DE68911373T2

DE68911373T2 - Verfahren zur Erzeugung eines hohen Flusses von aktivierten Teilchen für die Reaktion mit einem entfernt angeordneten Substrat.

Info

Publication number: DE68911373T2
Application number: DE68911373T
Authority: DE
Inventors: Joachim Doehler; Ii Buddy Dotter; Stephen Hudgens; Annette Krisko; Jeffrey Krisko; Stanford Ovshinsky; Lester Peedin
Original assignee: Energy Conversion Devices Inc
Current assignee: Energy Conversion Devices Inc
Priority date: 1988-05-26
Filing date: 1989-04-11
Publication date: 1994-05-19
Anticipated expiration: 2009-04-12
Also published as: KR890017009A; US4883686A; KR0136863B1; DE68911373D1; JP2854603B2; CA1339914C; JPH0219471A; EP0343355B1; EP0343355A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Dünnschichten hoher Güte mit einer relativ hohen Beschichtungsrate gemäß den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Verfahrensschritten.
Die Erfindung betrifft im allgemeinen das Aufbringen und das Entfernen von Dünnschichten von Material durch die Erzeugung eines hohen Flusses von aktivierten Spezies eines Energie übertragenden Gases angrenzend an das eine Öffnung aufweisende Ende einer ersten Leitung, durch die das Gas in einen evakuierten Raum eingeleitet wird. Insbesondere betrifft die Erfindung das Verfahren zum Erzeugen einer hohen Dichte nur von gewünschten aktivierten Spezies für das Aufbringen von Dünnschichten von Material auf die oder das Entfernen von Dünnschichten von Material von der Oberfläche eines entfernt angeordneten Substrats. Bisher war es nur möglich, entweder Material relativ geringer Güte (wie etwa Halbleiterlegierungsmaterial, dielektrisches Material oder diamantartiges Material) mit einer relativ hohen Beschichtungs- bzw. Aufbringrate aufzubringen oder Material relativ hoher Güte mit einer relativ niedrigen Aufbringrate aufzubringen; die durch die vorliegende Erfindung angegebenen Konzepte ermöglichen es nunmehr, Dünnschichtmaterial hoher Güte mit sehr hohen Aufbringraten auf zubringen. Außerdem ist es wegen des extrem hohen Flusses von ionischen Spezies, die aktiviert sind (ein Ionenfluß von mehr als 25 mA/cm²), möglich, von der Oberflache eines entfernt angeordneten Substrats Material mit Wirkungsgraden zu ätzen, die bisher nur bei bipolaren Ionenätzprozessen möglich waren.
Es ist zu beachten, daß im vorliegenden Zusammenhang der Ausdruck "Energie übertragendes Gas" ein gasförmiges Vorprodukt betrifft, das dazu bestimmt ist, von einer äußeren Energiequelle aktiviert zu werden, um aktivierte Spezies (ionische, radikalische oder anderweitig angeregte neutrale Spezies) daraus zu erzeugen und entweder (1) deren Energie durch Kollisionen mit entferntem Beschichtungs/Ätzgas zu übertragen oder (2) deren Energie durch eine chemische Reaktion zu übertragen, die an der Oberfläche eines entfernten Substrats abläuft. Angesichts dieser Definition betrifft die hier offenbarte Erfindung im weitesten Umfang die Fähigkeit, aktivierte Spezies von einem relativ hohen Prozentsatz des Energie übertragenden Gases zu erzeugen, das durch einen Aktivierungsbereich strömt, und einen hohen Fluß dieser aktivierten Spezies zu einer entfernten Stelle zu übertragen.

PLASMASPRITZVERFAHREN NACH DEM STAND DER TECHNIK

1. HF-Glimmentladung:

Die HF-Glimmentladung zeigt durchweg die Fähigkeit, die höchste Güte von aufgebrachten Dünnschichten aus Halbleiterlegierungsmaterial zu ergeben. Die Güte von Dünnschichten von aufgebrachtem Halbleiterlegierungsmaterial wird typischerweise als die Dichte von lokalisierten Defektzuständen, die in ihrem Bandabstand existieren, gemessen. Andere Parameter können aber in nachteiliger Weise die elektronischen und optischen Eigenschaften der aufgebrachten Halbleiterschicht erheblich beeinträchtigen. Ungeachtet der relativ geringen Defektdichte, die in dem Bandabstand von mittels HF-Glimmentladung aufgebrachtem Siliziumlegierungmaterial vorhanden ist, bleibt diese Defektdichte um Größenordnungen höher als die Defektdichte von kristallinem Silizium. Das gilt insbesondere im Fall von Halbleiterlegierungsmaterialien mit engem Bandabstand, die aus Silizium-Germanium- Legierungen hergestellt sind, wobei (im besten Material von 1,35-1,65 ev) die Dichte von lokalisierten Defektzuständen im Bandabstand immer noch im mittleren Bereich von 10¹&sup6; Defekten/cm³/eV bleibt. Um Material hoher Güte zu erhalten, das wenigstens diese relativ hohe Defektdichte zeigt, ist es selbstverständlich erforderlich, verschiedene, aber komplementäre Kompensationselemente in das Glimmentladungsplasma einzuführen. Außerdem - was sehr wichtig ist - bleibt ungeachnet der angewandten Leistung die Aufbringrate niedrig (kleiner als 1,5 nm/s). Es wurde gezeigt, daß die Einführung eines ersten Kompensationelements wie etwa Wasserstoff wirksam ist bei der Verringerung der lokalisierten Zustände im Bandabstand von Siliziumlegierungsmaterial auf oder nahe dem Fermi-Niveau, während die Einführung eines zweiten Kompensationselements wie etwa Fluor diese lokalisierten Zustände sowie andere Zustände zwischen denjenigen nahe Fermi- Niveau und den Leitungsband weiter verringert. Aufgrund der relativ niedrigen Energie, die von einem HF-Feld ungeachtet der Höhe der angewandten Leistung an das Plasma von zersetzten Vorproduktgasen abgegeben wird, bleibt die Aufbringrate relativ niedrig. Diese relativ langsame Aufbringrate verschafft den Fluor- und Wasserstoff-Kompensationselementen eine ausreichend lange Zeit, um ihren zu ermöglichen, mit der augzubringenden Grundmatrix zu reagieren und lose, gebrochene, verformte oder gespannte Bindungen in dem Silizium-Germanium-Legierungsmaterial mit schmalen Bandabstand zu entspannen, während dieses Material auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht wird.
Allerdings - und das sollte für den Leser ersichtlich sein - wurde gefunden, daß bei einem großtechnischen Herstellungsverfahren ein signifikantes problem beim Aufbringen von Siliziumlegierungsmaterial hoher Güte gefunden wurde. Wenn die Aufbringate des Halbleiterlegierungsmaterials mit engem Bandabstand (und eingetlich die Aufbringrate jedes Halbleiter- oder Isoliermaterials) erhöte wird, um dieses Material in einer großtechnisch wirtschaftlichen Weise aufzubringen, verschlechtert sich die Güte des aufgebrachten Materials. Insbesondere resultieren bekannte Versuche, die Aufbringrate von Halbleiterlegierungsmaterial zu steigern (beispielweise nur von 1 auf 1,2 nm/s), indem etwa die angewandte HF-Leistung erhöht wird, in einem energiereicheren Plasma. Dieses energiereichere Plasma ändert entweder die Plasmareaktionskinetik, um eine andere Gruppe von Ionen und freien Radikalen zu erzeugen, oder dieses energiereiche Plasma erlaubt den Kompensationselementen keine ausreichende Zeit, in der sie mit der Grundmatrix des aufzubringenden Halbleiterlegierungsmaterials in Wechselwirkung gelangen können, um die verformten, gebrochenen, losen, gedehnten oder anderweitig abweichenden Bindungskofigurationen desselben zu entspannen. Die vorstehenden Absätze behandeln zwar hauptsächlich das Aufbringen von Halbleiterlegierungsmaterial mit engem Bandabstand, aber die gleiche Verschlechterung der Materialgüte (eine Zunahme der Dichte von Defektzuständen) mit zunehmender Leistung wird allgemein berichtet und ist experimentell beim Plasmaspritzen von Halbleiterlegierungsmaterial mit großem Bandabstand zu sehen.
Bevor fortgefahren wird, ist es hilfreich, einen Teil der Plasmakinetik zu betrachten, die bei HF- oder Mikrowelleninitiierten Glimmentladungen auftritt. Experimentelle Beobachtungen der elektronischen Defektdichte von amorphen Multielement-Siliziumlegierungsschichten, die aus einer großen Zahl von verschiedenen Gas-Chemien (unter Anwendung sowohl von HF- als auch Mikrowellenenergie) aufgebracht wurden, zeigen, daß aufgebrachte Dünnschichten, die aus Kombinationen von Vorproduktgasen mit vergleichbaren individuellen "Aufbring-Wirkungsgraden" aufgebracht wurden, die elektronischen Eigenschaften höchster Güte zeigen. Auf der Grundlage dieser Beobachtungen wird es möglich, die Eigenschaften des aufgebrachten Dünnschichtmaterials zu modifizieren. Der mögliche Modifikationsgrad ist jedoch begrenzt wegen der unkontrollierbaren Chemie, die durch den "Zoo" von chemischen Reaktionen gegeben ist, die in dem hochenergetischen Plasma erzeugt werden. Insbesondere erfahren in dem Plasma die Vorprodukt-Einsatzgase eine Vielzahl von Kollisionen mit Plasmaelektronen, um eine Unmenge von freien Radikalen und Ionen zu erzeugen. Es ist erforderlich, den freien Radikalen, die erzeugt werden, die größte Aufmerksamkeit zuzuwenden, weil die Erfahrung gezeigt hat, daß freie Radikale die Plasmaspezies bilden, die auf ein Substrat aufgebracht wird.
In bezug auf diese freien Radikalen ist zu beachten, daß es eine Verteilung von freien Radikalen gibt, die abhängig ist von der Elektronentemperatur, der Elektronendichte und der Verweilzeit des gasförmigen Vorprodukts, das dem elektromagnetischen Feld ausgesetzt ist. Die Verweilzeit-Abhängigkeit resultiert aus vielfachen Elektronenkollisionen oder Kollisionen zwischen vorher angeregten freien Radikalen und Einsatzmaterial-Molekülen oder zwischen zwei oder mehr freien Radikalen. In einem Silan-Einsatzgutplasma ist das energieärmste Element der möglichen freien Radikalen, die erzeugt werden können, SiH&sub3;*, und energiereichere Elemente umfassen SiH&sub2;*, SiH* und Si*.
Da ein Plasma, um selbsterhaltend zu sein, Elektronen mit hinreichend Energie zum Erzeugen von Ionen über Kollisionen mit Einsatzgut-Molekülen enthalten muß, und da die zum Erzeugen eines Ions notwendige Energie im allgemeinen höher als die Energie ist, die zum Erzeugen des energieärmsten Elements des Spektrums von freien Radikalen notwendig ist (auf diese Annahme wird erneut in dem Teil der vorliegenden Beschreibung Bezug genommen, der sich mit der Auswirkung eines Magnetfeldes auf den Aufbringprozeß der Erfindung befaßt), ist es möglich anzunehmen, daß eine Verteilung von freien Radikalen in jedem Plasma erzeugt wird (wobei die Breite der Verteilung von der von dem Plasma absorbierten Energie abhängig ist).
Das Problem der abnehmenden Gute von aufgebrachtem Dünnschichtmaterial relativ zu einer Erhöhung des Wechselstroms kann (in gewissem Maß) unter Kontrolle gehalten werden, wenn es sich um die durch HF-Energie erzeugten relativ niedrigen Energiepegel handelt. Die Fähigkeit, Aufbringraten von 1 auf 1,2 oder auch 2 nm/s zu erhöhen, ist jedoch großtechnisch bedeutungslos. Seit einiger Zeit versuchen Forscher daher, Mikrowellenfrequenzen zu nutzen (was aufwendige Elektronen- Zyklotronresonanz-Projekte einschließt), um eine Verbesserung der Aufbringrate einer Vielzahl von Dünnschichtmaterialien um mehr als eine Größenordnung zu erreichen. Durch die Verwendung von energiereicheren, Mikrowellen-initiierten Glimmentladungs-Aufbringverfahren ist es möglich geworden, eine erhöhte Aufbringrate durch die wirksamere Dissoziation der gasförmigen Vorprodukte, aus denen das Plasma entsteht, zu erreichen. Die Schwierigkeit, die die genannten Forscher angetroffen haben, ist, daß gleichzeitig mit der erheblichen Steigerung der Wirtschaftlichkeit des Mikrowellen-eingeleiteten Aufbringverfahrens durch eine erhöhte Aufbringrate die Güte der aufgebrachten Schicht sich entsprechend verringert hat. Das heißt also beispielsweise, daß das beste mit Mikrowellen aufgebrachte Halbleiterlegierungsmaterial eine Defektdichte hat, die etwa um eine Größenordnung höher als die Defektdichte des besten HF-aufgebrachten Halbleiterlegierungsmaterials ist, d. h., daß Quantität auf Kosten von Qualität geht.

