| JP2006122881 | HIGH-PRESSURE REACTION APPARATUS |
| JP2004152999 | METHOD AND SYSTEM FOR PLASMA PROCESSING |
| WO/2011/091860 | HIGH-PRESSURE ARRANGEMENT WITH LOCKING ELEMENT PREVENTING ROTATION OF LOAD BASKET |
Wiltsche, Siegfried (Rundblick 8 Feldkirch, A-6800, AT)
Ramm, Jürgen (Chirchenrietstrasse 36 B Sevelen, CH-9475, CH)
Wagner, Rudolf (Im Zagg Fontnas, CH-9476, CH)
Wiltsche, Siegfried (Rundblick 8 Feldkirch, A-6800, AT)
Ramm, Jürgen (Chirchenrietstrasse 36 B Sevelen, CH-9475, CH)
| 1. | Verfahren zur Herstellung von Teilen als elektronische, optoelektronische, optische oder mikromechanische Bauelemente oder als Zwischenprodukte hierfür, durch Einsatz mindestens eines plasmaunterstützten Behandlungsschrittes, bei dem in einem Prozessraum (PR) eingelassenes Reaktivgas odergasgemisch mittels einer niederenergetischen Plasmaentladung (PL) mit Ionenenergie E an der Oberfläche des in der Plasmaentladung gelegenen Teiles von 0 eV < E zig 15 eV aktiviert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessatmosphäre (PR) während dem Behandlungsschritt von der Innenwandung eines an Umgebung liegenden Vakuumrezipienten (1) getrennt (15 ; 15a ; 14 ; 15b) wird. |
| 2. | Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine plasmaunterstützte Behandlungsschritt einer der folgenden ist : (a) Beschichten des Teiles oder (b) Verändern der Materialzusammensetzung des Teiles bis zu einer vorgegebenen Eindringtiefe (c) Ätzen der Oberfläche des Teiles. |
| 3. | Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor und/oder nach dem mindestens einen plasmaunterstützten Behandlungsschritt ein plasmaunterstützter Reinigungsschritt als ein weiterer plasmaunterstützter Behandlungsschritt genannter Art vorgenommen wird, bevorzugterweise in einem Plasma, enthaltend Wasserstoff, Edelgas oder eine Mischung daraus. |
| 4. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass örtlich von der Durchführung des erwähnten, mindestens einen plasmaunterstützten Behandlungsschrittes abgesetzt, das Teil gereinigt wird, durch Einsatz eines plasmaunterstützten Teilreinigungs schrittes, bei dem in einen Prozessraum (PR) eingelassenes Reaktivgas odergasgemischvorzugsweise Wasserstoff enthaltendmittels einer niederenergetischen Plasmaentladung (PL) mit Ionenenergie (E) an der Oberfläche des Teils von 0 eV < E < 15 eV aktiviert wird, wobei während dem Teilreinigungsschritt die Reinigungsprozessatmosphäre mittels einer metallischen Umkapselung (15b) von der Innenwandung eines an Umgebung liegenden Vakummrezipienten abgetrennt wird oderund dies bevorzugtdie Reinigungsprozessatmosphäre direkt durch die Innenwandung des an Umgebung liegenden Vakuumrezipienten (1) begrenzt wird. |
| 5. | Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4 zur Erzeugung eines virtuellen Substrates, dadurch gekennzeichnet, dass man i) ein Substrat einer Reinigung nach Anspruch 3 oder 4, vorzugsweise unter Mitverwendung von Wasserstoff als Reaktivgas, unterzieht ; ii) eine heteroepitaktische Schicht als plasmaunterstützten Behandlungsschritt aufwächst ; iii) gegebenenfalls eine zu nutzende Halbleiterschicht als weiteren plasmaunterstützten Behandlungsschritt aufwächst. |
| 6. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass man in einem Prozessraum (PR) in serieller zeitlicher Abfolge anfallende Teile jeweils mindestens einem der plasmaunterstützten Behandlungsschritte unterzieht und nach Durchführung einer vorgegebenen Anzahl dieser plasmaunterstützten Behandlungsschritte, im erwähnten Prozessraum (PR) einen weiteren plasmaunterstützten Behandlungsschritt vornimmt, welcher aus einem plasmaunterstützten Prozessraum Reinigungsschritt ohne eingeführtes Teil oder mit Substratattrappe besteht, der bevorzugt erst einen Ätzschritt umfasst, danach einen Reinigungsschritt, bevorzugt in einem Plasma, enthaltend Wasserstoff, Edelgas oder eine Mischung daraus. |
| 7. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass man das Teil, örtlich getrennt, mindestens zweien der plasmachemischen Behandlungsschritte unterzieht und den Transport des Teiles dazwischen in Vakuum vornimmt. |
| 8. | Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Transport in Vakuum mindestens stückweise linear erfolgt oder und bevorzugt entlang einer Kreisbahn mit linearen Zuführbewegungen zu den Prozessen, vorzugsweise mit bezüglich Kreisbahn radialer Bewegungskomponente. |
| 9. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennung durch Begrenzung des Prozessraumes mittels einer im Neuzustand chemisch gegen das plasmaaktivierte Reaktivgas odergasgemisch inerte Oberfläche erfolgt, vorzugsweise mittels einer dielektrischen oder graphitischen Oberfläche. |
| 10. | Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die inerte Oberfläche die Oberfläche einer Trennwand ist, die entlang überwiegender Flächenabschnitte von der Innenwandung des Vakuumrezipienten beabstandet (ZW) wird. |
| 11. | Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessraum (PR) und der Zwischenraum (ZW) zwischen Trennwand und Innenwandung des Vakuumrezipienten gleich oder unterschiedlich (13a, 13b, 115) gepumpt werden. |
| 12. | Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche 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, diamantähnlicher Kohlenstoff oder Diamant. |
| 13. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass man in einer Trennwand eine Zuführöffnung (123) für das Teil (120) vorsieht und diese, für die Behandlung, mit dem Teil und/oder mit einem Träger (119) für das Teil (120) verschliesst. |
| 14. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass man die Plasmaentladung mit einer Elektronenquelle (105) mit Elektronenenergie < 100 eV, vorzugsweise < 50 eV, insbesondere bevorzugt mittels einer DCEntladung realisiert. |
| 15. | Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass man die Plasmaentladung mittels einer thermionischen Kathode (107) realisiert, vorzugsweise mit einer direkt beheizten thermionischen Kathode. |
| 16. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass man im Prozessraum mindestens zwei örtlich versetzte und vorzugsweise je beheizbare Anoden (117a, 117b) für die Plasmaentladung vorsieht, vorzugsweise je getrennt elektrisch betätigbar, und durch Steuerung der je daran angelegten elektrischen Potentiale und/oder ihrer Temperatur die Plasmadichteverteilung (V) im Prozessraum dynamisch oder statisch einstellt oder steuert. |
| 17. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass man im Prozessraum (PR) ein Magnetfeld (H) erzeugt (133,135) und mittels dieses Magnetfeldes, stationär und/oder dynamisch, die Plasmadichteverteilung (V) an der Teiloberfläche einstellt oder steuert, vorzugsweise mindestens örtlich wobbelt. |
| 18. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktivgas verteilt in die Prozessatmosphäre eingelassen (137) wird, vorzugsweise mit einer Einströmrichtung im wesentlichen parallel zur Teiloberfläche (120) und, weiter bevorzugt, mit von der Teiloberfläche äquidistanten Eindüsungsstellen. |
| 19. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass man für den mindestens einen plasmaunterstützten Behandlungsschritt den Partialdruck von Gasen in der Prozessatmosphäre (PR), abgesehen von einem Arbeitsedelgas und dem Reaktivgas bzw. dessen gasförmige Reaktionsprodukte, auf höchstens 108 mbar, vorzugsweise auf höchstens 109 mbar hält (UHV). |
| 20. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine plasmaunterstützte Behandlungsschritt das Ablegen einer homooder hetero epitaktischen Schicht ist. |
| 21. | Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass als homooder heteroepitaktische Schicht eine Silizium/GermaniumSchicht abgelegt wird. |
| 22. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Teil ein im wesentlichen scheibenförmiger Teil (120) ist. |
| 23. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das der Behandlung unterworfene Teil ein SiliziumWafer oder ein Wafer aus einem Verbindungshalbleiter, vorzugsweise aus Galliumarsenid oder Indiumphosphid oder Siliziumkarbid oder aus Glas ist. |
| 24. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schicht mit mindestens einem der folgenden Materialen abgelegt wird : Silizium, SiliziumGermaniumVerbindung, Silizium GermaniumKohlenstoffVerbindung, Diamant, diamantähnliche Verbindung, Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Galliumnitrid, Galliumarsenid, Aluminium, Kupfer, Indiumphosphid, kubisches Bornitrid. |
| 25. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24 für die Herstellung von virtuellen Substraten, die vorzugsweise SiliziumGermanium enthalten. |
| 26. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 25 für die Behandlung von Teilen mit einem Durchmesser der jeweils gleichzeitig zu behandelnden Oberflächen von mindestens 150 mm, vorzugsweise von mindestens 200 mm, vorzugsweise gar von mindestens 300 mm. |
| 27. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die plasmaunterstützte Behandlung ein Beschichten des Teiles mit einer Beschichtungsrate von mindestens 60 nm/Min. ist. |
| 28. | Verfahren zur Herstellung eines virtuellen Substrates oder darauf aufbauenden Bauteils, vorzugsweise auf SiliziumGermaniumBasis, mindestens einen Reinigungsschritt umfassend, dadurch gekennzeichnet, dass man diesen Reinigungsschritt als plasmaunterstützten Reinigungsschritt durchführt, bei dem das zu reinigende Substrat in einem Prozessraum eingelassenem Reaktivgas oder gasgemisch ausgesetzt wird, aktiviert mittels einer niederenergetischen Plasmaentladung mit Ionenenergie E an der Oberfläche des Teiles von 0 eV < E < 15 eV. |
| 29. | Vakummbehandlungssystem, insbesondere für die Durchführung eines der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 28 mit mindestens einer Vakuumkammer (1), darin mindestens einem Werkstückträger (5), einer Plasmaerzeugungsanordnung zur Erzeugung eines Plasmas in der Kammer (1), einer mit einer Gastankanordnung mit mindestens einem Reaktivgas oderGasgemisch verbundenen Gaseinlassanordnung (7) in der Kammer (1), dadurch gekennzeichnet, dass in der Vakuumkammer (1) eine Prozesskammer (PR) vorgesehen ist, worin der Werkstückträger (5) in Bearbeitungsposition freiliegt, worin das Plasma (PL) erzeugt wird undwomit die Gaseinlassanordnung in Wirkverbindung steht, wobei weiter die ProzesskammerInnenwandoberfläche, im Neuzustand, aus einem gegen das plasmaaktivierte Reaktivgas oder Gasgemisch inerten Material (15,15a, 113) besteht, vorzugsweise aus einem dielektrischen Material oder graphitischen Material. |
| 30. | Vakuumbehandlungssystem nach dem Oberbegriff von Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vakuumkammer eine Prozesskammer (PR) vorgesehen ist, worin der Werkstückträger (15) in Bearbeitungsposition freiliegt, worin das Plasma (PL) erzeugt wird und womit die Gaseinlassanordnung (7) in Wirkverbindung steht, wobei weiter die Prozesskammer (PR) von einer entlang überwiegender Flächenabschnitte von der Vakuumkammerwandung nach innen abgesetzten Ummantelung (14,15b) gebildet ist. |
| 31. | Vakuumbehandlungssystem mit den kombinierten Kennzeichen der Ansprüche 29 und 30. |
| 32. | Vakuumbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 29 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass im Neuzustand die Innenfläche (15,15a, 113) der Prozesskammer mindestens an überwiegenden Abschnitten aus mindestens einem der folgenden Materialien besteht : Quarz, Graphit, Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Titanoxid, Tantaloxid, Nioboxid, Zirkonoxid, oder einer geschichteten Kombination dieser Materialien, diamantähnlicher Kohlenstoff oder Diamant. |
| 33. | System nach einem der Ansprüche 29 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesskammerwand (14,15b, 113) austauschbar bezüglich der Vakuumkammerwand (1) befestigt ist. |
| 34. | System nach einem der Ansprüche 29 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaerzeugungsanordnung eine Anordnung zur Erzeugung einer niederenergetischen Plasmaentladung ist mit Ionenenergie E im Bereich des Werkstückträgers (5) von 0 eV < E < 15 eV. |
| 35. | System nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaerzeugungsanordnung eine Elektronenquelle (105) mit Elektronenenergie < 100 eV, vorzugsweise < 50 eV umfasst, vorzugsweise eine DCNiederspannung Plasmaerzeugungsanordnung ist, insbesondere bevorzugt mit thermionischer Kathode (107), insbesondere einer direkt geheizten thermionischen Kathode. |
| 36. | System nach einem der Ansprüche 29 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass an der Vakuumkammer (1) und diesbezüglich bevorzugterweise elektrisch isoliert, eine Kathodenkammer (109) angebracht ist, mit der Vakuumkammer (1) über eine Blende (111) kommunizierend. |
| 37. | System nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse (A) der Blende (111) die Werkstückaufnahmefläche (119a) des Werkstückträgers (119) schneidet, vorzugsweise im wesentlichen senkrecht schneidet, vorzugsweise im wesentlichen zentral. |
| 38. | System nach Anspruch 30 oder einem der Ansprüche 32 bis 37, sofern von Anspruch 30 abhängig, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Prozesskammerwandung (15b) aus einem Metall, vorzugsweise aus Tantal oder Inkonell, besteht. |
| 39. | System nach einem der Ansprüche 35 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass in der Prozesskammer (PR) mindestens zwei örtlich versetzte Anoden (117a, b) vorgesehen sind, welche auf unterschiedliche elektrische Potentiale legbar sind und welche bevorzugterweise je beheizbar sind. |
| 40. | System nach Anspruch 36 oder 37, dadurch gekennzeichnet, dass entlang der Blendenachse (A), in ihrer Längsausrichtung versetzt, mindestens zwei bevorzugt zur Achse koaxiale Anoden (117a, b) in der Prozesskammer vorgesehen sind, welche, weiter bevorzugt, auf unterschiedliche elektrische Potentiale legbar sind und, weiter bevorzugt, je unterschiedlich beheizbar sind. |
| 41. | System nach einem der Ansprüche 29 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumkammerwand (101) in überwiegenden Flächenabschnitten doppelwandig ausgebildet ist und der Zwischenraum mit einem Temperiermediumanschluss verbunden ist, vorzugsweise mit einem Anschluss für eine Temperierflüssigkeit. |
| 42. | System nach der Ansprüche 29 bis 41, dadurch gekennzeichnet, dass eine Magnetfelderzeugungsanordnung (133,135), vorzugsweise eine steuerbare, vorgesehen ist, die in der Prozesskammer (PR) ein Magnetfeld erzeugt und die bevorzugterweise ausserhalb der Vakuumkammer vorgesehene HelmholtzSpulen (133) umfasst. |
| 43. | System nach einem der Ansprüche 29 bis 42, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesskammer (PR) entlang überwiegender Flächenabschnitte von der Vakuumkammerwand (1) beabstandet ist, und dass das Innere der Prozesskammer (PR) und der so gebildete Zwischenraum über gleiche oder unterschiedliche Pumpquerschnitte mit einem gemeinsamen Pumpanschluss wirkverbunden sind oder für Prozesskammer und Zwischenraum je mindestens ein Pumpanschluss vorgesehen ist. |
| 44. | System nach einem der Ansprüche 29 bis 43, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstückträger (119) bezüglich einer Öffnung (123) an der Prozesskammer (PR), vorzugsweise linear und in Richtung der Offnungsflächennormalen, getrieben (121) beweglich ist und bevorzugterweise in gegen die Prozesskammer (PR) hochgefahrener Position den ProzesskammerInnenraum verschliesst. |
| 45. | System nach einem der Ansprüche 29 bis 44, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstückträger (119) mit einer Temperiereinrichtung (127) wirkverbunden ist. |
| 46. | System nach einem der Ansprüche 29 bis 45, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumkammer (1) mindestens eine dichtend verschliessbare Werkstückzuführöffnung (129) aufweist. |
| 47. | Vakuumbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 29 bis 46, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumkammer (1) eine gesteuert verschliessbare Werkstückzuführöffnung (129) hat, und dass mindestens zwei der Vakuumkammern vorgesehen sind, deren Zuführöffnungen über eine Vakuum Werkstücktransportanordnung verbunden sind. |
| 48. | System nach Anspruch 47, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumtransportanordnung eine lineare Transportanordnung oder eine rotatorische (150) Transportanordnung ist, vorzugsweise letzteres. |
| 49. | System nach einem der Ansprüche 47 oder 48, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesskammer (PR) in einer der vorgesehenen Vakuumkammern (1) durch die metallische Innenfläche der Vakuumkammer (1) selbst begrenzt ist und die Plasmaerzeugungsanordnung zur Erzeugung des Plasmas sowie die mit einer Tankanordnung mit mindestens einem Reaktivgas verbundene Gaseinlassanordnung aufweist. |
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Teilen als elektronische, optoelektronische, optische oder mikromechanische Bauelemente oder als Zwischenprodukte hierfür durch den Einsatz mindestens eines plasmaunterstützten Behandlungsschrittes, bei dem in einen Prozessraum eingelassenes Reaktivgas oder-gasgemisch mittels einer niederenergetischen Plasmaentladung mit Ionenenergie E an der Oberfläche des Teiles von 0 eV < E < 15 eV aktiviert wird, gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines virtuellen Substrates oder eines Bauteiles daraus, vorzugsweise auf Silizium-Germanium-Basis, mindestens einen Reinigungsschritt umfassend, nach dem Oberbegriff von Anspruch 28. Die Erfindung betrifft weiter Vakuumbehandlungssysteme nach den Oberbegriffen von Anspruch 29 bzw. 30.
