WO2003012164A1 - Verfahren zur herstellung beschichteter substrate - Google Patents

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WO2003012164A1
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substrate
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plasma
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Jürgen RAMM
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Unaxis Balzers Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the present invention relates to a method for the production of material-loaded substrates, in which a) at least one substrate is introduced into an evacuated vacuum recipient; b) the surface of the substrate to be acted upon is exposed to a reactive gas which is adsorbed on the surface; c) the exposure of the surface to the reactive gas is ended; d) the reactive gas adsorbed on the surface is reacted.
  • the surface of the substrate to be coated is exposed to a first reactive gas, which is adsorbed on the surface mentioned. Subsequent pumping of the reactive gas ends the exposure of the surface to the reactive gas.
  • a second reactive gas is then admitted and an electromagnetic one in the recipient by means of a coil arrangement provided outside the vacuum recipient
  • Radio frequency field generated As a result, at least part of the second reactive gas admitted becomes radicals activated, and the first reactive gas adsorbed on the surface is reacted exclusively with the radicals mentioned, generated by the action of high-frequency fields.
  • material loading because the monolayer mentioned does not have to be stored as a closed layer in the sense of a layer, but the density of deposited atoms can be far lower than is necessary for the formation of a closed layer.
  • the material can be applied in such a way that a closed monolayer is formed, then in the sense of a layer.
  • the adsorbed reactive gas is reacted at least with the help of plasma-generated ions and electrons.
  • the adsorbed gas is reacted exclusively by radicals which are electrically neutral by definition
  • the reactive gas adsorbed on the surface is in any case reacted gently by the action of low-energy plasma discharge-generated ions and electrons. This gives the possibility to actually stabilize the adsorbed gas even without the action of radicals on the surface of a further reactive gas, only by "gentle" interaction with low-energy noble gas ions and electrons or by the same action by other reactive gas ions.
  • the ion energy Ei on the surface of the substrate is further on the area
  • the adsorbed reactive gas can also be a reactive gas mixture.
  • the plasma discharge is then either in a
  • This further reactive gas or gas mixture preferably contains at least one of the following gases:
  • Hydrogen nitrogen, oxygen, preferably hydrogen, or it consists of hydrogen gas.
  • the vacuum recipient is evacuated to a pressure p v , for which the following applies:
  • the reactive gas or gas mixture which is to be adsorbed on the surface is admitted up to a partial pressure p p , for which the following applies: 10 -4 mbar ⁇ p p ⁇ 1 mbar.
  • the amount of reactive gas or gas mixture adsorbed on the surface can be controlled by the time between exposing the surface mentioned and ending this exposure.
  • an exponential function running towards a saturation value can be assumed, with a time constant that characterizes the dynamics of the saturation. This time constant can be controlled if necessary by heating or cooling the surface.
  • the exposure of the surface to the reactive gas or reactive gas mixture to be adsorbed is ended by transferring the substrate from the evacuated vacuum recipient with the reactive gas or gas mixture to a further evacuated vacuum recipient.
  • the remaining process steps are carried out in the further evacuated vacuum recipient.
  • Gas adsorption serves and thus remains contamination-free, while the further vacuum recipient is used for the plasma discharge reaction of the adsorbed gas.
  • a further vacuum recipient centrally for the further plasma discharge treatment of the substrates, which may have previously adsorbed different reactive gases or reactive gas mixtures, in specific “adsorption” recipients grouped around the central, further vacuum recipient.
  • Complex layer systems consisting of a large number of different atomic monolayers can thus be built up layer by layer.
  • the same second reactive gas or reactive gas mixture can be used for the sequential deposition of different or identical atomic monolayers in the central plasma reaction recipient using the low-energy discharge mentioned, namely particularly preferably nitrogen and / or hydrogen and / or oxygen, particularly preferably hydrogen ,
  • the further vacuum recipients for the reaction of the adsorbed reactive gases or gas mixtures in plasmas can also be assigned to an "adsorption" recipient, especially if the adsorption step is shorter in time than the reaction step in plasma.
  • the exposure of the surface to the reactive gas or reactive gas mixture to be adsorbed is ended by pumping off the remaining reactive gas or gas mixture from the evacuated vacuum recipient. This pumping is preferably carried out until a total pressure p v 'is reached in the vacuum recipient, for which the following applies:
  • the completion of the adsorption step is realized by transferring the substrate into a further vacuum recipient, apart from the rare gas partial pressure and / or partial pressure of a second reactive gas or gas mixture, the aforementioned residual gas ultra-high vacuum Pressure ratios set.
  • the reaction of the adsorbed reactive gas or gas mixture with the help of plasma-generated ions and electrons is not time-critical, due to the use of the low-energy plasma of the type mentioned. This process is, at least approximated, again exponentially at an asymptotic value. If the plasma treatment is maintained for at least a predetermined minimum period of time, this treatment can then be maintained without significantly impairing the then closed atom monolayer. This has significant advantages for the automation and clocking of the method according to the invention, for example embedded in a complex sequence of additional surface treatment steps.
  • process step d 2 depending on the amount of adsorption (controlled by exposure time) and / or the amount of gas atoms available for adsorption and the effect of plasma (plasma treatment time and / or intensity) and / or Utilization of a second reactive gas or gas mixture (formation of radicals and ions) of a differently dense atom monolayer up to a closed atom monolayer. If no closed atom monolayer is aimed for, there is the possibility, practically in the sense of an implantation or vaccination technique on the substrate surface or an already deposited closed atom monolayer, only "isolated" atoms of the same type as that of the base or other type or to store other material.
  • At least process steps b) to d 2 ) are carried out at least twice, as a result of which at least two atomic monolayers are placed one above the other.
  • the surface adsorbed reactive gases or gas mixtures can be changed from monolayer to monolayer, as can second reactive gases or gas mixtures used in the plasma discharge atmosphere, so that different layers can be specifically stored as monolayers. If an epitaxial layer is sought, a hetero-epitaxial layer is created. If the same material is deposited in all layers, homoepitaxy arises during epitaxial growth.
  • step d 2 after step d 2 ) has been carried out at least once, be it for the first time or, if the cycles b) to d 2 ) are repeated several times, another Applying material to the resulting surface using any of the known coating methods, be they vacuum, wet chemical or galvanic.
  • this surface is exposed to a low-energy noble gas plasma, preferably argon plasma, with an ion energy on the surface mentioned, for which:
  • the surface of a low-energy plasma discharge in an atmosphere which is another Contains reactive gas, exposed the following applies to the ion energy E I2 on the substrate surface:
  • defined surface conditions are created on the surface which is subsequently gas-adsorbing, and the surface mentioned is also cleaned.
  • This is particularly the case in preferred use, as another reactive gas, at least one of the gases hydrogen, nitrogen or oxygen. It is particularly preferred to use a hydrogen-containing atmosphere, preferably an atmosphere which may or may not be adjacent to an
  • Noble gas such as argon in particular, consists of hydrogen.
  • the adsorbed gases made steps preferably after the 'gas adsorption and reaction.
  • the surface is exposed to a low-energy noble gas plasma, preferably argon plasma, with an ion energy E ⁇ 3 on the surface of
  • the surface is subjected to a low-energy plasma discharge in an atmosphere which contains a further reactive gas or reactive gas mixture, the L0 ion energy E r on the substrate surface being:
  • At least one of the gases hydrogen, nitrogen, oxygen is preferably used as a further reactive gas, in particular using hydrogen.
  • the plasma discharge is also maintained in a reactive gas or reactive gas mixture for reacting the adsorbed reactive gas, in particular with at least one of the gases hydrogen, Nitrogen or oxygen, very particularly preferably with at least a dominant hydrogen content, is then also used to clean the inner surfaces of the vacuum recipient at the same time, and in a faster, cleaner and more defined manner than would be possible by pumping alone.
  • the state of the subsequently gas-adsorbing surface is at least also influenced. This also influences whether an epitaxial deposition will result, or an amorphous or polycrystalline, with unpurified, amorphous, polycrystalline substrate surface.
  • the relevant on-axis characteristic can also be influenced by the substrate surface temperature.
  • This separation is therefore carried out either while the surface to be coated is exposed to the reactive gas or gas mixture for absorption - until the end of this exposure - and / or during the reaction of the adsorbed gas.
  • the basic finding is that a functional separation of structures, which ensure the required vacuum-technical pressure conditions in relation to ambient pressure, on the one hand, and from structures that. are directly exposed to the treatment process, on the other hand, with regard to the high purity requirements and / or optimal integration of the method according to the invention into an automated production process, brings significant advantages.
  • a substrate is coated with a dielectric, in particular Si0 2 layer.
  • channels with a depth to width ratio of, for example, 1:10, for example with a width of 50 n, are let into the layer made of the dielectric material mentioned.
  • These channels are supposed to with an electrically conductive material, in particular with copper, to form, for example, galvanically filled to form so-called "interconnects".
  • the deposition of copper in particular on dielectric surfaces is extremely problematic in terms of adhesion.
  • a liner comprising only a few atom monolayers is deposited on the surface of the dielectric layer, including the channels, as an adhesion-promoting layer between the dielectric material and the electrically conductive material.
  • the substrate surface (possibly including the substrate coating surface) is cleaned before the absorption step and / or after the adsorbed reactive gas or gas mixture has reacted by using a plasma-assisted cleaning step in the reactive gas let into a cleaning process space or gas mixture - preferably containing at least hydrogen - by means of a low-energy plasma discharge with an ion energy E r on the substrate surface of
  • the method according to the invention comprising this at least one cleaning step is carried out during the cleaning step
  • the process phases from steps b) and c) on the one hand and / or d) to d 2 ) used according to the invention are preferably carried out in a process atmosphere which is made of dielectric material from the usually metallic wall is separated, which is due to ambient pressure, it can be seen that the last-mentioned procedure, for the cleaning steps mentioned, cheaper solutions are used. It should be noted that, in particular, a cleaning step before the substrate surfaces are exposed for the first time to reactive gas or reactive gas mixture to be adsorbed can lead to well-known recipient wall contamination.
  • a single atomic monolayer is deposited on the surface by a single sequence of steps a) to d 2 ), possibly with a specifically set density up to a closed location.
  • a multilayer, for example epitaxial, layer is grown by repeating steps b) to d 2 ). If the same reactive gas or reactive gas mixture to be adsorbed is used in each case, this leads - in the case of single-crystal, cleaned surface - to epitaxial growth, to a homoepitaxial layer; if the reactive gas to be adsorbed is changed in each case after a predetermined number of deposited monolayers, this leads to extremely thin heteroepitaxial ones Layers.
  • Process space of the vacuum recipient is subjected to a plasma-assisted process space cleaning step without an introduced substrate or possibly with a dummy dummy in the vacuum recipient, which process space cleaning step preferably comprises only an etching step, then a cleaning step, preferably in a plasma with hydrogen, an inert gas or a mixture thereof.
  • step a) and / or after step d 2 one proceeds before step a) and / or after step d 2 ), locally from the mentioned
  • Vacuum recipient separated, a substrate cleaning step wherein the transport of the substrate between the vacuum recipient mentioned and a cleaning recipient is carried out in vacuum.
  • This transport is preferably carried out linearly, at least in parts, or — and this is particularly preferred — along a circular path with linear feed movements to the recipients mentioned, preferably with a movement component that is radial with respect to the circular path.
  • the process atmosphere is separated during the phases with steps b) and c) and / or d) to d 2 ) from the inner wall of a vacuum recipient lying in the vicinity, by means of an im
  • New state chemically against the reactive gas or gas mixture to be adsorbed and / or against a second, plasma-activated reactive gas or gas mixture inert surface, preferably by means of a dielectric or graphitic surface.
  • the inert surface is designed as the surface of a partition wall, which is spaced along predominant surface sections from the inner wall of the vacuum recipient.
  • the surface for separation, when new, is preferably made from at least one of the following materials:
  • the plasma discharge with an electron source with electron energy ⁇ 50 eV in particular, preferably implemented by means of a DC discharge.
  • the cathode anode section for the plasma discharge is arranged essentially perpendicularly and preferably centrally to the surface mentioned.
  • a magnetic field is generated in the process space during the generation of the plasma discharge and by means of this field the plasma density distribution along the surface is adjusted or controlled in a stationary and / or dynamic manner.
  • the plasma density distribution is preferably wobbled at least locally, with the effect of when the substrate held stationary in the plasma moved with respect to the discharge.
  • the reactive gas or gas mixture to be adsorbed is preferably distributed into the process space, preferably with an inflow direction in the essentially parallel to the substrate surface and, more preferably, with injection points equidistant from the substrate surface.
  • the substrate is formed by a silicon oxide-coated substrate with channels embedded in the silicon layer, copper being deposited in the channels after performing step d 2 ) n times. In any case, n is greater than 1.
  • FIG. 1 schematically, a first embodiment variant of a process module for carrying out the method according to the invention, in particular its phases Phi and / or Ph 2 ;
  • FIG. 2 in a representation analogous to that of FIG. 1, a preferred embodiment variant of the process module according to FIG. 1;
  • FIG. 4 in a representation analogous to FIGS. 1 to 3, a modification of the process module shown in FIG. 3; 5 simplified, a preferred embodiment of a process module according to FIG. 2, convertible into a process module according to FIG. 3 or 4; Fig. 6 with reference to an aperture axis A of
  • FIG. 7 shows, for example and schematically, a method according to the invention for multi-layer implementation
  • a chamber wall 1 of a vacuum recipient 3 encloses a process space PR.
  • a substrate carrier 5 is provided in the process space PR.
