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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Behandeln von Substraten, insbesondere unter Einbeziehung eines Mikrowellenplasmas.
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In der Halbleitertechnologie sowie der Mikro- und Nanosensorik ist es bekannt, epitaktische Schichten aus unterschiedlichen Materialien auf Substraten abzuscheiden. Dies sollte möglichst bei niedriger Temperatur erfolgen, um die Eigenschaften des Grundsubstrats, auf dem die epitaktische Schicht abgeschieden werden soll, nicht zu beeinträchtigen. Die Substrate unterliegen üblicherweise bestimmten Temperaturbeschränkungen hinsichtlich der Temperaturbelastung, der ein Substrat ausgesetzt werden darf, ohne dass sich wesentliche Eigenschaftsänderungen des Substrats ergeben.
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Trotz dieser Temperaturbeschränkungen sind in der Vergangenheit unterschiedliche epitaktische Schichtbildungsprozesse bei erhöhten Temperaturen vorgeschlagen worden. Diese sind jedoch bei immer kleiner werdenden Strukturen auf Halbleitern, und insbesondere im Bereich der Mikro- und Nanosensorik problematisch, da die Strukturen durch die hohen Temperaturen erheblich beeinflusst werden können.
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Darüber hinaus ist es vor einem epitaktischen Schichtaufbau zweckmäßig, Oxide von der jeweiligen Substratoberfläche zu entfernen. Bei einem hierfür eingesetzten Verfahren wird das Substrat auf ungefähr 1000°C in einer Wasserstoffatmosphäre erhitzt, wodurch sich die Oxidreste von der Substratoberfläche lösen. Solche hohen Temperaturen sind jedoch wiederum, wie oben erwähnt, für die Substrateigenschaften problematisch.
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Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik hinsichtlich der epitaktischen Schichtbildung sowie der Reinigung von Substraten, liegt der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Behandeln von Substraten vorzusehen, die bzw. das wenigstens eines der vorgenannten Probleme überwindet.
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Die
DE 199 25 790 A1 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Oberflächen eines Substrats mittels eines Plasmaprozesses. Zur Erzeugung eines Plasmastrahls ist eine rohrförmige Mikrowellenelektrode mit konzentrischen Gasführungen vorgesehen. Ferner ist eine bewegliche Substrataufnahme zum Streichen des Plasmastrahls über das Substrat vorgesehen. Eine ähnliche Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmastrahls mit einer bewegbaren Substrataufnahme ist auch aus der
EP 0 710 054 A1 bekannt. Die
DE 10 2007 046 214 A1 und die
DE 199 58 474 A1 zeigen weitere Vorrichtungen und Verfahren zum Erzeugen von Plasmastrahlen zur Oberflächenbehandlung von Substraten.
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Die
US 2004 00 11 466 A1 zeigt eine Plasma-Behandlungsvorrichtung mit stabförmigen HF-Antennen, die sich in eine Prozesskammer hineinerstrecken und die mit einer mit Spannung beaufschlagten Substrataufnahme zusammenarbeiten, um ein Plasma oberhalb der Substrataufnahme zu bilden. Ferner sind bewegliche Tuner für die HF-Antennen gezeigt, die zum Einstellen von Plasmabedingungen in der Prozesskammer dienen.
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Die
DE 10 2006 002 758 A1 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur selektiven Entfernung von siliziumhaltigen Kontaminationen auf optischen Oberflächen mittels eines fluorhaltigen Plasmastrahls. In der
DE 11 2007 002 218 T5 ist ferner eine Bedampfungsvorrichtung gezeigt, bei der über einen Bedampfungskopf sowohl ein Dampf eines Filmbildungsmaterials als auch ein Reinigungsgas in eine Prozesskammer einleitbar sind. Als Reinigungsgas ist unter anderem ein Fluorradikale enthaltendes Gas genannt, das in einer Reinigungsgaserzeugungseinheit mit einem Plasma aktiviert werden kann bevor es über den Bedampfungskopf zur Reinigung der Prozesskammer in diese eingeleitet wird.
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Aus der
JP 2003 218 099 A ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Behandeln eines Substrats mit einem Plasmastrahl vorgesehen. Der Plasmastrahl wird erzeugt, indem ein Plasmastrahl zwischen Gegenelektroden hindurch geleitet wird. Während der Behandlung wird der Plasmastrahl unter einem Winkel zwischen 0 und 70° auf das Substrat gerichtet und das Substrat durch den Strahl hindurch bewegt. Der Strahl kann auch durch zwei senkrecht zueinander stehende Teilstrahlen gebildet werden.
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Erfindungsgemäß sind Vorrichtungen zum Behandeln von Substraten nach Anspruch 1 und 2 sowie ein Verfahren zum Behandeln von Substraten nach Anspruch 17 vorgesehen.
