DE29800950U1 - Plasma detector with impingement flow for surface treatment - Google Patents
Plasma detector with impingement flow for surface treatmentInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Plasmareaktor zum Behandeln von flächigen Substraten, dessen Gasführung verbessert ist, sowie ein Verfahren zur Plasmabehandlung von solchen Substraten.The present invention relates to a plasma reactor for treating flat substrates, the gas flow of which is improved, as well as a method for plasma treatment of such substrates.
Plasmen sind teilweise oder vollständig ionisierte Gase und Dämpfe, deren Teilchen außerdem eine große Anzahl angeregter &iacgr;&ogr; Zustände enthalten. Sie lassen sich durch elektromagnetische Felder erzeugen und aufrechterhalten.Plasmas are partially or completely ionized gases and vapors whose particles also contain a large number of excited states. They can be created and maintained by electromagnetic fields.
Die im Plasma vorhandenen Ionen, Elektronen, Moleküle in elektronisch angeregten Zuständen und die vorhandene Strahlung aktivieren und/oder ätzen Oberflächen oder leiten bei vielen (insbesondere organischen) Substanzen Polymerisationen in der Gasphase und Schichtbildung auf der Oberfläche von Substraten ein.The ions, electrons, molecules in electronically excited states and the radiation present in the plasma activate and/or etch surfaces or, in the case of many (particularly organic) substances, initiate polymerization in the gas phase and the formation of layers on the surface of substrates.
Auch üblicherweise nicht sehr reaktionsfähige Verbindungen lassen sich in Plasmen zu chemischen Reaktionen anregen.Even compounds that are usually not very reactive can be stimulated to undergo chemical reactions in plasmas.
Wesentliche Möglichkeiten der Plasma-Substrat-Wechselwirkung sind in folgender Übersicht zusammengefaßt:The main possibilities of plasma-substrate interaction are summarized in the following overview:
Materialmaterial
Prozedurprocedure
30 Abtrag30 Removal
Modifizierungmodification
organischorganic
Reinigung,Cleaning,
z.B. Entfettunge.g. degreasing
Aktivierung,Activation,
anorganischinorganic
Ätzen z.B. PlasmaoxidationEtching e.g. plasma oxidation
z.B. Hydrophilisierung Aufbau ] Plasmapolymerisation | Plasma-CVDe.g. hydrophilization structure ] plasma polymerization | plasma CVD
Plasmabehandlungen werden unter Vakuum in speziellen Reaktoren durchgeführt. Dabei ist es meist wichtig, daß das Substrat gleichmäßig behandelt wird.Plasma treatments are carried out under vacuum in special reactors. It is usually important that the substrate is treated evenly.
Fraunhofer Ges. e.V.
10194; BeschreibungFraunhofer Ges. eV
10194; Description
Die wichtigste Voraussetzung für gleichmäßige Behandlung (insbesondere bei der Schichtabscheidung) ist der für alle zu behandelnde (oder zu beschichtende) Flächen gleichmäßige Leistungs- und Stoffeintrag. Dieser hängt von der Verteilung der elektrischen Felder und Gasströmungen ab.The most important prerequisite for uniform treatment (especially in layer deposition) is the uniform power and material input for all surfaces to be treated (or coated). This depends on the distribution of the electric fields and gas flows.
Mit der Absicht, gleichmäßigere Beschichtungen zu erzielen, wurde ein sog. "Radialfluß-Reaktor" [A.R. Reinberg, Ann. Rev. Mater. Sei., V.9, S.341-372 (1979)] entwickelt. In diesem &iacgr;&ogr; Reaktor wird das Prozeßgas durch eine Öffnung in der Mitte einer Elektrode entweder zugeführt oder abgesaugt. Die Gasströmung ist radialsymmetrisch.With the aim of achieving more uniform coatings, a so-called "radial flow reactor" [A.R. Reinberg, Ann. Rev. Mater. Sci., V.9, pp.341-372 (1979)] was developed. In this reactor, the process gas is either fed in or sucked out through an opening in the middle of an electrode. The gas flow is radially symmetrical.
Allerdings muß die maximale Substratgröße für eine gleichmäßige Beschichtung viel geringer sein als die Reaktorabmessungen sind (z.B. 4-Zoll-Wafers in einem 22-Zoll-Reaktor). Auch ist für eine gleichmäßige Beschichtung die genaue Anpassung des Gasstromes und der RF-Leistung notwendig, und das System ist nicht ohne weiteres aufskalierbar.However, the maximum substrate size for uniform coating must be much smaller than the reactor dimensions (e.g. 4-inch wafers in a 22-inch reactor). Uniform coating also requires precise adjustment of the gas flow and RF power, and the system is not easily scalable.
In einer weiterer Modifikation, die in der JP 59,02,375 beschrieben ist, wird eine "Duschelektrode11 verwendet, d.h. der Gaseinlaß wird über die Fläche der Elektrode verteilt. In einem derartigem System realisiert man partiell die für die Plasmawechselwirkung (z.B. Deposition) günstige Prallströmung. Außerdem werden die unerwünschten Konzentrationsgradienten in der Gasphase noch etwas verringert, nicht aber vollständig beseitigt.In a further modification, which is described in JP 59,02,375, a "shower electrode 11" is used, ie the gas inlet is distributed over the surface of the electrode. In such a system, the impingement flow which is favorable for the plasma interaction (eg deposition) is partially realized. In addition, the undesirable concentration gradients in the gas phase are somewhat reduced, but not completely eliminated.
Die US 5614026 beschreibt eine weitere "Duschelektrode", die in einer Vorrichtung zum Entfernen von Photoresist eingesetzt wird. Das Plasma wird außerhalb der Vorrichtung generiert, weil es keine Ionen enthalten soll, wenn es auf die zu behandelnde Oberfläche auftrifft. Der Abstand der Plasmagenerationskammer zum Substrat muß in dieser Anordnung größer als die Rekombinationslänge der angeregten Teilchen sein.US 5614026 describes another "shower electrode" that is used in a device for removing photoresist. The plasma is generated outside the device because it should not contain any ions when it hits the surface to be treated. In this arrangement, the distance between the plasma generation chamber and the substrate must be greater than the recombination length of the excited particles.
