DE19532435C2 - Vorrichtung und Verfahren zum Erzeugen eines Plasmas - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfah­ ren zum Erzeugen eines Plasmas für die Behandlung von Substraten in einer Vakuumkammer durch hochfrequente elek­ tromagnetische Wellen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 9.

Derartige Vorrichtungen können zur Plasmabehandlung oder zur Abscheidung von Schichten, z. B. Plasmapolymerschich­ ten, Hartstoffschichten u. s. w. verwendet werden.

Bei der Plasmapolymerisation können zur Anregung des Plas­ mas sowohl Mikrowellen wie auch Radiofrequenzstrahlungen im unteren Megahertzbereich eingesetzt werden. Für indu­ strielle Anwendungen haben sich aber aufgrund der wesent­ lich höheren und dadurch industrierelevanten Abscheiderate Mikrowellenanregungen durchgesetzt. Mikrowellen haben jedoch den Nachteil, daß ihre Wellenlänge in der Größen­ ordnung der Abmessungen der zu beschichtenden Werkstücke liegt (bei 2,45 GHz beträgt die Wellenlänge ca. 12 cm). Dadurch ist ein großflächiges, homogenes Plasma - und damit eng verbunden auch eine homogene Schicht im Hinblick auf Schichtdicke und Schichtchemie - nur schwer zu errei­ chen. Verschiedene Entwicklungsarbeiten haben sich daher mit der Plasmahomogenisierung beschäftigt:

• - Es wurde bereits versucht, durch Kombination von Mikro­ wellen mit Hochfrequenzanregungen eine Verbesserung zu erreichen. Hiermit wurde aber bisher lediglich ein Reaktor für Substrate bis 15 cm Durchmesser realisiert.
• - Ein weiterer Ansatz, das Mikrowellenplasma durch den Einsatz weiterer elektrischer Öder magnetischer Felder zu stabilisieren und zu homogenisieren ist die Nutzung der Elektron/Cyclotron-Resonanz (DE-41 36 297 A1). Die­ ser Effekt kann allerdings nur bei sehr niedrigem Druck verwendet werden. Bei diesem geringen Druckbereich sind jedoch die Aufwendungen für große Pumpen und die Pro­ zeßsicherheit durch mögliche Vakuumlecks problematisch.
• - Eine andere Möglichkeit, homogene Plasmen zu erzeugen, ist die Aneinanderreihung kleiner Plasmaquellen oder die Aufweitung des Mikrowellenfeldes mittels Hornstrah­ ler. Jedoch sind bisher bei diesem Verfahren noch keine anwendungsreifen, großflächige Beschichtungen erreicht worden.
• - Möglich ist auch die Auskopplung von Mikrowellenstrah­ lung aus einem Hohlleiter mittels der sogenannten "Slow-wave-structure" (DE 31 47 986 A1). Hierbei wird die Mikrowellenstrahlung aus der Breitseite eines Hohl­ leiters durch einen Schlitz ausgekoppelt. Die Slow- wave-structure-Auskopplung kann auch durch einzelne Antennen ersetzt werden. Mit diesem Verfahren konnten jedoch keine großflächigen Plasmen mit ausreichender Homogenität erreicht werden. Darüber hinaus befindet sich bei allen diesen Verfahren das Substrat innerhalb der Mikrowellenstrahlung, wodurch strahlungsempfindli­ che Materialien, wie z. B. Polylactide, nicht beschich­ tet oder behandelt werden können.

Maßnahmen zur Homogenisierung eines Mikrowellenplasmas sind aus der DE 41 32 556 A1, der DD 263 648 A1 und der DE 41 26 216 A1 bekannt.