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Die Vorrichtung zum Behandeln von Substraten weist ein Gehäuse auf, das eine Prozesskammer umgibt, sowie wenigstens eine Substrataufnahme in dem Gehäuse. Ferner ist eine rohrförmige, erste Mikrowellenelektrode zum Erzeugen eines Plasmas vorgesehen, wobei die Rohrachse auf die Substrataufnahme gerichtet ist, sowie eine Bewegungseinheit, welche die erste Mikrowellenelektrode oder die Substrataufnahme trägt und geeignet ist die erste Mikrowellenelektrode oder die Substrataufnahme so zu bewegen, dass die Rohrachse die Substrataufnahme überstreicht. Darüber hinaus weist die Vorrichtung eine erste Gasführung mit einem ersten Auslass auf, der sich in die erste Mikrowellenelektrode öffnet und der auf die Substrataufnahme gerichtet ist und eine zweite Gasführung, die die erste Gasführung wenigstens teilweise umgibt und einen zweiten Auslass aufweist, der koaxial zum ersten Auslass ausgerichtet ist. Wenn die Bewegungseinheit mit der ersten Mikrowellenelektrode verbunden ist, dann sind auch die erste und zweite Gasführung mit der Bewegungseinheit verbunden, um gemeinsam mit der ersten Mikrowellenelektrode bewegt zu werden. Die erste und zweite Gasführung sind mit unterschiedlichen Gasquellen beaufschlagbar. Ferner weist die Vorrichtung wenigstens eine zweite Mikrowellenelektrode auf, wobei die wenigstens eine zweite Mikrowellenelektrode und/oder die Substrataufnahme bewegbar ist/sind, um ein auf der Substrataufnahme befindliches Substrat in einem Wirkbereich der wenigstens einen zweiten Mikrowellenelektrode oder außerhalb des Wirkbereichs anzuordnen. Eine solche Vorrichtung ist in der Lage, innerhalb der ersten Mikrowellenelektrode ein Plasma zu erzeugen, durch das zwei unterschiedliche Gasströme in koaxialer Ausrichtung zueinander hindurchgeleitet werden können, um beispielsweise einen Prozessgasstrahl aus Radikalen und Prekursorn, insbesondere einen Prozessgasstrahl aus Wasserstoff- oder Deuteriumradikalen und Prekursorgasen, wie beispielsweise SiH4, GeH4, PH3, B2H6, AsH3, Dichlorsilan, Trichlorsilan, NH3 und ähnlichen zu bilden. Dieser Radikalenstrahl mit Prekursorgasen ist geeignet für eine epitaktische Schichtbildung auf einem Substrat, und zwar selbst bei niedrigen Temperaturen von beispielsweise 400°C, im Vergleich zu Hochtemperaturabscheidungsprozessen.
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Da solche Prozesse üblicherweise im Unterdruck stattfinden, ist es von Vorteil, die Prozesskammer innerhalb des Gehäuses möglichst klein zu halten. Daher weist das Gehäuse bei einer Ausführungsform der Erfindung eine Durchgangsöffnung in einer Gehäusewand auf und die erste Mikrowellenelektrode ist derart außerhalb des Gehäuses angeordnet, dass die Rohrachse durch die Durchgangsöffnung hindurch auf die Substrataufnahme gerichtet ist. Eine Abdichtung zur Umgebung wird durch eine Balgeneinheit, insbesondere in der Form eines Federbalgs vorgesehen, die sich zwischen der Gehäusewand und der ersten Mikrowellenelektrode bzw. der die erste Mikrowellenelektrode tragenden Bewegungseinheit erstreckt. Hierdurch kann die Prozesskammer bzw. der Prozessraum klein gehalten werden, da die Bewegung der ersten Mikrowellenelektrode außerhalb der eigentlichen Prozesskammer stattfinden kann.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die wenigstens eine zweite Mikrowellenelektrode zwischen einer Einsatzposition oberhalb der Substrataufnahme und einer Ruheposition beabstandet zur Substrataufnahme bewegbar. Die zweite Mikrowellenelektrode ist in ihrer Position oberhalb der Substrataufnahme geeignet, ein Mikrowellenplasma in der Nähe der Scheibe zu erzeugen, und zwar insbesondere ein hochdichtes Wasserstoffplasma (mit hoher Ionendichte), das geeignet ist Oxidreste von der Substratoberfläche zu entfernen. Dies ist wiederum auch bei niedrigeren Temperaturen von beispielsweise 400°C, was üblicherweise als ein akzeptabler Temperaturbereich angesehen wird, möglich. Vorzugsweise sind Mittel vorgesehen, um die zweite Mikrowellenelektrode gegenüber einer Prozessgasatmosphäre in der Prozesskammer zu isolieren, wenn sie sich in der Ruheposition befindet. Die während einer epitaktischen Schichtbildung verwendeten Prozessgase könnten ansonsten auch eine Abscheidung auf der zweiten Mikrowellenelektrode bewirken, welche deren Einsatzfähigkeit beeinträchtigen können.
