifferenz von -90°;

Figur 8 eine Gegenüberstellung von Standartabweichungen für verschiedene Hochfrequenzanregungsarten; eine Darstellung der Abhängigkeit des Standartabweichung der Beschichtungs- homogenität von einem Leistungsverhältnis einer höheren Frequenzkomponente zu einer niedrigeren Frequenzkomponente; Figur 10 eine Darstellung der Abhängigkeit des Bias - Potenzials in Abhängigkeit von einem Leistungsverhältnis einer höheren Frequenzkomponente zu einer niedrigeren Frequenzkomponente für eine Gesamtleistung von 1.000 Watt und eine Gesamtleistung von 10.000 Watt.

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 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 oder mehrere nicht näher dargestellte Hochfrequenz-Versorgungsquellen, angeschlossen werden oder angeschlossen sein. 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 3 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 1 1 , die eine Be- und Entladungsöffnung 49 aufweist, welche mit einer Verschlussvorrichtung 35 verschließbar ist. Die Verschlußvorrichtung ist optional. Die Vakuumkammer 1 1 wird durch ein Gehäuse 13 des Reaktors 1 gebildet. Zur Abdichtung gegenüber der Umwelt sind Dichtungen 15 vorgesehen.

Die Vakuumkammer 1 1 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 1 1 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) handein 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 Pre- cursorgas 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 5 ausgebildet sein. Die Gasverteilungsvorrichtung weist in der vorliegenden Ausführungsform eine Gasaustrittsplatte 25 auf; diese um- fasst 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 Ab- standes zwischen den Elektroden, welche in der Ausführungsform der Fig. 1 als Schiebebolzen 41 , der mittels einer Lagerplatte 43 eine Linearbewegung in der Vakuumkammer 1 1 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 Gegen- elektrode Kontaktelemente 38 für zugeordnete Kontaktelemente 37 der Haltestruktur auf, so dass die Gegenelektrode während der Durchführung der Plasmabehandlung auf dem elektrischen Potential der Vakuumkammer 1 1 liegt.

In einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, 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.

In Figur 2 ist das Ergebnis einer Abscheidung von amorphen Siliziumschichten auf einem 1 ,1 m x 1 ,4 m großen Glassubstrat bei einer Anregungsfrequenz von 13,56 MHz dargestellt. Es ist bekannt, dass bei 13,56 MHz Anregung die Beschichtungsgleichmäßigkeit über große Flächen sehr gut ist. Bei einer typischen Anordnung (1 ,4mx1 ,1 m- Substratgröße) ergibt sich üblicherweise eine Abnahme der Schichtdicke von < 10% von Mitte zu Rand; oder anders ausgedrückt, eine Standardabweichung in der Schichtdicke von etwa 2 - 4%. Bei der in Figur 2 dargestellten Schichtdickenverteilung für die Abscheidung von amorphen Siliziumschichten ist die Standardabweichung der Schichtdicke mit 3,1 % sehr gering, wie an den Höhen- linien der Schichtdickenverteilung erkennbar ist. Zwischen den Höhenlinien sind ausgeprägte Gebiete gleicher Schichtdicke.

In Tabelle 1 ist für so genannte amorphe Siliziumsschichten eine Schichtdicken- Verteilung dargestellt, die sich bei einer Anregungsfrequenz von 13,56 MHz für einen optimalen Wert der Hochfrequenzleistung ergeben hat. Die Schichtdicken sind dabei auf den Mittelwert normiert. Die Standardabweichung betrug 3,1 %.

Bei der Verwendung höherer Frequenzen ergeben sich von der Schichtqualität, aber auch von den Beschichtungsraten her, deutliche Vorteile:

Die Beschichtungsraten sind im Vergleich zur 13,56 MHz-Anregung etwa Faktor 1 ,5 bis 5 (je nach Autor unterschiedlich) höher.

Der lonenbeschuss ist aufgrund der geringeren Spannung und dafür höheren Entlade- ströme geringer, was der Qualität der Schichten entgegenkommt.

Bei gleicher Entladespannung steigt die Plasmadichte und damit die mögliche Beschich- tungsrate sogar mit dem Quadrat der Frequenz. So könnte bei Verwendung von 81 ,12 MHz anstelle von 13,56 MHz die Beschichtungsrate theoretisch sogar um den Faktor 36 sich erhöhen, wie in„Effect of frequency in the deposition of microcrystalline Silicon from silane discharges" von E. Amanatides, D. Mataras and D. E. Rapakoulias in Journal of Applied Physics, Band 90, Nummer 1 1 vom 1. Dezember 2001 , beschrieben ist.

