DE69938491T2

DE69938491T2 - Plasmaerzeuger mit substratelektrode und verfahren zur behandlung von stoffen/ materialen

Info

Publication number: DE69938491T2
Application number: DE69938491T
Authority: DE
Inventors: Kazuo Mitaka-shi TERASHIMA; Shunichi Suwa-shi Seki; Tatsuya Suwa-shi Shimoda; Takeshi Toshima-ku IZAKI
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1998-09-24
Filing date: 1999-09-24
Publication date: 2009-07-09
Anticipated expiration: 2019-09-25
Also published as: DE69938491D1; CN1219419C; TW588918U; KR20010032389A; JP4180706B2; EP1035757B1; JP2000164395A; KR100701489B1; CN1286892A; US6538387B1; EP1035757A1; EP1035757A4; WO2000018198A1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Plasmaerzeugungsgerät mit Substratelektrode und die Verwendung desselben zur Durchführung von Materialbearbeitungen, wie Dünnfilmbildungen, Oberflächenbearbeitung von Substraten oder Stoffen, und chemischen Reaktionen.
Stand der Technik
Materialbearbeitungstechniken, die Plasmaerzeugungsgeräte verwenden, werden weitgehend in der fortgeschrittenen Materialherstellung angewendet, wie gegenwärtig durch elektronische Vorrichtungen und ULSI gezeigt wird. Die Probleme bei diesen Vorrichtungen umfassen jedoch hohe Kosten, große Größe, hohen Energieverbrauch, schwierige Prozesse und Ineffizienz in der Schaffung neuer Stoffe und Materialien. Insbesondere gibt es keine Mittel zur Erzeugung von Plasma in beliebig kleinen Regionen und für Bearbeitungen unter Verwendung von Plasma.
U.S. Patent 4,504,955 , erteilt am 12. März 1985, offenbart eine Bogenentladevorrichtung, die eine Glasröhre und eine Pyrex-Gaszelle umfasst, die gemeinsam die orthogonalen Schenkel einer kreuzförmigen Vorrichtung bilden. In der Mitte dieser Vorrichtung ist ein elektrisch isolierendes Substrat angeordnet, auf dem mehrere Streifenelektroden mit einem kleinen Spalt zwischen jedem Paar benachbarter Streifen angeordnet sind. In einer bekannten Anordnung sind eine Hochspannungs- und Niederspannungsenergieversorgung umschaltbar zwischen dem ersten und letzten Streifen angeschlossen. Ein Gas wird in die Vorrichtung so eingeleitet, dass es in eine Richtung normal zu dem elektrisch isolierenden Substrat fließt. Die Verwendung der Hochspannungsversorgung durchschlägt die Spalten, die in Serie zueinander sind, und erzeugt ein Plasma. Danach übernimmt die Niederspannungsversorgung, so dass ein kontinuierlicher oder ein gepulster Betrieb in Verbindung mit dem Gasstrom möglich ist. Eine andere Anordnung ist beschrieben, wobei eine Dünnfilmschicht zwischen den Elektrodenpaaren bereitgestellt ist, die die Spalten bedeckt. Zur Bereitstellung der Dünnfilmschicht wird ein Impuls kurzer Dauer von der Hochspannungsversorgung an die Elektroden angelegt, um Material von diesen zu verdampfen, und dieses Material legt sich dann als Dünnfilm auf die Spalten. Danach entsteht ein Plasma und der Betrieb wird nur mit Hilfe der Niederspannungsversorgung aufrechterhalten.
Eine Segmented Plasma Excitation and Recombination (SPER) Vorrichtung ist in US 4,411,733 offenbart, erteilt am 25. Oktober 1983. Eine Hochspannungsversorgung wird zum Vorionisieren des Spaltes zwischen einem Elektrodenpaar, das auf einem Substrat angeordnet ist, in einer Kammer verwendet, wonach eine Niederspannungsversorgung zur Aufrechterhaltung des Betriebs in Verbindung mit dem Gasstrom in eine Richtung normal zu dem Substrat verwendet wird. Das Gas strömt durch eine Öffnung in dem Substrat unter dem Spalt. Das derart gebildete Plasma in dem Spalt wird zu einem Werkstück angezogen, das sich an einem entfernten Teil der Kammer befindet. Zur Erleichterung dieser Anziehung legt eine dritte Spannungsversorgung eine Spannung zwischen dem Werkstück und einer der Elektroden an.