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Bei einer Ausführungsform ist die zweite Mikrowellenelektrode und/oder die Substrataufnahme relativ zum anderen Element derart bewegbar, dass ein auf der Substrataufnahme befindliches Substrat aus dem Bereich der zweiten Mikrowellenelektrode in den Bereich der ersten Mikrowellenelektrode gelangen kann. Hierbei kann die zweite Mikrowellenelektrode beispielsweise wiederum zum Erzeugen eines Mikrowellenplasmas im Bereich der Substratoberfläche eingesetzt werden, um Oxid von der Oberfläche zu entfernen. Anschließend kann das derart vom Oxid befreite Substrat in den Bereich der ersten Mikrowellenelektrode gebracht werden, um einen epitaktischen Schichtbildungsprozess durchzuführen und zwar über eine Relativbewegung zwischen der Substrataufnahme und den Mikrowellenelektroden. Dadurch, dass die Einflussbereiche der zweiten Mikrowellenelektrode und der ersten Mikrowellenelektrode getrennt sind, ist eine Beschichtung der zweiten Mikrowellenelektrode in einem solchen Fall nicht zu befürchten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Substrataufnahme derart ausgebildet, dass sie eine Relativbewegung zu den Mikrowellenelektroden ausführen kann, um die oben beschriebene Relativbewegung vorsehen zu können. Die Mikrowellenelektroden können in diesem Fall stationär sein, oder sie können gegebenenfalls eine Hubbewegung relativ zur Substratauflage vorsehen. Vorzugsweise sind mehrere zweite Mikrowellenelektroden vorgesehen, die mit unterschiedlichen Abständen zur Substrataufnahme, insbesondere in Bewegungsrichtung der Substrataufnahme kleiner werdenden Abständen hierzu angeordnet sind.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die zweite Mikrowellenelektrode eine stabförmige Mikrowellenelektrode mit einem Innenleiter und einem koaxial hierzu angeordneten Außenleiter, die ein Mikrowelleneinspeisungsende und ein freies Ende aufweisen. Der Außenleiter besitzt einen Rohrbereich, der den Innenleiter über einen benachbart zum Mikrowelleneinspeisungsende liegenden Teilbereich entlang seiner Längsachse vollständig umschließt, sowie einen Öffnungsbereich, der in Richtung des freien Endes des Außenleiters eine größer werdende Öffnung vorsieht. Eine solche Mikrowellenelektrode erlaubt die Ausbildung eines gleichmäßigen Plasmas oberhalb eines zu behandelnden Substrats.
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Dabei wird die Öffnung im Öffnungsbereich des Außenleiters vorzugsweise stetig und/oder stufig größer. Insbesondere ist es dabei auch möglich, dass sich stetige Bereiche und stufige Bereiche abwechseln. Der Wellenwiderstand steigt in der Öffnung an, wodurch eine Plasmazündung erschwert wird. Daher ist bei einer Ausführungsform der Erfindung eine Plasmazündvorrichtung, insbesondere ein linearer Hertzscher Oszillator für die zweite Mikrowellenelektrode vorgesehen. Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Verändern eines Abstands zwischen der Substrataufnahme und der ersten Mikrowellenelektrode und/oder der zweiten Mikrowellenelektrode vorgesehen. Diese kann beispielsweise eine Hubvorrichtung für die Substrataufnahme umfassen.
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Vorteilhafterweise ist auch wenigstens ein Hub-, Linear-, Schwenk- und/oder Drehbewegungsmechanismus für die Substrataufnahme vorgesehen, der eine entsprechende Bewegung bezüglich der ersten Mikrowellenelektrode oder der zweiten Mikrowellenelektrode bewirkt, um eine jeweilige Prozesshomogenisierung zu erreichen. Alternativ oder auch zusätzlich kann auch wenigstens ein entsprechender Mechanismus für die erste und/oder die wenigstens eine zweite Mikrowellenelektrode vorgesehen sein.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sieht die Bewegungseinheit eine kardanische Lagerung der ersten Mikrowellenelektrode vor, wodurch eine gleichförmige Überstreichung einer Substratoberfläche ermöglicht wird. Diese kann insbesondere auch durch eine Rotation der Substrataufnahme gefördert werden. Insbesondere kann aber auch die Substrataufnahme kardansich gelagert sein, wodurch ebenfalls eine gleichförmige Überstreichung einer Substratoberfläche durch die erste Mikrowellenelektrode unter einstellbarem Winkel ermöglicht wird.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung weist die wenigstens eine zweite Mikrowellenelektrode einen stabförmigen Innenleiter auf, der wenigstens teilweise radial von einem Außenleiter umgeben ist, der eine Öffnung zum Auskoppeln von Mikrowellen aufweist, die sich über wenigstens die gesamte Breite oder den Durchmesser eines zu behandelnden Substrats erstreckt.