Grundsätzlich bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Herstellung von Teilen, an welche die gleichen Forderungen zu stellen sind, wie bei der Beschichtung von Teilen mit einer epitaktischen Schicht.
Aus der W098/58099 (beiliegend) derselben Anmelderin sind sowohl Verfahren wie auch Systeme der eingangs genannten Art bekannt. Dabei ist dort, als plasmaunterstützter Behandlungsschritt, bei dem in einen Prozessraum eingelassenes Reaktivgas oder-gasgemisch mittels einer niederenergetischen Plasmaentladung mit Ionen der Ionenenergie E an der Oberfläche des Teiles von 0 eV < E < 15 eV aktiviert wird, ausführlich und ausschliesslich die Beschichtung eines Werkstückes mit für Epitaxie genügender Qualität beschrieben und beansprucht. Das durch die niederenergetische Plasmaentladung erzeugte Plasma setzt sich im wesentlichen aus Elektronen, ein-und mehrfach geladenen Ionen und Neutralteilchen (Atomen, dissoziierten Molekülen) sowie angeregten, aber nichtionisierten Neutralteilchen zusammen. Charakterisierend für das hierin beschriebene Plasma ist der Energiebereich 0 eV < E < 15 eV der einfach ionisierten Ionen. 15 eV stellt die sogenannte Sputterschwelle dar, ab der bei Einwirken der Ionen auf das Substrat dort Schäden auftreten können. Elektronen tragen selbst bis 100 eV im wesentlichen nur zur Aufheizung des Substrats bei. Es ist weiter bekannt, dass insbesondere bei der-wie noch zu erläutern sein wird-vorliegend besonders bevorzugten DC-Niederspannungs- Plasmaerzeugungsanordnung der oben erwähnte Energiebereich der einfach geladenen Ionen gleichzeitig den Energiebereich der im Plasma vorhandenen Neutralteilchen sowie angeregten Neutralteilchen nach oben begrenzt. Grund dafür ist, dass
die Neutralteilchen ihren wesentlichen Energiebeitrag durch Stösse mit den Ionen erhalten.
Ebenfalls in der W098/58099 ist für die erwähnte Beschichtung, ein Vakuumbehandlungssystem ausführlich erläutert mit einer Vakuumkammer, darin einem Werkstückträger, einer Plasmaerzeugungsanordnung zur Erzeugung eines Plasmas in der Kammer sowie einer mit einer Gastankanordnung mit mindestens einem Reaktivgas verbundenen Gaseinlassanordnung in der Kammer. Die Plasmaerzeugungsanordnung ist spezifisch als Niederspannungs-Plasmaerzeugungsanordnung beschrieben : Eine Kathodenkammer kommuniziert über eine Blende mit dem Prozessraum. In der Kathodenkammer ist eine Heisskathode montiert, im Prozessraum eine Anodenanordnung. Der Werkstückträger, räumlich nach unten orientiert, ist elektrisch isoliert angeordnet.
Das Prinzip dieser Niederspannungs-Plasmaerzeugungsanord- nung ist gegenüber ebenfalls vorbekannten anderen Plasmaerzeugungsverfahren (z. B. Mikrowellenplasma) für die hierin beschriebenen Verfahren weitaus bevorzugt, weil sie die oben aufgeführte Energiecharakteristik in bevorzugter Weise zu erfüllen in der Lage ist.
Einerseits geht somit die vorliegende Erfindung von Verfahren und einem System dieser Art aus, anderseits soll u. a. das in der W098/58099 beschriebene Verfahren auch gemäss vorliegender Anmeldung realisiert werden, wenn gleich-wie noch zu erläutern sein wird-zusätzliche Kriterien erfüllend, gemäss Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
Es ist nämlich Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bzw. ein System obgenannter Art zu schaffen, dessen Industrietauglichkeit wesentlich erhöht ist im Sinne wirtschaftlicher Kriterien, insbesondere verlängerter Standzeiten und hoher Durchsätze.
Während der geforderten hohen Standzeiten muss somit die für die Verfahren obgenannter Art einzuhaltende hohe Systemreinheit gewährleistet sein. Weiter soll eine optimale Integrierbarkeit der Verfahrensschritte einerseits, des Systems anderseits in den automatisierten Fertigungsablauf erreicht werden.
Diese Aufgabe wird am Verfahren eingangs genannter Art dadurch gelöst, dass die Prozessatmosphäre während dem plasmaunterstützten Behandlungsschritt von der Innenwandung eines an Umgebung liegenden Vakuumrezipienten getrennt wird. 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, die obgenannte Aufgabe löst.
Gemäss der W098/58099 liegt die Innenfläche der Vakuumkammer, üblicherweise aus rostfreiem Stahl bzw. Inox gefertigt, unmittelbar an der Prozessatmosphäre an. Während des plasmaunterstützten Behandlungsschrittes, dort speziell der Beschichtung eines Werkstückes bzw. Teiles mit der niederenergetischen Plasmaentladung, heizt sich die Vakuumkammerwand und damit die Innenfläche auf. Aufgrund verschiedener Effekte, wie z. B. dem Absorptionsverhalten
der Innenfläche während vorangegangenen Prozess- Expositionen, führt dies, sofern in der industriellen Fertigung eingesetzt, zu einer nicht tolerablen Kontamination der Behandlungsschritt-Prozessatmosphäre bzw. zur Bildung von nicht tolerablen Restgas-Partialdrucken.
Wir verstehen dabei unter Restgas in einer Prozessatmosphäre diejenigen Gasanteile, die weder vom Plasmaentladungs-Arbeitsgas, wie beispielsweise Argon, noch vom eingelassenen Reaktivgas bzw. Reaktivgasgemisch noch von deren gasförmigen Reaktionsprodukten herrühren. Durch das erfindungsgemässe Vorgehen wird es nun möglich, die Prozessbeeinflussung durch die Vakuumrezipientenwand zu minimalisieren.
Das erfindungsgemässe Verfahren wird nach dem Wortlaut von Anspruch 2 in weitaus bevorzugter Art und Weise (a) für das Beschichten des Teiles oder (b) das Verändern der Materialzusammensetzung des Teiles bis zu einer vorgegebenen Eindringtiefe, oder (c) zum Ätzen der Oberfläche des Teiles, wie insbesondere zu dessen Strukturätzen, eingesetzt. In allen erwähnten Fällen ist die Einhaltung von Prozessbedingungen, wie sie für das Aufwachsen epitaktischer Schichten notwendig sind, im Rahmen der erfindungsgemäss angestrebten Herstellungsprozesse, unabdingbar. Dabei ist durch das erfindungsgemässe Verändern der Materialzusammensetzung gemäss (b) die Materialimplantation angesprochen in ein vorgegebenes Zielmaterial.
Im weiteren wird als erfindungsgemäss durchgeführter, plasmaunterstützter Behandlungsschritt ein Reinigungsschritt gemäss Anspruch 3 vorgeschlagen oder,
zusätzlich zu einem erfindungsgemässen, plasmaunterstützten Behandlungsschritt, ein Reinigungsschritt nach Anspruch 4.
In einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens wird gemäss Wortlaut von Anspruch 5 ein virtuelles Substrat hergestellt. Als virtuelles Substrat bezeichnet man einen Halbleiter-Wafer, der, anders als ein Wafer aus durchgängig einkristallinem Halbleitermaterial, einen besonderen Schichtaufbau aufweist, aber funktionell ebenfalls als Ausgangsmaterial für Halbleiter-Bauelemente eingesetzt wird.
Ein Halbleitermaterial"A", beispielsweise einkristallines Silizium in Form eines Wafers, dient als Ausgangssubstrat.
Darauf wird eine Pufferschicht aufgebracht, die aus bevorzugt kontinuierlich sich ändernden Anteilen von Halbleiter"A"und einem weiteren Halbleiter"B"besteht, wobei normalerweise von einem hohen Anteil"A"und wenig "B"hin zu hohem Anteil"B"und wenig"A"vorgegangen wird.
Dies wird als"gradierte Pufferschicht"bezeichnet. Die Struktur dieser Pufferschicht ist voller Defekte. Auf der Pufferschicht wird eine Deckschicht aufgewachsen mit einer Zusammensetzung, die im wesentlichen derjenigen der obersten Pufferschichtzone entspricht. Zweck ist, eine defektarme, versetzungsfreie Mischkristallschicht zu erzielen. Diese drei Bestandteile Basis bzw. Substrat, Puffer-und Deckschicht bilden das virtuelle Substrat. Wie dem Fachmann geläufig, ist auch das Aufbringen weiterer Zwischenschichten möglich. Auf dem virtuellen Substrat wird die eigentliche Nutzschicht appliziert mit der Zusammensetzung, die für die zu erzielenden Eigenschaften des Halbleitermaterials erforderlich ist. Als
Nutzschichtmaterial kann wiederum eine Mischung zweier Halbleiter eingesetzt werden, aber auch eine Schicht aus reinem Halbleiter, beispielsweise"B". Diese Schicht ist in der Regel so dünn, dass keine Versetzungen daran auftreten, sondern der Stress in dieser Schicht erhalten bleibt (band gap engineering). Das Aufwachsen dieser Nutzschicht kann mit dem Aufbau des virtuellen Substrates kombiniert werden, es können aber auch vorgefertigte virtuelle Substrate nachmals mit der Nutzschicht versehen werden.
Erfindungsgemäss und gemäss Wortlaut von Anspruch 5 wird die Basis bzw. das genannte Substrat erst einer plasmaunterstützten Reinigung unterworfen, im Unterschied zu bisherigen Verfahren, bei welchen, im Rahmen der Fertigung virtueller Substrate, Nassreinigungen eingesetzt wurden. Danach wird die hetero-epitaktische Pufferschicht abgelegt sowie, falls erforderlich, die erwähnte Deckschicht. Gegebenenfalls wird dann erfindungsgemäss auch die zu nutzende Nutzschicht abgelegt, oder nach Ablegen der Pufferschicht, übergehend in die Deckschicht, das eigentlich fertig gestellte virtuelle Substrat für ein später zu erfolgendes Nutzschicht-Ablegen bereitgestellt.
Es sei bereits hier darauf hingewiesen, dass im Rahmen bekannter Fertigungsverfahren für virtuelle Substrate (darunter MBE-molecular beam epitaxy, UHVCVD-ultra high vacuum CVD, ALD-atomic layer deposition u. a.) der Ersatz der dabei eingesetzten nasschemischen Reinigungsschritte durch einen plasmaunterstützten Reinigungsschritt in niederenergetischem Plasma für sich auch als erfinderisch erachtet wird und ganz wesentliche fertigungstechnische Vorteile erbringt.
Es sei diesbezüglich auf das Fertigungsverfahren nach Anspruch 28 hingewiesen.
Es ist generell, im Zuge der angesprochenen industriellen Herstellung vielfach notwendig, die nachmals durch die erwähnten plasmaunterstützten Behandlungsschritte (a), (b), (c) zu behandelnden Teile erst einer Reinigung zu unterziehen, beispielsweise von Umgebungsatmosphäre- bedingten Oberflächen-Kontaminationen.
Weiterhin kann nach jedem der erwähnten Plasmabehandlungsschritte (a), (b), (c) ein Reinigungsschritt notwendig sein, z. B. ein Reinigen von beim Ätzen freigesetzten Kontaminations-Materialien bzw.- Gasen.
In einer Ausführungsform des Reinigungsverfahrens können dabei Reaktivgase (Wasserstoff, Wasserstoff- Edelgasgemische) zur Anwendung gelangen, die die für die Umkapselung der Prozessatmosphäre eingesetzten Materialien beeinträchtigen können.
Deshalb wird auch gemäss Anspruch 4 vorgeschlagen, für solche Reinigungsschritte entweder eine relativ kostengünstige metallische Umkapselung der Prozessatmosphäre vorzusehen, oder die Reinigungsprozessatmosphäre direkt durch die Innenwand des an Umgebung liegenden Vakuumrezipienten zu begrenzen.
Für die oben erwähnten Behandlungsschritte (a), (b), (c) der Teile werden nämlich, wie nachmals noch ausgeführt, nicht metallische Begrenzungen der Prozessatmosphäre weitaus bevorzugt, d. h. Materialien, die gegen die
eingesetzten plasmaaktivierten Reaktivgase inert sind. Im weiteren muss aber auch bei diesem Reinigungsschritt sichergestellt werden, dass die gereinigten Oberflächen des Teiles der nachmaligen Behandlung gleichermassen unbeeinträchtigt zugänglich sind, wie wenn diese Behandlung das Ablegen epitaktischer Schichten wäre. Deshalb wird auch beim plasmachemischen Reinigungsschritt des Teiles das oben erwähnte niederenergetische Plasma mit der spezifizierten Ionenenergie an der Oberfläche des Teiles eingesetzt.
Im weiteren wird gemäss Wortlaut von Anspruch 6 vorgeschlagen, dass man im betrachteten Prozessraum hintereinander, d. h. in serieller zeitlicher Abfolge, anfallende Teile mindestens einem der erwähnten plasmaunterstützten Behandlungsschritte unterzieht und nach Durchführung einer vorgegebenen Anzahl solcher Behandlungsschritte, im erwähnten betrachteten Prozessraum, einen weiteren plasmaunterstützten Behandlungsschritt vornimmt, nämlich einen Prozessraum-Reinigungsschritt, ohne dass ein Teil in den Prozessraum eingeführt wäre oder eine Substratattrappe ("Dummy") Verwendung findet. Dieser Prozessraumreinigungsschritt wird bevorzugt in mindestens zwei Teilschritten vollzogen : Erst Ätzen, dann Reinigen von Ätz-Resten, letzteres bevorzugt in einem Plasma, enthaltend Wasserstoff, Edelgas oder eine Mischung daraus.
Im Lichte der erfindungsgemäss gestellten Aufgabe, insbesondere mit Blick auf die Realisation langer Standzeiten, wird mithin ein betrachteter Prozessraum, nach Durchlaufen einer vorgegebenen Anzahl Behandlungsschritte, plasmaunterstützt gereinigt. Normalerweise werden dabei in einem Prozessraum Teile entweder gemäss (a) oder (b) oder
(c) bearbeitet oder gereinigt, sei dies nach Wortlaut von Anspruch 3, oder sei dies gegebenenfalls gemäss Anspruch 4.
Es kann aber durchaus auch der Fall vorliegen, wo in einem einzigen betrachteten Prozessraum, in programmierter Abfolge sequentiell, beschichtet, geätzt oder eine Veränderung der Materialzusammensetzung oder, dann gemäss Anspruch 3, eine Reinigung des Teiles vorgenommen wird.
Die erfindungsgemäss vorgesehene Prozessatmosphären- Trennung von der Vakuumrezipientenwand ermöglicht es, den Prozessraum oder auch das Teil einer plasmachemischen Reinigung zu unterziehen, unter Einsatz von Reaktivgasen, denen die Vakuumkammerwand nicht ausgesetzt werden darf.
Die Tatsache, dass ein betrachteter Prozessraum nach einer vorgegebenen oder vorgebbaren Anzahl Behandlungsschritte von Teilen der plasmaunterstützten Selbstreinigung unterzogen werden kann und danach unmittelbar wieder für die Behandlung von Teilen zur Verfügung steht, ergibt eine drastische Erhöhung der Standzeit für den Durchlaufbetrieb.
Dies z. B. verglichen mit dem Fall, dass der Prozessraum gemäss der W098/58099 zu reinigen ist.
