DE19983211B4

DE19983211B4 - System und Verfahren der Substratverarbeitung sowie deren Verwendung zur Hartscheibenherstellung

Info

Publication number: DE19983211B4
Application number: DE19983211T
Authority: DE
Inventors: Terry Santa Clara Bluck; James H. Sunnyvale Rogers; Sean P. Mcginnis
Original assignee: Intevac Inc
Current assignee: Intevac Inc
Priority date: 1998-05-13
Filing date: 1999-05-07
Publication date: 2005-11-03
Anticipated expiration: 2019-05-08
Also published as: AU3978299A; DE19983211T1; JP3547398B2; JP2002515541A; CN1190111C; WO1999059384A1; CH694700A5; US6203862B1; CN1300524A; KR100363290B1; KR20010043566A

Abstract

Substratbearbeitungssystem mit folgenden Merkmalen:
eine Bearbeitungskammer (10);
ein Substrathalter (12), der in der Bearbeitungskammer (10) gelegen ist;
eine Gasquelle (54), die an die Bearbeitungskammer (10) zur Zufuhr von Prozeßgas in die Bearbeitungskammer angeschlossen ist;
mindestens ein erster Plasmagenerator (20) in der Bearbeitungskammer, der an eine Leistungsquelle (50) zur Ionisierung des Prozeßgases zur Erzeugung von Ionen zur Bearbeitung eines auf dem Substrathalter angeordneten Substrats (14) angeschlossen ist;
mindestens ein zweiter Plasmagenerator (22) in der Bearbeitungskammer, der mit einer Leistungsquelle (50) zur Ionisierung des Prozeßgases zur Erzeugung von Ionen zur Bearbeitung eines auf dem Substrathalter angeordneten Substrats (14) verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Plasmagenerator (20) auf einer ersten Seite des Substrats (14) und der zweite Plasmagenerator (22) auf einer zweiten, entgegengesetzten Seite des auf dem Substrathalter angeordneten Substrats (14) angeordnet sind; und
dass die Leistungsquellen (50) zur Anregung der Plasmageneratoren (20,...

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Substratbearbeitungssystem, ein Substratbearbeitungsverfahren und die Verwendung des Verfahrens zur Bearbeitung eines elektrisch isolierenden Substrats sowie zur Herstellung von Hartscheiben. Dabei werden zur Bearbeitung eines Substrats Plasmen verwendet, die von Ionen erzeugt werden. Insbesondere benutzen die Bearbeitungssysteme und Verfahren zwei oder mehrere Ionenquellen.

Hintergrund der Erfindung

Kommerzielle Plasmaquellen werden sowohl für den Niederschlag als auch für die Ätzung von Oberflächen in einer breiten Vielfalt von industriellen Anwendungen verwendet, insbesondere bei der Bearbeitung von Halbleitern, optischen Elementen und magnetischen Dünnschichten. Das von solchen Quellen gebildete Plasma erzeugt reaktive, neutrale und ionische Spezies, die chemisch und/oder physikalisch mit den Oberflächen reagieren können, um dort Material niederzuschlagen oder wegzunehmen.

Aus DE 195 323 100 A1 , WO 96/27690 A1, US 4 991 542 und JP 07-173 320 A sind jeweils Vorrichtungen und Verfahren zur beidseitigen Schichtabscheidung auf Substraten mittels gegenüberliegender Plasmaquellen bekannt. All diesen Druckschriften ist gemeinsam, dass die Quellen nicht alternierend betrieben werden.

Aus DE 43 11 360 A1 ist eine Vorrichtung zur reaktiven Mittelfrequenz-Magnetron-Aufstäubung von Schichten bekannt, bei der die Kathoden von nebeneinander angeordneten Targets gebildet werden, denen Reaktivgas zugeführt wird und denen eine elektrisch isolierte Substrathalterung mit daran aufgelegten Substraten gegenüber liegt. Das Reaktivgas wird nicht in Plasma übergeführt.

Aus WO 97/44141 A1 ist bei einem Substratbearbeitungs-System die Anordnung einer Mikrowellenquelle und einer Radiofrequenzquelle zur Plasmaerzeugung auf unterschiedlichen Seiten eines Substrats bekannt und werden gleichzeitig betrieben.

