EP2351064A1 - Method and device for plasma treatment of a flat substrate - Google Patents

Abstract

Method and device for the plasma treatment of a substrate in a plasma device, wherein - the substrate (110) is arranged between an electrode (112) and a counter-electrode (108) having a distance d between a surface area of the substrate to be treated and the electrode, - a capacitively coupled plasma discharge is excited, forming a DC self-bias between the electrode (112) and the counter-electrode (108), - in an area of the plasma discharge between the surface area to be treated and the electrode having a quasineutral plasma bulk (114), a quantity of at least one activatable gas species, to which a surface area of the substrate to be treated is subjected, is present - it is provided that a plasma discharge is excited, - wherein the distance d has a value comparable to s = se+sg, where se denotes a thickness of a plasma boundary layer (119) in front of the electrode, and sg denotes a thickness of a plasma boundary layer (118) in front of the substrate surface to be treated or – wherein the quasineutral plasma bulk (114) between the surface area to be treated and the electrode has a linear extension dp, where dp < 1/3d, dp < max(se+sg) or dp < 0.5s.

Description

Beschreibung description

Verfahren und Vorrichtung zur Plasmabehandlung eines flachen SubstratsMethod and apparatus for plasma treatment of a flat substrate

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Plasmabehandlung eines Substrats jeweils nach den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.The invention relates to a method and a device for plasma treatment of a substrate in each case according to the preambles of the independent claims.

Vorrichtungen zur Plasmabehandlung flacher Substrate sind bekannt. So beschreibt beispielsweise die EP 312 447 B1 eine Vorrichtung zur Plasma-Ablagerung (PECVD) dünner Schichten auf flächenhaften Substraten für elektronische oder optoelektronische Anwendungen.Devices for the plasma treatment of flat substrates are known. For example, EP 312 447 B1 describes a device for plasma deposition (PECVD) of thin layers on planar substrates for electronic or optoelectronic applications.

In der unveröffentlichten DE 10 2007 022 252.3 ist ein System zur Plasma-Beschichtung großflächiger flacher Substrate beschrieben, wobei die Substratfläche in der Größenordnung von 1 m² und mehr liegen können. Das Plasma wird zwischen einer Elektrode und einer Gegenelektrode erzeugt, zwischen die das zu behandelnde Substrat eingebracht ist. Das System beinhaltet eine Vorrichtung zum Variieren des relativen Abstandes zwischen den Elektroden, wobei ein erster relativ großer Abstand bei einer Be- oder Entladung der Prozesskammer mit dem Substrat und eine zweiter relativ geringer Abstand bei Durchführung der Behandlung des Substrats vorgesehen ist. Über eine in die Elektrode integrierte Gasdusche wird ein schichtbildendes Reaktionsgas bzw. Reaktionsgasgemisch zugeführt. Die Gasdusche umfasst eine Gasduschenaustrittsplatte mit einer Vielzahl von Austrittsöffnungen, mit deren Hilfe das Reaktionsgas gleichmäßig verteilt in die Prozesskammer geleitet wird. Das Reaktionsgas liegt in einem eine relativ hohe Elektronendichte aufweisenden quasineutralen Plasmabulk der Plasmaentladung zwischen dem zu behandelndem Substrat und der Gasdusche als aktivierte Gasspezie vor, mit welcher das zu behandelnde Substrat beaufschlagt wird. Die Geschwindigkeit und Qualität der Substratbeschichtung hängt von einer Vielzahl von Prozessparametern ab, insbesondere von Druck, Fluss und Zusammensetzung der Reaktionsgase, von Leistungsdichte und Frequenz der Plasmaanregung sowie der Substrattemperatur.In the unpublished DE 10 2007 022 252.3 a system for the plasma coating of large flat substrates is described, wherein the substrate surface can be of the order of magnitude of 1 m ² and more. The plasma is generated between an electrode and a counter electrode, between which the substrate to be treated is introduced. The system includes means for varying the relative spacing between the electrodes, wherein a first relatively large distance is provided upon loading or unloading of the process chamber with the substrate and a second relatively small distance in performing the treatment of the substrate. A layer-forming reaction gas or reaction gas mixture is supplied via a gas shower integrated into the electrode. The gas shower comprises a gas shower outlet plate with a plurality of outlet openings, with the help of which the reaction gas is distributed evenly distributed in the process chamber. The reaction gas is present in a quasi-neutral plasma bulk having a relatively high electron density of the plasma discharge between the substrate to be treated and the gas shower as activated gas species, with which the substrate to be treated is applied. The speed and quality of the substrate coating depends on a variety of process parameters, in particular pressure, flow and composition of the reaction gases, power density and frequency of the plasma excitation as well as the substrate temperature.

Bei einer Änderung der Prozessparameter zur gleichzeitigen Erreichung hoher Beschichtungsraten und hoher Schichtqualität, insbesondere bei großflächigen Substraten treten Probleme auf, von denen im Folgenden einige kurz angesprochen werden.When changing the process parameters to simultaneously achieve high coating rates and high layer quality, especially in large-area substrates, problems arise, of which some are briefly mentioned below.

Zunächst erfolgt neben der erwünschten Beschichtung des Substrats auch eine nicht erwünschte Beschichtung weiterer Komponenten des Systems, insbesondere eine Beschichtung von Teilen der Gasdusche durch Beaufschlagung mit aktivierten Gasspezies aus dem quasineutralen Plasmabulk, was zu Verlust an teurem Reaktionsgas sowie zu erhöhtem Aufwand an Reinigungsgasen führt.First, in addition to the desired coating of the substrate, an unwanted coating of other components of the system, in particular a Coating of parts of the gas shower by application of activated gas species from the quasineutralen plasma bulk, resulting in loss of expensive reaction gas and increased expenditure on cleaning gases.

Zur Erhöhung der Beschichtungsrate ist es im Allgemeinen erforderlich, die Leistungsdichte des Plasmas zu erhöhen, was jedoch zu einem höheren lonenbeschuss des Substrats führen und damit die Qualität der abgeschiedenen Schicht negativ beeinflussen kann.To increase the coating rate, it is generally necessary to increase the power density of the plasma, but this can lead to a higher ion bombardment of the substrate and thus adversely affect the quality of the deposited layer.

Bei einer Plasmaanregung mit einer 13,56 MHz Hochfrequenzspannung kann auch eine große Elektrodenfläche auf einfache Weise sehr homogen mit Hochspannung versorgt werden, wobei jedoch mit steigender Leistungsdichte ein unerwünschter lonenbeschuss des Substrats zunimmt. Bei einer Plasmaanregung mit einer VHF-Hochfrequenzspannung (27 MHz - ca. 150 MHz) ist zwar der lonenbeschuss des Substrats auch bei hohen Leistungsdichten gering, wie beispielsweise im Artikel von Amanatides, Mataras und Rapakoulias, Journal of Applied Physics Volume 90, Number 11 , Dezember 2001 , beschrieben ist. Allerdings ist eine homogene Verteilung der VHF- Hochfrequenzspannung über eine große Flächen nur mit hohem Aufwand zu erreichen.In the case of a plasma excitation with a 13.56 MHz high-frequency voltage, even a large electrode surface can be supplied very homogeneously with high voltage in a simple manner, but with increasing power density an undesired ion bombardment of the substrate increases. In a plasma excitation with a VHF high frequency voltage (27 MHz - about 150 MHz), although the ion bombardment of the substrate is low even at high power densities, as in the article by Amanatides, Mataras and Rapakoulias, Journal of Applied Physics Volume 90, Number 11, December 2001. However, a homogeneous distribution of the VHF high-frequency voltage over a large area can only be achieved with great effort.

Aus der EP 0688469 B1 ist bereits ein plasmaunterstütztes Bearbeitungs- bzw. Herstellungsverfahren bekannt, bei dem Gasentladungen mit einer anharmonischen Wechselspannung angeregt werden, deren Frequenzspektrum aus einer Grundfrequenz und einem ganzzahligen Vielfachen dieser Grundfrequenz besteht. Dabei sind die Amplituden der einzelnen Frequenzkomponenten an die Erfordernisse des plasmaunterstützten Verfahrens angepasst. Der Begriff anharmonisch ist dabei im Sinn von nicht harmonisch, also nicht sinusförmig zu verstehen. Ziel dieses bekannten Verfahrens ist unter anderem die Erzeugung einer prozessspezifischen lonenverteilung zur Verbesserung von plasmaunterstützten Bearbeitungs- und Herstellungsverfahren für dünne Schichten, ohne dass jedoch angegeben wird, wie der relative lonenbeschuss der Elektroden beeinflusst werden könnte.From EP 0688469 B1, a plasma-assisted processing or manufacturing method is already known in which gas discharges are excited with an anharmonic alternating voltage whose frequency spectrum consists of a fundamental frequency and an integral multiple of this fundamental frequency. The amplitudes of the individual frequency components are adapted to the requirements of the plasma-assisted method. The term anharmonic is to be understood in the sense of non-harmonic, ie not sinusoidal. The aim of this known method is, inter alia, the generation of a process-specific ion distribution for the improvement of plasma-assisted processing and manufacturing methods for thin layers, without, however, specifying how the relative ion bombardment of the electrodes could be influenced.

Bei Plasmareaktoren mit einer Parallel-Plattenanordnung ist bei konstanter Leistungsdichte der Plasmaanregung der relative lonenbeschuss der Elektroden durch das Flächenverhältnis von Elektrode und Gegenelektrode bestimmt und reflektiert das relative Verhältnis der an der Plasmarandschicht vor der Elektrode bzw. Gegenelektrode abfallenden mittleren Spannung. Wie in dem Artikel von Heil, Czarnetzki, Brinkmann und Mussenbrock, J. Phys D: Appl. Phys. 41 (2008) 165002 gezeigt wurde, skaliert der Absolutwert der erwähnten Spannungen mit einer Potenz nahe 2 zum Flächenverhältnis der Fläche der Elektrode zur Fläche der Gegenelektrode. Da bei der Herstellung von homogen zu beschichtenden Substraten, die Flächen von Elektrode und Gegenelektrode annährend gleich groß sein müssen, sind die Möglichkeiten, durch eine geometrische Asymmetrie, die Energie der die Elektrode und Gegenelektrode beaufschlagenden lonenenergie zu beeinflussen, beschränkt.In plasma reactors with a parallel plate arrangement, with constant power density of the plasma excitation, the relative ion bombardment of the electrodes is determined by the area ratio of electrode and counterelectrode and reflects the relative ratio of the mean voltage dropping at the plasma edge layer in front of the electrode or counterelectrode. As in the article by Heil, Czarnetzki, Brinkmann and Mussenbrock, J. Phys. D: Appl. Phys. 41 (2008) 165002, the absolute value of said voltages scales with a power close to 2 to the area ratio of the area of the electrode to the area of the counter electrode. Since in the production of homogeneously coated substrates, the areas of the electrode and the counter electrode must be approximately the same size, the Possibilities to influence by a geometric asymmetry, the energy of the ion energy acting on the electrode and counter electrode, limited.