Die bisherigen Ausführungen zusammenfassend, ergibt sich mithin, dass mit dem erfindungsgemässen Herstellungsprozess, im Sinne für Epitaxie zu stellender Qualitätsanforderungen, sowohl eine Beschichtung, eine Änderung der Materialzusammensetzung des Teiles, Strukturätzen am Teil oder dessen Reinigung unter Vermeidung nasschemischer Reinigungsschritte vorgenommen werden kann, und dass zwischen solchen Behandlungsschritten eine Selbstreinigung des Prozessraumes vorgenommen werden kann, lediglich durch Ändern von Prozessparametern,
insbesondere der eingelassenen Reaktivgase. Dasselbe Verfahren kann auch zur Reinigung der Teile im Zuge ihrer erfindungsgemässen Herstellung vorgenommen werden, indem die Abtrennung von Prozessatmosphäre und Vakuumrezipient geändert wird bzw. weggelassen wird.
Dem Wortlaut von Anspruch 7 folgend, wird bevorzugt das Teil örtlich getrennt mindestens zwei der erwähnten plasmaunterstützen Behandlungsschritte unterzogen und der Transport dazwischen in Vakuum vorgenommen. Dem Wortlaut von Anspruch 8 folgend, erfolgt dies bevorzugt in einer linearen Bewegung von Behandlungsschritt zu Behandlungsschritt, im Sinne einer Linearanlage oder entlang einer Kreisbahn, im Sinne einer Zirkularanlage, bekannt unter dem Ausdruck"Cluster-Anlage". Dort werden um einen Zirkulartransport gruppierte Behandlungsstationen, programmiert, ggf. frei programmierbar, durch den Zirkular- Transport mit Teilen bzw. Werkstücken bedient.
In einer weitaus bevorzugten Ausführungsform-Anspruch 9- des erfindungsgemässen Verfahrens wird die Abtrennung zwischen Prozessatmosphäre und Vakuumrezipientenwand- Oberfläche durch Begrenzung des Prozessraumes mittels einer im Neuzustand chemisch gegen das plasmaaktivierte Reaktivgas oder-Gasgemisch inerten Oberfläche vorgenommen, vorzugsweise mittels einer dielektrischen oder graphitischen Oberfläche.
Während des Betriebes, also insbesondere Beschichten (a), Verändern der Materialzüsammensetzung (b) oder Ätzen (c), insbesondere Strukturätzen oder auch Reinigen, wird auf diese Oberfläche jedenfalls Material abgesetzt. Dieses
Material ist aber nicht oder nur tolerabel prozesskontaminierend. Gerade dann, wenn im selben betrachteten Prozessraum gleiche Behandlungsschritte an in Serie anfallenden Teilen durchgeführt werden, ist es gar erwünscht, die im Neuzustand wie erwähnt inerte, vorzugsweise dielektrische oder graphitischen Trennoberfläche mit den erwähnten Reaktionsprodukt- Materialien zu beschichten, allerdings nur so weit, als die resultierende Beschichtung gesichert an der erwähnten Oberfläche auch haftet.
Das Vorsehen der geforderten inerten, vorzugsweise dielektrischen Oberfläche kann so erfolgen, dass unmittelbar auf der Innenfläche des Vakuumrezipienten eine eine inerte, vorzugsweise dielektrische Oberfläche bildende Struktur angebracht wird, sei dies im Sinne einer Beschichtung mit derartigem Material oder durch Montage selbsttragender Wandungspartien mit einer solchen innengekehrten Oberfläche direkt auf die Vakuumrezipienten- Innenwand.
In einer weitaus bevorzugten Ausführungsform wird aber die inerte Oberfläche, gemäss Anspruch 10, mindestens entlang überwiegender Flächenabschnitte von der Innenwandung des Vakuumrezipienten mit einem Zwischenraum beabstandet.
Dieses Vorgehen hat unter dem Aspekt der Auswechselbarkeit einer Trennwandstruktur, auch im Sinne der Service- Freundlichkeit, und unter dem Aspekt gezielter Vorgabe der Oberflächentemperaturen wesentliche Vorteile.
Gemäss Wortlaut von Anspruch 11 können der Prozessraum und der erwähnte Zwischenraum gleich oder unterschiedlich
gepumpt werden. Unter anderem hiermit kann es gegebenenfalls möglich sein, im Zwischenraum eine Atmosphäre zu realisieren, die erwünschte Wärmeleitungsverhältnisse zwischen Vakuumrezipientwandung und der erwähnten Oberfläche ergibt. Wird dabei in diesem Zwischenraum ein Gas mit hoher Wärmeleitungskapazität, wie beispielsweise Helium, eingelassen und/oder mindestens zeitweise in diesem Zwischenraum ein höherer Druck als im Prozessraum realisiert, so wird die Wärmeleitung in diesem Zwischenraum gegenüber derjenigen im Prozessraum erhöht, was ermöglichen kann, die Oberfläche auf erwünschten Temperaturen zu halten. Es sei daran erinnert, dass die Wärmeleitung unterhalb eines bestimmten Vakuumdruckes mit dem Druck abnimmt und selbstverständlich von der Wärmekapazität des betroffenen enthaltenen Gases abhängt.
Bevorzugte Materialien für die Oberfläche im Neuzustand sind in Anspruch 12 spezifiziert. Dabei sei betont, dass, wenn wir von der Oberfläche aus inertem, dabei bevorzugt aus dielektrischem Material sprechen, dies vorerst ausschliesslich das Oberflächenmaterial der dem Prozessraum zugewandten Oberfläche anspricht. Bevorzugt wird dabei diese Oberfläche durch diejenige einer Trennwand gebildet.
Diese kann dabei beschichtet sein, so z. B. gegen den Vakuumrezipienten hingewandt metallisch ausgebildet sein, mit dem Prozessraum bzw. der Prozessatmosphäre zugewandter inerter Oberfläche. In diesem Sinne kann also gemäss Wortlaut von Anspruch 12 die Oberfläche durch eine Schichtstruktur gebildet sein, was auch den Einsatz diamantähnlicher Materialien oder von Diamant ermöglicht.
Es ist bekannt, dass bei plasmachemischen Verfahren grundsätzlich die Beschichtungsrate mit zunehmender Temperatur (und der beaufschlagten Plasmaintensität) zunimmt. Wie oben erwähnt wurde, kann es höchst erwünscht sein, die dem Prozessraum zugewandte Oberfläche mit dem jeweiligen Prozess entsprechenden Reaktionsprodukten des plasmaaktivierten Reaktivgases zu belegen. Dabei muss aber der Vermeidung jeglichen Abblätterns einer solchen Belegung hohe Aufmerksamkeit geschenkt werden. Diese Erkenntnisse können dahingehend umgesetzt werden, dass durch Steuerung der Temperatur der erwähnten Oberfläche, während der Realisation des plasmaunterstützten Behandlungsschrittes eine Belegungsrate der erwähnten Oberfläche minimalisiert wird. Damit ist z. B. die Möglichkeit gegeben, diese Störbeschichtungsrate wesentlich kleiner zu wählen als die Wirkungsrate am Teil und somit den Prozessraum erst nach einer relativ grossen Anzahl erfolgter Behandlungen von Teilen der Selbstreinigung zu unterziehen. Dort wird die erwähnte Belegung entfernt, bevor ihre Dicke z. B. bezüglich Abblätterns einen kritischen Wert erreicht.
Als Wirkungsrate am Teil verstehen wir dabei, je nach Behandlung, Beschichtungsrate, Eindringrate, Ätzrate, Reinigungsrate.
In Sinne der erfindungsgemäss zu lösenden Aufgabe ist es auch, dem Automationsgrad des Verfahrens bzw. Systems hohe Beachtung zu schenken. Mit Blick darauf wird nach dem Wortlaut von Anspruch 13 vorgeschlagen, dass in der erwähnten Oberfläche eine Zuführöffnung für das Teil vorgesehen wird und die Zuführöffnung für die Behandlung des Teiles mit dem Teil und/oder mit einem Träger für das
Teil verschlossen wird, mindestens in dem Ausmass, als dass Austreten von Ladungsträgern aus dem Prozessraum gehindert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die niederenergetische Plasmaentladung gemäss Anspruch 14 mit einer Elektronenquelle mit Elektronenenergie < 100 eV, bevorzugt < 50 eV eingesetzt, insbesondere bevorzugt mit einer DC-Entladung realisiert, dabei bevorzugterweise, gemäss Anspruch 15 mittels einer thermionischen Kathode, vorzugsweise einer direkt beheizten. Weitaus bevorzugt ist weiter die behandelte Oberfläche des Teiles direkt, unmittelbar dem Plasma ausgesetzt.
Gemäss Anspruch 16 werden weiter bevorzugt im Prozessraum, für die Plasmaentladung, mindestens zwei örtlich versetzte Anoden vorgesehen. Sie sind bevorzugt je getrennt heizbar.
Durch Steuerung der daran angelegten elektrischen Potentiale und/oder ihrer Temperatur kann die Plasmadichteverteilung im Prozessraum dynamisch und/oder statisch eingestellt bzw. gesteuert werden. Wir verstehen unter einer statischen Einstellung eine Einstellung, die eingestellt und mindestens während einem Behandlungsschritt stationär belassen wird. Unter einer dynamischen Einstellung verstehen wir, dass während des Behandlungsschrittes mindestens einer der erwähnten Parameter in der Zeit verändert wird, sei dies im Sinne eines Wobbeln, periodisch, oder aperiodisch entsprechend vorgegebenen Kurvenformen oszillierend, oder in Form einer beliebigen linearen oder nicht-linearen Rampenfunktion während des Behandlungsschrittes. Insbesondere bei letzterwähntem Vorgehen wird es möglich, den sich während
eines Behandlungsschrittes im Prozessraum ändernden Verhältnissen Rechnung zu tragen und diese kompensierend aufzufangen oder auch eine erwünschte zeitliche Änderung der Plasmadichte an der Teiloberfläche zu erzielen.
Im weiteren wird, nach dem Wortlaut von Anspruch 17 bevorzugterweise, im Prozessraum ein Magnetfeld erzeugt, welches, im gleichen Sinne wie die eben erwähnten Parameter Anodenpotential und/oder Anodentemperatur stationär oder dynamisch, die Plasmadichteverteilung an der Teiloberfläche einstellt oder steuert. Durch gesteuerte, zeitliche Veränderung des Magnetfeldes kann die Plasmadichteverteilung entlang der Teiloberfläche geändert werden, insbesondere bevorzugt so, wie wenn sich das Teil periodisch in einem stationär verteilten Plasma bewegt.
Durch solches Wobbeln des Magnetfeldes und oszillierendes Verändern der Plasmadichteverteilung entlang der Oberfläche des stationär gehaltenen Teils wird derselbe Effekt erzielt, wie wenn das Teil oszillierend oder rotierend bewegt würde, jedoch insbesondere vakuumtechnisch vorteilhaft ohne bewegte Teile.
Dadurch, dass-gemäss Anspruch 18-das Reaktivgas verteilt in die Prozessatmosphäre eingelassen wird, dabei vorzugsweise mit einer Einströmungsrichtung im wesentlichen parallel zur Teiloberfläche und, weiter bevorzugt, mit von der Teiloberfläche äquidistanten Eindüsungsstellen, wird eine optimale Exposition der Oberfläche des Teiles dem plasmaaktivierten Reaktivgas erreicht und eine optimale Ausnützung eingelassenen frischen Reaktivgases, im Sinne eines inversen Wirkungsgrades, nämlich des Quotienten von
pro Zeiteinheit eingelassenen frischen Reaktivgases zu pro Zeiteinheit abgepumptem, weiterhin frischem Reaktivgas.
Zum Erreichen von Wirkungen durch die erwähnten Behandlungsschritte, insbesondere gemäss (a), (b), (c) oder dem Reinigen des Teiles gemäss Anspruch 3, mit einer Qualität, wie sie für das Ablegen epitaktischer Schichten erforderlich ist, wird der Partialdruck von Restgasen, wie oben definiert, auf höchstens 10-8 mbar, vorzugsweise auf höchstens 10-9 mbar gehalten, gemäss Anspruch 19.
Der erwähnte, mindestens eine plasmaunterstützte Behandlungsschritt am erfindungsgemässen Verfahren ist in einer bevorzugten ersten Ausführungsform das Ablegen einer homo-oder hetero-epitaktischen Schicht. Eine solche Schicht wird weiter bevorzugt, nach Anspruch 21, als Silizium-Germanium-Schicht abgelegt.
Im weiteren wird, nach Anspruch 22, als Teil, ein im wesentlichen scheibenförmiges Teil hergestellt.
Gemäss Wortlaut von Anspruch 23 ist in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform das der Behandlung unterworfene Teil ein Silizium-Wafer oder ein Wafer aus einem Verbindunghalbleiter, vorzugweise aus Galliumarsenid, Indiumphosphid, Siliziumkarbid oder aus Glas. Anspruch 24 spezifiziert am erfindungsgemässen Herstellungsverfahren bevorzugt abgelegte Schichtmaterialien.
In einer äusserst wesentlichen Ausführungsform des erfindungsgemässen Herstellungsverfahrens gemäss Anspruch 25 werden virtuelle Substrate oben erwähnter Art, die bevorzugterweise Silizium-Germanium enthalten, hergestellt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Herstellungsverfahrens, gemäss Anspruch 26, werden Teile, dabei insbesondere die erwähnten im wesentlichen flächigen bzw. scheibenförmigen Teile, mit Durchmessern von mindestens 150 mm, bevorzugterweise von mindestens 200 mm, vorzugsweise gar von mindestens 300 mm hergestellt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Herstellungsverfahrens, gemäss Anspruch 27, wird das Beschichten von Teilen mit einer Beschichtungsrate von mindestens 60 nm/Min. realisiert.
Im Zusammenhang mit virtuellen Substraten, dabei insbesondere auf Silizium-Germanium-Basis werden heute üblicherweise nasschemische Reinigungsverfahren eingesetzt, sei dies, um die Oberfläche eines fertiggestellten virtuellen Substrates für weiteren Bearbeitungsschritte zu reinigen, sei dies, um die Oberfläche eines bereits epitaktisch beschichteten Substrates für die Weiterbereitung eines virtuellen Substrates zu reinigen, sei dies, um die Unterlage, geeignet für epitaktisches Wachstum vor Aufwachsen der Pufferschicht, zu reinigen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde nun erkannt, dass durch Einsatz des erwähnten niederenergetischen Plasmas für einen plasmaunterstützten Reinigungsschritt, die Reinigung so realisiert wird, dass die nachfolgende Realisation der Fertigung virtueller Substrate oder der Fertigung von Bauteilen, ausgehend von virtuellen Substraten, problemlos möglich ist. Einerseits ergibt sich dadurch, d. h. die Umgehung von nasschemischen Reinigungsverfahren durch Einsatz eines plasmaunterstützten Reinigungsverfahrens,
grundsätzlich ein eminenter Vorteil, und zudem ermöglicht diese Erkenntnis die Integration einer solchen plasmaunterstützten Reinigung in das Fertigungsverfahren virtueller Substrate oder darauf basierter Bauteile. Damit wird nach dem Wortlaut von Anspruch 28 ein Verfahren zur Herstellung eines virtuellen Substrates oder eines Bauteils auf Basis eines virtuellen Substrates, vorzugsweise auf Silizium-Germanium-Basis, vorgeschlagen, welches mindestens einen Reinigungsschritt umfasst, der plasmaunterstützt ist und bei dem das Werkstück in einen Prozessraum eingelassenem Reaktivgas oder-gasgemisch ausgesetzt wird.
Dieses wird mittels einer niederenergetischen Plasmaentladung mit Ionenenergie an der Oberfläche des Teiles von höchsten 15 eV aktiviert.
Den überraschenden Erfolg, den die Erfinder mit diesem Trockenreinigungsverfahren im Zusammenhang mit den hochdiffizilen Oberflächen erzielten, wird dem Einsatz des niederenergetischen Plasmas, wie definiert, zugeschrieben.
In den Ansprüchen 29 und 30 wird ein erfindungsgemässes Vakuumbehandlungssystem spezifiziert, das sich insbesondere eignet, das Verfahren nach einem der vorerwähnten Aspekte durchzuführen : Nach Anspruch 29 ist die Prozesskammer- Innenwandoberfläche im Neuzustand aus einem gegen das plasmaaktivierte Reaktivgas oder-Gasgemisch inerten Material, vorzugsweise aus dielektrischen Material realisiert, nach dem Wortlaut von Anspruch 30 wird die den Prozessraum umfassende Prozesskammer von der Vakuumkammerwandung nach innen abgesetzt, d. h. beabstandet realisiert. Bevorzugte Ausführungsformen des
erfindungsgemässen Vakuumbehandlungssystems sind anschliessend in den Ansprüchen 42 bis 60 spezifiziert.