Bei vielen Verfahren kann die Anwendung von energetischen Ionen aus der Plasmaquelle dazu führen, daß Materialien mit einzigartigen Eigenschaften niedergeschlagen werden oder daß Oberflächen unter Bedingungen geätzt werden können, die sonst nicht wirksam sein würden. Eine Ionenquelle, die in einer Vakuumkammer montiert ist, in welcher das Substrat angeordnet ist, ist Basis für ein gewöhnliches Verfahren zur Bearbeitung von Substraten in einem Plasma. Ein Gas mit speziellen chemischen Eigenschaften wird der Ionenquelle zwecks Ionisierung zugeführt. Das erzeugte Plasma ist eine Mischung von verschiedenen reaktiven, neutralen und ionischen chemischen Spezies sowie von energetischen Elektronen. Die Energie der ionischen Spezies, die auf die Oberfläche einwirkt, hängt von den elektrischen Eigenschaften des Plasmas und vom Druck ab. Typischerweise wird die Energie der das Substrat bombardierenden Ionen mittels einer Vorspannung des Substrats gesteuert. Wenn das Substrat elektrisch schwimmt, wird die Ionenenergie alternativ von der Energieverteilung der Elektronen bestimmt, welche die Differenz zwischen dem Plasmapotential und dem Oberflächenpotential bestimmt, für welches der Nettostrom Null beträgt (Schwebepotential). Die Steuerung der Ionenenergie ist wünschenswert, da die Charakteristiken des Niederschlags oder des Ätzprozesses und die Eigenschaften der erhaltenen Materials häufig sehr stark von diesen Parametern abhängen.

Bei einigen Anwendungen ist es wünschenswert, beide Seiten eines Substrats gleichzeitig zu bearbeiten. Dies ist typisch bei der Niederschlagung von dünnen Schichten verschiedener Materialien in der Herstellung von magnetischen Hartscheiben, die in magnetischen Speichersystemen verwendet werden. In diesem Fall werden Ionenquellen auf entgegengesetzten Seiten der Scheibe angeordnet. Jedoch zeigen Ionenquellen, welche eine Anode zur Errichtung eines Plasmapotentials verwenden, die Tendenz zur Plasmainstabilität und Oszillation, wenn zwei solche Quellen gleichzeitig in einer Verarbeitungskammer betrieben werden. Bei solchem instabilem Verhalten ist die Ionenerzeugung und Prozeßstabilität nicht vorhersehbar. Außerdem hat sich häufig als schwierig erwiesen, Dünnschichten mit Eigenschaften zu beschichten, welche die Erfordernisse einer Schutzschicht auf einer Hartscheibe erfüllen. Dünnere Überzüge ermöglichen es dem Magnetkopf, näher an den Magnetschichten der Scheibe vorbeizufliegen, wie eine Zunahme in Flächendichte zu ermöglichen. Bei dieser Anwendung sollten niedergeschlagene Überzüge genügende Härte, Dichte und Adhäsion aufweisen, sowie praktische Qualitäten einschließlich hoher Niederschlagsraten und niedrige Anzahl von makroskopischen Partikeln auf der Oberfläche.

Demgemäß gibt es ein Bedürfnis für verbesserte Substratbearbeitungssysteme und -verfahren, worin zwei oder mehrere Ionenquellen in stabiler Weise in einer Bearbeitungskammer betrieben werden können und worin die Eigenschaften der niedergeschlagenen Schichten für ihren vorgesehenen Zweck verbessert werden können.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Substratbearbeitungssystem vorgesehen. Das Substratbearbeitungssystem umfaßt eine Bearbeitungskammer, einen in der Bearbeitungskammer gelegenen Substrathalter, eine Gasquelle zum Zuführen von Prozeßgas zur Bearbeitungskammer, erste und zweite, in der Bearbeitungskammer angeordnete Ionenquellen und eine Leistungsquelle zur Erregung der ersten und der zweiten Ionenquelle. Jede dieser Ionenquellen ionisiert das Prozeßgas, um Ionen zur Bearbeitung eines auf dem Substrathalter angeordneten Substrats zu erzeugen. Die ersten und zweiten Ionenquellen umfassen eine erste bzw. eine zweite Anode. Die Leistungsquelle erregt die ersten und zweiten Anoden in Zeitmultiplexart, so daß nur eine dieser ersten und zweiten Ionenquellen zu einer gegebenen Zeit erregt ist.

Die Leistungsquelle umfaßt vorzugsweise eine Einrichtung zur Anlage einer gepulsten periodischen Spannung an die jeweilige erste und zweite Anode bei einer Frequenz unterhalb von ungefähr 100 kHz. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel liegt die Frequenz in einem Bereich von ungefähr 1 bis 5 kHz. Die gepulste periodische Spannung, die an der jeweiligen ersten und zweiten Anode anliegt, hat vorzugsweise ein Taktverhältnis gleich oder kleiner als 50%.