In JP 9213684 , veröffentlicht am 15. August 1997, ist eine Vorrichtung zur Durchführung einer Ätzung beschrieben, in der ein Behälter ein Substrat enthält, auf dem eine Reihe von Elektroden bereitgestellt ist. In dem Behälter ist auch eine Elektrode enthalten, auf der eine Probe angeordnet ist, die zu ätzen ist. In Gebrauch wird eine Vorspannungsenergieversorgung an die Ätzelektrode angelegt, während eine zweite Energieversorgung an abwechselnde Elektroden auf dem Substrat angelegt wird, und ein Gas wird in den Behälter über eine Reihe von Öffnungen eingeleitet. Dies erzeugt ein Plasma, das auf die Probe prallt, wodurch etwas von der Probe weg geätzt wird.
Offenbarung der Erfindung
Angesichts solcher Umstände ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Plasmaerzeugungsgerät bereitzustellen, das kostengünstig und von geringer Größe ist, einen geringen Energieverbrauch hat, eine einfache Bearbeitung ermöglicht und die Schaffung und Entwicklung neuer Stoffe und Materialien sehr effizient macht.
Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren zur Bearbeitung von Stoffen und Materialien unter Verwendung des Plasmaerzeugungsgeräts bereitzustellen, einschließlich der Dünnfilmbildung, Oberflächenbearbeitung und chemischer Reaktionen in mehreren beliebig kleinen Regionen eines Substrats.
Zur Lösung dieser Aufgaben umfasst ein Plasmaerzeugungsgerät mit Substratelektrode gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung die Merkmale, die in Anspruch 1 dargelegt sind.
In einem zweiten Aspekt der Erfindung ist die Verwendung der Erfindung zur Bildung von Dünnfilmen, zur Durchführung der Oberflächenbearbeitung oder zur Ausführung chemischer Reaktionen in Ansprüchen 7, 8, 10, 11 und 12 definiert.
Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angeführt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Diagramm, das den gesamten Aufbau eines Plasmaerzeugungsgeräts mit Substratelektrode zeigt, das Teil einer Ausführungsform der Erfindung bildet;
2 ist eine Ansicht von oben eines Paares von Substratelektroden unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops;
3 ist eine Ansicht einer Substratelektrode unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops; (A) ist eine Ansicht von oben der Substratelektrodenanordnung; und (B) ist eine Seitenansicht der Umgebung der Plasmaerzeugungsfläche;
4 ist ein Diagramm, das die Situation der Plasmaerzeugung mit den Substratelektroden zeigt, die in 2 dargestellt sind; (A) ist eine Darstellung vor der Plasmaerzeugung; (B) ist eine Darstellung während der Plasmaerzeugung;
5 zeigt das Verfahren zur Bildung verschiedener Dünnfilme an beliebigen Stellen auf demselben oder einem anderen Substrat unter Verwendung eines Plasmaerzeugungsgeräts mit Substratelektrode gemäß der Erfindung;
6 zeigt eine Substratoberflächenbearbeitungsmethode unter Verwendung eines Plasmaerzeugungsgeräts mit Substratelektrode gemäß der Erfindung;
7 zeigt einen Prozess zur Bildung mikrooptischer Dünnfilme mit einer Kombination aus einem Plasmaerzeugungsgerät mit Substratelektrode gemäß der Erfindung und einem Tintenstrahldruckgerät; und
8 zeigt ein Siliziumätzen unter Verwendung eines Plasmaerzeugungsgeräts mit Substratelektrode gemäß der Erfindung.
Beste Ausführungsform der Erfindung
Die bevorzugten Ausführungsformen sind in der Folge unter Verwendung der Zeichnungen erklärt.
1 zeigt eine Gesamtansicht eines Plasmaerzeugungsgeräts mit Substratelektrode, das Teil einer Ausführungsform der Erfindung ist. Wolfram wird auf ein Siliziumsubstrat 5 mit einer oxidierten Oberfläche gesputtert und abgeschieden, und Dünnfilmelektrodenpaare 1 bis 4 mit kleinem Spalt werden durch Trockenätzen gebildet. Hier ist ein Plasma-Array-Gerät mit vier Paaren von Plasma erzeugenden Elektroden in einer Anordnung von Zwei mal Zwei dargestellt, es ist aber eine Anordnung mit einer beliebigen Anzahl an einer beliebigen Stelle entsprechend der gewünschten Plasmabearbeitung annehmbar. Jede der Elektroden ist in einer Matrixform verdrahtet, so dass Plasma zwischen jedem beliebigen Paar von Elektroden erzeugt werden kann. Ebenso kann die Plasmaerzeugung durch Anlegen einer Spannung zwischen jedem beliebigen Paar von Elektroden durch aktive Elemente, wie Transistoren, gesteuert werden.

