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TECHNISCHES
GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Verfahren zur Behandlung der
Oberfläche
eines elektrisch leitfähigen
Substrats durch Verwendung eines Prozesses der photochemischen Anregung,
um von der Oberfläche
Elektronen auszustrahlen. Für
den Zweck der vorliegenden Erfindung umfasst die Oberflächenbehandlung
die Schritte des Ablagerns von Filmen auf dem Substrat, des Oxidierens,
Nitrierens oder Karbonisierens der Substratoberfläche, des Glättens oder Ätzens des
Substrats und dergleichen.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Als
Oberflächenbehandlungsverfahren,
die einen Prozess der photochemischen Anregung verwenden, sind bereits
das Verfahren des Schaffens von Radikalen durch direktes Aufspalten
der Prozessgasmoleküle
in der Gasphase oder das Verfahren des direkten photochemischen
Anregens chemisch gebundener Moleküle und/oder Atome an der Substratoberfläche, um
sie von der Oberfläche
zu desorbieren, bekannt. Doch da eine hohe Photonenenergie nötig ist,
um derartige Erscheinungen zu verwirklichen, musste tatsächlich vakuum-ultraviolette Strahlung
von 20 eV oder mehr und weiche Röntgenstrahlung
von 100 eV oder mehr verwendet werden. Zum Beispiel sind ein Hochleistungs-Excimerlaser, der
für ersteres
verwendbar ist, und ein Elektronenspeicherring zur Erzeugung von
Synchrotronstrahlung, die für
letzteres verwendbar ist, sehr teuer und zudem punktförmige Lichtquellen.
Daher ist ihre Anwendung zum Bestrahlen der Substratoberfläche über einen
großen
Bereich hinweg schwierig und sie werden zum gegenwärtigen Zeitpunkt
nicht zur praktischen Anwendung gebracht.
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Und
wenn das Prozessgas mit den Lichtquellen der vakuum-ultravioletten Strahlung
oder der weichen Röntgenstrahlung
in Kontakt gelangt, werden die Lichtquellen beschädigt. Daher
ist es wünschenswert,
dass die Lichtquellen durch ein optisches Fenster vom Prozessgas
isoliert sind. Da jedoch kein Material für ein optisches Fenster geeignet
ist, durch das Licht, welches eine Energie von 10 eV oder mehr aufweist, übertragen
werden kann, musste der Druck des Prozessgases auf 0,0001 Atmosphärendruck oder
niedriger gesenkt werden oder die Verwendung eines Differentialpumpmechanismus
oder anderer komplizierter Vorrichtungen war notwendig, um einen Druckunterschied
zwischen der Prozesskammer und der Lichtquelle zu erreichen. Im
Fall des ersteren nahm die Leistungsfähigkeit der Reaktion merklich ab,
und im Fall des letzteren wurde der Reaktionsbereich unter Lichtbestrahlung
auf mehrere Millimeter im Durchmesser beschränkt, was ein praktisches Problem
bildete. Es wurden auch einige andere Prozesse der photochemischen
Anregung erfunden, wobei anstelle derartiger Lichtquellen ultraviolette Strahlung
von 4,9 eV und 6,7 eV, das durch eine Quecksilberniederdrucklampe
ausgestrahlt wird, verwendet wird. Doch aufgrund ihrer äußerst niedrigen Reaktionsleistungsfähigkeit
bei der Aufspaltung und Ionisierung von Molekülen werden sie zum gegenwärtigen Zeitpunkt
nicht zur praktischen Anwendung gebracht.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren zur Behandlung
eines elektrisch leitfähigen
Substrats durch Verwendung eines Prozesses der photochemischen Anregung
bereitzustellen, wobei sogar eine Substratoberfläche, die insbesondere eine
große
Fläche
aufweist, leicht bei geringen Kosten behandelt werden kann.
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OFFENBARUNG
DER ERFINDUNG
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Nach
der vorliegenden Erfindung kann diese Aufgabe durch Anordnen eines
leitfähigen
Substrats in einem Behandlungsbehälter, worin der Druck zwischen
0,001 und 1 Atmosphärendruck
gehalten wird, durch Bestrahlen der Oberfläche mit ultravioletter Strahlung,
das eine Photonenenergie von 3 bis 10 eV aufweist und von einer
Lichtquelle ausgestrahlt wird, die in einem Behälter untergebracht ist, der
ein Lichtausgangsfenster aufweist, während eine negative Vorspannung
an das Substrat angelegt wird, und durch Versorgen des Behandlungsbehälters mit
dem Prozessgas für
die Behandlung der Substratoberfläche erfüllt werden.
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Für den Zweck
der vorliegenden Erfindung beinhaltet der Ausdruck "leitfähiges Substrat" nicht nur metallische
Materialien, sondern auch Halbleiter mit weitem Bandabstand, sogenannte "wideband gap semiconductor", die bei Raumtemperatur
nicht leitfähig
sind, aber bei hohen Temperaturen leitfähig werden, wie etwa zum Beispiel
Aluminiumnitrid, und auch keramische Materialien.
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Bei
der vorliegenden Erfindung wird ultraviolette Strahlung, die eine
verhältnismäßig kleine
Energie von 3 bis 10 eV und vorzugsweise 4 bis 9 eV aufweist, verwendet.