2. Mikrowellen-Glimmentladung:

Der Leser sollte beachten, daß die Rechtsnachfolgerin der vorliegenden Erfindung in US-A-4 504 518, 4 517 223 und 4 701 343 bereits ein wichtiges Niederdruckverfahren beschrieben hat, mit dem Schichten hoher Güte unter Anwendung von Mikrowellenenergie aufbringbar sind. Dieses Niederdruck- Mikrowellenaufbringverfahren bleibt bis zum Zeitpunkt der vorliegenden Erfindung das wirkungsvollste Verfahren mit dem besten Kosten-Nutzen-Effekt zum Aufbringen von relativ hochwertigen Halbleiter-, Isolier-, dielektrischen oder harten Dünnschichten. Insbesondere betrifft die dort beschriebene Erfindung die Anwendung von Niederdruckbedingungen, nach denen eine Glimmentladungsbeschichtung einzuleiten ist, wo durch das Plasma ohne Polymerbildung wirkungsvoll unterhalten wird. Dies wird erreicht, indem im wesentlichen bei einem Minimum der "modifizierten Paschen-Kurve" für die gegebene Gruppe von eingesetzten gasförmigen Vorprodukten gearbeitet wird. Kurz gesagt heißt das, daß für ein bestimmtes gasförmiges Vorproduktgemisch eine optimale Kombination von Energie, Druck und Öffnungsdurchmesser besteht, die ein Plasma eines gegebenen Volumens unterhält. Gemäß dem dort angegebenen neuen Plan wird es möglich, einerseits ein sehr energiereiches Plasma zu erhalten, in dem sämtliche Prozeßgase dissoziiert werden, und andererseits die Aufbringrate gegenüber der Aufbringrate von HF-Plasma erheblich zu steigern; beide Merkmale werden erreicht, indem gleichzeitig mit einem Minimum an Energiezuführung gearbeitet wird. Außerdem resultiert der Betrieb nach diesen optimierten Energie- und Druckbedingungen darin, daß die Gasphasen-Polymerisatian und die Pulverbildung verhindert werden. Die Anwendung von Niederdruck und minimaler Energie resultiert zwar in der Aufbringung des Materials höchster Güte, die bisher für Mikrowellen-Glimmentladungsverfahren berichtet wurde, aber dieses Verfahren ist immer noch nicht in der Lage, die in dem Plasma erzeugten speziellen aktivierten Spezies zu steuern bzw. zu kontrollieren.
Die beiden Hauptpunkte, die zu berücksichtigen sind, wenn entweder die vorbeschriebene Methode der HF-Plasmaglimmentladungs-Beschichtung oder ihre Verbesserung durch die vorgenannte Niederdruck-Mikrowellen-initiierte Glimmentladungs- Beschichtungsmethode erörtert werden, ist (1), daß bei diesen beiden Plasmaprozessen die Materialgüte relativ zu der Steigerung der Aufbringrate schlechter wird und (2) daß es unmöglich ist, die Kinetik der Gasphasen-Chemie auf solche Weise zu steuern, daß die einzigen Spezies, die in dem Glimmentladungsplasma erzeugt werden, diejenigen Spezies sind, die beim Aufbringen auf eine Oberfläche des Substrats die höchstmögliche Güte von Dünnschichtmaterial ergeben.
Im Gegensatz dazu ist zu beachten, daß, wenn es möglich wäre, die Plasma-Chemie zu steuern, nur die erwünschten radikalischen oder ionischen Spezies erzeugt werden könnten und es daher möglich würde, nur die höchstmögliche Güte von Dünnschichtmaterial aufzubringen. Im Hinblick darauf, daß nur gewünschte radikalische oder ionische Spezies in dem Plasma erzeugt werden, kann ferner das Material mit sehr hohen Raten abgeschieden werden, weil es nicht mehr notwendig ist sicherzustellen, daß die losen, gebrochenen, gebogenen, verformten, gespannten oder anderweitig nicht normalen Bindungskonfigurationen der Grundmatrix des aufzubringenden Materials eine Chance haben, durch den Einsatz von Kompensationselementen wie Wasserstoff und/oder Fluor geheilt zu werden.
Es ist insbesondere zu beachten, daß die Erfinder nicht behaupten, die ersten zu sein, die die Möglichkeit des Aufbringens nur von spezifischen metastabilen radikalischen oder ionischen Spezies, aus denen eine Dünnschicht der höchstmöglichen Güte herstellbar ist, bedacht haben; die Erfinder glauben aber, daß sie die ersten sind, die ein Verfahren der Anwendung der Gasphasen-Plasmakinetik erfunden haben, um die höchstmögliche Güte von Dünnschichtmaterial dadurch aufzubringen, daß einerseits nur die gewünschten radikalischen oder ionischen Spezies aus einem gasförmigen Vorproduktgemisch erzeugt werden und andererseits diese gewünschten radikalischen oder ionischen Spezies mit einer sehr hohen und daher großtechnisch signifikanten Aufbringrate aufgebracht werden (die um Größenordnungen höher als die Rate ist, die durch Anwendung von Mikrowellen-initiierter Glimmentladungsaufbringung mit dem Material gleicher Güte erzielbar ist).