Die ersten und zweiten Ionenquellen sind generell auf entgegengesetzten Seiten des Substrats in dem Prozeßsystem angeordnet. Bei manchen Systemen jedoch können Ionenquellen auf der gleichen Seite des Substrats angeordnet sein und können beispielsweise zur Zufuhr unterschiedlicher Gase verwendet werden, um Vielschichtniederschläge zu erzielen. Ionen des Prozeßgases von den ersten und zweiten Ionenquellen können auf dem Substrat niedergeschlagen werden oder können zur Ätzung des Substrats verwendet werden.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Bearbeitung eines Substrats vorgesehen. Das Verfahren umfaßt die Schritte der Positionierung eines Substrats in einer Prozeßkammer, die Zufuhr eines Prozeßgases in die Prozeßkammer und die Ionisierung des Prozeßgases mit ersten und zweiten Ionenquellen, die in der Kammer angeordnet sind, um Ionen des Prozeßgases zur Bearbeitung des Substrats zu erzeugen. Die ersten und zweiten Ionenquellen umfassen erste bzw. zweite Anoden. Das Verfahren umfaßt ferner den Schritt der Anregung der ersten Anode und der zweiten Anode derart, daß nur eine der ersten und zweiten Ionenquellen zu einer bestimmten Zeit angeregt ist.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb von zwei oder mehreren Ionenquellen in einer Prozeßkammer geschaffen. Jede der zwei oder mehreren Ionenquellen hat eine Anode. Das Verfahren umfaßt den Schritt der Anregung der Anoden der Ionenquellen in Zeitmultiplexart, so daß nur eine der Ionenquellen zu einer gegebenen Zeit angeregt ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen. Dabei zeigt:
1 eine schematische Darstellung des Bearbeitungssystems gemäß der Erfindung;
2 ein Diagramm der Anodenspannungen als Funktion der Zeit gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
3 ein Diagramm der Anodenspannungen als Funktion der Zeit gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
4 ein Blockdiagramm eines Beispiels der Leistungsquelle der 1;
5 eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels der Leistungsquelle der 1; und
6 ein Diagramm der Anodenspannungen als Funktion der Zeit für ein Bearbeitungssystem mit vier Ionenquellen.
In 1 ist eine schematische Darstellung, teilweise in Blockform, eines Beispiels eines Substratbearbeitungssystems gemäß Erfindung gezeigt. Das System umfaßt eine verschlossene Bearbeitungskammer 10, einen Substrathalter 12 und eine elektrische Verbindung 11 zu einer Vorspannungsquelle 8 über einen Schalter 9. Der Substrathalter 12 stützt das Substrat 14 innerhalb der Bearbeitungskammer 10. Ionenquellen 20 und 22 sind an entgegengesetzten Seiten des Substrats 14 angeordnet. Die Bearbeitungskammer 10 ist vorzugsweise leitfähig ausgebildet und mit Erde verbunden. Gegebenenfalls kann eine elektrische Vorspannung am Substrat 14 während der Bearbeitung angelegt werden. Es ist auch möglich, das Substrat elektrisch schwimmen oder schweben zu lassen oder den Substrathalter mit Erde zu verbinden. Das Substrat 14 kann beispielsweise ein Substrat zur Herstellung einer magnetischen Hartscheibe sein und kann als Material eine Aluminiumscheibe umfassen. Es ist auch möglich, andere Basismaterialien für die Scheibe zu verwenden, beispielsweise Glas, Kunststoff oder leichtere Basismaterialien zur Herstellung von Hartscheiben, die für kleine Kompaktcomputer, beispielsweise Laptops, verwendet werden. Wenn es gewünscht wird, eine Vorspannung an die Scheibe über den Substrathalter anzulegen, wird eine elektrisch leitfähige Scheibenbasis verwendet.