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Bei dem Verfahren zum Behandeln von Substraten wird ein Strahl eines Wasserstoff und/oder Deuterium enthaltenden Gases durch ein erstes, von einer ersten Mikrowellenelektrode erzeugtes Mikrowellenplasma, das vom zum behandelnden Substrat beabstandet ist, geleitet, um einen Strahl aus Wasserstoff- und/oder Deuteriumradikalen zu bilden, der auf das zu behandelnde Substrat gerichtet ist. Ferner wird ein Strahl aus aus Prekusorgasen derart durch das Mikrowellenplasma geleitet, dass der Strahl aus Prekursorgasen von dem Strahl aus Wasserstoff- und/oder Deuteriumradikalen umgeben ist, und sie einen gemeinsamen Prozessstrahl bilden, der auf das zu behandelnde Substrat gerichtet ist. Dieser Prozessstrahl wird über das zu behandelnde Substrat gestrichen, um eine epitaktische Schicht auf dem Substrat abzuscheiden, wobei das Überstreichen durch eine entsprechende Relativbewegung zwischen einer ersten Mikrowellenelektrode, die das erste Plasma erzeugt, und einer Substratauflage, auf dem sich das Substrat befindet, bewirkt wird. Vor dem Leiten von Prekursorgasen durch das erste Mikrowellenplasma wird ein zweites Mikrowellenplasma mittels wenigstens einer zweiten Mikrowellenelektrode, insbesondere ein Wasserstoff- und/oder Deuteriumplasma, benachbart zum behandelnden Substrat erzeugt, um hierüber Oxid von der Substratoberfläche zu entfernen.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird die Mikrowellenelektrode, die das erste Plasma erzeugt gemeinsam mit Gaseinleitungsdüsen für Wasserstoff und/oder Deuterium enthaltendes Gas und Prekursorgasen bewegt. Das beschriebene Verfahren ermöglicht einen epitaktischen Schichtaufbau durch die Kombination eines Strahls aus Wasserstoff- und/oder Deuteriumradikalen mit einem Strahl aus Prekursorgasen selbst bei niedrigen Temperaturen im Bereich von 400°C. Für den epiktaktischen Schichtaufbau kann das Substrat in geeigneter Weise auf die erforderliche Temperatur aufgeheizt werden. Eine solche Aufheizung des Substrats kann beispielsweise über eine Widerstandsheizung der Substrataufnahme und/oder auch über eine direkte Aufheizung des Substrats und/oder der Substrataufnahme mittels elektromagnetischer Strahlung, wie beispielsweise einer Heizlampe, erfolgen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird vor dem Leiten von Prekursorgasen durch das erste Mikrowellenplasma nur der Strahl aus Wasserstoff- und/oder Deuteriumradikalen über das zu behandelnde Substrat bewegt, um es zu reinigen und/oder zu passivieren.
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Das obige Verfahren wird bevorzugt in einer Prozesskammer ausgeführt. Zusätzlich kann daher ein Verfahren zum Reinigen einer Prozesskammer vorgesehen sein, bei dem ein Strahl eines Fluor enthaltenden Gases, insbesondere NF3-Gas durch ein Mikrowellenplasma geleitet wird, um einen Strahl aus Fluorradikalen zu bilden, wobei der Strahl aus Fluorradikalen in die zu reinigende Prozesskammer gerichtet ist, wobei dieser Strahl aus Fluorradikalen über zu reinigende Bereiche der Prozesskammer bewegt wird. Hierdurch lässt sich auf einfache Weise mit derselben Vorrichtung, die zuvor auch für den epitaktischen Schichtaufbau eingesetzt wird, eine einfache Reinigung der Prozesskammer erreichen. Nach dem Überstreichen des Strahls aus Fluorradikalen über zu reinigende Bereiche der Prozesskammer kann ein Strahl aus Wasserstoff und/oder Deuterium enthaltendem Gas durch das Mikrowellenplasma geleitet werden, um einen Strahl aus Wasserstoff- und/oder Deuteriumradikalen zu bilden, wobei der Strahl aus Wasserstoff- und/oder Deuteriumradikalen in die Prozesskammer gerichtet ist, und über die zu reinigenden Bereiche der Prozesskammer bewegt wird. Hierdurch kann die Prozesskammer für nachfolgende epitaktische Schichtbildungsprozesse vorbereitet bzw. konditioniert werden. Nach einer solchen Reinigung der Prozesskammer kann sich vorteilhaft das zuvor beschriebene Verfahren zum Behandeln von Substraten anschließen.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
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1 eine schematische Schnittansicht durch eine Vorrichtung zum Behandeln von Substraten;
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2 eine schematische Schnittansicht durch die Vorrichtung gemäß 1, bei der eine Mikrowellenelektrode in einer anderen Position gezeigt ist;
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3 eine schematische Schnittansicht durch eine alternative Vorrichtung zum Behandeln von Substraten; und
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4a–4c eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung ähnlich der 1 und 2, während unterschiedlicher Prozessabläufe.
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Die in der nachfolgenden Beschreibung verwendeten relativen Begriffe, wie ”z. B.”, ”links”, ”rechts”, ”über” und ”unter” beziehen sich auf die Zeichnungen und sollen die Anmeldung in keiner Weise einschränken, auch wenn sie bevorzugte Anordnungen zeigen können.
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Die 1 und 2 zeigen jeweils schematische Schnittansichten durch eine Vorrichtung 1 zum Behandeln eines Substrats 2, wobei unterschiedliche Komponenten in unterschiedlichen Positionen dargestellt sind.
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Die Vorrichtung 1 besitzt ein nur im Umriss angedeutetes Vakuumgehäuse 3, eine erste Mikrowellenplasmaanordnung 5 sowie eine zweite Mikrowellenplasmaanordnung 7.
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Das Vakuumgehäuse 3 definiert eine Prozesskammer 8 im Inneren, in der eine Substrataufnahme 10 angeordnet ist. Die Substrataufnahme 10 besteht aus einer plattenförmigen Auflage 12 sowie einem sich senkrecht hierzu erstreckenden Tragelement 14. Die Auflage 12 ist in bekannter Art und Weise aufgebaut, um ein Substrat 2 in geeigneter Weise darauf aufzunehmen. Das Tragelement 14 trägt die Auflage und ist in bekannter Art und Weise auch in abgedichteter Weise aus dem Vakuumgehäuse herausgeführt. Das Tragelement 14 steht mit einem externen, nicht näher dargestellten Hub- und oder Drehmechanismus in Verbindung, wie durch die Pfeile A und B in den 1 und 2 angedeutet ist.