Die Erfindung wird nun anhand von Figuren erläutert. Es zeigen : Fig. 1 schematisch, eine erste Ausführungsvariante eines erfindungsgemässen Prozessmoduls zur Durchführung der erfindungsgemässen Verfahren ; Fig. 2 in Darstellung analog zu derjenigen von Fig. 1, eine bevorzugte Ausführungsvariante des Prozessmoduls gemäss Fig. 1 zur Durchführung der erfindungsgemässen Verfahren ; Fig. 3 in einer Darstellung analog zu den Fig. 1 bzw. 2, ein weiterer erfindungsgemässer Prozessmodultyp zur Durchführung erfindungsgemässer Verfahren, nämlich erfindungsgemässer Reinigung ; Fig. 4 in Darstellung analog zu den Fig. 1 bis 3, eine Abwandlung des in Fig. 3 dargestellten Prozessmoduls zur Durchführung erfindungsgemässer Verfahren, nämlich erfindungsgemässer Reinigung ; Fig. 5 vereinfacht, eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemässen Prozessmoduls gemäss Fig. 2, wandelbar in ein Prozessmodul gemäss Fig. 3 oder 4 zur Durchführung der erfindungsgemässen Verfahren ; 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 schematisch die Durchlaufbeschichtung eines Prozessmoduls gemäss einer der Fig. 1 bis 5 mit Werkstücken und, über der Zeitachse, dessen Selbstreinigung nach einer vorgegebenen Anzahl durchgeführter Behandlungsschritte oder nach Bedarf ; Fig. 8 die Kombination von Prozessmodulen nach den Fig. 1 bis 5 in einer Inline-Durchlaufanlage, und Fig. 9 in Aufsicht und vereinfacht, die Kombination von Prozessmodulen gemäss den Fig. 1 bis 5 zu einer Zirkulär-bzw. Cluster-Anlage, insbesondere für die erfindungsgemässe Herstellung virtueller Substrate bzw. von Bauteilen auf Basis virtueller Substrate.
In Fig. 1 ist schematisch ein erfindungsgemässes Prozessmodul Typ I dargestellt. Eine Kammerwand l eines Vakuumrezipienten 3 umschliesst einen Prozessraum PR, worin ein Plasma erzeugt wird. Im Prozessraum PR ist ein Substratträger 5 vorgesehen, und es kommuniziert eine Zuführleitung 7 einerseits mit dem Prozessraum PR, anderseits mit einer Reaktivgas-Tankanordnung 9. Der Prozessraum PR wird über einen Pumpanschluss 11, wie schematisch mit der Vakuumpumpe 13 dargestellt, auf den zur Durchführung des erfindungsgemässen Herstellungsverfahrens geforderten Druck von höchsten 10 8 mbar, bevorzugterweise von höchstens 10-9 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 gegenüber dem plasmaaktivierten Reaktivgas in Tank 9 inerten Material gefertigt. Gemäss der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform des Typ I-Prozessmoduls, ist hierzu die Kammerwand 1 mit dem erwähnten inerten Material innen beschichtet, oder es sind an der Kammerwand 1 innen Wandungspartien mindestens mit Innen-Oberflächen aus dem erwähnten inerten Material montiert. Diese Beschichtung bzw. diese Inertmaterial-Oberflächen sind in Fig. 1 mit 15 bezeichnet. Nach Abpumpen des Prozessraumes PR auf den erwähnten geforderten Restgas-Partialdruck wird unter Einlass eines Arbeitsgases, wie beispielsweise von Argon, im Prozessraum PR das erfindungsgemäss geforderte niederenergetische Plasma erzeugt, welches im Bereich des Substratträgers 5 bzw. eines darauf abgelegten Teiles in Ionenenergien E von 0 eV < E : 15 eV resultiert. Bevorzugterweise wird als Material der dem Prozessraum PR zugewandten Oberfläche 15 ein dielektrisches, dabei bevorzugterweise mindestens eines der in nachfolgender Gruppe G aufgeführten Materialien eingesetzt : Quarz, Graphit, Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Titanoxid, Tantaloxid, Nioboxid, Zirkonoxid, diamantähnlicher Kohlenstoff oder Diamant, letztere Oberflächenmaterialen als Schichtmaterialien eingesetzt.
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. Es sind darin 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 gegenüber plasmaaktivierten Reaktivgas in der Tankanordnung 9 inerten Material, vorzugsweise aus dielektrischem Material, dabei weiterhin insbesondere bevorzugt aus mindestens einem der erwähnten 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, welch letztere dann, weil dem Prozessraum PR nicht ausgesetzt, beispielsweise aus rostfreiem Stahl bzw. Inox aufgebaut sein kann. 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 Vakuumkammerwandung 1 und Ummantelung 14 über einen separaten Pumpanschluss lla 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 und des Zwischenraumes ZW, entsprechende steuerbare Drosselorgane in den zugeordneten Pumpstutzen 11 bzw. lla eingebaut werden. Bezüglich des niederenergetischen Plasmas, welches zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens am Modul gemäss Fig. 2 eingesetzt wird, gelten die bereits im Zusammenhang mit dem in Fig. 1 erläuterten Modul gemachten Voraussetzungen. Die bei der Ausführungsform gemäss Fig. 2 vorgesehene, durch die Wandung 14 gebildete Prozessraum-Ummantelung ist bevorzugerweise im Rezipienten 3a auswechselbar gestaltet.
In Fig. 3 ist in Darstellung analog zu den Fig. 1 und 2 ein Prozessmodul des Typs IIe dargestellt, welches sich, verglichen mit dem in Fig. 2 dargestellten, lediglich dadurch unterscheidet, dass die den Prozessraum PR umschliessende Oberfläche 15b den im Zusammenhang mit dem Prozessmodul gemäss Fig. 2 erläuterten Inertheits- Anforderungen nicht genügt, und bei welchem die Wandung 14a, beispielsweise wie die Wandung 1, aus rostfreiem Stahl bzw. Inox oder einem anderen Metall gefertigt ist.
Bezüglich eingestellter Restgas-Partialdrücke, Ionenenergien im Substratträgerbereich gelten die bereits zu den Fig. 1 und 2 gemachten Ausführungen, ebenfalls ist die üblicherweise metallische Wandung 14a auswechselbar, so dass der Prozessmodul-Typ IIe gemäss Fig. 3 ohne weiteres in einen Prozessmodul-Typ I gemäss Fig. 2 und umgekehrt gewandelt werden kann.
Unabhängig von den daran vollzogenen Prozessen sind die Prozessmodulstrukturen gemäss den Fig. 1 bis 3 erfindungsgemäss.
In Fig. 4 ist, weiterhin in Darstellung analog zu den Fig.
1 bis 3, ein weiterer, nicht erfindungsgemässer Prozessmodul-Typ IIne dargestellt. Im Unterschied zu den anhand von den Fig. 1 bis 3 erläuterten Prozessmodulen ist beim Typ IIne der Prozessraum durch die Prozesskammerwandung 1 begrenzt mit einer Oberfläche, die beispielsweise aus rostfreiem Stahl bzw. Inox besteht. Wird dieses in seiner Struktur nicht erfindungsgemässe Prozessmodul jedoch erfindungsgemäss eingesetzt, d. h. mit ihm ein erfindungsgemässes Verfahren durchgeführt oder ein solches Modul im Rahmen eines erfindungsgemässen Verfahrens eingesetzt, so gelten bezüglich erstelltem Restgaspartialdruck und Plasma die bereits für die Module Typ I und Typ IIe erläuterten Angaben.
Es ist ohne weiteres ersichtlich, dass die Module Typ I, Typ IIe und Typ IIne durch entsprechendes Entfernen bzw.
Einsetzen der entsprechenden Prozessraumummantelung 14,15b ineinander gewandelt werden können.
In Fig. 5 ist eine bevorzugte Realisationsform des Typ I- Prozessmoduls gemäss Fig. 2 dargestellt. Dabei ist darauf hinzuweisen, dass alle vom Modul gemäss Fig. 2 ausgehenden, beim Modul gemäss Fig. 5 zusätzlich oder spezifisch bevorzugt eingesetzten Massnahmen am prinzipiellen Modul gemäss Fig. 2 einzeln oder in beliebigen Teilkombinationen eingesetzt werden können.
Das in Fig. 5 dargestellte Prozessmodul Typ I in bevorzugter Ausführungsform kann, wie sich zeigen wird, ohne weiteres in ein Typ IIe-Modul oder in Typ IIne-Modul gewandelt werden. 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. Obwohl im Rahmen der erfindungsgemäss prinzipiell geforderten Ionenenergien im Substratträgerbereich auch andere Plasmen, wie beispielsweise Mikrowellenplasmen, eingesetzt werden können, 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 Plasmaentladung als DC-Entladung realisiert.
Die Elektronenquelle 105 gemäss Fig. 5 ist bevorzugt ausgebildet mit einer thermionischen Kathode, vorzugsweise einer direkt beheizten thermionischen 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 Arbeitsgas, wie beispielsweise Argon, wird bevorzugterweise (nicht dargestellt) in die Kathodenkammer 109 eingelassen, u. a. um die thermionische Kathode 107 vor Einflüssen des Reaktivgases im Prozessraum PR zu schützen und eine höhere Elektronenemission zu ermöglichen.
Von der Rezipientenwand 103,101 beabstandet und mit ihr den Zwischenraum ZW aufspannend, ist, den Prozessraum PR umschliessend, die Prozessraum-Ummantelung 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, wobei gegebenenfalls unterschiedliche Pumpquerschnitte von diesem Anschluss 115 einerseits zum Zwischenraum ZW, anderseits zum Prozessraum PR führen.
Innerhalb des Prozessraumes PR wirkt eine Anodenanordnung.
Diese ist, wie in Fig. 5 dargestellt, bevorzugterweise durch zwei oder mehr konzentrisch zur Blendenachse A angeordnete Anoden 117a bzw. 117b gebildet. Sie sind (nicht dargestellt) je unabhängig voneinander auf Massenpotential oder auf elektrische Anodenpotentiale führbar, die weiter bevorzugt unabhängig voneinander eingestellt werden können.
Weiter bevorzugt ist die metallische Rezipientenwand 101, 103 auf Bezugspotential, vorzugsweise Massenpotential, 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 erzeugte Plasmastrahl PL dargestellt, mit bei V rein heuristisch eingetragener Plasmadichteverteilung, koaxial zur Blendenachse A. Durch entsprechende Beaufschlagung der Anoden 117a und 117b mit anodischen Potentialen bzw. gesteuerter Temperierung dieser Anoden kann die Plasmadichteverteilung V gezielt eingestellt werden.
Im Prozessraum PR ist ein Waferhalter 119 montiert bzw. ist - wie noch zu erläutern sein wird-in den Prozessraum PR gesteuert einführbar. Obwohl es durchaus möglich ist, den Substrathalter 119, für die bevorzugte Behandlung scheibenförmiger Werkstücke 120 eine Trägerfläche 119a definierend, mit dieser Trägerfläche 119a parallel zur Blendenachse A, diesbezüglich schiefwinklig oder diesbezüglich-gemäss Fig. 5-senkrecht, aber exzentrisch vorzusehen, wird der Waferhalter 119 mit seiner Trägerfläche 119a weitaus bevorzugt zur Achse A der Blende 111 konzentrisch angeordnet. Mittels eines externen Antriebes 121 ist der Waferhalter 119, wie mit dem Doppelpfeil F dargestellt, gegen die durch die Prozessraumummantelung 113 definierte Aufnahmeöffnung 123 hin bzw. von ihr rückholbar. Ist der Waferhalter 119 mittels des Antriebes 121 vollständig gegen den Prozessraum PR hochgefahren, so verschliesst seine Randpartie 125 die lichte Öffnung 123 der Prozessummantelung 113 mindestens so, dass Ladungsträger gehindert werden, aus dem Prozessraum PR auszutreten.
Ein wie erwähnt bevorzugt scheibenförmiges Werkstück bzw. zu behandelndes Teil wird durch ein Schlitzventil 129 auf stationäre Aufnahmestützen 126 abgelegt, während der Wafer bzw. Werkstückhalter 119 abgesenkt ist. Danach wird der Waferhalter 119 angehoben, untergreift mit seiner Trägerfläche 119a das Werkstück bzw. den Wafer 120, hebt ihn von den stationären Stützen 126 ab und bewegt ihn hoch in den Prozessraum PR, dabei, bei Erreichen der Bearbeitungsposition, mit seiner Randfläche 125 den Prozessraum im erwähnten Ausmasse verschliessend.
Die Stützen 126 sind an einer Werkstücktemperiereinrichtung 127 montiert, welche über Temperiermedium-Zu-und Ableitungen 128 Temperiermedium-beaufschlagt ist.
Üblicherweise wird das eingeführte Substrat 120 über die Platte 128a beheizt. Gestrichelt ist in Fig. 5 der Waferhalter 119 in seiner Bearbeitungsposition dargestellt.
Die Rezipientenwandung 101 und deren stirnseitige Abschlussplatten 103 bzw. 131 sind temperiert, vorzugsweise gekühlt. Hierzu ist die die Ummantelung bildende Wandung 101 als Doppelwandung ausgebildet, mit dazwischen eingebautem Temperiermediumsystem. Ebenso sind in den Stirnplatten 103 bzw. 131 Temperiermedium-Leitungssysteme eingebaut.
Ausserhalb des Vakuumrezipienten sind Helmholtz-Spulen 133 sowie verteilte Umlenkspulen 135 montiert. Mittels der Helmholtz-Spulen 133 ein im wesentlichen zur Achse A paralleles und diesbezüglich symmetrisches Magnetfeldmuster im Prozessraum PR erzeugt. Dieses kann mit Hilfe der Umlenkspulen 135 in Ebenen senkrecht zur Achse A wie in Fig. 6 schematisch dargestellt verschoben werden. Durch diese"Verschiebung"der Magnetfeldstärke-Verteilung HA ergibt sich eine"Verschiebung"der Plasmadichteverteilung V an einem auf dem Substratträger 119 aufgebrachten Substrat. Damit wird eine Relativbewegung zwischen Plasmadichteverteilung V und zu behandelnder Werkstückoberfläche auf dem Substratträger 119 erreicht, wie wenn das Substrat bezüglich des Plasmas mit zeitlich konstanter Plasmadichteverteilung verschoben würde. Durch diese Feldverteilungs-Steuerung ergibt sich am Substrat der gleiche Effekt, wie wenn dieses bezüglich des Plasmas
mechanisch bewegt würde, aber ohne mechanische Substratbewegung.
Reaktivgas wird über einen Reaktivgaseinlass 137 in den Prozessraum PR eingelassen. Wie dargestellt, ist der Reaktivgaseinlass vorzugsweise koaxial zu Achse A in unmittelbarem 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 intensiv gekühlt. Er genügt UHV-Bedingungen. Dabei verhindert die intensive Kühlung das Aufheizen des Stahls während des Prozesses und die damit verbundene Freisetzung von kohlenstoffhaltigen Gasen aus dem Stahl.
Bezüglich des Materials der Prozessraum-Ummantelung 113, insbesondere deren dem Prozess ausgesetzten Oberfläche, gilt das bereits anhand von Fig. 1 Erläuterte : Das inerte Material, bevorzugterweise ein dielektrisches und wie erwähnt bevorzugt aus der Materialgruppe G gewählt, ist bei den hohen Prozesstemperaturen stabil und geht mit den verwendeten Reaktivgasen, wie insbesondere Wasserstoff, Silan, German, Diboran, Chlor, NF3, HC1, SiH3CH3, GeH3CH3, N2, C1F3, PH3, AsH4, keine gasförmigen Verbindungen ein.
Damit wird erreicht, dass es zu keinen Kontaminationen des Teils 120 kommt. Eine Störbeschichtung der inneren Oberfläche der Prozessraum-Ummantelung 113 ist nur unter dem Aspekt der Partikelbildung kritisch. Eine dünne Störbeschichtung 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 Prozessraum-Ummantelung 113 vor den reaktiven Gasen und dem Plasma geschützt ist, weiter, weil die, wie in Fig. 5 dargestellt, intensive Kühlung eine Abscheidung aus der Gasphase dort zusätzlich stark reduziert. Was bezüglich der inneren Oberfläche der Prozessraum- Ummantelung 113 gilt, gilt auch für die dem Prozess ausgesetzten Oberflächen des Substrathalters 119.