Die Ionenquelle 20 umfaßt eine Anode 30 und eine Elektronenquelle. Die Elektronenquelle kann ein Filament 32 umfassen, das nahe der Anode 30 angeordnet ist, und eine Stromversorgung 34, die mit dem Filament 32 verbunden ist. Die Ionenquelle 22 umfaßt eine Anode 40 und eine Elektronenquelle, welche ein Filament 42 umfaßt, die nahe der Anode 40 angeordnet ist, und eine Stromversorgung 44, die mit dem Filament 42 verbunden ist. Die Filamentstromquellen 34 und 44 heizen die jeweiligen Filamente 32 und 42 elektrisch auf, um Elektronen innerhalb der jeweiligen Ionenquelle 20 und 22 zu erzeugen. Die Filamente 32 und 42 arbeiten als Kathoden der jeweiligen Ionenquellen. Andere Ionenquellen, beispielsweise Kaltkathoden-Elektronenquellen, können innerhalb des Rahmens der Erfindung verwendet werden. Die Anoden 30 und 40 sind mit einer Stromquelle 50 verbunden, um die jeweiligen Ionenquellen 20 und 22 anzuregen, wie nachfolgend beschrieben.
Eine Gasquelle 54 führt der Bearbeitungskammer 10 Prozeßgas zu. Im einzelnen kann die Gasquelle 54 jeder der Ionenquellen 20 und 22 in Bereichen zwischen den Anoden 30 und 40 und dem Substrat 14 Gas zuführen. Beispiele für geeignete Prozeßgase umfassen Ethylen, Methan und Acetylen für den Niederschlag von diamantartigem Kohlenstoff, Mischungen von Silan und Ammoniak für den Niederschlag von Siliciumnitrid und Argon, Sauerstoff oder Wasserstoff zur Ätzung, jedoch ist die Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt.
Gas wird aus der Kammer 10 durch eine Vakuumpumpe 60 evakuiert, die mit der Kammer in Verbindung steht. Die Gasquelle 54 und die Vakuumpumpe 60 ermöglichen es, die Größe des Gasstromes und den Druck in der Kammer 10 zu steuern, wie es an sich bekannt ist. Das System wird vorzugsweise bei einem Kammerdruck zwischen 0,133 und 0,666 Pa betrieben, es ist jedoch auch möglich, Drücke im Bereich von 0,013 bis 2,66 Pa zu verwenden (bevorzugter Bereich 1,33 × 10^–1 bis 6,66 × 10^–1 Pa; erweiterter Bereich 1,33 × 10^–2 bis 2,66 × 10^–1 Pa).
Im Betrieb ionisieren jede der Ionenquellen 20 und 22 das Prozeßgas zur Bildung von Ionen des Prozeßgases. Die Ionen werden auf das Substrat 14 zu Zwecken des Niederschlags oder der Ätzung gerichtet. Wenn die Ionenquellen 20 und 22 angeregt sind, wird ein Plasma in der Verarbeitungskammer 10 in der Nähe der Anoden 30 und 40 gebildet. Die Filamente 32 und 42 liefern Elektronen zur Ionisierung der Moleküle des Prozeßgases innerhalb des Plasmas. Die Ionen werden dann durch eine Plasmahülle an der Substratoberfläche zum Substrat 14 hin beschleunigt. Das Bearbeitungssystem der 1 ermöglicht, beide Seiten des Substrats 14 gleichzeitig zu bearbeiten.
Es ist auch möglich, dieses Verfahren dadurch auszuführen, daß Plasmen unter Verwendung anderer Geräte und Techniken erzeugt werden. Beispielsweise kann ein geeignetes Gas durch einen Bereich hindurch gelangen, in welchem elektromagnetische Energie zur Beschleunigung von Elektronen verwendet wird, um ein Plasma zu erzeugen, welches dann zu den Anoden des Systems geliefert und dort von diesen vorgespannt wird.
Wie zuvor angedeutet, werden Instabilität und Oszillation beobachtet, wenn beide Ionenquellen 20 und 22 angeregt werden. Der Grund für diese Instabilität und Schwingung kann, wie man glaubt, darin liegen, daß das Plasma innerhalb der Kammer 10 einen Weg niedriger Impedanz für Elektronen darstellt, die durch die Filamente 32 und 42 erzeugt werden. Wenn beide Ionenquellen angeregt sind, stellt das erste sich bildende Plasma einen Weg niedrigen Widerstands für alle Elektronen dar und leitet die Elektronen weg von der anderen Plasmaquelle. Selbst wenn beide Plasmaquellen in der Lage sind zu arbeiten, sind die Plasmaimpedanzen nicht gleich, wodurch der Anteil der Elektronen ungleich wird und Oszillationen entstehen. Während normalen Betriebs der Quellen unter Verwendung von Elektronenquellen mit heißem Filament, wenn eine gegebene Anode vorgespannt wird, wird der gesamte emittierte Elektronenstrom von den Elektronenquellen durch die eine vorgespannte Anode aufgesammelt.
