SE521904C2 - Anordning för hybridplasmabehandling - Google Patents

Description

521 904 2 öka jonenergin i mikrovägssystem. Mikrovägsgenereringens verkningsgrad är mycket känslig för lanseringssystemets geometri. Den mindre generationen av mikrovågsplasma för konventionell elektrod behöver inte metallelektroder som kan förorsaka metallkontamination. Men sådana system kräver i vilket fall ofta ytterligare elektroder för jonenergikontroll. Vidare på grund av en möjlighet att belägga dielektriska fönster vi mikrovågsintag genom att absorbera filmer kräver fönstren speciella arrangemang med skyddande film depositíoner med en teknologi som använder PE CVD (Plasmaförhöjd kemisk förångningsdeposition).

Mikrovågsanordningar av olika konstruktioner har använts för olika ytbehandlingar (se till exempel M. Moisan och J. Pelletier, editorer av "Microwave Excited Plasmas", Elsevier, Amsterdam, 1992). Under de sista tio åren används mikrovågplasmat ofta för deposition av kolhaltiga filmer, som diamant eller kolnitrider. I det amerikanska patentet US-A-4 898 118 uppfylls genereringen av míkrovågsplasmat i ett reaktionskärl placerat för att tränga igenom den rektangulära vågledaren. I det amerikanska patentet US-A-4 940 015 är reaktorn för diamantfilm baserad på en avstämbar evakuerad mikrovägskavitet närliggande den rektangulära vågledaren.

Kopplingen av rnikrovàgseffekten uppfylls genom en antenn inuti vågledaren och utanför lågtrycksområdet som riktar mikrovågseffekten in i kaviteten genom det dielektriska fönstret placerat i en bottensida av en speciellt konstruerad cylindrisk del av kaviteten. I det amerikanska patentet US-A-4 958 590 uppfylls genereringen av rnikrovågsplasmat inuti ett reaktionsrör av speciell konstruktion placerat inuti' en vågledare med specificerad längd.

Plasmat genereras i vandringsvågmod. En anordning med mikrovågsplasma för ECR yrkas i det amerikanska patentet US-A-4 915 979. I detta patent optimeras reaktionskammarens dimensioner med avseende på elektronernas Larmor-radier så att den rumsliga likformigheten för plasmaelektrontätheten kan förbättras. I en svensk patentansökan 9302222-6 beskrevs ett unikt system för den isotropa mikrovågsgenereringen. Systemet är baserat på en plasmaskiva genererad genom ytvågor och använd som en antenn för en efterföljande generering av en mikrovågsplasmabulk i en resonator. En 521 904 s ytterligare elektrod i detta system tillåter kontroll av både strömmen till fsubstratet och plasmaantennens koppling till resonatorn (t.ex. se Bärdos et al., J. Vac. Scí. Technol., 1995). En enkel elektrodgenerering av mikrovågsplasmat har nyligen rapporterats för PE CVD vid C-N-filmer (Bärdos et al., Proc. SVC Tech. Conf. 1999). Systemet kombinerar lågeffektsgenerering med hög verkningsgrad med möjligheten till restriktion av plasmazonen vid den bearbetade ytan och enkel tillämpning av yttre fält. I den beskrivna föreliggande tekniken användes elektroderna i mikrovågsplasmat endast antingen som mikrovågslanseringsantenner eller som yttre applikatorer för ytterligare elektriska fält. Ytterligare fält i mikrovågsplasma kan användas för generering av oberoende plasma eller plasma beroende på förjonisation från det ursprungliga mikrovågsplasmat.

Dessa kombinationer kan leda till med lämpliga avancerade processplasma, vanligen noterade som ett "bubbelplasma" eller "hybridplasma". Exempel på hybridplasma genererade i ett anisotropt (magnetiserat) mikrovågsplasma kombinerat med likströms- och växelströmsfält pålagt genom en uppsättning elektroder yrkas i det japanska patentet JP A-01191779 av F. Kanji (1988).

Ett typiskt exempel på dubbelplasma genererat i ett isotropt mikrovågsplasma yrkas i det amerikanska patentet US-A-4 691 662 av T.A.