2 ist eine Mikrografie eines Paares von Substratelektroden, die mit einem Rasterelektronenmikroskop aufgenommen wurde. Wolframelektroden 7 und 8 werden mit einem 5 μm Spalt 9 zwischen den Elektroden gebildet. Die Größe der Substratelektroden kann in der Größenordnung von μm bis cm sein. Tabelle 1

Druck (kPa) ((atm))	50,6 (0,5)	101,3 (1,0)	152,0 (1,5)	202,6 (2,0)	253,2 (2,5)	304,0 (3,0)	354,6 (3,5)	405,2 (4,0)	455,8 (4,5)	506,5 (5,0)
Durchschlag-Spannung (V)	330	340	310	280	270	280	280	290	300	320

Tabelle 1 zeigt das Verhältnis zwischen Druck und Durchschlagspannung in einer Argonatmosphäre.
Ebenso wurde die Plasmaerzeugung in Luft oder Wasserstoff bei 101,325 kPa (1 atm) bei einer angelegten Spannung von 400 V sowohl mit Wolfram- wie auch Platinelektroden beobachtet, die Spalten von 5 μm bis 10 μm dazwischen aufwiesen.
3(A) zeigt eine Mikrografie von oben der Substratelektrodenanordnung. 3(B) zeigt eine Mikrografie der Umgebung Nähe der Plasmaerzeugungsfläche 9, von der Seite betrachtet.
4 ist ein Diagramm, das die Situation der Plasmaerzeugung mit den Substratelektroden zeigt; (A) ist eine Darstellung vor der Plasmaerzeugung; (B) ist eine Darstellung während der Plasmaerzeugung.
Bisher gab es keine Beispiele für ein Plasma, das in Mikroregionen unter Verwendung von Elektroden auf einem Substrat erzeugt wurde; dies wurde erst mit der vorliegenden Erfindung möglich. Das Plasmaerzeugungsgerät mit Substratelektrode ermöglicht eine mikrofeine Plasmaerzeugung an mehreren beliebigen Stellen auf einer einzigen Substratoberfläche.
5 ist ein Diagramm, das den Prozess zur Bildung verschiedener Dünnfilme an beliebigen Stellen auf demselben oder getrennten Substraten unter Verwendung eines Plasmaerzeugungsgeräts mit Substratelektrode gemäß der Erfindung zeigt. Wie in 5(a) dargestellt ist, ist das Siliziumsubstrat 12 gegenüber dem Plasmaerzeugungsgerät mit Substratelektrode 10 angeordnet; ein SiO₂-Dünnfilm (13) kann an jeder gewünschten Position durch Erzeugung von Plasma an dieser Position gebildet werden, während Triethoxysilan(TEOS)-Gas in eine Luft- oder Sauerstoffgasatmosphäre geleitet wird. In 5(b) wird ein Aluminiumdünnfilm 15 gebildet, wenn Plasma an einem anderen Elektrodenpaar erzeugt wird, während Trimethoxyaluminium (TMA) in Vakuum eingeleitet wird. Anschließend zeigt 5(c) die Bildung eines Siliziumdünnfilms 16 an einer separaten Stelle, während Monosilan (SiH₄) in Vakuum eingeleitet wird. Auf diese Weise wird es möglich, unter Variieren des Reaktionsgases das Plasmaerzeugungsgerät mit Substratelektrode zur Bildung und Musterung von Dünnfilmen zu verwenden, die beliebige Materialien an beliebigen Stellen umfassen. Ferner wird es möglich, verschiedene Elemente, wie TFTs, an beliebigen Positionen zu bilden, indem Vorrichtungen zur Laser-Abrasion und Ionendotierung eingeführt werden.
5(d) zeigt die Bildung eines SiO₂-Isolierfilms auf demselben Substrat wie das Plasmaerzeugungsgerät mit Substratelektrode mit der Einleitung von Triethoxysilan (TEOS). Die Kontrolle der Art des Reaktionsgases und der Plasmaerzeugungsregion ermöglicht die Bildung von Dünnfilmen, Halbleiterfilmen und so weiter auf demselben Substrat an jeder Stelle.
Ebenso ist es möglich, Acryl auf dem Substrat durch Plasmapolymerisation durch Erzeugen von Plasma zu bilden, während ein Reaktionsmaterial, das nicht Gas, sondern vielmehr eine Flüssigkeit, wie Acrylmonomer, ist, eingeleitet wird. Mikrooptische Elemente mit unterschiedlichen Brechungsindizes können auch auf demselben Substrat durch Kontrolle der Art von Monomer und der Plasmabedingungen gebildet werden.