Aus der EP 0 578 047 A1, der US-PS 5 328 515 und der EP 0 388 800 A2 sind Vorrichtungen zur Plasmaerzeugung für die Behandlung von Substraten in einer Vakuumkammer durch hochfrequente elektroma­ gnetische Wellen, z. B. Mikrowellen, insbesondere zur Plasma­ polymerisation von Monomeren zur Beschichtung von Substraten be­ kannt. Die elektromagnetischen Wellen werden aus einer Quelle, z. B. einem Mikrowellengenerator, in einen Reaktionsraum einge­ koppelt, in dem das Plasma in einer Plasmazone gezündet wird. Dabei ist die das Substrat enthaltende Beschichtungszone in der Vakuumkammer in Querrichtung zur Einkopplungsrichtung der elek­ tromagnetischen Wellen neben der in dem Reaktionsraum befindli­ chen Plasmazone angeordnet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zum Erzeugen eines Plasmas anzugeben, mit denen eine Verbesserung der Homogenität der Deposition auf einem Substrat erreichbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale des An­ spruchs 1 bzw. 9.

Die Erfindung sieht vor, daß in dem Reaktionsraum eine in Richtung auf das Substrat eine Verengung bildende Einrichtung aus einer quer zur Einkopp­ lungsrichtung der elektromagnetischen Wellen verlaufenden Platte zur Steuerung der Gasströmung angeordnet ist. In Richtung des Substrats eine eine Verengung bildende Einrichtung zur Steuerung der Gasströmung vorzusehen, ermöglicht die Kombination einer großflächigen Mikrowellenauskopplung aus einem Hohlleiter mit einer gezielt in Richtung und Ge­ schwindigkeit beeinflußbaren Gasströmung.

Die Veränderung der Geometrie des Strömungskanals erlaubt eine Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit unabhängig vom Druck.

Die das Substrat enthaltende Beschichtungszone in der Vakuumkammer ist in Querrichtung zur Einkopplungsrichtung der elektromagnetischen Wellen neben der in dem Reaktions­ raum befindlichen Plasmazone angeordnet.

Das Substrat ist außerhalb der Plasmazone angeordnet und wird nur von den Plasmareaktionsprodukten erreicht. Das Substrat befindet sich außerhalb der Strahlung der elekt­ romagnetischen Wellen, wodurch auch strahlungsempfindliche Werkstücke beschichtet werden können.

Die Erfindung ermöglicht die homogene Beschichtung von Substraten mit einer in hohem Maße reproduzierbaren Schichtdicke.

Der einfache Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung er­ möglicht eine leichte Reinigung, wodurch die Ausfall­ zeiten gering gehalten werden können.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß eine neben der Plasmazo­ ne angeordnete Gaszuführeinrichtung ein Reaktionsgas quer zur Einkopplungsrichtung der elektromagnetischen Wellen durch die Plasmazone leitet, so daß die Plasmareakti­ onsprodukte auf das Substrat zuströmen. Das Gas strömt aufgrund des Druckgefälles durch die in dem Reaktionsraum befindliche Plasmazone in die Vakuumkammer und erreicht dort das Substrat. Durch diese Strömung ist die Plasmaho­ mogenität von untergeordneter Bedeutung, da das Reakti­ onsgas durch Bereiche mit möglicherweise unterschiedli­ cher Plasmaintensität gelangt, so daß die Aktivierung ei­ ne Mittelung erfährt. Es wird somit eine Entkopplung der Problematik der Gaszuführung von der Mikrowellenhomogeni­ tät erreicht, so daß das Problem der Plasmahomogenität auf eine Raumdimension reduziert wird.

Die Einrichtung zur Steuerung der Gasströmung, bestehend aus der in dem Reaktionsraum oberhalb der Plasmazone quer zur Ein­ kopplungsrichtung der elektromagnetischen Wellen verlau­ fende Platte, ist in der Schräglage verstellbar. Mit Hilfe der Platte, die beispielsweise aus Borosilikatglas be­ steht, kann die Gasströmung hinsichtlich Strömungsge­ schwindigkeit und Einhaltung laminarer Bedingungen beeinflußt werden.