Ultraviolette Strahlung in diesem Energiebereich kann im Allgemeinen
durch preisgünstige
Lichtquellen wie etwa, zum Beispiel, eine Quecksilber(dampf)niederdrucklampe
erzeugt werden. Diese Art von Lichtquelle kann ultraviolette Strahlung
ausstrahlen, die eine Wellenlänge
von 185 nm oder 254 nm aufweist. Doch da die ultraviolette Strahlung
mit einer Wellenlänge
von 185 nm sehr wahrscheinlich Ozon erzeugen wird, wird sein Ausgang
im Verlauf der normalen Verwendung auf ein Mindestmaß gedrückt und
bevorzugt Ultraviolett von 254 nm verwendet. Für die Ausführung der vorliegenden Erfindung
ist die normalerweise nicht verwendete ultraviolette Strahlung von
185 nm wiederum unentbehrlich, und die Quecksilberniederdrucklampe, die
bereits als die Ultraviolettquelle zum Beseitigen von Resistfilmen
an Halbleitern entwickelt wurde, ist im Handel erhältlich.
Zusätzlich
ist diese Lichtquelle punktförmig
und sie kann nicht nur eine Zeilen-, sondern auch eine Plattenform
annehmen, und eine Anzahl davon kann dicht aneinanderliegend angeordnet werden,
um leicht einen großen
Bereich zu bestrahlen. Andere Lichtquellen, die ultraviolette Strahlung erzeugen,
das für
die Bedingungen der vorliegenden Erfindung geeignet ist, sind beinhaltet,
zum Beispiel eine Deuteriumlampe oder eine Xenon(Xe)-Lampe.
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Nun
soll die Bedeutung des Bestrahlens der Oberfläche mit ultravioletter Strahlung
von 3 bis 10 eV in der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.
Wenn ultraviolette Strahlung, das eine niedrige Energie von weniger
als 3 eV aufweist, verwendet wird, können von der Substratoberfläche keine
Elektronen ausgestrahlt werden und es kann kein photochemisch angeregter
Prozess eingeleitet werden. Doch wenn die Photonenenergie auf mehr
als die Austrittsarbeit der Substratoberfläche erhöht wird, können aufgrund der externen
Photoemissionswirkung Elektronen ausgestrahlt werden, und ihre Beschleunigung
durch das Anlegen einer negativen Vorspannung an das Substrat wird
es ermöglichen, die
Substratoberfläche
mit Radikalen oder Ionen zu behandeln, die mit einer hohen Reaktionsleistungsfähigkeit
zwischen den Hochenergieelektronen und den Prozessgasmolekülen erzeugt
werden. Im Allgemeinen liegt die Austrittsarbeit von Substanzen
in einem Bereich von 3 bis 5 eV, weshalb es möglich ist, mit einer Bestrahlung
mit ultravioletter Strahlung von 3 eV oder mehr, und insbesondere
im Fall von 4 eV oder mehr, wirksam eine ausreichende Anzahl von ausgestrahlten
Elektronen zu erhalten. Obwohl die kinetische Energie von Elektronen,
die durch die Bestrahlung mit ultravioletter Strahlung von 3 eV
oder mehr und insbesondere 4 eV oder mehr ausgestrahlt werden, so
gering wie mehrere eV oder weniger ist, wird somit ein Steuern der
an das Substrat angelegten negativen Vorspannung es ermöglichen,
die kinetische Energie der ausgestrahlten Elektronen auf den zum
Auflösen
oder Ionisieren der Prozessgasmoleküle mit einer hohen Reaktionsleistungsfähigkeit ausreichenden
Wert zu erhöhen.
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Andererseits
ist die Bedeutung der Obergrenze von 10 eV wie folgt. Wie oben erwähnt wird eine
Ultraviolettquelle beschädigt,
wenn das Prozessgas mit der Ultraviolettquelle in Kontakt gelangt. Zum
vollständigen
Isolieren der Ultraviolettquelle vom Prozessgas ist es daher wünschenswert,
eine Lichtquelle zu verwenden, die in einem Behälter untergebracht ist, der
ein Lichtausgangsfenster aufweist. Da das optische Fenster für den Lichtaustritt ultraviolette
Strahlung absorbiert, die eine Wellenlänge aufweist, die geringer
als die Energiebandlücke des
optischen Fensters ist (höchstens
etwa 10 eV) (mit anderen Worten, bei Photonenergien, die größer als
10 eV sind), ist im Prinzip kein optisches Fenster verfügbar. Beim
herkömmlichen
Prozess, der ultraviolette Strahlung mit mehr als 10 eV verwendet,
wurden daher verschiedenste Kunstgriffe vorgenommen, um den Kontakt
des Prozessgases mit der Ultraviolettquelle zu verhindern, einschließlich, zum
Beispiel eines Differentialpumpsystems zum Steuern eines Druckgleichgewichts
zwischen der Prozesskammer und der Lichtquelle. Bei der vorliegenden
Erfindung ist, wie nachstehend erwähnt, die Umwandlung von niederenergetischer,
ultravioletter Strahlung, deren Photonenenergie zum Auflösen oder
Ionisieren der Prozessgasmoleküle
unzureichend ist, in hochenergetischen Elektronen an der Substratoberfläche, an die
eine negative Vorspannung angelegt ist, ein Schlüsselkonzept, um zu ermöglichen,
die Oberfläche
mit einer sehr hohen Leistungsfähigkeit
zu behandeln, und darüber
hinaus kann die Behandlungsleistungsfähigkeit sogar dann hoch gehalten
werden, wenn ein Teil der ultravioletten Strahlung durch das Lichtausgangsfenster
absorbiert wird. Da das Lichtaustrittsfenster das Prozessgas völlig daran
hindert, zurück
zur Lichtquelle zu strömen,
kann jede beliebige Art von Gasmolekülen einschließlich korrosiven
Gases ohne jegliches ernsthaftes Problem verwendet werden und das
Prozessgas kann auf willkürliche
Drücke
eingestellt werden, ohne das oben erwähnte Druckgleichgewicht mit
der Lichtquelle zu berücksichtigen.
Daher kann der vorliegende Prozess Anwendungen in erweiterten Gebieten
beinhalten. Da ultraviolette Strahlung von 3 bis 10 eV kaum von den
Prozessgasmolekülen
absorbiert wird, wird die an der Substratoberfläche eintreffende ultraviolette Strahlung
zudem kaum vom Gasdruck abhängig
in seiner Intensität
verringert werden.