Ein alternatives Verfahren, unabhängig von einer geometrischen Asymmetrie, bei gegebener Anregungsfrequenz- und Spannung, die Energie der Elektrode bzw. Gegenelektrode beaufschlagenden Ionen zu beeinflussen, wurde in dem oben genannten Artikel Heil, Czarnetzki, Brinkmann und Mussenbrock beschrieben. Danach wird ein DC-Self-Bias mittels einer RF-Spannung erzeugt, welche zumindest zwei harmonische Frequenzkomponenten mit vorgegebener relativer Phasenbeziehung zueinander aufweisen, wobei zumindest eine der höheren Frequenzkomponenten eine geradzahlige harmonische Oberschwingung einer niedrigeren Frequenzkomponente ist. In Abhängigkeit von der relativen Phasenbeziehung zwischen den zwei harmonischen Frequenzkomponenten kann eine Einstellung eines relativen Verhältnisses von lonenenergien an Elektrode und Gegenelektrode vorgenommen werden.An alternative method, irrespective of geometrical asymmetry, for a given excitation frequency and voltage to affect the energy of the electrode or counter electrode, was described in the above-mentioned article Heil, Czarnetzki, Brinkmann and Mussenbrock. Thereafter, a DC self-bias is generated by means of an RF voltage having at least two harmonic frequency components with a predetermined relative phase relationship to one another, wherein at least one of the higher frequency components is an even harmonic of a lower frequency component. Depending on the relative phase relationship between the two harmonic frequency components, an adjustment of a relative ratio of ion energies to the electrode and counterelectrode can be made.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Plasmabehandlung eines Substrats zu ermöglichen, bei der eine relative Änderung der Beaufschlagung von Elektrode und Substrat mit einer aktivierten Gasspezie erreichbar ist, wobei das Substrat zwischen einer Elektrode und einer Gegenelektrode angeordnet ist und die aktivierte Gasspezie in einem quasineutralen Plasmabulk zwischen Elektrode und Gegenelektrode vorliegt.The object of the present invention is to enable a plasma treatment of a substrate in which a relative change in the application of electrode and substrate with an activated gas species can be achieved, wherein the substrate is arranged between an electrode and a counter electrode and the activated gas species in a quasi-neutral Plasmabulk between electrode and counter electrode is present.

Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.The object is achieved with the features of the independent claims. Advantageous embodiments can be found in the dependent claims.

Bei dem erfindungsgemäße Verfahren zur Plasmabehandlung eines Substrats in einer Plasmavorrichtung ist zunächst vorgesehen, dassIn the method according to the invention for the plasma treatment of a substrate in a plasma apparatus, it is initially provided that

das Substrat zwischen einer Elektrode und einer Gegenelektrode mit einem Abstand d zwischen einem zu behandelnden Oberflächenbereich des Substrats und der Elektrode angeordnet wird,the substrate is disposed between an electrode and a counter electrode at a distance d between a surface region of the substrate to be treated and the electrode,

- zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode eine eine kapazitiv gekoppelte Plasmaentladung mit Bildung eines DC- SeIf - Bias angeregt wird,a capacitively coupled plasma discharge is excited between the electrode and the counterelectrode with formation of a DC Seif bias,

in einem Bereich der Plasmaentladung zwischen dem zu behandelnden Oberflächenbereich und der Elektrode mit einem quasineutralen Plasmabulk eine Menge zumindest einer aktivierbaren Gasspezie vorliegt, mit welcher ein zu behandelnder Oberflächenbereich des Substrats beaufschlagt wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass eine Plasmaentladung angeregt wird,in an area of the plasma discharge between the surface area to be treated and the electrode with a quasi-neutral plasma bulk, an amount of at least one activatable gas species is present, with which a surface area of the substrate to be treated is applied. The method is characterized in that a plasma discharge is excited,

bei der der Abstand d einen Wert in einem Bereich zwischen s und 2.5s aufweist, mit s = se+sg , wobei se eine Dicke einer Plasmarandschicht vor der Elektrode und sg eine Dicke einer Plasmarandschicht vor der Gegenelektrode bezeichnet oderwherein the distance d has a value in a range between s and 2.5s, with s = se + sg, where se denotes a thickness of a plasma edge layer in front of the electrode and sg a thickness of a plasma edge layer in front of the counterelectrode or

- bei der der quasineutrale Plasmabulk zwischen dem zu behandelndem- in which the quasineutrale Plasmabulk between the to be treated

Oberflächenbereich und der Elektrode eine lineare Ausdehnung dp mit dp < 1/3d, dp< max( se+sg) oder dp < 0.5s aufweist.Surface area and the electrode has a linear expansion dp with dp <1 / 3d, dp <max (se + sg) or dp <0.5s.

Die Erfindung ermöglicht es, durch die angegebenen, eine bestimmte Geometrie der Plasmaentladung charakterisierenden Werte von d, se, sg und dp, in Abhängigkeit von einem Wert des DC - SeIf - Bias eine Rate einzustellen, mit der ein zu behandelnder Oberflächenbereich des Substrats mit der aktivierten Gasspezie beaufschlagt wird.The invention makes it possible, by means of the specified values of d, se, sg and dp, which characterize a certain geometry of the plasma discharge, to set a rate with which a surface region of the substrate to be treated adjusts with the aid of a value of the DC - SeIf bias activated gas species is applied.

Der DC - SeIf - Bias ist dabei abhängig von dem Verhältnis der Flächen der beiden Elektroden. Die Plasmaentladung wird mittels einer von einem HF -Generator zur Verfügung gestellten Hochfrequenzspannung in einem in den Bereich zwischen den Elektroden zugeführten Prozessgas, beispielsweise Argon und/oder Wasserstoff, mit einer Anregungsfrequenz im Bereich 1 bis 40 MHz, vorzugsweise 13,56 MHz angeregt. Das Substrat befindet sich unmittelbar vor der Gegenelektrode, wobei es sich versteht, dass die Bezeichnungen „Elektrode" und „Gegenelektrode" rein konventionell und vertauschbar sind. Vorausgesetzt ist bei dem Verfahren, dass die zur Anregung des Plasmas angelegte Spannung überwiegend im Bereich der Plasmarandschicht vor Elektrode und Gegenelektrode abfällt und nur wenig im Bereich des quasineutralen Plasmabulks. Bei einem vor der Gegenelektrode angeordneten Substrat ist erstreckt sich die Plasmarandschicht ausgehend von der Substratoberfläche hin zum quasineutralen Plasmabulk.The DC SeiF bias is dependent on the ratio of the areas of the two electrodes. The plasma discharge is excited by means of a high-frequency voltage provided by an HF generator in a process gas fed into the region between the electrodes, for example argon and / or hydrogen, with an excitation frequency in the range 1 to 40 MHz, preferably 13.56 MHz. The substrate is located immediately in front of the counter electrode, it being understood that the terms "electrode" and "counter electrode" are purely conventional and interchangeable. It is assumed in the method that the voltage applied for excitation of the plasma drops predominantly in the region of the plasma edge layer in front of the electrode and counterelectrode and only slightly in the region of the quasi-neutral plasma bulge. In the case of a substrate arranged in front of the counterelectrode, the plasma edge layer extends from the substrate surface towards the quasi-neutral plasma bulkhead.

Bei einer Plasmaentladung mit einem DC-Self-Bias ist die Dicke der Plasmarandschicht vor Elektrode bzw. Gegenelektrode unterschiedlich, wobei an der Randschicht mit der geringeren Dicke eine geringere mittlere Spannung abfällt. Wenn der Wert d vergleichbar ist mit s = se+sg, also d einen Wert ungefähr gleich s annimmt, wobei se eine Dicke einer Plasmarandschicht vor der Elektrode und sg eine Dicke einer Plasmarandschicht vor der Gegenelektrode bezeichnet, ist die Ausdehnung des quasineutralen Plasmabulks zwangsläufig relativ klein. Die Plasmarandschicht vor der Gegenelektrode erstreckt sich dabei bis zur Oberfläche der zu behandelnden Substratoberfläche. Bevorzugt ist ein Wert d in einem Bereich zwischen 1.1s und 2.5s, besonders bevorzugt ein Wert d in einem Bereich zwischen 1.1s und 1.2s, 1.4s, 1.6s, 1.8s oder 2.0s.In the case of a plasma discharge with a DC self-bias, the thickness of the plasma boundary layer in front of the electrode or counterelectrode is different, with a lower average voltage falling off at the edge layer with the smaller thickness. If the value d is comparable to s = se + sg, that is, d has a value approximately equal to s, where se denotes a thickness of a plasma edge layer in front of the electrode and sg a thickness of a plasma edge layer in front of the counterelectrode, then the expansion of the quasi-neutral plasma bulge is necessarily relative small. The plasma edge layer in front of the counter electrode extends up to the surface of the substrate surface to be treated. Preferred is a value d in a range between 1.1s and 2.5s, more preferably a value d in a range between 1.1s and 1.2s, 1.4s, 1.6s, 1.8s or 2.0s.

Die Rate, mit der die im neutralen Plasmabulk vorliegende aktivierte Gasspezie die Elektrode bzw. das Substrat beaufschlagt, ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren von der Lage des Bereichs der höchsten Konzentration der aktivierten Gasspezie und damit bei einem relativ schmalen quasineutralen Plasmabulk hauptsächlich von dem Abstand zwischen dem quasineutralen Plasmabulk und der Elektrode bzw. dem Substrat abhängig, und nimmt jeweils mit abnehmenden Abstand zwischen dem quasineutralen Plasmabulk und Elektrode bzw. Substrat zu. Dieser Abstand ist durch die Dicke der Plasmarandschicht se bzw. sg bestimmt, die bei einem DC- SeIf - Bias unterschiedliche Werte annimmt. Der quasineutrale BuIk liegt näher an der Elektrode bzw. Gegenelektrode, vor der die Randschicht mit der geringeren Dicke liegt. Daher kann die relative Beaufschlagung von Elektrode bzw. Substrat mit der aktivierten Gasspezie bei dem erfindungsgemäßen Abstand d durch Änderung der Dicke der Plasmarandschicht se und sg beeinflusst werden.The rate at which the activated gas species present in the neutral plasma bulge affects the electrode or the substrate is, in the method according to the invention, dependent on the position of the region of the highest concentration of the activated gas species and thus on a relatively narrow quasi-neutral plasma bulk, mainly on the distance between the surface Quasi-neutral plasma bulk and the electrode or the substrate dependent, and increases in each case with decreasing distance between the quasineutral Plasmabulk and electrode or substrate. This distance is determined by the thickness of the plasma boundary layer se or sg, which assumes different values in the case of a DC-SeIf bias. The quasi-neutral bulb is closer to the electrode or counterelectrode, in front of which the edge layer with the smaller thickness lies. Therefore, the relative loading of the electrode or substrate with the activated gas species at the distance d according to the invention can be influenced by changing the thickness of the plasma boundary layer se and sg.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung hat der quasineutrale Plasmabulk eine lineare Ausdehnung dp <2/3d, dp < max (se, sg) oder dp < 0,5s. Als lineare Ausdehnung dp des quasineutralen Plasmabulks wird die Dicke des quasineutralen Plasmabulks parallel zu einem Querschnittsdurchmesser zwischen den gegenüberliegenden Flächen von Elektrode und Substrat bezeichnet. Auch in diesem Fällen kann in Abhängigkeit vom Wert des DC- SeIf- Bias, die Rate mit der das Substrat von aktivierten Gasspezie aus dem quasineutralen Plasmabulk beaufschlagt wird, kontrolliert werden.According to another aspect of the invention, the quasineutral plasma bulk has a linear extension dp <2 / 3d, dp <max (se, sg) or dp <0.5s. The linear dimension dp of the quasi-neutral plasma bulge is the thickness of the quasineutral plasma bulge parallel to a cross-sectional diameter between the opposite faces of the electrode and the substrate. Also in these cases, depending on the value of the DC Seif bias, the rate at which the substrate is exposed to activated gas species from the quasi-neutral plasma bulk can be controlled.