Allerdings ist eine solche Vorrichtung dann nicht geeignet, wennHowever, such a device is not suitable if
Fraunhofer Ges. e.V.
10194; BeschreibungFraunhofer Ges. eV
10194; Description
eine direkte Plasmaeinwirkung auf das Substrat notwendig bzw. erwünscht ist.a direct plasma effect on the substrate is necessary or desired.
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Anlage für die Behandlung von flächigen Substraten, die einer direkten Plasmaeinwirkung ausgesetzt werden sollen.The object of the invention is to provide a system for the treatment of flat substrates that are to be exposed to direct plasma exposure.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Plasmareaktor gemäß Anspruch 1. Besonders bevorzugt sind Reaktoren gemäß Anspruch 5, &iacgr;&ogr; die einen modularen Aufbau aufweisen.This object is achieved by a plasma reactor according to claim 1. Particularly preferred are reactors according to claim 5, &iacgr;&ogr; which have a modular structure.
Spezielle Ausgestaltungen des Reaktors sind in den Figuren 1 bis dargestellt, worin:Special embodiments of the reactor are shown in Figures 1 to , in which:
Figur 1 eine erfindungsgemäße Ausgestaltung mit modularem Aufbau im seitlichen Schnitt zeigt, in der ein die verschiedenen Gasräume trennendes Flächengebilde einen Rahmen mit parallel zueinander befestigten Gasverteilungs(-zuführungs-)vorrichtungen umfaßt, die sich der Länge nach über das Flächengebilde erstrecken, wobei zusätzlich Hohlleiter und Antennen für die Einspeisung von Mikrowellen in die Plasmabehandlungskammer vorgesehen sind, Figure 1 shows an embodiment according to the invention with a modular structure in a side section, in which a sheet separating the various gas spaces comprises a frame with gas distribution (supply) devices attached parallel to one another, which extend lengthwise over the sheet, with waveguides and antennas additionally being provided for feeding microwaves into the plasma treatment chamber,
Figur 2 dieselbe Ausgestaltung, jedoch in den Schnittebenen K und L der Figur 1, zeigt, - Figur 3 ein Detail dieser Ausgestaltung zeigt, aus dem man die Befestigung der GasZuführungsvorrichtungen im Rahmen der Elektrode erkennen kann Figure 2 shows the same design, but in the sectional planes K and L of Figure 1, - Figure 3 shows a detail of this design, from which one can see the fastening of the gas supply devices in the frame of the electrode
Figur 4 eine GasZuführungsvorrichtung der Figur 1 im
seitlichen Schnitt zeigt,
- Figur 5 dieselbe Vorrichtung im seitlichen Schnitt I-J zeigt Figure 4 shows a gas supply device of Figure 1 in side section,
- Figure 5 shows the same device in lateral section IJ
Figur 6 dieselbe Vorrichtung von oben in zwei verschiedenen Schnitthöhen G, H zeigt, Figur 7 eine Vorrichtung mit ebenfalls modularem Aufbau im seitlichen Schnitt zeigt, worin das die Gasräume trennende Flächengebilde wie in Figur .1 einen Rahmen mit parallel angeordneten Gaszuführungsvorrichtungen umfaßt, die in diesem Falle jedoch in Form von langgestreckten Röhren mit Figure 6 shows the same device from above in two different cutting heights G, H, Figure 7 shows a device with a modular structure in a side section, in which the sheet separating the gas spaces comprises a frame with parallel gas supply devices as in Figure .1, which in this case, however, are in the form of elongated tubes with
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10194; Beschreibung .". ·&iacgr;10194; Description .". ·&iacgr;
zur Plasraabehandlungskammer hin gerichteten Einlaßöffnungen ausgestaltet sind, und Figur 8 die Vorrichtung der Figur 7 von oben in der Schnitthöhe X,Y zeigt.inlet openings directed towards the plasma treatment chamber, and Figure 8 shows the device of Figure 7 from above at cutting height X,Y.
Fraunhofer Ges. e.V. #&bgr; g #> # ....Fraunhofer Ges. eV #&bgr; g #># ....
10194; Beschreibung ·""· ·; · « ·; ; ;# t< 10194; Description ·""· ·; · « ·; ; ; # t<
Der erfindungsgemäße Plasmareaktor ist ein geschlossenes Gefäß mit einem Reaktorgaseinlaß, durch den das Gas in den Reaktor eingebracht wird. Innerhalb der Reaktorwandung gelangt das Gas anschließend ohne Behinderungen wie Verengungen oder dergleichen in einen Gasverteilungsraum, so daß es sich mit gleichbleibendem Druck dort verteilt. Der Gasverteilungsraum ist genauso wie der Gasabsaugraum durch ein die Gasräume trennendes Flächengebilde von der Plasmabehandlungskammer getrennt. Das Substrat ist auf einer dem Flächengebilde gegenüberliegenden Fläche, z.B. aufThe plasma reactor according to the invention is a closed vessel with a reactor gas inlet through which the gas is introduced into the reactor. Within the reactor wall, the gas then passes into a gas distribution chamber without obstructions such as constrictions or the like, so that it is distributed there with a constant pressure. The gas distribution chamber, like the gas extraction chamber, is separated from the plasma treatment chamber by a surface structure separating the gas chambers. The substrate is on a surface opposite the surface structure, e.g. on
&iacgr;&ogr; einer Platte, angeordnet. Beispielsweise kann es aufliegen (z.B. wenn, was häufig der Fall ist, diese Platte sich waagerecht erstreckt, insbesondere, wenn sie undurchlässig ist und den Boden des Plasmareaktors bildet). Selbstverständlich kann das Substrat auch an oder in der Nähe dieser Fläche befestigt sein, so daß diese Fläche nicht zwangsweise den Boden der Anlage bilden muß. Dieses ist jedoch bevorzugt.í a plate. For example, it can rest on it (e.g. if, as is often the case, this plate extends horizontally, especially if it is impermeable and forms the floor of the plasma reactor). Of course, the substrate can also be attached to or near this surface, so that this surface does not necessarily have to form the floor of the system. However, this is preferred.