Die Prozessraum-Ummantelung 113 wird bevorzugterweise mehrteilig (nicht dargestellt) ausgebildet, so dass sie ohne Demontage der Anodenanordnung 117a, 117b entfernt bzw. ausgewechselt werden kann. Durch Entfernen der in Fig. 5 dargestellten Prozessraum-Ummantelung 113 wird eine bevorzugte Ausführungsform des Prozessmodul-Typs IIne realisiert, bzw. durch Ersatz der Prozessraum-Umantelung 113 durch eine ebenso geformte Ummantelung aus einem Metall ein Prozessmodul des Typs IIe gemäss Fig. 3.
Im folgenden sind die jeweils mit den anhand der Fig. 1 bis 5 vorgestellten Prozessmodulen durchgeführten Verfahren zusammengestellt.
Typ I Mit diesem Prozessmodul werden unter Einhalt von Qualitätsanforderungen, wie sie bei der Beschichtung von Teilen mit einer epitaktischen Schicht erfordert sind,
plasmaunterstützt reaktive Beschichtungen vorgenommen, oder plasmaunterstütztes reaktives Ätzen, oder plasmaunterstützte reaktive Veränderungsprozesse der Materialzusammensetzung am Werkstück bis hin zu vorgegebenen Eindringtiefen, oder es werden, insbesondere kombiniert mit vorerwähnten, erfindungsgemässen Verfahrensschritten, die Oberflächen der Werkstücke bzw.
Teile einer plasmaunterstützten reaktiven Reinigung, insbesondere in Wasserstoffplasma, unterzogen. Diese Prozessmodultypen I werden nach Durchlaufen einer vorgegebenen Anzahl der erwähnten Behandlungsschritte, oder bei Bedarf, einer Selbstreinigung unterzogen, ohne dass ein Werkstückteil darin eingeführt wäre bzw. eine Substratattrappe verwendet wird. Diese Selbstreinigung umfasst bevorzugterweise einerseits einen plasmaunterstützten reaktiven Ätzschritt, anderseits einen anschliessenden plasmaunterstützen reaktiven Reinigungsschritt von Ätzrückständen, bevorzugt in einem Wasserstoffplasma durchgeführt.
Typ II Die Typ II Prozessmodule werden eingesetzt, um Werkstücke tiefergreifend zu reinigen, wie dies beispielsweise notwendig ist, wenn sie aus Umgebungsatmosphäre den oben erwähnten, epitaktischen Qualitätsanforderungen genügenden Behandlungsschritten zugeführt werden. Auch in diesen Prozessmodultypen II werden in Kombination mit den vorerwähnten qualitativ höchsten Anforderungen genügenden Behandlungsprozessen, mit dem erwähnten niederenergetischen Plasma, reaktiv, vorzugsweise erst durch plasmaunterstütztes reaktives Ätzen, dann durch
plasmaunterstütztes reaktives Reinigen, vorzugsweise in Wasserstoffplasma, die Teile gereinigt.
Als bevorzugte Beschichtungsverfahren, nämlich für das Ablegen hetero-oder homo-epitaktischer Schichten mit den Modulen des Typs I, wird vollumfänglich auf das Vorgehen gemäss der bereits eingangs erwähnten W098/58099 verwiesen.
In Fig. 7 ist, schematisch, ein Prozessmodul 140 des Typs I oder des Typs II dargestellt. Im Durchlaufbetrieb werden dem Prozessmodul 140 sequentiell zu behandelnde Teile 142 zugeführt bzw. behandelte vom Modul weggeführt. Auf der in Fig. 7 dargestellten Zeitachse t sind, rein beispielsweise, schraffiert erfindungsgemässe Beschichtungs-und/oder Ätz- und/oder Materialveränderungs-und/oder Reinigungsschritte an den Teilen 142 dargestellt, jeweils gefolgt, bei Bedarf oder nach vorgegebener Anzahl derartiger Behandlungsschritte, von einem nicht schraffierten Selbstreinigungsschritt des im Durchlaufbetrieb beschickten Moduls 140.
In Fig. 8 ist schematisch dargestellt, innerhalb von Vakuumatmosphäre einer Anlage 144, z. B. einer Inline- Anlage, wie beispielsweise Werkstücke erst in einem Prozessmodul Typ II einer Eingangsreinigung, danach in Prozessmodulen I Beschichtungs-, Ätz-, Materialveränderungs-und ggf. auch Reinigungsschritten unterworfen werden. Auch hier werden die vorgesehenen Prozessmodule in Analogie zu den Betrachtungen in Fig. 7 nach einer jeweilig gegebenen Anzahl Verarbeitungszyklen einer Selbstreinigung unterzogen.
Ein bevorzugter derartiger Prozess ist, wie bereits eingangs erwähnt wurde, die Herstellung virtueller Substrate. Demnach wird im Prozessmodul Typ II die Unterlage, geeignet für anschliessendes hetero- epitaktisches Schichtwachstum, plasmaunterstützt reaktiv gereinigt, unter Einsatz eines Halogens als Reaktivgas, bevorzugterweise von Wasserstoff. Danach wird im einen oder den mehreren nachfolgenden Prozessmodulen Typ I die hetero- epitaktische Schicht aufgewachsen, derart, dass die Gitterkonstante verändert wird und durch sukzessiven gradierten Einbau eines weiteres Materials eine möglichst defektfreie Oberflächenstruktur erzielt wird. Danach- wiederum in einem weiteren Modul des Typs I-wird ggf. das Aufwachsen der zu nutzenden Halbleiterschicht realisiert, vorgebbar mechanisch verspannt zur Einstellung des Bandabstandes und Einstellung der gewünschten Halbleiter- Eigenschaften, wie beispielsweise der Ladungsträger- Mobilität. Es folgen ggf. weitere erfindungsgemässe Behandlungsschritte, bis zum Ausschleusen aus der Anlage 144 des fertiggestellten virtuellen Substrates.
Wie dem Fachmann durchaus geläufig, können auch bei der Fertigung des virtuellen Substrates weitere Schichten eingebaut werden bzw. zwischen den Beschichtungsschritten Reinigungsschritte vorgesehen werden, dann bevorzugt als "sanfte Reinigungsschritte"in einem Prozessmodul des Typs I.
In Fig. 8 ist-wenn auch schematisch-eine"Inline"- Anlage dargestellt, bei welcher der Werkstücktransport von einem Modul zum andern, in Vakuum, im wesentlichen linear erfolgt.
In Fig. 9 ist schematisch, in Aufsicht, die bevorzugte Anordnung mehrerer Typ I und Typ II Prozessmodule als jeweilige Cluster zu einer Cluster-Anlage dargestellt.
Diese umfasst eine Zirkular-Vakuumtransportkammer 150, welche im wesentlichen radial die Prozessmodule bedient.
Unbearbeitete Substrate werden einer Schleusenkammer 152 entnommen und darin behandelte Substrate abgelegt, wo letztere beispielsweise auskühlen. Von der beispielsweise vorgesehenen einen Ein-und Ausgabe-Schleusenkammer 152 werden die Substrate mit einer an Normalatmosphäre liegenden Rotobereinheit 154 entnommen bzw. ihr zugeführt, ab Speichermagazinen 156 für unbehandelte bzw. in Speichermagazine 158 für behandelte, fertiggestellte Substrate. Die Anlage wird durch eine Programmsteuerung betreffs ihrer zeitlichen Abläufe gesteuert, beispielsweise einer frei programmierbaren.
Die beschriebenen Prozessmodule, die alle ineinander gewandelt werden können, können Substrate mit Durchmesser von mindestens 150 mm, vorzugsweise von mindestens 200 mm, vorzugsweise gar von mindestens 300 mm behandeln. Bei der Epitaxie-Beschichtung mit dem in der erwähnten W098/58099 beschriebenen Verfahren, die bezüglich der Verfahrensoffenbarung der vorliegenden Anmeldung als Anhang A beigefügt ist, werden Beschichtungsraten an den erwähnten Substraten von mindestens 60 nm/min. erreicht.
Verfahren zur Herstellung beschichteter Werkstücke, Verwendun- gen des Verfahrens und Anlage hierfür (Anhang"A"Anfang der Beschreibung PCT/CH98/00221) Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstel- lung beschichteter Werkstücke nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, Verwendungen hiervon nach den Ansprüchen 28 bis 35, eine An- lage zur Ausführung des genannten Verfahrens nach dem Oberbeg- riff von Anspruch 36 und Verwendungen hiervon nach den Ansprü- chen 51 bis 54.
Dabei geht die vorliegende Erfindung von den Problemen aus, die sich bei der Herstellung dünner Schichten mit CVD-und PECVD- Verfahren ergeben. Die dabei erfindungsgemäss gemachten Er- kenntnisse lassen sich insbesondere auf die Herstellung von Halbleiterschichten, wie bei der Solarzellen-Herstellung oder modulationsdotierte Fet oder heterobipolare Transistoren, über- tragen.
Dünne Halbleiterfilme werden entweder in einkristalliner Form, d. h. epitaktisch, auf ein ebenfalls einkristallines Substrat, wie ein Siliziumsubstrat abgeschieden, oder aber in polykri- stalliner Form oder amorpher Form auf polykristalline oder amorphe Substrate, z. B. auf Glas. Obwohl im folgenden die Er- findung vor allem mit Bezug auf die Herstellung Silizium- und/oder Germanium-beschichteter Substrate beschrieben wird, kann sie, wie erwähnt, auch für die Herstellung anderer und mit anderen Materialien beschichteter Werkstücke eingesetzt werden.
Bekannte Verfahren zur Abscheidung epitaktischer Halbleiterfil- me sind : - Molekularstrahl-Epitaxie, MBE (Molecular Beam Epitaxy) - Thermo-Chemische Gasphasenabscheidung, CVD (Chemical Vapour Deposition)
(Anhang"A"PCT/CH98/00221) - Remote-Plasmaunterstützte CVD-Verfahren mit DC-oder Hf- Entladung, RPECVD (Remote-Plasma-Enhanced CVD) - Mikrowellen-Plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung und ECRCVD (Electron-Cyclotron-Resonance-Plasma-Assisted CVD) Beim CVD-erfahren handelt es sich um einen Sammelbegriff einer grossen Anzahl von thermischen Abscheidungsmethoden, die sich entweder durch den Aufbau der zugeordneten Apparaturen unter- scheiden, oder durch deren Betriebsart. So kann z. B. ein CVD- Verfahren bei Normal-Atmosphärendruck durchgeführt werden, oder aber bei viel kleineren Drücken bis hinunter ins Gebiet des Ultra-Hochvakuums. Es kann hierzu auf (1) verwiesen werden, so- wie auf (2).
In der kommerziellen Produktion von epitaktischen Si-Schichten ist ausschliesslich CVD gebräuchlich. Die verwendeten Reaktiv- gase sind dabei siliziumhaltige Gase, z. B. Chlorsilane, SiCl4, Si3ECl und SiH2C12 sowie Silane, z. B. SiHd oder Si2H6 Charakte- ristisch für die Standard-CVD-Verfahren sind die hohen Abschei- de-Temperaturen in der Grössenordnung von 1000°C und mehr, so- wie Drücke von typischerweise 20 mbar bis 1000 mbar, d. h. bis Normal-Atmosphärendruck.
Je nach Prozessbedingungen können damit Beschichtungsraten von mehreren gm pro Minute erzielt werden, entsprechend mehreren 100 Å/sect wozu wiederum auf (1) verwiesen sei.
Niederdruck-chemische Gasphasenabscheidung (LPCVD, Low Pressure Chemical Vapour Deposition, gleichbedeutend mit LPVPE, Low- Pressure Vapour Phase Epitaxy) findet dagegen bei Drücken unter 1 mbar statt und erlaubt tiefere Prozesstemperaturen bis auf typischerweise 700°C. Diesbezüglich sei nebst auf (1) auch auf (3) und (6) verwiesen.
(Anhang"A"PCT/CH98/00221) Bezüglich LPCVD und unter Verweis auf (6) wird bei einer Ab- scheidetemperatur von 650°C eine Wachstumsrate (growth rate) von GR = 50 A/min angegeben. Dies bei einem Reaktivgasfluss für Silan von F = 14 sccm.
Daraus ergibt sich eine für die Gasausbeutung relevante Kenn- zahl, nämlich die Wachstumsrate pro Reaktivgasfluss-Einheit, GRF zu GRF = 3,6 A/ (sccm * min) Auf 5"-Wafern, entsprechend einer Fläche A5 = 123 cm2, umgerechnet von der aktuellen Fläche A2 für 2"-Wafer ergibt sich eine Abscheidemenge (growth amount) GA zu GA = 5,2'1016 Si-Atome/sec.
Wiederum bezogen auf eine Reaktivgasfluss-Einheit ergibt sich die Kennzahl"Abscheidemenge pro Reaktivgasfluss-Einheit", im weiteren"Gasausnützungszahl"genannt, GAF zu GAF = 8,4. 10-3, entsprechend 8,4 0/00.
Bei 650°C entsteht eine epitaktische Schicht.
Wird die Abscheidetemperatur auf 600°C reduziert, so entsteht eine polykristalline Schicht. Dies mit : GR 3 amin F = 28 sccm Silan
(Anhang"A"PCT/CH98/00221) GRF = 0, 11 Ä/ (sccm/min) GA = 3, 1 10l5 Si-Atome/sec auf A5 GAF = 2, 5 10-4, entsprechend 0,25 o/oo.
Grundsätzlich sind folgende Kriterien für ein defektfreies epi- taktisches Schichtwachstum erforderlich : - Bei Transmissionselektronen-Mikroskopie an Querschnittspräpa- raten wird der Nachweis der Epitaxie durch Elektronendiffrak- tion und Hochauflösung erstellt.
- In dabei typischerweise durchstrahlbaren Bereich von 10-15 Mm längs der Grenzfläche zum Substrat, dürfen keine Defekte sichtbar sein. Typische Vergrösserungen bei der Defektanalyse sind 110'000 bis 220'000.
Eine weitere Entwicklung ist die Ultrahochvakuum-chemische Gas- phasenabscheidung (UHV-CVD) mit Arbeitsdrücken im Bereich von 10-4 bis 10-2 mbar, typischerweise im Bereich von 10-3 mbar, wozu verwiesen sei auf (4) sowie auf (5), (7). Sie lässt sehr nied- rige Werkstücktemperaturen zu, wobei allerdings die Wachstums- bzw. Beschichtungsraten extrem klein sind, so z. B. ca. 3 A/min für reines Silizium bei 550°C gemäss (5).
Der Grund für die kleinen Wachtumsraten liegt darin, dass die Absorptions-und Zerfallsrate der reaktiven Moleküle, so z. B. von SiH4, mit zunehmender Wasserstoffbelegung der Werkstück- Oberfläche abnimmt. Das Schichtwachstum wird also durch die De- sorptionrate von H2 limitiert, die aber exponentiell mit der Temperatur zunimmt. Hierzu sei auf (8) verwiesen. Wegen der kleineren Bindungsenergie der Ge-H-Bindung im Vergleich zur Si- H-Bindung ist die Wasserstoffdesorption von einer Si-Ge- Legierungsoberfläche grösser, so dass bei gleicher Substrattem- peratur eine höhere Wachstumsrate als bei reinem Si resultiert,
(Anhang"A"PCT/CH98/00221) z. B. bei einem Gehalt von 10% Ge um einen Faktor 25 bei 550°C (5).
Eine weitere Möglichkeit, bei niedrigen Substrattemperaturen hohe Abscheideraten mit Epitaxie-Qualität zu erzielen, besteht darin, (9), die reaktiven Gase mit Hilfe eines -Wellen-Plasmas zu zersetzen (ECRCVD).
Durch den Einsatz von Plasmaquellen, die auf dem Prinzip der Elektronen-Zyklotron-Resonanz beruhen, soll der Einfall hoch- energetischer Ionen auf das Substrat vermieden werden.
Solche Quellen arbeiten in der Regel im Druckbereich von 10-3 bis 10-4 mbar, was aber zu grösseren freien Weglängen führt, als im Fall von kapazitiv eingekoppelten Hochfrequenz-Hf- Plasmen. Dies kann wiederum zu unerwünschtem Ionenbeschuss des Substrates führen und damit zur Erzeugung von Defekten, wie sich aus (10) ergibt. Die Energie der auf das Substrat auftref- fenden Ionen kann aber durch eine externe Kontrolle des Sub- stratpotentials begrenzt werden, wodurch sich Ionenschäden weitgehend vermeiden lassen. Auch mit ECRCVD-Methode betragen die Wachstumsraten für reines Silizium in der Regel nur einige 10 11/min, bei tiefen Abscheidetemperaturen < 600°C.