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Schließlich hängt die
Obergrenze der Photonenenergie der ultravioletten Strahlung, die
bei der vorliegenden Erfindung verfügbar ist, vom Photoabsorptionskoeffizienten
der Substanz des optischen Fensters ab und sie wird für Lithiumfluorid
etwa 10 eV betragen (was einer Wellenlänge von 120 nm für die Absorptionsschwelle
des Lithiumfluorid entspricht). Wenn künstlich hergestelltes Quarzglas,
das billiger als Lithiumfluorid ist, als ein Lichtaustrittsfenster
eingesetzt wird, wird die Obergrenze ungefähr 7,8 eV betragen. Daher umfasst
der Bereich der Photonenenergie für Ultraviolettstrahlen, der
bei der vorliegenden Erfindung anwendbar ist, 3 bis 10 eV und vorzugsweise
4 bis 9 eV.
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Um
Reaktionen an der Substratoberfläche durch
Verwenden von ultravioletter Strahlung mit verhältnismäßig niedriger Energie sicherzustellen,
wird der Druck im Inneren der Prozesskammer, die das Substrat aufnimmt,
bei der vorliegenden Erfindung in einem Bereich von 0,001 bis 1
Atmosphärendruck und
vorzugsweise in einem Bereich von 0,01 bis 0,5 Atmosphärendruck
gehalten. Wenn das Prozessgas in der Prozesskammer bei wie oben
gezeigten verhältnismäßig hohen
Drücken
gehalten wird, stoßen die
Elektronen, die als ein Ergebnis der Absorption der ultravioletten
Strahlung von der Substratoberfläche
ausgestrahlt werden (und aus Photoelektronen aufgrund der direkten
photochemischen Anregung und sekundären Elektronen aufgrund ihrer
unelastischen Streuungen im Substrat bestehen), nach einer nur unbedeutenden
Wanderung von mehreren μm mit
den Prozessgasmolekülen
zusammen, um als Ergebnis einer Elektronenstoßaufspaltung Radikale und Ionen
zu erzeugen. Die Entfernung, die die Elektronen bis zum Augenblick
ihres Zusammenstoßes mit
den Gasmolekülen
wandern können,
wird mit dem Ansteigen des Gasdrucks geringer. Zum Beispiel wird
die Entfernung bei 0,1 Atmosphärendruck auf
1 μm oder
weniger verringert, und Zusammenstöße werden vielfach wiederholt.
Von einem solchen Gesichtspunkt her wird der Gasdruck der Prozesskammer
auf 0,001 Atmosphärendruck
oder vorzugsweise auf 0,01 Atmosphärendruck oder höher eingestellt
werden. Andererseits wird es dann, wenn der Gasdruck der Prozesskammer
beim Atmosphärendruck
oder darüber
gehalten wird, schwierig, die Aufspaltungsreaktionen der durch Bestrahlung
mit ultravioletter Strahlung von 3 bis 10 eV von der Substratoberfläche ausgestrahlten
Elektronen aufrechtzuerhalten. Daher wird der Gasdruck im Inneren
der Prozesskammer höchstens
auf einen Atmosphärendruck
oder vorzugsweise auf einen halben Atmosphärendruck beschränkt sein.
Wie oben beschrieben ist der verhältnismäßig hohe Druck des Prozessgases
dahingehend von großem
Vorteil, dass für
die Bearbeitungsvorrichtung keine ultrahohe Vakuumspezifikation
benötigt
wird, und dass ein großer
Teil der durch die Ultraviolettlampe erzeugten Hitze wirksam durch
das herunterzukühlende
Prozessgas beseitigt wird.
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Nebenbei
bemerkt ist der Druck des Prozessgases in der Prozesskammer nach
der vorliegenden Erfindung so hoch wie 0,001 bis 1 Atmosphärendruck.
Doch die Gasmoleküle,
die in vielen Prozessen, welche Sauerstoff ausschließen, verwendet werden,
zeigen im Photonenenergiebereich von 3 bis 10 eV kaum Photoabsorption,
weshalb die Substratoberfläche
aufgrund einer vom Gasdruck unabhängigen Photoabsorption ohne
deutliche Abnahme in der Intensität ultraviolett bestrahlt werden
kann. Demgemäss
wird die Leistungsfähigkeit
der Emission von Elektronen von der Substratoberfläche überhaupt nicht
durch den Prozessgasdruck beeinflusst und darüber hinaus können Elektronen
nahe eines Atmosphärendrucks
hochleistungsfähig
ausgestrahlt werden.
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Zudem
stehen bevorzugte Werte des oben erwähnten Prozessgasdrucks mit
der an das Substrat angelegten negativen Vorspannung wie auch der Prozesssteuerung
der Oberflächenbehandlung
in Beziehung. Mit anderen Worten, während des Oberflächenbearbeitungsprozesses
steigt der Substratstrom normalerweise an, während der Gasdruck ansteigt,
und nimmt dann nach dem Erreichen eines Höchstwerts ab. Andererseits
steigt der Substratstrom allmählich
an, wenn die zuvor erwähnte
negative Vorspannung erhöht
wird, und kommt es bei einer Durchbruchspannung zu einer Entladung,
die zu einem raschen Anstieg des Substratstroms führt. Bei der
vorliegenden Erfindung werden stabil steuerbare Bedingungen ohne
Entladung eingesetzt. Zu diesem Zweck werden bevorzugte Bereiche
der Vorspannung und des Gasdrucks durch vorhergehende Versuche abhängig vom
Gegenstand der Bearbeitung bestimmt und der Oberflächenbehandlungsprozess wird
bei stabilen Bedingungen ohne Entladung gesteuert, bei denen die
Behandlungsgeschwindigkeit so hoch wie möglich erhöht wird.