Gemäß eines Aspekts der Erfindung werden die Ionenquellen 20 und 22 in einer synchronisierten Zeitmultiplexart erregt, so daß nur eine der Ionenquellen zu einer gegebenen Zeit erregt ist. Beispielsweise können Zeitmultiplexspannungen an die Anoden 30 und 40 der jeweiligen Ionenquellen 20 und 22 angelegt werden. Ein Beispiel von geeigneten Anregungsspannungen ist in 2 gezeigt, worin die Spannungen der Anoden 30 und 40 als Funktion der Zeit aufgetragen sind. Wie gezeigt, wird eine Anregungsspannung an die Anode 30 zu den Zeiten T1, T3 und T5 angelegt und eine Anregungsspannung an die Anode 40 zu den Zeiten T2 und T4. Die an die Anoden 30 und 40 angelegten Spannungen überlappen sich in der Zeit nicht, so daß nur eine der Ionenquellen zu einer gegebenen Zeit angeregt ist. Die Quellen wechseln mit ihren An- und Auszeiten ab, wodurch die Wechselwirkung der Plasmaelektronen und Ionen zwischen den Quellen vermieden wird. Die Elektronen werden von einer Anode aufgesammelt und dann von der anderen. Dieser synchronisierte oder Zeitmultiplex-Betrieb vermeidet die Notwendigkeit für komplizierte Abschirmung oder Gitter, um das eine Plasma von dem anderen elektrisch zu isolieren.
Die abwechselnden Spannungen an den Anoden 30 und 40 haben vorzugsweise Frequenzen unterhalb von ungefähr 100 kHz. Im allgemeinen sollten die Frequenzen der Anodenspannungen niedrig im Vergleich mit der Reaktionszeit der Ionen in den Ionenquellen 20 und 22 sein. Dies stellt sicher, daß jede Ionenquelle rasch an- und ausschaltet im Vergleich mit der An- und Auszeit der Anodenspannungen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen die Anodenspannungen Frequenzen im Bereich von ungefähr 1 bis 5 kHz auf.
Für eine Bearbeitungskammer mit zwei Ionenquellen ist das Tastverhältnis der Anodenspannungen vorzugsweise 50 oder weniger und vorzugsweise gleich. Es können auch ungleiche Tastverhältnisse verwendet werden, was jedoch zu ungleicher Verarbeitung der beiden Seiten des Substrats 14 führt. Tastverhältnisse unterhalb von 50% können angewendet werden, wie in 3 gezeigt, worin die an den Anoden 30 und 40 anliegenden Spannungen als Funktion der Zeit aufgetragen sind. Eine Erregungsspannung wird an die Anode 30 während der Zeiten T10, T12 und T14 angelegt, und eine Erregungsspannung wird an die Anode 40 während der Zeiten T11 und T13 angelegt. Die Anodenspannungen überlappen sich in der Zeit nicht. Die Anodenspannungen haben Zwangszyklen von ungefähr 40%, so daß beide Ionenquellen 20 und 22 während eines Teils eines jeden Zyklusses der Anodenspannungen ausgeschaltet sind.
Ein Beispiel einer geeigneten Spannungsquelle 50 (1) zur Erzeugung von Zeitmultiplexanodenspannungen ist in 4 gezeigt. Eine Synchronisiereinheit 100, beispielsweise ein steuerbarer Impulsgenerator, weist synchronisierende Augangssignale auf, die mit einer ersten Leistungsquelle 102 und einer zweiten Leistungsquelle 104 verbunden sind. Die Leistungsquelle 102 liefert Spannung an die Anode 30, und die Leistungsquelle 104 liefert Spannung an die Anode 40. Die Ausgangsströme der Leistungsquellen 102 und 104 können mit den in 2 oder 3 dargestellten Wellenformen übereinstimmen. Es versteht sich, daß einige Leistungsquellen, die angewendet werden können, die Fähigkeit in sich tragen, Zeitmultiplexspannungen der Art nach 2 oder 3 abzugeben.