Die Werte der Parameter d, se, sg und dp können in Abhängigkeit von Parametern der Plasmaentladung wie Entladungsspannung, Anregungsfrequenz oder Leistungsdichte variiert oder eingestellt werden, so dass d einen Wert in einem Bereich zwischen 1.1s und 2.5s, besonders bevorzugt ein Wert d in einem Bereich zwischen 1.1s und 1.2s, 1.4s, 1.6s, .1.8s oder 2.0s annimmt oder dass dp <2/3d, dp < max (se, sg) oder dp < 0,5s gilt.The values of the parameters d, se, sg and dp can be varied or adjusted in dependence on parameters of the plasma discharge such as discharge voltage, excitation frequency or power density, so that d has a value in a range between 1.1s and 2.5s, particularly preferably a value d in ranges between 1.1s and 1.2s, 1.4s, 1.6s, .1.8s, or 2.0s, or dp <2 / 3d, dp <max (se, sg), or dp <0.5s.

Bevorzugt ist eine Variation von d bei konstanten Werten se, sg, und dp sowie eine Variation von se, sg und dp bei konstantem Wert d.A variation of d at constant values se, sg, and dp and a variation of se, sg, and dp at a constant value d is preferred.

Die jeweiligen Werte der Dicke der Plasmarandschicht vor Elektrode und Gegenelektrode bzw. Substratoberfläche sowie der Dicke des quasineutralen Plasmabulks können in an sich bekannter Weise ermittelt werden. Vorzugsweise können die besagten Werte mit Methoden optischer Plasmadiagnostik, beispielsweise mittels Laserdiagnostik ermittelt werden. Es versteht sich, dass die besagten Werte auch theoretisch und/oder durch Computersimulation bestimmt werden können. Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die relative Lage eines geometrischen Schwerpunktes des quasi neutralen Plasmabulks zwischen Elektrode und Gegenelektrode in Abhängigkeit vom einem Wert des Abstandes d oder des DC-Self-Bias eingestellt oder verändert wird, womit die Beaufschlagung von Substrat und Elektrode mit aktiviertem Gasspezie zur Optimierung der Plasmabehandlung beeinflusst werden kann.The respective values of the thickness of the plasma boundary layer in front of the electrode and counterelectrode or substrate surface and the thickness of the quasi-neutral plasma bulge can be determined in a manner known per se. Preferably, said values can be determined by optical plasma diagnostic methods, for example by laser diagnostics. It is understood that the said values can also be determined theoretically and / or by computer simulation. In one embodiment of the invention, it is provided that the relative position of a geometric center of gravity of the quasi-neutral plasma bulge between the electrode and the counter electrode is adjusted or changed as a function of a value of the distance d or the DC self-bias, whereby the application of substrate and electrode can be influenced with activated gas species to optimize the plasma treatment.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Lage des geometrischen Schwerpunktes in Richtung der zur behandelnden Oberfläche relativ zur Lage des besagten Schwerpunktes bei einer Plasmaentladung ohne DC-Self-Bias verschoben und damit die Beaufschlagung der zur behandelnden Oberfläche mit aktivierten Gasspezie vorteilhaft erhöht.In a further embodiment of the invention, the position of the geometric center of gravity in the direction of the surface to be treated is displaced relative to the position of said center of gravity in a plasma discharge without DC self-bias and thus advantageously increases the loading of the surface to be treated with activated gas species.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Plasmabehandlung eine Plasmabeschichtung, insbesondere wie sie bei der Herstellung von Solarzellen und Flachbildschirmen eingesetzt wird.In a further embodiment of the invention, the plasma treatment comprises a plasma coating, in particular as used in the production of solar cells and flat screens.

Ferner kann die Plasmabehandlung eine Oberflächenmodifikation durch das Plasma umfassen, wobei der Effekt eines lonenbombardements sowie der aktivierten Gasspezie auf die Oberflächenstruktur und Zusammensetzung des Substrats genutzt wird. Ferner kann die Plasmabehandlung auch ein Ätzen des Substrats umfassen, wobei der Einfluss des lonenbombardements sowie der aktivierten Gasspezie auf das Ätzen einer Oberfläche genutzt wird.Further, the plasma treatment may include surface modification by the plasma utilizing the effect of ion bombardment as well as the activated gas species on the surface structure and composition of the substrate. Furthermore, the plasma treatment may also include an etching of the substrate, whereby the influence of the ion bombardment and the activated gas species on the etching of a surface is utilized.

Allgemein kann die Anregung des Precursorgases thermisch (CVD), durch Plasmaanregung (PECVD) oder durch Lichtanregung (Foto - CVD) erfolgen.Generally, excitation of the precursor gas can be thermal (CVD), plasma (PECVD) or photo (CVD).

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt eine Aktivierung der Gasspezie durch Radikalenbildung im quasineutralen Plasmabulk selbst, da die im Plasmabulk erhöhte Elektronendichte eine Radikalenbildung erleichtert. Der quasineutrale Plasmabulk ist in diesem Fall Quellbereich und Bereich der höchsten Konzentration von aktivierten Gasspezie.In one embodiment of the invention, the gas species is activated by radical formation in the quasi-neutral plasma bulk itself, since the increased electron density in the plasma bulk facilitates radical formation. The quasineutral plasma bulge in this case is the source region and region of the highest concentration of activated gas species.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird als Gasspezie ein Precursorgas verwendet, welches in einem Plasma schichterzeugende Radikale bilden kann. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Precursorgas um Silan (SiH₄) das in dem Plasma durch Elektronenstoß den Schichtprecursor SiH₃ bildet. Bei dem Precursorgas kann es sich auch um CH₄, TEOS (Si(OC₂H₅)₄) oder andere Gase handeln, die gasförmig in die Prozesskammer eingelassen werden. Diese Verbindungen sind stabil, benötigen eine Anregung, um in eine schichtbildungsfähige Spezies umgesetzt zu werden. Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass als aktivierbare Gasspezie ein Reinigungsgas verwendet wird, welches in einem Plasma reaktive Radikale bilden kann, wie beispielsweise NF₃.In a further embodiment of the invention, a precursor gas is used as the gas species, which can form layer-forming radicals in a plasma. Preferably, the precursor gas is silane (SiH ₄ ) which forms the layer precursor SiH ₃ in the plasma by electron impact. The precursor gas may also be CH ₄ , TEOS (Si (OC ₂ H ₅ ) ₄ ) or other gases which are introduced into the process chamber in gaseous form. These compounds are stable, require excitation to be converted into a layerable species. In a further embodiment it is provided that a cleaning gas is used as the activatable gas species, which can form reactive radicals in a plasma, such as NF ₃ .

Der räumliche Bereich in dem eine Aktivierung der aktivierbaren Gasspezie im Plasmabulk erfolgt, ist insbesondere bei der Beschichtung mit Silan oder ähnlichen Schichtbildungsgasen von Bedeutung für eine optimale Auslegung der Plasmavorrichtung hinsichtlich der Vermeidung von parasitärer Beschichtung. Wie in der Veröffentlichung von A.Pflug, M. Siemers, B. Szyszka, M. Geisler und R. Beckmann „Gas Flow and Plasma Simulation for Paralle Plate PACVD Reactors, 51 st SVC Technical Conference, April 23, 2008 Chicago dargestellt ist, erfolgt bei einer Plasmaentladung eines Silan/ Wasserstoffplasmas in einem Parallelplatten-Reaktor die Bildung der aktivierten Gasspezie durch plasma - aktivierte Dissoziation von Silan im Bereich des quasineutralen Plasmabulks. Daher kann durch die erfindungsgemäße Wahl, der die Geometrie der Plasmaentladung charakterisierenden Werte von d, se, sg und dp die Beschichtung der zu behandelnden Substratoberfläche relativ zu der Beschichtung der Elektrode vorteilhaft erhöht werden.The spatial area in which an activation of the activatable gas species in the plasma bulge takes place, in particular in the case of coating with silane or similar layering gases, is of importance for an optimal design of the plasma device with regard to the avoidance of parasitic coating. As shown in the publication by A.Pflug, M. Siemers, B. Szyszka, M. Geisler, and R. Beckmann, "Gas Flow and Plasma Simulation for Parallel Plate PACVD Reactors, 51st SVC Technical Conference, April 23, 2008 Chicago, In the case of a plasma discharge of a silane / hydrogen plasma in a parallel plate reactor, the formation of the activated gas species takes place by plasma-activated dissociation of silane in the region of the quasi-neutral plasma bulge. Therefore, by the choice according to the invention of the values of d, se, sg and dp characterizing the geometry of the plasma discharge, the coating of the substrate surface to be treated relative to the coating of the electrode can advantageously be increased.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wird ein Prozessgas und/oder eine aktivierbare Gasspezie mittels einer Elektrode, welche eine Gasverteileinrichtung mit einer Vielzahl von Austrittsöffnungen für Gas umfasst, in dem Bereich zwischen Elektrode und Gegenelektrode transportiert, da auf diese Weise eine höhere Homogenität der Beaufschlagung einer zu behandelnden Substratoberfläche erreicht werden kann.In a further embodiment of the invention, a process gas and / or an activatable gas species is transported in the region between the electrode and the counterelectrode by means of an electrode, which comprises a gas distribution device with a plurality of gas outlet openings, in this way a higher homogeneity of the application a substrate surface to be treated can be achieved.

Gemäß einer weiteren für flache Substrate bevorzugten Ausführungsform, kann der DC-SeIf- Bias sehr einfach durch eine geometrische Asymmetrie von Elektrode und Gegenelektrode erreicht werden.According to a further preferred embodiment for flat substrates, the DC SeIf bias can be achieved very simply by a geometric asymmetry of electrode and counterelectrode.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zur Erzeugung des DC-Self-Bias eine RF-Spannung verwendet, welche zumindest zwei harmonische Frequenzkomponenten mit vorgegebener relativer Phasenbeziehung zueinander aufweisen (Mischfrequenz), wobei zumindest eine der höheren Frequenzkomponenten eine geradzahlige harmonische Oberschwingung einer niedrigeren Frequenzkomponente ist. Die auf diese Weise erreichte Ausbildung des DC-SeIf - Bias wird im Folgenden als elektrischer Asymmetrie - Effekt bezeichnet.In a preferred embodiment of the invention, to generate the DC self-bias, an RF voltage is used which has at least two harmonic frequency components with a predetermined relative phase relationship to each other (mixing frequency), wherein at least one of the higher frequency components is an even harmonic of a lower frequency component , The formation of the DC-SeIf bias achieved in this way is referred to below as the electrical asymmetry effect.

Durch den elektrischen Asymmetrie-Effekt lässt sich eine asymmetrische Verteilung der Elektronendichte im quasineutralen Plasmabulk herstellen. Die Quellenstärke zur Erzeugung von Radikalen im quasineutralen Plasmabulk kann nun bei ansonsten homogen verteilter Elektronentemperatur bzw. Energieverteilungsfunktion im quasineutralen Plasmabulk als proportional zur Elektronendichte angenommen werden. Die Beaufschlagung der Elektroden mit aktivierten Gasspezie, d.h. der Radikalenfluss auf die Elektroden ist dann über die Diffusionsgleichung durch das Dichteprofil der Elektronen gegeben. Dies sein im Folgenden für den Fall vollständig adsorbierender Elektroden dargelegt. Der Fall nicht vollständig adsorbierender Elektroden lässt sich analog mit veränderten Randbedingungen behandeln.Due to the electrical asymmetry effect, an asymmetric distribution of the electron density in the quasi-neutral plasma bulk can be produced. The source strength for the generation of radicals in the quasineutralen Plasmabulk can now in otherwise homogeneously distributed Electron temperature or energy distribution function in the quasineutralen Plasmabulk be assumed to be proportional to the electron density. The application of the electrodes with activated gas species, ie the flow of radicals onto the electrodes, is then given via the diffusion equation by the density profile of the electrons. This is set forth below for the case of completely adsorbing electrodes. The case of incompletely adsorbing electrodes can be treated analogously with altered boundary conditions.

