DE10392913T5

DE10392913T5 - Verfahren zur Behandlung der Oberfläche eines Substrats

Info

Publication number: DE10392913T5
Application number: DE10392913T
Authority: DE
Inventors: Yuji Sendai Takakuwa
Original assignee: Tsukishima Kikai Co Ltd
Current assignee: Tsukishima Kikai Co Ltd
Priority date: 2002-07-10
Filing date: 2003-07-09
Publication date: 2005-08-18
Also published as: US20050271831A1; GB2406713B; AU2003248256A1; KR20060014019A; GB2406713A; GB0500273D0; JP2004047610A; WO2004008510A1; JP3932181B2; US7871677B2; CN100355029C; KR100979192B1; CN1669126A

Abstract

Verfahren zur Behandlung der Oberfläche eines Substrats, wobei ein elektrisch leitfähiges Substrat in einer Prozesskammer angeordnet wird, worin der Druck zwischen 0,001 und 1 Atmosphärendruck gehalten wird, ultraviolette Strahlung, die eine Photonenenergie von 3 bis 10 eV aufweist, von einer Lichtquelle, die in einer Prozesskammer untergebracht ist, welche ein Lichtausgangsfenster aufweist, gestrahlt wird, während eine negative Vorspannung an das Substrat angelegt wird, und ein Prozessgas in die Prozesskammer geführt wird, um die Oberfläche des Substrats zu behandeln.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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.
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.
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.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Nachstehend werden nun einige Ausführungsformen für die Anwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.
Ausführungsform 1: Bildung eines Schutzfilms an einem Festplattensubstrat
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.
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.
Ausführungsform 2: Bildung eines oxidierten Films für einen Tunnelmagnetwiderstands-Magnetfilm
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.
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.
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.
Ausführungsform 4: Glätten der Substratoberfläche
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung wurde angewendet, um eine Kupferfilmelektrode eines Tunnelmagnetwiderstands-Magnetkopfs zu glätten.
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.
Zusätzlich ist es durch Verwenden von Stickstoff anstelle des in der obigen Ausführungsform 2 gezeigten Sauerstoffs möglich, auf der Substratoberfläche einen Nitridfilm zu erzeugen.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
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.
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.
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.
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.
ZUSAMMENFASSUNG
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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Claims

Verfahren zur Behandlung der Oberfläche eines Substrats, wobei ein elektrisch leitfähiges Substrat in einer Prozesskammer angeordnet wird, worin der Druck zwischen 0,001 und 1 Atmosphärendruck gehalten wird, ultraviolette Strahlung, die eine Photonenenergie von 3 bis 10 eV aufweist, von einer Lichtquelle, die in einer Prozesskammer untergebracht ist, welche ein Lichtausgangsfenster aufweist, gestrahlt wird, während eine negative Vorspannung an das Substrat angelegt wird, und ein Prozessgas in die Prozesskammer geführt wird, um die Oberfläche des Substrats zu behandeln.
Verfahren zur Behandlung der Oberfläche eines Substrats nach Anspruch 1, wobei das Prozessgas Rohmaterialbestandteile enthält, und auf dem Substrat ein Film gebildet wird, der aus diesen Bestandteilen hergestellt ist.
Verfahren zur Behandlung der Oberfläche eines Substrats nach Anspruch 2, wobei die Rohmaterialbestandteile Kohlenstoff und Wasserstoff sind, und auf dem Substrat ein diamantartiger Film gebildet wird.
Verfahren zur Behandlung der Oberfläche eines Substrats nach Anspruch 1, wobei das Prozessgas einen Bestandteil enthält, der mit dem Substratmaterial reaktionsfähig ist, und auf dem Substrat ein Film gebildet wird, der von der Reaktion zwischen diesem Bestandteil und dem Substrat stammt.
Verfahren zur Behandlung der Oberfläche eines Substrats nach Anspruch 4, wobei der Bestandteil, der mit dem Substratmaterial reaktionsfähig ist, eines aus Sauerstoff, Stickstoff oder Kohlenstoff ist, und eines aus einem Oxidfilm, einem Nitridfilm oder einem karbonisierten Film gebildet wird.
Verfahren zur Behandlung der Oberfläche eines Substrats nach Anspruch 1, wobei das Prozessgas einen nicht reaktionsfähigen Bestandteil enthält, und der Zusammenstoß mit diesem Bestandteil zu einem Glätten der Substratoberfläche führt.
Verfahren zur Behandlung der Oberfläche eines Substrats nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei im Inneren der Prozesskammer eine Maschenelektrode, die in der Gegenrichtung zum Substrat angeordnet ist, bereitgestellt ist, und zwischen der Elektrode und dem Substrat eine Vorspannung angelegt wird, die an der Substratseite negativ ist.
Verfahren zur Behandlung der Oberfläche eines Substrats nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Druck im Inneren der Prozesskammer zwischen 0,01 und 0,5 Atmosphärendruck gehalten wird.
Verfahren zur Behandlung der Oberfläche eines Substrats nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine ultraviolette Strahlung, die eine Photonenenergie von 4 bis 9 eV aufweist, gestrahlt wird.
Verfahren zur Behandlung der Oberfläche eines Substrats nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine Lampe vom Entladungstyp wie etwa eine Quecksilberniederdrucklampe als eine ultraviolette Lichtquelle verwendet wird.