DE2606937A1 - Surface coatings - eg oxide layers on solid substrates especially metals by magnetically active plasmas - Google Patents

Abstract

Prodn. of a magnetically active plasma for forming thin layers on the surface of fixed substrates, is by producing this plasma by means of a pref. cylindrical structure for the retardation of microwaves, in the form of an axially symmetrical discharge, the density and temp. of the particles of which are controlled by means of an external magnetic field and the magnitude of the microwave power and generally in arbitrarily selected gases in the range 1.33 x 10-3 - 1.33 x 102 Pa. Presents a wider range of use in thin layer production than can be obtained using either a wave guide or a hollow resonator.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen magnetoaktiven Plasmas zum dünnen Beschichten fester Substrate Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines magnetoaktiven Mikrowellenplasmas zum dünnen Beschichten eines festen Substrats oder mehrerer fester Substrate. Method and device for generating magnetoactive plasma for thin coating of solid substrates The invention relates to a method and a Device for generating a magnetoactive microwave plasma for thin coating one or more solid substrates.

Dünne Schichten in Mikrowellenentladungen wurden bisher in der Regel in einem isotropen Plasma erzeugt. Thin layers in microwave discharges have been the rule so far generated in an isotropic plasma.

Das Plasma wird meist in einer Entladungsröhre erzeugt, die durch die breitere Wand eines Wellenleiters durchgeführt oder teilweise in einem Hohlraumresonator gelagert ist. Derartige Vorrichtungen haben eine Reihe von Nachteilen.The plasma is usually generated in a discharge tube, the passed through the wider wall of a waveguide or partially in one Cavity resonator is mounted. Such devices have a number of disadvantages.

Mikrowellenentladungen erfordern für die Erzeugung eines Plasmas erforderlicher Dichte und Temperatur der Teilchen ohne Anwendung eines starken Magnet feldes verhältnismäßig hohe Leistungen und brennen bei verhältnismäßig hohen Drucken, die in der Regel 1 Pa überschreiten. Microwave discharges require the generation of a plasma required density and temperature of the particles without using a strong magnet relatively high performance and burn at relatively high pressures, which usually exceed 1 Pa.

Die Anordnung der Entladungsröhre im Wellenleiter bedingt eine relativ zur Rohrachse unsymmetrische Zufuhr der Energie zum Erregen der Entladung, was für eine Reihe von Anwendungen, wo ein gleichmäßiges Aufwachsen der Schicht auf der ganzen Fläche des Substrates gefordert wird, sehr nachteilig sein kann. Eine Anordnung der Entladungsröhre im Resonator ist gleichfalls unzweckmäßig, da die Abmessungen der Entladungsröhre gegen die Abmessungen des Resonators klein sein müssen, so daß es sehr schwierig ist, ein Plasma größeren Volumens zu erzeugen, das für ein Aufwachsen der Schicht auf größeren Flächen eines Substrates oder mehrerer Substrate gleichzeitig erforderlich ist. Ein Nachteil der Resonanzanordnung ist auch das Abstimmen des Hohlraumes auf die Resonanzfrequenz, die sich beim Entstehen der Entladung ändert. Alle erwähnten Nachteile sind ein Hindernis für eine größere Nutzung von Mikrowellenentladungen für dünne Beschichtungen.The arrangement of the discharge tube in the waveguide causes a relative asymmetrical supply of energy to the pipe axis to excite the discharge, what for a number of applications where a uniform growth of the layer on the entire surface of the substrate is required, can be very disadvantageous. An arrangement the discharge tube in the resonator is also impractical because of the dimensions of the discharge tube must be small compared to the dimensions of the resonator, so that it is very difficult to generate a plasma of larger volume that is suitable for growth the layer on larger areas of a substrate or several substrates at the same time is required. A disadvantage of the resonance arrangement is also the tuning of the Cavity to the resonance frequency, which changes when the discharge occurs. All of the disadvantages mentioned are an obstacle to greater use of microwave discharges for thin coatings.

Aufgabe der Erfindung ist die Überwindung der erwähnten Nachteile. The object of the invention is to overcome the disadvantages mentioned.