Ein weiteres Beispiel einer geeigneten Leistungsquelle 50 ist in 5 gezeigt. Eine Leistungsquelle 120 gibt auf Leitungen 122 und 124 bipolare Rechteckspannungen ab, die um einen halben Zyklus außer Phase sind. Die Rechteckspannungen auf den Leitungen 122 und 124 werden jeweils an die Anoden 30 bzw. 40 angelegt. Eine Diode 126 ist zwischen der Leitung 122 und Erde gelegt, und eine Diode 128 liegt zwischen der Leitung 124 und Erde. Die Dioden 126 und 128 klemmen den negativen Halbzyklus der Rechteckspannung, so daß die positiven Spannungen an den Anoden 30 und 40 angelegt werden.
Das Substrat kann vorgespannt werden, wie in 1 durch die Gleichspannungsquelle 8 dargestellt, die zu Darstellungszwecken als einstellbar gezeigt ist, um das Substrat dazu zu bringen, Ionenstrom aufzusammeln, oder es kann eine selbstmodulierte Vorspannung angelegt werden. In einem solchen Fall schaltet der Transistor 9 ein, wenn das Substrat 14 versucht, die Spannung der Gleichspannungsquelle zu übersteigen, die bei 8 festgesetzt wird. Im Falle eines isolierenden Substrats (oder wenn das Substrat nicht mit einer Spannungsquelle verbunden ist) werden Ionen auf eine Energie beschleunigt, die durch die Differenz zwischen dem Plasmapotential und dem Schwebepotential am Substrat bestimmt wird. Das Schwebepotential wird als ein Potential definiert, bei welchem der Elektronenstrom gleich dem Ionenstrom ist, d. h. ein Nettostrom = 0 gegeben ist. Die Differenz zwischen dem Plasmapotential und dem Schwebepotential und deshalb die Energie der Ionen kann dadurch eingestellt werden, daß die Quelle der energetischen Elektronen relativ zur Plasmadichte eingestellt wird. Im allgemeinen führen niedrigere Gasdrücke bei größerer Leistung, die zu den Elektronen geht (über emittierten Strom von einer Kathode oder Hochfrequenzheizung) zu größeren Ionenenergien.
Steuerung der Spannung im relativen Sinn ermöglicht die Steuerung der physikalischen Eigenschaften der niedergeschlagenen Schichten. Beispielsweise haben die Härte, die Spannung und die Zusammensetzung von diamantartigen Schichten, die aus Ethylen niedergeschlagen worden sind, eine starke Abhängigkeit von der Ionenenergie (Spannung).
Es versteht sich, daß eine Vielzahl von verschiedenen Konfigurationen von Leistungsquellen, wie sie als Quellen 8 oder 50 dargestellt sind, innerhalb des Rahmens der Erfindung Verwendung finden können. Zahlreiche Konfigurationen von Leistungsquellen sind dem Fachmann bekannt. Im allgemeinen ist die Leistungsquelle 50 so konfiguriert, daß nur eine der Ionenquellen 20 oder 22 zu einer gegebenen Zeit erregt wird.
Ein Verarbeitungssystem mit zwei Ionenquellen ist bisher diskutiert worden. Der Zeitmultiplexbetrieb von Ionenquellen, wie zuvor beschrieben, kann bei Bearbeitungssystemen angewendet werden, die zwei oder mehrere Ionenquellen aufweisen. In jedem Fall werden die Ionenquellen so erregt, daß nur eine Ionenquellen zu einer gegebenen Zeit erregt ist. Beispielsweise kann ein Bearbeitungssystem mit vier Ionenquellen mit nicht überlappenden Anodenspannungen bei einem Tastverhältnis von 25 % oder weniger erregt werden. Geeignete Anodenspannungen zur Erregung von vier Ionenquellen sind in 6 dargestellt. Die Anode 1 ist während der Zeit T20 erregt; Anode 2 ist während der Zeit T21 erregt; Anode 3 ist während der Zeit T22 erregt; Anode 4 ist während der Zeit T23 erregt; und Anode 1 wird wieder während der Zeit T24 erregt. Die Anodenspannungen, die an zwei oder mehrere Ionenquellen angelegt werden, hängen von der Anzahl der Ionenquellen, dem gewünschten Tastverhältnis, der gewünschten Betriebsfrequenz und der Art der Struktur oder der zu behandelnden Oberflächen ab. In jedem Fall wird die Wechselwirkung zwischen Ionenquellen eliminiert.