Die Elektroden seien auf einer normierten Längenskala bei x = pi lokalisiert. N bezeichne die Dichte der Radikale und f(x) eine zur Elektronendichte proportionale Quellenfunktion. Damit ergibt sich:The electrodes are located on a normalized length scale at x = pi. Let N denote the density of radicals and f (x) a source function proportional to the electron density. This results in:

3²N3 ² N

=/(x) mit _V(±1) =0 dx _{(1 )} = / (x) with _V (± 1) = 0 dx ₍₁₎

Der Fluss ist aufgrund des Ficksche-Gesetzes proportional zur Ableitung der Dichte nach dem Ort. R bezeichne das Verhältnis der Absolutbeträge der Flüsse auf beide Elektroden:The river is proportional to the derivation of density by location due to Ficksche's law. R denotes the ratio of the absolute values of the flows to both electrodes:

Man erhält durch elementare Integration von Gleichung (1) als Lösung:By elementary integration of equation (1) as solution:

Als Beispiel sei hier der Extremfall einer deltaförmigen Quellenfunktion am Ort x = s diskutiertt: f(x) = a D(x-s). Es ergibt sich sodann:As an example, let us discuss the extreme case of a delta-shaped source function at x = s: f (x) = a D (x-s). It then follows:

_RJ + s \ - s (4) _R J + s - s (4)

Man erkennt deutlich, wie sich über Variation des Ortes s zwischen -1 und 1 beliebige Verhältnisse zwischen Null und Unendlich einstellen lassen.It can be clearly seen how, by varying the location s between -1 and 1, any ratios between zero and infinity can be set.

Alternativ kann man als charakteristische Größe auch die Kontrastfunktion K benutzen. Diese ist durch den Quotienten aus der Differenz der Absolutwerte der Flüsse und der Summe der Absolutwerte der Flüsse gegeben. Im vorliegenden Fall ist der Fluss zur Elektrode bei x = +1 positiv und bei x = -1 negativ. Diesen Vorzeichenwechsel eingerechnet erhält man: Alternatively, one can use the contrast function K as a characteristic variable. This is given by the quotient of the difference of the absolute values of the rivers and the sum of the absolute values of the rivers. In the present case, the flux to the electrode is positive at x = +1 and negative at x = -1. Including this change of sign you get:

Für das oben betrachtete Beispiel der Delta-Funktion erhält man damit K = s. K variiert also zwischen -1 und +1, wobei negative Werte eine Dominanz des Flusses zur Elektrode bei x = -1 kennzeichnen und positive Werte eine Dominanz zur Elektrode bei x = +1.For the example of the delta function considered above, one obtains K = s. Thus, K varies between -1 and +1, with negative values indicating flux dominance to the electrode at x = -1 and positive values dominating the electrode at x = +1.

Der elektrische Asymmetrieeffekt ermöglicht es, die lonenenergie und den lonenfluss mit denen Elektrode und Substrat beaufschlagt werden, unabhängig voneinander zu kontrollieren.The electrical asymmetry effect makes it possible to independently control the ion energy and the ion flux applied to the electrode and substrate.

Bevorzugt wird eine derartige Erzeugung des DC-Self-Bias im Fall einer geometrischen Symmetrie von Elektrode und Gegenelektrode eingesetzt, insbesondere bei einer Plasmavorrichtung die ausgelegt ist für die Behandlung von flachen Substraten mit einer zu behandelnden Oberfläche von mehr als > 1m², beispielsweise 1.2m x 1.2m.Such a generation of the DC self-bias is preferably used in the case of a geometric symmetry of the electrode and counterelectrode, in particular in the case of a plasma apparatus which is designed for the treatment of flat substrates with a surface to be treated of more than> 1m ² , for example 1.2mx 1.2m.

Bevorzugte Verfahren sowie Vorrichtungen zur Erzeugung eines DC-Self-Bias sind in der unveröffentlichten Patentanmeldung PCT/EP 2008/059133 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt in vollem Umfang durch Bezugnahme zum Offenbarungsgehalt der vorliegenden Patentanmeldung gemacht wird.Preferred methods and devices for generating a DC self-bias are described in unpublished patent application PCT / EP 2008/059133, the disclosure content of which is fully incorporated by reference into the disclosure content of the present patent application.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wird der DC-Self-Bias in Abhängigkeit von der relativen Phasenbeziehung zwischen den harmonischen Frequenzkomponenten und/oder den Amplituden der zwei harmonischen Frequenzkomponenten der RF-Spannung verändert, womit lonenenergie und lonenfluss, mit der das Substrat beaufschlagt wird, dynamisch während einer Plasmabehandlung kontrolliert werden können.According to another embodiment of the invention, the DC self-bias is varied depending on the relative phase relationship between the harmonic frequency components and / or the amplitudes of the two harmonic frequency components of the RF voltage, thus ion energy and ion flux applied to the substrate , can be controlled dynamically during a plasma treatment.

Besonders bevorzugt ist, wenn in Abhängigkeit von der relativen Phasenbeziehung zwischen zwei harmonischen Frequenzkomponenten eine Einstellung eines relativen Verhältnisses von lonenenergie an Elektrode und Gegenelektrode beziehungsweise Substrat erfolgt, womit eine Änderung der lonenenergien ohne größere Änderungen der lonenflüsse möglich ist.It is particularly preferred if, as a function of the relative phase relationship between two harmonic frequency components, a setting of a relative ratio of ion energy to electrode and counterelectrode or substrate takes place, whereby a change in the ion energies is possible without major changes in the ion fluxes.

Es ist bevorzugt, wenn Substrat, Elektrode und Gegenelektrode eine flache Oberfläche aufweisen. Bevorzugt ist sind die genannten Oberflächen plan. Es versteht sich, dass Substrat, Elektrode und Gegenelektrode auch konkave oder konvexe Oberflächen aufweisen können. Bevorzugt ist insbesondere eine Plasmabeschichtung von Substraten mit einer Fläche von 1m² und mehr mittels eines Precursorgases.It is preferred if the substrate, electrode and counterelectrode have a flat surface. The surfaces mentioned are preferably planar. It is understood that substrate, electrode and counter electrode can also have concave or convex surfaces. In particular, a plasma coating of substrates having an area of 1m ² and more by means of a precursor gas is preferred.

Bei der Herstellung von amorphen oder mikrokristallinen Beschichtungen ist ein Prozessgasdruck zwischen 100 Pa und 2000 Pa, insbesondere 1300 Pa₁ und eine Leistungsdichte zwischen 0.01 W/cm³ und 5 W/cm³, insbesondere 1 W/cm³ bevorzugt. Die Ausgangsleistung des HF- Generators liegt in einem Bereich zwischen 5OW und 5OkW, vorzugsweise bei 1 kW.In the production of amorphous or microcrystalline coatings, a process gas pressure between 100 Pa and 2000 Pa, in particular 1300 Pa ₁ and a power density between 0.01 W / cm ³ and 5 W / cm ³ , in particular 1 W / cm ^{3 is} preferred. The output power of the HF generator is in a range between 5OW and 5OkW, preferably at 1 kW.

Insbesondere bei der Herstellung von amorphen oder mikrokristallien Beschichtungen sind Werte von se zwischen 2mm und 10mm sowie Werte von sg zwischen 1mm und 5mm bevorzugt. Ferner sind Werte von dp zwischen 1mm und 5mm bevorzugt. Ein bevorzugter Wert von d liegt zwischen 5mm und 20 mm.Particularly in the production of amorphous or microcrystalline coatings, values of between 2 mm and 10 mm and values of between 1 mm and 5 mm are preferred. Furthermore, values of dp between 1mm and 5mm are preferred. A preferred value of d is between 5mm and 20mm.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Plasmabehandlung eines Substrats umfasstThe device according to the invention for the plasma treatment of a substrate comprises

Mittel zur Anregung einer kapazitiv gekoppelten, einen DC- SeIf - Bias aufweisenden Plasmaentladung in einem Bereich zwischen einer Elektrode und einer Gegenelektrode sowieMeans for exciting a capacitively coupled plasma discharge having a DC bias bias in a region between an electrode and a counter electrode;

Mittel zum Transport einer Menge zumindest einer aktivierbaren Gasspezie in einen Bereich der Plasmaentladung mit einem quasineutralen Plasmabulk, wobeiMeans for transporting a quantity of at least one activatable gas species into a region of the plasma discharge with a quasineutralen Plasmabulk, wherein

das Substrat zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode mit einem Abstand d zwischen einem zu behandelnden Oberflächenbereich des Substrats und der Elektrode angeordnet ist oder anordenbar ist.the substrate is disposed or disposable between the electrode and the counter electrode at a distance d between a surface region of the substrate to be treated and the electrode.

Die Vorrichtung ist derart ausgelegt, dass eine Plasmaentladung mit einem DC- SeIf - Bias anregbar ist.The device is designed in such a way that a plasma discharge can be excited with a DC voltage bias.

Die Vorrichtung zeichnet sich aus durch ein Steuergerät zur Ansteuerung der Vorrichtung vorgesehen ist, so dass sich eine Plasmaentladung einstelltThe device is provided by a control device for controlling the device, so that sets a plasma discharge

bei der der Abstand d einen Wert in einem Bereich zwischen s und 2.5s aufweist, wobei se eine Dicke einer Plasmarandschicht vor der Elektrode und sg eine Dicke einer Plasmarandschicht vor der Gegenelektrode bezeichnet oder - bei der der quasineutrale Plasmabulk zwischen dem zu behandelndemwherein the distance d has a value in a range between s and 2.5s, where se denotes a thickness of a plasma edge layer in front of the electrode and sg a thickness of a plasma edge layer in front of the counterelectrode or - in which the quasineutrale Plasmabulk between the to be treated

Oberflächenbereich und der Elektrode eine lineare Ausdehnung dp mit dp < 1/3d, dp< max( se+sg) oder dp < 0.5s aufweist.Surface area and the electrode has a linear expansion dp with dp <1 / 3d, dp <max (se + sg) or dp <0.5s.

Die Vorteile der Vorrichtung entsprechen denen des erfindungsgemäßen Verfahrens.The advantages of the device correspond to those of the method according to the invention.

Das Steuergerät umfasst Mittel zur Erzeugung der den DC-Self-Bias aufweisenden Plasmaentladung mittels einer RF-Spannung, wobei die RF-Spannung zumindest zwei harmonische Frequenzkomponenten mit vorgegebener relativer Phasenbeziehung zueinander aufweist und zumindest eine der höheren Frequenzkomponenten eine geradzahlige harmonische Oberschwingung einer niedrigeren Frequenzkomponente ist.The controller includes means for generating the DC self-biased plasma discharge by means of an RF voltage, the RF voltage having at least two harmonic frequency components having a predetermined relative phase relationship and at least one of the higher frequency components being an even harmonic of a lower frequency component ,

Zur Ermittlung der jeweils vorliegenden Werte der Dicke der Plasmarandschicht vor Elektrode und Gegenelektrode bzw. Substratoberfläche sowie der Dicke des quasineutralen Plasmabulks sind an sich bekannte Mittel zur Plasmadiagnostik vorgesehen, die Eingangswerte für das Steuergerät liefern. Vorzugsweise sind Mittel zur optischen Plasmadiagnostik, beispielsweise zur Plasmalaserdiagnostik vorgesehen.In order to determine the respectively present values of the thickness of the plasma boundary layer in front of the electrode and counterelectrode or substrate surface and the thickness of the quasi-neutral plasma block, known means for plasma diagnostics are provided which provide input values for the control device. Preferably, means are provided for optical plasma diagnostics, for example for plasma laser diagnosis.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher beschrieben, denen auch unabhängig von der Zusammenfassung in den Patentansprüchen weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung zu entnehmen sind.The invention will be described in more detail below with reference to exemplary embodiments and drawings, to which further aspects and advantages of the invention can be deduced, independently of the summary in the patent claims.