Damit das Gas im wesentlichen senkrecht, also als "Prallströmung", auf das Substrat auftreffen kann, muß das Flächengebilde, durch die das Gas hindurchtritt, im wesentlichen über seine Fläche verteilte Gaseinlässe aufweisen. (Der Ausdruck "Gaseinlaß" benennt das Eintreten des Gases in die Plasmabehandlungskammer). Diese können symmetrisch verteilt oder in Reihen oder dergleichen angeordnet sein; die Geometrie der Anordnung ist nicht von Bedeutung. Erforderlich ist aber, daß die Anzahl der Gaseinlässe ausreichend ist, so daß das durch die Gaseinlässe hindurchtretende Gas, das im wesentlichen in Richtung Substrat strömt und diffundiert, auf der gesamten Fläche des Substrates im wesentlichen gleichmäßig und in gleicher Menge auftrifft. Von besonderem Vorteil ist es dabei, wenn die Einlaßquerschnitte der einzelnen Gaseinlässe möglichst klein gehalten sind. Selbstverständlich wird die Zahl der Gaseinlässe um so größer sein, je kleiner die Einlaßquerschnitte sind. Bevorzugt sind die Einlaßquerschnitte der einzelnen Gaseinlässe nicht größer als etwa 15,5 mm2, stärker bevorzugt nicht größer als etwa 7 mm2, und ganz besonders bevorzugt nicht größer als etwa 1 mm2. Die Geometrie der Gaseinlässe ist dabei nicht wesentlich, beispielsweise können diese rund oderIn order for the gas to strike the substrate essentially vertically, i.e. as an "impact flow", the surface structure through which the gas passes must have gas inlets distributed essentially over its surface. (The term "gas inlet" refers to the entry of the gas into the plasma treatment chamber). These can be distributed symmetrically or arranged in rows or the like; the geometry of the arrangement is not important. However, it is necessary that the number of gas inlets is sufficient so that the gas passing through the gas inlets, which essentially flows and diffuses in the direction of the substrate, strikes the entire surface of the substrate essentially evenly and in the same amount. It is particularly advantageous if the inlet cross sections of the individual gas inlets are kept as small as possible. Of course, the smaller the inlet cross sections, the greater the number of gas inlets. Preferably, the inlet cross sections of the individual gas inlets are not larger than about 15.5 mm 2 , more preferably not larger than about 7 mm 2 , and most preferably not larger than about 1 mm 2 . The geometry of the gas inlets is not important, for example, they can be round or
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10194; Beschreibung »&bgr;#· ··10194; Description » &bgr;# · ··
quadratisch sein oder aber auch in Form von länglichen Schlitzen gebildet sein. Im letzteren Falle ist üblicherweise der Einlaßquerschnitt etwas größer als in den beiden ersteren Fällen. Bevorzugt ist der charakteristische Abstand zwischen den Einlaß- bzw. Auslaßöffnungen geringer als der Abstand zwischen den Gaseinlässen und dem Substrat, um zu der Substratoberfläche parallele Strömungen zu vermeiden.be square or also be formed in the form of elongated slots. In the latter case, the inlet cross-section is usually somewhat larger than in the first two cases. Preferably, the characteristic distance between the inlet and outlet openings is smaller than the distance between the gas inlets and the substrate in order to avoid flows parallel to the substrate surface.
Nachdem das Gas mit seinen das Substrat verändernden &iacgr;&ogr; Bestandteilen auf diesem aufgetroffen ist, sollte es möglichst nicht parallel zum Substrat abgezogen werden, um zu vermeiden, daß ein Konzentrationsgradient entlang der Substratoberfläche entsteht. Deshalb ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß das Gas über Gasauslässe in demselben die Gasräume trennenden Flächengebilde auch wieder austreten kann, durch einen Gasabsaugraum strömt und dann den Reaktor verläßt. Die Gasauslässe und der Gasabsaugraum müssen daher vom Gasverteilungsraum und den Gaseinlässen räumlich getrennt sein, was mit Hilfe des genannten Flächengebildes erfolgt. Dieses Prinzip läßt sich in einer Vielzahl von Ausgestaltungen variieren, die nachstehend anhand von Einzelbeispielen besonders erläutert werden. Aus dem Gasabsaugraum wird das Gas dann über einen Reaktor-Gasauslaß, beispielsweise mit Hilfe einer Vakuumpumpe, abgesaugt.After the gas has hit the substrate with its components that change it, it should not be drawn off parallel to the substrate if possible, in order to avoid a concentration gradient being created along the substrate surface. Therefore, according to the invention, the gas can exit again via gas outlets in the same sheet-like structure separating the gas spaces, flow through a gas extraction space and then leave the reactor. The gas outlets and the gas extraction space must therefore be spatially separated from the gas distribution space and the gas inlets, which is done with the help of the sheet-like structure mentioned. This principle can be varied in a large number of designs, which are explained in detail below using individual examples. The gas is then extracted from the gas extraction space via a reactor gas outlet, for example with the help of a vacuum pump.