Die Einkopplung der elektromagnetischen Wellen in den Reaktionsraum erfolgt auf dem Wege der an sich bekannten Antennenauskopplung oder Schlitzauskopplung. Dabei werden die elektromagnetischen Wellen von dem Wellengenerator emittiert und zu einem Hohlleiter geführt. Aus dem Hohl­ leiter wird die Strahlung dann durch Antennenauskopplung oder Schlitzauskopplung zwischen Halbleiter und Homogeni­ sierungstrichter in den Homogenisierungstrichter geführt. Die elektromagnetischen Wellen gelangen durch ein mikro­ wellentransparentes, aber vakuumdichtes Fenster, z. B. eine Quarzglasscheibe, in den Reaktionsraum und entzünden dort das Plasma in der Plasmazone.

Alternativ können die elektromagnetischen Wellen mittels eines in den Reaktionsraum hineinragenden Führungshohllei­ ters aus isolierendem Material, in dem ein Innenleiter aus Metall verläuft, in den Reaktionsraum eingekoppelt werden, wobei die elektromagnetischen Wellen von dem Wellengenera­ tor in den Innenleiter eingekoppelt werden.

Vorzugsweise ist in Einkopplungsrichtung der elektro­ magnetischen Wellen hinter dem mikrowellentransparenten, vakuumdichten Fenster eine leicht austauschbare, mikrowel­ lendurchlässige Borosilikatscheibe angeordnet. Bei hori­ zontaler Anordnung des Fensters kann eine solche Borosili­ katscheibe lose auf das Fenster aufgelegt werden. Eine solche vorzugsweise dünne Borosilikatscheibe ist preis­ wert, leicht auszutauschen und leicht zu reinigen und verhindert weitestgehend die Verschmutzung des vakuumdich­ ten Fensters.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungs­ beispiel,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungs­ beispiels gemäß Fig. 1 mit Schlitzauskopplung und ohne Vakuumkammer,

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 mit Antennenauskopplung in perspektivischer An­ sicht, ohne Vakuumkammer,

Fig. 4 ein alternatives Ausführungsbeispiel zu den Fig. 1 bis 3 mit direkter Einkopplung der elek­ tromagnetischen Wellen in den Reaktionsraum,

Fig. 5 einen Schnitt entlang der Linie V-V in Fig. 4, und

Fig. 6 ein Diagramm, aus dem die Homogenität der Schichtdicke in Abhängigkeit vom Abstand vom Substratrand entnehmbar ist.

Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmas für die Beschichtung eines Substrats 1 in einer Vakuumkammer 5 aus Stahl durch hochfrequente elektromagne­ tische Wellen weist ein Gehäuse 7 aus einem mikrowellen­ dichten Material auf. Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch das Gehäuse 7, das im wesentlichen die Vakuumkammer 5 und einen seitlich neben der Vakuumkammer 5 angeordneten und mit der Vakuumkammer 5 verbundenen Reaktionsraum 8, vorzugsweise aus Messing, umschließt.

Das Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bezieht sich auf eine Konstruktion, bei der die Auskopplung von Mikrowellen­ strahlung aus einem Hohlleiter 3 durch Schlitzauskopplung bzw. Antennenauskopplung erfolgt.

Die von einem Generator 2 für elektromagnetische Wellen, z. B. einen Mikrowellengenerator, erzeugten Mikrowellen werden zu einem Hohlleiter 3 geführt. Aus diesem wird die Strahlung dann mittels Schlitzauskopplung mit mehreren Schlitzen 11 oder der für sich bekannten Antennenauskopp­ lung in einen Homogenisierungstrichter 4 geführt. Hierbei spielt die Homogenität der Auskopplung, wie später erläu­ tert wird, eine untergeordnete Rolle im Hinblick auf die Gleichmäßigkeit der Beschichtung. Die Mikrowellen gelangen durch ein mikrowellentransparentes, aber vakuum­ dichtes Fenster 6, z. B. eine Quarzglasscheibe, in den Reaktionsraum 8 und entzünden dort das Plasma in einer Plasmazone 10. Auf dem Fenster 6 kann sich eine mikrowel­ lentransparente dünne Borosilikatscheibe 16 befinden, die leicht auswechselbar ist und kostengünstig das vakuumdich­ te Fenster 6 vor Verschmutzung schützt. Die entfernbare Borosilikatscheibe 16 kann auch in einfacher Weise gerei­ nigt werden.