Roppel et al. (1986). Här verkar ett skivmikrovågsplasma som en källa för exciterade joner och prover av fria radikaler och elektroner för det andra plasmat som är hybrid i det att det innehåller prover både från mikrovågs- och likströmsexcitering (eller RF~beroende förspänning) via metallplatte- organ. Systemet kan arbeta även med ett anisotropt plasma i ECR-moden.

I motsats till "mjuka" mikrovågsplasma för kemibaserade behandlingar, till exempel plasmaetsning eller PE CVD, kräver den fysiska ångdepositionen (PVD) av filmer närvaro av en fastmålelektrod (vanligen katod) och antingen höga jonenergier (för sputtring) eller stor elektron-(eller jon)-ström för uppvärmning (förångning) av målelektroden. "Elektrodbaserade urladdningar med mycket hög verkningsgrad för ytbehandling genereras med hålkatoder.

Katoden är kopplad till en likströmsgenerators negativa pol och den positiva polen är ansluten till en lämplig motsatt anod. Beroende på 521 904 4 likströmseffekten kan hälkatodurladdningen exciteras i en glimregion eller i en bågregion. Principen för hålkatodurladdningen baseras på dess lämpliga geometrí, där en elektron emitterad från en katodvägg växelverkar med ett ekvivalent elektriskt fält med motsatt orientering vid den motsatta väggen.

Följaktligen kan elektroner oscillera mellan hålkatodens innerväggar och väsentligen förbättra den föreliggande gasen, eller metall frígjord från katodväggen. Sedan 1993 har hålkatodglimurladdningar genererats även med växelströmmar (AC). Typiska frekvenser för växelströmsgeneratorer för detta ändamål är mellan 105 s* och 108 s"1. Anoden i de RF-genererade hålkatoderna är RF-plasmat själv (en virtuell anod) i kontakt med med den verkliga motsatta elektroden kopplad till RF-generatorn (Bärdos et al., J. Non Cryst. Solids 97/98, 281 (1987)). Påverkan av ytterligare magnetfält har konstaterats vid hälkatoder, se t.ex. översikt av K.H. Schoenbach, inbjuden presentation vid ICPIG, Bochum 1993, Proc. III, s 287-296. Ett fokuserat magnetfält användes i en apparat för generering av en linjär bågurladdning för plasmabehandling (LAD) av Bärdos et al. i en svensk patentansökan 9403988-0 (Amerikanskt patent US-A-S 908 602). I denna apparat bildar ett par elektrodplattor placerade motsatt varandra hålkatod med parallella plattor, negativa i förhållande till det omgivande plasmat. Magnetfältet vinkelrätt mot katodplattorna och placerat nära katodutloppet möjliggör hälkatodurladdningen mellan plattorna i utloppsspalten. De heta zonerna bildas vid båda plattorna längs utloppsspalten beroende på ett förstärkt jonbombardemang av plattytorna. Den magnetiska fältgeometrin i LAD- systemet är stationärt både i tid och rum. I den svenska patentansökningen 9704260-0 av Bäránkova et al. har yrkats en plasmaprocessapparat med roterande magneter för att erhålla ett justerbart tidsvariabelt magnetfält. De roterande permanentmagnetsystemen, innefattande individuella permanent- magneter med maximal magnetisk induktion mer än 10-1 Tesla kan installeras längs utloppspalten av den' linjära hålkatoden för bättre kontroll av hålkatodurladdningen.

På grund av hög produktion av elektroner även i glimregioner har hålkatoder använts sedan 1971 som både en elektrokälla och jonisationskälla för '521 904 arbetsgasen vid plasmaprocessanordningar för plasmaunderstödd förång- ning. Hålkatoden kan höja sputtringstækten för magnetroner när de används som yttre källa för elektroner nära målelektrodens erosionzon (US-A-4 588 490, till J.J. Cuomo et al., 1986 ) En annan lämplig tillämpning av hålkatoden är dess kombination med en bägförångare (se A. Lunk, Vaccum, 1990). Dessa tillämpningar kan betraktas som ett exempel på hålkatodunderstött hybridplasma. Emellertid har ännu inte beskrivits några anordningar som använder både hålkatodurladdning och mikrovågsplasma samtidigt i ett lämpligt hybridsystem. Det finns heller inga arbeten eller resultat ännu rapporterade om kombinationer av de magnetiserade hålkatoderna med andra plasmasystem.