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Unterhalb der Substrataufnahme 10 ist eine Vielzahl von Heizlampen 16 zum Heizen der Substrataufnahme 10 bzw. eines darauf befindlichen Substrats 2 vorgesehen. Wenn die Substrataufnahme, insbesondere die Auflage 12 aus einem für die Strahlung der Heizlampen transparenten Material besteht, kann das Substrat 2 direkt aufgeheizt werden, sofern dies erwünscht ist. Wenn die Substrataufnahme hingegen für die Heizstrahlung der Heizlampen 16 nicht transparent ist, wird ein Substrat 2 über eine entsprechende Erwärmung der Auflage 12 auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt. Alternativ ist es auch möglich, statt der Heizlampen eine Widerstandsheizung im Bereich der Auflage 12 vorzusehen. Insbesondere könnte zum Beispiel eine Platte vorgesehen sein, die mehrere gegebenenfalls separat ansteuerbare Heizzonen aufweist. Eine solche Platte könnte beispielsweise in geeigneter Weise aus AlN (Aluminiumnitrid) oder einem anderen geeigneten Material bestehen, das die Plasmaprozesse in der Prozesskammer nicht negativ beeinflusst. Diese Platte könnte selbst die Auflage bilden, oder eng benachbart hierzu angeordnet sein. Die Platte selbst könnte über einen geeigneten Mechanismus sowohl vertikal bewegt als auch rotiert werden, um eine homogene Aufheizung eines Substrats vorzusehen. Eine solche Platte kann gegenüber einer Aufheizung mittels Heizlampen den Vorteil haben, dass die Platte primär eine Wärmeleitung vorsieht, während die Heizlampen eine Strahlungserwärmung vorsehen, die gegebenenfalls durch eine während des Prozesses auftretende Beschichtung der Heizlampen/oder des Substrats beeinträchtigt werden kann.
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Das Vakuumgehäuse 3 steht in geeigneter Weise mit einer Unterdruckquelle in Verbindung, um die Prozesskammer 8 entlüften zu können. Darüber hinaus ist in dem Vakuumgehäuse 3 eine nicht näher dargestellte Schleuse zum Be- und Entladen vom Substrat 2 vorgesehen. In der oberen Wand des Vakuumgehäuses 3 ist ferner eine Öffnung 20 vorgesehen, die über ein Türelement 21 verschließbar ist. Das Türelement 21 ist innerhalb der Prozesskammer 8 verschiebbar gelagert, wie durch den Doppelpfeil C dargestellt ist. Das Türelement 21 ist in den 1 und 2 in einer geöffneten Position dargestellt, kann aber auch in eine geschlossene Position bewegt werden, um die Öffnung 20 zu schließen.
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In einer Seitenwand des Vakuumgehäuses 3 ist eine zweite Öffnung 23 vorgesehen, die über ein entsprechendes Türelement 24 verschließbar ist. Das Türelement 24 ist in der Darstellung gemäß 1 in einer geschlossenen Position und in der Darstellung gemäß 2 in einer geöffneten Position.
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Die erste Mikrowellenplasmaanordnung 5 besteht aus einer rohrförmigen Mikrowellenelektrode 30, einem Mikrowellengenerator 31 zum Einspeisen von Mikrowellen in die Mikrowellenelektrode 30, einer Trag- und Bewegungseinheit 34 sowie einer Gaseinleitungseinheit 36. Die rohrförmige Mikrowellenelektrode 30 besitzt in bekannter Weise einen rohrförmigen Körper aus elektrisch leitendem Material, der eine nicht näher dargestellte Mikrowelleneinspeisungsöffnung aufweist, über die Mikrowellen vom Mikrowellengenerator 31 eingespeist werden können. Die Rohrachse der Mikrowellenelektrode, die bei D gezeigt ist, ist bezüglich der Oberfläche der Substratauflage 12 geneigt, wie in den 1 und 2 deutlich zu erkennen ist. Die Rohrachse ist dabei jedoch auf die Auflage 12, und insbesondere ein darauf befindliches Substrat gerichtet.
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Die Trag- und Bewegungseinheit 34 besitzt ein Gehäuse zum Tragen der Mikrowellenelektrode 30, des Mikrowellengenerators 31, sowie einem Teil der Gaseinleitungseinheit 36, wie nachfolgend näher erläutert wird. Das Gehäuse steht mit einem nicht näher dargestellten Bewegungsmechanismus in Verbindung, der geeignet ist das Gehäuse in einer geeigneten Weise zu bewegen, und insbesondere eine Rotation um die Rotationsachse E vorzusehen. Wie zu erkennen ist, steht die Rotationsachse E senkrecht zur Substratauflage 12 und ist bezüglich der Rohrachse D abgewinkelt. Dabei soll die Bewegung des Bewegungsmechanismus ein Überstreichen der Rohrachse D über die Substratauflage 12 bewirken, wie der Fachmann erkennen kann. Alternativ könnte aber auch die Mikrowellenplasmaanordnung 5 stationär ausgebildet sein und die Auflage 12 über einen entsprechenden Mechanismus, der über den oben genannten Hub- und/oder Drehmechanismus hinausgeht, so bewegbar sein, dass sie relativ zur Mikrowellenplasmaanordnung 5 so bewegt wird, dass die Rohrachse D die Auflage überstreicht. Dies kann beispielsweise durch eine kardanische Befestigung und Bewegung der Auflage 12 bewirkt werden oder auch einen Mechanismus, der neben einer Drehbewegung eine Seitenbewegung der Auflage 12 bewirkt.