Die Reaktionsgase werden von einer rohrförmigen Gaszuführ­ einrichtung 12 in den Reaktionsraum 8 eingeleitet. Das Rohr 12 ist seitlich neben der Plasmazone 10 und vorzugs­ weise orthogonal zur Einkopplungsrichtung der Mikrowellen angeordnet, derart, daß die Reaktionsgase quer zur Ein­ kopplungsrichtung der Mikrowellen durch die Plasmazone 10 hindurch auf das Substrat 1 strömen. Das Rohr 12 ist hier­ zu mit einer oder mehreren der Plasmazone 10 zugewandten Aussparungen, z. B. Bohrungen 13 oder schlitzförmigen Aus­ sparungen, versehen. Die Ausströmungsrichtung der Reak­ tionsgase ist dabei so eingestellt, daß sie in Richtung auf das Substrat 1 weist. Vorzugsweise verläuft die Strö­ mungsrichtung orthogonal zur Oberfläche des zu beschich­ tenden Substrates 1.

Oberhalb der Plasmazone 10 ist im Reaktionsraum eine in der Höhe und im Neigungswinkel einstellbare Platte 14, z. B. aus Borosilikatglas, angeordnet. Die Höhe wird durch den Abstand der Platte 14 von der unteren Begrenzung des Reaktionsraums 8 eingestellt. Über die Neigung der Platte 14 kann die aus der Plasmazone 10 austretende Gasströmung hinsichtlich Geschwindigkeit und Gleichmäßigkeit beein­ flußt werden. Durch die Verengung des Strömungsquer­ schnitts am freien Ende der Platte 14 wird die Gasströmung in hohem Maße unter Beibehaltung laminarer Bedingungen vergleichmäßigt. Die vor der Plasmazone 10 durch das Rohr 12 eingeleiteten Reaktionsgase strömen aufgrund des Druck­ gefälles durch die Plasmazone 10 in die Vakuumkammer 5 und erreichen dort das Substrat 1. Die Querströmung der Reak­ tionsgase durch die Plasmazone 10 und quer zur Einkopp­ lungsrichtung der Mikrowellen ermöglicht, daß die Plasma­ homogenität von geringerer Bedeutung ist, da das Gas durch Bereiche mit unterschiedlicher Plasmaintensität gelangt, so daß die Aktivierung eine Mittelung und damit Vergleich­ mäßigung erfährt. Dadurch wird eine Entkopplung der Pro­ blematik der Gaszuführung von der Mikrowellenhomogenität erreicht. Das Problem der Plasmahomogenität wird auf eine Raumdimension reduziert. Wesentlich ist, daß das Substrat sich außerhalb der Mikrowellenstrahlung befindet, wodurch auch strahlungsempfindliche Werktücke beschichtet werden können.

Durch eine einfache Veränderung der Geometrie des Strö­ mungskanals mit Hilfe der Platte 14 kann die Strömungs­ geschwindigkeit der Reaktionsgase unabhängig vom Druck zwischen Plasmazone 10 und Beschichtungszone 18 verändert werden.

Der einfache Aufbau der Vorrichtung ermöglicht eine leich­ te Reinigung beim Chargenwechsel und hält die Ausfallzei­ ten gering.