3. Plasmafernanregung

Die folgenden Absätze beschreiben den derzeitigen Stand der Technik betreffend das Aufbringen von Dünnschichtmaterialien nur von gewünschten Vorprodukt-Spezies mit Verfahren, die allgemein als "Plasmafernanregung" bekannt sind. Der Ausdruck "Plasmafernanregung" betrifft in diesem Zusammenhang ein Verfahren, nach dem ein gasförmiges Vorproduktgemisch zu einem Plasma von gewünschten Spezies an einer Stelle einer Vakuumkammer gemacht wird und diese gewünschten Spezies dann an einer Stelle der Kammer aufgebracht werden, die von der Plasmaerzeugungsstelle entfernt ist. Die Aufmerksamkeit des Lesers wird insbesondere auf die Bemühungen der beiden am meisten respektierten Wissenschaftler auf dem Gebiet der Plasmafernanregung, Dr. G. Lucovsky und Dr. I. Shimizu, gerichtet. Dr. Lucovsky von North Carolina State und Dr. Shimizu von der Universität Tokyo haben Forschungsarbeiten durchgeführt mit dem Ziel der Aufbringung von speziell vorgewählten radikalischen Spezies aus einem Plasma auf Siliziumbasis, um eine Siliziumlegierungsschicht zu erhalten, die durch eine geringe Dichte von lokalisierten Defektzuständen in ihrem Bandabstand, ausgezeichnete Fotoleitfähigkeit (das Verhältnis von Hell- zu Dunkelleitfähigkeit) und lange Ladungsträger-Lebensdauern charakterisiert ist. (Es ist zu beachten, daß die Verbesserung jedes dieser Parameter mit Dünnschichten von Siliziumlegierungsmaterial zu vergleichen ist, das aus mit Hochfrequenz oder Mikrowellen angeregtem Plasma aufgebracht ist.)
Die derzeit relevanten großtechnischen Aufbringtechniken, die vorstehend im einzelnen erörtert wurden, können im allgemeinen als "direkte PECVD"-Verfahren charakterisiert werden. Im vorliegenden Zusammenhang bezieht sich "direkte PECVD" auf ein Verfahren, nach dem ein gasförmiges Vorproduktgemisch, das die gewünschten Beschichtungsspezies enthält, einer Quelle von Anregungs- oder Fragmentierungsenergie direkt ausgesetzt wird und die dadurch erzeugten Beschichtungsspezies auf ein Substrat aufgebracht werden, das relativ dazu in der Nähe vorgesehen ist. Das üblichste Beispiel für solche Direktanregungsverfahren sind die HF- oder Mikrowellen-initiierte Glimmentladungsanregung von Silan und Wasserstoff, um eine Dünnschicht von hydriertem amorphem Siliziumlegierungsmaterial auf eine Oberfläche eines benachbarten Substrats aufzubringen.
Im vorliegenden Zusammenhang betrifft der Ausdruck "aktivierte Spezies" mikroskopische Objekte, die innere Energie tragen, ob es sich nun um atomische oder molekulare, radikalische Objekte, Ionen oder angeregte Neutren handelt. Diese Definition ist mit dem Gebrauch des Ausdrucks durch Dr. Lucovsky zu vergleichen, der glaubt, daß Helium (He*) im metastabilen, angeregten oder Nicht-Grundzustand erzeugt wird, wenn das Energie übertragende Gas dem elektromagnetischen Feld ausgesetzt wird. Im Gegensatz dazu glauben die Erfinder, daß die aktivierten Spezies tatsächlich Heliumionen sind (aufgrund einer experimentell beobachteten Magnetfeldabhängigkeit der Dünnschicht-Aufbringrate). Beschaffenheit und Charakterisierung dieser aktivierten Spezies sind jedoch für die Anwendung des Verfahrens der Erfindung nicht kritisch.
Ferner ist zu beachten, daß der Ausdruck "Aktivierungsbereich" oder "Wolke von aktivierten Spezies" im vorliegenden Zusammenhang das Volumen der evakuierten Kammer bezeichnet, in dem die Zahl von aktivierten Spezies, die durch das elektromagnetische Feld erzeugt werden, die Zahl van aktivierten Spezies übersteigt, die aufgrund von Wandverlusten, Kollisionen usw. vernichtet werden.
Lucovsky et al. (siehe Journal of Non-Crystalline Solids, 12th ICALS, Prag 1987, Arbeit von Lucovsky und Tsu mit dem Titel "Differences Between Direct And Remote Plasma Enhanced CVD") lehren das Aufbringen einer Dünnschicht von amorphem Silizium-Wasserstoff-Material unter Anwendung von HF-Energie (13,56 MHz), aus der ein strukturell begrenzter Aktivierungsbereich von angeregten Heliumatomen (wie etwa Heliumradikalen He*) zu erzeugen ist, wobei dieser Aktivierungsbereich räumlich von einem aufgeheizten Substrat wenigstens 10 cm entfernt angeordnet ist. Die angeregten Heliumradikalen wandern dann durch dem Plasmabereich, um mit neutralem Silangas (das mit 90 % Argon verdünnt ist) in Wechselwirkung zu gelangen, wobei das Silangas über dem aufgeheizten Substrat durch einen "Brausekopf"-Gasring eingeleitet wird. Dr. Lucovsky behauptet, daß die He*-Atome mit dem SiH&sub4; kollidieren, was in der Bildung von aufzubringenden radikalischen Spezies des Silans resultiert entsprechend der folgenden Reaktion:
[He*] + SiH&sub4; -> SiH&sub3; + H
Mit anderen Worten haben die Thermodynamik und die Kollisionskinetik von metastabilen Heliumspezies mit Silan- Neutralen die richtige Energie, um die Bildung von SiH&sub3; zu begünstigen, wobei Wissenschaftler von diesem SiH&sub3;-Radikalen glauben, daß es das Siliziumlegierungsmaterial höchster Güte liefert. Die Reaktionsprodukte (SiH&sub3; und H) sind spezifische Silanfragmente, die an der freiliegenden Oberfläche des aufgeheizten Substrats eine chemische Dampfabscheidungsreaktion erfahren. Das Edelgasatom Argon wurde ebenfalls anstelle von Helium als die HF-Plasmaaktivierte metastabile Spezies eingesetzt. Argon löst jedoch eine andere Fragmentierung des Silans aus, wodurch eine Plasmapolymerisation von SiH&sub2; und Silan zu Disllan, Trisilan usw. bewirkt wird. Das Resultat ist die Erzeugung großer Mengen von Polysilanpulver sowie die Abscheidung der Siliziumlegierungsschicht.
Diese Plasmafernanregungsverfahren werden auch zum Aufbringen von Dünnschichten von dielektrischem oder isolierendem Siliziumoxid(SiOx) und Siliziumnitrid(SiNx)-Material angewandt. In den aufgebrachten dielektrischen Schichten weist das Plasma von aktivierter Spezies typischerweise ca. 20 % O&sub2; oder N&sub2; in He auf in Abhängigkeit von der gewünschten Zusammensetzung der abzuscheidenden Schicht. Diese aktivierte Spezies wird dann von einem HF-Plasma angeregt, um so angeregte (O&sub2;, He)*- oder eine metastabile (N&sub2;He)*- Spezies zu erzeugen. Diese aktivierten metastabilen Spezies treten dann mit SiH&sub4; (oder einem anderen Silizium enthaltenden Gas) in Wechselwirkung, wie durch die folgenden Ungleichgewichts-Gleichungen bezeichnet sind:
I. (O&sub2;He)* + SiH&sub4; -> SiO&sub2;
II. (N&sub2;He)* + SiH&sub4; -> Si&sub3;N&sub4; so daß die Dünnschichten von Siliziumoxid- oder Siliziumnitridmaterial auf die freiliegende Oberfläche eines aufgeheizten Substrats aufgebracht werden.
Sowohl die vorgenannten Dünnschichten von dielektrischen Materialien als auch die Dünnschichten von Halbleiterlegierungsmaterialien werden unter im wesentlichen gleichen Beschichtungsbedingungen hergestellt. Insbesondere wird das Energie übertragende Gas in die Kammer mit einer Durchflußrate von zwischen ca. 100 und 1000 SCCM eingeleitet; das gasförmige Silanvorprodukt wird in die Kammer mit einer Durchflußrate von ca. 5-25 SCCM eingeleitet; der Beschichtungsdruck in der Kammer wird zwischen ca. 40 Pa (300 mTorr) und 133 Pa (1 Torr) gehalten; die zugeführte HF-Energie wird auf ca. 5-50 W gehalten; und die Substrattemperatur wird auf ca. 40 ºC bis 400 ºC gehalten. Diese Betriebsparameter, und zwar insbesondere sowohl die Durchflußmengen des Energie übertragenden Gases in der ersten Leitung und als auch der Grunddruck in der Kammer, werden als notwendig angesehen, damit: (1) die Diffusion von Silangas zurück in den strukturell begrenzten Aktivierungsbereich im wesentlichen minimiert wird; und (2) eine annehmbare Dichte der aktivierten Spezies aus dem Energie übertragenden Gas aus dem strukturell begrenzten Aktivierungsbereich extrahiert und zu dem Silangas-Verteilerring gerichtet wird.
Es ist besonders beachtenswert, daß die vorgenannten bevorzugten Durchflußraten und der Grunddruck eine mittlere freie Weglänge eines Bruchteils eines Millimeters für bimolekulare Kollisionen sicherstellen, während gleichzeitig das Substrat in einem Abstand von ca. 5 cm von dem Kollisionsbereich angeordnet ist, d. h. dem Bereich, in dem beispielsweise metastabile He-Spezies, metastabile O&sub2;-Spezies und SiH&sub4;-Moleküle kollidieren. Diese räumliche Anordnung wurde gewählt, um zu garantieren, daß eine Vielzahl von lokalisierten Kollisionen zwischen den vorgenannten metastabilen Spezies und den Silanmolekülen erfolgt, bevor das Material auf der Oberfläche des aufgeheizten Substrats abgeschieden wird. Die Kombination von Druck und mittlerer freier Weglänge bei diesem Druck stellt jedoch sicher, daß eine Vielzahl von Kollisionen vor der Aufbringung erfolgt und daß daher das Beschichtungsmaterial viele verschiedene Spezies im Gegensatz zu der einzelnen gewünschten Spezies aufweist. Außerdem verhindern die Vielfach-Kollisionen die Abscheidung einer hohen Dichte der einzelnen gewünschten Spezies auf dem Substrat. Es ist daher nicht verwunderlich, daß die Aufbringrate von gewünschten radikalischen Spezies so niedrig bleibt.
Es soll nunmehr die Arbeit von Dr. Shimizu behandelt werden; ein modifiziertes Verfahren zur halbdirekten Plasmaanregung ist in einer Arbeit mit dem Titel "Growth Of Amorphous And Crystalline Silicon By HR-CVD (Hydrogen Radical enhanced CVD) von Shibata, Fukuda, Ohtoshi, Hanna, Oda und Shimizu beschrieben, veröffentlicht in Materials Research Symposium Proceedings, Vol. 95, 1987, S. 225-235. In dieser Arbeit schlagen Shimizu et al. ein neuartiges Verfahren zur Herstellung von Legierungen auf Si-Basis vor. Es ist wichtig, die Tatsache zu erkennen, daß die Technik von Shimizu et al. "Hybrid-Anregung" verwendet, wobei die Vorprodukt-Abscheidung sowohl direkt als auch entfernt aktiviert wird. Die direkte Anregung erfolgt durch direkte Einwirkung des elektromagnetischen Felds, und die entfernte Anregung erfolgt als ein Produkt der Wechselwirkung zwischen der teilweise angeregten Abscheidungs-Spezies mit der aktivierten metastabilen Spezies des Energie übertragenden Gases. Bei dem beschriebenen HR-CVD-Verfahren ist es wesentlich, daß das Vorprodukt-Abscheidungsgas von aktivierter Spezies eines Energie übertragenden Gases getroffen wird, um sekundär SiFnHm zu bilden (wobei n + m kleiner als 3 ist).
Die Vorrichtung von Shimizu et al. weist koaxiale Rohre auf, in deren innerem Rohr SiF&sub4; transportiert wird und in deren äußerem Rohr Wasserstoffgas und Argongas transportiert werden. Das Wasserstoffgas wird durch direkte Einwirkung einer Mikrowellenenergiequelle in atomaren Wasserstoff umgewandelt Ein zweiter angeschlossener Teil der Vorrichtung ist eine Beschichtungskammer aus rostfreiem Stahl, in der ein aufgeheiztes Substrat angeordnet ist. Das SiF&sub4; wird zuerst der Mikrowellenenergie in dem Innenrohr direkt ausgesetzt und sekundär dem Wasserstoffplasma am Ende des Innenrohrs ausgesetzt, um die Beschichtungs-Spezies zu erzeugen. Typische Beschichtungsparameter sind eine SiF&sub4;-Durchflußrate von 45 SCCM, eine Ar-Durchflußrate von 76 SCCM und eine H&sub2;-Durchflußrate von 10 SCCM, eine Leistung von 440 W bei 2,45 GHz und ein Grunddruck von 40 Pa (0,3 Torr). Keineswegs überraschend haben Shimizu et al. gefunden, daß die Position des Auslasses des Innenrohrs sowie dessen Abstand vom Substrat wichtige Faktoren bei der Bestimmung der Beschichtungsrate sowie der Güte der aufgebrachten Schicht sind Außerdem berichten Shimizu et al. über die Anwesenheit einer vernachlässigbaren Zahl von ionischen Spezies in dem Vorprodukt-Beschichtungsgas und schlossen daraus, daß die radikalische Spezies des Vorprodukt-Beschichtungsgases die Beschichtungs-Spezies bildete. Schließlich ist zu beachten, daß Shimizu et al. eine Beschichtungsrate von nicht mehr als 5 nm/s erreichen; diese relativ hohe Beschichtungsrate ergab sich aber aus der direkten Anregung des Vorprodukt-Beschichtungsgases. Während einerseits diese direkte Anregung in drastisch verbesserten Beschichtungsraten resultierte, wurde andererseits dadurch die Fähigkeit, die Beschaffenheit der Beschichtungs-Spezies zu steuern, und somit die Fähigkeit, eine hohe Güte der elektronischen Schicht zu unterhalten, geopfert.