  • the process space PR is, via a pump connection 11, as shown schematically with the vacuum pump 13, to the pressure p v of required to carry out the manufacturing method according to the invention
  • the structure of the recipient satisfies UHV conditions (eg metallically sealed vacuum boiler, can be baked out).
  • UHV conditions eg metallically sealed vacuum boiler, can be baked out.
  • the surface of the chamber wall 1 facing the process space PR which usually consists of stainless steel or inox, is made of an inert material, as will be explained below.
  • the chamber wall 1 is internally coated with the aforementioned inert material, or wall parts are mounted on the inside of the chamber wall 1 at least with inner surfaces made of the aforementioned inert material. This coating or these inert material surfaces are denoted by 15 in FIG. 1.
  • the manufacturing process according to the invention comprises two phases which are not necessarily to be carried out in the same vacuum recipient, namely • Phase 1, Phi: exposing the substrate surface to a reactive gas or reactive gas mixture to be adsorbed until this exposure has ended,
  • Ph 2 Exposing the substrate surface to a low-energy plasma discharge and thus reacting the adsorbed reactive gas.
  • the atmosphere in which the plasma discharge is maintained may contain a second reactive gas or reactive gas mixture, particularly preferably hydrogen and / or nitrogen and / or oxygen.
  • the type I process module shown in FIG. 1 is outstandingly suitable for carrying out the phase Phi and / or Ph 2 . 1 leads - as shown schematically - a gas supply 7 into the process space PR of the vacuum recipient 3.
  • the supply line 7 is solely for carrying out the phase Phi in the recipient 3, with a gas tank arrangement 9 Ph i connected, which contains the reactive gas or reactive gas mixture i to be adsorbed by the substrate surface.
  • Supply line 7 is connected to a gas tank arrangement 9 ph2 , which on the one hand contains an inert gas, preferably argon Ar, and / or - as indicated by dashed lines - a second reactive gas R 2 , preferably hydrogen, oxygen and / or nitrogen.
  • an inert gas preferably argon Ar
  • R 2 a second reactive gas
  • both phase Phi and phase Ph 2 are carried out in the vacuum container 3, then, as shown with the time control unit 10 and the changeover switch 12 in FIG. 1, both the gas tank 9 ph 1 and 9 ph 2 are supplied to the feed line 7 in a predetermined time sequence connected.
  • a plasma discharge path PL namely a low-energy plasma discharge path
  • Ph 2 or combined with Phi is carried out in the vacuum recipient 3 on its own.
  • phase Phi after a substrate has been deposited on the substrate carrier 5, the reactive gas or reactive gas mixture Ri is admitted via the feed line 7 and adsorbed by the surface of the substrate.
  • the substrate is then fed to phase Ph, be it in the same recipient 3 or a correspondingly designed, further recipient 3.
  • the recipient 3 used for both phases is in turn pumped to the stated ultra-high vacuum conditions, or it is another recipient that is or is pumped to this ultra-high vacuum before the substrate is introduced with adsorbed gas.
  • noble gas preferably argon Ar
  • the further reactive gas and the low-energy plasma discharge in this case particularly preferably a DC discharge, are created.
  • a dependent discharge is preferably used, preferably with a thermionic cathode, preferably a directly heated thermionic cathode.
  • reactive gas or reactive gas mixture is preferably let in at a partial pressure p p for which applies
  • the adsorption rate ie the time required until the substrate surface is saturated to a predetermined percentage with reactive gas or reactive gas mixture atoms or molecules, by (not shown ) Heating and / or cooling of the substrate surface can be controlled by appropriate heating and / or cooling of the substrate carrier 5.
  • the adsorbed gas on the surface of the substrate is in any case with the participation of gas ions and electrons, possibly also by means of radicals of a second reactive gas or formed in the plasma discharge
  • Reactive gas mixture R 2 / reacts.
  • the amount Ph 2 can also in this phase " stabilized ", previously adsorbed gas atoms or molecules are controlled and thus the resultant degree of coverage of the surface with atoms or molecules.
  • efforts will be made to create a continuous monolayer or monatomic monolayer on the substrate surface Realize, that is, with 100 percent saturation, where atom is atom or molecule to molecule.
  • a dielectric material is preferably used as the material of the surface 15 facing the process space PR according to FIG. 1. It must depending on for which process phases of the vacuum recipient 3 is inserted, be inert to the reactive gas or reactive gas mixture Ri and / or against the possibly in phase Ph 2 used, plasma activate the second reactive gas or reactive gas mixture R.sub.2.
  • At least one of the materials listed in Group G below is preferably used for this surface 15:
  • FIG. 2 shows, in a representation analogous to that of FIG. 1, further schematically, a preferred embodiment of the type I process module according to the invention according to FIG. 1.
  • the statements made in connection with FIG. 1 apply identically with regard to process control, gas reserves and possibly provided plasma discharge path, as well as with process control.
  • Fig. 2 the same reference numerals are used for the parts already described in Fig. 1.
  • the process space PR is defined by sections of the chamber wall 1 which predominate along further preferably made of stainless steel or inox, delimited process chamber wall 14.
  • At least its surface 15a facing the process space PR is made from the inert material already explained in connection with FIG. 1, as mentioned preferably from dielectric, and furthermore particularly preferably from at least one of the materials from group G.
  • the wall 14 which actually forms a process space jacket within the vacuum chamber with wall 1 can consist of the material forming the surface 15a, or the inert material forming the surface 15a is built up on a load-bearing wall (not shown) facing the wall 1, such as for example, piled up. This support wall is then not exposed to the process space PR, for example made of stainless steel or inox.
  • Process chamber PR is pumped through the pump connection 11 or pump 13 to the residual gas partial pressure explained in connection with FIG. 1, while, for example — and as shown in FIG. 2 — the space ZW between vacuum chamber wall 1 and casing 14 via a separate pump connection 11a is pumped out by the same or another vacuum pump.
  • the process module of type II to be subsequently explained, shown in FIGS. 3 and 4, is preferably used as a cleaning module in the context of the manufacturing method according to the invention.
  • This is preferably done with plasma-activated reactive gas or reactive gas mixture, preferably by means of plasma-activated hydrogen.
  • a low-energy plasma is used with ion energies E r on the substrate surface in the range specified above.
  • a DC discharge is preferably used as the plasma discharge, particularly preferably a dependent discharge.
  • a discharge with a thermionic cathode, in particular preferably with a directly heated thermionic cathode, is again used as the preferred embodiment variant.
  • the module shown in FIG. 3 differs from that shown in FIG. 2 only in that the surface 15b enclosing the process space PR corresponds to that in FIG.
  • the wall 14a for example like the wall 1, is made of stainless steel or inox or another metal.
  • the gas tank arrangement 9 R contains a reactive gas or reactive gas mixture R r used in particular for cleaning purposes, and a low-energy plasma discharge path (not shown) which meets the above requirements is provided in the recipient 3a.
  • the metallic wall 14a is preferably exchangeable, so that the process module type II in the embodiment according to FIG. 3 can be easily converted into a process module type I according to FIG. 2 and vice versa.
  • Fig. 4 further illustrated analogously to Figs. 1 to 3, a further simplified embodiment of the module of type II is shown.
  • the process space PR is directly delimited by the chamber wall 1, with a surface which consists, for example, of stainless steel or inox.
  • modules type I according to FIG. 1 or FIG. 2 and type II according to FIGS. 3 or 4 by corresponding removal or insertion of Process space casings 14, 14a can be converted into one another.
  • FIG. 5 shows a preferred embodiment of the type I process module according to FIG. 2. It should be pointed out that all of the measures starting from the module according to FIG. 2, in the module according to FIG. 5, which are specifically used with particular preference, can be implemented individually or in any partial combinations on the basic module according to FIG. 2. 5 is designed to carry out both phases Phi and Ph 2 of the manufacturing method according to the invention.
  • the cycle conditions are also time-controlled and the gas supplies are controlled in a phase-dependent manner.
  • the recipient wall 101 of the process module according to FIG. 5, preferably made of stainless steel or inox, has an electron source 105 in the center, preferably on its upper end plate 103, for generating the plasma discharge in the process space PR in phase Ph 2 of the manufacturing process according to the invention.
  • Ion energies in the substrate area also for the use of a second reactive gas or reactive gas mixture in phase Ph 2 , can possibly also be used other plasmas, such as microwave plasmas, than that described below.
  • An electron source such as electron source 105, is preferably used, which emits electrons with an electron energy of at most 100 eV, preferably of at most 50 eV.
  • the discharge that is dependent on the electron source is realized as a DC discharge.
  • 5 is preferably formed by a thermionic cathode, preferably a directly heated thermionic cathode 107, built into a cathode chamber 109 with a cathode chamber wall electrically insulated from the recipient wall 101, 103.
  • the cathode chamber communicates with the process space PR via an orifice 111.
  • the noble gas used in phase Ph 2 preferably argon, is more preferably (not shown) admitted into the cathode chamber 109, inter alia, around the thermionic cathode 107 before the influence of a second reactive gas or reactive gas mixture which may also be used in phase Ph 2 to protect and enable a higher electron emission rate.
  • the process space sheath 113 Spaced from the recipient wall 101, 103 and spanning the intermediate space ZW with it, enclosing the process space PR, the process space sheath 113, preferably analogously to FIG. 2, is mounted interchangeably.
  • the process space PR within the casing 113 and the intermediate space ZW are pumped here via the same pump connection 115. If necessary, different pump cross sections can lead from this connection 115 to the intermediate space ZW on the one hand and to the process space PR on the other.
  • anode arrangement This is preferably formed by two or more anodes 117a and 117b arranged concentrically to the aperture axis A. They are (not shown) each independently Ground potential or switchable to respective electrical anode potentials, which, more preferably, can be set independently of one another.
  • the metallic recipient wall 101, 103 is further preferably connected to the reference potential, preferably ground potential.
  • the anodes 117a, 117b, which are offset along the aperture axis A, can, apart from being operated independently of one another, preferably also be heated or cooled independently of one another (not shown). This is realized in that temperature control medium lines are routed in these anodes and / or heating coils are installed.
  • the dashed-dot line in FIG. 5 shows the plasma jet PL formed by the preferably used plasma generation arrangement with the heuristic entered plasma density distribution at V coaxial to the aperture axis A.
  • the substrate surface with the adsorbed reactive gas is directly exposed to the plasma discharge PL.
  • the plasma density distribution V can be set in a targeted manner, in particular, at least approximately constant distribution over the substrate surface.
  • a substrate holder 119 is mounted in the process space PR or, as will be explained below, can be fed to the process space PR in a controlled manner.
  • a support surface 119a is arranged concentrically and essentially perpendicular to the axis A of the diaphragm 111.
  • the substrate holder 119 is, as shown by the double arrow F, against the light defined by the process space casing 113
  • a preferably flat or disk-shaped substrate 120 is deposited by a slit valve 129 on stationary receiving supports 126, while the substrate holder 119 is lowered. Thereafter, the substrate holder 119 is raised, engages under the substrate 120 with its support surface 119a and lifts it off the stationary supports 126. The substrate 120 is moved up into the process space PR, and when the processing position is reached, the substrate holder 119 closes with its edge surface 125 the process space to the extent mentioned.
  • the supports 126 are mounted on a substrate tempering device 127, which is acted upon by tempering medium inlets and outlets 128.
  • the gas adsorption rate can be controlled by appropriately controlling the substrate surface temperature, in particular in phase Phi.
  • the substrate holder 119 is shown in dashed lines in FIG. 5 in its processing position.
  • the recipient wall 101 and its end plates 103 and 131 are tempered, preferably cooled, in particular in phase Ph 2 of the manufacturing method according to the invention.
  • the wall 101 forming the casing is designed as a double wall with a tempering medium system installed in between. Temperature control medium line systems are also installed in the end plates 103 and 131.
  • Helmholtz coils 133 and, distributed, deflection coils 135 are mounted outside the vacuum recipient.
  • Helmholtz coils 133 generate a magnetic field pattern which is essentially parallel to axis A and is symmetrical in this respect in the process space PR, in particular in phase Ph 2 of the manufacturing method according to the invention.
  • This magnetic field pattern can with the aid of the deflection coils 135 in
  • phase Phi of the method according to the invention reactive gas or reactive gas mixture to be adsorbed is introduced into the process space PR via reactive gas inlet 137 after the preferably previously cleaned substrate 120 has been moved into the processing position. As shown, the
  • Reactive gas inlet preferably coaxial to axis A, arranged in the immediate area of the substrate 120 or substrate carrier 119 lying in the processing position, with inlet openings essentially parallel to the substrate surface to be treated.
  • the vacuum recipient 101, 103 which is preferably constructed from stainless steel, is preferably intensively cooled, in particular in phase Ph 2 . It meets UHV requirements. The intensive cooling in phase Ph 2 prevents the steel from heating up and the associated release of carbon-containing gases from the steel, in particular during phase Ph 2 .
  • the inert Material preferably a dielectric and, as mentioned, preferably selected from the material group G, is stable even at substantially higher temperatures than the process temperature with respect to the reactive gases Ri to be adsorbed (FIG. 1) and possibly the
  • Plasma discharge atmosphere in phase 2 supplied with second reactive gases (R 2 ), such as in particular with respect to hydrogen, silane, German, diborane, chlorine, NF 3 , HC1, SiH 3 CH 3 , GeH 3 CH 3 , N 2 , C1F 3 , PH 3 , AsH 4 .
  • R 2 second reactive gases
  • An interference coating of the inner surface of the process space casing 113 is only critical from the aspect of particle formation. A thin interference coating by gas adsorption and subsequent plasma treatment can even be preferred in order to ensure an even better purity of the process, which is then virtually exclusively surrounded by process-inherent material.