Die an die Anoden angelegte Spannung kann von einem niedrigen Wert, der von dem Minimum bestimmt wird, das zum Erhalt signifikanter Ionisierung des Arbeitsgases (ungefähr 80 V) benötigt wird, bis zu einem Maximum variiert werden, das von dem Einsetzen der Funkenbildung an den geerdeten Wandungen (typischerweise > 200 V) abhängt. Die Anzahl der Partikel auf der Oberfläche des Substrats nimmt tendenziell mit der Anodenspannung zu, so daß die optimale Anodenspannung generell die niedrigste Spannung ist, bei der die erforderliche Niederschlagrate, Schichteigenschaften und zuverlässiges Einsetzen der Entladung erhalten werden können.
Vorspannen des Substrats sorgt für Steuerung der Energie, mit der die Ionen auf der Substratoberfläche auftreffen. Wenn beispielsweise die Anodenspannung V_a = 100 V und die Substratspannung V_s= 50 V betragen, werden die Ionen auf eine Energie von V_a – V_s = 50 eV beschleunigt. Die Steuerung dieser relativen Spannung ermöglicht die Steuerung der Härte und der mechanischen Spannung der niedergeschlagenen Schicht. Dies ist insbesondere der Fall, wenn Schichten mit diamantartigem Kohlenstoff (DLC) gleichzeitig auf beiden Seiten des Substrats niedergeschlagen werden. Ferner ist festgestellt worden, daß für V_a – V_s > 120 V sehr harte (> 25 GPa) Schichten mit hoher mechanischer Spannung (ungefähr 4 GPa) erzeugt werden, während für V_a – V_s von ungefähr 40 V die Schichten wesentlich weniger hart (ungefähr 9 GPa) mit weniger Spannung sind (< 0,5 GPa).
Auch wenn der Wirkungsmechanismus der vorliegenden Erfindung nicht völlig verstanden wird, glaubt man zur Zeit, daß ein Plasma geformt wird, das mit Bezug auf die geerdeten Wandungen positiv gespannt ist, und daß Ionen durch eine Hülle an der Zwischenfläche zwischen dem Plasma und dem vorgespannten Substrat beschleunigt werden, und zwar in dem Falle, daß das Substrat vorgespannt ist. Indem ein Plasma anstelle beispielsweise eines Ionenstrahls verwendet wird, werden viel höhere Niederschlagsraten als sonstwie möglich erzielt. In diesem Zusammenhang ist der Niederschlag von Schichten oder Schutzüberzügen gemäß Erfindung bei Abscheidungsschichtdicken erzielt worden, die gleich oder über 1,2 nm/s liegen.
Ein Vorteil der Lösung mit vorgespanntem Plasma über der mit Gitterionenquelle – einer Quelle, die ein- und ausgeschaltet werden kann – besteht darin, daß es generell schwierig ist, hohe Niederschlagsraten bei niedrigen Ionenenergien zu erhalten, weil die Raumladung ein beschränkender Faktor bei Beschleunigungsgittern darstellt. Ferner stellt die Natur der Plasmahülle sicher, daß die Ionenbeschleunigung senkrecht auf der Oberfläche des Substrats über den gesamten Oberflächenbereich stattfindet, während Ionenstrahlen eine gewisse Divergenz vom senkrechten Einfall weg von der Achse des Substrats aufweisen.
Während vorstehend die bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt und beschrieben worden sind, versteht es sich für den Fachmann, daß zahlreiche Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie dieser durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.