SAMMANFATTNING AV UPPFINN IN GEN Ett ändamål med den föreliggande uppfinningen är därför att komma förbi nackdelar i ovan nämnda upptäckter enligt teknikens ståndpunkt och till- handahålla en förbättrad anordning för hybrídplasmabehandling, speciellt för deposition av tunna filmer och plasmabehandling av provytor.

En anordning i enlighet med den föreliggande uppfinningen fastställs av det oberoende patentkravet 1 och olika utföringsformer av uppfinningen fast- ställs av de beroende patentkraven 2 till 9.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Ändamål, egenskaper och fördelar med den föreliggande uppfinningen som nämnts ovan kan bäst förstås genom att hänvisa till följande beskrivning läst tillsammans med de medföljande ritningarna, i vilka samma hänvis- ningsbeteckningar används genom hela beskrivningen för att ange samma eller motsvarande element, och i vilka: FIG.1 är en schematísk plan vy av anordningen för hybridplasma- behandling, speciellt för deposition av tunna filmer eller plasma- behandling av ytor för prover i ett hybrid mikrovågs- och FIG. 2 FIG. 3 FIG. 4 FIG. 5 FIG. 6 521 904 6 hålkatodplasma i en första utföringsform i enlighet med den föreliggande uppfinningen, är en schematisk plan vy av ett EXEMPEL 1 av anordningen för hybridplasmabehandling i en andra utföringsforrn av den före- liggande uppfinningen, i vilken en mikrovågsantenn är installerad i plasmareaktorn via ett dielektriskt fönster som en del av hålkatoden, är en schematisk plan vy av ett EXEMPEL 2 av anordningen för hybridplasmabehandling i en tredje utföringsform av den före- liggande uppfinningen, i vilken plasmareaktorn försedd med avstämningselement bildar en resonant mikrovågskavitet i förhållande till mikrovågsgeneratorns frekvens och den magnetiska induktionen för magnetorganen är Variable i tid och/ eller i rum, är en schematisk plan vy av ett EXEMPEL 3 av anordningen för hybridplasmabehandling i en fjärde utföringsform av den före- liggande uppfinningen, i vilken plasmareaktorn är öppnad mot en omgivande gas och dess utlopp har formen av en koaxiell vågledare med central ledare representerad av hålkatoden, är en schematisk plan vy av ett EXEMPEL 4 av anordningen för hybridplasmabehandling i en femte utföringsform av den före- liggande uppfinningen, i vilken plasmareaktorn har ett utlopp öppnat mot en omgivande gas och utloppet har formen av en avsmalnande vågledare i vilken en hälkatod är installerad, är en schematisk plan vy av' ett EXEMPEL 5 av anordningen för hybridplasmabehandling i en sjätte utföringsform av den före- liggande uppfinningen, i vilken plasmareaktorn är elektriskt isolerad från matningsvågledaren och dess utlopp har formen av en 521 9047 avsmalnande rektangulär vågledare representerande en dubbel hålkatod.