Ungeachtet der ausgedehnten Untersuchungen durch die beiden vorgenannten Gruppen von Dr. Lucovsky und Dr. Shimizu ist das Ziel, Dünnschichten hoher Güte mit relativ hohen Beschichtungsraten (gegenüber HF-Beschichtungsgüte und -raten) aufzubringen, nicht erreicht worden. Tatsächlich erreichen die wirklichen Plasmafernanregungs-Verfahren, die bisher entwickelt wurden, Beschichtungsraten von weniger als 0,1 nm/s von eigenleitendem amorphem Siliziumlegierungsmaterial, das durch eine Dichte von Defektzuständen in der Größenordnung von ca. 10¹&sup6; bis 10¹&sup7; Defekten/cm&supmin;³/eV charakterisiert ist.
Ironischerweise haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung gefunden, daß die Parameter, die von früheren Forschern als kritisch angesehen wurden (d. h. die Durchflußraten sowohl des Vorprodukt-Beschichtungsgases (wie SiH&sub4;) als auch des Energie übertragenden Gases (wie He), der Grunddruck in der Kammer und der Abstand des Substrats von dem Aktivierungsbereich (dem Bereich, in dem das Energie übertragende Gas aktiviert wird), falsch gewählt wurden, so daß sie das schnelle Aufbringen von Dünnschichtmaterial hoher Güte verhindern. Zwar ist das Vorsehen des Aktivierungsbereichs im Abstand von dem Substrat durchaus wirksam, um eine Rückdiffusion von Vorprodukt-Beschichtungsspezies wie Silan in das Plasma von aktivierter Spezies zu verhindern; aber (1) die Länge dieser "Driftzone", (2) der in der Kammer existierende Grunddruck und (3) die Notwendigkeit, den Aktivierungsbereich strukturell zu umschließen (wie etwa mit Wänden), verursachen eine rasche Abnahme der Dichte von He*- Spezies mit zunehmender Entfernung von dem Plasmabereich. Diese Entfernung kann in solchem Maß vergrößert werden, daß eine unzureichende Zahl von aktivierter Spezies an dem Kollisionsbereich ankommt, um mit 100 % des Vorprodukt-Beschichtungsgases zu kollidieren (dieses Gas zu erschöpfen). Zusatzlich erlauben die Länge der "Driftzone" und die strukturelle Begrenzung des Aktivierungsbereichs eine übergroße Zahl von He*-He*-Kollisionen und He*-Wand-Kollisionen, und diese Kollisionen verringern die Zahl von metastabilem He, das zur Wechselwirkung mit dem Beschichtungs-Vorproduktgas verfügbar ist. Mit abnehmender Zahl von Kollisionen zwischen der aktivierten Spezies des Energie übertragenden Gases und des Varprodukt-Beschichtungsgases nimmt natürlich die Zahl von verfügbaren Beschichtungsspezies entsprechend ab, und die Beschichtungsrate wird verringert.
Es wurde also demonstriert, daß bekannte Fernanregungstechniken erkannten, daß es notwendig war, (1) einen hohen Fluß von aktivierter Spezies eines Energie übertragenden Gases zu erzeugen; (2) eine hohe Zahl von solchen aktivierten Spezies aus dem Aktivierungsbereich in den Kollisionsbereich zu transportieren, indem die Desaktivierung der aktivierten Spezies begrenzt wurde durch Vorgänge wie (a) Interkollisionen von aktivierter Spezies, (b) Kollisionen zwischen aktivierter Spezies und der Wand, und (c) der nahen Anordnung des Kollisionsbereichs relativ zu dem Aktivierungsbereich; (3) die Rückdiffusion des Vorprodukt-Beschichtungsgases aus dem Kollisionsbereich in den Aktivierungsbereich (in dem seine direkte Anregung stattfinden würde) zu verhindern; und (4) Vielfachkollisionen zwischen der Beschichtungsspezies und sämtlichen übrigen Molekülen, Atomen, Elektronen, Partikeln oder anderen Spezies zu verhindern, wodurch nur gewünschte Beschichtungsspezies auf dem Substrat abgeschieden werden. Alle bekannten Fernanregungsverfahren waren jedoch unfähig, diese Ziele zu erreichen. Nur durch Schaffen der Fähigkeit, jedes der vier vorgenannten Ziele unabhängig zu kontrollieren, ist es möglich, Schichten einer gegebenen Zusammensetzung und hoher Güte mit einer optimierten Beschichtungsrate aufzubringen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird angrenzend an die Öffnung in der ersten Leitung, die im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannt ist, ein Drossel- bzw. Blockierzustand erzeugt, um so einen lokalisierten hohen Druck von Energie übertragendem Gasdurchfluß zu schaffen, wodurch eine erhebliche Druckdifferenz zwischen dem Druck nahe der Öffnung in der ersten Leitung und dem Grunddruck in der Kammer unterhalten wird.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind in Unteranspruchen beansprucht.
Bei einer Ausführungsform sieht die Erfindung nicht nur die Erzeugung nur von gewünschten aktivierten Beschichtungsspezies aus einem Vorprodukt-Beschichtungsgas wie Silan vor; sie schafft auch die Fähigkeit, jeden der vier Parameter, die für die Fernaufbringung dieser gewünschten Spezies kritisch sind, unabhängig voneinander zu steuern, um so eine Schicht hoher Güte mit einer großtechnisch bedeutsamen, bisher unerreichbaren Aufbringrate (d. h. einer signifikant höheren als der bekannten Aufbringrate) zu erhalten.
Insbesondere wird ein Verfahren angegeben, das folgendes aufweist: (1) Erzeugen der höchstmöglichen Zahl von aktivierter Spezies durch Anwendung eines intensiven, Mikrowellen-initiierten Glimmentladungsplasmas; (2) Transportieren der aktivierten Spezies zu dem Kollisionsbereich ohne Verluste, die durch Kollisionen entweder mit Wandungen oder aktivierter Spezies bewirkt sind (durch Anwendung einer erheblichen Druckdifferenz und die Beseitigung einer strukturellen Begrenzung des Aktivierungsbereichs); (3) Verhindern der Rückdiffusion des Vorprodukt-Beschichtungsgases aus dem Kollisionsbereich in den Aktivierungsbereich (durch die Anwendung der erheblichen Druckdifferenz und einer transsonischen bzw. schallnahen Geschwindigkeit des Energie übertragenden Gases in der ersten Leitung); und (4) Verhindern von Vielfachkollisionen der aktivierten Beschichtungs/Ätzmittel-Spezies mit sämtlichen anderen Partikeln (durch die Anwendung eines optimierten Grunddrucks, um eine gewünschte mittlere freie Weglänge auszubilden). Es ist zu beachten, daß die Anwendung der vorgenannten schallnahen Geschwindigkeit außerdem der aktivierten Spezies des Energie übertragenden Gases ein Richtungsmoment erteilt, was es dieser aktivierten Spezies erlaubt, die Strecke aus dem Aktivierungsbereich zum Kollisionsbereich innerhalb von 100 us zurückzulegen, d. h. die Lebensdauer der aktivierten ionischen Spezies des Energie übertragenden Gases bei dem Grunddruck von 0,665-1,33 Pa (0,005-0,010 Torr).
Es wird ein Verfahren zum Erzeugen eines hohen Flusses von aktivierter Spezies aus einem Energie übertragenden Gas angegeben. Das Verfahren umfaßt die Schritte: Bereitstellen einer Kammer, Halten des Inneren der Kammer auf subatmosphärischem Grunddruck, Einleiten eines Energie übertragenden Gases in das Innere der Kammer durch wenigstens eine in einer ersten Leitung gebildete Öffnung bei einem Druck, der eine Druckdifferenz zwischen dem Druck des Energie übertragenden Gases in der ersten Leitung und dem Grunddruck erzeugt, die ausreicht, um einen hohen Fluß aktivierter Spezies des Energie übertragenden Gases in einem Aktivierungsbereich zu aktivieren, und funktionsmäßiges Anordnen eines Substrats im Inneren der Kammer und in räumlichem Abstand fern von dem Aktivierungsbereich.
Die Durchflußrate des Energie übertragenden Gases in der ersten Leitung ist so gewählt, daß ein ausreichender Druck von Energie übertragendem Gas nahe der Öffnung vorliegt, um ein Plasma aus dem Energie übertragenden Gas zu initiieren, und zwar nach einer Vorschrift für Leistung-Druck-Öffnungsgröße, die praktisch beim Minimum der Paschen-Kurve liegt Die Größe der Öffnung kann relativ zu der Größe der ersten Leitung so verringert sein, daß angrenzend an die Öffnung eine Drossel bzw. Blockierung gebildet ist, um den hohen Druck des Energie übertragenden Gases zu erhalten. Die Verweilzeit des Energie übertragenden Gases nahe der Öffnung kann verlängert werden, beispielsweise durch ein Magnetfeld, so daß der Druck des Energie übertragenden Gases benachbart der Öffnung ebenfalls erhöht wird. Ein Kühlmechanismus wie ein Wassermantel kann für die erste Leitung vorgesehen sein. Eine Schutzhülle wie eine Graphithülle ist vorgesehen, wodurch die Zersetzung der Oberfläche der ersten Leitung benachbart der Öffnung vermindert wird. Das Energie übertragende Gas ist gewählt aus der Gruppe, die aus Wasserstoff - ohne darauf beschränkt zu sein -, den Edelgasen, CH&sub4;, CF&sub4; und Kombinationen davon besteht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der weitere Schritt des Formens einer hohen Zahl von aktivierter Spezies aus dem Energie übertragenden Gas angegeben, um Material von der Oberfläche des Substrats zu ätzen. Bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsform wird die hohe Dichte von aktivierter Spezies genutzt, um Material auf die Oberfläche des entfernt angeordneten Substrats aufzubringen.
Ein weiterer Schritt kann angewandt werden, wobei ein Vorprodukt-Beschichtungsgas in das Innere der Kammer durch eine zweite Leitung eingeleitet wird, wobei der Einleitungspunkt des Vorprodukt-Beschichtungsgases aus der zweiten Leitung in die Kammer relativ zu dem Aktivierungsbereich im Abstand liegt. Auf diese Weise definieren Kollisionen der hohen Zahl von aktivierter Spezies mit dem Vorprodukt-Beschichtungsgas einen Kollisionsbereich, in dem eine hohe Dichte von aktivierter Beschichtungsspezies des Vorprodukt-Beschichtungsgases erzeugt wird. Das Vorprodukt-Beschichtungsgas ist so gewählt, daß bei Kollision der aktivierten Spezies des Energie übertragenden Gases damit ein oder mehr gewünschte Beschichtungsspezies des Vorprodukt-Beschichtungsgases erzeugt werden.
Die oben beschriebenen und weitere Ziele, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich unter Bezugnahme auf die Zeichnung, die folgende eingehende Beschreibung der Zeichnungen und die Patentansprüche.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Figur 1 ist eine teilweise geschnittene Perspektivansicht, die das Innere der mit Vakuum beaufschlagten Kammer der Erfindung zeigt, wobei in dieser Kammer eine Wolke von aktivierter Spezies eines Energie übertragenden Gases so gerichtet ist, um mit einem Vorprodukt-Beschichtungsgas zu kollidieren zur Erzeugung von aktivierter Beschichtungsspezies und zum Aufbringen dieser Beschichtungsspezies auf die Oberfläche eines entfernt positionierten Substrats.
Figur 2 ist ein teilweise geschnittener vergrößerter seitlicher Querschnitt, der die Position der ersten Leitung zeigt, durch die das Energie übertragende Gas in die Kammer eingeleitet wird, und zwar relativ zu dem Mikrowellenapplikator.
Figur 3 ist eine vergrößerte, teilweise geschnittene Seitenansicht der ersten Leitung und des Mikrowellenapplikators gemäß Fig. 2, wobei die Leitung modifiziert ist, um sich etwa zur Hälfte in das Innere des Applikators zu erstrecken.
Figur 4 ist ein Diagramm von modifizierten Paschen-Kurven für Wolken von aktivierter Spezies mit verschiedenem Volumen, wobei für die Kurven der Druck auf der Abszisse und die Leistung auf der Ordinate aufgetragen ist; diese Paschen- Kurven sind aus einer Arbeit von A.D. MacDonald und S.C. Brown, veröffentlicht in Physical Review, Vol. 75, S. 411 (1949), entnommen.

GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

I. DIE REAKTIONSVORRICHTUNG

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und insbesondere auf Fig. 1 ist dort eine teilweise geschnittene Perspektivansicht einer Reaktionsvorrichtung gezeigt, die allgemein mit 10 bezeichnet ist. Die Vorrichtung 10 von Fig. 1 umfaßt eine im allgemeinen viereckige, hohle, unter Vakuum setzbare Kammer 12. Die Kammer 12 hat eine schwenkbare Vorderseite 14, die als Tür 14 dient, um Substrate in das Innere der Kammer zu bringen bzw. daraus zu entnehmen. Der Innenrand der Tür 14 ist mit ein oder mehr Vakuumdichtringen (nicht gezeigt) und ein oder mehr Verriegelungen, beispielsweise 16 und 18, versehen, wobei die Verriegelungen ausgebildet sind, um die Dichtringe zusammenzudrücken und einen hermetischen Abschluß zwischen Umgebungsbedingungen außerhalb der Kammer und Vakuumbedingungen im Inneren der Kammer zu gewährleisten. Die Vakuumkammer 12 hat ferner eine Abpumpöffnung 20 in der Bodenwand 12c, die an eine Hochleistungs-Vakuumpumpe 22 anschließbar ist, die verwendet wird, um (1) erschöpfte Reaktionsprodukte aus dem hohlen Innenraum abzuziehen und (2) das Innere der Kammer 12 auf einem geeigneten subatmosphärischen Druck zu halten. Wie noch im einzelnen erläutert wird, wird der Grunddruck sorgfältig gewählt, um den im Inneren der Kammer durchgeführten Hochgeschwindigkeits-Beschichtungs- oder -Ätzprozeß einzuleiten und zu unterhalten.
Die Vorrichtung 10 hat ferner mindestens eine erste lange Leitung 24 mit einem Durchmesser d, wobei d bevorzugt zwischen ca. 0,5 und 3,0 cm liegt, die durch eine Seitenwand 12a in das Innere der Vakuumkammer 12 führt. Die erste hohle Leitung 24 weist mindestens einen Bereich, und zwar den distalen Endbereich 24a, auf, in dem eine Öffnung 26 gebildet ist. Die erste Leitung 24 und ihr Öffnungsbereich 24a sind jeweils ausgebildet, um ein Energie übertragendes Gas von einer Quelle (nicht gezeigt) in das Innere der Vakuumkammer 12 zu transportieren bzw. einzuleiten, und zwar bevorzugt zu einem Punkt unmittelbar benachbart einer Einrichtung, die ausgebildet ist, um aktivierte Spezies aus dem Energie übertragenden Gas zu liefern. Bei der bevorzugten Ausführungsform gemaß Fig. 1 hat die Aktivierungsvorrichtung die Form eines Mikrowellenstrahlapplikators 28, der nachstehend noch im einzelnen erläutert wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Leitung 24 ausgebildet, um ein Energie übertragendes Gas einzuleiten, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die im wesentlichen aus Wasserstoff (H&sub2;), Methan (CH&sub4;), den Edelgasen und Kombinationen davon besteht. Alternativ und bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können die vorgenannten Energie übertragenden Gase außerdem ein oder mehr Verdünnungs- oder Dotiergase aufweisen, die - allerdings ohne Beschränkung darauf - O&sub2;, NH&sub3;, N&sub2;, NH&sub4;, CH&sub4;, PH&sub3;, PH&sub5;, BF&sub3;, BF&sub5;, B&sub2;H&sub6;, BH&sub4; und Kombinationen davon umfassen.
Ungeachtet der Zusammensetzung des eingesetzten Energie übertragenden Gases muß die an dem distalen Ende der ersten Leitung 24 gebildete Öffnung 26 fähig sein, eine gewählte Durchflußrate (gemessen als SCCM, d. h. Standard-Kubikzentimeter pro Minute) des Energie übertragenden Gases zu fördern. Die Durchflußrate wird gewählt, um einen ausreichenden Druck des Energie übertragenden Gases nahe der Öffnung 26 vorzusehen, um die Aktivierung des Energie übertragenden Gases gemäß einer Vorschrift für Leistung-Druck-Öffnungsdurchmesser zu initiieren, die im wesentlichen beim Minimum der modifizierten Paschen-Kurve liegt (die Einzelheiten der Paschen-Kurve werden noch unter Bezugnahme auf Fig. 4 erläutert).
Die erste Leitung 24 kann außerdem eine Einrichtung zur Verringerung ihres Durchmessers benachbart der Öffnung 26 aufweisen, wobei diese Verringerungseinrichtung bei einer Ausführungsform einfach die Form einer Uberschichtung 230 hat, wie Fig. 2 zeigt. Durch diese Verkleinerung des Durchflußwegs für das Energie übertragende Gas ist es möglich, in der ersten Leitung 24 nahe der Öffnung 26 einen "Drossel- bzw. Blockierzustand" zu erzielen, um so einen lokalen Hochdruck des Energie übertragenden Gases zu erhalten. Im vorliegenden Zusammenhang betrifft der Ausdruck "Blockierzustand" den Zustand, der auftritt, wenn die Geschwindigkeit des durch die Öffnung 26 in der ersten Leitung 24 strömenden Energie übertragenden Gases schallnahe Geschwindigkeit erreicht. Der Blockierzustand ist im allgemeinen derjenige Zustand, der in einem kompressiblen Gasstrom (oder Fluidstrom) dann eintritt, wenn bei einer Leitung gleichbleibender Größe die Geschwindigkeit des durch diese Leitung gehenden Gases schallnahe Geschwindigkeit erreicht. In diesem Zustand resultiert jeder Anstieg der Durchflußrate des Energie übertragenden Gases in einer Erhöhung des Drucks und nicht der Geschwindigkeit. Es ist außerdem dieser Zustand, der den Blockiermodus definiert, und genau dieser Effekt ermöglicht es, den Druck zum Betrieb bei praktisch dem Minimum der Paschen-Kurve zu erhöhen. Dieser lokalisierte hohe Druck erzeugt eine ausreichende Druckzone für das durch die erste Leitung nahe dem Öffnungsbereich 24a gehende Energie übertragende Gas, so daß ein Plasma initiiert und auf einem Leistungspegel unterhalten werden kann, der unabhängig steuerbar ist. Bei einer alternativen Ausführungsform kann der Druck in dem Öffnungsbereich 24a der ersten Leitung 24 ohne weiteres durch Verwendung eines Magnetventils darin gesteuert werden, wobei das Magnetventil selektiv verengt oder erweitert werden kann, um die Durchflußrate von durchströmendem Energie übertragendem Gas und damit den Druck zu regeln, der benachbart dem Öffnungsbereich 24a herrscht.
Die erste Leitung 24 kann außerdem eine Spule wie etwa 235 in Fig. 2 aufweisen, die um sie gewickelt ist, um ein angelegtes Magnetfeld unmittelbar benachbart dem Öffnungsbereich 24a zu bilden. Das angelegte Magnetfeld kann aktiviert werden, um die Verweilzeit der aktivierten Spezies des Energie Ubertragenden Gases in einer Plasmazone zu verlängern, die unmittelbar benachbart der Öffnung 26 der ersten Leitung 24 erzeugt wird. Wie noch aus der folgenden Beschreibung deutlich wird, dient das von der Spule 235 ausgebildete Magnetfeld dazu, das Plasma von ionisierter Spezies, das von dem Mikrowellenapplikator erzeugt wird, auf die unmittelbare Umgebung des distalen Öffnungsbereichs der ersten Leitung zu begrenzen. Auf diese Weise kann ein veränderliches Magnetfeld dazu genutzt werden, die Dichte von ionisierter Spezies, die für abstromseitige Kollisionen gerichtet werden können, zu steuern.
Die Fig. 2 und 3 zeigen im einzelnen zwei bevorzugte modifizierte Ausführungsformen der ersten Leitung 24, die unter Bezugnahme auf Fig. 1 erörtert wurde. Fig. 2 zeigt dabei eine erste bevorzugte Ausführungsform, bei der die erste Leitung 224 aus einem Material hergestellt ist, das Mikrowellen nicht durchläßt, wie etwa aus rostfreiem Stahl oder einem ähnlichen Mikrowellen reflektierenden Metall. Wie bei der Ausführungsform von Fig. 1 hat die erste Leitung 224 mindestens einen Bereich, und zwar den distalen Endbereich 224a, in dem eine Öffnung 226 gebildet ist. Die nichtdurchlässige erste Leitung 224 hat ferner einen äußeren, konzentrisch angeordneten Kühlmantel 228, der um sie gewickelt und bestimmt ist, die Zirkulation eines Kühlmittels wie etwa Wasser durch ihn zu erleichtern. Auf diese Weise kann der Kühlmantel 228 die erste Leitung 224 auf einer gleichmäßigen, relativ niedrigen Temperatur halten, und zwar ungeachtet der starken Wärme, die von den sehr energiereichen aktivierten Spezies erzeugt wird, die an dem distalen Ende der Leitung beispielsweise durch Mikrowellenenergie oder hochfrequente elektromagnetische Felder erzeugt werden. Außer Wasser kann das Kühlmittel auch gewählt sein aus der Gruppe von Fluiden, die im wesentlichen aus Siliconöl, Freon, Stickstoff, Wasserstoff, Helium und sonstigen Kühlmedien bestehen, die dem Fachmann auf dem Gebiet wohlbekannt sind.
Insbesondere ist der Kühlmantel 228 wegen der Hitze erforderlich, die durch die Intensität des Aktivierungsbereichs erzeugt wird, der angrenzend an die Öffnung 226 am distalen Ende der Leitung ausgelöst und unterhalten wird. Es ist zu beachten, daß das aus der Öffnung 226 der ersten Leitung 224 ausströmende Energie übertragende Gas dem starken elektromagnetischen Feld ausgesetzt ist, das von der durch den Mikrowellenstrahlapplikator 232 durchgelassenen Mikrowellenenergie erzeugt wird. Das starke elektromagnetische Feld dissoziiert das Energie übertragende Gas. Die anschließende chemische Reaktion von dissoziierten Spezies setzt Wärme frei, was in dem Aufbau sehr hoher Temperaturen sowie in der Bildung eines hochreaktiven Plasmas von aktivierten Spezies des Energie übertragenden Gases resultiert. Infolgedessen erreichen der Öffnungsbereich 224a und die erste Leitung 224 Temperaturen, die hinreichen, um das Material zu schmelzen, aus dem die erste Leitung hergestellt ist. Wenn der Kühlmantel 228 nicht vorhanden wäre, würde sich dieses Material infolge der extremen Hochtemperaturbedingungen zersetzen und zu einer Quelle von Verunreinigungen in der Vakuumkammer werden. Diese Verunreinigungen würden letztendlich die Qualität des Plasmaaktivierungsprozesses infolge der Abscheidung von kontaminiertem Material auf dem Substrat verschlechtern.
An dem Öffnungsbereich 224a der esten Leitung 224 von Fig. 2 ist ferner der Schutzüberzug 230 angebracht, der aus einem hochtemperaturfesten, sputterbeständigen, relativ unschädlichen Material besteht. Dieser Schutzüberzug 230 ist dazu bestimmt, das Material, aus dem der Öffnungsbereich 224a der ersten Leitung 224 hergestellt ist, vor Zersetzung als Folge seiner Zerstäubung durch die aktivierte Hochtemperatur-, hochenergiereiche Spezies des Energie übertragenden Gases zu schützen.
Es ist zu beachten, daß, wie noch im einzelnen erläutert wird, die aktivierte Spezies des Energie übertragenden Gases eine allgemein mit 231 bezeichnete Wolke von Druckisobaren benachbart dem Öffnungsbereich der ersten Leitung 224 bildet, wobei diese Wolke 231 einen Aktivierungsbereich von aktivierter Spezies definiert. Wie ebenfalls noch im einzelnen erläutert wird, sind die Grenzen der Wolke von aktivierter Spezies durch die Druckdifferenz bezeichnet, die zwischen dem durch das Innere der ersten Leitung strömenden Gas und dem im Inneren der Kammer herrschenden Grunddruck existiert. Wie ersichtlich ist, würde Material, das von der Oberfläche der ersten Leitung 224 zerstäubt wird, die Güte der aktivierten Spezies in der Wolke 231 verschlechtern; und was noch wichtiger ist, die Güte des anschließend aufgebrachten Dünnschichtmaterials würde entsprechend verschlechtert werden. Daher besteht der Schutzüberzug 230 bevorzugt aus einem Material, das gegenüber einer Hochtemperatur- Sputterumgebung beständig ist; oder alternativ aus einem Material, das relativ unschädlich ist, wenn es in die schließlich aufgebrachte Schicht eingebaut ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird Graphit als das Material verwendet, aus dem der Schutzüberzug 230 hergestellt ist. Graphit ist nicht nur hochbeständig gegenüber hohen Temperaturen und Hochtemperatur-Sputterverfahren, sondern Graphit ist auch, wenn die Vorrichtung 10 zum Aufbringen von Halbleiterlegierungsmaterialien verwendet wird, im wesentlichen elektrisch unschädlich in bezug auf die gewünschten Eigenschaften dieser aufgebrachten Halbleiterschicht.
Wie bereits erwähnt wurde und insbesondere in Fig. 2 gezeigt ist, ist die erste Leitung 224 ausgebildet, um das sie durchströmende Energie übertragende Gas in das hohle Innere der Aktivierungseinrichtung 232 einzuleiten, wobei die Aktivierungseinrichtung der Öffnung 226 unmittelbar benachbart angeordnet ist. Die erste Leitung 224 mit dem konzentrisch um sie gewickelten Kühlmantel 228 ist mit Abstand benachbart einer Öffnung 234 positioniert, die in der Seitenwand 233 der Aktivierungseinrichtung 232 gebildet ist. Der Durchmesser der bevorzugt kreisförmigen Öffnung 234 ist um ca. 0,6-2,5 cm (1/4 bis 1 inch) größer als der Außendurchmesser des Kühlmantels 228, um den Durchtritt des Energie übertragenden Gases direkt in das Innere der Aktivierungseinrichtung 232 zu vereinfachen, während gleichzeitig ein ausreichender isolierender Raum zwischen der Seitenwand 233 der Aktivierungseinrichtung 232 und dem Umfang der ersten Leitung und des Kühlmantels, die konzentrisch angeordnet sind, gebildet ist, um so eine Funkenbildung oder eine sonstige elektrische Kopplung zwischen ihnen zu verhindern.
Wie aus einer Betrachtung der Ausführungsform von Fig. 2 ersichtlich ist, verlaufen die erste Leitung 224 und der Kühl mantel 228 nicht eigentlich in das Innere der Aktivierungseinrichtung 232 (wobei diese Aktivierungseinrichtung, wie oben gesagt, bevorzugt ein Mikrowellenstrahlapplikator ist) Denn wenn die erste Leitung 224 im Inneren des hohlen, rechteckförmigen Applikators positioniert wäre, während gleichzeitig die erste Leitung 224 und der Kühlmantel 228 aus Materialien bestehen würden, die für Mikrowellenenergie nichtdurchlässig sind, würde entweder (1) die Mikrowellenenergie von diesen Materialien absorbiert werden oder (2) eine korrekte Kopplung zwischen der von dem Applikator durchgelassenen Mikrowellenenergie und dem Plasma erheblich verschlechtert werden. Da jedoch die erste Leitung 224 (in Fig. 2) außerhalb, aber angrenzend an die Seitenwand 233 des Mikrowellenstrahlapplikators 232 positioniet ist, (1) beeinträchtigen die nichtdurchlässigen Materialien, aus denen der Applikator hergestellt ist, nicht die Plasmakopplung, und (2) werden die aktivierten Spezies des Energie übertragenden Gases primär außerhalb der Öffnung 226 erzeugt, die in dem distalen Ende der ersten Leitung 224 gebildet ist. Infolge des Schutzüberzugs 230, der auf dem Oberflächenmaterial dieser Leitung angebracht ist, wird ferner ein Abbau dieser Oberfläche verhindert.
Fig. 3 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform der ersten Leitung, die nun allgemein mit 324 bezeichnet ist, wobei der Kühlmantel 328 wiederum konzentrisch um sie herum angeordnet ist. Im Gegensatz zu der Ausführungsform von Fig. 2 zeigt Fig. 3 die erste Leitung 324 und den Kühlmantel 328 als aus einem für Mikrowellen durchlässigen Material wie Quarz. Es ist zu beachten, daß der Kühlmantel 328 bei der Ausführungsform von Fig. 3 eine kritische Rolle spielt, weil die erste Leitung 324, da sie aus Quarz besteht, eine stärker begrenzte Fähigkeit hat, den erhöhten Temperaturen standzuhalten, die dort erzeugt werden.