Erhöht man die Anregungsfrequenz z.B. auf 27 MHz und darüber, so wird die Abscheidung jedoch sehr inhomogen. Ergebnisse einer solchen Abscheidung sind beispielhaft in Figur 3 dargestellt. Die Standardabweichung der Schichtdicken liegt bei 20,8%; die Schichtdicken sind am Rand um mehr als 50% abgefallen.

Wie an den Höhenlinien der Schichtdickenverteilung erkennbar ist, sind die Gebiete gleicher Schichtdicke zwischen den Höhenlinien weniger ausgeprägt und mehr Höhenlinien dichter angeordnet. An den oberen beiden Ecken ist der Abfall mit etwa 35% immer noch inakzeptabel hoch.

In Tabelle 2 ist eine Relatiwerteilung bei der Abscheidung einer Schicht mit einer Frequenzkomponente von 27, 12 MHz dargestellt. Die Schichtdicken sind dabei auf den Mittelwert normiert. Die Standardabweichung betrug 17,4 %.

Bei der Verwendung höherer Frequenzen ergibt sich generell, dass bei der Einkopplung auf nur eine Elektrode das Plasma am Rand der Elektrode sehr viel schwächer brennt. Dies ist eine unvermeidbare Erscheinung, die auftritt, wenn die Wellenlänge der Hochfrequenzstrahlung ähnlich der Länge der Elektrode wird.

Um dennoch mit höherfrequenter Anregung ein homogenes Plasma über große Flächen zu erzeugen, muss die Elektrode entweder aus mehreren Teiieiektroden bestehen, oder mehrere Anschlüssen an verschiedenen Stellen aufweisen ("multipoint connections). Dies ist beispielsweise in„Large area VHF-plasma processing of Silicon alloys" von Stephan, U. u. a. beschrieben in„Proceedings of the 16th European Photovoltaic Solar Energy Conference", EPSEC, Glasgow, Mai 2000, Band 1 , Seiten 533-536, ISBN 0-471-49436-4.

Erfindungsgemäß wird eine Elektrode verwendet, bei der bevorzugt eine Anregung aus mindestens 2 voneinander unabhängigen Frequenzen eingesetzt wird, von denen die eine für sich zu einer homogenen Abscheidung über eine gegebene Elektrode führt, insbesondere mit einer Standardabweichung von weniger als 5%, und die zweite für sich zwar eine inhomogene Abscheidung ergeben würde, aber eine so hohe Frequenz ist, dass die Schichteigenschaften gegenüber einer Abscheidung mit der ersten Frequenz deutlich verbessert werden.

Zusätzlich können die Anregungsfrequenzen phasenstarr gekoppelt und die Phase variiert werden. Die Variation der Phase kann solange erfolgen, bis sich eine vorteilhafte minimale Varianz in der Schichtdickenverteilung ergibt.

In Figur 4 sind die Ergebnisse eines Abscheideversuchs mit einer gleichzeitigen Anregung mit zwei Frequenzkomponenten von 13,56 MHZ und 27,12 MHZ dargestellt. Die Versuche wurden mit unterschiedlichem Verhältnis der HF-Leistungen, d.h. Amplituden der beiden Frequenzkomponenten zueinander durchgeführt. Dabei ergibt sich überraschenderweise eine homogene Beschichtung, sogar noch für den Fall, dass die mittlere HF-Leistung der höheren Frequenzkomponente mit 27,12 MHz 2 KW und die mittlere HF-Leistung der Frequenzkomponente mit 13,56 MHz nur 0,2 KW - also nur ein Zehntel der höheren Frequenzkomponente - beträgt. Ebenso kann aber die mittlere Leistung der niedrigeren Frequenzkomponente auch höher sein, insbesondere bis zu 70% der Leistung der höheren Frequenzkomponente betragen. Die Dichte der Höhenlinien der Schichtdickenverteilung ist erkennbar geringer. Zwischen den Höhenlinien sind ausgeprägte Gebiete gleicher Schichtdicke erkennbar.