Es zeigen in schematischer DarstellungIt show in a schematic representation

Figur 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Plasmabehandlung flacher Substrate1 shows a device according to the invention for the plasma treatment of flat substrates

Figur 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Plasmabehandlung flacher Substrate2 shows a device according to the invention for the plasma treatment of flat substrates

Figur 3 einen Verlauf des elektrischen Potentials sowie derFigure 3 shows a profile of the electrical potential and the

Konzentration einer schichtbildenden aktivierten Gasspezie in einem Bereich zwischen einer Elektrode und einer Gegenelektrode für eine harmonische RF- Anregungsspannung und eine Anregungsspannung mit einer Mischfrequenz.Concentrating a layer-forming activated gas species in a region between an electrode and a counter electrode for a harmonic RF excitation voltage and an excitation voltage at a mixing frequency.

Fig. 1 zeigt in vereinfachter Darstellung eine Plasmavorrichtung (Reaktor 1) zur Behandlung von vorzugsweise flachen und rechteckigen Substraten 3. Der Reaktor 1 kann beispielsweise als PECVD - Reaktor ausgelegt sein. Der Reaktor 1 umfasst Mittel zur Anregung einer kapazitiv gekoppelten, einen DC- SeIf - Bias aufweisenden Plasmaentladung in einem Bereich zwischen einer Elektrode und einer Gegenelektrode, insbesondere einen Prozessraum 9 mit einer Elektrode 5 sowie einer geerdeten Gegenelektrode 7, die zur Erzeugung eines Plasmas zur Behandlung einer zu behandelnden Oberfläche eines oder mehrerer flacher Substrate 3 ausgelegt sind. Die Elektrode 5 kann zur Erzeugung eines elektrischen Feldes in dem Prozessraum 9 an eine nicht näher dargestellte Hochfrequenz - Versorgungsquelle, vorzugsweise eine RF-Spannungsquelle angeschlossen werden oder angeschlossen sein, wobei ein Steuergerät mit zugehörigen Steuerungsmitteln sowie optional vorgesehene Mittel zur Plasmadiagnostik vorhanden, jedoch nicht dargestellt sind. Das Substrat 3 befindet sich unmittelbar vor der geerdeten Gegenelektrode 7, wobei es sich versteht, dass auch eine andere Verschaltung der Elektroden vorgesehen sein kann. Die Elektroden 5,7 sind vorzugsweise ausgelegt zur Behandlung von Substraten mit einer Fläche von mindestens 1 m² als Behandlungs- oder Bearbeitungsschritt bei der Herstellung von hocheffizienten Dünnschichtsolarmodulen, beispielsweise für amorphe oder mikrokristalline Silizium - Dünnschicht - Solarzellen.1 shows a simplified representation of a plasma apparatus (reactor 1) for the treatment of preferably flat and rectangular substrates 3. The reactor 1 can be designed, for example, as a PECVD reactor. The reactor 1 comprises means for exciting a capacitively coupled DC discharge plasma discharge in a region between an electrode and a counterelectrode, in particular a process space 9 with an electrode 5 and a grounded counter electrode 7, which are designed to produce a plasma for the treatment of a surface to be treated of one or more flat substrates 3. The electrode 5 may be connected to or connected to a high-frequency supply source, preferably an RF voltage source, not shown, wherein a controller with associated control means as well as optionally provided means for plasma diagnostics available, but not shown are. The substrate 3 is located immediately in front of the grounded counter electrode 7, it being understood that a different connection of the electrodes may be provided. The electrodes 5, 7 are preferably designed for treating substrates having an area of at least 1 m ² as a treatment or processing step in the production of highly efficient thin-film solar modules, for example for amorphous or microcrystalline silicon thin-film solar cells.

Die Elektroden 5,7 bilden zwei gegenüberliegende Wände des Prozessraumes 9. Der Prozessraum 9 befindet sich in einer Vakuumkammer 11, die eine Be- und Entladungsöffnung 49 aufweist, welche mit einer Verschlussvorrichtung 35 verschließbar ist. Die Verschlussvorrichtung ist optional. Die Vakuumkammer 11 wird durch ein Gehäuse 13 des Reaktors 1 gebildet. Zur Abdichtung gegenüber der Umwelt sind Dichtungen 15 vorgesehen.The electrodes 5, 7 form two opposite walls of the process space 9. The process space 9 is located in a vacuum chamber 11, which has a loading and unloading opening 49, which can be closed by a closure device 35. The closure device is optional. The vacuum chamber 11 is formed by a housing 13 of the reactor 1. To seal against the environment seals 15 are provided.

Die Vakuumkammer 11 kann eine beliebige Raumform, beispielsweise mit einem runden oder mehreckigen, insbesondere rechteckigen Querschnitt aufweisen. Der Prozessraum 9 ist beispielsweise als flaches Parallelepiped ausgebildet. In einer anderen Ausführungsform ist die Vakuumkammer 11 selbst der Prozessraum 9.The vacuum chamber 11 may have any spatial form, for example, with a round or polygonal, in particular rectangular cross-section. The process space 9 is designed, for example, as a flat parallelepiped. In another embodiment, the vacuum chamber 11 itself is the process space 9.

Die Elektrode 5 ist in einer Haltestruktur 31 in der Vakuumkammer 11 angeordnet, die von der Gehäuserückwand 33 gebildet ist. Dazu ist die Elektrode 5 in einer Ausnehmung der Haltestruktur 31 untergebracht und von der Vakuumkammerwand durch ein Dielektrikum getrennt. Ein Pumpkanal 29 ist durch eine nutförmige zweite Ausnehmung in der Haltestruktur 31 gebildet.The electrode 5 is arranged in a holding structure 31 in the vacuum chamber 11, which is formed by the housing rear wall 33. For this purpose, the electrode 5 is accommodated in a recess of the holding structure 31 and separated from the vacuum chamber wall by a dielectric. A pumping channel 29 is formed by a groove-shaped second recess in the support structure 31.

Das Substrat 3 wird durch die Gegenelektrode 7 auf ihrer der Elektrode 5 zugewandten Vorderseite durch eine Halterung 34 aufgenommen.The substrate 3 is received by the counter electrode 7 on its front side facing the electrode 5 by a holder 34.

Zum Einbringen und zum Entfernen von gasförmigem Material sind an sich bekannte Mittel vorgesehen, wobei es sich bei dem gasförmigen Material beispielsweise um Argon (Ar) und/oder Wasserstoff (H2) handeln kann. Insbesondere sind Mittel zum Transport einer Menge zumindest einer aktivierbaren Gasspezie in einen Bereich der Plasmaentladung mit einem quasineutralen Plasmabulk vorgesehen. Vorzugsweise wird als Gasspezie ein Precursorgas verwendet, welches in einem Plasma schichterzeugende Radikale bildet. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Precursorgas um Silan (SiH₄) das in dem Plasma durch Elektronenstoß den Schichtprecursor SiH3 bildet. Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass als aktivierbare Gasspezie ein Reinigungsgas verwendet wird, beispielsweise NF3. Das Einbringen und Entfernen des gasförmigen Materials kann sowohl sequenziell als auch parallel erfolgen.For the introduction and removal of gaseous material known means are provided, wherein the gaseous material may be, for example, argon (Ar) and / or hydrogen (H2). In particular, means for transporting an amount of at least one activatable gas species into a region of the plasma discharge with a quasineutralen Plasmabulk provided. Preferably, the gas species used is a precursor gas which forms layer-forming radicals in a plasma. Preferably, the precursor gas is silane (SiH ₄ ) which forms the layer precursor SiH ₃ in the plasma by electron impact. In a further embodiment it is provided that a cleaning gas is used as the activatable gas species, for example NF3. The introduction and removal of the gaseous material can take place both sequentially and in parallel.

Als Mittel zum Einbringen von gasförmigem Material ist eine Beschichtungsmaterialquelle 19 mit einem Kanal 23 vorgesehen, die an eine Gasverteilungsvorrichtung angeschlossen sind. Die Gasverteilungsvorrichtung ist in die Elektrode 5 integriert, kann jedoch in anderen Ausführungsformen auch separat von der Elektrode ausgebildet sein. Die Gasverteilungsvorrichtung weist in der vorliegenden Ausführungsform eine Gasaustrittsplatte 25 auf; diese umfasst eine Vielzahl von in den Prozessraum 9 mündenden Öffnungen durch die gasförmiges Material in den Prozessraum 9 eingebracht werden kann. Die Gasverteilungsvorrichtung ist vorzugsweise derart ausgelegt, dass eine homogene Beaufschlagung des Substrats 3 mit Gasspezies erreicht werden kann. Vorzugsweise ist die Vielzahl von Austrittsöffnungen gleichmäßig in der Gasaustrittsplatte 25 verteilt, so dass das gasförmige Material gleichmäßig verteilt in die Prozesskammer 9 geleitet wird.As means for introducing gaseous material, a coating material source 19 with a channel 23 is provided, which are connected to a gas distribution device. The gas distribution device is integrated into the electrode 5, but in other embodiments may also be formed separately from the electrode. The gas distribution device has a gas outlet plate 25 in the present embodiment; this includes a plurality of apertures opening into the process space 9 through which gaseous material can be introduced into the process space 9. The gas distribution device is preferably designed such that a homogeneous loading of the substrate 3 with gas species can be achieved. Preferably, the plurality of outlet openings is uniformly distributed in the gas outlet plate 25, so that the gaseous material is distributed evenly into the process chamber 9.

Es versteht sich, dass die Mittel zum Einbringen von gasförmigem Material auch verschieden von der der Darstellung in Figur 1 ausgebildet sein können, ebenso wie die Gasverteilereinrichtung 25.It is understood that the means for introducing gaseous material can also be formed differently from that of the illustration in FIG. 1, as can the gas distributor device 25.

Der Reaktor 1 umfasst eine Vorrichtung zum Einstellen und/oder Variieren des relativen Abstandes zwischen den Elektroden, welche in der Ausführungsform der Fig. 1 als Schiebebolzen 41 , der mittels einer Lagerplatte 43 eine Linearbewegung in der Vakuumkammer 11 ausführen kann, ausgebildet ist. Der Schiebebolzen 41 ist mit der Elektrode 5 abgewandten Rückseite der Gegenelektrode 7 verbunden. Ein dem Schiebebolzen 41 zugeordneter Antrieb ist nicht dargestellt.The reactor 1 comprises a device for adjusting and / or varying the relative distance between the electrodes, which in the embodiment of FIG. 1 is designed as a sliding bolt 41, which can execute a linear movement in the vacuum chamber 11 by means of a bearing plate 43. The sliding bolt 41 is connected to the back of the counter electrode 7 facing away from the electrode 5. A the pin 41 associated drive is not shown.