Das Prinzip, Gaseinlaß und Gasauslaß jeweils durch das dem zu behandelnden Substrat gegenüberliegende Flächengebilde zu bewirken, ermöglicht einen extrem einfachen Aufbau des gesamten Reaktors. Es ist nämlich nicht erforderlich, daß die Bestandteile in einer äußeren Reaktorkammer angeordnet sind, die durch jeweils einen Gasein- und -auslaß mit der Umgebung kommuniziert. Vielmehr ist es ausreichend, daß die erforderlichen Räume für das Behandeln des Substrates von den notwendigerweise sowieso vorhandenen Bestandteilen selbst gebildet werden. So kann beispielsweise die Plasmabehandlungskammer durch das mit einem festen Rahmen versehene Flächengebilde (das mit den oben beschriebenen Gasverteilungssystemen bestückt ist), eine diesemThe principle of gas inlet and outlet being effected through the surface structure opposite the substrate to be treated enables an extremely simple construction of the entire reactor. It is not necessary for the components to be arranged in an external reactor chamber which communicates with the environment through a gas inlet and outlet. Rather, it is sufficient that the spaces required for treating the substrate are formed by the components which are necessarily present anyway. For example, the plasma treatment chamber can be formed by the surface structure provided with a fixed frame (which is equipped with the gas distribution systems described above), a
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10194; Description
gegenüberliegende Bodenplatte, die das Substrat tragen kann, sowie einen dazwischenliegenden Rahmen gebildet werden. Die Außenabmessungen dieser Teile können aufeinander abgestimmt sein. Wenn diese Bestandteile durch Dichtungen voneinander getrennt und miteinander verbunden werden, erhält man einen sehr einfachen modularen Aufbau. In bevorzugter, weil sehr einfacher Weise ist es sodann möglich, die für die Gaszufuhr bzw. für den Abtransport des Gases erforderlichen Räume dadurch zu bilden, daß der eine dieser Räume innerhalb des die Gasräume trennendenopposite base plate, which can support the substrate, and a frame in between. The external dimensions of these parts can be coordinated with each other. If these components are separated from each other by seals and connected to each other, a very simple modular structure is obtained. In a preferred, because very simple, way, it is then possible to form the spaces required for the gas supply or for the removal of the gas by one of these spaces being inside the
&iacgr;&ogr; Flächengebildes, z.B. durch Nuten, anderen Ausnehmungen oder Rohre oder andere Konstrukte innerhalb dieses Flächengebildes gebildet wird, während der andere der beiden Räume auf der der Plasmabehandlungskammer abgewandten Seite des Flächengebildes angeordnet ist. Zur Abtrennung dieses letzten genannten Raums von der äußeren Umgebung läßt sich in einfacher Weise ein Deckel verwenden, der in seinem Inneren eine Ausnehmung aufweist, so daß beim dichtenden Aufsetzen des Deckels auf das die Gasräume trennendes Flächengebilde ein solcher Gasraum gebildet wird, der über einen Reaktor-Gaseinlaß oder -auslaß mit einer Vakuumpumpe oder einer Gaszufuhrvorrichtung oder dergleichen verbunden sein kann. Der andere der beiden Gasräume kann mit der Umgebung durch einen Gasein- oder -auslaß in Verbindung stehen, der durch den Rahmen dieses Flächengebildes geführt wird.�iacgr;&ogr; surface structure, e.g. by grooves, other recesses or pipes or other structures within this surface structure, while the other of the two spaces is arranged on the side of the surface structure facing away from the plasma treatment chamber. To separate this last-mentioned space from the external environment, a cover can be used in a simple manner, which has a recess in its interior, so that when the cover is placed in a sealing manner on the surface structure separating the gas spaces, such a gas space is formed, which can be connected to a vacuum pump or a gas supply device or the like via a reactor gas inlet or outlet. The other of the two gas spaces can be connected to the environment via a gas inlet or outlet that is guided through the frame of this surface structure.
Wenn die vier Bestandteile: (1) Abschluß-oder Bodenplatte, (2) Zwischenrahmen, (3) mit den Gasdurchtrittsöffnungen versehenes Flächengebilde (ebenfalls mit einem festen Außenrahmen) und (4) Deckel dieselben Außenabmessungen besitzen, beispielsweise in der Aufsicht rechteckig oder quadratisch sind, lassen sie sich in einfacher Weise als modulare Bauteile verwenden, die durch O-Ringe aus Gummi oder dergleichen oder andere dichtende Teile miteinander verbunden werden. In einfacher Weise lassen sich dabei gegebenenfalls einzelne dieser modularen Teile gegen andere Teile auswechseln, so daß eine hohe Variabilität von Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Plasmareaktors mit einer geringen Anzahl von Bauteilen möglich ist.If the four components: (1) end or base plate, (2) intermediate frame, (3) surface structure provided with the gas passage openings (also with a fixed outer frame) and (4) cover have the same external dimensions, for example if they are rectangular or square when viewed from above, they can be simply used as modular components that are connected to one another by O-rings made of rubber or the like or other sealing parts. In a simple manner, individual of these modular parts can be exchanged for other parts if necessary, so that a high degree of variability of designs of the plasma reactor according to the invention is possible with a small number of components.
Der einen Abstand zwischen dem genannten Flächengebilde und derThe distance between the said surface structure and the
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10194; BeschreibungFraunhofer Ges. eV
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ggf. das Substrat tragenden (Boden-)Platte schaffende Zwischenrahmen kann aus einem beliebigen Material gebildet sein. Wenn die Plasmabehandlungskammer gleichzeitig der Erzeugung von Plasma durch Gleich- oder Wechselspannung dienen soll, kann bzw. sollte der Zwischenrahmen aus elektrisch isolierendem Material bestehen. Jedoch ist manchmal ein Metallbauteil zu empfehlen, weil die Auswahl an vakuum- und plasmakompatiblen elektrisch isolierenden Materialien relativ gering ist. Kunststoffe in der Plasmabehandlungskammer sollte man wegen der hohenThe intermediate frame that creates the (base) plate that supports the substrate can be made of any material. If the plasma treatment chamber is also intended to generate plasma using direct or alternating current, the intermediate frame can or should be made of electrically insulating material. However, a metal component is sometimes recommended because the selection of vacuum and plasma-compatible electrically insulating materials is relatively small. Plastics should be avoided in the plasma treatment chamber because of the high
&iacgr;&ogr; Ausgasungsrate und der Degradation unter den Plasmabedingungen nach Möglichkeit vermeiden. Als isolierende Materialien sind daher vor allem Glas und Keramiken geeignet, die jedoch häufig spröde sind. Ihre Bearbeitungsmöglichkeiten sind meist eingeschränkt, und die Bearbeitung ist häufig teuer. Wird deshalb statt dessen Metall oder ein anderes leitendes Material verwendet, kann jedoch ggf. ein Isolator auf der zur Plasmaabhandlungskammer gerichteten Seite angeordnet sein.&iacgr;&ogr; Outgassing rate and degradation under plasma conditions should be avoided if possible. Glass and ceramics are therefore particularly suitable as insulating materials, but they are often brittle. Their processing options are usually limited and processing is often expensive. If metal or another conductive material is used instead, an insulator can be arranged on the side facing the plasma treatment chamber if necessary.