Ein Verfahren zum Erzeugen magnetoaktiven Plasmas zum dünnen Beschichten fester Substrate ist erfir:dungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das magnetoaktive Plasma mittels einer vorzugsweise zylindrischen Mikrowellen-Verzögerungsstruktur als axial symmetrische Entladung erzeugt wird, für deren Teilchen Dichte und Temperatur mittels eines äußeren Magnetfeldes und mittels der Mikrowellenleistung gesteuert werden, und zwar in beliebigen Gasen im Druckbereich 1,3) 1C bis 1,33 1o2 Pa. A method of generating magnetoactive plasmas to the thin coating of solid substrates is according to the invention characterized in that that the magnetoactive plasma by means of a preferably cylindrical microwave retardation structure is generated as an axially symmetrical discharge, for whose particles density and temperature controlled by means of an external magnetic field and by means of the microwave power in any gases in the pressure range 1.3) 1C to 1.33 1o2 Pa.

Mittels der Mikrowellenstrukturen wird ein Plasma mit einem Durchmesser erzeugt, der kleiner, gleich oder größer äls die Wellenlänge der Mikrowellen ist, die den Mikrowellenstrukturen vom Generator zugeführt werden. A plasma with a diameter is created by means of the microwave structures generated that is less than, equal to or greater than the wavelength of the microwaves, which are fed to the microwave structures by the generator.

Durch änderung der Stärke des äußeren Magnetfeldes wird die radiale Verteilung der Dichte und Temperatur der Teilchen im magnetoaktiven Plasma gesteuert. By changing the strength of the external magnetic field, the radial Distribution of the density and temperature of the particles in the magnetoactive plasma is controlled.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindngsgemäßen Verfahrens ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch einen Mikrowellengenerator, der eine Mikrowellen-Verzögerungsstruktur zum Erzeugen eines Plasmas in einer Entladungsröhre speist, in der innen ein Tisch vorgesehen ist, auf dem das feste Substrat angeordnet ist, das in das Plasma eintaucht, wobei die Entladungsröhre in einem äußeren Magnetfeld angeordnet ist, das mittels an eine Stromquelle angeschlossener Spulen erzeugt wird, und wobei die Entladungsröhre mit einer Vakuumpumpe verbunden sowie für die Zufuhr des gewählten Gases aus einem Vorratsbehälter bei erforderlichtem Druck in der Entladungsröhre mit einem Speiseventil versehen ist. A device for carrying out the method according to the invention is characterized according to the invention by a microwave generator which has a microwave delay structure for generating a plasma in a discharge tube with a table inside is provided on which the solid substrate is arranged, which is immersed in the plasma, wherein the discharge tube is arranged in an external magnetic field generated by means of coils connected to a power source is generated, and wherein the discharge tube connected to a vacuum pump as well as for the supply of the selected gas from a Reservoir at the required pressure in the discharge tube with a feed valve is provided.

Es ist ferner zweckmäßig, daß zur Anodenoxydation des festen Substrates aus Metall oder Halbleiter im magnetoaktiven Mikrowellen-Plasma, das in Sauerstoff erzeugt wid, die Entladungsröhre mit einer Hilfselektrode ersehen ist, die an den negativen Pol einer Gleichstrom-Hilfsquelle angeschlossen ist, deren positiver Pol mit dem festen Substrat verbunden ist. It is also useful that for anode oxidation of the solid substrate made of metal or semiconductors in magnetoactive microwave plasma, which in oxygen generated wid, the discharge tube can be seen with an auxiliary electrode attached to the negative pole of a DC auxiliary source is connected, the positive pole of which is connected to the solid substrate.