  • the vacuum chamber wall is usually not coated from stainless steel, because it is protected from the reactive gases and the plasma by the process space jacket 113, and further because the intensive cooling as shown in FIG. 5 additionally strongly separates from the gas phase there reduced. What applies to the inner surface of the process space casing 113 also applies to the surfaces of the substrate holder 119 that are exposed to the process.
  • the process space casing 113 is preferably formed in several parts (not shown), so that it can be removed or replaced without dismantling the arrangements 117a, 117b.
  • a preferred embodiment of the process module type II is realized by removing the process room casing 113 shown in FIG. 5, or a process module of the type II according to FIG. 3 by replacing the process room casing 113 with an equally shaped casing made of a metal.
  • the phases Phi and / or Ph 2 of the production method according to the invention are carried out, but preferably in modules of type II upstream of the phase Phi and / or phase Ph 2 downstream surface conditioning or cleaning steps, preferably in a low-energy hydrogen plasma a.
  • FIG. 7 and 8 show two possible forms of implementation of the manufacturing method according to the invention in the form of flow diagrams.
  • the substrates are first fed to a cleaning module R, preferably designed according to the type II modules, in which, more preferably, surface cleaning takes place in a low-energy hydrogen plasma as defined.
  • a substrate under consideration is fed to a process module of type I, in which the process phase Phu with absorption of a first Reactive gas takes place.
  • the substrate for realizing phase Ph 2 is then fed to a process module, preferably of type I, with, as has been mentioned, gas supply - noble gas and / or reactive gas - and low-energy plasma discharge.
  • a process module preferably of type I
  • the substrate is fed to a further process module of type I and a further reactive gas or reactive gas mixture — Ph i2 — to be adsorbed there.
  • it is then subjected to the process phase Ph 2 in the central process module of type I, in order to then optionally be fed to further process modules of type I, where the substrate is subjected to further reactive gas mixtures or reactive gases to be adsorbed, phase 3 etc., which should be epitaxial layers are grown up, heteroepitaxial layers are deposited.
  • the substrate oscillates between process phase Ph and a process phase, for example Phn, a homoepitaxial layer is grown in the case of epitaxial growth.
  • a cleaning step of the substrate surface is preferably carried out after each deposit of an atom monolayer.
  • This cleaning step R can preferably always be of the same design as the cleaning step which is carried out on the substrate surface before it is even subjected to the first adsorption step in accordance with a first process phase Phn. So it will even after depositing an atomic monolayer, surface cleaning is carried out on the substrate, in a low-energy plasma, preferably in a low-energy hydrogen plasma. Let us again follow a considered substrate.
  • After cleaning in process R it is fed to a first process module of type I, where it adsorbs a first reactive gas or reactive gas mixture, Phn. It is then fed to a further process module of type I, after which the process phase Ph 2 , ie plasma treatment, optionally with the addition of ions and
  • Radicals of a second plasma-activated reactive gas is carried out.
  • the substrate is again passed to the cleaning process R, preferably in a module of type II, then to another module of type I, where it adsorbs another reactive gas or reactive gas mixture in phase Ph 2 . It is then fed, again via the process phase Ph 2 , to the cleaning step R, etc.
  • transport takes place via a module carrying out the phase Ph to the cleaning module, from where practically centrally, the process phases carrying out the respective phase x are fed with substrates.
  • Such a system is shown schematically and purely for example in FIG. 9, with two cleaning modules R of type II, two modules of type I for carrying out process phases Ph 2 and two modules of type I for carrying out process phases Ph 2 and Phn.

Abstract

Verfahren zur Herstellung materialbeaufschlagter Substrate, bei dem: a) mindestens ein Substrat in einen evakuierten Vakuumrezipienten eingeführt wird; b) die zu beaufschlagende Oberfläche des Substrates einem Reaktivgas ausgesetzt wird, das an der Oberfläche adsorbiert wird; c) die Aussetzung der Oberfläche an das Reaktivgas beendet wird; d) das an der Oberfläche adsorbierte Reaktivgas reagiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass d1) die Oberfläche mit dem adsorbierten Gas einer niederenergetischen Plasmaentladung mit Ionenenergie EIO an der Substratoberfläche von O eV <EIO ≤ 20 eV und Elektronenenergie Eeo O eV < Eeo ≤ 100 eV ausgesetzt wird; d2) das adsorbiert Reaktivgas mindestens unter Mitwirkung von plasmaerzeugten Ionen und Elektronen reagiert wird.

Description

Verfahren zur Herstellung beschichteter Substrate
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung materialbeaufschlagter Substrate, bei dem a) mindestens ein Substrat in einen evakuierten Vakuumrezipienten eingeführt wird; b) die zu beaufschlagende Oberfläche des Substrates einem Reaktivgas ausgesetzt wird, das an der Oberfläche adsorbiert wird; c) die Aussetzung der Oberfläche an das Reaktivgas beendet wird; d) das an der Oberfläche adsorbierte Reaktivgas reagiert wird.
Ein solches Verfahren ist aus der US 5 916 365 vorbekannt. Dabei wird ein Substrat in einen evakuierten Vakuumrezipienten eingeführt, mit einer den Prozessraum gegen die Umgebung begrenzenden Rezipientenwandung aus Keramik.
Die zu beschichtende Oberfläche des Substrates wird einem ersten Reaktivgas ausgesetzt, welches an der erwähnten Oberfläche adsorbiert wird. Durch anschliessendes Abpumpen des Reaktivgases wird die Aussetzung der Oberfläche an das Reaktivgas beendet.
Anschliessend wird ein zweites Reaktivgas eingelassen und mittels einer ausserhalb des Vakuumrezipienten vorgesehenen Spulenanordnung im Rezipienten ein elektromagnetisches
Hochfrequenzfeld erzeugt. Dadurch wird mindestens ein Teil des eingelassenen zweiten Reaktivgases zu Radikalen aktiviert, und es wird das an der Oberfläche adsorbierte erste Reaktivgas ausschliesslich mit den erwähnten, durch Hochfrequenzfeld-Einwirkung generierten Radikalen reagiert.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren eingangs genannter Art vorzuschlagen, welches vom Ablegen einer Monolage von Atomen auf der zu beschichtenden Oberfläche des Substrates ausgeht, dabei aber eine wesentlich erweiterte Einsatzflexibilität hat mit Bezug auf die Vielfalt ablegbarer Monolagen. Dabei sprechen wir von Materialbeaufschlagung deshalb, weil die erwähnte Monolage nicht als geschlossene Lage im Sinne einer Schicht abgelegt werden muss, sondern die Dichte abgelegter Atome weit geringer sein kann, als dies für die Bildung einer geschlossenen Lage notwendig ist. Sehr wohl kann aber, falls erwünscht, die Materialbeaufschlagung so erfolgen, dass eine geschlossene Monolage gebildet wird, dann im Sinne einer Schicht.
Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass di) die Oberfläche mit dem adsorbierten Reaktivgas einer niederenergetischen Plasmaentladung mit Ionenenergie Eio an der Oberfläche des Substrates von
0 < Eio < 20 eV und einer Elektronenenergie Eeo von
0 eV < Eeo < 100 eV ausgesetzt wird. d2) das adsorbierte Reaktivgas mindestens unter Mitwirkung plasmaerzeugter Ionen und Elektronen reagiert wird. Im Unterschied zur erwähnten US 5 916 365, wo das adsorbierte Gas ausschliesslich durch per Definition elektrisch neutrale Radikale reagiert wird, wird erfindungsgemäss das an der Oberfläche adsorbierte Reaktivgas jedenfalls auch durch Einwirkung niederenergetischer Plasmaentladung-erzeugter Ionen und Elektronen sanft reagiert. Damit ist die Möglichkeit gegeben, das adsorbierte Gas auch ohne Einwirkung von Radikalen eines weiteren Reaktivgases an der Oberfläche eigentlich zu stabilisieren, lediglich durch "sanfte" Wechselwirkung mit niederenergetischen Edelgasionen und Elektronen oder durch ebensolche Einwirkung von anderen Reaktivgasionen.
Obwohl in der erwähnten US 5 916 365 ausgeführt ist, es sei vorbekannt gewesen, dünne Schichten unter Beizug einer Glimmentladung in einer Reaktivgasmischungsatmosphäre abzulegen, was aber nicht zu zufriedenstelllender Schichtbildung geführt hätte, wird im Zuge der vorliegenden Beschreibung erläutert werden, wie die erfindungsgemäss eingesetzte Plasmaentladung gestaltet werden muss, um, zusätzlich zur Erzeugung der Wirkung von Ionen und Elektronen auf das adsorbierte Reaktivgas oder -gasgemisch, in der Plasmaentladung auch ein zweites Reaktivgas bzw. Reaktivgasgemisch zu Radikalen und Ionen zu aktivieren und das adsorbierte Reaktivgas oder -gasgemisch zusätzlich mit durch Plasmaaktivierung erzeugten, an sich elektrisch neutralen Radikalen sowie Reaktivgasionen in Wechselwirkung zu bringen.
Weil nun jedenfalls elektrisch geladene Teilchen an der Reaktion des adsorbierten Gases beteiligt sind, lässt sich die Reaktion und insbesondere auch deren Verteilung durch elektrische und/oder magnetische Felder steuern, wodurch aber das Verhalten von Radikalen allein nicht beeinflusst würde. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Ionenenergie Ei an der Oberfläche des Substrates weiter auf den Bereich
0 eV < EΪ < 15 eV reduziert. Im weiteren kann das adsorbierte Reaktivgas durchaus auch ein Reaktivgasgemisch sein. Die Plasmaentladung wird im weiteren entweder in einer
Edelgasatmosphäre unterhalten, dabei bevorzugterweise in einer Argonatmosphäre, oder es wird die Plasmaentladung in einer Atmosphäre erzeugt, welche ein weiteres Reaktivgas oder -gasgemisch enthält. Dabei enthält bevorzugterweise dieses weitere Reaktivgas oder -gasgemisch mindestens eines folgender Gase:
Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, bevorzugterweise Wasserstoff, oder es besteht aus Wasserstoffgas.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird der Vakuumrezipient auf einen Druck pv evakuiert, für den gilt:
10"11 mbar < pv < 10"8 mbar.
Dadurch wird sichergestellt, dass sich praktisch keine Kontaminationssubstanzen aus der Vakuumatmosphäre, in welche das Substrat eingeführt wird, störend auf die Oberfläche ablegen. Das Reaktivgas oder -gasgemisch, welches an der Oberfläche adsorbiert werden soll, wird in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bis zu einem Partialdruck pp eingelassen, für welchen gilt: 10-4 mbar < pp < 1 mbar.
Bis zu einem gewissen Grade kann die Menge an der Oberfläche adsorbierten Reaktivgases oder -gasgemisches gesteuert werden durch die Zeitspanne zwischen Aussetzen der erwähnten Oberfläche und Beendigung dieser Aussetzung. Dabei kann im wesentlichen von einer gegen einen Sättigungswert hin laufenden Exponentialfunktion ausgegangen werden, mit einer für die Dynamik der Absättigung kennzeichnenden Zeitkonstanten. Diese Zeitkonstante kann dabei erforderlichenfalls durch Beheizen bzw. Kühlen der Oberfläche gesteuert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird die Aussetzung der Oberfläche an das zu adsorbierende Reaktivgas oder Reaktivgasgemisch dadurch beendet, dass man das Substrat aus dem evakuierten Vakuumrezipienten mit dem Reaktivgas oder -gasgemisch in einen weiteren evakuierten Vakuumrezipienten überführt. Im weiteren evakuierten Vakuumrezipienten werden die verbleibenden Verfahrensschritte vollzogen. Dies hat den Vorteil, dass ein erster Vakuumrezipient ausschliesslich der
Gasadsorption dient und damit kontaminationsfrei bleibt, während der weitere Vakuumrezipient für die Plasmaentladungs-Reaktion des adsorbierten Gases eingesetzt wird. Bei diesem Vorgehen ist es beispielsweise möglich, zentral einen weiteren Vakuumrezipienten vorzusehen für die Plasmaentladungs-Weiterbehandlung der Substrate, welche vorgängig ggf. unterschiedliche Reaktivgase oder Reaktivgasgemische adsorbiert haben, in um den zentralen, weiteren Vakuumrezipienten herum gruppierten, spezifischen "Adsorptions"-Rezipienten. Damit können komplexe, aus einer Vielzahl auch unterschiedlicher Atommonolagen bestehende Schichtsysteme Lage um Lage aufgebaut werden. Dabei kann in vielen Fällen für das sequentielle Ablegen unterschiedlicher oder gleicher atomarer Monolagen im zentralen Plasma-Reaktionsrezipienten unter Einsatz der erwähnten niederenergetischen Entladung dasselbe zweite Reaktivgas oder Reaktivgasgemisch eingesetzt werden, nämlich insbesondere bevorzugt Stickstoff und/oder Wasserstoff und/oder Sauerstoff, dabei insbesondere bevorzugt Wasserstoff. Auch können, umgekehrt, mehrere der weiteren Vakuumrezipienten für die Reaktion der adsorbierten Reaktivgase oder -gasmischungen in Plasmen einem "Adsorptions"-Rezipienten zugeordnet werden, nämlich vor allem dann, wenn der Adsorptions-Schritt zeitlich kürzer ist als der Reaktions-Schritt in Plasma.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird das Aussetzen der Oberfläche an das zu adsorbierende Reaktivgas oder Reaktivgasgemisch durch Abpumpen des verbleibenden Reaktivgases oder -gasgemisches aus dem evakuierten Vakuumrezipienten beendet. Dabei wird bevorzugterweise dieses Abpumpen bis zum Erreichen eines Totaldruckes pv' im Vakuumrezipienten vorgenommen, für welchen gilt:
10"11 mbar < p- < 10~8 mbar. Mit andern Worten werden bei der Beendigung der Reaktivgas- Aussetzung die gleichen Druckverhältnisse wieder eingestellt, die vor der Gasaussetzung vorherrschten, d.h. Ultrahochvakuum-Verhältnisse .