Zur Anregung des Plasmas können verschiedene Wege eingeschlagen werden. Es besteht z.B. die Möglichkeit, das die Gasströme trennende Flächengebilde als (erste) Elektrode auszubilden und die diesem Gebilde in der Plasmabehandlungskammer gegenüberliegende (Abschluß-)Platte oder Fläche, die üblicherweise das Substrat tragen wird, als Gegenelektrode zu schalten. Eine solche Ausgestaltung ist in der deutschen Patentanmeldung 197 27 857.4 beschrieben, deren Priorität diese Anmeldung in Anspruch nimmt.There are various ways to excite the plasma. For example, it is possible to design the surface structure separating the gas flows as the (first) electrode and to connect the (closing) plate or surface opposite this structure in the plasma treatment chamber, which will usually carry the substrate, as the counter electrode. Such a design is described in German patent application 197 27 857.4, the priority of which this application claims.
Zusätzlich oder alternativ kann die Energieeinspeisung zur Plasmaerzeugung durch Mikrowellen erfolgen, die z.B. durch Koaxiale bzw. Hohlleiter eingespeist werden. Die Mikrowellenleiter werden dabei bevorzugt abgedichtet durch den Deckel und dann durch bevorzugt freie Räume im die Gasströme trennenden Flächengebilde (zwischen den Gasverteilungseinrichtungen) geführt. Durch Antennen kann dann die Energie in die Plasmabehandlungskammer eingestrahlt werden. Wird die Energie ausschließlich durch Mikrowellenbehandlung erzeugt, kann auf Elektroden verzichtet werden, und der ganzeAdditionally or alternatively, the energy supply for plasma generation can be provided by microwaves, which are fed in, for example, through coaxial or waveguides. The microwave conductors are preferably sealed by the lid and then guided through preferably free spaces in the surface structure separating the gas flows (between the gas distribution devices). The energy can then be radiated into the plasma treatment chamber through antennas. If the energy is generated exclusively through microwave treatment, electrodes can be dispensed with and the entire
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Reaktor kann mit der elektrischen Erde verbunden werden.Reactor can be connected to electrical ground.
In einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung können die Mikrowellen-Einspeiseinrichtungen (Antennen) jeweils mit verschiedenen Frequenzen betrieben werden, so daß keine Interferenzen zwischen den Antennen entstehen können. Der Frequenzunterschied kann beispielsweise einige hundert Hz bis zu einigen Prozent der Frequenz (bei 2,48 GHz wären das einige Hundert MHz) betragen.In a special embodiment of the invention, the microwave feed devices (antennas) can each be operated at different frequencies so that no interference can occur between the antennas. The frequency difference can be, for example, a few hundred Hz up to a few percent of the frequency (at 2.48 GHz this would be a few hundred MHz).
Die Antennen können zusätzlich oder alternativ nacheinander im Impulsmodus angeregt werden.The antennas can be stimulated additionally or alternatively one after the other in pulse mode.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann das Plasma zwar ebenfalls durch eine elektrische Spannungsdifferenz erzeugt werden, aber nicht im Plasmabehandlungsraum selbst, sondern in einem hierzu nahe benachbarten Raum, der bezüglich der Gasführung vor der Plasmabehandlungskammer liegt. Hierzu eignet sich insbesondere der Gasverteilungsraum, und zwar bevorzugt dann, wenn er durch den Raum zwischen dem Deckel und dem die Gasströme trennenden Flächengebilde gebildet wird. Dieser Raum befindet sich sehr nahe dem Plasmabehandlungsraum. Angeregte Spezies haben daher nur kurze Diffusionswege bis zum Substrat. In der Folge sind die Verluste der angeregten Spezies durch Rekombination und andere Prozesse minimal. Auf der anderen Seite ist der direkte Beschüß durch hochenergetische Ionen, der unerwünschte chemische Reaktionen (wie z.B. Kettenbruch in Polymeren) verursachen kann, stark unterdrückt. Um diesen Beschüß völlig auszuschließen, können die Ionen z.B. durch das Anbringen eines elektrisch nicht leitenden Gewebes oder dgl., z.B. aus Quarzfasern, gestoppt werden.In another embodiment of the invention, the plasma can also be generated by an electrical voltage difference, but not in the plasma treatment chamber itself, but in a room that is close to it and that is located in front of the plasma treatment chamber in terms of the gas flow. The gas distribution chamber is particularly suitable for this, preferably when it is formed by the space between the lid and the surface structure separating the gas flows. This space is located very close to the plasma treatment chamber. Excited species therefore have only short diffusion paths to the substrate. As a result, the losses of the excited species through recombination and other processes are minimal. On the other hand, the direct bombardment by high-energy ions, which can cause undesirable chemical reactions (such as chain rupture in polymers), is greatly suppressed. In order to completely exclude this bombardment, the ions can be stopped, for example, by attaching an electrically non-conductive fabric or the like, e.g. made of quartz fibers.