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Die Gaseinleitungseinheit 36 besteht aus einem Außenrohr 40 und einem Innenrohr 42, die koaxial zueinander angeordnet sind. Darüber hinaus sind das Außenrohr und das Innenrohr auch koaxial zur Mikrowellenelektrode 30 ausgerichtet, so dass die Rohrachse D auch mit den jeweiligen Längsachsen des Außenrohrs 40 bzw. des Innenrohrs 42 zusammenfällt.
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Das Innenrohr und das Außenrohr sind in geeigneter Weise mit unterschiedlichen Prozessgasen beaufschlagbar, wie nachfolgend noch näher erläutert wird.
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Zwischen der Trag- und Bewegungseinheit 34 und der oberen Wand des Vakuumgehäuses 3 ist eine flexible Abdichteinheit 44, beispielsweise in Form eines Federbalgens, vorgesehen, um auch bei geöffnetem Türelement 21 einen Unterdruck innerhalb des Prozessraums 8 erzeugen zu können.
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Die zweite Mikrowellenplasmaanordnung
2 besteht im Wesentlichen aus einer stabförmigen Mikrowellenelektrode
50. Die Mikrowellenelektrode
50 ist insbesondere des Typs, wie er in der
DE 10 2008 036 766 A1 beschrieben ist, deren Inhalt hier durch Bezugnahme aufgenommen ist. Insbesondere besitzt die Mikrowellenelektrode
50 einen nicht näher dargestellten Innenleiter und einen koaxial hierzu angeordneten Außenleiter, die ein Mikrowelleneinspeisungsende und ein freies Ende aufweisen. Der Außenleiter besitzt einen Rohrbereich, der den Innenleiter über einen benachbart zur Mikrowelleneinspeisungsende liegenden Teilbereich entlang seiner Längsachse vollständig umschließt, sowie einen Öffnungsbereich, der in Richtung des freien Endes des Außenleiters eine größer werdende Öffnung vorsieht. Insbesondere ist eine stetig oder auch stufig größer werdende Öffnung vorgesehen, wobei ein im Wesentlichen stetig ansteigender Wellenwiderstand (wave impedance) gebildet wird. Ferner ist insbesondere an dem freien Ende des Innenleiters eine Plasmazündvorrichtung, beispielsweise in Form eines linearen Hertzschen Oszillators vorgesehen.
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Die Mikrowellenelektrode 50 ist von einer flexiblen Abdichteinheit umgeben, wie beispielsweise einem Faltenbalg 52. Die Mikrowellenelektrode 50 ist über einen nicht näher dargestellten Bewegungsmechanismus zwischen einer Ruheposition außerhalb des Vakuumgehäuses 3 und einer Arbeitsposition innerhalb des Vakuumgehäuses 3 bewegbar. Dabei besitzt der Faltenbalg 52 die Funktion, eine Abdichtung in der Prozesskammer 8 gegenüber der Umgebung vorzusehen, wenn die Mikrowellenelektrode 50 in die Prozesskammer 8 hinein bewegt ist, wie in 2 dargestellt ist. Dabei wird die Mikrowellenelektrode 50 über die Öffnung 23 bei geöffnetem Türelement 24 in die Prozesskammer 8 hineingeschoben. Wie in 2 zu erkennen ist, ist die Mikrowellenelektrode 50 in ihrer Arbeitsposition benachbart zur Substrataufnahme 10 bzw. einem darauf aufgenommenen Substrat 2 angeordnet, um im Bereich der Oberfläche des Substrats 2 ein hochdichtes Mikrowellenplasma erzeugen zu können.
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3 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Vorrichtung 1 zum Behandeln von Substraten, wobei ähnlich wie in 1 dieselben Bezugszeichen verwendet werden, sofern gleiche oder identische Elemente vorgesehen sind. Die Vorrichtung 1 besitzt wiederum ein nur im Umriss dargestelltes Vakuumgehäuse 3, sowie erste und zweite Mikrowellenplasmaanordnungen 5 und 7. Das Vakuumgehäuse 3 definiert wiederum eine Prozesskammer 8, in der eine Substrataufnahme 10 wenigstens teilweise angeordnet ist. Die Substrataufnahme 10 besteht im Wesentlichen aus einem Endlostransportband 60, das über eine Vielzahl von Umlenk- oder Transportrollen 62 umlaufend geführt ist. Die normale Umlaufrichtung für eine Behandlung des Substrats 2 ist dabei im Uhrzeigersinn, es ist aber auch möglich, das Transportband gegen den Uhrzeigersinn umlaufend zu bewegen. Dabei ist ein umliegendes Transporttrum des Transportbandes 60 derart angeordnet, dass es sich geradlinig durch die Prozesskammer 8 hindurcherstreckt. Somit wird ein Substrat 2 von links nach rechts durch die Prozesskammer 8 hindurchbewegt. Die Rückführung des Transportbandes 60 erfolgt außerhalb der Prozesskammer 8, um dort beispielsweise Kühl- oder Reinigungsprozesse an dem Transportband vornehmen zu können. Das Transportband 60 besteht aus einem für elektromagnetische Strahlung im Wesentlichen transparenten Material. Das Transportband 60 sollte möglichst vollständig innerhalb des Vakuumbereichs angeordnet sein, kann aber auch bei einer geeigneten Anordnung wenigstens teilweise außerhalb des Vakuumbereichs liegen. Statt eines Transportbandes 60 kann die Substrataufnahme 10 auch einen anderen Transportmechanismus, wie beispielsweise Transportrollen oder auch eine Magnet- und/oder Luftkissenführung vorsehen. Insbesondere ist auch ein Transportmechanismus denkbar, der neben einer Linear- oder Schwingbewegung durch die Prozesskammer 8 hindurch einen Rotations- und/oder auch eine Hubbewegung durchführen kann.