Durch Anwendung der zylindrischen Mikrowellen-Verzgerungsstruktur zum Erzeugen magnetoaktiven Plasmas wird eine axial symmetrische Entladung auch in großem Volumen mit Abmessungen, die die Wellenlänge der Mikrozellen vom Generator überschreiten, ermöglicht, sogar bei niedrigen Gasdrücken der Größenordnung 10 1 bis 1C-3 Pa, so daß dünne Schichten mit erforderlicher gleichmäßiger Schichtdicke auf genügend großer Fläche eines festen Substrates oder mehrerer Substrate erzeugt werden können. Die Dichte, die Verteilung und die Energie der Teilchen im Plasma tonnen durch die Stärke und Konfiguration des äußeren Magnetfeldes sowie auch die Größe der Mikrowellenleistung gesteuert werden. Auf & ese Weise können die Aufwachsgeschwindigkeit, die Gleichjnäßigkeit der Dicke und die Güte der erzeugten dünnen Schicht gesteuert werden. Beim Erzeugen magnetoaktiven Sauerstoffplasmas ist es z. B. erfindungsgemäß möglich, auf Siliziumsubstraten Oxydschichten einer Dicke von ca. 200 nm durch Einwirkung des Plasmas für 60 min zu erzeugen, wobei die Mikrowellenleistung für die Erzeugung des Plasmas verhältnismäßig klein ist, d. h. ca.100 - 300 W beträgt, und die Oxydschicht bei Drücken der Größenordnung 10-3 bis 102 Pa erzeugt wird. Using the cylindrical microwave retardation structure An axially symmetrical discharge is also used to generate magnetoactive plasmas in large volume with dimensions that match the wavelength of the microcells from the generator exceed, even at low gas pressures of the order of 10 1 up to 1C-3 Pa, so that thin layers with the required uniform layer thickness generated on a sufficiently large area of a solid substrate or several substrates can be. The density, distribution and energy of the particles in the plasma tons due to the strength and configuration of the external magnetic field as well as the The size of the microwave power can be controlled. In & ese way, the wake-up speed, the uniformity of the thickness and the quality of the thin layer produced are controlled will. When generating magnetoactive oxygen plasma it is z. B. according to the invention possible to create oxide layers with a thickness of approx. 200 nm on silicon substrates of the plasma for 60 min to generate, with the microwave power for the generation of the plasma is relatively small, d. H. 100 - 300 W, and the oxide layer at pressures of the order of 10-3 to 102 Pa is generated.

In der aus einer einzigen Figur bestehenden Zeichnung ist schematisch ein Ausführungsheispiel der Vorrichtung gezeigt. In the drawing, which consists of a single figure, is schematic an embodiment of the device is shown.

Ein Mikrowellengenerator 1 speist Energie in eine Mikrowellen-Verzögerungsstruktur 2, durch die eine Entladungsröhre 3 aus Glas durchgeführt ist. Die Entladungsröhre 3 wird mittels einer Vakuumpumpe 4 evakuiert, und das gewählte Gas wird aus einem Vorratsbehälter 5 der Entladungsröhre 3 über ein Speiseventil 6 unter dem erforderlichen Druck im Bereich von 1,33 10 Pa bis 3 . 102 Pa zugeführt (Pa = Pascal, 1 Pa % 10 at). A microwave generator 1 feeds energy into a microwave delay structure 2 through which a discharge tube 3 made of glass is passed. The discharge tube 3 is evacuated by means of a vacuum pump 4 and the selected gas becomes from one Reservoir 5 of the discharge tube 3 via a feed valve 6 under the required Pressure in the range from 1.33 10 Pa to 3. 102 Pa supplied (Pa = Pascal, 1 Pa% 10 at).

In der Entladungsröhre 3 ist auf einem Tisch 8 ein festes Substrat 7 oder ein System von Substraten angeordnet.In the discharge tube 3, there is a solid substrate on a table 8 7 or a system of substrates arranged.

Die Entladungsröhre 3 ist in einem äußeren Magnetfeld untergebracht, das durch Spulen 10 erzeugt wird, die aus einer Stromquelle 11 gespeist werden, wobei die Stärke (Induktion) Bce des Magnetfeldes sich in der Nähe der Elektron-Zyklotronresonanz befindet, d. h.: B = W ce q mit X = Frequenz des Mikrowellen-Erregerfeldes m = Elektron-Masse q = Elektron-Ladung.The discharge tube 3 is housed in an external magnetic field, which is generated by coils 10, which are fed from a current source 11, where the strength (induction) Bce of the magnetic field is close to the electron cyclotron resonance is located, d. h .: B = W ce q with X = frequency of the microwave excitation field m = electron mass q = electron charge.