In der Darstellung der Fig. 1 ist vorgesehen, dass die Gegenelektrode 7 während der Durchführung der Plasmabehandlung die Ausnehmung abdeckt. Vorzugsweise weist die Gegenelektrode Kontaktelemente 38 für zugeordnete Kontaktelemente 37 der Haltestruktur auf, so dass die Gegenelektrode während der Durchführung der Plasmabehandlung auf dem elektrischen Potential der Vakuumkammer 11 liegt.In the representation of FIG. 1 it is provided that the counter electrode 7 covers the recess during the execution of the plasma treatment. Preferably, the counter electrode has contact elements 38 for associated contact elements 37 of the holding structure, so that the counter electrode is at the electrical potential of the vacuum chamber 11 during the performance of the plasma treatment.

Erfindungsgemäß ist in einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass die Gegenelektrode 7 eine in den Fig. 1 nicht dargestellte Vorrichtung zur Aufnahme von flachen Substraten aufweist, die derart ausgebildet ist, dass das oder die Substrate zumindest während der Durchführung der Behandlung der zu behandelnden oder behandelten Oberfläche nach unten orientiert mit einem Winkel Alpha in einem Bereich zwischen 0° und 90° gegenüber der Lotrichtung angeordnet sind. Bei einer derartigen Anordnung eines Substrats können Kontaminationen der zu behandelnden, insbesondere zu beschichtenden oder beschichteten Oberfläche des Substrats vermieden oder zumindest reduziert werden, da die betreffenden Partikel im Schwerefeld nach unten und sich damit von der gefährdeten Oberfläche entfernen. Es versteht sich, dass in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung die zu behandelnde Oberfläche nach oben orientiert sein kann.According to the invention, it is provided in a further embodiment that the counter electrode 7 is a device, not shown in FIGS Substrates, which is formed such that the substrate or substrates are at least while performing the treatment of the treated or treated surface oriented downward at an angle alpha in a range between 0 ° and 90 ° relative to the direction of the solder are arranged. With such an arrangement of a substrate, contaminations of the surface of the substrate to be treated, in particular to be coated or coated, can be avoided or at least reduced, since the particles in question in the gravitational field move downwards and thus away from the endangered surface. It is understood that in a further embodiment of the invention, the surface to be treated can be oriented upwards.

Bei der Be- oder Entladung der Prozesskammer 9 mit dem Substrat 3 ist ein relativ großer Abstand zwischen Elektrode 5 und Gegenelektrode 7 und eine zweiter relativ geringer Abstand bei Durchführung der Behandlung des Substrats 3 vorgesehen.When loading or unloading the process chamber 9 with the substrate 3, a relatively large distance between the electrode 5 and the counter electrode 7 and a second relatively small distance when carrying out the treatment of the substrate 3 is provided.

Bei der Plasmabehandlung wird mittels einer Hochfrequenzspannung ein Plasma (in Figur 1 nicht dargestellt) in einem Bereich zwischen Elektrode 5 und Gegenelektrode 7, genauer zwischen der Gasaustrittsplatte 25 und dem an der Gegenelektrode 5 gehalterten Substrat 3 angeregt. Zur Plasmabehandlung wird ferner zusätzlich vorzugsweise Reaktionsgas in über die Gasaustrittsplatte 25 homogen verteilt in das Plasma eingebracht. Das Reaktionsgas liegt in einem eine relativ hohe Elektronendichte aufweisenden quasineutralen Plasmabulk der Plasmaentladung zwischen dem zu behandelndem Substrat und der Gasaustrittsplatte 25 als aktivierte Gasspezie vor, mit welcher die zu behandelnde Oberfläche des Substrats 3 beaufschlagt wird.In the plasma treatment, a plasma (not shown in FIG. 1) is excited by means of a high-frequency voltage in a region between electrode 5 and counterelectrode 7, more precisely between gas outlet plate 25 and substrate 3 supported on counterelectrode 5. For the plasma treatment, reaction gas is furthermore preferably additionally introduced homogeneously into the plasma via the gas outlet plate 25. The reaction gas is present in a quasi-neutral plasma bulk of the plasma discharge having a relatively high electron density between the substrate to be treated and the gas outlet plate 25 as an activated gas species, with which the surface of the substrate 3 to be treated is acted upon.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht eine geometrische Asymmetrie zwischen Elektrode 5 und Gegenelektrode 7, da die Flächen der Elektroden unterschiedlich groß gewählt sind, wobei es zur Ausbildung eines geometrischen DC - SeIf - Bias kommt.In the present exemplary embodiment, there is a geometric asymmetry between the electrode 5 and the counter electrode 7, since the areas of the electrodes are chosen to be of different sizes, with the result that a geometric DC-SeiF bias is formed.

Das Steuergerät steuert die Vorrichtung so an, dass sich eine asymmetrische Plasmaentladung einstellt wie im Folgenden dargestellt ist.The controller controls the device so that sets an asymmetric plasma discharge as shown below.

Erfindungsgemäß ist ein Abstand zwischen Substrat 3 (bzw. Oberfläche des Substrats 3) und Gasaustrittsplatte 25 bei der Behandlung vorgesehen, dessen Wert vergleichbar ist mit s = s_e+s_g , wobei se eine Dicke einer Plasmarandschicht vor der Elektrode und s_g eine Dicke einer Plasmarandschicht vor der Gegenelektrode bezeichnet. Ferner kann der besagte Abstand so gewählt sein, dass der quasineutrale Plasmabulk zwischen dem zu behandelndem Oberflächenbereich und der Gegenelektrode eine lineare Ausdehnung dp mit dp <1/3d, dp< max(s_e+S_g) oder d_p < 0.5s aufweist. Als lineare Ausdehnung dp des quasineutralen Plasmabulks wird dabei die Dicke des quasineutralen Plasmabulks parallel zu einem Querschnittsdurchmesser zwischen den gegenüberliegenden Flächen von Gasaustrittsplatte 25 und Substrat 3 bezeichnet.According to the invention, a distance between the substrate 3 (or surface of the substrate 3) and the gas outlet plate 25 is provided during the treatment, the value of which is comparable to s = s _e + s _g , where se is a thickness of a plasma edge layer in front of the electrode and s _{g is} a thickness a plasma edge layer in front of the counter electrode. Furthermore, said quasi-neutral plasma bulk between the surface region to be treated and the counterelectrode can have a linear expansion dp with dp <1 / 3d, dp <max (s _e + S _g ) or d _p <0.5 s. In this case, the thickness of the quasi-neutral plasma bulge becomes parallel as a linear expansion dp of the quasi-neutral plasma bulge to a cross-sectional diameter between the opposite surfaces of the gas outlet plate 25 and substrate 3.

In einem weiteren, zu dem in Figur 1 dargestellten analogen Ausführungsbeispiel, sind Elektrode 5 und Gegenelektrode 7 geometrisch symmetrisch ausgebildet und/oder der DC - SeIf - Bias wird mittels einer geeigneten nicht - harmonischen RF - Anregungsspannung erzeugt, wie im weiteren genauer dargestellt wird.In a further, analogous to the embodiment shown in Figure 1, electrode 5 and counter electrode 7 are formed geometrically symmetrical and / or the DC - SeIf bias is generated by means of a suitable non - harmonic RF excitation voltage, as will be shown in more detail below.

Figur 2 zeigt in vereinfachter Darstellung eine der Figur 1 entsprechende Plasmavorrichtung mit einer Vakuumkammer 100, einer Vakuumkammerwand 102, einem Gaseinlass 104, einem Gasauslass 106, mit einer RF-Spannungsversorgung 120 verbundenen Elektrode 112 und einer geerdeten Gegenelektrode 108. Optional kann der Abstand zwischen Elektrode 112 und Gegenelektrode 110 variiert werden. Zur Ansteuerung der Plasmavorrichtung ist ein Steuergerät 125 vorgesehen. Vorzugsweise ist die Elektrode 112 mit einer integrierten Gasverteilungsvorrichtung versehen, die in Figur 2 jedoch nicht dargestellt ist. Zwischen den Elektroden 108 und 112 wird ein Plasma 114 erzeugt.FIG. 2 shows, in a simplified representation, a plasma apparatus corresponding to FIG. 1 with a vacuum chamber 100, a vacuum chamber wall 102, a gas inlet 104, a gas outlet 106, an electrode 112 connected to an RF power supply 120 and a grounded counterelectrode 108. Optionally, the distance between electrode 112 and counter electrode 110 can be varied. For controlling the plasma device, a control device 125 is provided. Preferably, the electrode 112 is provided with an integrated gas distribution device, which is not shown in FIG. Between the electrodes 108 and 112, a plasma 114 is generated.

Erfindungsgemäß weist das Steuergerät 125 Mittel zur Erzeugung der den DC-Self-Bias aufweisenden Plasmaentladung mittels einer RF-Spannung auf. Eine RF-Spannung wird mittels des RF-Spannungsversorgungssystems 120 erzeugt, wobei die RF-Spannung zwei harmonische Frequenzkomponenten mit vorgegebener relativer Phasenbeziehung zueinander aufweist, wobei die höhere Frequenzkomponente eine geradzahlige harmonische Oberschwingung der niedrigeren Frequenzkomponente ist. Im vorliegenden Beispiel, ist ein Substrat 110 unmittelbar vor der geerdeten Elektrode 108 angeordnet, wobei es sich jedoch versteht dass das Substrat auch vor der Elektrode 112 angeordnet sein könnte - mit einer entsprechenden Anpassung der Gasverteilungsvorrichtung. Es versteht sich weiter, dass auch die elektrische Verschaltung von Elektrode und Gegenelektrode sich von der in Figur 2 gezeigten Darstellung unterscheiden kann; beispielsweise kann in einer weiteren Ausführungsform jeweils eine der erwähnten Frequenzkomponenten an Elektrode beziehungsweise Gegenelektrode angelegt sein.According to the invention, the control device 125 has means for generating the DC self-bias plasma discharge by means of an RF voltage. An RF voltage is generated by means of the RF power supply system 120, the RF voltage having two harmonic frequency components of predetermined relative phase relationship with each other, the higher frequency component being an even harmonic of the lower frequency component. In the present example, a substrate 110 is disposed immediately in front of the grounded electrode 108, however, it should be understood that the substrate could also be located in front of the electrode 112 with a corresponding adjustment of the gas distribution device. It is further understood that also the electrical connection of the electrode and the counterelectrode may differ from the illustration shown in FIG. 2; For example, in one further embodiment, one of the mentioned frequency components may be applied to the electrode or counterelectrode in each case.

Wie in Figur 2 dargestellt ist, bilden sich zwischen dem Plasma 114 und Oberflächen, die dem Plasma ausgesetzt sind, Plasmarandschichten 116, 118, 119, in deren Bereich der Großteil des Spannungsabfalls auftritt, während nur ein geringer Spannungsabfall im Bereich des quasineutralen Plasmabulks erfolgt. Erfindungsgemäß wird durch die angelegte RF- Spannung ein DC-Self-Bias erzeugt, der eine Asymmetrie in den Plasmarandschichten 118 und 119 vor Elektrode 112 und Gegenelektrode 108 erzeugt, so dass die Dicke der Plasmarandschicht S_E der Elektrode unterschiedlich von der Dicke der Plasmarandschicht S_G vor der Gegenelektrode ist. Eine detaillierte Beschreibung dieses Verfahrens sowie korrespondierender Vorrichtungen zur Erzeugung des DC-Self-Bias sind der oben genannten PCT/EP 2008/059133 zu entnehmen.As shown in Figure 2, between the plasma 114 and surfaces exposed to the plasma, plasma marginal layers 116, 118, 119 form, in the region of which most of the voltage drop occurs, while only a small voltage drop occurs in the region of the quasi-neutral plasma bulge. According to the invention, a DC self-bias is generated by the applied RF voltage, which produces an asymmetry in the plasma boundary layers 118 and 119 in front of electrode 112 and counterelectrode 108, such that the thickness of the plasma edge layer S _{E of} the electrode differs from the thickness of the plasma boundary layer S _{G is in} front of the counter electrode. A detailed description of this procedure as well Corresponding devices for generating the DC self-bias can be found in the above-mentioned PCT / EP 2008/059133.

