SE500740C2

SE500740C2 - Mikrovågsapparat för plasmaprocesser

Info

Publication number: SE500740C2
Application number: SE9302222A
Authority: SE
Inventors: Ladislav Bardos; Soeren Berg
Original assignee: Ladislav Bardos; Soeren Berg
Priority date: 1993-06-28
Filing date: 1993-06-28
Publication date: 1994-08-22
Also published as: SE9302222L; SE9302222D0

Description

'I x LD T x 2 elektronladdningen (1.6 x 1049 As). För att erhålla ECR-absorp- tion vid mikrovàgsfrekvenser på 2.4 GHz krävs ett inducerat magnetfält av 8.57 x 10* Tesla. Vid den anisotropa genereringen av mikrovågsplasma är absorptionen av energi inte linjär och plasmats elektrondensitet kan överstiga värdet för brytpunkts- densiteten för ett isotropt genererat plasma.

Båda typerna av plasmagenerering används inom mikrovàgstekniken för deponering av filmer, speciellt diamantfilmer i ett väte/- kolväte baserat plasma. Exempel på olika metoder har rapporterats av Kamo m. fl. i "Diamond Synthesis from Gas Phase in Microwave Plasma", J. Crystal Growth, Vol. 62, 1983, p. 642-644. I U.S.

Patent 4,940,015 fullbordas genereringen av mikrovàgsplasmat i ett reaktionskärl placerat att gå igenom den rektangulära vågledaren och gränsfrekvenskaviteterna för mikrovàg. Gräns- frekvenskaviteterna har olika gränsfrekvenser vilka gör det möjligt att öka effektiviteten för absorption av mikrovágor i plasmat. I U.S. patent 4,940,0l5 är reaktorn för syntes av diamantfilm baserad på den avstämbara evakuerade mikrovàgskavite- ten i direkt närhet till den rektangulära vágledaren. Kopplingen av mikrovågseffekten fullbordas genom en antenn innanför vàgledaren som riktar mikrovágseffekten in i kaviteten genom det dielektriska fönstret placerat vid en bottensida av en special- konstruerad cylindrisk del av kaviteten. I U.S. Patent 4,958,59O fullbordas generationen av mikrovàgsplasma inuti ett reaktionsrör med speciell konstruktion placerat inuti vågledaren med en specificerad längd. Plasmat genereras i s.k. vandringsvágmod. I detta fall är reaktorns dimensioner begränsade av storleken pá vágledaren. Ett unikt system för den isotropa generationen av plasma rapporterades först av Moisan et al., Phys. Lett. SOA, s. 125, 1974. Systemet använder ytvàgor som skall absorberas i plasmat. En avancerad version av denna anordning kallas "surfa- guide" och baseras på vågledarens produktion av ytvàgor. (Se även Moisan et al., "The waveguide surfatron: a high power surface-- wave launcher to sustain large-diameter dense plasma columns", J. Phys. E: Sci. Instrum., Vol. 20, 1987, s. 1356-1361). Denna princip möjliggör produktion av långa cylindriska kolumner av 3 högjoniserat plasma, men plasmats radiella utsträckning kommer också att begränsas av vågledarens storlek.

Metoden beskrevs för första gången i det tjeckiska patentet nr. 176690 och en anordning baserad på ECR-mikrovågsplasman för tillväxten av tunna filmer. (Se även Bárdoš L. et al., J. Phys.

D., 1975, Letter 195). Sålunda rapporterades redan 1975 en applikation rörande oxidation av kisel i ett syrgasbaserat ECR- plasma. En acceleration av ECR-plasmat till substratet i ett icke likformigt magnetfält patenterades 1979 (tjeckiskt patent nr. 208419). Liknande patent har uppträtt i Japan något efter 1988.

En av de senaste anordningarna rörande ECR-mikrovågsplasma presenteras i U.S. Patent 4,9l5,979. I detta patent är dimensio- nerna av reaktionskammaren optimerade med avseende på Larmor- radierna för elektroner, så att den rumsliga likformigheten i plasmats elektrondensitet kan förbättras.

Alla konventionella metoder och anordningar som begagnar sig av mikrovågseffekt skapar ett mikrovågsplasma nästan utan någon möjlighet att ändra den lokala fördelningen.av'elektrondensiteten i plasmat. Plasmat genereras mestadels som ett bulkmedium utan prefererade ytor. Dock är en kontroll av den lokala plasmaden- siteten gentemot utvalda ytor på substratet väldigt viktig inom många användningsområden där mer komplicerade substratytor skall beläggas. Några lokala preferenser kan kontrolleras genom lämpliga ändringar av geometrin för magnetfältet i ECR-plasma, dock gäller detta endast för tryck < 1 Pa. Detta tryck lämpar sig inte speciellt för deponering av diamantfilm, där det optimala trycket är av storleksordningen 1000 Pa.