Die Verzögerungsstruktur 2 erzeugt innerhalb der Entladungsröhre 3 ein magnetoaktives Plasma 9, durch dessen Einwirkung auf der Oberfläche des festen Substrates 7 eine dünne Schicht gebildet wird. Falls sich im Vorratsbehälter 5 Sauerstoff befindet und das feste Substrat eine Metall- oder Halbleiterplatte ist, kommt eine Plasma-Oxydation der Oberfläche der Platte zustande, es ,. es entsteht eine diunne Oxydschicht. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann auch eine anodische Oxyon von Metall- und Halbleitersubstraten in einem Magnetoaktiven Mikrowellenplasma 9 durchgeführt werden, das in aus dem Vorratsbehälter 5 zugeführtem Sauerstoff erzeugt wird, falls eine Gleichstrom-Hilfsquelle 12 -ierwendet wird, die konstanten Strom oder konstante Snannung liefert, wobei der positive Pol der Gleichstrom-Hilfsquelle 12 an das feste Substrat 7 und der negative Pol an eine in der Entladungsröhre 5 vorgesehne Hilfselektrode 13 angeschlossen sind. The delay structure 2 generated inside the discharge tube 3 a magnetoactive plasma 9, through its action on the surface of the solid Substrate 7 is formed a thin layer. If there is oxygen in the reservoir 5 and the solid substrate is a metal or semiconductor plate, a Plasma oxidation of the surface of the plate comes about, it,. it arises a thin layer of oxide. With the device according to the invention, an anodic Oxyon of metal and semiconductor substrates in a magnetoactive microwave plasma 9 are carried out, which is generated in oxygen supplied from the storage container 5 becomes, if a DC auxiliary source 12 -ier is used, the constant current or supplies constant voltage, the positive pole of the DC auxiliary source 12 to the solid substrate 7 and the negative pole to one in the discharge tube 5 provided auxiliary electrode 13 are connected.

Claims (4)

AnsprücheExpectations 1. Verfahren zum Erzeugen magnetoaktiven Plasmas zurn dünnen Beschichten fester Substrate, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das magnetoaktive Plasma mittels einer vorzugsweise zylindrischen Mikrowellen-Verzögerungsstruktur als axial symmetrische Entladung erzeugt wird, für deren Teilchen Dichte und Temperatur mittels eines äußeren Magnetfeldes und mittels der Mikrowellenleistung gesteuert werden, nd zwar in beliebigen Gasen im Druckbereich 1,55 lO-) bis 1,55 . 102 Pa.1. Method of generating magnetoactive plasmas for thin coating solid substrates, indicating that the magnetoactive Plasma by means of a preferably cylindrical microwave retardation structure is generated as an axially symmetrical discharge, for whose particles density and temperature controlled by means of an external magnetic field and by means of the microwave power be, nd although in any gases in the pressure range 1.55 lO-) to 1.55. 102 Pa. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Stärke des äußeren Magnetfeldes die radiale Verteilung der Dichte und Temperatur der Teilchen im magnetoaktiven Plasma gesteuert wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that means the strength of the external magnetic field, the radial distribution of density and temperature the particles in the magnetoactive plasma is controlled. 5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Mikrowellengenerator (1), der eine Mikrowellen-Verzögerungsstruktur (2) zum Erzeugen eines Plasmas (9) in einer Entladungsröhre (3) speist, in der innen ein Tisch (8) vorgesehen ist, auf dem das feste Substrat (7) angeordnet ist, das in das Plasma (9) eintaucht, wobei die Entladungsröhre ()) in einem äußeren Magnetfeld angeordnet ist, das mittels an eine Stromquelle (11) angeschlossener Spulen- (10) erzeugt wird, und wobei die Entladungsröhre ()) mit einer Vakuumpumpe (4) ver-bunden sowie für die Zufuhr des gewählten Gases aus einem Vorratsbehälter (5) bei erforderlichem Druck in der Entladungsröhre (3) mit einem Speiseventil (6) versehen ist. 5. Apparatus for performing the method according to claim 1 or 2, characterized by a microwave generator (1) which has a microwave delay structure (2) for generating a plasma (9) in a discharge tube (3) feeds in the inside a table (8) is provided on which the solid substrate (7) is arranged, the immersed in the plasma (9), the discharge tube ()) in an external magnetic field is arranged, which by means of a power source (11) connected to the coil (10) is generated, and the discharge tube ()) connected to a vacuum pump (4) as well as for the supply of the selected gas from a storage container (5) if pressure is required in the discharge tube (3) with a feed valve (6) is provided. 4. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anodenoxydation des festen Substrates (7) aus Metall oder Halbleiter im magnetoaktiven Mikrowellen-Plasma (9), das in Sauerstoff erzeugt wird, die Entladungsröhre ()) mit einer Hilfselektrode (13) versehen ist, die an den negativen Pol einer Gleichstrom-Hilfsquelle (12) angeschlossen ist, deren posativer Pol mit dem festen Substrat (7) verbunden ist.4. Apparatus according to claim 5, characterized in that the anode oxidation of the solid substrate (7) made of metal or semiconductor in the magnetoactive microwave plasma (9) generated in oxygen, the discharge tube ()) with an auxiliary electrode (13) is provided, which is connected to the negative pole of a DC auxiliary source (12) whose positive pole is connected to the solid substrate (7).