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Bei
der vorliegenden Erfindung werden, wie oben beschrieben, Elektronen
durch die Ultraviolett-Bestrahlung von der Substratoberfläche ausgestrahlt,
und die ausgestrahlten Elektronen werden durch eine negative Vorspannung
beschleunigt, um die Oberflächenbehandlung
mit höherer
Reaktionsleistungsfähigkeit
durchzuführen.
Der Reaktionsmechanismus dieses Oberflächenbehandlungsprozesses wird
nachstehend ausführlich
beschrieben werden. Im Allgemeinen wurden Radikale zur Behandlung
der Substratoberfläche
bisher durch Plasma gebildet, das durch Mikrowellen, Gleichstromentladung, Elektronenkanonen
und dergleichen erzeugt wird. Somit wird eine elektrische Leistung
zum Bilden von Radikalen von außerhalb
der Prozesskammer zugeführt,
so dass die Radikaldichte weit von der Substratoberfläche entfernt
höher ist.
Dies führt
zu einem praktischen Problem, wie derartige Radikale zur Substratoberfläche transportiert
werden sollen, da die meisten der auf diese Weise gebildeten Radikale nicht
mit dem Oberflächenprozess
wie etwa der Filmablagerung verbunden sind. Als Ergebnis bleibt
die Leistungsfähigkeit
der Reaktion trotz des hohen Leistungseingangs gering, was den gesamten
Vorgang wirtschaftlich teuer macht und darüber hinaus die unbeabsichtigte
Ablagerung von Filmen überall
hervorruft. Andererseits spielen nach dem vorliegenden Verfahren
Elektronen, die von der Substratoberfläche ausgestrahlt werden, eine
Auslöserrolle
für den Oberflächenbehandlungsprozess.
Daher sind die Erzeugung von Radikalen und das Volumen von Plasmen
nur auf die Substratoberfläche
beschränkt
und es werden darüber
hinaus die Radikale mit einer viel höheren Dichte in einer viel
näheren
Umgebung der Substratoberfläche
erzeugt, obwohl das Ausmaß des Plasmas
vom Gasdruck abhängt.
Demgemäss
ist die Verschwendung der zugeführten
elektrischen Leistung für
die Erzeugung von Radikalen sehr gering und kann ein großer Anteil
der erzeugten Radikale zum Oberflächenprozess beitragen.
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Zusätzlich wird
ultraviolette Strahlung nicht nur auf die Substratoberfläche, sondern
auch auf den Substrathalter und die Innenwand der Prozesskammer
gestrahlt, und auch wenn Elektronen ausgestrahlt werden, werden
die ausgestrahlten Elektronen nicht beschleunigt, außer wenn
daran eine negative Vorspannung angelegt ist. Demgemäss wird
ihre kinetische Energie sehr gering gehalten, so gering, dass keine
Elektronenstoßaufspaltung
verursacht werden kann. Da somit in den Bereichen, die nicht direkt
mit der Oberflächenbehandlung
des Substrats in Beziehung stehen, keine Radikale gebildet werden, wird
nichts unnotwendig an der Oberfläche
derartiger Bereiche abgelagert. Dies erleichtert nicht nur die Wartung
der Prozessvorrichtungen, sondern verringert auch die Möglichkeit,
dass Partikel von den unnotwendig abgelagerten Filmen abfallen und
zu Mängeln
oder Verunreinigungen von Filmen führen.
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Die
Wirkung zum Unterdrücken
der oben beschriebenen unbeabsichtigten Ablagerung ist auf die wand
des Lichtausgangsfensters für
Ultraviolettlampen anwendbar. Beim früheren Prozess der Photo-Anregung,
wie etwa der herkömmlichen
Photo-CVD unter Verwendung einer Ultraviolettlampe oder einer Laservorrichtung,
verursacht die unbeabsichtigte Ablagerung an einer Lampenrohrwand
oder einem optischen Fenster ein ernstes Problem. Dies liegt an
der Aufspaltung der Prozessgasmoleküle in der Gasphase, weshalb
komplizierte Kunstgriffe bei der Gestaltung des optischen Fensters
und eine häufige
Reinigung des optischen Fensters benötigt werden. Im Gegensatz dazu
wird beim vorliegenden Verfahren in der Nähe des optischen Fensters keine
direkte Aufspaltung in der Gasphase verursacht und Radikale werden
nur in der sehr engen Umgebung der Substratoberfläche erzeugt.
Somit gibt es absolut keine Ablagerung an den Lampenrohrwänden und optischen
Fenstern, die wartungsfrei belassen werden.
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Gemäß dem vorliegenden
Verfahren können die
Radikale und Ionen, die in der sehr engen Umgebung der Substratoberfläche erzeugt
werden, wie oben beschrieben für
die Oberflächenbehandlung des
Substrats leistungsfähig
zur Substratoberfläche übertragen
werden. Darüber
hinaus werden die hier erzeugten positiven Ionen durch die oben
erwähnte negative
Vorspannung zur Substratoberfläche
hin beschleunigt und sie stoßen
mit der Substratoberfläche
zusammen, was zu einer hochleistungsfähigen Ausstrahlung von Elektronen
führt.
Zusätzlich
kommt es im Relaxationsprozess der oben erwähnten positiven Ionen, genau
genommen, im Rekombinationsprozess der positiven Ionen mit Elektronen,
um neutrale Radikale zu bilden, zu einer sekundären Erzeugung ultravioletter
Strahlung.