Die Öffnung 326 der ersten Leitung 324 hat relativ zu dem Durchmesser der ersten Leitung 324 bevorzugt verringerten Durchmesser. So liegt der Durchmesser der Öffnung 326 typischerweise im Bereich von etwa 0,5-1 mm (gegenüber 0,5-3 mm für den Durchmesser der Leitung), während die Länge des von der Öffnung 326 definierten Kanals typischerweise 0,5-2 mm beträgt. Diese Beschränkung des Durchmessers der Öffnung 326 ist notwendig, damit der Druck des durch die erste Leitung 324 geführten Energie übertragenden Gases den Blockiermodus benachbart der Öffnung erreicht, d. h. Pegel erreicht, die genügen, um sicherzustellen, daß das Energie übertragende Gas mit im wesentlichen schallnaher Geschwindigkeit durchströmt, während dieses Gas aus der ersten Leitung austritt. Auf diese Weise kann der Druck an der Öffnung 326 so geregelt werden, daß im wesentlichen beim Minimum der Paschen-Kurve gearbeitet wird.
Der Hochtemperatur-Plasmabereich 336 wird primär im Inneren der Leitung gebildet und bewirkt das chemische Bedampfen von Material darauf. Wie aus einer Betrachtung von Fig. 3 ersichtlich ist, verlaufen bei dieser Ausführungsform die erste Leitung 324 und der Kühlmantel 328 tatsächlich in den hohlen Innenraum des Mikrowellenstrahlapplikators 332. Das erlaubt das Auftreten der Erzeugung der aktivierten Spezies des Energie übertragenden Gases im Inneren dieser ersten Leitung 324. Somit sollten das Kühlmittel, das durch den Kühlmantel 328 zirkuliert, ebenso wie das Material, aus dem die erste Leitung 324 und der Kühlmantel 328 hergestellt sind, bevorzugt im wesentlichen für Mikrowellen durchlässig sein. Alternativ muß die Differenz zwischen den Außendurchmessern des Kühlmantels und der ersten Leitung relativ klein gemacht werden, so daß das Kühlmittel nicht in der Lage ist, einen zu hohen Anteil der Mikrowellenenergie zu absorbieren. Bevorzugte, für Mikrowellen durchlässige Kühlmittel umfassen Siliconöl und Freon.
Der Hochtemperatur-Plasmabereich von aktivierter Spezies 336 wird zwar primär in dem Öffnungsbereich 324a der ersten Leitung 324 gebildet (wobei dieser Plasmabereich im Inneren des Mikrowellenstrahlapplikators 332 liegt), es ist aber zu beachten, daß eine Plasmazunge 336a über die Öffnung 326 hinaus in das Innere des Mikrowellenstrahlapplikators 332 geht und daß Druckisobaren davon in die Kammer verlaufen könnten. Die Größe der Zunge 336a und die Strecke, über die sie in den Applikator und die Kammer verläuft, ist eine Funktion der Durchflußrate von Energie übertragendem Gas und somit des Drucks des Energie übertragenden Gases in der ersten Leitung Es ist wichtig zu beachten, daß die Zunge 336 als eine "Zündflamme" wirkt, die die Wolke der aktivierten Spezies 331 an der Außenseite der ersten Leitung zündet und unterhält. Diese Zündflamme ist erforderlich, weil die Ausführungsform von Fig. 3 eine für Mikrowellen durchlässige (Quarz-)Leitung verwendet und daher auf einem Leistungspegel der Mikrowellenenergie betrieben werden muß, der relativ klein ist, z. B. kleiner als ca. 2 kW. Dieser Leistungspegel schützt zwar die Integrität des Quarzmaterials, genügt aber andererseits nicht, um die Wolke 331 zu zünden. Die Zündflamme dient dazu, eine zusätzliche Ionenquelle zu liefern, so daß die zum Auslösen und Unterhalten eines Plasmas von aktivierter Spezies erforderliche Leistung um bis zu einem Faktor zwei verringert wird.
Da der Öffnungsbereich 324a der ersten Leitung 324 in dem Mikrowellenapplikator 332 angeordnet ist, werden die aktivierten Spezies des Energie übertragenden Gases primär im Inneren der ersten Leitung 324 erzeugt. Insbesondere ist in dem Öffnungsbereich 324a der ersten Leitung 324, der innerhalb des Mikrowellenapplikators 332 liegt, ein Aktivierungsbereich 336 gebildet. Infolge der hochintensiven Energie, die durch die Erzeugung von aktivierten Spezies in dem Aktivierungsbereich 336 vorhanden ist, wird das Material, aus dem die erste Leitung 324 hergestellt ist (insbesondere nahe dem Öffnungsbereich 326), durch das allmähliche Zerstäuben des Innendurchmessers abgebaut. Wenn die erste Leitung aus Quarz besteht, schwächt der zerstäubte Quarz nicht nur die strukturelle Integrität der Leitung 324 und vergrößert nicht nur den Durchmesser der Öffnung 326, sondern dadurch erfolgt auch eine Verschlechterung der Güte des aufgebrachten Dünnschichtmaterials. Es ist daher ersichtlich, daß die Ausführungsform von Fig. 3 nur in solchen Fällen verwendbar ist, in denen der Leistungspegel der angewandten Mikrowellenenergie relativ niedrig, z. B. kleiner als 2 kW, ist.
Wie Fig. 3 zeigt, verlaufen die erste Leitung 324 und der konzentrisch angeordnete Kühlmantel 328 durch eine Öffnung 334, die in der Seitenwand 333 des Mikrowellenstrahlapplikators 332 gebildet ist, so daß das distale Ende der ersten Leitung ungefähr auf halber Strecke durch das hohle Innere des Mikrowellenapplikators 332 angeordnet sein kann. Es ist zu beachten, daß bei dieser Ausführungsform, da die erste Leitung 324 und der Kühlmantel 328 aus dielektrischem Material bestehen, keine Notwendigkeit besteht, einen Zwischenraum zwischen dem Applikator und dem Außendurchmesser des Kühlmantels zu unterhalten (was bei der Ausführungsform von Fig. 2 notwendig war). Durch eine solche funktionsmäßige Anordnung der ersten Leitung 324 relativ zu den im Applikator 332 durchgelassenen Mikrowellen tritt der Aktivierungsbereich effektiv im Inneren der Öffnung 326 auf (obwohl der "Zündflammen" -Effekt noch zur Zündung der Zunge von aktivierten Spezies außerhalb der Öffnung beiträgt).
Unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 1 weist die Vorrichtung ferner den vorgenannten Mikrowellenapplikator 28 auf, der bestimmt ist, elektromagnetische Energie mit 2,45 GHz dem Energie übertragenden Gas zuzuführen, das durch die erste Leitung 24 strömt. Der Applikator 28 ist zwar als Mikrowellenstrahlapplikator gezeigt, er kann aber gewählt sein, um jede Art von Energie abzugeben, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die im wesentlichen aus Mikrowellenenergie, HF- Energie, Niederfrequenz-Wechselstromenergie oder Lichtenergie in Form eines gepulsten Lasers hoher Intensität besteht. Da jedoch, wie bereits gesagt, Mikrowellenenergie am wirksamsten ein Plasma von aktivierter Spezies mit hoher Dichte und großem Volumen liefern kann, ist der Applikator 28 bevorzugt als ein Mikrowellenapplikator ausgebildet, und zwar bevorzugt ein Mikrowellenstrahlapplikator (im Gegensatz zu einem Applikator mit niedriger Phasengeschwindigkeit), der mindestens 1,0 kW Mikrowellenenergie und bevorzugt 5 kW oder mehr Mikrowellenenergie mit einer Frequenz von 2,45 GHz durchläßt.
Wie Fig. 1 deutlich zeigt, ist der Applikator 28 ein langer, im allgemeinen rechteckiger Hohlleiter aus Kupfer, der ausgebildet ist, um Mikrowellenenergie von einem Magnetron (nicht gezeigt) auf das Energie übertragende Gas zu leiten, das in die Kammer aus der ersten Leitung 24 eintritt. Der Wellenleiterapplikator 28 tritt in die Kammer 12 durch ein für Mikrowellen durchlässiges Fenster 29 ein, das mit einer Bodenfläche 12c der Kammer vakuumdicht verbunden ist. Diese Art von vakuumdichtem Fenster 29 ist in US-A-4 931 756 vollständig offenbart, auf die hier Bezug genommen wird. Der Mikrowellenapplikator 28 sitzt auf der oberen inneren Platte 29a des Fensters 29.
Um die Funktion einer Einkopplung der eingeleiteten Mikrowellenenergie in das eingeführte Energie übertragende Gas durchzuführen, verläuft die erste Leitung 24 durch eine in der Seitenfläche 32 des Hohlleiters 28 gebildete Öffnung 30 zur Aufnahme des Energie übertragenden Gases. Daher sind die Struktur und Funktion der Öffnung 30 identisch mit derjenigen, die in den Fig. 2 und 3 gezeigt und beschrieben ist. Die Öffnung 30 ist somit bestimmt, den Durchtritt der ersten Leitung 24 und des darin transportierten Energie übertragenden Gases in einen Aktivierungsbereich 34 zu erleichtern, der benachbart dem Öffnungsbereich 24a der ersten Leitung 24 gebildet ist, so daß die Wolke von aktivierter Spezies aus dem Inneren des Applikators 28 verläuft.
Der Mikrowellenstrahlapplikator 28 weist ferner einen Ausschnitt 36 auf, der in seiner Endfläche 35 gebildet ist, die der Endfläche 32 gegenübersteht, in der die Oeffnung 30 gebildet ist. Der Ausschnitt 36 hat einen größeren Durchmesser als die Öffnung 30 und beträgt bevorzugt mindestens ca. 50,8 mm (2 inches), um die Bewegung von sich ausdehnenden Druckisobaren (231a-c in Fig. 2 und 331a-c in Fig. 3) der Wolke von aktivierten Spezies zu ermöglichen, ohne daß diese aktivierten Spezies zu viel von dem Material des Mikrowellenapplikators zerstören. Es versteht sich daher, daß der Ausschnitt 36 des Applikators dazu bestimmt ist, ein Mittel des gerichteten Entweichens der aktivierten Spezies des Energie übertragenden Gases aus dem Inneren des Applikators 28 zu bilden. Außerdem weist der Mikrowellenapplikator 28 eine Endabschlußplatte 40 auf, um den Austritt von nichtgenutzter Mikrowellenenergie in das Innere der mit Vakuum beaufschlagten Kammer 12 zu verhindern. Es ist zu beachten, daß die maximale Größe des Ausschnitts 36 in der Endfläche 35 des Applikators 28 durch ein Abwägen der folgenden Tatsachen bestimmt wird: (1) je kleiner die Öffnung gemacht wird, umso mehr Material wird davon weggeätzt, aber umso mehr Mikrowellenenergie wird eingegrenzt; und (2) je größer die Öffnung gemacht wird, umso weniger Material wird davon weggeätzt, aber umso mehr Mikrowellenenergie tritt in die Kammer aus. Der Ausschnitt 36 kann ferner eine Mikrowellen absorbierende oder reflektierende Abschirmung oder eine andere Einrichtung aufweisen, die bestimmt ist, das Eindringen der Mikrowellenenergie in die Kammer zu verhindern. Dies ist besonders wichtig, weil die Druckdifferenz zwischen dem Grunddruck und dem Druck des Energie übertragenden Gases in der ersten Leitung verringert wird, um eine Annäherung an den vorgenannten Faktor von mindestens 5 zu erreichen.
Die Beschichtungseinrichtung 10 hat ferner mindestens ein entfernt angeordnetes, im allgemeinen flaches Substrat 50, das funktionsmäßig in der Kammer 12 angeordnet ist und mindestens einen Abstand von dem Aktivierungsbereich 34 hat, der ausreicht, um zu verhindern, daß das darauf abgeschiedene Dünnschichtmaterial den in diesem Bereich vorhandenen Elektronen direkt ausgesetzt ist. Die Vorrichtung 10 kann ferner bevorzugt eine Einrichtung 52 aufweisen, um das Substrat 50 aufzuheizen oder eine elektrische oder magnetische Vorspannung an das Substrat 50 anzulegen. Es versteht sich jedoch, daß die Anwendung von Wärme oder einer Vorspannung nicht notwendig ist, um die hier angegebene Erfindung praktisch anzuwenden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Substrat 50 funktionsmäßig so angeordnet, daß es mit der ersten Leitung 24 im wesentlichen ausgefluchtet ist, so daß ein Fluß der aktivierten Spezies, der in dem Aktivierungsbereich 34 erzeugt wird, zum Aufbringen darauf auf das Substrat gerichtet werden kann.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann die Beschichtungsvorrichtung 10 außerdem mit einer zweiten langen hohlen Leitung 60 versehen sein, an deren distalem Ende 60a mindestens eine Öffnung 62 gebildet ist. Das die Öffnung aufweisende Ende 60a der zweiten Leitung 60 verläuft durch die obere Wand 12b der Kammer 12 und in deren Inneres, so daß die Öffnung 62 nahe dem Substrat 50 mündet. Die zweite Leitung 60 dient dazu, einen Strom eines Vorprodukt-Beschichtungsgases von einer Quelle (nicht gezeigt) in einen Kollisionsbereich 65 zu fördern, der dem Substrat 50 benachbart erzeugt wird. Das Vorprodukt-Beschichtungsgas ist typischerweise aus der Gruppe gewählt, die im wesentlichen aus einem siliziumhaltigen Gas, einem germaniumhaltigen Gas, einem kohlenstoffhaltigen Gas und Kombinationen davon besteht. Spezielle Beispiele von bevorzugten Vorprodukt-Beschichtungsgasen umfassen - ohne daß dies eine Einschränkung bedeutet - SiH&sub4;, SiF&sub4;, Si&sub2;H&sub6;, GeH&sub4;, Ge&sub2;H&sub6;, GeF&sub4;, CH&sub4;, C&sub2;H&sub6; und Kombinationen davon. Alternativ kann das Vorproduktgas ein Vorprodukt-Ätzgas wie NF&sub3;, CF&sub4;, Fluorkohlenstoffe, Chlorkohlenstoffe und Kombinationen davon sein.
Wie bereits erwähnt, wird das Vorprodukt-Beschichtungsgas (oder -Ätzgas) durch die zweite Leitung 60 in den Kollisionsbereich 65 geleitet. Der Kollisionsbereich 65 liegt auf der Bewegungsbahn der aktivierten Spezies des Energie übertragenden Gases, da diese aktivierten Spezies vom Aktivierungsbereich 34 zu dem Substrat 50 gerichtet sind. Auf diese Weise werden aktivierte Spezies aus dem Aktivierungsbereich 34 in Richtung zum Kollisionsbereich 64 gerichtet, in dem diese Spezies mit dem Vorprodukt-Beschichtungsgas kollidieren und in Wechselwirkung treten, um so eine gewünschte aktivierte Beschichtungsspezies zu erzeugen. Es ist zu beachten, daß der Kollisionsbereich 64 in einem Abstand von dem Substrat 50 liegen sollte, der so gewählt ist, daß die in dem Kollisionsbereich 64 erzeugte gewünschte Beschichtungsspezies auf die gesamte Oberfläche des Substrats 50 gleichmäßig aufgebracht wird, ohne daß Vielfachkollisionen entweder mit anderen aktivierten Spezies oder anderen Beschichtungsspezies, die im Kollisionsbereich gebildet werden, stattfinden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sorgt der Grunddruck, auf den die Kammer 12 evakuiert ist, für eine mittlere freie Weglänge von ungefähr 1-15 cm für die radikalischen Beschichtungsspezies. Durch Beabstanden des Substrats um 1-15 cm von dem Kollisionsbereich wird daher seine gesamte Oberfläche mit einer gleichmäßigen dünnen Materialschicht beschichtet. Mit zunehmender Größe des Substrats, auf dem Dünnschichtmaterial abzuscheiden ist, muß der Grunddruck verringert werden, um so die mittlere freie Weglänge entsprechend zu vergrößern. Es ist zu beachten, daß, da die aktivierten Spezies des Energie übertragenden Gases bestimmte ionische Spezies enthalten können, die beim Auftreffen auf das Substrat für die abzuscheidende Dünnschicht nachteilig sind, es möglich ist, das Substrat in bezug auf den Aktivierungsbereich unter einem Winkel anzuordnen, um das Auftreffen der ionischen Spezies auf das Substrat erheblich zu verringern. Ferner ist zu beachten, daß durch diese Anordnung unter einem Winkel die Beschichtungsrate nicht verringert wird, da die mittlere freie Weglänge der aktivierten Beschichtungsspezies unbeeinflußt bleibt.