Erfindungsgemäß kann durch Variation der Phasenbeziehung zwischen den zwei Frequenzkomponenten der Spannungsabfall an Elektrode und Gegenelektrode beziehungsweise Substratoberfläche variiert werden, dem auch bei geometrisch symmetrischen Elektroden eine Asymmetrie der jeweiligen Plasmarandschichten entspricht.According to the invention, by varying the phase relationship between the two frequency components, the voltage drop across the electrode and counterelectrode or substrate surface can be varied, which also corresponds to an asymmetry of the respective plasma edge layers in the case of geometrically symmetrical electrodes.

In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Steuergerät 120 Mittel zur Eingabe einer gewünschten lonenenergie und/oder eines gewünschten lonenstroms im Bereich der Substratoberfläche. Ferner sind Steuermittel zur Einstellung einer Leistungsdichte des Plasmas und Mittel zu Einstellung einer Amplitude und/oder relativen Phasenbeziehung der harmonischen Frequenzkomponenten der RF-Spannung zur Einstellung der lonenenergie des Plasmas und/oder des lonenflusses des Plasmas sowie Mittel zur Steuerung der Amplitude und/oder relativen Phasenbeziehung der harmonischen Frequenzkomponenten der RF-Spannung vorgesehen.In one embodiment of the invention, the control device 120 comprises means for inputting a desired ion energy and / or a desired ion current in the region of the substrate surface. Further, control means for adjusting a power density of the plasma and means for adjusting an amplitude and / or relative phase relationship of the harmonic frequency components of the RF voltage for adjusting the ion energy of the plasma and / or the ion flux of the plasma and means for controlling the amplitude and / or relative Phase relationship of the harmonic frequency components of the RF voltage provided.

Das Steuergerät 125 ist mit Mitteln zur Plasmadiagnostik 126 zur Ermittlung von jeweils vorliegenden Werten der Dicke der Plasmarandschicht vor Elektrode se und Substratoberfläche sg verbunden. Ferner kann mit den Mitteln 126 optional auch die lineare Ausdehnung dp des quasineutralen Plasmabulks gemessen werden. Die Messwerte sind als Eingangswerte dem Steuergerät zuführbar.The control unit 125 is connected to means for plasma diagnostics 126 for determining respective values of the thickness of the plasma boundary layer in front of the electrode surface and the substrate surface sg. Furthermore, the means 126 can optionally also be used to measure the linear expansion dp of the quasi-neutral plasma bulge. The measured values can be fed to the control unit as input values.

Für den Fall einer AnregungsspannungIn the case of an excitation voltage

V _AC(t) = 315 (cos (2π/t +θ) + cos (4π/t))V _AC (t) = 315 (cos (2π / t + θ) + cos (4π / t))

wobei f=13,56 mHz ist und θ die Phasendifferenz zwischen den beiden harmonischen Komponenten von V_AC bezeichnet, sind in der PCT/EP 2008/059133 Monte-Carlo- Simulationen des Spannungsabfalls zwischen Elektrode und Gegenelektrode vorgenommen worden. Es konnte dabei gezeigt werden, dass bei einer geerdeten Gegenelektrode für θ = 0, der Spannungsabfall auf Grund des mit der angegebenen RF-Spannung erzeugten DC- Self-Bias an der Substratsoberfläche geringer ist, als an der Elektrode. Dem entspricht eine geringere Energie, der die Substratoberfläche als die Elektrode beaufschlagenden Ionen. Bei einer relativen Phasendifferenz von θ = π/2 zwischen den beiden harmonischen Frequenzkomponenten kehren sich die Verhältnisse um: in diesem Fall ist der Spannungsabfall an der Substratoberfläche höher als der Spannungsabfall an der Elektrode und dementsprechend die Energie, der die Substratoberfläche beaufschlagenden Ionen höher als die Energie der Ionen, die die Elektrode beaufschlagen. Bei einer symmetrischen Quellenfunktion, d.h. f(-x) = f(x) ergeben sich hingegen bis auf die Vorzeichen immer gleiche Werte für die beiden Integrale und das Verhältnis der Flüsse ist exakt eins.where f = 13.56 mHz and θ denotes the phase difference between the two harmonic components of V _AC , PCT / EP 2008/059133 Monte Carlo simulations of the voltage drop between electrode and counter electrode have been made. It could be shown that with a grounded counterelectrode for θ = 0, the voltage drop due to the DC self-bias generated at the specified RF voltage is lower at the substrate surface than at the electrode. This corresponds to a lower energy, the substrate surface acting as the electrode ions. With a relative phase difference of θ = π / 2 between the two harmonic frequency components, the conditions are reversed: in this case, the voltage drop across the substrate surface is higher than the voltage drop across the electrode and, accordingly, the energy of the ions impinging on the substrate surface is higher than that Energy of the ions that act on the electrode. With a symmetric source function, ie f (-x) = f (x), the same values always result for the two integrals, except for the signs, and the ratio of the flows is exactly one.

Figur 3 ist am Beispiel einer Plasmabeschichtung mit Silan ohne DC-Self-Bias (Figur 3A) und mit DC-Self-Bias (Figur 3B) das elektrische Potential U (jeweils untere Kurve, linke Ordinate) sowie eine Elektronendichte ne, der eine Konzentration der aktivierten Gasspezie [SiH₃ ] entspricht (jeweils obere Kurve, rechte Ordinate) dargestellt. Werte der x-Achse entsprechen jeweils Orten zwischen Elektrode und Gegenelektrode, wobei der Wert x = 0 der Oberfläche des Substrats und x= d der Oberfläche der Elektrode entsprechen. Ferner ist in Figuren 3A und 3B jeweils bei x = 0 und x = d eine Beschichtungsrate Bs bzw. Be beziehungsweise die innerhalb eines Zeitintervalls erreichte Beschichtungsdicke auf der Substratoberfläche (links) beziehungsweise der Oberfläche der Elektrode (rechts) veranschaulicht.FIG. 3 is the example of a plasma coating with silane without DC self-bias (FIG. 3A) and with DC self-bias (FIG. 3B) the electric potential U (lower curve, left ordinate) as well as an electron density, which is a concentration the activated gas species [SiH ₃ ] corresponds to each (upper curve, right ordinate). Values of the x-axis correspond respectively to locations between the electrode and the counterelectrode, the value x = 0 corresponding to the surface of the substrate and x = d to the surface of the electrode. Further, in FIGS. 3A and 3B, at x = 0 and x = d, a coating rate Bs and Be, respectively, and the coating thickness reached within a time interval are illustrated on the substrate surface (left) and the surface of the electrode (right), respectively.

Das Beschichtungsgas Silan wird vorzugsweise über eine in die Elektrode integrierte Gasverteilungsvorrichtung homogen in den Bereich zwischen Elektrode und Substrat eingebracht. Der Abstand d ist so klein gewählt, dass sein Wert vergleichbar s=se+sg ist.The coating gas silane is preferably introduced homogeneously into the region between the electrode and the substrate via a gas distribution device integrated into the electrode. The distance d is chosen so small that its value is comparable s = se + sg.

In Figur 3a ist für den Fall einer Plasmaentladung ohne DC-Self-Bias zu erkennen, dass der quasineutrale Plasmabulk in wesentlichen symmetrisch in dem Bereich zwischen Elektrode und der Substratoberfläche positioniert ist. Dieser Position des quasineutralen Plasmabulks entspricht, dass der Bereich mit der höchsten Konzentration an aktivierten Gasspezie [SiH₃], entsprechend dem nach unten gerichteten Pfeil der oberen Kurve, gleichen Abstand von Elektrode und Substratoberfläche aufweist. Elektrode und Substratoberfläche werden daher mit in wesentlichen gleicher Rate von den aktivierten Gasspezie beaufschlagt, mit der Folge einer gleich starken Beschichtung von Elektrode und Substratoberfläche.In the case of a plasma discharge without DC self-bias, it can be seen in FIG. 3a that the quasineutral plasma bulk is positioned substantially symmetrically in the region between the electrode and the substrate surface. This position of the quasineutral plasma bulge corresponds to the area with the highest concentration of activated gas species [SiH ₃ ] corresponding to the downward arrow of the upper curve having the same distance from the electrode and the substrate surface. Electrode and substrate surface are therefore acted upon at substantially the same rate by the activated gas species, with the result of an equally strong coating of electrode and substrate surface.

In Figur 3b ist im Vergleich dargestellt, dass der Bereich des quasineutralen Plasmabulks in Richtung auf die Substratoberfläche verschoben ist. Dem entsprechen ein geringerer Potentialabfall an der Substratoberfläche und ein höherer Potentialabfall an der Elektrode. Der Bereich der höchsten Konzentration an aktivierten Gasspezie [SiH₃] ist gleichfalls zur Substratoberfläche verschoben und weist daher einen größeren Abstand von der Elektrodenoberfläche auf. Dem entsprechend weist die Substratoberfläche eine höhere Beschichtungsrate Bs gegenüber der Beschichtungsrate Be der Elektrode auf. BezugszeichenlisteIn FIG. 3b, it is shown in comparison that the area of the quasi-neutral plasma bulge is shifted in the direction of the substrate surface. This corresponds to a lower potential drop at the substrate surface and a higher potential drop at the electrode. The region of highest concentration of activated gas species [SiH ₃ ] is also shifted to the substrate surface and therefore has a greater distance from the electrode surface. Accordingly, the substrate surface has a higher coating rate Bs than the coating rate Be of the electrode. LIST OF REFERENCE NUMBERS

I Plasmavorrichtung, Reaktor 3 SubstratI plasma device, reactor 3 substrate

5 erste Elektrode5 first electrode

7 zweite Elektrode, Gegenelektrode7 second electrode, counter electrode

9 Prozessraum9 process room

I 1 Vakuumkammer 13 GehäuseI 1 vacuum chamber 13 housing

15 Dichtung15 seal

18 Vakuumleitungen18 vacuum lines

19 Beschichtungsmaterialquelle 1 Oberfläche 3 Kanal 5 Gasaustrittsplatte 7 Verschlussvorrichtung 9 Pumpkanal 1 Trennwand 3 Gehäuserückwand 4 Halterung 5 Verschlussvorrichtung 7 Kontaktstelle 8 Kontaktstelle 9 Doppelpfeil 1 Schiebebolzen 3 Lagerplatte 5 Gehäusewand 7 Doppelpfeil 9 Öffnung 00 Plasmavorrichtung 02 Kammerwand 04 Gaseinlass 06 Gasaustrittsöffnung 08 Elektrode 10 Substrat 12 Gegenelektrode 14 Plasma 16 Plasmarandschicht 18 Plasmarandschicht 119 Plasmarandschicht19 Coating material source 1 Surface 3 Channel 5 Gas outlet plate 7 Shutter 9 Pump channel 1 Partition wall 3 Rear wall 4 Bracket 5 Locking device 7 Contact point 8 Contact point 9 Double arrow 1 Slide bolt 3 Bearing plate 5 Housing wall 7 Double arrow 9 Opening 00 Plasma device 02 Chamber wall 04 Gas inlet 06 Gas outlet opening 08 Electrode 10 Substrate 12 Counter electrode 14 Plasma 16 Plasma sand layer 18 Plasma sand layer 119 plasma sand layer