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Das Vakuumgehäuse 3 weist wiederum eine Öffnung 20 auf, die über ein Türelement 21 verschließbar ist.
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Benachbart zu der Öffnung 20 ist wiederum die erste Mikrowellenplasmaanordnung 5 vorgesehen, die im Wesentlichen in der gleichen Art und Weise aufgebaut sein kann, wie die erste Mikrowellenplasmaanordnung 5 gemäß der 1 und 2.
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Innerhalb der Prozesskammer 8 sind wiederum Heizlampen 16 zum Erwärmen eines auf der Substrataufnahme 10 aufgenommenen Substrats 2 vorgesehen. Ferner sind zwei Pyrometer 70 zur Temperaturerfassung dargestellt. Anstelle der Heizlampen 16 können auch bei dieser Ausführungsform andere Heizeinrichtungen verwendet werden, wie zum Beispiel ein Widerstandsheizer, der im Transportband 60 selbst integriert ist, oder ein Widerstandsheizer der zum Beispiel eng beabstandet unterhalb des oberen Trums des Transportbandes 60 angeordnet sein kann.
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Die zweite Mikrowellenplasmaanordnung 7 ist bei der Ausführungsform gemäß 3 als eine stationäre Mikrowellenplasmaanordnung 7 vorgesehen, und besteht aus einer Vielzahl von Mikrowellenelektroden 50, die des zuvor beschriebenen Typs sein können. Die Mikrowellenelektroden 50 erstrecken sich jeweils quer über einen Transportweg des Transportbandes 60 hinweg, und sind geeignet oberhalb dieses Transportweges ein hochdichtes Mikrowellenplasma zu erzeugen. Wie in 3 zu erkennen ist, besitzt das Vakuumgehäuse im Bereich der zweiten Mikrowellenplasmaanordnung 7 einen schrägen oberen Wandabschnitt, um eine schräge und eine ebene Anordnung der Mikrowellenelektroden 50 vorsehen zu können. Insbesondere sind die Mikrowellenelektroden 50 derart angeordnet, dass sie von einem Eingangsbereich des Vakuumgeäuses 3 her weiter von der Substrataufnahme 10 beabstandet sind und zum Inneren des Vakuumgehäuses 3 dann immer näher an die Substrataufnahme 10 heran angeordnet sind. Hierdurch ergibt sich eine schräge Anordnung aus hier 4 Mikrowellenelektroden, wobei natürlich auch eine andere Anzahl von schräg angeordneten Mikrowellenelektroden 50 vorgesehen sein kann. Ab der vierten Mikrowellenelektrode wird die Anordnung dann flach, d. h. sie sind im gleichen Abstand zur Substrataufnahme angeordnet. Obwohl in der Figur sowohl eine schräge und eine hierzu angrenzende flache Anordnung der Mikrowellenelektroden vorgesehen ist, kann auch nur eine schräge oder nur eine flache Anordnung vorgesehen sein.
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In der Prozesskammer 8 ist ferner eine Trennwand 72 vorgesehen, welche die Einwirkungsbereiche der ersten und zweiten Mikrowellenplasmaanordnungen voneinander trennt. Hierbei ist keine vollständige Trennung vorgesehen, da die Behandlungsbereiche innerhalb desselben Vakuumgehäuses 3 vorgesehen sind. Jedoch kann durch die Trennwand 72 eine gewisse Trennung der jeweiligen Prozessbereiche erreicht werden.
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Der Betrieb der Vorrichtung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 4a bis 4c näher näher erläutert.
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Die in den 4a bis c dargestellte Vorrichtung 1 ist im Wesentlichen in derselben Art und Weise aufgebaut, wie die Vorrichtung 1 gemäß den 1 und 2, wobei jedoch noch eine zusätzliche Vakuumlüftungsöffnung 75 dargestellt ist, sowie ein Vakuumentlüftungspfeil F.
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4a zeigt die Mikrowellenelektrode 50, wie sie in die Prozesskammer 8 hinein bewegt ist, und sich oberhalb eines auf der Substrataufnahme 10 befindlichen Substrats 2 befindet. Die Öffnung 23 in der Vakuumkammer 3 ist geöffnet, und die Prozesskammer 8 ist gegenüber der Umgebung durch den Faltenbalg 52 abgedichtet. In gleicher Weise ist auch die Öffnung 20 in dem Vakuumgehäuse 3 geöffnet, und die Prozesskammer 8 ist über die Abdichteinheit 44 zur Umgebung hin abgedichtet.