Sammanfattning av uppfinningen Syftet med den föreliggande uppfinning är därför att överbrygga de ovan nämnda upptäckterna och problemen enligt teknikens ståndpunkt samt att tillhandahålla en förbättrad mikrovàgsapparat för plasmaprocesser, speciellt för deponering av tunna filmer, i stånd att bilda lokala plasmakolumner med en förstärkt elektrontäthet inuti det samtidigt genererade bulkplasmat. 01 4 I enlighet med ett första syfte enligt denna uppfinning in- nefattar en mikrovågsapparat för plasmaprocesser, speciellt för deponering av tunna filmer pà provytor i kontakt med mikro- vàgsplasmat alstrat vid gasreaktion vid reducerat gastryck i en vakuumkammare pumpad med en vakuumpump ett mikrovågselement innehållande åtminstone ett dielektiskt rör med en justerbar längd för alstring av en plasmakolumn i detta dielektiska rör som tjänar som ett inlopp för gasämnena, en axiellt symmetrisk vakuumresonanskavitet med en bottenarea hermetiskt angränsande det dielektriska röret eller rören an- slutet/anslutna till mikrovågselementet för generering av plasmakolumnen eller kolumnerna som kommer att fungera som plasma-antenn eller plasma-antenner' med justerbar längd för alstrandet av mikrovàgsplasma i den resonanta kaviteten med en resonanslängd som definieras av en rörlig pistong, samt en substrathållare med justerbar temperatur och placerad inuti den resonanta kaviteten i kontakt med mikrovàgsplasmat och med substratet vänt mot plasmakolumnen.

I enlighet ett andra syfte enligt uppfinningen fungerar mikrovåg- selementet som en sändare för ytvågorna för genereringen av plasmakolumnen i det dielektriska röret.

I enlighet med ett tredje syfte enligt uppfinningen är sub- strathállaren gjord av ett elektriskt ledande material som är ohmskt isolerat från kammarväggarna och hállaren med substratet är kopplad till den yttre generatorn med elektrisk förspänning.

I enlighet med ett fjärde syfte enligt uppfinningen är vakuum- resonanskaviteten försedd med ett ytterligare inlopp för arbetsgas.

I enlighet med ett femte syfte enligt uppfinningen kommer plasmakolumnen och mikrovàgsplasmat att genereras i det magnetis- ka fältet producerat av magneter eller elektromagnetiska spolar.

U" I "J \J I» 5 Kortfattad beskrivning av ritningarna egenskaperna och fördelarna med den De ovan nämnda syftena, föreliggande uppfinningen som nämns ovan kommer att klargöras genom beskrivningen av uppfinningen gjord med hänvisning till ritningarna i vilka: Fig. 1 är en schematisk planvy av en första utföringsform av en apparat för plasmaprocesser i enlighet med den föreliggande uppfinningen, speciellt för deponering av tunna filmer, 2 är en schematisk planvy av en andra utföringsform av Fig. den föreliggande uppfinningen som visar ett första exempel pà mikrovàgsapparaten för plasmaprocesser, i vilken plasmakolumnen genereras av ytvàgor alstrade i ett arrangemang med en "waveguide surfatron" och plasma-antennens längd.representerad av plasmakolumnen kan justeras med en rörlig inre del av det dielektris- ka röret.

Fig. 3 är en schematisk planvy av en tredje utföringsform av den föreliggande uppfinningen som 'visar ett andra exempel på apparaten för plasmaprocesser, i vilken plasmakolumnen och mikrovàgsplasmat kommer att genere- ras i magnetfältet alstrat av yttre magneter.

Detaljerad beskrivning 1, kommer att beskrivas en första utföringsform av ndkrovàgsapparaten i enlighet med den före- i vilket ett Med hänvisning till fig. liggande uppfinningen. Ett mikrovågselement (1), dielektriskt rör 2 är installerat, genererar inuti detta rör en plasmakolumn 3 i den arbetande gasen 4, vilken införs in i den 5 hermetiskt axiellt vakuumresonanskaviteten symmetriska angränsande röret 2 och evakuerad med en vakuumpump 6. Resonans- villkoren i kaviteten 5 kan avstämmas med en pistong 7 så att korrekt resonanslängd 8 erhålls för kaviteten 5. Plasmakolumnen 3 fungerar som en plasma-antenn i kaviteten 5 och vid resonans 6 genererar den ett mikrovàgsplasma 9 inuti resonanskaviteten 5.

Antennens längd kan kontrolleras både med effekten tillförd av mikrovàgselementet 1 till plasmakolumnen 3 och med längden 10 för det dielektriska röret 2 inuti kaviteten 5. Mikrovågsplasmat växelverkar med huvuddelen av ytan på substratet 11 som sitter fastmonterat på substrathàllaren 12. En förstärkt plasmaprocess erhålls genom plasmakolumnen 3, vilken.växelverkar med den lokala delen av substratet 11. Ytterligare en arbetsgas 14 kan släppas in i mikrovàgsplasmat 9 genom inloppsporten 13 för att påverka plasmaprocesserna vid substratet 11. Substratets ll potential under plasmaprocessen kan kontrolleras med substrathàllaren 12, vilken är installerad i kammaren 5 utan ohmsk kontakt med denna.

Potentialen kontrolleras då av en yttre generator 15 för elektrisk förspänning som är ansluten mellan kaviteten 5 och hàllaren 12 som bär substratet ll.