Wird, wie vorgängig erwähnt, die Beendigung des Adsorptionsschrittes dadurch realisiert, dass das Substrat in einen weiteren Vakuumrezipienten übergeführt wird, so werden dort, abgesehen vom Edelgas-Partialdruck und/oder Partialdruck eines zweiten Reaktivgases oder -gasgemisches, ebenfalls die erwähnten Restgas-Ultrahochvakuum- Druckverhältnisse eingestellt.
Das Reagieren des adsorbierten Reaktivgases oder -gasgemisches unter Mitwirkung plasmaerzeugter Ionen und Elektronen ist nicht zeitkritisch, aufgrund des Einsatzes des niederenergetischen Plasmas erwähnter Art. Dieser Prozess läuft, mindestens genähert, wiederum exponentiell an einem Asymptotenwert. Wird die Plasmabehandlung mindestens während einer vorgegebenen Minimalzeitspanne aufrechterhalten, so kann danach diese Behandlung weiter aufrecht erhalten bleiben, ohne die entstandene dann geschlossene Atom-Monolage wesentlich zu beeinträchtigen. Dies hat für die Automatisierung und das Takten des erfindungsgemässen Verfahrens, z.B. eingebettet in eine komplexe Abfolge zusätzlicher Oberflächenbehandlungsschritte, wesentliche Vorteile. Bricht man das erfindungsgemässe Verfahren nach dem Verfahrensschritt d2) ab, so entsteht je nach Adsorptionsmenge (Aussetzungszeit-gesteuert) und/oder Menge der zur Adsorption zur Verfügung stehenden Gasatome sowie Plasmaeinwirkung (Plasmabehandlungs-Zeit und/oder -Intensität) und/oder der Ausnützung eines zweiten Reaktivgases oder -gasgemisches (Radikalen- und Ionen-Bildung) eine unterschiedlich dichte Ato -Monolage bis hin zu einer geschlossen Atom-Monolage. Wird keine geschlossene Atom- Monolage angestrebt, so ist die Möglichkeit gegeben, praktisch im Sinne einer Implantierungs- oder Impfungs- Technik auf die Substratoberfläche oder eine bereits abgelegte geschlossene Atom-Monolage nur "vereinzelte" Atome gleicher Art wie die der Unterlage oder anderer Art bzw. anderen Materials abzulegen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dieses Verfahrens werden mindestens die Verfahrensschritte b) bis d2) mindestens zweimal durchlaufen, wodurch mindestens zwei atomare Monolagen übereinander abgelegt werden. Dabei können von Monolage zu Monolage die Oberflächenadsorbierten Reaktivgase bzw. -gasgemische geändert werden, ebenso ggf. zweite eingesetzte Reaktivgase oder -gasgemische in der Plasmaentladungsatmosphäre, so dass als Monolagen gezielt unterschiedliche Lagen abgelegt werden können. Wird dabei eine epitaktische Schicht angestrebt, entsteht eine hetero-epitaktische Schicht. Wird in allen Lagen dasselbe Material abgelegt, entsteht bei epitaktischem Aufwachsen, Homoepitaxie. Im weiteren ist es aber ganz grundsätzlich möglich, in einer bevorzugten Ausführungsform, nach mindestens einmaliger Durchführung des Schrittes d2) , sei dies somit zum ersten Mal, oder, bei mehrmaligem - n - Durchlaufen der Zyklen b) bis d2) , ein weiteres Material auf die dann resultierende Oberfläche aufzubringen, und zwar mit irgend einem der bekannten Beschichtungsverfahren, seien diese vakuumtechnisch, nasschemisch bzw. galvanisch.
In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird, bevor die erwähnte Oberfläche dem zu adsorbierenden Reaktivgas oder Reaktivgasgemisch ausgesetzt wird, diese Oberfläche einem niederenergetischen Edelgasplasma, vorzugsweise Argonplasma, ausgesetzt, mit einer Ionenenergie an der erwähnten Oberfläche, für welche gilt:
0 eV < EH < 20 eV . vorzugsweise gar von
0 eV < En < 15 eV und bei Elektronenenergien Eeι von
0 eV 0 < Eel < 100 eV.
Dadurch werden an der nachmals gasadsorbierenden Oberfläche definierte Oberflächenzustände geschaffen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsegmässen Verfahrens wird vor dem Aussetzen der erwähnten Oberfläche dem zu adsorbierenden Reaktivgas oder Reaktivgasgerαisch die Oberfläche einer niederenergetischen Plasmaentladung in einer Atmosphäre, die ein weiteres Reaktivgas enthält, ausgesetzt, wobei für die Ionenenergie EI2 an der Substratoberfläche gilt:
0 eV < E12 ≤ 20 eV, vorzugsweise gilt
0 eV < E12 < 15 eV bei einer Elektronenenergie Ee2 von
0 eV < Ee2 < 100 eV.
Auch hier werden einerseits definierte Oberflächenzustände an der nachmals gasadsorbierenden Oberfläche geschaffen, und zudem wird die erwähnte Oberfläche gereinigt. Dies insbesondere beim bevorzugten Einsatz, als weiteres Reaktivgas, mindestens eines der Gase Wasserstoff, Stickstoff oder Sauerstoff. Besondere bevorzugt wird dabei der Einsatz einer Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre, vorzugsweise einer Atmosphäre, die ggf. neben einem
Edelgas, wie insbesondere Argon, aus Wasserstoff besteht.
Es seien nun bevorzugterweise nach der' Gasadsorption und dem Reagieren des adsorbierten Gase vorgenommene Verfahrensschritte betrachtet. Dabei wird in einer besonders bevorzugten Ausführungsform nach dem Reagieren des adsorbierten Reaktivgases oder - gemischtes, die Oberfläche einem niederenergetischen Edelgasplasma, vorzugsweise Argonplasma, ausgesetzt, mit einer Ionenenergie Eϊ3 an der Oberfläche von
0 eV < EI3 < 20 eV, vorzugsweise von 0 eV < E13 < 15 eV und mit einer Elektronenenergie Ee3 von
0 eV < Ee3 < 100 eV.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des 5 erfindungsgemässen Verfahrens wird nach dem erwähnten Reagieren des adsorbierten Reaktivgases, die Oberfläche einer niederenergetischen Plasmaentladung in einer Atmosphäre, die ein weiteres Reaktivgas oder Reaktivgasgemisch enthält, ausgesetzt, wobei für die L0 Ionenenergie Er an der Substratoberfläche gilt:
0 eV < E14 < 20 eV, vorzugsweise
0 eV < E14 ≤ 15 eV und mit Elektronenenergie Ee4, für welche gilt
.5 0 eV < Ee4 ≤ 100 eV.
Auch hier wird bevorzugterweise als weiteres Reaktivgas mindestens eines der Gase Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff eingesetzt, dabei insbesondere unter Verwendung von Wasserstoff.
:0 Dabei werden durch Reagieren dieses weiteren Reaktivgases gleichzeitig auch die Innenflächen des Vakuumrezipienten gereinigt.
Wenn, wie oben erläutert wurde, auch für das Reagieren des adsorbierten Reaktivgases die Plasmaentladung in einem 5 Reaktivgas oder Reaktivgasgemisch unterhalten wird, insbesondere mit mindestens einem der Gase Wasserstoff, Stickstoff oder Sauerstoff, ganz besonders bevorzugt mit mindestens dominantem Wasserstoffanteil, so werden auch dann gleichzeitig die Innenflächen des Vakuumrezipienten gereinigt, und zwar schneller, sauberer und definierter, als dies allein durch Abpumpen möglich wäre.
Insbesondere durch Wahl des der Reaktivgasadsorption vorangehenden Plasmabehandlungsverfahrens wird der Zustand der nachmals gasadsorbierenden Oberfläche mindestens mit- beeinflusst. Damit wird auch beeinflusst, ob sich eine epitaktische Ablagerung ergeben wird, oder eine amorphe oder polykristalline, bei ungereinigter, amorpher, polykristalliner Substratoberfläche. Auch durch die Substratoberflächen-Temperatur kann die diesbezügliche Auf achscharakteristik beeinflusst werden. Mit dem erfindungsgemässen Verfahren zur Herstellung materialbeaufschlagter Substrate erfolgt in besonders bevorzugter Art und Weise die Beaufschlagung mittels mindestens einem der folgenden Materialien:
Oxide oder Nitride oder Oxinitride von Si, Ge, Ti, Ta, Hf, Zr, AI, Nb, W und/oder der folgenden Metalle:
AI, Ti, Cu, W, Ta, oder Mischungen der erwähnten Materialien. Besonders bevorzugt erfolgt die erwähnte Oberflächenbeaufschlagung mit mindestens einem der Materialien: Siliziumoxid, Tantaloxid, Zirkonoxid, Titannitrid, Tantalnitrid, Wolframnitrid, (TaSi)xNy.
In einer weiteren, weitaus bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird die die Oberfläche des Substrates umgebende Prozessatmosphäre während mindestens einer der Phasen, bestehend aus den Schritten b) und c) und/oder d) bis d2) , von der Innenwand eines an Umgebung liegenden Vakuumrezipienten getrennt. Mithin wird diese Trennung entweder während die zu beschichtende Oberfläche dem Reaktivgas oder -gasgemisch zur Absorption ausgesetzt ist vorgenommen - bis zur Beendigung dieser Aussetzung - und/oder während des Reagierens des adsorbierten Gases.
Die grundsätzliche Erkenntnis ist dabei, dass eine funktionale Trennung von Strukturen, welche gegenüber Umgebungsdruck die erforderlichen vakuumtechnischen Druckverhältnisse sicherstellen, einerseits, und von Strukturen, die. dem Behandlungsprozess direkt ausgesetzt sind, anderseits, mit Blick auf die hohen Reinheitsanforderungen und/oder optimale Integrierbarkeit des erfindungsgemässen Verfahrens in einen automatisierten Fertigungsablauf, wesentliche Vorteile mit sich bringt.
Wenn von der zu beaufschlagenden Oberfläche eines Substrates gesprochen wird und wurde, so ist darunter auch die Oberfläche eines bereits beaufschlagten oder beschichteten Substrates zu verstehen. Es sei folgendes Beispiel vor Augen geführt, für welches sich das erfindungsgemässe Verfahren besonders eignet:
Ein Substrat sei mit einer dielektrischen, insbesondere Si02-Schicht beschichtet. Durch hier nicht weiter interessierende Ätzschritte sind Kanäle mit einem Tiefen- zu-Breiten-Verhältnis von z.B. 1:10, beispielsweise mit einer Breite von 50 n , in die Schicht aus dem erwähnten dielektrischen Material eingelassen. Diese Kanäle sollen mit einem elektrisch leitenden Material, insbesondere mit Kupfer, zur Bildung sogenannter "interconnects" beispielsweise galvanisch gefüllt werden. Das Ablegen insbesondere von Kupfer auf dielektrischen Oberflächen ist, was die Haftung abgelangt, höchst problematisch. Nun wird erfindungsgemäss auf die Oberfläche der dielektrischen Schicht, inklusive der Kanäle, ein nur wenig Atom-Monolagen umfassender Liner abgelegt, als Haftvermittlungsschicht zwischen dem dielektrischen Material und dem elektrisch leitenden Material. Aufgrund ihrer extrem kleinen Dicke beeinträchtigt sie den Leiterquerschnitt der erwähnten Interconnect-Kanäle nur vernachlässigbar. Solche Haftvermittlungsschichten sind als Liner-Schichten oder "seed-layers" bekannt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird die Substratoberfläche (ggf. umfassend die Substratbeschichtungsoberflache) vor dem Absorptionsschritt und/oder nach dem Reagieren des adsorbierten Reaktivgases oder -gasgemisches, durch Einsatz eines plasmaunterstützten Reinigungsschrittes gereinigt, bei dem in einen Reinigungs-Prozessraum eingelassenes Reaktivgas oder -gasgemisch - vorzugsweise Wasserstoff mindestens enthaltend - mittels einer niederenergetischen Plasmaentladung mit einer Ionenenergie Er an der Substratoberfläche von
0 eV < Er < 20 eV vorzugsweise
0 eV < Er < 15 eV aktiviert wird, bei einer Elektronenenergie Eer von
0 eV < Eer ≤ 100 eV.
In einer bevorzugten Ausführungsform, diesen mindestens einen Reinigungsschritt umfassenden, erfindungsgemässen Verfahrens wird während des Reinigungsschrittes die
Reinigungsprozessatmosphäre mittels einer metallischen Umkapselung von der Innenwandung eines an Umgebung liegenden Reinigungsvakuumsrezipienten abgetrennt, oder - und dies bevorzugt - es wird diese Prozessatmosphäre direkt durch die Innenwandung des an Umgebung liegenden Reinigungsvakuumrezipienten begrenzt .