Zusammengefasst ergibt sich folgendes : Schichten, die mit einer Qualität abgelegt werden, die sich auch für das Ablegen von epitaktischen Schichten eignet, kön- nen, bei Abscheidetemperaturen < 600°C, bis heute : 'durch UHV-CVD mit Wachstumsraten'GR von ca. 3 Ä/min oder durch ECRCVD mit einer um ca. 1 Grössenordnung (30 Å/min) höheren Wachstumsrate GR abgelegt werden.
(Anhang"A"PCT/CH98/00221) PECVD-Verfahren, deren Plasma durch DC-Entladungen erzeugt wer- den, konnten für die Fertigung von Schichten mit Epitaxie- Qualität-d. h. entsprechend geringer Fehlerdichte (siehe oben) - weder für den Aufbau von epitaktischen noch für den Aufbau amorpher oder polykristalliner Schichten eingesetzt werden, mindestens nicht mit einer für industrielle Fertigung sicherzu- stellenden Wachstumsrate GR, Zuverlässigkeit und Effektivität bzw. Wirkungsgrad.
Über die Verwendung von kapazitiv eingekoppelten Hochfrequenz- feldern zur Erzeugung von Hf-Plasmen für PECVD-Verfahren wurde anderseits schon sehr früh berichtet, wozu verwiesen sei auf (11). Die Schwierigkeit bei diesem Vorgehen liegt darin, dass in solchen Hf-Plasmen nicht nur die reaktiven Gase zersetzt werden. Gleichzeitig ist die Substratoberfläche einem intensi- ven Beschuss hochenergetischer Ionen ausgesetzt, wie dies spe- zifisch auch bei reaktivem Zerstäuben oder Hochfrequenzätzen ausgenützt wird. Dies begünstigt einerseits die Wasserstoff- Desorption, führt aber gleichzeitig zu Defekten in den wachsen- den Schichten. Eine davon abgewandelte Methode, die RPCVD, Re- mote Plasma Chemical Vapour Deposition, berücksichtigt dies da- durch, dass die zu beschichtenden Substrate nicht direkt dem Hf-Plasma ausgesetzt werden, was zu besseren Resultaten führt (12). Allerdings sind die erzielten Wachstumsraten gering, näm- lich meist Bruchteile von nm pro Minute bis höchstens einige nm pro Minute gemäss (13).
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein in der indus- triellen Fertigung einsetzbares Verfahren anzugeben, das er- laubt, Schichten mit Epitaxie-Qualität aufzuwachsen mit wesent- lich höheren Wachstumsraten, als bis anhin bekannt.
Dies wird durch Verfahren eingangs genannter Art erreicht, wel- che sich nach dem Wortlaut des kennzeichnenden Teils von An- spruch 1 auszeichnen, bzw. durch eine Anlage, die sich nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 36 auszeichnet. Bevorzugte
(Anhang"A"PCT/CH98/00221) Ausführungsformen der Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 27 spezifiziert, bevorzugte Ausführungsformen der Anlage in den Ansprüchen 37 bis 50. Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich insbesondere für die Herstellung von Halbleiter- beschichteten Substraten mit epitaktischer, amorpher oder poly- kristalliner Schicht, dabei insbesondere von Si-, Ge-oder Si/Ge-Legierungs-Schichten sowie von Ga-oder Ga-Verbindungs- Schichten.
Dabei können insbesondere auch dotierte Halbleiterschichten ab- gelegt werden. Silizium und/oder Germanium enthaltende Schich- ten, dotiert vorzugsweise mit mindestens einem Element aus den Gruppen III oder V des Periodensystems bzw. Gallium enthaltende Schichten mit mindestens einem Element der Gruppen II, III, IV oder VI des Periodensystems, z. B. mit Mg oder Si.
Aus den eingangs abgehandelten Beschichtungstechniken zur Er- zeugung epitaktischer Schichten kann zusammenfassend folgendes ausgeführt werden : - Die CVD-Verfahren, insbesondere die UHV-CVD-Verfahren führen zu ausgezeichneten Schichtqualitäten, selbst bei Substrattem- peraturen unterhalb von 500°C. Sie bieten sich deshalb an, auch epitaktische Schichten herzustellen, wo an die Schicht- qualität extrem hohe Anforderungen gestellt werden. Die Wachstumsrate beispielsweise für Si ist aber bei diesen Ver- fahren extrem tief, wie erwähnt in der Grössenordnung von 3 A/min bei 550°C.
- Mikrowellen-Plasma-unterstützte Verfahren, ECRCVD, haben den Vorteil, dass die Zersetzung der reaktiven Moleküle ohne hohe thermische Energie stattfinden kann. Der Ionenbeschuss des Substrates führt zu erhöhter Wasserstoffdesorption. Beide Ef- fekte könnten zu einer beträchtlichen Zunahme der Wachstums- rate führen. Bei tiefen Temperaturen werden aber inakzeptabel hohe Defekt-Dichten beobachtet, induziert durch Ionenbe-
(Anhang"A"PCT/CH98/00221) schuss. Eine Kontrolle über die Substrat-Bias-Spannung erhöht zwar die Schichtqualität, ändert aber nichts an den ver- gleichsweise kleinen Raten.
Damit scheint ein inhärenter Widerspruch zu bestehen : Ionenbe- schuss des Substrates führt einerseits zu erhöhter Wachstumsra- te aufgrund erhöhter Wasserstoffdesorption, führt aber gleich- zeitig zur Erhöhung der Defekt-Dichte.
Für unter Atmosphärendruck betriebene, thermische CVD-Verfahren ergibt sich laut (2) folgendes Bild : * Si-Wachstumsrate GR : 2 x 10-3 nm/min (bei 600°C, 3'10-2 nm/min gemessen und auf 550°C umge- rechnet) Gasfluss, SiC12H2, F : 100 sccm.
Daraus ergibt sich eine Wachstumsrate GR pro SiC12H2-Fluss- Einheit, GRF ~ 2 x 10-4 A/ (sccm. min).
Ein Gasfluss F von 100 sccm SiC12H2 entspricht 4,4 x 1019 Mole- külen/sec.
Die Wachstumsrate GR von 2 x 10-3 nm/min entspricht einer Wachstumsrate von 2 x 10-4 Silizium-Monolagen pro Sekunde auf einem 5"-Wafer, entsprechend einer Fläche A5 von 123 cm2. Damit ergibt sich auf der Gesamtfläche pro Sekunde eine abgelegte Menge von GA = 1,7 x 1013 Siliziumatome/sec.
Durch Inbeziehungsetzen der pro Sekunde abgelegten Siliziummen- ge und der pro Sekunde eingelassenen Reaktivgasmenge ergibt sich die Gasausnützungsziffer GAF zu GAF = 3,9 x 10-7.
(Anhang"A"PCT/CH98/00221) Dies entspricht einer Ausnützung von ungefähr 0,0004 0/00.
Wir halten fest, dass sich bei atmosphärischem CVD ergibt : GRF # 2 x 10-4 Å/ (sccm. min) GAF 0,0004 0/00.
Aus (5), kombiniert mit (4) und (7), ergibt sich die Abschät- zung für UHV-CVD zu GRF 0,1 Ä/ (sccm. min) und GAF 0,0035 entsprechend ca. 35 0/00.
Dies zu den bis anhin industriell eingesetzten Verfahren für die Herstellung von Schichten in Epitaxie-Qualität.
Aus der DE-OS 36 14 384 ist nun weiter ein PECVD-Verfahren be- kannt, bei welchem DC-Glimmentladung in Form einer Niederspan- nungs-Entladung eingesetzt wird. Damit sollen Schichten mit be- sonders guten mechanischen Eigenschaften schnell, d. h. mit ho- her Wachstumsrate, abgelegt werden.
Eine Kathodenkammer mit Heisskathode kommuniziert mit einem Va- kuumrezipienten über eine Blende. Der Blende gegenüberliegend ist eine Anode vorgesehen. Parallel zu der zwischen Blende und Anode gebildeten Entladungsachse ist eine Einlassanordnung für ein Reaktivgas vorgesehen, dieser Anordnung, bezüglich der Ent- ladungsachse gegenüberliegend, sind die Werkstücke angeordnet.
Mit Bezug auf Anodenpotential, werden Entladungsspannungen UAK unterhalb 150 V angelegt, und die Entladung wird mit einer Stromstärke IAK von wenigstens 30 A betrieben. Für die Be- schichtung werden die Werkstücke auf negative Potentiale zwi- schen 48 und 610 V gebracht.
Die darin gezeigten Versuche ergeben folgendes Bild : !
(Anhang"A"PCT/CH98/00221) Beispiel GR [Ä/min] GRF [Å/ (sccm.min)] 1 103 2,5 2 380 1,2 3 2 x 103 2,5 4 (Si) 166 0,7 5 466 1,2 6 750 0,7 7 250 0,5 8 500 0,75 9 316 0,38 10 344 0,18 11 62 0,18 12 58 0,14 Die vorliegende Erfindung geht nun von der Erkenntnis aus, dass Werkstückbeschichtungen mit einer Schichtqualität vorgenommen werden können, welche Qualität den an Epitaxieschichten zu stellenden Anforderungen genügt, indem hierzu, entgegen den bisher gehegten Erwartungen, ein nicht-Mikrowellen-Plasma- PECVD-Verfahren eingesetzt wird-d. h. ein PECVD-Verfahren mit DC-Entladung-und im speziellen ein PECVD-Verfahren, wie es, von seinem Prinzip her, auf der DE-OS 36 14 348 bekannt ist.
Wie gezeigt werden wird, ist es dabei möglich, in Epitaxie- Qualität a) Wachstumsraten GR von mindestens 150 Ä/min, gar von mindes- tens 600 A/min b) GRF von mindestens 7,5 Ä/ (sccm. min), oder gar 40 Ä/ (sccm. min), vorzugsweise gar 75 A/ (sccm. min) zu erzielen, und weiter c) Gasausnützungsziffern GAF zu erzielen mindestens im Bereich von 5%.
(Anhang"A"PCT/CH98/00221) Es wird erkannt, dass am erfindungsgemäss eingesetzten DC- PECVD-Verfahren die Plasmaentladung zu tiefstenergetischen Io- nen führt, ebenso zu tiefstenergetischen Elektronen, dass aber die Ladungsträgerdichte, insbesondere die Elektronendichte an der ausgenützten Entladung sehr gross ist.
Die Erfindung wird anschliessend anhand von Figuren beispiels- weise erläutert. Es zeigen : Fig. 1 : schematisch eine erste bevorzugte Ausführungsform ei- ner erfindungsgemässen Anlage zur Durchführung der erfindungsgemässen Verfahren, Fig. 2 : schematisch eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer Anlage gemäss Fig. 1 mit mehreren Betriebsvari- anten, Fig. 3 : bei Betrieb einer Anlage gemäss Fig. 2 für eine Sili- ziumbeschichtung, die Abhängigkeit der Wachstumsrate von der Wafer-Temperatur, Fig. 4 : in Funktion des Entladungsstromes, die Zunahme der Wachstumsrate bezogen auf den Reaktivgasfluss, GRF, Fig. 5 : in Funktion des Reaktivgasflusses, die Wachstumsrate bei unterschiedlichen Plasmadichten im Bereich der Werkstücke, Fig. 6 : in Funktion der Germanium-Konzentration an der abge- schiedenen Schicht, die Wachstumsrate und Fig. 7 : Im Feld Wachstumsrate/Gasausnützungsziffer die Resul- tate gemäss Stand der Technik und gemäss Erfindung.
Vorab, eine Anlage gemäss z. B.. der DE-OS 36 14 384 kann durch- aus für die Durchführung der erfindungsgemässen Verfahren ein- gesetzt werden, sofern sie so betrieben wird, dass die erfin- dungsgemässen Bedingungen eingehalten werden.
(Anhang"A"PCT/CH98/00221) Gemäss Fig. 1 weist eine heute bevorzugte erste Anlage zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens einen Vakuumre- zipienten 1 auf, an welchen, über eine Blende 3, eine Kathoden- kammer 5 angeflanscht ist. In bekannter Art und Weise kann die Kathodenkammer 5 auf das elektrische Potential des Rezipienten 1 gelegt sein, oder die Kathodenkammer 5 kann bezüglich des Re- zipienten 1 isoliert und auf davon abweichendes Potential ge- legt sein (nicht dargestellt).
In der Kathodenkammer 5 ist eine Heisskathode 7, ein Filament, vorgesehen, vorzugsweise direkt beheizt mittels eines Heiz- stromgenerators 9.
In der Blenden-Achse A, der Blende 3 im Rezipienten 1 gegenü- berliegend, ist ein isoliert montierter Werkstückträger 13 vor- gesehen. Im Bereich des Werkstückträgers 13 kann eine Werk- stückheizung 17 vorgesehen sein. Der Rezipient 1 wird mit einer Vakuumpumpe 27, vorzugsweise einer Turbovakuumpumpe, dabei vor- zugsweise einer Turbomolekularpumpe evakuiert. Sensoren, wie z. B. ein Plasmamonitor etc., können, zu Beobachtungs-und ggf.
Steuerzwecken, an einem Anschluss 31 vorgesehen werden.
Konzentrisch zur Achse A der Entladung mit dem Entladungs-Strom IAK ist ein Gaseindüsring 23 vorgesehen als Reaktivgaseindüsan- ordnung, verbunden mit einer Gastankanordnung 25 für Reaktiv- gas, welches, mit steuerbarem Fluss F (sccm), in den Rezipien- ten eingelassen wird.
In die Kathodenkammer 5 mündet ein Anschluss 6 zu einem Ar- beitsgastank, beispielsweise mit Ar. Mittels einer Elektro- und/oder Permanent-Magnetanordnung 29 wird im wesentlich kon- zentrisch zur Achse A im Rezipienten, ein Magnetfeld B erzeugt, insbesondere auch wirksam im Bereich der Blende 3. Das Feld kann dabei vorzugsweise aus der Konzentrizität verschoben wer- den.
(Anhang"A"PCT/CH98/00221) Die Anlage in ihrer Ausführungsform gemäss Fig. 1 wird wie folgt betrieben : - Die Rezipientenwand entsprechend 1 wird als Anode der Entla- dung eingesetzt und ist hierzu auf ein Bezugspotential, wie dargestellt vorzugsweise auf Masse, geschaltet. Entsprechend ist mittels eines vorzugsweise einstellbaren DC-Generators 11 die Kathode 7 auf (negatives) Potential gelegt. Über dem Ge- nerator 11 liegt die Entladespannung UAK, der Entladestrom IAK fliesst zwischen Kathode 7 und Rezipienten 1.
- In einer zweiten Betriebsvariante der in Fig. 1 dargestellten Anlage wird der Werkstückträger 13 mittels eines DC-Bias- Generators 15 auf die Spannung Us gelegt.
In Fig. 2 ist eine weitere bevorzugte, erfindungsgemässe Anlage zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens dargestellt.
Es sind für gleiche Teile die selben Bezugszeichen wie in Fig.
1 verwendet. Die Anlage nach Fig. 2 unterscheidet sich wie folgt von der in Fig. 1 dargestellten und beschriebenen : Es ist eine ringförmige Hilfsanode 19 vorgesehen, welche kon- zentrisch zur Entladungsachse A angeordnet ist.
Folgende Betriebsarten sind hier möglich : - Wie mit dem Variationsschalter S schematisch dargestellt, wird die Rezipientenwandung des Rezipienten 1, wie bereits in Fig. 1, auf Bezugs-vorzugsweise Massepotential gelegt oder, über ein Impedanzelement 14, vorzugsweise ein Widerstandsele- ment, an ein Potential, vorzugsweise das Bezugspotential, ge- fesselt oder aber potential-schwebend betrieben. Die Hilfs- anode 19 wird dann, wenn der Rezipient 1 auf Bezugspotential gelegt ist entweder auf das Potential des Rezipienten gelegt oder mittels eines vorzugsweise einstellbaren DC-Generators 21 an Spannung gelegt.
(Anhang"A"PCT/CH98/00221) - Wenn der Rezipient 1 über Impedanzelement 14 an ein Bezugspo- tential gefesselt wird, dann wird die Hilfsanode mittels des DC-Generators 21 betrieben, es erscheint die Entladespannung UAK wie gestrichelt dargestellt zwischen Kathode 7 und Hilfs- anode 19. Dies ist auch dann der Fall, wenn die Rezipienten- wandung 1 potential-schwebend betrieben wird.