DETALJERAD BESKRIVNING Med hänvisning till FIG. 1 i ritningarna kommer att beskrivas en första utföringsform av anordningen för hybridplasmabehandling i enlighet med den föreliggande uppfinningen. Åtminstone en matare av mikrovågseffekt 2 ansluten till en mikrovågsgenerator 3 är installerad i plasmaraktorn 1 för att generera ett mikrovågsplasma 4 i kontakt med åtminstone en hålkatod 5 i denna plasmareaktor. Hålkatoden kraftsätts från en katodeffektgenerator 6 och innefattar åtminstone ett inlopp för en behandlingsgas 7, installerat bakom hålkatoden. Katodeffektgeneratorn kan antingen vara likström eller växelström. Behandlingsgasen släpps in i plasmareaktorn genom hål- katoden, där hålkatodplasmat 9 genereras. Plasmareaktorn är utrustad med ett pumpsystem 8 för pumpning av gaser från plasmareaktorn och för att hålla gastrycket vid ett önskat värde i fall med drift av systemet under atmosfärstryck. I fallet med drift av anordningen vid atmosfårstryck har pumpsysternet en yttre funktion, t.ex. för pumpning av restgaser efter individuella driftcykler. Ett magnetorgan 10 tillhandahålls för generation av en ett vinkelrätt magnetfält ll och/ eller ett longitudinellt magnetfält 12 i förhållande till hålkatodens axel vid dess utlopp 13. Magnetfältet kan ha flertalet effekter beroende både på dess geometri och dess induktion. Det akn verka som en enkel magnetisk inneslutning av plasmat runt hålkatodens utlopp 13. Det kan även möjliggöra en resonant absorption av mikrovågseffekt och generering av EGR-mikrovågsplasma om fältinduktionen är B 2 Bee. Och, vidare kan magnetfältet användas för förstärkning av hålkatodeffekten i hålkatodens utlopp och generering av hålkatodplasma.

Samtidig generering av mikrovågsplasma och hålkatodplasma hjälper till i förjoniseringen och upprätthållande av bådaindividuella plasma och bildar hybridplasma 14. Detta hybridplasma bestående av mikrovågsplasma 4 och hålkatodsplasma 9 används för behandling av prover 15 placerade på en provhållare 16 i kontakt med detta hybridplasma. Ett ytterligare inlopp för ytterligare processgas 17 är installerat i plasmareaktorn utanför hålkatoden. 521 904 8 En motelektrod 18 ansluten till katodeffektgeneratorn tjänar som en yttre anod i hålkatodplasmakretsen. Motelektroden kan representeras av ledande väggar i plasmareaktorn och /eller av provhållaren med prover.

EXEMPEL Fem exempel på utföringsformer av mikrovågsapparaten för plasma- behandling i enlighet med den föreliggande uppfinningen beskrivs nedan.

EXEMPEL 1 enligt FIG. 2 beskriver en utföringsform av anordningen för hybridplasmabehandling angiven i FIG. 1, i vilken matning av mikrovågs~ effekt in i plasmareaktorn åstadkoms genom en mikrovågsantenn 19 kopplad till en matningsvàgledare 21 och installerad i plasmareaktorn genom ett dielektriskt fönster. Mikrovågsantennen representerar del av hålkatoden kopplad till katodeffektgeneratorn 6. Antennen kan även tjäna som ett inlopp för processgas 7. Hålkatoden kan vara med en avsiktlig form, till exempel en enkel rörfortsättning av antennen, eller parallella plattor installerade vid antennen i reaktorn. En fördel med detta arrangemang är till exempel möjlighet att röra antennen - hålkatoden i reaktorn, eller möjligheten att påföra en ytterligare förspänning på hålkatoden överlagrat på katodeffektgeneratorn.

EXEMPEL 2 enligt FIG. 3 beskriver en utföringsform av anordningen för hybridplasmabehandling i vilken plasmareaktorn 1 är utrustad med ett avstämningselement 22 och bildar en resonant míkrovågskavitet i förhållande till mikrovåggeneratorns frekvens. Fördel med detta arrangemang är möjlighet att höja mikrovågseffektabsorptionen och generering av mikrovägsplasmat i reaktorn där hálkatoden är installerad.

En annat alternativ för anordningen i enlighet med den föreliggande uppfinningen och visad i detta exempel är möjligheten att arrangera den magnetiska induktionen för magnetorganen 10 variabel i tid och /eller i rum.

Detta kan arrangeras genom spinnande eller vibrerande magneter, genom elektromagnetiska spolar kraftsatta med en växelströmsgenerator, etc. -521 904 9 EXEMPEL 3 enligt FIG. 4 beskriver en utföringsform av anordningen för hybridplasmabehandlíng, i vilken plasmareaktorn l har åtminstone ett utlopp öppnat mot en omgivande gas och detta utlopp har formen av en koaxial vågledare 23 med en central ledare representerad av hålkatoden 5.