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Als
Ergebnis sind der Zusammenstoß der positiven
Ionen und die Bestrahlung des oben erwähnten sekundären ultravioletten
Strahlung auch dann, wenn die Ausgangsleistung der Ultraviolettquelle
niedrig ist, mit der Ausstrahlung von Elektronen verbunden, was
es ermöglicht,
Elektronen mit einer großen
Dichte, die für
den praktischen Oberflächenbehandlungsprozess
ausreichend ist, von der Oberfläche
auszustrahlen.
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Da
das vorliegende Verfahren zudem die Strahlung von Ionen, deren kinetische
Energie genau gesteuert ist, umfasst, ist es aufgrund der Hilfe
derartiger Ionen möglich,
sogar bei einer niedrigen Temperatur eine hohe Reaktionsleistungsfähigkeit
zu erhalten und die Haftung und die Verdichtung von Filmen zu verbessern.
Andererseits enthält
der herkömmliche
Plasmaprozess Hochenergieionen oder neutrale Teilchen, so dass die
Substratoberflächen
oder Filme für
ernste Beschädigungen
anfällig
sind. Im Besonderen ist die Unterdrückung derartiger Beschädigungen
im Prozess der Ablagerung von Filmen in einem Nanometermaßstab und
die Oberflächenbehandlung in
einem atomaren Maßstab
ein schwieriges Problem geworden. In dieser Hinsicht ist das Verfahren
der vorliegenden Erfindung sehr vorteilhaft.
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Als
ein herkömmlicher,
ionenunterstützter Prozess
ist zusätzlich
ein Verfahren bekannt, das auf Cluster-Ionenstrahlen beruht. Bei
diesem Verfahren wird ein Cluster, der aus Tausenden Atomen besteht, zu
einem positiven Ion ionisiert und dann auf einige keV beschleunigt,
um mit der Oberfläche
zusammenzustoßen.
Obwohl ziemlich gute Ergebnisse berichtet werden, sind die geringe
Leistungsfähigkeit
bei der Bildung und Ionisierung des Cluster-Strahls, Verschmutzungen aufgrund einer
merklichen Ablagerung auf den Komponententeilen, sehr hoch entwickelte
Gestaltungen der Prozessvorrichtung, die Schwierigkeit, den gleichmäßig abgelagerten
Bereich groß zu
gestalten, und dergleichen Probleme, auf die dieses Verfahren stößt. Auch
in dieser Hinsicht ist das Verfahren der vorliegenden Erfindung
bei weitem vorteilhafter.
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Und
nach der vorliegenden Erfindung sind abhängig von der Wahl des Prozessgases
verschiedenste Oberflächenbehandlungen
möglich.
Zum Beispiel ist es dann, wenn Methangas als eine Kohlenstoffquelle
verwendet wird und mit Wasserstoff gemischt wird, möglich, einen
Kohlenstoff-Film, insbesondere einen diamantartigen Film, an der
Substratoberfläche
abzulagern. Dieser Film ist als ein Schutzüberzug für eine Festplatte geeignet.
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Und
wenn ein Prozessgas verwendet wird, das einen Bestandteil enthält, der
mit dem Substrat reaktionsfähig
ist, ist es möglich,
auf dem Substrat einen Film zu bilden, der vom oben erwähnten Bestandteil
herrührt.
Wenn ein Gas, das Sauerstoff, Stickstoff oder Kohlenstoff enthält, als
das oben erwähnte
Gas verwendet wird, wird auf dem Substratmaterial ein Oxidfilm,
ein Nitridfilm oder ein karbonisierter Film gebildet. Diese Filme
können
verwendet werden, um einen Aluminiumoxidfilm für einen Tunnelmagnetwiderstands-Magnetkopf,
einen Gateoxidfilm für
einen MOSFET und einen Passivierungsfilm auf der Titanmetalloberfläche zu bilden.
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Ein
Gas, das einen nichtreaktionsfähigen Bestandteil
enthält,
kann bei der vorliegenden Erfindung als ein Prozessgas verwendet
werden. Zum Beispiel kann Argongas verwendet werden, und die kinetische
Energie der Argonionen kann beim Zusammenstoß mit dem Substrat verwendet
werden, um die Substratoberfläche
zu glätten.
Als ein Beispiel kann es verwendet werden, um die Oberfläche der Kupferfilmelektrode
eines Tunnelmagnetwiderstands-Magnetkopfs zu glätten.
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Und
beim vorliegenden Verfahren ist im Inneren der Prozesskammer eine
Maschenelektrode bereitgestellt, die zum Substrat gerichtet ist.
Sie ist an das Erdpotential angeschlossen, und an das Substrat wird
eine negative Vorspannung angelegt. Durch diese Maschenelektrode
wird das Prozessgas zur Substratoberfläche geführt und ultraviolette Strahlung
wird auf die Substratoberfläche
gestrahlt. Wie oben beschrieben besteht die Prozessvorrichtung der
vorliegenden Erfindung hauptsächlich
aus einer Ultraviolettquelle, die im Inneren eines Behälters untergebracht
ist, der ein Lichtaustrittsfenster aufweist, einer Vorspannungsleistungsversorgung
und einer Maschenelektrode, die dem Substrat gegenüberliegend
angeordnet ist, was viele herausragende Eigenschaften einschließlich nicht
nur einer einfachen Gestaltung des Vorrichtungsaufbaus sondern auch geringer
Kosten, einer einfachen Prozesswartung und der Möglichkeit der Anpassung durch
Verbesserung der vorhandenen Vorrichtung mit sich bringt. Durch
Erhöhen
der Anzahl an Ultraviolettquellen oder durch Überlegungen hinsichtlich ihrer
Anordnung ist zudem auch eine Anpassung an ein Substrat mit einem
großen
Oberflächenbereich
oder ein Substrat, das eine morphologisch raue Oberfläche aufweist,
möglich.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist
eine schematische Darstellung, die das Prinzip der Ausstrahlung
von Elektronen von der Substratoberfläche bei der vorliegenden Erfindung beschreibt
-
- 1
- Prozesskammer
- 2
- Substrat
- 3
- Maschenelektrode
- 4
- Gleichspannungsversorgung
- 5
- Ultraviolettquelle
- 6
- Erzeugung
von Radikalen
- 7
- Prozessgaseinlass
- 8
- Abzugsöffnung
-
DIE BESTE WEISE ZUR AUSFÜHRUNG DER
VORLIEGENDEN ERFINDUNG
-
1 ist
eine schematische Darstellung, die eine Vorrichtung (ein Gerät) zur Ausführung des
Verfahrens der vorliegenden Erfindung beschreibt. In der Darstellung
bezeichnet 1 eine Prozesskammer dar, deren Druck durch die Abzugsöffnung 8 mittels
einer nicht gezeigten Evakuierungspumpe auf einen vorgeschriebenen
Druck verringerbar ist. Das Prozessgas kann durch ein nicht gezeigtes
Rohrleitungssystem vom Prozessgaseinlass 7 zugeführt werden. 2 bezeichnet
das Substrat, das auf einem Substrathalter 2a angeordnet
ist, der in der Prozesskammer untergebracht ist und elektrisch von
der Prozesskammer 1 isoliert ist. Eine Maschenelektrode 3 ist
so angeordnet, dass sie zum Substrat 3 gerichtet ist, und die
Elektrode 3 ist ebenfalls elektrisch von der Prozesskammer 1 isoliert.