Heute wird der Betrieb der Anlage nach Fig. 2 mit auf Masse gelegter Rezipientenwand und Hilfselektrode 19 sowie potenti- al-kontrolliert betriebenem Werkstückträger 13 bevorzugt. In allen Anlagen-Varianten sind folgende Einstellungen wesent- lich : * Totaldruck PT im Rezipienten : 10-4 mbar < PT < 10 1 mbar vorzugsweise 10-3 mbar # PT < 10-2 mbar typischerweise im Bereich von 5 10-3 mbar. Dieser Druck wird vornehmlich sichergestellt durch den Partialdruck des Arbeitsgases, vorzugsweise Argon. Die Vakuumpumpe 27 ist des- halb, wie erwähnt, vorzugsweise als Turbovakuumpumpe ausge- bildet, insbesondere als Turbomolekularpumpe.
# Arbeitsgasdruck PA: Dieser wird wie folgt gewählt : 10-4 mbar # PA # 10-1 mbar vorzugsweise zu 10-3 mbar : PA < 10-2 mbar Reaktivgaspartialdruck PR : Dieser wird vorzugsweise wie folgt gewählt :
(Anhang"A"PCT/CH98/00221) 10-5 mbar # PR # 10-1 mbar vorzugsweise zu 10-4 mbar # PR < 10-2 mbar.
Insbesondere für Silizium-und/oder Germanium-haltige Gase werden Partialdrücke zwischen 10-4 mbar und 25'10-3 mbar an- geraten. Zur Unterstützung der Planarität (Oberflächenrauhig- keit), vor allem für Mehrfachschicht-Abscheidungen und Schichten mit Dotierung wird weiter angeraten, zusätzlich ei- nen Wasserstoff-Partialdruck in der Grössenordnung von 10-4 bis 10-2 mbar, vorzugsweise von ca. 10-3 mbar vorzusehen.
# Gasströme : Argon : weitestgehend abhängig von Rezipienten-und Kathoden- kammer-Volumen, zur Einstellung des erforderlichen Partial- druckes PA bzw. PT.
Reaktivgasfluss : 1 bis 100 sccm, insbesondere für Silizium- und/oder Germanium-haltige Gase : H2 : 1 bis 100 sccm.
# Entladespannung UAK: Die Entladespannung, sei dies zwischen Kathode 7 und Rezi- pienten 1 gemäss Fig. 1 oder zwischen Kathode 7, Rezipienten 1 und Hilfsanode 19 bzw. zwischen Kathode 7 und Hilfsanode 19, wird wie folgt eingestellt : 10 V < UAK < 8 0 V, vorzugsweise 20 V < UAK < 35 V.
Entladeströme, IAK_
(Anhang"A"PCT/CH98/00221) Diese werden wie folgt gewählt : 5 A # IAK zu 400 A, vorzugsweise 20 A dz IRK < 100 A.
# Werkstückspannung US: In jedem Fall wird diese Spannung unterhalb der Sput- terschwelle der Entladung gewählt. Sie wird in allen Fällen wie folgt eingestellt : -25 V # US # +25 V, vorzugsweise für Ga-Verbindungen, vorzugsweise für Si, Ge und deren Verbindungen -20 V < Us < +20 V, vorzugsweise negativ, und dabei vorzugsweise zu -15 V < US <-3 V.
Stromdichte am Ort der zu beschichtenden Werkstückoberfläche : Diese wird vorab mittels einer Sonde am Ort, wo nachmals die zu beschichtende Oberfläche positioniert wird, gemessen. Sie wird eingestellt bezogen auf die Sondenoberfläche zu mindes- tens 0,05 A/ cm2, vorzugsweise zu mindestens 0,1 A/cm2 bis ma- ximal Entladungsstrom/Substratfläche.
Diese Stromdichte wird wie folgt gemessen und eingestellt : Eine oder mehrere Sonden werden am Ort der nachmals zu be- schichtenden Fläche positioniert und bezüglich Masse bzw. An- odenpotential auf variable positive Spannung gelegt. Diese wird solange erhöht, bis der gemessene Strom nicht mehr wei- ter ansteigt. Der gemessene Stromwert ergibt, bezogen auf die
(Anhang"A"PCT/CH98/00221) Sondenfläche, die gesamte Stromdichte. Diese wird nun durch Einstellung der Entladung auf den geforderten Wert gestellt.
Die Einstellung der erwähnten Stromdichtewerte ist mit den bevorzugt eingestellten Entladeströmen IAK zwischen 5 und 400 A, bzw. und bevorzugt zwischen 20 und 100 A ohne weiteres möglich.
Der hohe Fluss niederenergetischer Ionen und Elektronen, die auf das Werkstück auftreten, ist ein charakteristisches Merk- mal des erfindungsgemässen Verfahrens, welches mithin als LE- PECVD abgekürzt wird für"Low Energy Plasma Enhanced CVD".
Silizium-und/oder Germaniumschichten können während der Be- schichtung durch Zugabe eines Dotierungsgases mit einem Element aus der Gruppe III oder V des periodischen Systems, wie mit Phosphin, Diboran, Arsin etc. zu n-oder p-leitenden Schichten dotiert werden. Somit sind p/n-Halbleiterübergänge in situ her- stellbar, z. B. besonders wirtschaftlich für die Solarzellenher- stellung.
Werden Galliumschichten oder Galliumverbindungs-Schichten abge- legt, so können diese durch Verwendung eines Dotierungsgases mit einem Element aus den Gruppen II oder III oder IV oder VI des Periodensystems dotiert werden, z. B. mit Mg oder Si.
Mit Hilfe der Anode 19 und/oder des Magnetfeldes B kann die Niederspannungsentladung komprimiert und/oder vom Werkstückträ- ger 13 abgelenkt werden. Damit kann die Plasmadichte am Werk- stückträger erhöht (Rate) und/oder über einen grossen Bereich variiert (Einstellung der Verteilung) oder auch gesteuert ge- wobbelt bzw. abgelenkt werden. Mit Hilfe der Heizung 17 können die Werkstücke bzw. Substrate unabhängig vom Ionen-und/oder Elektronenanfall bis auf ca. 800°C aufgeheizt werden. Die Mag- netanordnung 29 erzeugt mittels Permanent-und/oder Elektromag- neten das Feld B, vorzugsweise mit einer Flussdichte von eini- gen 10 bis einigen 100 Gauss im Entladungsraum.
(Anhang"A"PCT/CH98/00221) Aufgrund der unüblich tiefen Entladespannungen, wie erwähnt be- vorzugt im Bereich von 20 bis 35 V, ergibt sich ein Plasmapo- tential der Entladung entsprechend (15) nahe am Anodenpotenti- al. Das Werkstück-bzw. Substratpotential kann potentialmässig leicht so verstellt werden, dass die Ionenenergien unterhalb 15 eV liegen, womit sich Ionenschäden während des Schichtwachstums am Werkstück vollständig vermeiden lassen.
Wie erwähnt wurde, ist eine möglichst hohe Plasmadichte am Werkstück anzustreben. Vorliegendenfalls wird die Plasmadichte durch die Stromdichte an der Werkstückoberfläche gegeben. Sie wird wie vorgängig angegeben mittels Sonden in einem Kalibrier- Arbeitsgang gemessen und eingestellt.
Die Anlagen, wie sie schematisch in den Fig. 1 und 2 darge- stellt sind, sind wohl heute bevorzugte Ausführungsformen, wo- bei die erfindungsgemässen Verfahren sich durchaus auch an An- lagen realisieren lassen, die beispielsweise in der DE-OS 36 14 384 dargestellt sind, wenn sie entsprechend bestückt und ge- führt werden. Wesentlich erscheint bis heute der potential- kontrollierte Betrieb des Werkstückes.
Mittels einer Anlage, wie sie in Fig. 2 schematisch dargestellt ist, wurden 3"-Silizium-Einkristallsubstrate mit Silizium bzw. einer Silizium/Germanium-Legierung epitaktisch beschichtet. Das Volumen des Rezipienten 1 betrug 60 1.
Die Anlage wurde wie folgt betrieben : Hilfsanode 19 auf Potential des Rezipienten li Werkstückträger 13 auf kontrolliertes Biaspotential. Rezipient als Anode auf Masse.
Folgende Arbeitspunkteinstellungen wurden vorgenommen : * Werkstücktemperaturen Ts
(Anhang"A"PCT/CH98/00221) Plasmainduziert ergeben sich Werkstücktemperaturen von nur wenigen 100°C, so z. B. von ca. 150°C.
Dies ist ausserordentlich vorteilhaft zum Beschichten ther- misch kritischer Substrate, wie z. B. organischer Substrate.
Höhere, erwünschte Temperaturen werden durch separates Heizen erreicht. Für die Herstellung von Si-und/oder Ge-Schichten und Schichten mit Ge-Si-Verbindungen werden Werkstücktempera- turen Ts 300°C : Ts < 600°C angeraten, für Ga-Schichten oder Ga-Verbindungsschichten : 300°C< Ts < 800°C.
Weil das Verfahren"kalt"ist, ist man höchst flexibel in der Temperatur-Wahl, je nach Schichtmaterial und Substratmateri- al. Fluss [sccm] Partialdruck [mbar] Ar 50 6, 8 x 10-' H2 5 7 x 10-4 SiH4 10 10-3 Entladestrom IAK : 70 A.
Entladespannungen UAK : 25 V.
Substrat-Temperatur : 550°C (mit Heizung geheizt) In einem ersten Versuch wurde mit Hilfe der Heizung 17 die Sub- strattemperatur variiert. Dabei wurden die übrigen Arbeits- punkt-Parameter konstant gelassen. In Fig. 3 ist das Resultat dargestellt. Aus dieser Figur ist ersichtlich, dass die Wachs-
(Anhang"A"PCT/CH98/00221) tumsrate GR nur sehr wenig von der Werkstück-bzw. Substrattem- peratur T13 abhängt. Die grosse Streuung der Messwerte rührt davon her, dass bei der Versuchsanlage vor jeder Abscheidung Betriebsparameter jeweils von Hand wieder eingestellt werden mussten.
Ausgehend von den erwähnten Arbeitspunktwerten wurde nun der Entladestrom IAK variiert, durch Einstellung der Entladespan- nung UAK und gegebenenfalls Variation des Kathoden-Heizstromes.
Alle übrigen Parameter wurden wieder konstant gehalten. Wenn auch der Entladestrom IAKnicht direkt der Ladungsträgerdichte bzw. Plasmadichte an der zu beschichtenden Oberfläche ent- spricht, so ist doch, bei sonst konstant belassenen Parametern, die Plasmadichte, entsprechend der Stromdichte an der zu be- schichtenden Werkstückoberfläche, im wesentlichen proportional zum Entladestrom. Deshalb zeigt das in Fig. 4 dargestellte Re- sultat durchaus die Proportionalität und den Proportionalitäts- faktor zwischen der Wachstumsrate GR und der Plasmadichte. Die- se Proportionalität dürfte anhalten, solange die Gasausnützung nicht ca. 60 % übersteigt und Sättigungseffekte auftreten. Wie erwähnt kann die Plasmadichte nebst z. B. durch Verstellung des Entladestromes auch durch Fokussierung bzw. Defokussierung der Niederspannungsentladung bzw. durch deren Umlenken beeinflusst werden. Auch hier erklärt sich die relative grosse Streuung durch das Vorgehen bei der Einstellung der Entladebedingungen.
Höchst aufschlussreich ist schliesslich Fig. 5. Diese ist das Ergebnis von Versuchen, bei welchen, bei sonst konstant gehal- tenen Parametern, der Reaktivgasfluss F variiert wurde, ausge- hend vom Arbeitspunkt 10 sccm. Die Gerade (a) ergab sich bei bezüglich der Achse A von Fig. 1 durch Magnetfeldeinstellung örtlich leicht versetzter Niederspannungsentladung, was am Sub- strat zu einer Plasmadichtereduktion führte bzw. geringerer Ra- te, bei einem Entladestrom IAK von 20 A.
(Anhang"A"PCT/CH98/00221) Kurve (b) zeigt die Rate bei nicht abgelenkter Entladung und bei IAK = 20 A. Schliesslich zeigt (c) die erhöhte Rate bei nicht abgelenkter Enladung mit IAK = 70 A.
Bei einem Reaktivgasfluss von 10 sccm ergibt sich bei einer Temperatur des Substrates von 550°C und 70 A Entladestrom IAK, wie Fig. 3 bestätigt, eine GR von ca. 15 11/sec.
Bei einem Entladestrom von 70 A bei einem Reaktivgasfluss von 10 sccm wird dieses Resultat auch durch Fig. 4 bestätigt. Die GR fällt bei einem Entladestrom von 20 A auf ca. 6 Ä/sec ab.
Es seien nun die erfindungsgemässen Resultate mit den Resulta- ten vorbekannter Techniken verglichen. a) Vergleich mit APCVD (2) Aus Fig. 5 ergibt sich beispielsweise für den Punkt P1 : GR # 1200 Å/min, verglichen mit GR ~ 2 x 10 2 Å/min beì APCVD.
Aus Fig. 5 ergibt sich für den Punkt P1 ein Wert GRF von 80 A/ (sccm. min) Der entsprechende Werte bei APCVD beträgt GRF 2 x 10-4 Å/ (sccm. min) Berechnet man bei LEPECVD gemäss Erfindung die Gasausnützungs- ziffer für ein 3"-Substrat, so ergibt sich GAF z 6, 8 x 10-2, entsprechend ca. 6,8 %.
Dabei ist zu berücksichtigen, dass diese Ziffer mit grösser werdenden Substratfläche, z. B. auf 5", noch wesentlich besser wird.
(Anhang"A"PCT/CH98/00221) In Fig. 7 sind folgende Resultate dargestellt : - Im Feld I : für APCVD, LPCVD, RPECVD ; - Im Feld II : für UHVCVD - Im Feld III : für ECRCVD - Im Feld IV : gemäss vorliegender Erfindung.
Sie gelten für Temperaturen < 600°C.
In diesem Zusammenhang muss nochmals betont werden, dass es das erfindungsgemässe Vorgehen erlaubt, relativ grosse Flächen zu beschichten, womit die Gasausnützungsziffer GAF zusätzlich steigt.
Werden, analog, die Grössen Wachstumsrate GR, Wachstumsrate pro Reaktivgasflusseinheit GRF und die Gasausnützungsziffer GAF mit den entsprechenden Zahlen für CVD unter atmosphärischen Druck- bedingungen verglichen, so ergeben sich erfindungsgemäss in je- der Beziehung drastische Verbesserungen. Vergleicht man schliesslich die Resultate gemäss vorliegender Erfindung mit denjenigen, die erhalten werden, wenn ein PECVD-Verfahren mit Niederspannungsentladung gemäss der DE-OS 36 14 384 betrieben wird, so zeigt sich, dass erstaunlicherweise die erfindungsge- mäss erzielte Wachstumsrate von 1200 A/min wesentlich grösser ist, als die höchsten, mit dem vorbekannten Vorgehen erzielten Wachstumsraten und dass zusätzlich die erfindungsgemäss erziel- te Wachstumsrate pro Reaktivgasflusseinheit GRF praktisch um zwei lOer-Potenzen höherliegt.
Es ist somit höchst erstaunlich, dass durch ganz bestimmte Be- triebsbedingungen an der Anlage, prinzipiell wie sie aus der DE-OS 36 14 384 vorbekannt war, derartige Verbesserungen er- zielbar sind, unter Berücksichtigung, dass die erfindungsgemäss
(Anhang"A"PCT/CH98/00221) abgelegten Schichten, bezüglich Defektdichte, Epitaxie- Bedingungen gehorchen.
Dies wurde höchst einfach dadurch überprüft, dass beim be- schriebenen Betrieb der Anlage nach Fig. 2 mit den angegebenen Arbeitspunktparametern, bei Einlegen eines monokristallinen Substrates eine hochwertige Epitaxie-Beschichtung erzielt wur- de, bei Einlegen eines amorphen Substrates hingegen, bei wei- terhin festgehaltenen Arbeitspunktparametern, eine amorphe Be- schichtung.
In Fig. 5 ist im weiteren bei P2 der Messpunkt eingetragen, wenn anstelle einer reinen Si-Schicht eine SiGe-Epitaxieschicht abgelegt wird, die 4 % Ge enthält.
Wie bereits daraus ersichtlich, ändern sich entgegen den vorer- läuterten Erkenntnissen beim erfindungsgemässen Vorgehen die Verhältnisse nicht, wenn eine Ge/Si-Legierung abgelegt wird.
Dies bestätigt Fig. 6, wo in Funktion des Ge-Gehaltes in % bei den angegebenen Arbeitspunkten die Wachstumsrate GR angegeben ist. Daraus ist ersichtlich, dass sich die Wachstumsrate in ei- nem sehr grossen Bereich des Ge-zu Si-Verhältnisses im wesent- lichen nicht ändert.