Berücksichtigt man, dass, wie noch zu erwähnen sein wird, bevorzugterweise die erfindungsgemäss eingesetzten Verfahrensphasen aus den Schritten b) und c) einerseits und/oder d) bis d2) in einer Prozessatmosphäre durchgeführt werden, die durch dielektrisches Material von der üblicherweise metallischen Wandung getrennt ist, welche an Umgebungsdruck liegt, so ist ersichtlich, dass durch letzterwähntes Vorgehen, für die erwähnten Reinigungsschritte, kostengünstigere Lösungen eingesetzt werden. Dabei ist zu beachten, dass insbesondere ein Reinigungsschritt vor dem erstmaligen Aussetzen der Substratoberflächen an zu adsorbierendes Reaktivgas oder Reaktivgasgemisch zu einer namhaften Rezipientenwandungs- Kontamination führen kann.
Wie bereits angetönt, wird in einer bevorzugten Ausführungsform durch eine einzige Abfolge der Schritte a) bis d2) eine einzige Atom-Monolage auf die Oberfläche abgelegt, ggf. mit gezielt eingestellter Dichte bis hin zu einer geschlossenen Lage. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird durch Wiederholen der Schritte b) bis d2) eine mehrlagige, z.B. epitaktische Schicht aufgewachsen. Wird dabei jeweils dasselbe zu adsorbierende Reaktivgas oder Reaktivgasgemisch eingesetzt, führt dies - bei einkristalliner, gereinigter Oberfläche - bei epitaktischem Wachstum, zu einer homoepitaktischen Schicht, wird das zu adsorbierende Reaktivgas jeweils gewechselt nach einer vorgegebenen Anzahl abgelegter Monolagen, so führt dies zu äusserst dünnen heteroepitaktischen Schichten.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird nach Durchführung einer vorgegebenen Anzahl Durchläufe der Schritte b) bis d2) , insbesondere sequentiell an mehreren Substraten, der
Prozessraum des Vakuumrezipienten einem plasmaunterstützten Prozessraum-Reinigungsschritt ohne eingeführtes Substrat unterzogen oder ggf. mit einer Substrat-Attrappe im Vakuumrezipienten, welcher Prozessraumreinigungsschritt bevorzugt erst einen Ätzschritt umfasst, danach einen Reinigungsschritt, bevorzugt in einem Plasma mit Wasserstoff, einem Edelgas oder einer Mischung daraus.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens führt man vor Schritt a) und/oder nach Schritt d2) , örtlich vom erwähnten
Vakuumrezipienten getrennt, einen Substratreinigungsschritt durch, wobei man den Transport des Substrates zwischen dem erwähnten Vakuumrezipienten und einem Reinigungsrezipienten in Vakuum durchführt. Bevorzugt wird dabei dieser Transport, mindestens stückweise, linear realisiert oder - und dies besonders bevorzugt - entlang einer Kreisbahn mit linearen Zuführbewegungen zu den erwähnten Rezipienten, vorzugsweise mit bezüglich der Kreisbahn radialer Bewegungskomponente.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungssform des erfindungsgemässen Verfahrens wird die Prozessatmosphäre während der Phasen mit den Schritten b) und c) und/oder d) bis d2) von der Innenwandung eines an Umgebung liegenden Vakuumrezipienten getrennt, und zwar mittels einer im
Neuzustand chemisch gegen das zu adsorbierende Reaktivgas oder -gasgemisch und/oder gegen ein zweites, plasmaaktiviertes Reaktivgas oder -gasgemisch inerten Oberfläche, vorzugsweise mittels einer dielektrischen oder graphitischen Oberfläche.
Dabei wird in einer weiter bevorzugten Ausführungsform die inerte Oberfläche als Oberfläche einer Trennwand ausgelegt, die entlang überwiegender Flächenabschnitte von der Innenwandung des Vakuumrezipienten beabstandet ist. Es wird bevorzugt die Oberfläche zur Trennung, im Neuzustand, aus mindestens einem der folgenden Materialien realisiert:
Quarz, Graphit, Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Titanoxid, Tantaloxid, Nioboxid, Zirkonoxid oder einer geschichteten Kombination dieser Materialien, dann auch mit diamantähnlichem Kohlenstoff oder Diamant.
In einer weiteren, höchst bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird die Plasmaentladung mit einer Elektronenquelle mit Elektronenenergie < 50 eV, insbesondere dabei bevorzugt mittels einer DC-Entladung realisiert .
Bevorzugt wird dies weiter mittels einer thermionischen Kathode erreicht, bevorzugt mittels einer direkt beheizten, thermionischen Kathode.
Dadurch, dass man im Prozessraum des Vakuumrezipienten für die erwähnte Plasmaentladung bevorzugt mindestens zwei örtlich versetzte und vorzugsweise je beheizbare Anoden vorsieht, vorzugsweise je getrennt elektrisch betätigbar, und die je daran angelegten elektrischen Potentiale und/oder die Anoden-Temperaturen steuert bzw. stellt, wird die Plasmadichteverteilung entlang der Oberfläche statisch oder dynamisch eingestellt oder gesteuert. Dabei wird in einer weiter bevorzugten Ausführungsform die Kathoden- Anodenstrecke für die Plasmaentladung im wesentlichen senkrecht und bevorzugt zentrisch zur erwähnten Oberfläche angeordnet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird im Prozessraum während der Erzeugung der Plasmaentladung ein Magnetfeld erzeugt und mittels dieses Feldes stationär und/oder dynamisch die Plasmadichteverteilung entlang der Oberfläche eingestellt oder gesteuert. Vorzugweise wird dabei die Plasmadichteverteilung mindestens örtlich gewobbelt, mit dem Effekt, wie wenn das stationär im Plasma gehaltene Substrat sich bezüglich der Entladung bewegte.
Im weiteren wird bevorzugt mindestens das zu adsorbierende Reaktivgas oder -gasgemisch in den Prozessraum verteilt eingelassen, bevorzugt mit einer Einströmrichtung im wesentlichen parallel zur Substratoberfläche und, weiter bevorzugt, mit von der Substratoberfläche äquidistanten Eindüsungsstellen. In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform des erwähnten Verfahrens ist das Substrat gebildet durch ein Siliziumoxid-beschichtetes Substrat mit in die Siliziumschicht eingelassenen Kanälen, wobei man nach n-maligem Durchführen des Schrittes d2) in die Kanäle Kupfer ablegt. Dabei ist n jedenfalls grösser als 1.
Die Erfindung wird nun anhand von Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch, eine erste Ausführungsvariante eines Prozessmoduls zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, insbesondere dessen Phasen Phi und/oder Ph2; Fig. 2 in Darstellung analog zu derjenigen von Fig. 1, eine bevorzugte Ausführungsvariante des Prozessmoduls gemäss Fig. 1;
Fig. 3 in einer Darstellung analog zu den Fig. 1 bzw. 2, ein weiterer Prozessmodultyp zur Durchführung von Reinigungsschritten am erfindungsgemässen
Verfahren;
Fig. 4 in Darstellung analog zu den Fig. 1 bis 3, eine Abwandlung des in Fig. 3 dargestellten Prozessmoduls; Fig. 5 vereinfacht, eine bevorzugte Ausführungsform eines Prozessmoduls gemäss Fig. 2, wandelbar in ein Prozessmodul gemäss Fig. 3 oder 4; Fig. 6 mit Bezug auf eine Blendenachse A des
Prozessmoduls gemäss Fig. 5, die durch Steuerung bewirkte örtliche und zeitliche Modulation zur Achse A paralleler Magnetfeldkomponenten über einer Ebene E, senkrecht zur Blendenachse A;
Fig. 7 beispielsweise und schematisch ein erfindungsgemässes Verfahren für Mehrlagen- Realisation;
Fig. 8 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemässen Verfahrens bei Mehrlagen-
Realisation, und
Fig. 9 in Aufsicht und vereinfacht, die Kombination von Prozessmodulen gemäss den Fig. 1 bis 5 zu einer Zirkulär- bzw. Cluster-Anlage, für die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens.
In Fig. 1 ist schematisch ein bevorzugterweise für die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens eingesetztes Prozessmodul des Typs I dargestellt. Eine Kammerwand 1 eines Vakuumrezipienten 3 umschliesst einen Prozessraum PR. Im Prozessraum PR ist ein Substratträger 5 vorgesehen. Der Prozessraum PR wird über einen Pumpanschluss 11, wie schematisch mit der Vakuumpumpe 13 dargestellt, auf den zur Durchführung des erfindungsgemässen Herstellungsverfahrens geforderten Druck pv von
10"11 mbar < pv < 10~8 mbar abgepumpt. Der Aufbau des Rezipienten genügt UHV- Bedingungen (z.B. metallisch gedichteter Vakuumkessel, ausheizbar) . Der weitaus überwiegende Oberflächenbereich der dem Prozessraum PR zugewandten Oberfläche der Kammerwand 1, welche üblicherweise aus rostfreiem Stahl bzw. Inox besteht, ist aus einem wie noch zu erläutern sein wird inerten Material gefertigt. Gemäss der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform des Typ I Prozessmoduls ist hierzu die Kammerwand 1 mit dem erwähnten inerten Material innenbeschichtet, oder es sind an der Kammerwand 1 innen Wandungspartien mindestens mit Innenoberflächen aus dem erwähnten inerten Material montiert. Diese Beschichtung bzw. diese Inertmaterialoberflächen sind in Fig. 1 mit 15 bezeichnet .
Wie eingangs erläutert umfasst der erfindungsgemässe Herstellungsprozess zwei an sich nicht zwingend im gleichen Vakuumrezipienten durchzuführende Phasen, nämlich • Phase 1, Phi : Aussetzen der Substratoberfläche einem zu adsorbierenden Reaktivgas oder Reaktivgasgemisch bis zur Beendigung dieser Aussetzung,
• Phase 2, Ph2 : Aussetzen der Substratoberfläche einer niederenergetischen Plasmaentladung und damit Reagieren des adsorbierten Reaktivgases.
Dabei kann bei Ausbildung der Plasmaentladung in Ph2 als niederenergetische Plasmaentladung mit Ionenenergien E wie eingangs spezifiziert die Atmosphäre, worin die Plasmaentladung unterhalten wird, ein zweites Reaktivgas bzw. Reaktivgasgemisch enthalten, insbesondere bevorzugt Wasserstoff und/oder Stickstoff und/oder Sauerstoff.
Das in Fig. 1 dargestellte Typ I Prozessmodul eignet sich hervorragend für die Durchführung der Phase Phi und/oder Ph2. Gemäss Fig. 1 führt - wie schematisch dargestellt - eine Gaszuführung 7 in den Prozessraum PR des Vakuumrezipienten 3. Wie mit dem Auswahlschalter Sa schematisiert, ist die Zuführleitung 7 allein für die Durchführung der Phase Phi im Rezipienten 3, mit einer Gastankanordnung 9Phi verbunden, welche das von der Substratoberfläche zu adsorbierende Reaktivgas oder Reaktivgasgemisch i enthält.
Wird hingegen der Vakuumrezipient 3 ausschliesslich für die Durchführung der Phase Ph2 eingesetzt, so wird die
Zuführleitung 7 mit einer Gastankanordnung 9ph2 verbunden, welche einerseits ein Edelgas, vorzugsweise Argon Ar, enthält und/oder - wie gestrichelt angedeutet - ein zweites Reaktivgas R2, vorzugsweise Wasserstoff, Sauerstoff und/oder Stickstoff.
Wird im Vakuumrezipienten 3 sowohl Phase Phi wie auch Phase Ph2 durchgeführt, dann werden, wie mit der Zeitsteuereinheit 10 und dem Umschalter 12 in Fig. 1 dargestellt, in vorgegebener zeitlicher Abfolge sowohl Gastank 9phι wie auch 9ph2 auf die Zuführleitung 7 geschaltet.
Im weiteren wird im Vakuumrezipienten 3, wie im Block 10ph2 dargestellt, eine Plasmaentladungsstrecke PL, nämlich eine niederenergetische Plasmaentladungsstrecke, vorgesehen, sofern in Alleinstellung Ph2 oder kombiniert mit Phi im Vakuumrezipienten 3 durchgeführt wird. Es sei auf die Darstellung in Fig. 1 hingewiesen, wonach der Doppelpfeil zum Block 10ph2 die Integrierung der Plasmaentladungsstrecke in den Rezipienten 3 bedeutet und Block Sa in Doppellinien- Darstellung, dass dieser Block schematisch Alternativen bei der Realisation des Typ I Proessmoduls darstellt.
In Phase Phi wird, nachdem ein Substrat auf dem Substratträger 5 abgelegt worden ist, über die Zuführleitung 7 das Reaktivgas bzw. Reaktivgasgemisch Ri eingelassen und von der Oberfläche des Substrates adsorbiert. Danach wird das Substrat der Phase Ph zugeführt, sei dies im selben Rezipienten 3 oder einem entsprechend ausgebildeten, weiteren Rezipienten 3. Zur Beendigung des Adsorptionsvorganges ist jedenfalls der für beide Phasen verwendete Rezipient 3 wiederum auf die angegebnen Ultrahochvakuum-Bedingungen abgepumpt, oder es ist der weitere Rezipient, der auf dieses Ultrahochvakuum abgepumpt ist oder wird, bevor das Substrat mit adsorbiertem Gas eingeführt wird. Danach wird Edelgas, vorzugsweise Argon Ar, eingelassen und/oder das weitere Reaktivgas und die niederenergetische Plasmaentladung, dabei insbesondere bevorzugt eine DC-Entladung, erstellt. Bei der DC-Entladung wird weiter bevorzugt eine unselbständige Entladung eingesetzt, bevorzugt mit einer thermionischen Kathode, vorzugsweise einer direkt beheizten thermionischen Kathode.