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Die rohrförmige Mikrowellenelektrode 30 wird mit Mikrowellen beaufschlagt und es wird ein Plasma innerhalb der Mikrowellenelektrode 30 gebildet. Durch dieses Plasma wird über die Gaseinleitungseinheit 36, und zwar insbesondere über das Außenrohr 40 ein Strahl eines Wasserstoff- und/oder Deuterium enthaltenden Gases durch das Plasma hindurchgeleitet, um einen Strahl 82 aus Wasserstoff- und/oder Deuteriumradikalen zu erzeugen, der auf das Substrat 2 gerichtet ist. Der Strahl 82 wird durch eine entsprechende Bewegung der Mikrowellenelektrode 30 über das Substrat hinweg gestrichen, um dieses zu reinigen und/oder mit Wasserstoff und/oder Deuterium zu passivieren. Der Strahl kann auch über Teile der Prozesskammer hinweg streichen, um diese zu reinigen.
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Gleichzeitig oder auch anschließend wird durch die Mikrowellenelektrode 50 ein hochdichtes Wasserstoff- und/oder Deuteriumplasma 84 oberhalb des Substrats 2 erzeugt. Dieses dient dazu, Oxide auf der Oberfläche des Substrats 2 zu entfernen.
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Anschließend wird die Mikrowellenelektrode 50 in die Ruheposition verfahren, wie in 4b zu erkennen ist, und die Öffnung 23 in der Seitenwand des Vakuumgehäuses 3 wird durch das Türelement 24 verschlossen. (Bei der Ausführungsform gemäß 3 würde das Wasserstoff- und/oder Deuteriumplasma im Bereich der Mikrowellenelektroden 50 erzeugt, unter denen ein Substrat hindurch geführt wird, bevor es in den Bereich der durch die Mikrowellenelektrode 30 erzeugten Radikalenstrahlen gelangt). Währenddessen oder auch anschließend kann die Prozesskammer mit einen Spülgas, wie zum Beispiel Wasserstoff und/oder Deuterium gespült werden.
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In der Mikrowellenelektrode 30 wird weiterhin ein Mikrowellenplasma erzeugt, und es wird über das Außenrohr 40 ein Strom eines Wasserstoff und/oder Deuterium enthaltenden Gases durch das Plasma durchgeleitet, um weiterhin einen Strahl 82 aus Wasserstoff- und/oder Deuteriumradikalen auf das Substrat 2 zu richten. Gleichzeitig wird über das Innenrohr 42 eine Prekursorgasströmung durch das Plasma hindurchgeleitet, beispielsweise aus einem Prekursorgas wie SiH4, GeH4, PH3, B2H6, AsH3. Hinter dem Plasma wird somit ein Strahl 86 aus Prekursorgasen gebildet, der von dem Strahl 82 aus Wasserstoff- und/oder Deuteriumradikalen umgeben ist. Gemeinsam bilden diese beiden Strahlen einen Gesamtprozessstrahl, der durch entsprechende Bewegung der Trag- und Bewegungseinheit 34 über das Substrat gestrichen wird. Hierdurch wird ein epitaktischer Schichtaufbau auf dem Substrat 2 ermöglicht. Das Substrat 2 kann während dieses und des vorhergehenden Prozessschrittes auf eine gewünschte Temperatur, beispielsweise im Bereich von 400°C erhitzt sein.
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Anschließend wird das so beschichtete Substrat aus der Prozesskammer 8 entnommen.
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4c zeigt einen Reinigungsschritt, der nach bzw. vor einem zuvor beschriebenen Abscheidungsprozess durchgeführt werden kann, gegebenenfalls gefolgt von einer Spülung der Prozesskammer mit Wasserstoff oder Deuterium. Bei der Reinigung wird wiederum in der Mikrowellenelektrode 30 ein Mikrowellenplasma erzeugt. Durch dieses Mikrowellenplasma wird ein Strahl eines Fluor enthaltenden Gases, wie beispielweise NF3 hindurchgeleitet, um einen Strahl 88 aus Fluorradikalen zu erzeugen, der auf die Substrataufnahme 10 gerichtet ist. Der Strahl 88 kann durch eine entsprechende Bewegung der Trag- und Bewegungseinheit 34 über die Substrataufnahme und zu reinigende Bereiche der Prozesskammer 8 gestrichen werden.
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Hierdurch kann eine Reinigung der Substrataufnahme und der Prozesskammer 8 ermöglicht werden.
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Während der ganzen Zeit wird über die nicht näher dargestellte Unterdruckquelle die Gasatmosphäre innerhalb der Prozesskammer 8 abgesaugt, wie durch den Pfeil F dargestellt.
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Nach einer solchen Behandlung mit einem Strahl 88 aus Fluorradikalen, kann anschließend nochmals ein Strahl 82 aus Wasserstoff- und/oder Deuteriumradikalen erzeugt und über die Substrataufnahme 10 und Teilbereiche der Prozesskammer 8 geleitet werden, um diese zu konditionieren.
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Die Erfindung wurde zuvor anhand bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, ohne auf die konkret dargestellten Ausführungsformen beschränkt zu sein.