Bei der letztgenannten Ausgestaltung ist darauf zu achten, daß die Zwischenräume, in denen das Gas durch das Flächengebilde in die Plasmabehandlungskammer gelangt, wie oben beschrieben ausreichend klein sind. Dies kann z.B. dadurch erreicht werden, daß auf dem Flächengebilde ein engmaschiges Metallnetz oder -gitter aufgelegt wird, das gleichzeitig als Elektrode fungierenIn the latter design, care must be taken to ensure that the gaps through which the gas passes through the sheet into the plasma treatment chamber are sufficiently small, as described above. This can be achieved, for example, by placing a close-meshed metal net or grid on the sheet, which also functions as an electrode.
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kann. Als Gegenelektrode kann dann z.B. der Deckel geschaltet sein. Das Flächengebilde kann jedoch auch selbst als Elektrode geschaltet sein. Statt der Anregung durch elektrische Gleichoder Wechselspannung oder zusätzlich dazu kann das Plasma im Gasverteilungsraum auch mit Hilfe von Mikrowellenenergie angeregt werden. Dies kann wie vorstehend für die Anregung in der Plasmabehandlungskammer beschrieben erfolgen.The cover can then be connected as a counter electrode, for example. The surface structure itself can also be connected as an electrode. Instead of being excited by direct or alternating electrical voltage, or in addition to this, the plasma in the gas distribution chamber can also be excited using microwave energy. This can be done as described above for the excitation in the plasma treatment chamber.
Nachstehend soll die Erfindung nun anhand von einzelnen &iacgr;&ogr; Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.The invention will now be explained in more detail using individual embodiments.
Die Figuren 1 und 2 zeigen einen Reaktor mit einer unteren Platte 4, auf die das zu behandelnde Substrat 5 aufgelegt oder anders befestigt wird, dem Zwischenrahmen 6, z.B. aus einem elektrisch isolierenden Stoff wie Glas oder Keramik, und einem Flächengebilde 13, in das das Gasverteilungssystem eingebaut ist. Figures 1 and 2 show a reactor with a lower plate 4, on which the substrate 5 to be treated is placed or otherwise fastened, the intermediate frame 6, e.g. made of an electrically insulating material such as glass or ceramic, and a surface structure 13 into which the gas distribution system is installed.
Auf dem Rahmen 16 des die Gasräume trennenden Flächengebildes ist der Deckel 25 aufgebracht, der innerhalb eines Rahmens mit etwa derselben Rahmenbreite wie der des Zwischenrahmens 6 eine Ausnehmung aufweist, so daß zwischen Deckel und Flächengebilde 13 ein Hohlraum 29 gebildet wird. Das Flächengebilde 13 umfaßt den Rahmen 16, auf dem parallel angeordnete Gasverteiler 15 montiert sind. Ein solcher Gasverteiler ist in den Fig. 3 bis abgebildet; er besteht aus einem Körper 10 und einer Abdeckplatte 11, die zusammengeklebt oder auf eine sonstige Weise verbunden sind. Durch die tiefere Nut 3 0 läßt sich das Arbeitsgas gleichmäßig über Gasaustrittsspalten 12 verteilen, die zwischen einer Vertiefung im Körper 10 und der Abdeckplatte 11 gebildet werden. Die Breite der Spalte 12 kann durch die Stege 31 sehr genau gehalten werden. Die Stege 31 können integrale Bestandteile der Körper 10 oder der Platten 11 sein, sie können aber auch aufgeklebt oder anderweitig befestigt sein.The cover 25 is mounted on the frame 16 of the sheet-like structure separating the gas spaces and has a recess within a frame with approximately the same frame width as that of the intermediate frame 6, so that a cavity 29 is formed between the cover and the sheet-like structure 13. The sheet-like structure 13 comprises the frame 16, on which parallel gas distributors 15 are mounted. Such a gas distributor is shown in Figs. 3 to ; it consists of a body 10 and a cover plate 11, which are glued together or connected in some other way. The deeper groove 30 allows the working gas to be evenly distributed over gas outlet gaps 12, which are formed between a depression in the body 10 and the cover plate 11. The width of the gaps 12 can be maintained very precisely by the webs 31. The webs 31 can be integral parts of the bodies 10 or the plates 11, but they can also be glued on or otherwise attached.
In den Gasverteiler 15 wird das Gas durch eine Rohrverbindung eingeführt, die in Fig. 3 dargestellt ist.The gas is introduced into the gas distributor 15 through a pipe connection shown in Fig. 3.
Die Gasverteiler werden auf dem Rahmen 16 montiert und durchThe gas distributors are mounted on the frame 16 and
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Schrauben 14 befestigt. Die Rohrverbindung 9 endet im Gaskanal 24 (einer Sackloch-Bohrung), der mit dem Gaseinlaß 7 verbunden ist.Screws 14. The pipe connection 9 ends in the gas channel 24 (a blind hole) which is connected to the gas inlet 7.
Das Arbeitsgas tritt durch den Reaktor-Gaseinlaß 7 ein und wird über den beschriebenen Gasraum, der sich im Gasverteiler 15 befindet und hier den Gasverteilungsraum darstellt, gleichmäßig verteilt. Anschließend wird es gleichmäßig durch die Gasaustrittsspalten 12 in den Plasmabehandlungsraum 26 geführt.The working gas enters through the reactor gas inlet 7 and is evenly distributed over the described gas space, which is located in the gas distributor 15 and represents the gas distribution space here. It is then evenly guided through the gas outlet gaps 12 into the plasma treatment space 26.
&iacgr;&ogr; Eine gleichmäßige Verteilung ist z.B. dann gegeben, wenn der Gesamt-Querschnitt der Durchlässe einer Spalte 12 wesentlich geringer als der Querschnitt einer Nut 3 0 ist und deshalb der Druckabfall erst in den Durchlässen stattfindet.&iacgr;&ogr; A uniform distribution is given, for example, when the total cross section of the passages of a column 12 is significantly smaller than the cross section of a groove 3 0 and therefore the pressure drop only occurs in the passages.