Fig. 2 zeigt eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht des Reaktionsraums 8 bei einem Ausführungsbeispiel mit Schlitzauskopplung. Hierzu ist zwischen dem Hohlleiter 3 und dem Homogenisierungstrichter 4 eine Schlitzblende 9 mit mehreren schlitzförmigen Aussparungen 11, die zick­ zackförmig hintereinander angeordnet sind, vorgesehen. Mit der Schlitzauskopplung ist eine höhere Reproduzierbarkeit der Einkopplung von Mikrowellen-Energie in den Reaktions­ raum 8 erzielbar.

Fig. 3 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel zu Fig. 2 mit Antennenauskopplung nach DD 263 648 A1. Zwischen dem Hohlleiter 3 und dem Homogenisierungstrichter 4 ist dabei eine Antennenplatte 15 angeordnet, die mehrere in den Homogenisierungstrichter 4 hineinragende, längs des Hohlleiters 3 nebeneinander angeordnete Antennenelemente 17 aufweist.

Die Vakuumkammer 5 mit einem Sauganschluß für eine Vakuum­ pumpe 20 ist bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 2 und 3 an einem Flansch 19 vakuumdicht befestigt, der in den schematischen Darstellungen der Fig. 1 und 4 nicht darge­ stellt ist.

Fig. 4 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel, bei dem die Einkopplung der elektromagnetischen Wellen in den Reaktionsraum 8 mit Hilfe eines parallel zu der Gaszufüh­ rungseinrichtung 12 verlaufenden, in der Plasmazone 10 angeordneten Stab aus einem Führungshohlleiter 22 und einem Innenleiter 24 erfolgt. Der Führungshohl­ leiter 22 besteht aus einem isolierenden Material, wobei die Mikrowellen von dem Mikrowellengenerator 2 in den Innenleiter 24 aus Metall eingekoppelt werden. Eine der­ artige Vorrichtung ist aus der DE 41 36 297 A1 bekannt.

Fig. 5 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie V-V in Fig. 4. Aus Fig. 5 ist auch ersichtlich, daß sich die Platte 14 über die gesamte Breite und Länge des Reak­ tionsraumes 8 erstreckt. Dies gilt für alle gezeigten Ausführungsbeispiele. Mit Hilfe der Platte 14 kann die Strömungsgeschwindigkeit des Reaktionsgases, vorzugsweise Hexamethyldisiloxan, eingestellt werden.

Vorzugsweise werden Mikrowellen mit einer Frequenz von 2,45 GHz verwendet.

Fig. 6 zeigt die mit hoher Reproduzierbarkeit erzielbare Schichtdicke in Abhängigkeit von der Entfernung vom Rand des Substrats. Das Diagramm zeigt die Homogenität der Schichtdicke auf einem Polycarbonat-Substrat unter Ver­ wendung von Hexamethyldisiloxan. Am Rand ergibt sich ein Abfall der Schichtdicke.

Durch eine Auf- und Abwärtsbewegung der Substanz während der Beschichtung kann die Beschichtung auf zwei Dimensio­ nen ausgeweitet werden.

Die Vorrichtung ist in ihrer Breite keinen geometrischen oder wellenabhängigen Beschränkungen unterworfen, so daß bei einer entsprechenden Breite der Vorrichtung beliebig große Substrate homogen beschichtet werden können. Das Verfahren ist dabei sehr umweltschonend, da vorzugsweise nur geringe Mengen ungiftiger Prozeßgase eingesetzt wer­ den, die keinen gesetzlichen Beschränkungen unterliegen.