Eine Gleichspannungsversorgung 4 ist zwischen dieser Elektrode 3 und
dem Substrat 2 angeschlossen, und an das Substrat 2 wird eine
negative Vorspannung in Bezug auf die Maschenelektrode 3 angelegt.
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Im
Inneren der Prozesskammer 1 ist eine Ultraviolettquelle 5 bzw.
Quelle für
ultraviolette Strahlung, zum Beispiel eine Quecksilberniederdruck(spannungs)lampe,
angeordnet, um die Oberfläche
des Substrats 2 durch die Maschenelektrode 3 mit
ultravioletter Strahlung zu bestrahlen.
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Als
Ergebnis dieser Ultraviolettbestrahlung werden Elektronen zuerst
wie durch A gezeigt von der Oberfläche des Substrats 2 ausgestrahlt.
Die Elektronen werden durch das elektrische Feld zwischen dem Substrat 2 und
der Maschenelektrode 3 beschleunigt und sind bereit, sich
zur Elektrode 3 hin zu bewegen. Aufgrund eines hohen Drucks
im Inneren der Prozesskammer 1, oder mit anderen Worten, einer
hohen Dichte an Gasmolekülen,
stoßen
die Elektronen mit Gasmolekülen
zusammen, nachdem sie sich über
eine sehr kurze Entfernung bewegt haben, um Radikale oder Ionen 6 zu bilden.
Da die Radikale oder Ionen 6 in einer sehr engen Umgebung der
Oberfläche
des Substrats 2 gebildet werden, können sie für die Oberflächenbehandlung
des Substrats wirksam zur Oberfläche
des Substrats 2 übertragen werden.
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Dann
werden die hier gebildeten positiven Ionen durch die oben beschriebene
Vorspannung zur Substratoberfläche
hin beschleunigt und sie stoßen mit
der Substratoberfläche
zusammen, was, wie durch B gezeigt, zu einer hochleistungsfähigen Elektronenausstrahlung
führt.
Zusätzlich
verursacht die sekundäre
Erzeugung von ultravioletter Strahlung im Relaxationsprozess der
oben erwähnten
positiven Ionen eine wie durch C gezeigte weitere Ausstrahlung von
Elektronen.
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Als
Ergebnis setzen die ausgestrahlten Elektronen ihre rasche Vervielfachung
fort, als ob sie unter einer positiven Rückkopplung stehen würden, bis ein
bestimmter Sättigungspunkt
erreicht ist, und demgemäss
ist es sogar dann, wenn der Ausgang einer als Auslöser dienenden
Ultraviolettquelle schwach ist, möglich, die für den Oberflächenbehandlungsprozess
ausreichende Anzahl an ausgestrahlten Elektronen zu erhalten.
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Nachstehend
werden nun einige Ausführungsformen
für die
Anwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung beschrieben
werden.
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Ausführungsform 1: Bildung eines
Schutzfilms an einem Festplattensubstrat
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Am
Substrat einer Festplatte wurde ein diamantartiger Film gebildet.
Die Festplatte besteht zum Beispiel aus einem Al-Substrat, einer Cr-Unterschicht und
einer ferromagnetischen Metallschicht aus einer CoCrPt-Legierung
und dergleichen, die darauf laminiert sind, und einem an der ferromagnetischen
Metallschicht gebildeten Schutzfilm. Das Substrat, auf dem die Unterschicht
und die ferromagnetische Metallschicht, die oben beschrieben wurden,
ausgebildet waren, wurde in der Prozesskammer (im Behandlungsbehälter) angeordnet
und eine Vorspannung von –150
V an das Substrat angelegt. Ein aus Wasserstoff und Methangas (Mischverhältnis: 1%
Methangas im Durchfluss) bestehendes gemischtes Gas wurde als ein
Prozessgas verwendet und der Druck in der Prozesskammer während des Ausströmens des
Prozessgases bei 0,3 Atmosphärendruck
gehalten. Ultraviolettbestrahlung durch Verwendung einer Quecksilberniederdrucklampe
auf die Substratoberfläche,
wurde an der Oberfläche
der ferromagnetischen Metallschicht ein diamantartiger Film gebildet.
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Die
Wachstumsgeschwindigkeit des Films betrug 0,3 nm bis 0,5 nm/Sekunde,
und eine zehn Sekunden dauernde Behandlung genügte, um einen Film mit einer
ausreichenden Dicke (3 nm) zum Schutz der Festplattenoberfläche zu erzeugen.