120 Spannungsversorgungssystem120 power supply system

125 Steuergerät125 control unit

126 Mittel zur Plasmadiagnostik 126 Plasma diagnostics

Claims

Patentansprüche claims

1. Verfahren zur Plasmabehandlung eines Substrats in einer Plasmavorrichtung, wobeiA method of plasma treating a substrate in a plasma apparatus, wherein

das Substrat zwischen einer Elektrode und einer Gegenelektrode mit einem Abstand d zwischen einem zu behandelnden Oberflächenbereich des Substrats und der Elektrode angeordnet wird,the substrate is disposed between an electrode and a counter electrode at a distance d between a surface region of the substrate to be treated and the electrode,

zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode eine eine kapazitiv gekoppelte Plasmaentladung mit Bildung eines DC- SeIf - Bias angeregt wird,a capacitively coupled plasma discharge is excited between the electrode and the counterelectrode with formation of a DC Seif bias,

in einem Bereich der Plasmaentladung zwischen dem zu behandelnden Oberflächenbereich und der Elektrode mit einem quasineutralen Plasmabulk eine Menge zumindest einer aktivierbaren Gasspezie vorliegt, mit welcher ein zu behandelnder Oberflächenbereich des Substrats beaufschlagt wird,in an area of the plasma discharge between the surface area to be treated and the electrode having a quasi-neutral plasma bulk, an amount of at least one activatable gas species is present, with which a surface area of the substrate to be treated is applied;

dadurch gekennzeichnet, dass eine Plasmaentladung angeregt wird,characterized in that a plasma discharge is excited,

bei der der Abstand d einen Wert in einem Bereich zwischen s und 2.5s aufweist, mit s = se+sg, wobei se eine Dicke einer Plasmarandschicht vor der Elektrode und sg eine Dicke einer Plasmarandschicht vor der zu behandelnden Substratoberfläche bezeichnet oderwherein the distance d has a value in a range between s and 2.5s, where s = se + sg, where se denotes a thickness of a plasma edge layer in front of the electrode and sg a thickness of a plasma edge layer in front of the substrate surface to be treated

bei der der quasineutrale Plasmabulk zwischen dem zu behandelndem Oberflächenbereich und der Elektrode eine lineare Ausdehnung dp mit dp < 1/3d, dp< max( se+sg) oder dp < 0.5s aufweist.in which the quasineutral plasma bulk between the surface area to be treated and the electrode has a linear expansion dp with dp <1 / 3d, dp <max (se + sg) or dp <0.5s.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die relative Lage eines geometrischen Schwerpunktes des quasineutralen Plasmabulks zwischen Elektrode und Gegenelektrode in Abhängigkeit von einem Wert des Abstandes d und/oder des DC - SeIf - Bias eingestellt oder verändert wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the relative position of a geometric center of gravity of the quasineutralen Plasmabulks between electrode and counter electrode is set or changed in dependence on a value of the distance d and / or the DC - SeIf - bias.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage des besagten geometrischen Schwerpunktes in Richtung der besagten zu behandelnden Oberfläche relativ zur Lage des besagten Schwerpunktes bei einer Plasmaentladung ohne DC-Self-Bias verschoben wird. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the position of said geometric center of gravity in the direction of the said surface to be treated relative to the position of said center of gravity is shifted in a plasma discharge without DC self-bias.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmabehandlung eine Plasmabeschichtung, eine Oberflächenmodifikation oder ein Ätzen des Substrats umfasst.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the plasma treatment comprises a plasma coating, a surface modification or etching of the substrate.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aktivierung der Gasspezie durch Radikalenbildung vorzugsweise im Bereich des quasineutralen Plasmabulks erfolgt.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that an activation of the gas species by radical formation is preferably carried out in the region of the quasineutralen Plasmabulks.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als aktivierbare Gasspezie ein Precursorgas verwendet wird, welches in einem Plasma schichterzeugende Radikale bilden kann.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a Precursorgas is used as the activatable Gasspezie, which can form in a plasma layer-forming radicals.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass als aktivierbare Gasspezie ein Reinigungsgas verwendet wird, welches in einem Plasma reaktive Radikale bilden kann.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a cleaning gas is used as the activatable gas species, which can form reactive radicals in a plasma.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine aktivierbare Gasspezie mittels einer Elektrode, welche eine Gasverteilereinrichtung mit einer Vielzahl von Austrittsöffnungen für Gas umfasst, in den Bereich zwischen Elektrode und Gegenelektrode transportiert wird.8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that at least one activatable gas species is transported by means of an electrode, which comprises a gas distribution device with a plurality of outlet openings for gas, in the region between the electrode and the counter electrode.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des DC-Self-Bias eine geometrische Asymmetrie von Elektrode und Gegenelektrode vorgesehen ist.9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that for generating the DC self-bias, a geometric asymmetry of the electrode and the counter electrode is provided.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des DC-Self-Bias, vorzugsweise bei einer geometrischen Symmetrie von Elektrode und Gegenelektrode, eine RF-Spannung verwendet wird, welche zumindest zwei harmonische Frequenzkomponenten mit vorgegebener relativer Phasenbeziehung zueinander aufweist, wobei zumindest eine der höheren Frequenzkomponenten eine geradzahlige harmonische Oberschwingung einer niedrigeren Frequenzkomponente ist.10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that for generating the DC self-bias, preferably at a geometric symmetry of the electrode and counter electrode, an RF voltage is used which has at least two harmonic frequency components with a predetermined relative phase relationship to each other wherein at least one of the higher frequency components is an even harmonic of a lower frequency component.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der DC-Self-Bias in Abhängigkeit von der relativen Phasenbeziehung zwischen den zumindest zwei harmonischen Frequenzkomponenten und / oder den Amplituden der zumindest zwei harmonischen Frequenzkomponenten der RF-Spannung verändert wird. 11. The method according to claim 10, characterized in that the DC self-bias is changed depending on the relative phase relationship between the at least two harmonic frequency components and / or the amplitudes of the at least two harmonic frequency components of the RF voltage.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der relative Phasenbeziehung zwischen den zumindest zwei harmonischen Frequenzkomponenten eine Einstellung eines relativen Verhältnisses von lonenenergien an Elektrode und Gegenelektrode erfolgt.12. The method according to any one of claims 10 or 11, characterized in that depending on the relative phase relationship between the at least two harmonic frequency components, a setting of a relative ratio of ion energies at the electrode and counter electrode takes place.

13. Vorrichtung zur Plasmabehandlung eines Substrats, umfassend13. An apparatus for plasma treatment of a substrate, comprising

Mittel zur Anregung einer kapazitiv gekoppelten, einen DC- SeIf - Bias aufweisenden Plasmaentladung in einem Bereich zwischen einer Elektrode und einer Gegenelektrode sowieMeans for exciting a capacitively coupled plasma discharge having a DC bias bias in a region between an electrode and a counter electrode;

Mittel zum Transport einer Menge zumindest einer aktivierbaren Gasspezie in einen Bereich der Plasmaentladung mit einem quasineutralen Plasmabulk, wobeiMeans for transporting a quantity of at least one activatable gas species into a region of the plasma discharge with a quasineutralen Plasmabulk, wherein

das Substrat zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode mit einem Abstand d zwischen einem zu behandelnden Oberflächenbereich des Substrats und der Elektrode angeordnet ist oder anordenbar istthe substrate is disposed or disposable between the electrode and the counter electrode at a distance d between a surface region of the substrate to be treated and the electrode

dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuergerät zur Ansteuerung der Vorrichtung vorgesehen ist, so dass sich eine Plasmaentladung einstelltcharacterized in that a control device is provided for controlling the device, so that sets a plasma discharge

bei der der Abstand d einen Wert in einem Bereich zwischen s und 2.5s aufweist, mit s = se+sg , wobei se eine Dicke einer Plasmarandschicht vor der Elektrode und sg eine Dicke einer Plasmarandschicht vor der zu behandelnden Substratoberlfäche bezeichnet oderwherein the distance d has a value in a range between s and 2.5s, where s = se + sg, where se denotes a thickness of a plasma edge layer in front of the electrode and sg a thickness of a plasma edge layer in front of the substrate surface to be treated

bei der der quasineutrale Plasmabulk zwischen dem zu behandelndem Oberflächenbereich und der Elektrode eine lineare Ausdehnung dp mit dp < 1/3d, dp< max( se+sg) oder dp < 0.5s aufweist.in which the quasineutral plasma bulk between the surface area to be treated and the electrode has a linear expansion dp with dp <1 / 3d, dp <max (se + sg) or dp <0.5s.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Einstellung des Abstandes d vorgesehen ist.14. The apparatus according to claim 13, characterized in that a device for adjusting the distance d is provided.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode eine Gasverteilereinrichtung mit einer Vielzahl von Austrittsöffnungen für Gas umfasst, mit der zumindest eine aktivierbare Gasspezie in den Bereich zwischen Elektrode und Gegenelektrode transportierbar ist. 15. The apparatus of claim 13 or 14, characterized in that the electrode comprises a gas distributor device with a plurality of outlet openings for gas, with which at least one activatable gas species in the region between the electrode and the counter electrode is transportable.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät Mittel zur Erzeugung der den DC-Self-Bias aufweisenden Plasmaentladung mittels einer RF-Spannung umfasst, wobei die RF-Spannung zumindest zwei harmonische Frequenzkomponenten mit vorgegebener relativer Phasenbeziehung zueinander aufweist und zumindest eine der höheren Frequenzkomponenten eine geradzahlige harmonische Oberschwingung einer niedrigeren Frequenzkomponente ist.16. Device according to one of claims 13 to 15, characterized in that the control device comprises means for generating the DC self-bias having plasma discharge by means of an RF voltage, wherein the RF voltage at least two harmonic frequency components with predetermined relative phase relationship to each other and at least one of the higher frequency components is an even harmonic of a lower frequency component.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät umfasst17. Device according to one of claims 13 to 16, characterized in that the control unit comprises

Mittel zur Eingabe einer gewünschten lonenenergie und/oder eines gewünschten lonenstroms zur Beaufschlagung einer zu behandelnden SubstratoberflächeMeans for inputting a desired ion energy and / or a desired ion current for acting on a substrate surface to be treated

Steuermittel zur Einstellung einer Leistungsdichte des PlasmasControl means for adjusting a power density of the plasma

Mittel zu Einstellung einer Amplitude und/oder relativen Phasenbeziehung der harmonischen Frequenzkomponenten einer RF-Spannung zur Einstellung der lonenenergie des Plasmas und/oder des lonenflusses des PlasmasMeans for adjusting an amplitude and / or relative phase relationship of the harmonic frequency components of an RF voltage to adjust the ion energy of the plasma and / or the ion flux of the plasma

Mittel zur Steuerung der Amplitude und/oder relativen Phasenbeziehung der harmonischen Frequenzkomponenten der RF-Spannung.Means for controlling the amplitude and / or relative phase relationship of the harmonic frequency components of the RF voltage.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch dass zur Ermittlung von jeweils vorliegenden Werten der Dicke der Plasmarandschicht vor Elektrode se und Substratoberfläche sg und/oder der linearen Ausdehnung dp des quasineutralen Plasmabulks Mittel zur Plasmadiagnostik vorgesehen sind, die als Eingangswerte dem Steuergerät zuführbar sind. 18. Device according to one of claims 13 to 17, characterized in that for the determination of respectively present values of the thickness of the plasma edge layer before the electrode se and substrate surface sg and / or the linear expansion dp of the quasi-neutral plasma bulb means for plasma diagnostics are provided as the input values to the control unit can be fed.