6 zeigt den Prozess zur Oberflächenbearbeitung eines Substrates unter Verwendung eines Plasmaerzeugungsgeräts mit Substratelektrode gemäß der Erfindung. Ein Substrat, das einen Polyimidfilm 18 umfasst, der auf einem Glassubstrat 19 gebildet ist, wird einer Plasmabearbeitung in einer Sauerstoffatmosphäre unterzogen. Dies kann in Luft erfolgen oder während Sauerstoffgas eingeleitet wird. Wie in 6(b) dargestellt ist, können beliebige Stellen auf der Oberfläche hydrophil gemacht werden. Diese Sauerstoffplasmabearbeitung hat auch Aschungseffekte auf dem Polyimidrest. Anschließend kann eine hydrophobe Oberfläche durch Verlagern des Substrates oder des Plasmaerzeugungsgeräts mit Substratelektrode und Durchführen einer Plasmabearbeitung für die unbearbeitete Polyimidoberfläche gebildet werden, während CF₄-Gas eingeleitet wird. Das Reaktionsgas kann auch ein anderes Fluorgas sein, wie SiF₄. Daher wird es möglich, jede Stelle der Oberfläche auf demselben Substrat umzuformen, so dass sie hydrophile oder hydrophobe Eigenschaften hat, wie in 6(d) dargestellt ist.
7 zeigt einen Prozess zur Bildung mikrooptischer Dünnfilme mit einer Kombination aus dem Plasmaerzeugungsgerät mit Substratelektrode gemäß der Erfindung und einem Tintenstrahldruckgerät. Von einem Tintenstrahldruckgerät 26 mit Tintenstrahlköpfen 27, 28, 29, 30 wird SiO₂-Vorläufertinte 31 von Tintenstrahlköpfen 27, 28 und 29 auf eine gewünschte Glasoberfläche auf einem Glassubstrat 25 mit Trennwänden 24, die aus Polyimid gebildet sind, gesprüht und in einem Muster aufgetragen. Zum Beispiel ist Flüssigkeit, die Polysilazan enthält, als SiO₂-Vorläufertinte bevorzugt. Plasma 37 wird mit Substratelektrodenpaaren 33 und 34 erzeugt und ein SiO₂-Dünnfilm 38 wird unter Verwendung des Plasmaerzeugungsgeräts mit Substratelektrode 32 gebildet, der Substratelektrodenpaare 33, 34, 35 und 36 umfasst. Ferner, wie in 7(c) dargestellt ist, wird TiO₂-Vorläufertinte 39 von Tintenstrahlköpfen 28, 29 und 30 versprüht. Eine Flüssigkeit, die ein Metallalkoxid, wie Titan-tetraisopropoxid, enthält, wird als TiO₂-Vorläufertinte verwendet. Schließlich wird ein Plasma 41 mit Substratelektrodenpaaren 34, 35 und 36 erzeugt, und ein TiO₂-Film 42 und (Si, Ti)O₂ gemischter Film 43 werden gebildet. Folglich ermöglicht und vereinfacht eine Kombination des Plasmaerzeugungsgeräts mit Substratelektrode und des Tintenstrahldruckgeräts, wie in 7(d) dargestellt, die Bildung von vier Arten von Dünnfilmen, eines TiO₂, SiO₂, SiO₂/TiO₂ geschichteten Films und eines (Si, Ti)O₂ gemischten Films, auf einem einzigen Substrat. Optische Dünnfilme mit unterschiedlichen Brechungsindizes können auf demselben Substrat durch die Bildung von Dünnfilmen, die Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes umfassen, gebildet werden, wie TiO₂, SiO₂ und (Si, Ti)O₂. Die Bildung eines DBR-Spiegels wird auch durch Schichten von Dünnfilmen mit unterschiedlichen Brechungsindizes möglich.
8 zeigt ein örtliches Ätzen eines Siliziumsubstrates unter Verwendung des Plasmaerzeugungsgeräts mit Substratelektrode gemäß der Erfindung. Das Ätzen von Silizium an einer beliebigen Position ist möglich. Fluorgas, wie CE₄, ist als atmosphärisches Gas effektiv.