Das Arbeitsgas tritt aus den Öffnungen 12 in den Plasmabehandlungsraum 26 ein und trifft im wesentlichen senkrecht auf das Substrat 5 auf. Wenn die Öffnungen 12 klein genug sind und der Arbeitsdruck entsprechend ausgewählt ist, können die gasdynamischen Effekte ("Prallströmung") beispielsweise zu einer vorzüglichen Abscheidung von Plasmapolymerisationsprodukten auf der gegenüberliegenden Seite, d.h auf dem Substrat, führen. Dies ist ein erwünschter Effekt. Ein Prallströmungs-Effekt wird zum Beispiel dann erreicht, wenn die Austrittsfläche der Öffnungen etwa 0,5 mm^ bei einem Abstand zwischen Flächengebilde 13 und Substrat 5 von etwa 4 cm beträgt, wobei der Gasdruck während der Behandlung im Plasmaraum bei 100 Pa liegt und das Gas mit 0,5 sccm (standard cubic centimeter) pro Eintrittsöffnung fließt.The working gas enters the plasma treatment chamber 26 from the openings 12 and strikes the substrate 5 essentially vertically. If the openings 12 are small enough and the working pressure is selected accordingly, the gas dynamic effects ("impact flow") can, for example, lead to excellent deposition of plasma polymerization products on the opposite side, i.e. on the substrate. This is a desired effect. An impingement flow effect is achieved, for example, if the exit area of the openings is approximately 0.5 mm^ with a distance between the sheet 13 and the substrate 5 of approximately 4 cm, the gas pressure during treatment in the plasma chamber being 100 Pa and the gas flowing at 0.5 sccm (standard cubic centimeter) per inlet opening.
Zur Evakuierung des Reaktors und dem Absaugen der Reaktionsprodukte sind Durchlässe 19 im Flächengebilde 13 vorgesehen. Diese Durchlässe erstrecken sich parallel zu den Gasverteilern 15. Anschließend geht der Gasstrom durch den Absaugraum 2 9 im Deckel 25 zu dem Reaktor-Gasauslaß 1, der z.B.For evacuating the reactor and extracting the reaction products, passages 19 are provided in the surface structure 13. These passages extend parallel to the gas distributors 15. The gas flow then passes through the extraction chamber 29 in the cover 25 to the reactor gas outlet 1, which e.g.
an eine Vakuumpumpe angeschlossen ist.connected to a vacuum pump.
Die Abdichtung zwischen den Reaktorbauteilen 4, 6, 13 und 25 erfolgt durch O-Ringe 3 aus Gummi.The sealing between the reactor components 4, 6, 13 and 25 is achieved by rubber O-rings 3.
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Der Vorteil dieses Systems ist, daß die Gasaustrittspalte 12, durch die das Gas in die Plasmabehandlungskammer 16 eintritt, sehr schmal gemacht werden können. Damit können die vorteilhaften gasdynamischen Effekte in besonders effektiver Weise erzielt werden. Außerdem ist diese Konstruktion in der Herstellung sehr einfach und wirtschaftlich, da eine Vielzahl von Gaseinlässen durch das Verbinden von nur zwei Teilen, dem Körper 10 und der Abdeckplatte 11, bewirkt werden kann. DasThe advantage of this system is that the gas outlet gaps 12 through which the gas enters the plasma treatment chamber 16 can be made very narrow. This allows the advantageous gas dynamic effects to be achieved in a particularly effective manner. In addition, this design is very simple and economical to manufacture, since a large number of gas inlets can be created by connecting only two parts, the body 10 and the cover plate 11. The
&iacgr;&ogr; Bohren einer Vielzahl von kleinen Löchern ist hier nicht erforderlich.&iacgr;&ogr; Drilling a large number of small holes is not necessary here.
Die Energieeinspeisung erfolgt durch Mikrowellen, die durch koaxiale (bzw. Hohlleiter-) Durchführungen 21 eingespeist werden, welche abgedichtet durch den Deckel 25 und weiterhin durch die Räume zwischen den Gasverteilern 15 in den Plasmabehandlungsraum 26 eingeführt werden. Sie können z.B. durch Antennen 22 in den Raum 26 eingestrahlt werden.The energy is fed in by microwaves that are fed in through coaxial (or waveguide) feedthroughs 21, which are sealed by the cover 25 and then introduced into the plasma treatment room 26 through the spaces between the gas distributors 15. They can be radiated into the room 26, for example, by antennas 22.
Zusätzlich zur Anregung des Plasmas durch Mikrowellenenergie kann dieses gegebenenfalls auch noch durch Anlegen von Gleichoder Wechselspannung angeregt werden. In diesem Falle wird das Flächengebilde 13 als Elektrode und die (Boden-)Platte 4 als Gegenelektrode geschaltet. Die Plasmaeffizienz wird durch die gemeinsame Einwirkung von Mikrowellen- und Hochfrequenzenergie wesentlich erhöht, was in manchen Fällen wünschenswert ist.In addition to exciting the plasma using microwave energy, it can also be excited by applying direct or alternating voltage. In this case, the surface structure 13 is connected as an electrode and the (base) plate 4 as a counter electrode. The plasma efficiency is significantly increased by the combined effect of microwave and high frequency energy, which is desirable in some cases.