In einem Experiment wurde eine phasenkorrelierte Anregung mit zwei Frequenzkomponenten von 13,56 MHz und 27,12 MHz verwendet , wie sie in dem Dokument "Julian Schulze: Electron dynamics in an industrial dual frequency capacitively coupled radiofrequency discharge Diploma thesis of Julian Schulze Institute for Experimental Physics V Ruhr- University Bochum February 2006, page 34, erhältlich über die Website der Ruhr- Universität Bochum beschrieben ist.

In Figur 5 ist eine Anordnung dargestellt mittels der eine phasenkorrelierte Anregung zwischen einer Gegenelektrode 51 und einer Elektrode 52 erfolgen kann. Dabei wurden die Ausgänge von einer 13.56 MHz Matchbox 55 und einer 27.12 MHz- Matchbox 55' an die Elektrode 52 mit Abmessung 160cm* 130cm angeschlossen. Um eine gegenseitige Störung der Signale in dem Matchboxen zu vermeiden war zudem ein Filter 58 erforderlich, der ein Eindringen von 13.56 MHz Signalen in die 13.56 MHz- Matchbox 55verhindert. Die Phasenstarrheit wurde durch eine externe Ansteuerung der beiden Hochfrequenzverstärker 56 über einen Doppel-Frequenzgenerator 57 erzeugt. Letzterer ermöglicht die Erzeugung eines 13.56 MHz Signals; eines 27.12 MHz Signals, als auch die Phasenverschiebung zwischen beiden. Das an der Elektrode 52 resultierende Signal kann mit dem Oszilloskop 54 dargestellt werden.

Die an der Elektrode 52 resultierende Signalform ist in Fig. 6. exemplarisch dargestellt:

Die Abscheidung von Schichten mit dieser phasenstarr gekoppelten Doppelfrequenzanregung war von der Schichtgleichmäßigkeit her gesehen nahe den Erwartungen, wie in Tabelle 3 dargestellt ist. Mit einer Standardabweichung von 6,4% lag die Schichtdickenverteilung besser, als das geometrische Mittel zwischen der 13.56 MHz Abscheidung (etwa 2%) und der 27.12 MHz Abscheidung (17,4%) von 9% erwarten ließ. Aber war der Wert größer als s < 5%.

Mit geringen Anteilen einer Anregungsfrequenzkomponente mit niedriger Frequenz, z.B. von 13,56 MHz, kann eine für sich zu einer inhomogenen Beschichtung führende höherfrequente Anregung zu einem homogenen Beschichtungsergebnis führen. Dabei ist nur ein geringer Anteil der Frequenzkomponente mit niedriger Anregungsfrequenz erforderlich, wobei der positive Einfluss der höheren Frequenz - hinsichtlich höherer Beschichtungsrate und bessere Schichtqualität - dabei erhalten bleibt.

Weitere Versuche wurden mit einer Anregungsfrequenz von 13,56 MHz und einer Leistung von 350 W sowie einer Anregungsfrequenz von 27,12 MHz und einer Leistung von 600 W durchgeführt, wobei die Anregung phasenstarr erfolgte und die Phase bei den Versuchen variiert wurde. Es ergab sich hierbei, dass die Phase ein zusätzlicher Parameter ist, mit dem sich die Beschichtungshomogenität nochmals steigern lässt. Diese Versuche wurden in einem Wertebereich für die Phasendifferenz von -90° bis +90° durchgeführt mit durchweg sehr guter Homogenität der abgeschiedenen Schichten. Es wurden Abscheidungen mit Phase "-90°" und Phase "+90°" durchgeführt, wobei die Phase gemäß der Formel

V_gesamt(t) = V_13.56*sin(2*pi^*13.56MHz^*t) + V_27.12^*sin(2*pi*27.12MHz*t+ Phase) mit

V_gesamt(t): Zeitabhängiges Spannungssignal an der Elektrode

V_13.56: Spannungsamplitude des 13.56 MHz Generators

V_27.12: Spannungsamplitude des 27.12 MHz Generators

Phase: Phasenverschiebung des 27 MHz Senders im Vergleich zum 13.56 MHz Sender ( -90° .. +90°)

t: Zeit die angelegte Gesamtspannung beeinflusst.

In Figur 7 sind Ergebnisse mit einer Phasendifferenz von -90° zwischen den beiden Anregungsfrequenzkomponenten dargestellt. Hierbei zeigt sich eine Standardabweichung der Schichtdicke von 2,4% bei gleichzeitig hoher Schichtqualität. Die Dichte der Höhenlinien der Schichtdickenverteilung ist erkennbar noch geringer. Zwischen den Höhenlinien sind ausgeprägte Gebiete gleicher Schichtdicke erkennbar, wobei im Inneren Bereich des Substrats fast keine Schichtdickenvariation vorliegt.