II. DAS VERFAHREN ZUM ERZEUGEN EINES HOHEN FLUSSES VON AKTIVIERTER SPEZIES

Die oben beschriebene Vorrichtung ist zwar so ausgelegt, daß sie besonders geeignet ist, um die Prinzipien der Erfindung auszuführen, es versteht sich aber, daß andere modifizierte Ausführungsformen dieser Vorrichtung mit den gleichen Vorteilen anwendbar sind und daß es wohl eher die praktisdhe Durchführung des Verfahrens und nicht die spezielle Vorrichtung ist, wodurch der eigentliche Umfang der Erfindung definiert ist. Allerdings ist es erforderlich, auf die oben beschriebene Vorrichtung hin und wieder Bezug zu nehmen, um die praktische Durchführung des funktionellen Konzepts des angegebenen Verfahrens deutlich zu machen.
Wenn man eine Ausführungsform der Erfindung so allgemein wie möglich ausdrückt, so wird ein neues Verfahren angegeben zum Erzeugen eines hohen Flusses und hoher Dichte von aktivierter Spezies aus einem Energie übertragenden Gas in einem Aktivierungsbereich, der im Inneren der evakuierten Kammer liegt. Der hohe Fluß von aktivierter Spezies des Energie übertragenden Gases kann dann so gerichtet werden, daß er mit einem Vorprodukt-Beschichtung- bzw. -Ätzgas in einem Kollisionsbereich in lebhafte Wechselwirkung tritt, um so eine hohe Dichte nur von gewünschten aktivierten Beschichtungs/Ätz-Spezies zu ergeben, wobei diese aktivierten Spezies mit der freiliegenden Oberfläche eines Substrats reagieren, das relativ zu dem Aktivierungsbereich in einem Abstand positioniert ist. Alternativ kann der hohe Fluß von aktivierter Spezies des Energie übertragenden Gases genutzt werden, um an der Oberfläche des entfernt angeordneten Substrats direkt zu reagieren. In beiden Fällen ist das neue Konzept der Erfindung die Fähigkeit, diesen hohen Fluß von aktivierter Spezies zu erzeugen, wobei diese aktivierten Spezies bestimmt sind, sich zu einer entfernten Stelle zu bewegen, ohne ihre Energie zu verlieren.
Bevor die Einzelheiten der kritischen Parameter angegeben werden, die mit der Fähigkeit zur praktischen Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung zu tun haben, ist die Hauptfrage, die zu beantworten ist, wie sich das als "neu" bezeichnete Fernanregungsverfahren der Erfindung von den Fernanregungsarbeiten unterscheidet, die bisher von anderen Forschern auf diesem Gebiet angewandt wurden. Die Antwort, die auf den folgenden Seiten weiter diskutiert wird, ist, daß die Erfinder der vorliegenden Erfindung eine erhebliche Druckdifferenz zwischen dem durch die erste Leitung strömenden Energie übertragenden Gas und dem Grunddruck, der in der evakuierten Kammer existiert, anwenden. Diese Druckdifferenz unterscheidet die hier beschriebene Arbeit von der Arbeit von Dr. Lucovsky und Dr. Shimizu sowie der Arbeit aller sonstigen veröffentlichten Forscher, die den Erfindern bekannt sind. Leider ist es wegen der gesamten Beschichtungs/ Ätz-Parameter, die zu berücksichtigen sind, unmöglich, die Druckdifferenz, die existieren muß, um den beschriebenen hohen Fluß von aktivierter Spezies zu erzeugen, mit einem Zahlenwert zu bezeichnen; aber es gibt zwei einfache Möglichkeiten der Differenzierung gegenüber anderen bestehenden Fernanregungsprozessen.
Bei dem hier beschriebenen Anregungsprozeß und aufgrund der bestehenden Druckdifferenz ist das von der Wolke von aktivierter Spezies eingenommene Volumen ohne strukturelle Begrenzung nicht auf das Volumen beschränkt, über das die elektromagnetische Energie in der Kammer wirksam ist. In deutlichem Gegensatz dazu ist bei allen anderen Fern- oder Direktanregungsprozessen, weil der Plasmabereich und der Aufbringbereich auf im wesentlichen identischen Drücken gehalten werden, das von dem Plasma von aktivierter Spezies des Energie übertragenden Gases eingenommene Volumen durch strukturelle Wandungen so begrenzt, daß es im wesentlichen umfangsgleich mit dem Raumvolumen ist, das von der elektromagnetischen Energie eingenommen wird. Natürlich versteht es sich, daß dieser Unterschied hinsichtlich des Plasmavolumens gegenüber dem Volumen des elektromagnetischen Felds auch druckabhängig ist, insoweit der Strom des Energie übertragenden Gases ausreichend groß ist, um durch die Länge, über die das Feld wirksam ist, nicht erschöpft zu werden. Die zweite Art und Weise, auf die sich die Erfindung von dem Stand der Technik unterscheidet, ist die Unterhaltung eines Blockierzustands in der ersten Leitung, durch die das Energie übertragende Gas strömt und in die Kammer eingeleitet wird. Dieser Blockierzustand bestimmt, daß die Geschwindigkeit des Energie übertragenden Gases schallnah ist, wodurch seinen aktivierten Spezies ein Richtungsmoment erteilt wird.
Im Betrieb wird das Verfahren der Erfindung in einer Unterdruckkammer des Typs ausgeführt, wie er allgemein unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben ist. Die Unterdruckkammer wird zuerst auf den Grunddruck evakuiert, der in Verbindung mit der im wesentlichen schallnahen Durchflußrate des Energie übertragenden Gases im Inneren der ersten Leitung die anschließende Auslösung und Unterhaltung eines Plasmas von aktivierten Spezies des Energie übertragenden Gases ermöglicht, wobei dieses Plasma sorgfältig so eingestellt wird, daß es im wesentlichen bei dem Minimum der Paschen- Kurve auftritt. Es wird daher kritisch, eine Pumpe zu wählen, die ausreichend leistungsstark ist, um die Kammer ungeachtet der hohen Durchflußrate des Energie übertragenden Gases, das ständig eingeleitet wird, auf den niedrigen Grunddruck zu evakuieren. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann die Pumpe die Kammer auf einen Grunddruck von weniger als ca. 6,65 kPa (50 Torr) und bevorzugt im Bereich von ca. 13 mPa (0,01 mTorr) bis 1,33 Pa (10 mTorr) evakuieren und dort halten, obwohl der Grunddruck nicht auf einen gegebenen Wert beschränkt zu sein braucht.
Es ist daher nun ersichtlich, daß jeder Parameter (der die Erzielung eines hohen Flusses von aktivierter Spezies und das anschließende Anregen oder Aktivieren Praktisch des gesamten ferneingeleiteten Vorprodukt-Beschichtungs/-Ätzgases durch eine große Zahl dieser aktivierten Spezies betrifft) unabhängig steuerbar ist. Erstens kann die Leistung des Mikrowellenapplikators so geregelt werden, daß der hohe Fluß von aktivierter Spezies erzeugt wird. Da keine strukturelle Eingrenzung besteht und die Durchflußrate des Energie übertragenden Gases schallnah ist, werden zweitens Verluste von aktivierten Spezies infolge von Kollisionen aktivierter Spezies an Wandungen vor dem Erreichen des Kollisionsbereichs praktisch ausgeschlossen, und die aktivierten Spezies werden zu dem Kollisionsbereich innerhalb der Lebensdauer ihrer ionisierten Spezies transportiert. Wegen der erheblichen Druckdifferenz wird drittens die Rückdiffusion des Vorprodukt-Beschichtungs/-Ätzgases eliminiert. Viertens sorgt der niedrige Grunddruck für eine lange mittlere freie Weglänge, die Multikollisionen zwischen den angeregeten Beschichtungs/ Ätzspezies und allen anderen Partikeln vor dem Aufbringen dieser Spezies auf das Substrat verhindert.
Wie speziell beschrieben wurde, wird in das Innere der Vakuumkammer unter anderem das Energie übertragende Gas eingeleitet, wobei dieses Einleiten durch eine erste Leitung erfolgt, die bevorzugt mindestens eine Öffnung hat, die an ihrem distalen Ende gebildet ist. Die Öffnung ist typischerweise so dimensioniert, daß ihr Durchmesser zwischen ca. 0,25 und 3,0 cm liegt, und kann mit einer magnetventilbetätigten Öffnungsverkleinerungsstruktur und/oder einem Schutzüberzug versehen sein, wobei diese beiden Elemente vorstehend bereits vollständig beschrieben wurden.
Das Energie übertragende Gas ist typischerweise gewählt aus der Gruppe, die aus den Edelgasen, Wasserstoff, Methan, Ätzgasen und Kombinationen davon besteht. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Energie übertragende Gas Helium, das bei entsprechender Anregung langlebige aktivierte Spezies ergibt. Außerdem kann das Energie übertragende Gas eine Reihe von Verdünnungs- oder Dotiergasen aufweisen, die - ohne daß dies eine Einschränkung darstellt - O&sub2;, NH&sub3;, N&sub2;, NH&sub4;, H&sub2;, CH&sub4;, PH&sub3;, PH&sub5;, BF&sub3;, BF&sub5;, B&sub2;H&sub6;, BH&sub4; und Kombinationen davon umfassen. Die Funktion des Verdünnungs- oder Dotiergases ist es, eine Quelle eines Elements vorzusehen, das in die aufgebrachte Dünnschicht einzubauen ist. Wenn beispielsweise eine Dünnschicht von Silizium:Germanium- Legierungsmaterial auf das entfernt angeordnete Substrat aufgebracht wird, kann die Schicht geringfügig p-leitfähig gemacht werden durch die Zugabe kleiner Mengen eines p- Dotierstoffs wie etwa BF&sub3; in den Strom des Energie übertragenden Gases. Alternativ ist es beim Aufbringen einer Schicht von isolierendem SiOx-Material erforderlich, geringe Mengen Sauerstoff in den Strom des Energie übertragenden Gases einzuführen. Ungeachtet der Zusammensetzung ist es wichtig, daß das Energie übertragende Gas durch die erste Leitung bis zu einem Punkt unmittelbar benachbart der Aktivierungseinrichtung gefördert wird, also etwa direkt in das Innere des vorher erläuterten Mikrowellenstrahlapplikators.
Die Aktivierungsenergie kann zwar gewählt sein aus der Gruppe, die Wechseistromenergie, HF-Energie, Mikrowellenenergie, lichtelektrische Aktivierungsenergie und Kombinationen davon umfaßt, aber bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Aktivierungsenergie Mikrowellenenergie, und die Aktivierungseinrichtung ist ein Mikrowellenstrahlapplikator wie etwa der vorgenannte Mikrowellenstrahl-Hohlleiter, der in das Innere der Vakuumkammer verläuft. Der Mikrowellenstrahlapplikator ist dazu bestimmt, ca. 1-10 kW Mikrowellenenergie mit einer Frequenz von 2,45 GHz zu liefern. Das Energie übertragende Gas wird aus der Öffnung in der ersten Leitung durch ein Loch in der Seitenwand des Mikrowellenapplikators in einen Aktivierungsbereich gefördert, der mindestens teilweise in dem hohlen Inneren des Applikators liegt. Der Aktivierungsbereich ist deutlich als derjenige Bereich definiert, in dem eine Wolke der aktivierten Spezies des Energie übertragenden Gases gebildet wird. Die hohe Durchflußrate des Energie übertragenden Gases, das aus der ersten Leitung austritt, relativ zu dem Grunddruck in der Kammer definiert außerdem eine Serie von konzentrischen Druckisobaren, die die Funktion haben, das von der Wolke der aktivierten Spezies dieses Energie übertragenden Gases eingenommene Volumen zu begrenzen.
Das Energie übertragende Gas wird bevorzugt von der ersten Leitung mit einer Durchflußrate von mindestens ca. 100 SCCM und stärker bevorzugt ungefähr 100-2000 SCCM gefördert. Auf diese Weise ist es möglich, eine bevorzugte Druckdifferenz von mindestens etwa einem Faktor 5 zwischen dem Grunddruck, der in dem Inneren der Kammer herrscht (weniger als ca. 6,65 kPa (50 Torr) und bevorzugt 13,3-133 mPa (0,1-10 mTorr), und dem Druck der Energie nahe der Öffnung der ersten Leitung (der bis zu 1,33-4 kPa (10-30 Torr) sein kann) zu unterhalten. Es ist ersichtlich, daß der Druck innerhalb jeder gegebenen Isobaren mit der Entfernung von der Öffnung in der ersten Leitung abnimmt. Daher ergibt bei jeder gegebenen Leistung die Neigung der Paschen-Kurve eine Druck-bestimmte Grenze des Aktivierungsbereichs.
Wie aus einer Betrachtung von Fig. 4 ersichtlich ist, bestimmt außerdem der Druck der aktivierten Spezies des Energie übertragenden Gases in einer Wolke eines gegebenen Volumens den Leistungspegel, der anzulegen ist, um daraus ein Plasma zu bilden. In dieser Hinsicht zeigt Fig. 4 eine Serie von einzelnen Paschen-Kurven (mit 1-4 bezeichnet) zum Auslösen und Unterhalten eines Plasmas, das jeweils verschiedene Volumen einnimmt. Auf der Abszisse des Diagramms von Fig. 4 ist der Druck der aktivierten Spezies des Energie übertragenden Gases in einer gegebenen Isobaren in kPa aufgetragen, und auf der Ordinate ist das angelegte Feld in V/cm aufgetragen. Jede Paschen-Kurve ist für eine Wolke eines gegebenen Volumens spezifisch. Beispielsweise beschreibt Kurve 1 die Druck/Leistungs-Vorschrift für eine im allgemeinen kugelförmige Wolke, deren Volumen berechnet werden kann, wenn der Durchmesser (L) gleich 2,54 cm gegeben ist. Es ist nicht nur wichtig, mit dem kleinsten Wirkungsgrad zu arbeiten, sondern der Betrieb bei dem Minimum der Paschen-Kurve ermöglicht geringfügige Änderungen des Drucks, ohne daß eine Abweichung von der Kurve erfolgt und das Plasma gelöscht wird.
Um beispielsweise praktisch bei dem Minimum der Paschen- Kurve 1 zu arbeiten (wobei es sich um die wirkungsvollsten Betriebsbedingungen handelt), sind ein Druck von ca. 1,33 kPa (10 Torr) und ein Leistungspegel von ca. 40 V/cm erforderlich. Es ist zu beachten, daß bei der Wahl der richtigen Druck-Leistungs-Bedingungen, in denen gearbeitet werden soll, die Wolke mit dem richtigen Volumen und/oder die richtige Öffnungsgröße aus dem diskreten Kontinuum von Paschen-Kurven gewählt werden muß. Bei der Wahl dieses Volumens besteht, wie am besten aus Fig. 2 ersichtlich ist, die Wolke von aktivierter Spezies 231 aus einer Vielzahl von im wesentlichen konzentrischen, im wesentlichen sphärischen Druckisobaren wie etwa 231a-231c. Es ist zu beachten, daß der Druck des Energie übertragenden Gases, das in die Kammer eingeleitet wird, über eine gegebene radiale Entfernung vom Einleitungspunkt an der Mündung der Öffnung 226 mit dem Grunddruck im wesentlichen gleich gemacht wird. Beispielsweise kann die innere sphärische Isobare einen Druckabfall von 1,33 kPa (10 Torr) darstellen, die zwischen dieser sphärischen Isobaren und der äußeren ringförmigen Isobaren 231c definierte ringförmige Isobare kann ebenfalls einen weiteren Druckabfall von 1,33 kPa (10 Torr) darstellen, usw., bis die Druckdifferenz ausgeglichen ist. Wenn die Druckdifferenz ausreichend gering wird, ist die Begrenzung der Wolke natürlich definiert, und die Dichte von aktivierter Spezies geht in die Grunddichte von aktivierter Spezies über.
Nach dem Evakuieren der Kammer wird durch Anlegen des elektromagnetischen Felds von Mikrowellenenergie durch den Mikrowellenstrahlapplikator und durch das Einleiten eines ausreichenden Stroms des Energie übertragenden Gases (in Verbindung mit dem Grunddruck in der Kammer und der Leistung des elektromagnetischen Felds) ein Plasma von aktivierter Spezies aus der hohen Dichte des Energie übertragenden Gases innerhalb des Aktivierungsbereichs gezündet; aktivierte Spezies des Energie übertragenden Gases breiten sich zu dem Kollisionsbereich 65 gemäß Fig. 1 aus. Die aktivierten Spezies des Energie übertragenden Gases werden dabei in Richtung des Kollisionsbereichs aufgrund der hohen Durchflußrate des aus der ersten Leitung austretenden Energie übertragenden Gases getrieben. Die Geschwindigkeit, die die Durchflußrate dem Energie übertragenden Gas erteilt, ist zumindestens anfangs schallnahe und muß in jedem Fall mindestens die gleiche Größenordnung wie die thermische Geschwindigkeit der aktivierten Spezies haben. Wenn also das dem Energie übertragenden Gas erteilte Richtungsmoment nicht im wesentlichen gleich oder größer als die thermische Geschwindigkeit ist, geht das Richtungsmoment in dem niedrigen Grunddruck, der in der Kammer herrscht, verloren.
Es sei daran erinnert, daß die Lage des Kollisionsbereichs durch eine zweite Leitung definiert ist, die mindestens eine Öffnung an ihrem distalen Ende hat, wobei dieses distale Ende der Leitung in das Innere der Vakuumkammer verläuft und sehr nahe dem Substrat mündet. Die Funktion der zweiten Leitung ist die Zuführung des Vorprodukt-Beschichtungs/ Ätzgases in den Kollisionsbereich, so daß die aktivierte Spezies des Energie übertragenden Gases mit dem Vorproduktgas in Wechselwirkung treten kann, um eine aktivierte Beschichtungs/Ätzmittel-Spezies zu ergeben. Bevorzugte Vorprodukt-Beschichtungsgase, die dem Kollisionsbereich zugeführt werden, umfassen - jedoch ohne Beschränkung darauf - siliziumhaltige Gase, germaniumhaltige Gase, kohlenstoffhaltige Gase und Kombinationen davon. Bevorzugte Ätzgase umfassen NF&sub3;, CF&sub4;, Fluorkohlenstoffe, Chlorkohlenstoffe und Kombinationen davon. Das Vorprodukt-Beschichtungs/Ätzgas wird dem Kollisionsbereich typischerweise mit einer Durchflußrate von mindestsns ca. 10 SCCM und bevorzugt zwischen ca. 10 und 200 SCCM zugeführt, wobei eine bevorzugte Durchflußrate zwischen ca. 25 und 100 SCCM liegt und eine am meisten bevorzugte Durchflußrate ca. 40 SCCM ist.
In dem Kollisionsbereich treten aktivierte Spezies des Energie übertragenden Gases (d. h. Helium) mit den Vorprodukt- Beschichtungsspezies (d. h. Silan) wie folgt in Wechselwirkung:
He* + SiH&sub4; T SiH*&sub3; + H + He
Das resultierende SiH&sub3;* und H wandern dann aus dem Kollisionsbereich heraus und werden auf die freiliegende Oberfläche des Substrats aufgebracht, wobei das Substrat in einem Abstand von dem Kollisionsbereich liegt, der innerhalb der mittleren freien Weglänge der aktivierten Beschichtungsspezies liegt. Die mittlere freie Weglänge der aktivierten Beschichtungsspezies ist die Strecke, über die die aktivierten Beschichtungsspezies (oder Ätzspezies) wandern können, ohne mit irgendwelchen anderen bestimmten Beschichtungen zu kollidieren, und die Beschichtungsrate ist derart bemessen, dar jeder der anderen Parameter, der beim Initiieren einer Wolke eines vorgegebenen Volumens aktivierter Spezies des Energie übertragenden Gases kritisch ist, entsprechend bestimmt wird.
Wie vorstehend erörtert wurde, gilt als Faustregel, daß die Durchflußrate des Energie übertragenden Gases durch die erste Leitung ausreichend sein muß, um eine Druckdifferenz von wenigstens etwa einem Faktor fünf zwischen dem Energie übertragenden Gas und dem Grunddruck der Vakuumkammer zu erzeugen, um eine gleichmäßige Ablagerung von aktivierten Beschichtungsspezies auf einem Substrat mit einer Oberfläche von ca. 100 cm² zu erhalten. Wenn man also die erforderliche mittlere freie Weglänge kennt, kann der Grunddruck gewählt werden, und dieser Grunddruck bestimmt den möglichen Bereich von Durchflußraten, mit denen das Energie übertragende Gas in die Kammer einzuleiten ist, um eine signifikante Druckdifferenz zwischen dem Grunddruck und dem Durchfluß in der ersten Leitung zu unterhalten. Dies bestimmt auch die Öffnungsgröße, die den schallnahen Durchfluß bei dieser Durchflußrate des Energie übertragenden Gases ermöglicht.
Wenn man den anwendbaren Bereich von Durchflußraten des Energie übertragenden Gases für einen gegebenen Grunddruck hernimmt, wird es möglich, zu der Paschen-Kurve von Fig. 4 zurückzukehren, um eine optimierte Leistungs/Druck-Vorschrift zu bestimmen, bei der für ein gegebenes Volumen von aktivierter Spezies gearbeitet werden soll. Bei einer gegebenen Vorschrift für Leistung/Druck/Öffnungsgröße ist es möglich, den ungefähren Prozentsatz des Energie übertragenden Gases zu bestimmen, der angeregt wurde, um die aktivierte Spezies zu bilden (der typische Bereich ist 1-5 % beispielsweise von He, das zu der He* aktivierten Spezies angeregt wird). Wenn man diesen Prozentsatz kennt, kann die Durchflußrate des Vorprodukt-Beschichtungs/Ätzgases in den Kollisionsbereich eingestellt werden, wodurch das Verhältnis von He*-Vorproduktgasmolekülen maximiert wird, um die Gefahr von Multikollisionen zwischen den angeregten Beschichtungsspezies und dem Vorprodukt-Beschichtungs/Ätzgas zu vermeiden.
Um die Bedeutung der vorliegenden Erfindung in die richtige Perspektive zu rücken, haben die Erfinder unter Anwendung der hier angegebenen Prinzipien (1) amorphes Siliziumlegierungsmaterial hoher Güte mit Raten von bis zu 45 nm/s aufgebracht (um zwei Größenordnungen höher als Hochfrequenz- PECVD-Prozesse und um einen Faktor fünf höher als Mikrowellen-PECVD-Prozesse); (2) sie haben Siliziumlegierungsmaterial aufgebracht, das eine Fotoleitfähigkeit von 4-5 Größenordnungen zeigte; und sie haben Siliziumlegierungsmaterial aufgebracht, das durch eine Dichte von Defektzuständen von ca. 10¹&sup6; Defekte/cm&supmin;³/eV charakterisiert war Die Erfinder glauben, daß die Güte des Materials weiter verbessert wird, wenn Verbesserungen implementiert werden, die etwa darauf gerichtet sind, die Menge von zerstäubtem Wellenleiter- oder Graphitmaterial zu verringern. Beispielsweise ist der Ausschnitt des Mikrowellenapplikators inzwischen vernickelt worden, um die Anwesenheit von Kupfer in der aufgebrachten Schicht zu verringern. Daraus sollte eine verbesserte Schichtgüte resultieren.
Vor der Beendigung dieser Erläuterungen sollte erneut gesagt werden, daß die "kritische" Druckdifferenz, die unterhalten werden muß, sowie die "kritische" Aufbringrate, die durch die Anwendung des beschriebenen Verfahrens ermöglicht wird, relativ willkürlich gewählt wurden. Da die Druckdifferenz von Parametern wie Grunddruck, Größe des Substrats, Größe der Öffnung in der ersten Leitung, zugeführte Energiemenge, eingesetzte Gase usw. abhängig ist, kann kein allgemeingültiger Wert berechnet werden. Der Wert "ein Faktor von etwa fünf" wurde gewählt und in den Patentansprüchen verwendet, weil er ausreichend hoch ist, um eine im wesentlichen allgemeingültige Wahrheit wiederzugeben. Die Erfinder betonen jedoch, daß ihre Erfindung nur durch die hier erläuterten weitgefaßten Prinzipien und nicht durch solche speziellen Zahlenwerte begrenzt ist.
Es ist ersichtlich, daß die vorstehende Beschreibung und Erläuterung nur die Prinzipien der vorliegenden Erfindung verdeutlichen sollen und nicht als eine Einschränkung ihrer praktischen Anwendung gedacht sind. Die folgenden Patentansprüche einschließlich sämtlicher Äquivalente sollen den eigentlichen Umfang der vorliegenden Erfindung definieren.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen von Dünnschichten hoher Güte mit einer relativ hohen Beschichtungsrate, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