Dieser Film enthielt eine diamantartige kristalline Struktur und
wies eine ausreichende Härte
auf, um als ein Schutzfilm verwendet zu werden.
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Ausführungsform 2: Bildung eines
oxidierten Films für
einen Tunnelmagnetwiderstands-Magnetfilm
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An
einem Tunnelmagnetwiderstands-Magnetfilm wurde ein Aluminiumoxidfilm
gebildet. Ein Tunnelmagnetwiderstands-Magnetkopf besteht zum Beispiel aus
einem Si-Substrat und der unteren Elektrodenschicht (Cu), einer
magnetischen Schicht, einer Isolatorschicht, die einen Tunneleffekt
aufweist, einer oberen Elektrodenschicht (Cu) und dergleichen, die
aufeinanderfolgen übereinander
gebildet sind. Für
die oben beschriebene elektrisch isolierende Schicht wird ein Aluminiumoxidfilm
verwendet. Ein Substrat, das aus einem auf der unteren Elektrodenschicht
(Cu) gebildeten Al-Film und der magnetischen Schicht, die oben beschrieben
wurden, bestand, wurde in einer Prozesskammer untergebracht, und
während
des Anlegens einer Vorspannung von –50 V an das Substrat Sauerstoff,
der mit Argon oder Helium verdünnt
war (Mischverhältnis:
5% im Durchfluss), als Prozessgas zugeführt. Die Ultraviolettbestrahlung
der Substratoberfläche
durch Verwendung einer Quecksilberniederdrucklampe unter Beibehaltung
des Drucks in der Prozesskammer bei 0,01 Atmosphärendruck führte zur Oxidation des Aluminiumsubstrats
und zur Herstellung eines Aluminiumfilms (Dicke: 1,5 nm). Dieser
Film weist einen dichten Aufbau mit einer sehr flachen Oberflächenmorphologie
auf, was es ermöglicht,
die Feststellempfindlichkeit von Tunnelmagnetwiderstands-Magnetköpfen zu verbessern.
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Nach
der vorliegenden Erfindung ist das Substrat aufgrund der Notwendigkeit,
eine Vorspannung an die Substratoberfläche des Gegenstands anzulegen,
im Allgemeinen auf elektrisch leitfähige Materialien beschränkt, wenn
die Temperatur des Substrats Raumtemperatur beträgt. Doch im Fall eines äußerst dünnen Films
in einem Nanometermaßstab
ist das vorliegende Verfahren wie bei der vorliegenden Ausführungsform
auf Aluminiumoxid und andere Isolatorfilme anwendbar. Aluminiumoxid
weist eine breite Bandlücke
von ungefähr
9 eV auf, und es ist schwierig, unter Verwendung der nun in Erwägung stehenden
ultravioletten Strahlung Elektronen von einem Valenzband zu einem
Leitungsband anzuregen, und sogar, wenn eine derartige Anregung
verwirklicht werden könnte,
ist es wahrscheinlich, dass die Ausstrahlung von Elektronen zu einem
positiven Aufladen des Substrats führt. Doch da das Fermi-Niveau der
magnetischen Schicht ungefähr
in der Mitte der Bandlücke
von Aluminiumoxid gelegen ist, genügt eine ultraviolette Strahlung
von 4 bis 5 eV, um die Valenzelektronen anzuregen und sie über das
Leitungsbandminimum der Aluminiumoxidschicht zur Oberfläche auszustrahlen,
weshalb im Prinzip kein Problem besteht. Doch die Schwierigkeit
des Ablagerns eines metallischen Films an einem ausreichend dicken
Aluminiumoxidsubstrat bei Raumtemperatur kann durch Erhöhen der
Temperatur überwunden
werden.
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Ausführungsform 3: Bildung des Gateisolatorfilms
für einen
MOSFET
-
Um
den Gateisolatorfilm für
einen MOSFET (Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor) zu bilden, wurde
ein Einzelkristall-Siliziumwafer
als Substrat verwendet, in einer Prozesskammer untergebracht, und
Sauerstoff, der für
das Prozessgas mit Argon und dergleichen verdünnt war (1% im Durchfluss)
zugeführt,
während
eine Vorspannung von –100
V an das Substrat angelegt wurde. Als eine Ultraviolettbestrahlung
der Substratoberfläche
mittels einer Quecksilberniederdrucklampe erfolgte, während der Druck
in der Prozesskammer bei 0,05 Atmosphärendruck gehalten wurde, erzeugte
eine Behandlung für zwei
(2) Sekunden einen oxidierten Siliziumfilm von 2 nm. Dieser oxidierte
Silizium(oxid)film weist einen dichten Aufbau auf, enthält zugleich
keine Verunreinigung, und trägt
zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften des MOSFET bei.
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Ausführungsform 4: Glätten der
Substratoberfläche
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Das
Verfahren der vorliegenden Erfindung wurde angewendet, um eine Kupferfilmelektrode
eines Tunnelmagnetwiderstands-Magnetkopfs
zu glätten.
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Zu
diesem Zweck wurde die Kupferfilmelektrode eines Tunnelmagnetwiderstands-Magnetkopfs als
ein Substrat gewählt,
in einer Prozesskammer untergebracht, und Argongas als das Prozessgas
zugeführt,
während
eine Vorspannung von –200
V an das Substrat angelegt wurde, um die Wanderung der Kupferatome
an der Oberfläche
durch ihre Zusammenstöße mit Argonatomen
und Ionen zu steigern. Als Ergebnis der Ultraviolettbestrahlung
auf die Substratoberfläche
unter Verwendung einer Quecksilberniederdrucklampe, während der
Druck in der Prozesskammer bei 0,02 Atmosphärendruck gehalten wurde, führte der
Zusammenstoß der
Argonionen mit der Substratoberfläche zu einem Glätten dieser Oberfläche.