Durch gezielte Steuerung der Zeitspanne, während welcher das Substrat dem Reaktivgas Ri bzw. dem Reaktivgasgemisch in Phase Phi ausgesetzt ist, und/oder seiner
Oberflächenbeschaffenheit und/oder der zugeführten Reaktivgas- bzw. Reaktivgasgemisch-Menge, kann gezielt der Belegungsgrad der Oberfläche des Substrates mit adsorbierten Gasatomen bzw. -molekülen gesteuert werden. In dieser Phase Phi wird bevorzugterweise Reaktivgas bzw. Reaktivgasgemisch bei einem Partialdruck pp eingelassen, für welchen gilt
10"4 mbar < pp < 1 mbar. Im weiteren kann die Adsorptionsgeschwindigkeit, d.h. die Zeitspanne, welche benötigt wird, bis die Substratoberfläche zu einem vorgegebenen Prozentsatz mit Reaktivgas- bzw. Reaktivgasgemisch-Atomen oder -Molekülen abgesättigt ist, durch (nicht dargestelltes) Beheizen und/oder Kühlen der Substratoberfläche durch entsprechendes Beheizen und/oder Kühlen des Substratträgers 5 gesteuert werden.
Wie bereits eingangs erläutert wurde, werden in Phase Ph2 das adsorbierte Gas an der Oberfläche des Substrates jedenfalls unter Mitwirkung von Gasionen und Elektronen, ggf. auch mittels in der Plasmaentladung gebildeter Radikalen eines zweiten Reaktivgases oder
Reaktivgasgemisches R2/ reagiert. Auch durch entsprechende Bemessung der Zeitspanne, während welcher die Substratoberfläche mit adsorbiertem Gas der Plasmaentladung ausgesetzt ist sowie der Energie der Gasionen und Elektronen und mithin der Entladung sowie der Menge ggf. vorgesehener Radikalen und ihrer Aktivität, kann auch in dieser Phase Ph2 die Menge "stabilisierter", vormals adsorbierter Gasatome bzw. -moleküle gesteuert werden und damit der letztendlich resultierende Belegungsgrad der Oberfläche mit Atomen bzw. Molekülen. In den meisten Fällen wird man bestrebt sein, eine durchgehende einmolekulare bzw. einatomare Monolage auf der Substratfläche zu realisieren, also mit hundertprozentiger Absättigung, bei der Atom an Atom liegen bzw. Molekül an Molekül.
Bevorzugterweise wird als Material der dem Prozessraum PR zugewandten Oberfläche 15 gemäss Fig. 1 ein dielektrisches Material eingesetzt. Es muss je nach dem, für welche Verfahrensphasen der Vakuumrezipient 3 eingesetzt wird, inert sein gegenüber dem Reaktivgas bzw. Reaktivgasgemisch Ri und/oder gegenüber dem ggf. in Phase Ph2 eingesetzten, plasmaaktivieren zweiten Reaktivgas bzw. Reaktivgasgemisch R2.
Bevorzugterweise wird für diese Oberfläche 15 mindestens eines der in nachfolgender Gruppe G aufgeführten Materialien eingesetzt:
Quarz, Graphit, Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Titanoxid, Tantaloxid, Nioboxid, Zirkonoxid, diamantähnlicher Kohlenstoff oder Diamant, letztere Oberflächenmaterialien als Schichtmaterialien.
In Fig. 2 ist in einer Darstellung analog zu derjenigen von Fig. 1, weiterhin schematisch, eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Typ I Prozessmoduls gemäss Fig. 1 dargestellt. Bezüglich Prozessführung, vorgesehene Gasvorräte sowie ggf. vorgesehene Plasmaentladungsstrecke gelten die im Zusammenhang mit Fig. 1 gemachten Ausführungen identisch, ebenso bezüglich Verfahrensführung. In Fig. 2 sind für die bereits in Fig. 1 beschriebenen Teile dieselben Bezugszeichen verwendet. Im Unterschied zur Ausführungsform gemäss Fig. 1 ist bei der Ausführungsform gemäss Fig. 2 der Prozessraum PR durch eine entlang überwiegender Abschnitte der Kammerwand 1, weiterhin bevorzugt aus rostfreiem Stahl bzw. Inox, beabstandete Prozessraumwandung 14 begrenzt. Mindestens ihre dem Prozessraum PR zugewandte Oberfläche 15a ist aus dem bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 erläuterten inerten Material gefertigt, wie erwähnt vorzugsweise aus dielektrischem, dabei weiterhin insbesondere bevorzugt aus mindestens einem der Materialien der Gruppe G.
Die eigentlich eine Prozessraumummantelung innerhalb der Vakuumkammer mit Wand 1 bildende Wandung 14 kann dabei aus dem die Oberfläche 15a bildenden Material bestehen, oder es ist das die Oberfläche 15a bildende inerte Material auf einer tragenden, der Wandung 1 zugewandten Wandung (nicht dargestellt) aufgebaut, wie beispielsweise aufgeschichtet. Diese Trägerwand ist dann, weil dem Prozessraum PR nicht ausgesetzt, beispielsweise aus rostfreiem Stahl bzw. Inox. Durch den Pumpanschluss 11 bzw. die Pumpe 13 wird der Prozessraum PR auf den im Zusammenhang mit Fig. 1 erläuterten Restgaspartialdruck abgepumpt, während beispielsweise - und wie in Fig. 2 gezeigt - der Zwischenraum ZW zwischen Vakuumkammerwand 1 und Ummantelung 14 über einen separaten Pumpanschluss 11a durch dieselbe oder durch eine andere Vakuumpumpe abgepumpt wird.
Der Fachmann erkennt ohne weiteres, dass auch beim Einsatz derselben Pumpe 13 zum Abpumpen beider Räume, nämlich des Prozessraumes PR sowie des Zwischenraumes ZW, entsprechende steuerbare Drosselorgane in den zugeordneten Pumpstutzen 11 bzw. 11a eingebaut werden können. Bezüglich des niederenergetischen Plasmas, welches zur Durchführung von Phase Ph2 des erfindungsgemässen Verfahrens auch am Modul gemäss Fig. 2 eingesetzt wird, gelten die bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 gemachten Erläuterungen. Die bei der Ausführungsform gemäss Fig. 2 vorgesehene, durch die Wandung 14 gebildete Prozessraumummantelung ist bevorzugterweise am Rezipienten 3a auswechselbar gestaltet.
Das anschliessend zu erläuternde, in den Fig. 3 und 4 gezeigte Prozessmodul des Typs II wird im Rahmen des erfindungsgemässen Herstellungsverfahrens bevorzugterweise als Reinigungsmodul eingesetzt. Wie eingangs erwähnt wurde, ist es höchst vorteilhaft, die Substratoberfläche, bevor sie der Gasadsorption zugeführt wird, zu konditionieren bzw. zu reinigen. Bevorzugterweise erfolgt dies mit plasmaaktiviertem Reaktivgas oder Reaktivgasgemisch, vorzugsweise mittels plasmaaktiviertem Wasserstoff. Auch hier wird ein niederenergetisches Plasma eingesetzt mit Ionenenergien Er an der Substratoberfläche im oben angegebenen Bereich. Als Plasmaentladung wird dabei bevorzugt eine DC-Entladung eingesetzt, besonders bevorzugt eine unselbständige Entladung. Als dabei bevorzugte Ausführungsvariante wird wiederum eine Entladung mit thermionischer Kathode, insbesondere bevorzugt mit direkt beheizter, thermionischer Kathode eingesetzt.
Nebst dem Vorsehen eines derartigen Substratoberflächen- Konditionierungs- bzw. -Reinigungsschrittes vor der Gasadsorptionsphase Phi, insbesondere vor dem erstmaligen, kann es auch angezeigt sein, einen solchen Oberflächenbehandlungsschritt nach Beendigung der oben definierten Phase Ph2 des erfindungsgemässen Verfahrens vorzusehen. Wie erwähnt werden hierzu bevorzugterweise die nachfolgend erläuterten Prozessmodule Typ II gemäss den Fig. 3 bzw. 4 eingesetzt.
Das in Fig. 3 dargestellte Modul unterscheidet sich von den in Fig. 2 dargestellten lediglich dadurch, dass die den Prozessraum PR umschliessende Oberfläche 15b den im
Zusammenhang mit dem Prozessmodul gemäss Fig. 2 erläuterten Inertheits-Anforderungen nicht genügt, indem die Wandung 14a, beispielsweise wie die Wandung 1, aus rostfreiem Stahl bzw. Inox oder einem anderen Metall gefertigt ist. Dabei enthält die Gastankanordnung 9R ein insbesondere zu Reinigungszwecken eingesetztes Reaktivgas bzw. Reaktivgasgemisch Rr, und es ist im Rezipienten 3a eine (nicht dargestellte) den obigen Anforderungen genügende, niederenergetische Plasmaentladungsstrecke vorgesehen. Die metallische Wandung 14a ist bevorzugterweise auswechselbar, so dass das Prozessmodul Typ II in Ausführungsform gemäss Fig. 3 ohne weiteres in ein Prozessmodul Typ I gemäss Fig. 2 und umgekehrt gewandelt werden kann. In Fig. 4 ist, weiterhin in Darstellung analog zu den Fig. 1 bis 3, eine weiter vereinfachte Ausführungsform des Moduls vom Typ II dargestellt. Im Unterschied zu dem anhand von Fig. 3 erläuterten ist hier der Prozessraum PR direkt durch die Kammerwandung 1 begrenzt, mit einer Oberfläche, die beispielsweise aus rostfreiem Stahl bzw. Inox besteht.
Es ist ohne weiteres ersichtlich, dass die Module Typ I gemäss Fig. 1 bzw. Fig. 2 und Typ II gemäss den Fig. 3 bzw. 4 durch entsprechendes Entfernen bzw. Einsetzen von Prozessraumummantelungen 14, 14a ineinander gewandelt werden können.
In Fig. 5 ist eine bevorzugte Realisationsform des Typ I Prozessmoduls gemäss Fig. 2 dargestellt. Es ist darauf hinzuweisen, dass alle vom Modul gemäss Fig. 2 ausgehenden, beim Modul gemäss Fig. 5 zusätzlichen, spezifisch bevorzugt eingesetzten Massnahmen, am prinzipiellen Modul gemäss Fig. 2 einzeln oder in beliebigen Teilkombinationen realisiert werden können. Das Prozessmodul gemäss Fig. 5 ist ausgelegt, um daran beide Phasen Phi und Ph2 des erfindungsgemässen Herstellungsverfahrens durchzuführen.
Entsprechend sind auch die Taktverhältnisse zeitgesteuert und die Gaszuführungen phasenabhängig gesteuert.
Die Rezipientenwand 101 des Prozessmoduls gemäss Fig. 5, vorzugsweise aus rostfreiem Stahl bzw. Inox gefertigt, trägt zentral, bevorzugterweise an ihrer oberen Stirnplatte 103, eine Elektronenquelle 105 zur Miterzeugung der Plasmaentladung im Prozessraum PR in Phase Ph2 des erfindungsgemässen Herstellungsverfahrens. Bei den im Rahmen der erfindungsgemäss geforderten tiefen
Ionenenergien im Substratbereich, auch für den Einsatz eines zweiten Reaktivgases bzw. Reaktivgasesgemisches in Phase Ph2, können ggf. auch andere Plasmen, wie beispielsweise Mikrowellenplasmen, eingesetzt werden als das nachfolgend beschriebene.
Es wird bevorzugterweise eine Elektronenquelle, wie die Elektronenquelle 105, eingesetzt, welche Elektronen mit einer Elektronenenergie von höchstens 100 eV, vorzugsweise von höchstens 50 eV, abgibt. In bevorzugter Ausführungsform wird dabei die mit der Elektronenquelle unselbständige Entladung als DC-Entladung realisiert. Die Elektronenquelle 105 gemäss Fig. 5 ist bevorzugt gebildet durch eine thermionische Kathode, vorzugsweise eine direkt beheizte thermionische Kathode 107, eingebaut in eine Kathodenkammer 109 mit elektrisch von der Rezipientenwand 101, 103 isolierter Kathodenkammerwand. Die Kathodenkammer kommuniziert über eine Blende 111 mit dem Prozessraum PR. Das in Phase Ph2 eingesetzte Edelgas, bevorzugterweise Argon, wird, weiter bevorzugt (nicht dargestellt), in die Kathodenkammer 109 eingelassen, unter anderem, um die thermionische Kathode 107 vor Einflüssen eines ggf. auch in Phase Ph2 eingesetzten zweiten Reaktivgases bzw. Reaktivgasgemisches zu schützen und eine höhere Elektronenemissionsrate zu ermöglichen.
Von der Rezipientenwand 101, 103 beabstandet und mit ihr den Zwischenraum ZW aufspannend, ist, den Prozessraum PR umschliessend, die Prozessraumummantelung 113, in Analogie zu Fig. 2, vorzugsweise auswechselbar montiert. Der Prozessraum PR innerhalb der Ummantelung 113 sowie der Zwischenraum ZW werden hier über denselben Pumpanschluss 115 gepumpt. Dabei können ggf. unterschiedliche Pumpquerschnitte von diesem Anschluss 115 einerseits zum Zwischenraum ZW, anderseits zum Prozessraum PR führen. Innerhalb des Prozessraumes PR wirkt, für die
Verfahrensphase Ph2, eine Anodenanordnung. Diese ist bevorzugterweise durch zwei oder mehrere konzentrisch zur Blendenachse A angeordnete Anoden 117a bzw. 117b gebildet. Sie sind (nicht dargestellt) je unabhängig voneinander auf Massepotential oder auf jeweilige elektrische Anodenpotentiale schaltbar, welche, weiter bevorzugt, unabhängig voneinander eingestellt werden können. Weiter bevorzugt ist die metallische Rezipientenwand 101, 103 auf Bezugspotential, vorzugsweise Massepotential, gelegt. Die entlang der Blendenachse A versetzten Anoden 117a, 117b sind, nebst unabhängig voneinander elektrisch betreibbar, bevorzugterweise (nicht dargestellt) auch unabhängig voneinander beheizbar bzw. kühlbar. Dies wird dadurch realisiert, dass in diesen Anoden Temperiermediumsleitungen geführt sind und/oder Heizwendeln eingebaut sind.