Industrielle Anwendbarkeit
Wie zuvor besprochen, ist das Plasmaerzeugungsgerät mit Substratelektrode gemäß der vorliegenden Erfindung kleiner, kostengünstiger und verbraucht weniger Energie als ein herkömmliches Plasmagerät und ermöglicht ferner einfache und äußerst effiziente Stoff- und Materialbearbeitungsmethoden, wie die Bildung funktioneller Dünnfilme an mehreren winzigen Regionen überall auf einem Substrat, eine Oberflächenbearbeitung und chemische Reaktionen. Die Kombination des Plasmaerzeugungsgeräts mit einem Tintenstrahlgerät ermöglicht eine einfache Bildung eines funktionellen Dünnfilms und eine Stoff- und Materialbearbeitung für einen weiten Bereich der oben genannten funktionellen Dünnfilme und Stoffe und Materialien.

Claims

Plasmaerzeugungsgerät mit Substratelektrode, umfassend: ein erstes Substrat (5; 10), auf dem ein Elektrodenpaar (1; 2; 3; 4) angeordnet ist, mit ersten und zweiten Elektroden (1a, 1b; 2a, 2b; 3a, 3b; 4a, 4b), die mit einem dazwischen liegenden Spalt (9) nebeneinander angeordnet sind; ein Plasmaerzeugungsmittel, das eine Energieversorgung enthält, die an die ersten und zweiten Elektroden angeschlossen ist, um ein Plasma zwischen den ersten und zweiten Elektroden zu erzeugen, und ein zweites Substrat (12), das gegenüber dem ersten Substrat angeordnet und dem Elektrodenpaar zugewandt ist; dadurch gekennzeichnet, dass: der Elektrodenspalt (9) 5 μm bis 10 μm breit ist.
Gerät nach Anspruch 1, wobei das Plasma Gleichstromplasma, Wechselstromplasma oder Hochfrequenzplasma ist.
Gerät nach Anspruch 1, wobei das Plasmaerzeugungsmittel zum Erzeugen des Plasmas in einer beliebigen Atmosphäre angeordnet ist.
Gerät nach Anspruch 3, wobei die beliebige Atmosphäre ein Vakuum, ein Gas oder eine Flüssigkeit ist.
Gerät nach Anspruch 1, wobei das Elektrodenpaar Dünnfilme umfasst, die auf einem Substrat gebildet sind.
Gerät nach Anspruch 1, wobei mehrere Elektrodenpaare (1 bis 4) auf dem ersten Substrat gebildet sind und das Gerät so konfiguriert ist, dass jedes der Elektrodenpaare unabhängig gesteuert wird.
Verwendung des Plasmaerzeugungsgeräts mit Substratelektrode, wie in einem der Ansprüche 1 bis 6 definiert, zur Bildung von Dünnfilmen (38), die beliebige Materialien umfassen, an beliebigen Positionen auf dem zweiten Substrat (12) oder auf einem separaten Material.
Verwendung des Plasmaerzeugungsgeräts mit Substratelektrode, wie in einem der Ansprüche 1 bis 6 definiert, zur Bildung von Dünnfilmen (38), die beliebige Materialien umfassen, an beliebigen Positionen auf dem ersten Substrat (10).
Verwendung des Plasmaerzeugungsgeräts mit Substratelektrode nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, wobei das Quellenmaterial der Dünnfilme ein Gas oder eine Flüssigkeit ist.
Verwendung des Plasmaerzeugungsgeräts mit Substratelektrode, wie in einem der Ansprüche 1 bis 6 definiert, zur Durchführung mindestens einer Art von Oberflächenbearbeitung, ausgewählt aus: Aschen, Ätzen, Waschen und Umformen einer Oberfläche des zweiten Substrats (19; 46).
Verwendung des Plasmaerzeugungsgeräts mit Substratelektrode, wie in einem der Ansprüche 1 bis 6 definiert, zur Ausführung chemischer Reaktionen unter Verwendung eines beliebigen Materials an beliebigen Positionen auf dem zweiten Substrat (19).
Verwendung des Plasmaerzeugungsgeräts mit Substratelektrode, wie in einem der Ansprüche 1 bis 6 definiert, zur Ausführung chemischer Reaktionen unter Verwendung eines beliebigen Materials an beliebigen Positionen auf dem ersten Substrat.
Verwendung des Plasmaerzeugungsgeräts mit Substratelektrode nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei zur Bildung der Dünnfilme ein beliebiges flüssiges Material mit Hilfe einer Tintenstrahlmethode zugeführt wird.
Verwendung des Plasmaerzeugungsgeräts mit Substratelektrode nach Anspruch 13, wobei mehrere Düsen zum Zuleiten einer oder mehrerer Arten von flüssigem Material in dem Tintenstrahlverfahren verwendet werden.