Exempel Tvá exempel pá föredragna utföringsformer av mikrovågsapparaten för plasmaprocesser i enlighet med den föreliggande uppfinningen kommer att beskrivas: I fig. 2, som ett första exempel, àskàdliggörs en utföringsform av mikrovàgsapparaten i vilken mikrovágselementet 1, visat i fig. 1, är anordnat som "surfaguide launcher" och bestående av mikrovágsgeneratorn 16, som tillför mikrovágseffekten in i den rektangulära vàgledaren 17 med avstämningspistongen 18 för justering av optimal resonans i den.koaxiala kaviteten 19 i denna "surfaguide launcher" 1, som är avstämbar med justeringspistongen 20. Det dielektriska röret 2, visat i fig. 1, i vilket genereras plasmakolumnen 3, visad i fig.1, är installerat genom vakuumge- nomföringen in i den dielektriska reaktorn 22. Reaktorn 22 är hermetiskt tätad mot vakuumresonanskaviteten 5 i fig. 1 i den överförande kvartsvågsdelen 23. Resonanskaviteten 5 är axiellt symmetrisk och det dielektriska röret 2 är installerat i dess symmetriaxel. Vakuumgenomföringen 21 gör det möjligt att justera den optimala längden av det dielektriska röret 2 med plasmakolum- nen 3 för genereringen av mikrovàgsplasmat 9, visat i fig- 1, iÉÛfi :iii-Ü 7 innanför kaviteten 5. I ett speciellt exempel på processen för deposition av diamantfilm i den beskrivna apparaten kan arbets- gasen 4 vara sammansatt av väte, metan, syre och argon.

Som ett andra exempel beskrivs en utföringsform av mikrovàgsappa- raten i vilken plasmakolumnen 3 och mikrovågsplasmat 9 i den resonanta kaviteten 5, visad i fig. 1, genereras i magnetfältet alstrat av yttre magneter 24. I detta arrangemang kan plasmats elektrondensitet förstärkas genom en magnetfältsinneslutning. När magnetfältet tvärs över plasmakolumnens 3 symmetriaxel når ECR- värdet, kan resonansförstärkningen av plasmats elektrondensitet i kaviteten 5 uppnås.

Mikrovâgsapparaten i enlighet med den föreliggande uppfinningen har en fördel speciellt i applikationer där lokala ythàligheter i substratytan måste deponeras med film samtidigt som resten av ytan. Substrathàllaren med ett riktigt system för förflyttning av substratet inuti plasmat kan då också anordnas.

Mikrovâgsapparaten i enlighet med uppfinningen kan användas inte bara för deponering av filmer utan också för andra typer av plasmaprocesser t. ex. torretsning, plasmarengöring, oxidering, nitrering etc.

Claims

8 PATENTKRAV

l. Mikrovàgsapparat för plasmaprocesser, i synnerhet för depone- ring av tunna filmer pà provytor som gör kontakt med mikrovågs- plasmat genererat i en gasreaktion vid reducerat gastryck i en vakuumreaktor pumpad av en vakuumpump, k ä n n e t e c k n a d av ett mikrovàgsgenererande element (1) innehållande åtminstone ett dielektriskt rör (2) med en justerbar längd (10) för genere- ringen av en plasmakolumn (3) i detta dielektriska rör vilket fungerar som ett inlopp för gasreaktionsämnen (4), en axiellt symmetrisk vakuumresonanskavitet (5) med en bottenyta hermetiskt angränsande det/de dielektriska röret/rören (2) sammankopplat/sammankopplade med mikrovàgselementet (1) för generering av plasmakolumnen eller plasmakolumnerna (3), som fungerar som plasma-antenn med justerbar längd för generationen av mikrovàgsplasma (9) i den resonanta kaviteten (5) med en resonanslängd (8) som definieras av en rörlig pistong (7), en substrathàllare med justerbar temperatur (12) placerad inuti den resonanta kaviteten (5) i kontakt med mikrovàgsplasmat (9) och med substratet (ll) vänt mot plasmakolumnen (3).
2. Mikrovàgsapparat enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att mikrovâgselementet (1) fungerar som genererande källa för ytvågorna som ger upphov till plasmakolumnen ( 3) i det dielektriska röret (2).
3. Mikrovàgsapparat enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k - n a d av att substrathållaren (12) är gjord av ett elektriskt ledande material och är ohmskt isolerad från kammarväggarna i kaviteten (5) samt att substrathállaren (12) med substratet (11) är ansluten till en yttre generator (15) med en elektrisk för- spänning. (Jl L... ' CÉÉ) \ i t* C' w 9
4. Mikrovágsapparat enligt något av föregående krav, k ä n n e - t e c k n a d av att vakuumresonanskaviteten (5) är försedd med ett ytterli- gare inlopp (13) för arbetsgas (14).
5. Mikrovàgsapparat enligt något av föregående krav, k ä n n e - t e c k n a d av att plasmakolumnen (3) och mikrovågsplasmat (9) skapas i magnetfältet producerat av magneter eller elektromagnetiska spolar (24).