Ergebnisse für die Standardabweichungen sind ferner in den Tabellen 4 (Phasendifferenz +90°) und 5 (Phasendifferenz -90°) dargestellt:

Für beide Phasendifferenzen, -90° als auch +90° ist die Beschichtung deutlich homogener als im Fall "0°".

Bei Phasedifferenz +90° wurde sogar eine Schichtdickengleichmäßigkeit erreicht, die besser als die reiner 13.56 MHz Anregung ist, obwohl der 27.12 MHz Anteil eigentlich das Gegenteil bewirken sollte. Bei den genannten Versuchen waren die Amplituden V_13.56 und V_27.12 etwa gleich, was dadurch erreicht wurde, dass die Sendeleistung des 27.12 MHz Senders doppelt so hoch eingestellt wurde, die die des 13.56 MHz Senders.

In Figur 8 sind die Ergebnisse der Beschichtungsgleichmäßigkeit für die verschiedenen Hochfrequenzanregungsarten einander gegenüber gestellt. Die Schichtabscheidung ist bei der reinen 27.12 MHz Anregung sehr inhomogen, kann aber durch die Kombination mit 13.56 MHz bei optimaler Wahl der Phase zwischen den Anregungsfrequenzen homogen gemacht werden. Im Folgenden wird auf weitere Zusammenhänge zwischen Doppelfrequenz-Parameter und Schichtdickengleichmäßigkeit eingegangen:

1. Verhältnis der Leistungen bei 13.56 MHz und 27.12 MHz mit fester Phase in Bezug auf die Schichtdickengleichmäßigkeit:

In Fig. 8 ist die Schichtdickengleichmäßigkeit in Abhängigkeit des Leistungsverhältnis P (13.56 MHz) zu P(27.12 MHz) dargestellt. Dabei wurde bei allen Versuchen die Phase zwischen den beiden Anregungsfrequenzen so eingestellt, dass sich jeweils der geringste Bias (mit dem am meisten negativen Wert) einstellte.

• Bei reiner 13.56 MHz Anregung ist die Standardabweichung der Schichtdicke ca. 2%.

Fügt man einen Teil 27.12 MHz (750W/250W) hinzu, so wird die Beschichtung deutlich inhomogen mit einer Standardabweichung von 6%.

• Auch bei der Kombination 500W (13.56 MHz) + 500W (27.12 MHz) ist die Gleichmäßigkeit noch gering.

• Bei 250W (27.12 MHz) und 750W (27.12 MHz) ist die Homogenität überraschend gut und erreicht die gleichen Werte, wie die als homogen bekannte reine13.56 MHz Anregung. Dass dies überraschend ist, zeigt der Vergleich zur reinen 27.12 MHz Anregung, die eine Beschichtungsgleichmäßigkeit von 1 1 % Standardabweichung ergibt.

Wir gehen davon aus, dass eine Standardabweichung von <4% für gute Schichten erforderlich ist.

Aus dem Vorhergehenden ergibt sich, dass das beste Verhältnis für eine homogene Beschichtung in dem Bereich P(27.12)/Pges = 0,6 - 0,8 liegt.

2. Verhältnis der Leistungen bei 13.56 MHz und 27.12 MHz mit fester Phase in Bezug auf den Bias Wert:

In Figur 9 ist der minimale Bias-Wert in Abhängigkeit vom Leistungsverhältnis für eine Gesamtleistung Pges = P(13.56 MHz) + P(27.12 MHz) von 1 KW (obere Kurve) und 10 KW (untere Kurve) dargestellt.

Hierbei wurde für jede Leistungskombination durch Phasenvariation jeweils der minimale Bias-Wert bestimmt und notiert. Für die Abscheidung hochwertiger a-Si und pc-Si -Schichten wird ein möglichst negativer Bias Wert verwendet.

Es ergibt sich hierbei ein minimales Bias-Potential bei einem P(27.12)/Pges - Wert von = 0,3 - 0,7, der nahezu unabhängig von der Gesamtleistung ist.

3. Kombination der Anforderungen:

Aus 1 folgt:

Das beste Verhältnis für eine homogene Beschichtung liegt im Bereich P(27.12)/Pges = 0,6 - 0,8.