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Zusätzlich ist
es durch Verwenden von Stickstoff anstelle des in der obigen Ausführungsform
2 gezeigten Sauerstoffs möglich,
auf der Substratoberfläche
einen Nitridfilm zu erzeugen.
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INDUSTRIELLE
ANWENDBARKEIT
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Bei
der vorliegenden Erfindung wird eine Lichtquelle verwendet, die
in einer Prozesskammer untergebracht ist, welche ein Lichtausgangsfenster aufweist,
durch das ultraviolette Strahlung, die eine Energie von 3 bis 10
eV aufweist, gestrahlt werden kann. Die ultraviolette Strahlung,
die derartige Energien aufweist, kann zum Beispiel durch Verwenden einer
Quecksilberniederdrucklampe erhalten werden. Diese Lampe ist ein
Allzweckprodukt, das normalerweise zum Entfernen des Resists an
Halbleitern verwendet wird, und ist leicht erhältlich und billig. Da sie eine
Zeilen- oder eine Plattenform aufweist, ist sie zudem zum Bestrahlen
von Substraten mit großen
Abmessungen geeignet. Durch Wählen
eines größeren Modells
einer derartigen Ultraviolettlampe oder Überlegungen hinsichtlich ihrer
Anordnung ist es auch möglich,
die vorliegende Erfindung auf Substrate anzuwenden, die große Abmessungen
oder morphologisch raue Oberflächen
aufweisen.
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Der
herkömmliche
Plasmaprozess wies eine Obergrenze und eine Untergrenze des Gasdrucks
für die
Erzeugung von Plasma auf. Aus diesem Grund umfasste jedwede Prozesssteuerung,
die in einem Nanometermaßstab
ausgeführt
wurde, die Verdünnung
des Rohmaterialgases mit einem trägen Gas wie etwa Argongas.
Nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung andererseits ist es
möglich,
auf willkürliche
Prozentsätze
zu verdünnen,
sogar wenn eine derartige Verdünnung
nötig ist,
da es keine Grenze für
den Druck des Rohmaterialgases gibt. Und was die Erzeugung von Plasma
nach dem herkömmlichen
Verfahren betrifft, wird Plasma aufgrund des Umstands, dass die
Verteilung der Radikaldichte nicht gleichmäßig ist, über einen Bereich hinweg erzeugt,
der wesentlich größer als
jener der Substratoberfläche
ist, weshalb eine große
Menge der zugeführten
elektrischen Leistung verschwendet wird. Nach dem Verfahren der
vorliegenden Erfindung ist es jedoch möglich, Radikale über jeden
beliebigen Bereich hinweg zu erzeugen, der an die Abmessungen des
Substrats angepasst ist.
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Nach
der vorliegenden Erfindung wird der Druck im Inneren der Prozesskammer
hoch, bei 0,001 bis 1 Atmosphärendruck
und vorzugsweise 0,01 bis 0,5 Atmosphärendruck, eingerichtet. Mit
der niedrigen Photonenenergie der oben erwähnten ultravioletten Strahlung
gekoppelt, werden Ionen oder Radikale, die aus dem Zusammenstoß zwischen
den Bestandteilen des Prozessgases und Elektronen. stammen, in einer
sehr engen Umgebung der Substratoberfläche erzeugt, und diese Ionen
und Radikale können
für die
Oberflächenbehandlung
des Substrats hochleistungsfähig
zur Substratoberfläche übertragen
werden.
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Zusätzlich kommt
es aufgrund einer verhältnismäßig geringen
Energie der ultravioletten Strahlung und einer sehr niedrigen kinetischen
Energie der Elektronen, die als Ergebnis der ultravioletten Strahlung
auf die Innenwand der Prozesskammer und den Substrathalter ausgestrahlt
werden und keine Elektronenstoßaufspaltungsreaktion
verursachen, weder zur Ablagerung von heterogenen Materialien an
der Innenwand oder dem Halter, die oben erwähnt sind, noch zur Bildung
von Stoffen, die sich aus der Reaktion ergeben. Dies weist die Wirkung
der Erleichterung der Wartung von Oberflächenbehandlungsvorrichtungen
und der Verhinderung der Erzeugung verschiedenster Mängel oder
Verunreinigungen aufgrund von Partikeln, die sich von unbeabsichtigten Ablagerungen
ablösen,
auf.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Verfahren
zur Behandlung der Oberfläche
eines Substrats Es handelt sich um ein Verfahren zur Behandlung
der Oberfläche
eines leitfähigen
Substrats unter Verwendung eines Prozesses der Photo-Anregung, wobei
ein leitfähiges
Substrat in einer Prozesskammer (1) angeordnet wird, die
zwischen 0,001 und 1 Atmosphärendruck
gehalten wird, während
eine negative Vorspannung an ein Substrat (2) angelegt
wird, ultraviolette Strahlung, die eine Photoenergie von 3 bis 10
eV aufweist, was größer als
die Ablösearbeit
der Substratoberfläche
ist, von einer Ultraviolettquelle (5), die in einer Kammer
untergebracht ist, welche ein Lichtausgangsfenster aufweist, ausgeübt wird,
und ein Prozessgas in den Prozesskammerbehälter (1) geführt wird,
um dadurch Ionen und Radikale (6) zu erzeugen, die durch
den Zusammenstoß von
Prozessgasmolekülen
mit von der Substratoberfläche
ausgestrahlten Elektronen hervorgerufen werden, und ihnen zu gestatten,
die Oberfläche des
Substrats (2) zu erreichen, wodurch es möglich ist,
ein Substrat auch im Fall eines großflächigen Substrats einfach, höchst leistungsfähig, billig
und leicht einer Oberflächenbehandlung
zu unterziehen.
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