Claims

Substratbearbeitungssystem mit folgenden Merkmalen: eine Bearbeitungskammer (10); ein Substrathalter (12), der in der Bearbeitungskammer (10) gelegen ist; eine Gasquelle (54), die an die Bearbeitungskammer (10) zur Zufuhr von Prozeßgas in die Bearbeitungskammer angeschlossen ist; mindestens ein erster Plasmagenerator (20) in der Bearbeitungskammer, der an eine Leistungsquelle (50) zur Ionisierung des Prozeßgases zur Erzeugung von Ionen zur Bearbeitung eines auf dem Substrathalter angeordneten Substrats (14) angeschlossen ist; mindestens ein zweiter Plasmagenerator (22) in der Bearbeitungskammer, der mit einer Leistungsquelle (50) zur Ionisierung des Prozeßgases zur Erzeugung von Ionen zur Bearbeitung eines auf dem Substrathalter angeordneten Substrats (14) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Plasmagenerator (20) auf einer ersten Seite des Substrats (14) und der zweite Plasmagenerator (22) auf einer zweiten, entgegengesetzten Seite des auf dem Substrathalter angeordneten Substrats (14) angeordnet sind; und dass die Leistungsquellen (50) zur Anregung der Plasmageneratoren (20, 22) in Zeitmultiplexart ausgebildet sind, so daß nur einer der Generatoren zu einer gegebenen Zeit erregt wird.
Substratbearbeitungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Plasmagenerator (20) eine Ionenquelle (20) darstellt und eine erste Anode (30) und eine erste Elektronenquelle (32) aufweist; dass der zweite Plasmagenerator (22) eine Ionenquelle (22) darstellt und eine zweite Anode (40) und eine zweite Elektronenquelle (42) aufweist; und daß die Leistungsquelle (50) eine Einrichtung zur Anlage einer gepulsten periodischen Spannung zu der jeweiligen ersten und zweiten Anode (30, 40) bei einer Frequenz < 100 kHz aufweist.
Substratbearbeitungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsquelle (50) auf einen Frequenzbereich der gepulsten periodischen Spannung von 1 bis 5 kHz einstellbar ist.
Substratverarbeitungssystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsquelle (50) eine Einrichtung zur Anlage einer gepulsten periodischen Spannung an die jeweilige erste und zweite Anode (30, 40) aufweist und auf eine Frequenz einstellbar ist, deren Periodendauer geringer ist als die Reaktionszeit eines Plasmas in der Bearbeitungskammer (10).
Substratbearbeitungssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsquelle (50) eine Einrichtung zur Anlage einer gepulsten periodischen Spannung an die jeweilige erste und zweite Anode (30, 40) umfasst, wobei die Leistungsquelle auf ein Tastverhältnis gleich oder kleiner 50% einstellbar ist.
Substratbearbeitungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsquelle (50) dafür ausgebildet ist, sowohl die erste als auch die zweite Ionenquelle (20, 22) während eines Teils jedes Zyklus der gepulsten periodischen Spannungen abzuschalten.
Substratbearbeitungssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsquelle (50) eine Einrichtung (120) zur Erzeugung einer bipolaren Spannung von Rechteckwellenformen, eine Einrichtung (122, 126) zur Anlage eines ersten Halbzyklus der bipolaren Rechteckspannung an die erste Anode (30) und eine Einrichtung (124, 128) zur Anlage eines zweiten Halbzyklus der bipolaren Rechteckspannung an die zweite Anode (46) aufweist.
Substratbearbeitungssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsquelle (50) erste und zweite Stromquellen (102, 104) zur Anregung der ersten oder der zweiten Anode (30, 40) und eine Synchronisiereinrichtung (100) der ersten und zweiten Stromquellen (102, 104) aufweist, so daß die erste und zweite Anode (30, 40) zu unterschiedlichen Zeiten erregt werden.
Substratbearbeitungssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Elektronenquelle (32, 34) jeweils ein Filament zur Erzeugung von Elektronen und je eine Filamentstromquelle (34, 44) umfassen, die mit den Filamenten zu deren Heizung verbunden sind.
Substratbearbeitungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Quelle (8, 9) mit dem Substrathalter (12) verbunden ist, um an das auf dem Substrathalter angeordnete Substrat (14) zur Bearbeitung eine Vorspannung anzulegen.
Substratbearbeitungssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehrere Ionenquellen, denen jeweils eine gesonderte Gasquelle zugeordnet ist, auf der gleichen Seite des Substrats angeordnet sind, um Vielschichtniederschläge zu erzielen, wobei sich die Anodenspannungen der einzelnen Ionenquellen nicht überlappen.
Verfahren zur Bearbeitung eines Substrats in einem Substratbearbeitungssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 mit folgenden Schritten: das Substrat (14) wird in der Bearbeitungskammer (10) positioniert; Prozessgas wird der Bearbeitungskammer (10) zugeführt; das Prozessgas wird mit dem mindestens einen ersten Plasmagenerator (20) als einer ersten Ionenquelle ionisiert, die in der Bearbeitungskammer angeordnet ist, um Ionen aus dem Prozeßgas zur Bearbeitung einer ersten Seite des Substrats zu erzeugen; das Prozeßgas wird mit dem mindestens einen zweiten Plasmagenerator (22) als einer zweiten Ionenquelle ionisiert, die in der Bearbeitungskammer (10) angeordnet ist, um Ionen des Prozeßgases zur Bearbeitung einer zweiten Seite des Substrats zu erzeugen; die Ionenquellen (20, 22) werden abwechselnd erregt, so daß nur eine dieser beiden Ionenquellen zu einer gewissen Zeit wirksam ist.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als zwei Ionenquellen in einer Verarbeitungskammer, in Zeitmultiplexart so angeregt werden, daß jeweils nur eine Ionenquelle zu einer gegebenen Zeit angeregt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, in welchem das Prozeßgas sich gegenüberstehenden Seiten des Substrats (14) auf dem Substrathalter (14) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, worin an das Substrat (14) in der Bearbeitungskammer (10) während der Bearbeitung eine elektrische Vorspannung angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, worin eine selbstmodulierte Vorspannung dem Substrat (14) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen des Prozessgases auf dem Substrat (14) niedergeschlagen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen des Prozessgases zur Ätzung des Substrats erzeugt werden.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 12 bis 18 zur Bearbeitung eines elektrisch isolierenden Substrats.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 12 bis 18 zur Bearbeitung eines Substrats mit einem geeigneten Basismaterial zur Herstellung von Hartscheiben.