Claims (11)

1. Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmas für die Behand­ lung von Substraten (1) in einer Vakuumkammer (5) durch hochfrequente elektromagnetische Wellen, z. B. Mikrowel­ len, insbesondere zur Plasmapolymerisation von Monome­ ren zur Beschichtung von Substraten (1), bei der die e­ lektromagnetischen Wellen aus einer Quelle, z. B. einem Mikrowellengenerator (2) in einen Reaktionsraum (8) eingekoppelt werden, in dem das Plasma in einer Plasma­ zone (10) gezündet wird, wobei die das Substrat (1) enthaltende Beschichtungszone (18) in der Vakuumkammer (5) in Querrichtung zur Einkopplungsrichtung der elekt­ romagnetischen Wellen neben der in dem Reaktionsraum (8) befindlichen Plasmazone (10) angeordnet ist, und in dem Reaktionsraum (8) eine in Richtung auf das Substrat (1) eine Verengung bildende Einrichtung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Steuerung der Gasströmung aus einer oberhalb der Plasmazone (10) im wesentlichen quer zur Einkopp­ lungsrichtung der elektromagnetischen Wellen schräg verlaufende Platte (14) besteht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine neben der Plasmazone (10) angeordnete Gaszu­ führeinrichtung (12) ein Reaktionsgas quer zur Einkopp­ lungsrichtung der elektromagnetischen Wellen durch die Plasmazone (10) leitet, so daß die Plasmareaktionspro­ dukte auf das Substrat zuströmen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Platte (14) hinsichtlich der Schräg­ stellung verstellbar ist und z. B. aus Borosilikatglas besteht.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetischen Wellen mittels eines Hohlleiters (3) und eines Homogenisierungs­ trichters (4) durch ein mikrowellendurchlässiges, vaku­ umdichtes Fenster (6) durch Antennenauskopplung zwi­ schen Hohlleiter (3) und Homogenisierungstrichter (4) in den Reaktionsraum (8) eingekoppelt werden.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die elektromagnetischen Wel­ len mittels eines Hohlleiters (3) und eines Homogeni­ sierungstrichters (4) durch ein mikrowellendurchlässi­ ges, vakuumdichtes Fenster (6) durch Schlitzauskopplung zwischen Hohlleiter (3) und Homogenisierungstrichter (4) in den Reaktionsraum (8) eingekoppelt werden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine leicht austauschbare, mikrowellen­ durchlässige Scheibe, z. B. eine Borosilikatscheibe (16) in Einkopplungsrichtung der elektromagnetischen Wellen hinter dem Fenster (6) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetischen Wellen mit­ tels eines in den Reaktionsraum (8) hineinragenden Füh­ rungshohlleiters (22) aus isolierendem Material, in dem ein Innenleiter (24) aus Metall verläuft, in den Reak­ tionsraum (8) eingekoppelt werden, wobei die elektro­ magnetischen Wellen von dem Wellengenerator (2) in den Innenleiter (24) eingekoppelt werden.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) in der Vakuumkam­ mer (5) parallel zur Einkopplungsrichtung der elektro­ magnetischen Wellen auf- und abbewegbar ist.

9. Verfahren zum Erzeugen eines Plasmas für die Behandlung von Substraten (1) durch hochfrequente elektromagneti­ sche Wellen, z. B. Mikrowellen, insbesondere zur Plasma­ polymerisation von Monomeren zum Beschichten von Sub­ straten (1) unter Vakuum, durch Einkoppeln elektromag­ netischer Wellen in einen Reaktionsraum (8), in dem das Plasma in einer Plasmazone (10) gezündet wird, bei dem eine Gasströmung aus einem Reaktionsgas quer zur Einkopplungsrichtung der elektromagnetischen Wellen durch die Plasmazone (10) erzeugt wird, derart, daß die Plasmareaktionsprodukte auf das Substrat (1) strömen und bei dem die Gasströmung im Reaktionsraum (8) durch eine eine schlitzförmige Verengung des Strömungsquer­ schnitt bildende schräg verlaufende Platte (14) homo­ genisiert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Strömungsquerschnitt des Reaktionsga­ ses im Reaktionsraum (8) im Bereich der Mikrowellenein­ kopplung verengt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß elektromagnetische Wellen mit einer Frequenz von 2,45 GHz verwendet werden.