Die Figuren 7 und 8 zeigen eine Ausgestaltung, in der die Gasführung und -verteilung in umgekehrter Richtung realisiert sind. Der Gaseinlaß erfolgt nun durch den Deckel 25, der Hohlraum zwischen Deckel 25 und Flächengebilde 13 fungiert als Gasverteilungsraum 17. Die Kammer-Bauteile Platte 4, Rahmen 6 und Flächengebilde 13 befinden sich unter dem Erdpotential. Das Flächengebilde 13 umfaßt den Rahmen 16, parallel zueinander sich erstreckende Rohre 34 und ggf. ein zum Gasverteilungsraum weisendes Metallgitter 39 (für metallische Abschirmung). Gegen diese Bauteile kann an dem Deckel 25 eine elektrische (z.B. RF) Spannung angelegt werden, so daß das Plasma im Raum 17 generiert Figures 7 and 8 show a design in which the gas guidance and distribution are implemented in the opposite direction. The gas inlet is now through the cover 25, the cavity between the cover 25 and the surface structure 13 functions as the gas distribution chamber 17. The chamber components plate 4, frame 6 and surface structure 13 are located below ground potential. The surface structure 13 comprises the frame 16, parallel pipes 34 and, if necessary, a metal grid 39 pointing towards the gas distribution chamber (for metallic shielding). An electrical (e.g. RF) voltage can be applied to these components on the cover 25 so that the plasma is generated in the chamber 17.
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werden und sofort anschließend in die Plasmabehandlungskammer strömen kann.and can then immediately flow into the plasma treatment chamber.
Bei Bedarf kann hinter dem Metallgitter 39 ein elektrisch nicht leitendes, durchlässiges Gebilde 37, z.B. ein Gewebe oder Gelege aus Quarz oder anderen Fasern, angeordnet werden, um ionische Spezies abzufangen. Zum Absaugen des Gases dienen hier die Rohre 34 mit den Öffnungen 35. Die Verwendung von Rohren 34 anstelle eines Systems wie in Fig.l dargestellt hat ebenfalls den &iacgr;&ogr; Vorteil, konstruktiv besonders einfach zu sein.If required, an electrically non-conductive, permeable structure 37, e.g. a fabric or mat made of quartz or other fibers, can be arranged behind the metal grid 39 in order to capture ionic species. The pipes 34 with the openings 35 are used here to extract the gas. The use of pipes 34 instead of a system as shown in Fig. 1 also has the advantage of being particularly simple in terms of construction.
In einer alternativen, nicht gezeigten Ausgestaltung kann das Plasma im Gasverteilungsraum 17 mit Mikrowellenenergie angeregt werden, und zwar alternativ oder zusätzlich zur elektrischen Anregung. In diesem Falle wird die Mikrowellen-Energie ähnlich wie in Fig.l gezeigt eingespeist; jedoch reichen die Leiter nur bis in den GasverteilungsraumIn an alternative embodiment, not shown, the plasma in the gas distribution chamber 17 can be excited with microwave energy, either as an alternative to or in addition to electrical excitation. In this case, the microwave energy is fed in in a similar way to that shown in Fig. 1; however, the conductors only reach into the gas distribution chamber
Wird nur mit Mikrowellenenergie angeregt, entfällt die Ausbildung von Deckel und Flächengebilde als Elektroden. Diese können dann aus beliebigem, auch aus nichtleitendem Material bestehen.If only microwave energy is used for excitation, there is no need to form a cover and a surface structure as electrodes. These can then be made of any material, including non-conductive ones.
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14 Legende zu den Figuren 14 Legend of the figures
I Reaktor-Gasauslaß 3 O-RingI Reactor gas outlet 3 O-ring
4 Bodenplatte4 Base plate
5 Substrat5 Substrat
6 Zwischenrahmen6 intermediate frames
7 Reaktor-Gaseinlaß 9 Rohrverbindung7 Reactor gas inlet 9 Pipe connection
&iacgr;&ogr; 10 Gasverteiler-Korpus&iacgr;&ogr; 10 Gas distributor body
II Spalteinlaß-AbdeckplatteII Gap inlet cover plate
12 Gasaustrittsspalt12 Gas outlet gap
13 gasdurchlässiges Flächengebilde13 gas-permeable fabric
14 Schraube14 Screw
15 Gasverteiler15 Gas distributor
16 Rahmen des Flächengebildes16 Frame of the surface structure
17 Nut (Gaskanal)17 Groove (gas channel)
19 Absaug-Durchlässe19 Extraction ports
21 MW-Durchführung (Koax oder Hohlleiter)21 MW feedthrough (coax or waveguide)
2 2 MW-Antenne2 2 MW antenna
23 Isolator23 Insulator
25 Deckel25 lids
26 Plasmaraum26 Plasma room
29 Gasabs augraum29 Gas exhaust chamber
3 0 Nut3 0 Groove
31 Abstandshalter (Steg)31 Spacer (bridge)
32 Metallsieb32 Metal sieve
33 elektrisch isolierender oder leitender Abstandshalter33 electrically insulating or conductive spacer
34 Rohr-Gassammler34 Pipe gas collector
35 Gaseintrittsöffnung35 Gas inlet opening
39 Metallgitter39 metal grilles
Claims (11)
- einen Reaktor-Gaseinlaß (7) ,1. Plasma reactor, comprising - arranged one after the other in the gas flow direction - :
- a reactor gas inlet (7) ,
&iacgr;&ogr; worin der Gasverteilungsraum (17) und der Gasabsaugraum (29) von der Plasmabehandlungskammer (26) durch ein Flächengebilde (13) getrennt sind, das mit im wesentlichen über seine Fläche verteilten ■ Gaseinlässen (12) , durch die das Gas vom Gasverteilungsraum (17) in diea gas distribution chamber (17), a plasma treatment chamber (26), a gas extraction chamber (29), and a reactor gas outlet (1),
Î wherein the gas distribution chamber (17) and the gas extraction chamber (29) are separated from the plasma treatment chamber (26) by a surface structure (13) which is provided with gas inlets (12) distributed substantially over its surface, through which the gas from the gas distribution chamber (17) into the
10194; SchutzansprücheFraunhofer Ges. eV
10194; Protection claims
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R207 | Utility model specification |
Effective date: 19981217 |
|
R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |
Effective date: 20010927 |
|
R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years |
Effective date: 20040505 |
|
R152 | Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years |
Effective date: 20060404 |
|
R071 | Expiry of right |