Aus 2 folgt:

Das beste Verhältnis für einen möglichst negativen Bias liegt im Bereich P(27.12)/Pges = 0,3 - 0,7.

Aus beiden Forderungen ergibt sich, dass die optimalen Beschichtungsparameter zur Einhaltung beider Forderungen bei einem Verhältnis

P(27.12)/Pges = 0,6 - 0,7.

gegeben sind.

Tabelle 1

Tabelle 2

Tabelle 3

Tabelle 4

Tabelle 5

Bezugszeichenliste

Plasmavorrichtung, Reaktor 58 Tiefpass-Filter Substrat 59 Mess-Rechner erste Elektrode

zweite Elektrode, Gegenelektrode

Prozessraum

Vakuumkammer

Gehäuse

Dichtung

Vakuumleitungen

Beschichtungsmaterialquelle

Oberfläche

Kanal

Gasaustrittsplatte

Verschlussvorrichtung

Pumpkanal

Trennwand

Gehäuserückwand

Halterung

Verschlussvorrichtung

Kontaktstelle

Doppelpfeil

Schiebebolzen

Lagerplatte

Gehäusewand

Doppelpfeil

Öffnung

Gegenelektrode mit Substrat

Elektrode

Spannungsteiler

Oszilloskop

Matchbox

Sender

Frequenzgenerator

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Beschichtung eines Substrats in einer Plasmavorrichtung, wobei das Substrat zwischen zumindest einer Elektrode und zumindest einer Gegenelektrode angeordnet wird, zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode mittels einer RF-Spannung, welche zumindest zwei Frequenzkomponenten aufweist, eine Plasmaentladung angeregt wird, wobei die Frequenz der niedrigeren Frequenzkomponente mindestens 1 MHz und die die Frequenz der zumindest einen höheren Frequenzkomponente mindestens das Doppelte der Frequenz der unteren Frequenzkomponente beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass der zu behandelnde Oberflächenbereich zumindest 1 m² und die mittlere Leistung der niedrigeren Frequenzkomponente maximal 70% der mittleren Leistung der höheren Frequenzkomponente beträgt und eine Beschichtungshomogenität einer auf das Substrat aufgebrachten Schicht in Abhängigkeit von einem Leistungsverhältnis LV der mittleren Leistung der höheren Frequenz zur mittleren Leistung der niedrigeren Frequenz eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Leistung der niedrigeren Frequenzkomponente mindestens 5% der mittleren Leistung der höheren Frequenzkomponente beträgt.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasen der zumindest zwei Frequenzkomponenten fest korreliert sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Phasenbeziehung der zwei Frequenzkomponenten zueinander frei einstellbar ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der einen der zumindest zwei Frequenzkomponenten einem ganzzahligen Vielfachen der Frequenz einer anderen der zumindest zwei Frequenzkomponenten entspricht und die relative Phasenbeziehung sowie die jeweilige Amplitude jeder Frequenzkomponente einzeln geregelt werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beschichtungshomogenität einer auf das Substrat aufgebrachten Schicht in Abhängigkeit der relativen Phasenbeziehung der beiden Frequenzkomponenten eingestellt wird.

7. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beschichtungshomogenität in Abhängigkeit von Leistungsverhältnis LV und relativer Phasenbeziehung der beiden Frequenzkomponenten optimiert wird.

8. Vorrichtung zur Beschichtung eines Substrats, umfassend

Mittel zur Anregung einer Plasmaentladung in einem Bereich zwischen einer Elektrode und einer Gegenelektrode, wobei die Frequenz der niedrigeren Frequenzkomponente mindestens 1 MHz und die Frequenz der zumindest einen höheren Frequenzkomponente mindestens das Doppelte der Frequenz der unteren Frequenzkomponente beträgt 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 angeordnet ist oder anordenbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuergerät zur Ansteuerung der Vorrichtung vorgesehen ist, so dass sich eine Plasmaentladung einstellt, wobei der zu behandelnde Oberflächenbereich zumindest 1m² und die mittlere Leistung der niedrigeren Frequenzkomponente maximal 70% der mittleren Leistung der höheren Frequenzkomponente beträgt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Einstellung des Leistungsverhältnisses zwischen der niedrigeren und der höheren Frequenzkomponente vorgesehen ist, wobei die mittlere Leistung mindestens 5% der mittleren Leistung der höheren Frequenzkomponente beträgt.