Strichpunktiert ist in Fig. 5 der durch die bevorzugt eingesetzte Plasmaerzeugungsanordnung gebildete Plasmastrahl PL dargestellt mit bei V rein heuristisch eingetragener Plasmadichteverteilung koaxial zur Blendenachse A. In Phase Ph2 ist dabei die Substratoberfläche mit dem adsorbierten Reaktivgas direkt der Plasmaentladung PL ausgesetzt. Durch entsprechende Beaufschlagung der Anoden 117a und 117b mit anodischen Potentialen bzw. durch gesteuerte Temperierung dieser Anoden kann die Plasmadichteverteilung V gezielt eingestellt, insbesondere, über die Substratoberfläche, mindestens genähert konstant verteilt eingestellt werden.
Im Prozessraum PR ist ein Substrathalter 119 montiert bzw. ist, wie noch zu erläutern sein wird, dem Prozessraum PR gesteuerte zuführbar. Obwohl es durchaus möglich ist, den Substrathalter 119 für die bevorzugte Behandlung scheibenförmiger Substrate 120, eine Trägerfläche 119a definierend, mit dieser Trägerfläche 119a parallel zur Blendenachse A, diesbezüglich schiefwinklig oder diesbezüglich gemäss Fig. 5 senkrecht, aber exzentrisch anzuordnen, wird in weitaus bevorzugter Ausführungsform der Substrathalter 119 mit seiner Trägerfläche 119a zur Achse A der Blende 111 konzentrisch und im wesentlichen senkrecht angeordnet .
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist mittels eines externen Antriebes 121 der Substrathalter 119, wie mit dem Doppelpfeil F dargestellt, gegen die durch die Prozessraumummantelung 113 definierte lichte
Aufnahmeöffnung 123 hin- bzw. von ihr rückholbar. Ist der Substrathalter 119 mittels des Antriebes 121 vollständig gegen den Prozessraum PR hochgefahren, so verschliesst seine Randpartie 125 die lichte Öffnung 123 der Prozessraumummantelung 113 mindestens so, dass in der Phase Ph2 Ladungsträger gehindert werden, aus dem Prozessraum PR auszutreten und in der Verfahrensphase Phi nachhaltig verhindert wird, dass zu adsorbierendes Reaktivgas oder Reaktivgasgemisch in den Zwischenraum ZW austritt. Ein wie erwähnt bevorzugt flächiges bzw. scheibenförmiges Substrat 120 wird durch ein Schlitzventil 129 auf stationäre Aufnahmestützen 126 abgelegt, während der Substrathalter 119 abgesenkt ist. Danach wird der Substrathalter 119 angehoben, untergreift mit seiner Trägerfläche 119a das Substrat 120 und hebt dieses von den stationären Stützen 126 ab. Das Substrat 120 wird hochbewegt in den Prozessraum PR, dabei, bei Erreichen der Bearbeitungsposition, verschliesst der Substrathalter 119 mit seiner Randfläche 125 den Prozessraum im erwähnten Ausmasse .
Die Stützen 126 sind an einer Substrattemperiereinrichtung 127 montiert, welche über Temperiermedium-Zu- und - Ableitungen 128 Temperiermedium-beaufschlagt ist. Wie erwähnt kann durch entsprechende Steuerung der Substratoberflächen-Temperatur, insbesondere in Phase Phi, die Gasadsorptionsrate gesteuert werden.
Gestrichelt ist in Fig. 5 der Substrathalter 119 in seiner Bearbeitungsposition dargestellt.
Auch die Rezipientenwandung 101 und deren stirnseitige Abschlussplatten 103 bzw. 131 sind temperiert, vorzugsweise gekühlt, insbesondere in Phase Ph2 des erfinungsgemässen Herstellungsverfahrens. Hierzu ist die die Ummantelung bildenden Wandung 101 als Doppelwandung ausgebildet mit dazwischen eingebautem Temperiermediumssystem. Ebenso sind in den Stirnplatten 103 bzw. 131 Temperiermedium- Leitungssysteme eingebaut.
Ausserhalb des Vakuumrezipienten sind Helmholtz-Spulen 133 sowie, verteilt, Umlenkspulen 135 montiert. Mittels der
Helmholtz-Spulen 133 wird ein im wesentlichen zur Achse A paralleles und diesbezüglich symmetrisches Magnetfeldmuster im Prozessraum PR erzeugt, dies insbesondere in Phase Ph2 des erfindungsgemässen Herstellungsverfahrens. Dieses Magnetfeldmuster kann mit Hilfe der Umlenkspulen 135 in
Ebenen E senkrecht zur Achse A , wie in Fig. 6 schematisch dargestellt, verschoben werden. Durch diese "Verschiebung" der Magnetfeldstärkeverteilung HA ergibt sich eine "Verschiebung" der Plasmadichteverteilung V entlang des Substrates 120. Damit wird eine "Relativbewegung" zwischen Plasmadichteverteilung V und zu behandelnder Substratoberfläche erreicht, wie wenn das Substrat bezüglich des Plasmas PL mit zeitlich konstanter Plasmadichteverteilung verschoben würde. Durch diese
Feldverteilungssteuerung ergibt sich am Substrat mithin der gleiche Effekt, wie wenn dieses bezüglich des Plasmas PL mechanisch bewegt würde, ohne aber eine mechanische Substratbewegung vorzusehen. Für die Realisierung der Phase Phi des erfindungsgemässen Verfahrens wird zu adsorbierendes Reaktivgas oder Reaktivgasgemisch, nachdem das bevorzugterweise vorgängig gereinigte Substrat 120 in Bearbeitungsposition gefahren wurde, über Reaktivgaseinlass 137 in den Prozessraum PR eingelassen. Dabei ist wie dargestellt der
Reaktivgaseinlass, vorzugsweise koaxial zur Achse A, im unmittelbaren Bereich des in Bearbeitungsposition liegenden Substrates 120 bzw. Substratträgers 119 angeordnet, mit Einlassöffnungen im wesentlichen parallel zu der zu behandelnden Substratfläche. Wie erwähnt wurde, ist der bevorzugt aus rostfreiem Stahl aufgebaute Vakuumrezipient 101, 103 insbesondere in Phase Ph2 bevorzugt intensiv gekühlt. Er genügt UHV-Bedingungen. Die intensive Kühlung in Phase Ph2 verhindert das Aufheizen des Stahls und die damit verbundene Freisetzung von kohlenstoffhaltigen Gasen aus dem Stahl, insbesondere während der Phase Ph2.
Bezüglich des Materials der Prozessraumummantelung 113, insbesondere deren dem Prozess ausgesetzten Oberfläche, gilt das bereits anhand von Fig. 1 Erläuterte: Das inerte Material, vorzugsweise ein dielektrisches und wie erwähnt bevorzugt aus der Materialgruppe G gewählt, ist auch bei wesentlich höheren Temperaturen als der Prozesstemperatur stabil bezüglich verwendeten, zu adsorbierenden Reaktivgasen Ri (Fig. 1) und den ggf. der
Plasmaentladungsatmosphäre in Phase Ph2 zugeführten zweiten Reaktivgasen (R2) , wie insbesondere bezüglich Wasserstoff, Silan, German, Diboran, Chlor, NF3, HC1, SiH3CH3, GeH3CH3, N2, C1F3, PH3, AsH4. Damit wird erreicht, dass es zu keinen Kontaminationen des Substrates 120 kommt. Eine Störbeschichtung der inneren Oberfläche der Prozessraumummantelung 113 ist nur unter dem Aspekt der Partikelbildung kritisch. Eine dünne Störbeschichtung durch Gasadsorption und anschliessende Plasmabehandlung kann sogar bevorzugt werden, um eine noch bessere Reinheit des Prozesses zu gewährleisten, der dann praktisch ausschliesslich durch Prozess-inhärentes Material umgeben ist.
Bei den Typ I Prozessmodulen wird die Vakuumkammerwand üblicherweise aus rostfreiem Stahl nicht beschichtet, weil sie durch die Prozessraumummantelung 113 vor den reaktiven Gasen und dem Plasma geschützt ist, weiter weil die wie in Fig. 5 dargestellte intensive Kühlung eine Abscheidung aus der Gasphase dort zusätzlich stark reduziert. Was bezüglich der inneren Oberfläche der Prozessraumummantelung 113 gilt, gilt auch für dem Prozess ausgesetzten Oberflächen des Substrathalters 119.
Die Prozessraumummantelung 113 wird bevorzugterweise mehrteilig (nicht dargestellt) ausgebildet, so dass sie ohne Demontage der Anordnungen 117a, 117b entfernt bzw. ausgewechselt werden kann.
Durch Entfernen der in Fig. 5 dargestellten Prozessraumummantelung 113 wird eine bevorzugte Ausführungsform des Prozessmoduls Typ II realisiert, bzw. durch Ersatz der Prozessraumummantelung 113 durch eine ebenso geformte Ummantelung aus einem Metall, ein Prozessmodul des Typs II gemäss Fig. 3.
Es sei wiederholt, dass im Prozessmodul des Typs I, bevorzugt ausgebildet gemäss Fig. 5, die Phasen Phi und/oder Ph2 des erfindungsgemässen Herstellungsverfahrens durchgeführt werden, hingegen bevorzugterweise in Modulen des Typs II der Phase Phi vorgelagerte und/oder der Phase Ph2 nachgelagerte Oberflächen-Konditionierungs- bzw. -Rei- nigungsschritte, bevorzugt in einem niederenergetischen Wasserstoffplas a .
In den Fig. 7 und 8 sind in Form von Ablaufdiagrammen zwei mögliche Realisationsformen des erfindungsgemässen Herstellungsverfahrens dargestellt. Gemäss Fig. 7 seien mehrere unterschiedliche Atom-Monolagen übereinander abzulegen, beispielsweise zur Herstellung einer heteroepitaktisch aufgewachsenen Schicht. Die Substrate werden erst einem Reinigungsmodul R, vorzugsweise ausgebildet gemäss den Modulen Typ II, zugeführt, worin, weiter bevorzugt, eine Oberflächenreinigung in einem wie definiert niederenergetischen Wasserstoffplasma erfolgt. Ein betrachtetes Substrat wird nach Reinigung R einem Prozessmodul des Typs I zugeführt, worin die Verfahrensphase Phu mit Absorption eines ersten Reaktivgases erfolgt. Anschliessend wird das Substrat zur Realisation der Phase Ph2 einem Prozessmodul, bevorzugterweise des Typs I, zugeführt mit, wie erwähnt wurde, Gaszuführung - Edelgas und/oder Reaktivgas - und niederenergetischer Plasmaentladung. Nach Durchführung der Phase Ph wird das Substrat einem weiteren Prozessmodul des Typs I zugeführt und dort mit einem weiteren zu adsorbierenden Reaktivgas oder Reaktivgasgemisch - Phi2 - beaufschlagt. Wiederum wird es danach im zentralen Prozessmodul des Typs I der Verfahrensphase Ph2 unterzogen, um danach ggf. weiteren Prozessmodulen des Typs I zugeführt zu werden, wo das Substrat weiteren zu adsorbierenden Reaktivgasgemischen bzw. Reaktivgasen unterworfen wird, Phι3 etc. Dadurch werden, sollen epitaktische Schichte aufgewachsen werden, heteroepitaktische Schichten abgelegt. Pendelt das Substrat, wie gestrichelt dargestellt, zwischen Prozessphase Ph und einer Prozessphase, z.B. Phn, hin und her, so wird im Falle epitaktischen Aufwachsens eine homoepitaktische Schicht aufgewachsen.
Im Unterschied zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens nach Fig. 7 wird bei der Durchführung gemäss Fig. 8 vorzugsweise nach jedem Ablegen einer Atom-Monolage ein Reinigungsschritt der Substratoberfläche vorgenommen. Dabei kann dieser Reinigungsschritt R bevorzugterweise immer gleich ausgebildet sein wie der Reinigungsschritt, welcher an der Substratoberfläche durchgeführt wird, bevor sie überhaupt dem ersten Adsorptionsschritt gemäss einer ersten Verfahrensphase Phn unterzogen wird. Es wird also auch nach Ablegen einer atomaren Monolage eine Oberflächenreinigung am Substrat durchgeführt, in einem niederenergetischen Plasma, vorzugsweise einem niederenergetischen Wasserstoffplasma. Folgen wir wiederum einem betrachteten Substrat. Nach Reinigung im Prozess R wird es einem ersten Prozessmodul des Typs I zugeführt, wo es ein erstes Reaktivgas bzw. Reaktivgasgemisch adsorbiert, Phn. Anschliessend wird es einem weiteren Prozessmodul des Typs I zugeführt, woran die Verfahrensphase Ph2, d.h. Plasmabehandlung, ggf. unter Beifügung von Ionen und
Radikalen eines zweiten plasmaaktivierten Reaktivgases, insbesondere bevorzugt von Wasserstoff und/oder Stickstoff und/oder Sauerstoff, durchgeführt wird.