Bereitstellen einer Kammer (12);

Halten des Inneren der Kammer (12) auf einem subatmosphärischen Grunddruck;

Einleiten eines Energie übertragenden Gases (A) in das Innere der Kammer (12) durch mindestens eine Öffnung (26; 226; 326), die in einer ersten Leitung (24; 224; 324) gebildet ist;

Aktivieren des Energie übertragenden Gases (A) in einem Aktivierungsbereich (36), um eine hochdichte Wolke (34; 231; 331) von aktivierten Spezies aus dem Energie übertragenden Gas (A) zu bilden;

Einleiten eines Vorprodukt-Beschichtungsgases in das Innere der Kammer (12) durch eine zweite Leitung (60); wobei die Einleitungsstelle (62) des Vorprodukt-Beschichtungsgases aus der zweiten Leitung (60) in die Kammer (12) relativ zu dem Aktivierungsbereich im Abstand angeordnet ist, so daß Kollisionen der hohen Dichte aktivierter Spezies mit dem Vorprodukt-Beschichtungsgas einen Kollisionsbereich (65) definieren, in dem eine hohe Dichte von angeregten Beschichtungsspezies des Vorprodukt-Beschichtungsgases erzeugt wird;

funktionsmäßiges Anordnen von Substrateinrichtungen (50) im Inneren der Kammer, so daß die Substrateinrichtungen (50) von dem Aktivierungsbereich (36) in einem Abstand positioniert sind, der ausreicht, um Beschädigung durch Elektronen im wesentlichen zu verhindern;

dadurch gekennzeichnet, daß benachbart der Öffnung (26; 226; 326) in der ersten Leitung (24; 224; 324) ein Blockierzustand erzeugt wird, um so einen lokalisierten hohen Druck von durchströmendem Energie übertragendem Gas (A) zu erhalten, wodurch eine erhebliche Druckdifferenz zwischen dem Druck nahe der Öffnung (26; 226; 326) in der esten Leitung (24; 224; 324) und dem Grunddruck in der Kammer (12) unterhalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Durchflußrate von Energie übertragendem Gas (A) in der ersten Leitung (24; 224; 324) gewählt wird, um einen ausreichenden Druck des Energie übertragenden Gases (A) benachbart der Öffnung (26; 226; 326) zu erhalten, um ein Plasma aus dem Energie übertragenden Gas (A) nach einer Vorschrift von Leistung/Druck/ Öffnungsgröße auszulösen, die sich auf im wesentlichen Minimum der Paschen-Kurve (1, 2, 3, 4) befindet.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verweildauer von Elektronen benachbart der Öffnung (26; 226; 326) verlängert wird, so daß die Dichte der aktivierten Spezies benachbart der Öffnung (26; 226; 326) ebenfalls erhöht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei ein Magnetfeld vorgesehen wird, um die Verweildauer der Elektronen benachbart der Öffnung (26; 226; 326) zu verlängern.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Leitung (24; 224; 324) gekühlt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Energie übertragende Gas (A) ausgewählt wird aus der Gruppe, die im wesentlichen aus Wasserstoff, den Edelgasen, CH&sub4; und Kombinationen davon besteht.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Vorprodukt-Beschichtungsgas ausgewählt wird aus der Gruppe, die im wesentlichen aus einem siliziumhaltigen Gas, einem kohlenstoffhaltigen Gas, einem germaniumhaltigen Gas und Kombinationen davon besteht.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grunddruck in der Kammer (12) um wenigstens einen Faktor fünf niedriger als der Druck benachbart der Öffnung (26; 226; 326) in der ersten Leitung (24; 224; 226) gehalten wird, so daß eine Wolke von Druckisobaren (231a; 231b; 231c; 331a; 331b; 331c) von den aktivierten Spezies des Energie übertragenden Gases (A) gebildet wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Volumen der Wolke von aktivierten Spezies gesteuert wird durch Einstellen der Druckdifferenz zwischen dem Grunddruck und dem Druck benachbart der Öffnung (26; 226; 326) in der ersten Leitung (24; 224; 324).

10. Verfahren nach Anspruch 2, wobei Druckisobaren von etwa dem halben Druck unterhalten werden, bei dem das im wesentlichen Minimum der Paschen-Kurve für ein bestimmtes Energie übertragendes Gas (A) benachbart dem Öffnungsbereich der ersten Leitung (24; 224; 324) auftritt.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei den aktivierten Spezies eine Geschwindigkeit erteilt wird, die anfangs im wesentlichen schallnah ist.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grunddruck im Bereich von zwischen 0,013 Pa (0,01 mT) und 1,33 Pa (10 mT) gehalten wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Druck der Energie nahe der Öffnung (26; 226; 326) der ersten Leitung (24; 224; 324) zwischen 1,33 kPa (10 T) und 4 kPa (30 T) gehalten wird.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Öffnung (26; 226; 326) der ersten Leitung (24; 224; 324) dimensioniert ist, um einen Durchmesser zwischen 0,25 und 3 cm zu haben.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Mikrowellenenergie mit einer Frequenz von 2,45 GHz zum Erzeugen des Plasmas eingesetzt wird.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Leistungspegel auf mindestens 40 V/cm gehalten wird.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Vorproduktgas dem Kollisionsbereich mit einer Durchflußrate von zwischen 10 und 200 SCCM zugeführt wird.

18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Energie übertragende Gas (A) von der ersten Leitung (24; 224; 324) mit einer Durchflußrate zwischen 100 und 2000 SCCM zugeführt wird.