För regioner med hög tryck skall hålkatoden ha litet avstånd mellan de motsatta innerväggarna, typiskt mindre än l mm. Hybridplasmat 14 genereras i kontakt med proven 15. I fall med atmosfäriskt eller högre tryck under anordningen drift kan den omgivande gasen, till exempel luft, ha en oönskad effekt antingen på hybridplasmat eller på processregionerna vid proven. An denna anledning kan anordningen utrustas med en skärmning 24 för att minska växelverkan mellan hybridplasmat och en omgivande gas.

EXEMPEL 4 enligt FIG. 5 beskriver en utföringsform av anordningen för hybridplasmabehandlíng, i vilken plasmareaktorn l har åtminstone ett utlopp öppnat mot en omgivande gas. Detta utlopp har formen av en avsmalnande vågledare 25 i vilken åtminstone en hålkatod 5 är installerad. I denna utföringsform av anordningen är hålkatoden installerad utan elektrisk kontakt med vågledaren 1 och vågledaren tjänar som motelektrod för hålkatoden. I ett enkelt fall med rektangulär avsmalnande vågledare och en linjär hålkatod kan magnetorganen åstadkommas till exempel genom motsatta permanentmagneter eller elektromagnetiska spolar. Reaktorns l utlopp kan ha cirkulär eller elliptisk form och den lämpliga fromen på hålkatoden kan vara cirkulär eller elliptisk, men även rektangulär eller sammansatt av en grupp med flerfaldiga hälkatoder.

EXEMPEL 5 enligt FIG. 6 beskriver en utföringsform av anordningen för hybridplasmabehandlíng, i vilken plasmareaktorn 1 är elektriskt isolerad från den matande vågledaren 21 genom en isolator 26. Plasmareaktorn har åtminstone ett utlopp öppnat mot en' omgivande gas. och detta utlopp har formen av en avsmalnande vågledare, i vilken åtminstone en hålkatod är integrerad på ett sätt så att den avsmalnande vågledaren är del av åtminstone en hålkatod 5. I detta fall har plasmareaktorn en dubbel funktion. Den representerar en vågledare med avsmalnande utlopp och en 521 904 lO hälkatod eller system av hälkatoder, till exempel en flerspaltskatod, integrerad i detta utlopp. Reaktorn är kopplad till katodeffektgeneratorn för excitation av hålkatodplasmat och mikrovàgseffekten levererad in i reaktorn kan excitera mikrovågsplasmat bakom eller inuti hålkatoddelen. Reaktorn är försedd med inlopp för processgasen 7, vilket kan kombineras med ett inlopp för den ytterligare processgasen l7, eller är inloppen för den ytterligare processgasen placerat vid reaktorns utlopp.

Anordningen för hybridplasmabehandling i enlighet med den föreliggande uppfinningen har en fördel speciellt i tillämpningar där antingen mycket låg eller mycket högt gastrycksregioner (inkluderande atmosfäriskt och högre tryck) är önskvärda med kontrollerbara parametrar vid hög plasmatäthet. I båda fallen kan mikrovägsplasmat vara huvudkälla för förjonisering för hälkatoden. Mycket låga tryckregioner (under 1 mTorr) kan fördelaktigt utföras i magnetfält med induktion B 2 BCE.

Anordningen för hybridplasmabehandling i enlighet med uppfinningen kan användas inte bara för deposition av filmer utan även för annat slags plasmabehandling, t.ex. torretsning, plasmarengöring, oxidering, plasmanitridisering, etc.

Kombinationen av mikrovägsplasma med hålkatodplasma i enlighet med uppfinningen möjliggör en oberoende kontroll av den elektronbaserade mikrobvågsdissociationen och radikalaktiveringen av den aktiva gasen med en jonisering och jonenergikontroll genom hälkatoden. Detta för även med sig en unik möjlighet att kombinera hålkatods-PVD i en bågregion med mikrovägsplasma-CVD för deposition av kompositfilmer.

En anordning för hybridplasmabehandling i enlighet med denna uppfinning har beskrivits med hänvisning till dess föredragna utföringsformer. Det skall därför inses att otaliga ändringar och variationer kommer att vara möjliga med detta utan att avvika från andemeningen och omfattningen av uppfinningen som definieras genom de bifogade patentkraven.