Nach Beendigung dieser Verfahrensphase Ph wird das Substrat wiederum dem Reinigungsprozess R, bevorzugt in einem Modul des Typs II, zugeführt, danach einem weiteren Modul des Typs I, wo es ein weiteres Reaktivgas bzw. Reaktivgasgemisch, in der Phase Phι2, adsorbiert. Es wird danach, wiederum über die Verfahrensphase Ph2, dem Reinigungsschritt R zugeführt, etc. Hier ist ersichtlich, dass, ausgangsseitig der die Prozessphasen Phχx durchführenden Module, ein Transport über ein die Phase Ph durchführendes Modul zum Reinigungsmodul erfolgt, von wo aus, praktisch zentral, die die jeweilige Phase Phιx durchführenden Prozessmodule mit Substraten gespiesen werden.
Bevorzugterweise werden diese oder gleichgeartete, relativ komplexe Prozessabfolgen flexibel in einer vorzugsweise frei programmierbaren Vakuumbehandlungsanlage durchgeführt, innerhalb welcher ein zentrales Transportmodul die jeweiligen Prozess- und Konditionierungs- bzw. Reinigungsmodule beschickt.
Schematisch und rein beispielsweise ist eine solche Anlage in Fig. 9 dargestellt, mit zwei Reinigungsmodulen R des Typs II, zwei Modulen des Typs I zur Durchführung der Verfahrensphasen Ph2 sowie zwei Modulen des Typs I zur Durchführung der Verfahrensphasen Phι2 und Phn.

Claims

Patentansprüche :
1. Verfahren zur Herstellung materialbeaufschlagter Substrate, bei dem: a) mindestens ein Substrat in einen evakuierten Vakuumrezipienten eingeführt wird; b) die zu beaufschlagende Oberfläche des Substrates einem Reaktivgas ausgesetzt wird, das an der Oberfläche adsorbiert wird; c) die Aussetzung der Oberfläche an das Reaktivgas beendet wird; d) das an der Oberfläche adsorbierte Reaktivgas reagiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass di) die Oberfläche mit dem adsorbierten Gas einer niederenergetischen Plasmaentladung mit Ionenenergie EIO an der Substratoberfläche von
Figure imgf000041_0001
und Elektronenenergie Eeo
0 eV < Eeo < 100 eV ausgesetzt wird; d2) das adsorbierte Reaktivgas mindestens unter Mitwirkung von plasmaerzeugten Ionen und Elektronen reagiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaentladung mit einer Ionenenergie Ero an der Oberfläche des Substrates von
0 eV < Eio < 15 eV realisiert wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das adsorbierte Reaktivgas eine Reaktivgasgemisch ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaentladung in einer Edelgas- Atmosphäre unterhalten wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaentladung in einer Argon-Atmosphäre unterhalten wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaentladung in einer Atmosphäre erzeugt wird, welche ein weiteres Reaktivgas oder -Gasgemisch enthält.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Reaktivgas oder -Gasgemisch mindestens eines der Gase Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff enthält.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Reaktivgas oder -Gasgemisch Wasserstoff enthält, vorzugsweise Wasserstoff ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass man den Vakuumrezipienten auf einen Druck (pv) evakuiert, für den gilt:
10"11 mbar < pv < 10"8 mbar. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass man das zu adsorbierende Reaktivgas bis zu einem Partialdruck pp einlässt, für welches gilt 104 mbar < pp < 1 mbar.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasabsorptions-Rate an der Oberfläche durch Beheizen/Kühlen der Oberfläche gesteuert wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass man die Aussetzung beendet, indem man das Substrat aus dem evakuierten Vakuumrezipienten in einen weiteren evakuierten Vakuumrezipienten überführt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass man die Aussetzung der Oberfläche beendet durch Abpumpen des verbleibenden adsorbierten Reaktivgases aus dem evakuierten Vakuumrezipienten.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass man das Reaktivgas bis zum Erreichen eines Druckes pv' abpumpt, für welchen gilt:
10"11 mbar < pv' < 10~8 mbar.
15. Verfahren nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass man das Substrat der Plasmabehandlung mindestens während einer vorgegebenen Minimal-Zeitspanne aussetzt .
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass man mindestens die Schritte b) bis d2) mindestens zweimal durchläuft.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass man nach Durchführen mindestens eines Schrittes d2) ein geändertes Material auf die Oberfläche aufbringt.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass man das weitere Material mittels eines Vakuumbeschichtungsprozesses, nasschemisch oder galvanisch aufbringt.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 18, dadurch gekennzeichnet, dass man vor dem Aussetzen der Oberfläche dem zu adsorbierenden Reaktivgas die Oberfläche einem niederenergetiscehn Edelgasplasma, vorzugsweise Argon- Plasma, aussetzt mit Ionenenergien Eπ an der Oberfläche von
0 eV < En ≤ 20 eV, vorzugsweise
0 eV < En ≤ 15 eV und Elektronenenergie Eeι von
0 eV < Eeι < 100 eV.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 19, dadurch gekennzeichnet, dass man, vor dem Aussetzen der Oberfläche dem zu adsorbierenden Reaktivgas, die Oberfläche einer niederenergetischen Plasmaentladung in einer Atomatmosphäre, die ein weiteres Reaktivgas enthält, aussetzt, wobei für die Ionenenergie Eϊ2 an der Substratoberfläche gilt:
0 eV < Eϊ2 < 20 eV vorzugsweise 0 eV < Eϊ2 < 15 eV bei Elektronenenergie Es2 von
0 eV < Ee < 100 eV.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Reaktivgas mindestens eines der Gase
Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff ist.
22. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Reaktivgas Wasserstoff enthält, vorzugsweise Wasserstoff ist.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 22, dadurch gekennzeichnet, dass man nach dem Reagieren des adsorbierten Reaktivgases die Oberfläche einem niederenergetischen Edelgasplasma, vorzugsweise Argon- Plasma, aussetzt mit einer Ionenenergie Eι3 an der Oberfläche von
0 eV < E13 < 20 eV, vorzugsweise
0 eV < Eχ3 < 15 eV und Elektronenenergie Ee3
0 eV < Ee3 < 100 eV.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 23, dadurch gekennzeichnet, dass man, nach dem Reagieren des adsorbierten Reaktivgases, die Oberfläche einer niederenergetischen Plasmaentladung in einer Atmosphäre, die ein weiteres Reaktivgas enthält, aussetzt, wobei für die Ionenenergie EI4 an der Substratoberfläche gilt: 0 eV < Eϊ4 < 20 eV, vorzugsweise
0 eV < Ex4 < 15 eV und mit Elektronenenergie Ee4
0 eV < Ee < 100 eV.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Reaktivgas mindestens eines der Gase Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff ist.
26. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Reaktivgas Wasserstoff enthält, vorzugsweise ist.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeaufschlagung mittels mindestens einem der folgenden Materialien erfolgt: Oxide oder Nitride oder Oxinitride von Si, Ge, Ti, Ta, Hf, Zr, AI, Nb, W und/oder der folgenden Metalle:
AI, Ti, Cu, W, Ta.
28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbaufschlagung mittels mindestens einem der folgenden Materialien erfolgt:
Siliziumoxid, Tantaloxid, Zirkonoxid, Titannitrid, Tantalnitrid, Wolframnitrid, (TaSi)xNy.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 26, dadurch gekennzeichnet, dass alle Verfahrensschritte in einem Vakuumrezipienten durchgeführt werden.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte in mindestens zwei Vakuumrezipienten durchgeführt werden.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die die Oberfläche des Substrates umgebende Prozessatmosphäre während mindestens einer der Phasen, bestehend aus den Schritten b) und c) und/oder d) bis d2) , von der Innenwand eines an Umgebung liegenden Vakuumrezipienten getrennt wird.
32. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die zu beaufschlagende Oberfläche die Oberfläche eines bereits beaufschlagten oder beschichteten Substrates umfasst.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche vor dem
Absorptionsschritt und/oder nach dem Reagieren des adsorbierten Reaktivgases oder -gasgemisches einem plasmaunterstützten Reinigungsschritt ausgesetzt wird, bei dem in einen Prozessraum eingelassenen Reaktivgas oder - gasgemisch - vorzugsweise Wasserstoff enthaltend - mittels einer niederenergetischen Plasmaentladung mit Ionenenergie Er an der Substratoberfläche von
0 eV < Er < 20 eV, vorzugsweise 0 eV < Er < 15 eV aktiviert wird, bei einer Elektronenenergie Eer von
0 eV < Eer < 100 eV.
34. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass während des mindestens einen Reinigungsschrittes die Reinigungsprozessatmosphäre mittels einer metallischen Umkapselung von der Innenwandung des an Umgebung liegenden Reinigungsvakuumrezipienten abgetrennt wird oder - und dies bevorzugt - diese Prozessatmosphäre direkt durch die Innenwandung eines an Umgebung liegenden Reinigungsvakuumrezipienten begrenzt wird.
35. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass man durch eine einzige Abfolge der
Schritte a) bis d2) eine Atom-Monolage auf die Oberfläche aufbringt.
36. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass man durch Wiederholen der Schritte b) bis d) eine epitaktische Schicht aufwächst, mit
Reaktivgaswechsel heteroepitaktische, ohne Reaktivgaswechel ho oepitaktische .
37. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass man nach Durchführung einer vorgegebenen Anzahl Durchläufe der Schritte b) bis d) sequentiell an mehreren Substraten den Prozessraum des Vakuumrezipienten einem plasmaunterstützten Prozessraum- Reinigungsschritt ohne eingeführtes Substrat unterzieht oder mit Substrat-Attrappe, welcher Prozessraum- Reinigungsschritt bevorzugt erst einen Ätzschritt umfasst, danach einen Reinigungsschritt, bevorzugt in einem Plasma, enthaltend Wasserstoff, Edelgas oder eine Mischung daraus.
38. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass man vor Schritt a) und/oder nach Schritt d2) das Substrat örtlich vom Vakuumrezipienten getrennt einem Substratreinigungsschritt unterzieht und den Transport des Substrates dazwischen in Vakuum vornimmt.
39. Verfahren nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass der Transport in Vakuum mindestens stückweise linear erfolgt oder, und bevorzugt, entlang einer Kreisbahn, mit linearen Zuführbewegungen zu den erwähnten Rezipienten, vorzugsweise mit bezüglich Kreisbahn radialer Bewegungskomponente .
40. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass man während den Schritten b) bis und mit d) die Prozessatmosphäre, welcher die Oberfläche ausgesetzt ist, von der Innenwandung eines an Umgebung liegenden Vakuumrezipienten trennt mittels einer im Neuzustand chemisch gegen das zu adsorbierende Reaktivgas oder -gasgemisch und/oder gegen ein zweites plasmaaktiviertes Reaktivgas oder -gasgemisch inerten Oberfläche, vorzugsweise mittels einer dielektrischen oder graphitischen Oberfläche.
41. Verfahren nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, dass die inerte Oberfläche die Oberfläche einer Trennwand ist, die entlang überwiegender Flächenabschnitte von der Innenwandung des Vakuumrezipienten beabstandet wird.
42. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 40 oder 41, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche zur
Trennung im Neuzustand aus mindestens einem der folgenden Materialien realisiert wird:
Quarz, Graphit, Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Titanoxid, Tantaloxid, Nioboxid, Zirkonoxid oder einer geschichteten Kombination dieser Materialien, dann auch mit diamantähnlichem Kohlenstoff oder Diamant.
43. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 42, dadurch gekennzeichnet, dass man die Plasmaentladung mit einer Elektronenquelle mit Elektronenenergie Ee < 50 eV, insbesondere bevorzugt mittels einer DC-Entladung realisiert.
44. Verfahren nach einem Ansprüche 1 bis 43, dadurch gekennzeichnet, dass man die Plasmaentladung mittels einer thermionischen Kathode, vorzugsweise mit einer direkt beheizten thermionischen Kathode, realisiert.
45. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 44, dadurch gekennzeichnet, dass man im Prozessraum des Vakuumrezipienten für die Plasmaentladung mindestens zwei örtlich versetzte und vorzugsweise je beheizbare Anoden vorsieht, vorzugsweise je getrennt elektrisch betätigbar und durch Steuerung der je daran angelegten elektrischen Potentiale und/oder ihrer Temperatur die Plasmadichteverteilung entlang der Oberfläche dynamisch oder statisch einstellt oder steuert.
46. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 45, dadurch gekennzeichnet, dass man während dem Schritt d) im Prozessraum ein Magnetfeld erzeugt und mittels dieses Magnetfeldes stationär und/oder dynamisch die Plasmadichteverteilung entlang der Oberfläche einstellt oder steuert, vorzugsweise mindestens örtlich wobbelnd.
47. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 46, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens das zu adsorbierende *'
- 50 -
Reaktivgas oder -gasgemisch verteilt in die Prozessatmosphäre eingelassen wird, vorzugsweise mit einer Einströmrichtung im wesentlichen parallel zur Oberfläche und, weiter bevorzugt, mit von der Oberfläche äquidistanten 5 Eindüsungsstellen.
48. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 47, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein Siliziumoxid- beschichtetes Substrat ist mit in die Siliziumoxidschicht eingelassenen Kerben, und dass nach n-maligem Durchführen
10 eines der Schritte d2) in die Kerben Kupfer abgelegt wird, wobei n > 1 ist.
49. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 - 48 für die Herstellung relaxierter Puffer.
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