Das erfindungsgemässe Vorgehen wurde primär anhand von Versu- chen, Si-, Ge-oder Si/Ge-Legierungsschichten bzw. Ga-und Ga- Verbindungsschichten, alle dotiert und nicht dotiert, abzule- gen, erhärtet.
Mit dem erfindungsgemässen Vorgehen werden, kombiniert, höchste Schichtqualität bei sehr hohen Abscheidungsraten und gleichzei- tig bei sehr hohem Wirkungsgrad, was abgelegtes Schichtmaterial pro eingelassener Reaktivgasmenge anbelangt, und bei tiefen Temperaturen < 600°C, erreicht. Damit eignet sich das vorge- schlagene Vorgehen ausserordentlich gut für die industrielle (Anhang"A"PCT/CH98/00221) Fertigung, seien dies epitaxialer Schichten oder seien dies an- derer Schichten in höchster Qualität.
(Anhang"A"PCT/CH98/00221) Literaturangaben : (1) Handbook of thin-film deposition processes and techniques, ed. Klaus K. Schuegraf, Noyes Publications, New Jersey, U. S. A., 1988, ISBNN 0-8155-1153-1 (2) Atmospheric pressure chemical vapor deposition of Si and SiGe at low temperatures, T. O. Sedgwick and P. D. Agnello, J. Vac. Sci. Technol. A10,1913 (1992) (3) Submicron highly doped Si layers grown by LPVPE, L. Vescan, H. Beneking and 0. Meyer, J. Cryst. Growth 76,63 (1986) (4) Low-temperature silicon epitaxy by ultrahigh va- cuum/chemical vapor deposition, B. S. Meyerson, Appl. Phys.
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(Anhang"A"PCT/CH98/00221) Patentansprüche : 1. Verfahren zur Herstellung beschichteter Werkstücke, mit für die Epitaxie genügender Qualität, dadurch gekennzeichnet, dass man das Werkstück mittels PECVD beschichtet unter Einsatz einer DC-Entladung.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mit einer Wachstumsrate GR 2 150 Ä/min und mit einer Gasausnützungs-Ziffer 1 % < GAy S 90 % erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wachstumsrate GR 2 300 Ä/min beträgt, vorzugsweise GR 2 600 A/min, besonders bevorzugt GR 2 11000 A/min.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasausnützungsziffer GAF # 5 % ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge- kennzeichnet, dass man die Entladung so stellt, dass sich bei Sondenmessung am Ort, wo nachmals die zu beschichtende Werk- stückfläche positioniert wird, und auf gleichem Potential eine Stromdichte von mindestens 0,05 A/cm2 Sondenfläche einstellt, vorzugsweise von mindestens 0,1 A/cm2 bis zu einer Dichte von höchstens Entladestrom/Substratfläche.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessene Stromdichte überwiegend durch Elektronen-Einfall erzeugt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge- kennzeichnet, dass man einen Entladestrom I^. zu
(Anhang"A"PCT/CH98/00221) 5 A # IAK # 400 A wählt, vorzugsweise zu 20 A # IAK < 100 A.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge- kennzeichnet, dass man die Entladungsspannung UAK ZU 10 V # UAK < 80 V vorzugsweise zu 20 V < UAK < 35 V wählt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge- kennzeichnet, dass man den Reaktivgas-Partialdruck PR im Pro- zessraum zu 10-5 mbar # PR S 10-1 mbar wählt, vorzugsweise zu 10-4 mbar <_ PR < 10-2 mbar.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge- kennzeichnet, dass man die Entladung vornehmlich als Elektro- nenquelle für die Reaktivgas-Dissoziation einsetzt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge- kennzeichnet, dass man als DC-Entladung eine Niederspannungs- Entladung, vorzugsweise eine Heisskathoden-Niederspannungs- Entladung, einsetzt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge- kennzeichnet, dass man im Prozessraum einen Totaldruck PT wie folgt einstellt :
(Anhang"A"PCT/CH98/00221) 10~4 mbar # PT put 10-1 mbar, vorzugsweise 10-3 mbar <_ PT <_ 10-2 mbar.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge- kennzeichnet, dass man im Rezipienten einen Arbeitsgaspartial- druck PA wie folgt einstellt : 10-4 mbar < PA < 1O-1 mbar, vorzugsweise 10-3 mbar < PA : 10-2 mbar.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch ge- kennzeichnet, dass man die Entladespannung zwischen Entladungs- Kathode und auf ein Bezugspotential, vorzugsweise Masse- Potential, gelegte Vakuum Rezipientenwand anlegt.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass man das Werkstück im Prozessraum auf Schwebepotential betreibt oder 'auf ein aufgeschaltetes Biaspotential legt.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass man das Werkstück auf einer Spannung Us bezüglich Entladungs- anode betreibt, die negativ ist, vorzugsweise Us >-25 V be- trägt, vorzugsweise zwischen-15 V bis-3 V beträgt.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch ge- kennzeichnet, dass man entlang der Entladungs-Strecke eine Hilfsanode vorsieht, vorzugsweise in Form einer die Entladung umschlingenden Ringanode, und diese auf eine vorzugsweise ein-
(Anhang"A"PCT/CH98/00221) stellbare Spannung bezüglich Entladungskathode betreibt, die vorzugsweise nicht grösser ist als die Entladungs-Spannung.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch ge- kennzeichnet, dass im Vakuum-Rezipienten eine diesbezüglich isoliert montierte Anode für die Entladung vorgesehen wird, vorzugsweise in Form einer Ringanode.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass man das Werkstück im Prozessraum 'auf Schwebepotential oder 'auf ein aufgeschaltetes Biaspotential legt.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass man das Werkstück bezüglich Entladungskathode höchstens auf Entladungsspannung betreibt.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch ge- kennzeichnet, dass man die Vakuum-Rezipientenwand auf Schwebepotential oder 'über ein Impedanzelement an ein Bezugspo- tential gefesselt betreibt.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch ge- kennzeichnet, dass man das Werkstück bezüglich Anode der Entla- dung auf einer Spannung zwischen-25 V und +25 V betreibt, vor- zugsweise für Ga-Verbindungen, vorzugsweise für Si-, Ge-oder deren Verbindungen, vorzugsweise -20 V < Us < +20V,
(Anhang"A"PCT/CH98/00221) dabei vorzugsweise auf einer negativen.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch ge- kennzeichnet, dass man die Werkstücktemperatur auf höchstens 600°C hält, vorzugsweise zwischen 300°C und 600°C, vorzugsweise für Si-, Ge-oder deren Verbindungen und vorzugsweise für Ga- Verbindungen zwischen 300° und 800°C.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch ge- kennzeichnet, dass man die Beschichtung mit einer Beschich- tungsrate pro Reaktivgasfluss-Einheit GRF vornimmt, welche min- destens 7,5 Ä/ (sccm. min) beträgt, vorzugsweise mindestens 40 A/ (sccm. min), besonders vorzugsweise mindestens 75 A/ (sccm. min) beträgt.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge- kennzeichnet, dass man erwünschte Beschichtungsratenänderungen durch im wesentlichen hierzu proportionales Verstellen des Re- aktivgasflusses in den Vakuumrezipienten vornimmt.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch ge- kennzeichnet, dass man erwünschte Beschichtungsratenänderungen durch im wesentlichen hierzu proportionales Verstellen der Ent- ladungs-Stromdichte vornimmt, vorzugsweise durch Verstellung des Entladestromes und/oder der Entladespannung und/oder durch Umlenkung und/oder durch Bündelungsvariation der Entladung be- züglich des Werkstückes, letztere vorzugsweise elektrostatisch und/oder magnetisch.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch ge- kennzeichnet, dass man das Werkstück unabhängig von der Entla- dung heizt.
28. Verwendung eines PECVD-Verfahrens mit DC-Entladung zur Herstellung von Epitaxie-Schichten.
(Anhang"A"PCT/CH98/00221) 29. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 17 bzw. Verwendung nach Anspruch 28 für die Herstellung von Substraten mit einer Halbleiterschicht.
30. Verwendung nach Anspruch 29 für die Herstellung von Sub- straten mit einer Halbleiter-Epitaxieschicht oder einer poly- kristallinen oder einer amorphen Halbleiterschicht, vorzugswei- se gesteuert durch das unbeschichtete Substrat, insbesondere dessen Oberflächeneigenschaften.
31. Verwendung nach einem der Ansprüche 28 bis 30 für die Her- stellung von Substraten mit einer Silizium-und/oder Germanium- schicht oder einer Si/Ge-Legierungsschicht, vorzugsweise do- tiert mit mindestens einem Element aus den Gruppen III und/oder V des Periodensystems.
32. Verwendung nach einem der Ansprüche 28 bis 30 für die Her- stellung von Substraten mit einer Ga-Schicht oder einer Ga- Verbindungs-Schicht, vorzugsweise dotiert mit mindestens einem Element der Gruppen II, III, IV oder VI des Periodensystems, z. B. mit Mg oder Si.
33. Verwendung nach einem der Ansprüche 28 bis 32, dadurch ge- kennzeichnet, dass man als Reaktivgas mindestens ein Si- und/oder Ge-haltiges Gas einsetzt und vorzugsweise zusätzlich Wasserstoffgas in den Reaktionsraum einbringt.
34. Verwendung nach einem der Ansprüche 28 bis 33 für die Werkstückbeschichtung mit Beschichtungsraten pro Reaktivgas- fluss-Einheit, GRF, von mindestens 7,5 Ä/ (sccm. min), vorzugs- weise von mindestens 40 Ä/ (sccm. min), vorzugsweise gar von min- destens 75 A/ (sccm. min).
35. Verwendung nach Anspruch 34 für die Beschichtung von Sub- straten bei Substrattemperaturen unterhalb 600°C, vorzugsweise zwischen 300° und 600°C für Si-Ge-und deren Verbindungen,
(Anhang"A"PCT/CH98/00221) vorzugsweise zwischen 300° und 800° für vorzugsweise Ga- Verbindungen.
36. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der An- sprüche 1 bis 26 mit einem Vakuumrezipienten, über eine Blende daran angekoppelt, einer Kathodenkammer mit mindestens einer Heisskathode und einem im Rezipienten angeordneten Werkstück- träger sowie einer Anodenanordnung, wobei der Werkstückträger elektrisch isoliert im Rezipienten montiert ist.
37. Anlage nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstückträger bezüglich der Anode auf einstellbare Spannung legbar ist oder potential-schwebend ist, dabei das Rezipienten- gehäuse auf Anodenpotential liegt und die Kathode mit Bezug auf Anodenpotential auf kathodisches Potential, vorzugsweise zwi- schen 10 und 80 V, dabei besonders bevorzugterweise zwischen 20 und 35 V, legbar ist, wobei vorzugsweise der Werkstückträger bezogen auf das Anodenpotential höchstens um 25 V verstellbar ist.
38. Anlage nach Anspruch 36 oder 37, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenanordnung für die Entladung die Vakuum- Rezipientenwand umfasst oder die Anodenanordnung im Rezipienten isoliert montiert ist.
39. Anlage nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstückträger potential-schwebend ist und so angeordnet ist, dass seine Spannung bezüglich der Anodenanordnung sich nicht negativer als-25 V einstellt, vorzugsweise auf-3 V bis-15 V.
40. Anlage nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstückträger mittels einer vorzugsweise einstellbaren Bias- Quelle bezüglich der Anodenanordnung auf eine Spannung von-25 V bis +25 V legbar ist, vorzugsweise auf eine negative, vor- zugsweise von-15 V bis-3 V.
(Anhang"A"PCT/CH98/00221) 41. Anlage nach einem der Ansprüche 36 bis 40, dadurch gekenn- zeichnet, dass eine Hilfsanode vorgesehen ist, vorzugsweise in Form einer konzentrisch zur Achse der Blende angeordneten Ring- anode, die bezüglich Rezipientenwandung auf gleiches oder un- terschiedliches Potential legbar ist bzw. gelegt ist.
42. Anlage nach einem der Ansprüche 36 bis 41, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Rezipientenwand potential schwebend oder über ein Impedanzelement, vorzugsweise ein Widerstandselement, an ein Bezugspotential gefesselt ist.
43. Anlage nach einem der Ansprüche 36 bis 42, dadurch gekenn- zeichnet, dass zwischen Heisskathode und mindestens einem Teil der Anodenanordnung eine Spannung UAK von 10 V < UAK S 80 V, vorzugsweise 20 V < UAK S 35 V eingestellt ist.
44. Anlage nach einem der Ansprüche 36 bis 43, dadurch gekenn- zeichnet, dass zwischen Werkstückträger und höchstem Potential an der Anodenanordnung eine Spannung Us von - 25 V < Us < +25V eingestellt ist, vorzugsweise eine negative, vorzugsweise von -15 V < Us <-3 V.
45. Anlage nach einem der Ansprüche 36 bis 44, dadurch gekenn- zeichnet, dass in die Kathodenkammer eine mit einem Arbeitsgas- tank, vorzugsweise einem Argongastank, verbundene Gaszuführlei- tung einmündet.
46. Anlage nach einem der Ansprüche 36 bis 45, dadurch gekenn- zeichnet, dass im wesentlichen konzentrisch zur Blendenachse
(Anhang"A"PCT/CH98/00221) eine Magnetanordnung vorgesehen ist zur Erzeugung eines zur Blendenachse koaxialen oder diesbezüglich versetzten Magnetfel- des im Rezipienten, wobei die Magnetanordnung Permanentmagnete und/oder mindestens eine Spulenanordnung umfasst.
47. Anlage nach einem der Ansprüche 36 bis 46, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Rezipient an eine Turbovakuumpumpe, vorzugs- weise eine Turbomolekularpumpe, angeschlossen ist.
48. Anlage nach einem der Ansprüche 36 bis 47, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Heisskathode einen Elektronenstrom von 5 bis 400 A liefert, vorzugsweise zwischen 20 und 100 A.
49. Anlage nach einem der Ansprüche 36 bis 48, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Werkstückträger am Ort höchster Elektronen- dichte der Entladung, vorzugsweise im wesentlichen konzentrisch zur Blendenachse im Rezipienten angeordnet ist.
50. Anlage nach einem der Ansprüche 36 bis 49, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Rezipient mit einer Gastankanordnung verbun- den ist, die ein Si-und/oder Ge-haltiges Gas enthält oder ein Ga-haltiges Gas, vorzugsweise zusätzlich mit H2.
51. Verwendung der Anlage nach einem der Ansprüche 36 bis 50 nach den Ansprüchen 28 bis 35.
52. Verwendung eines PECVD-Beschichtungsverfahrens mit DC- Entladung für das Aufwachsen von Epitaxie-Schichten.
53. Verfahren zum Betrieb einer PECVD-Anlage nach einem der Ansprüche 36 bis 50, derart, dass durch Vorgabe der Werk- stückoberflächen-Eigenschaften, wie der Kristallstruktur, ge- steuert wird, ob eine polykristalline, amorphe oder epitakti- sche Schicht entsteht.
54. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 27 bzw. einer Anlage nach einer der Ansprüche 36 bis 50 für die Herstellung von Solarzellen.
Zusammenfassung : (Ende des Anhangs"A"der Beschreibung PCT/CH98/00221) Es wird vorgeschlagen, Schichten auf Werkstücke in für Epitaxie genügender Qualität abzulegen und dabei die Abscheiderate da- durch wesentlich zu erhöhen, dass anstelle beispielsweise von UHV-CVD oder ECR-CVD ein PECVD-Verfahren eingesetzt wird, unter Einsatz einer DC-Plasmaentladung.
(keine Fig.) (Anhang"A"). 15 + 31us 25 S 3 31 14 us F 23 1 I au '-.-t,--f\ y-- Ar'r'C 5 UAK + I FIG. 1 95 r S 14 25Eh" Au 3 6 3 -L F , F) G. 1 yak < 19 , FIG-1 14 Uns-s 7 21 11 arzt 9 ut yak YAK Anhang "A" FIG. 2 (Anhang"A") FIG. 4- Anhang"A" (AnhangR'A") i t, tAlsecl 30 (c) 25 pi 29 Intense Plasma, IAK =70Af (b) 15 10/P2+tense Plasma, IAK _ 20A Sio. 96GeO. 04 Deflected Ptasma, IAK=20A 0 2 i 6 8 10 12 li 16 18 20 22 Flow (sccm] FIG. 5 GR [A/sec 20- 18- 96 s 14- 6- 10- u 8 6 2- 4L 10 20 30 40 50 60 70 80 Germanium conc. [% 3 Anhang "A" FIG. 6 (Anhang"A") FIG. 7 Anhang"A"