Claims (9)

5 2 1 9 0 4 1 1 PATENTKRAV

1. Anordning för hybridplasmabehandling, speciellt för deposition av tunna filmer och för plasmabehandling av prover i en plasmareaktor innefattande pumpsystem, kännetecknad av åtminstone en matare av mikrovågseffekt (2) installerad i plasmareaktorn (1) och ansluten till en mikrovågsgenerator (3) för generering av ett mikrovägsplasma (4) i kontakt med åtminstone en hålkatod (5) i plasmareaktorn, varvid hälkatoden kraftsätts från en katodeffektgenerator (ö), åtminstone ett inlopp för processgas (7) installerat bakom hålkatoden varvid processgasen släpps in i plasrnareaktorn genom hålkatoden där ett hålkatodplasma (9) genereras, ett magnetorgan (10) för generering av ett vinkelrätt magnetfält (11) och/ eller ett longitudinellt magnetfält (12) vid ett utlopp (13) från hålkatoden, ett hybridplasma (14) bestående av mikrovägsplasmat (4) och hålkatodplasmat (9) för behandling av prover (15) placerade på en provhällare (16) i kontakt med hybridplasmat, ett ytterligare inlopp för ytterligare processgas (17) installerat i plasmareaktorn utanför hälkatoden, en motelektrod (18) ansluten till katodeffektgeneratorn.

2. Anordning enligt krav 1, kännetecknad av att motelektroden (18) representeras plasmareaktorns ledande väggar och/ eller av provhållaren (16) med prover (15).

3. Anordning enligt krav 1 eller 2, kännetecknad av att mätningen av mikrovägseffekt (2) utgör en mikrovågsantenn (19) kopplad till en matande vägledare (21) och rnikrovågsantennen är installerad i plasmareaktorn genom ett dielektriskt fönster (20) som en del av hàlkatoden som är kopplad till katodeffektgeneratorn (6) och mikrovågsantennen (19) tjänar som ett inlopp för processgas (7). 521 904 12

4. Anordning enligt krav 1 eller 3, kännetecknad av att plasmareaktorn är utrustad med. ett avstämningselement (22) och bildar en resonant mikrovågskavitet i förhållande till mikrovågsgeneratorns frekvens.

5. Anordning enligt krav 3 eller 4, kännetecknad av att magnetinduktionen för det vinkelräta magnetfåltet och/ eller det longitudinella magnetfåltet genererat av magnetorganet (10) vid hålkatodens (5) utlopp uppnår åtminstone mikrovågsgeneratorns electroncyklotron- resonansvärde Bee.

6. Anordning enligt krav 4 eller 5, kännetecknad av att magnet- induktionen för magnetorganet (10) är variabel i tid och / eller i rum.

7. Anordning enligt krav 4, 5 eller 6, kännetecknad av att plasmareaktorn (1) har åtminstone ett utlopp öppnat mot en omgivande gas, varvid utloppet har formen av en koaxial vågledare (23) med en central ledare representerad av hålkatoden (5) för generering av hybridplasmat i kontakt med proven (15) under skärmning (24) för att reducera växelverkan av hybridplasmat med en omgivande gas.

8. Anordning enligt krav 4, 5 eller 6, kännetecknad av att plasmareaktorn (1) har åtminstone ett utlopp öppnat mot en omgivande gas, varvid utloppet har formen av en avsmalnande vågledare (25) i vilken åtminstone en hålkatod är installerad.

9. Anordning enligt krav 7 eller 8, kännetecknad av att plasmareaktorn (1) år elektriskt isolerad från matningsvågledaren (21) genom en isolator (26), varvid plasmareaktorn har åtminstone ett utlopp öppnat mot en omgivande gas och utloppet har formen av. en avsmalnande rektangulär vågledare i vilken åtminstone en hålkatod år integrerad och den avsmalnande vågledaren är en dela åtminstone en hålkatod (5) ansluten till katod effektgeneratorn och tillhandahållen genom inloppet för processgas (7).