DE102006043943A1

DE102006043943A1 - Verfahren zum Aufbringen von Schichten auf Substraten mit gekrümmten Oberflächen

Info

Publication number: DE102006043943A1
Application number: DE200610043943
Authority: DE
Inventors: Rudolf Beckmann; Michael Klosch; Markus Fuhr
Original assignee: Leybold Optics GmbH
Current assignee: Buehler Alzenau GmbH
Priority date: 2006-09-14
Filing date: 2006-09-14
Publication date: 2008-03-27
Also published as: WO2008031604A1

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Abscheidung von Schichten mit gleichmäßiger Schichtdickenverteilung auf zumindest einer gekrümmten Oberfläche eines Substrates mittels eines Plasma-CVD-Prozesses, bei welchem ein Plasma- oder Ionenstrahl in Richtung zur Substratoberfläche durch eine dem Substrat gegenüberliegende Plasma- oder Ionenstrahlquelle erzeugt wird, ein Prozessgas über ein Gaszufuhrsystem stromab der Plasma- oder Ionenstrahlquelle eingelassen wird, wobei das Prozessgas mittels des Gaszufuhrsystems definiert an der Oberfläche des Substrates verteilt wird und ein Gasfluss des Anregungsgases und eine Plasmaleistung der Plasma- oder Ionenstrahlquelle eingestellt werden, bei welchen die Prozessgasmenge durch das angeregte Anregungsgas des Plasma- oder Ionenstrahls an der Oberfläche des Substrates nahezu vollständig umgesetzt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Abscheidung von Schichten mit gleichmäßiger Schichtdickenverteilung auf zumindest eine gekrümmte Oberfläche eines Substrates mittels eines Plasma-CVD-Prozesses.
Vakuumbeschichtungsverfahren zum Abscheiden von Schichten für verschiedenste Anwendungen sind allgemein bekannt. Auf einem Substrat abgeschiedene Schichten haben je nach ihrem Abscheidungsprozess unterschiedliche Schichteigenschaften. Dies sind beispielsweise mechanische Eigenschaften, insbesondere Härte, Abriebsfestigkeit, Kratzfestigkeit, elektrische und magnetische Eigenschaften, insbesondere Leitfähigkeit, Magnetisierbarkeit, optische Eigenschaften, insbesondere Transparenz, Farbe, Reflexionsvermögen, Antireflexionsvermögen für auftreffendes Licht, und chemische Eigenschaften, insbesondere Benetzbarkeit.
Die Schichteigenschaften sind in erster Linie von der Zusammensetzung der chemischen Elemente der Schicht selbst, der Schichtdicke und Schichtdickengleichmäßigkeit, der geometrische Ausdehnung der Schicht, aber auch von der Art des Schichtbildungsprozesses und Eigenschaften des Substrates, insbesondere Werkstoff und Geometrie, abhängig.
Zur Erzeugung von abriebfesten Beschichtungen oder Kratzschutzschichten, insbesondere von transparenten abriebfesten Beschichtungen oder Kratzschutzschichten auf Kunststoffsubstraten, sind Plasma-CVD-Verfahren (CVD steht für chemical vapor deposition), bei denen siliziumorganische Verbindungen polymerisiert werden, verbreitet. Derartige Verfahren sind beispielsweise in der DE 39 31 713 C1 und in der DE 34 13 019 beschrieben. Beim Plasma-CVD-Verfahren werden mittels eines Plasmas gasförmige Verbindungen eines Prozessgases, welche die schichtbildenden Elemente umfassen, derart „aufgebrochen", dass die im Prozessgas befindlichen chemischen Elemente als Schicht auf die Oberfläche des Substrates abgeschieden werden können. Die Gaszuführung erfolgt dabei über Gaseinlässe in die Vakuumkammer.
Weiter modifizierte Verfahren zur Verbesserung der Schichteigenschaften der abriebfesten Beschichtungen oder Kratzschutzschichten, wie beispielsweise in der EP 0748 260 B1 beschrieben, beeinflussen die Schichteigenschaften hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften durch die zusätzliche gerichtete Einwirkung von energetischen Teilchen und/oder Ionen auf die Schicht während des Schichtwachstums. Der Plasmastrahl/Ionenstrahl kann dabei aus einer in der Prozesskammer angeordneten Plasmastrahl-/Ionenstrahlquelle, wie sie beispielsweise in „The Physics and Technology of Ion Sources, ed. Ian Brown, Wiley, 1989 und in der EP 349 556 B1 sowie der DE 10317 027 A1 beschrieben sind, extrahiert werden.
Die vorbeschriebenen Plasma-CVD-Verfahren liefern bei entsprechender Einstellung der Verfahrensparameter abriebfeste Beschichtungen oder Kratzschutzschichten mit sehr guten mechanischen Eigenschaften. Die Anforderungen an die Gleichmäßigkeit der Beschichtung ist dabei wesentlich geringer als beispielsweise für optische Beschichtungen. Insbesondere bei Substraten mit gewölbten Oberflächen oder komplexen Geometrien sind mit den vor beschriebenen Verfahren keine optischen Beschichtungen mit ausreichend genauer Schichtdicke oder Schichtdickenverteilung herstellbar.
Optische Beschichtungen werden daher üblicherweise mittels PVD (physical-vapor-deposition), insbesondere mittels Aufdampfverfahren aufgebracht, da mit diesen u.a. die geforderte Genauigkeit der Schichtdicken und Schichtdickenverteilung für optische Beschichtungen zu realisieren ist.
Soll ein Substrat, beispielsweise eine Kunststofflinse, sowohl mit einer Kratzschutzschicht als auch mit optischen Schichten, beispielsweise mit einer Anti-Reflexionsschicht beschichtet werden, wird das Substrat zum Aufbringen der optischen Beschichtung einer weiteren Beschichtungsanlage zugeführt. Da diese Verfahrensweise sehr aufwendig ist, gibt es Bestrebungen auch die optischen Beschichtungen mittels eines Plasma-CVD-Prozesses, der eine verbesserte Schichtdickenverteilung ermöglicht, aufzubringen.
In der WO 95/26427 wird die Beschichtung eines gewölbten Substrates mit einer Kratzschutzschicht und einer optischen Beschichtung mit einem Plasma-Impuls CVD-Verfahren offenbart. Ausgehend von dem Ansatz, dass die Dicke der Beschichtung im wesentlichen von der Menge des schichtbildenden Materials im Volumenelement über dem zu beschichtenden Flächenelement abhängt, wird vorgeschlagen, die Prozessgase über eine Gaszonendusche in die Prozesskammer einzuleiten, wobei gleichzeitig die Impulspause derart verkürzt wird, dass kein vollständiger Gaswechsel mehr in der Impulspause erfolgt, sondern ein Restgasanteil in der Prozesskammer verbleibt, der dafür sorgt, dass die Schichtdicke nicht mehr durch die Höhe der Volumenelemente zwischen Substrat- und Gasduschenoberfläche bestimmt wird. Die Gaszonendusche ist in mehrere Gasdurchlassflächen (Zonen) aufgeteilt, wobei die Größe der Gasdurchlassflächen und/oder der Massenfluss durch die Gasdurchlassflächen einstellbar ist. Zur Einstellung der Prozessparameter wird die Gasmassenflussdichte in allen Zonen gleich eingestellt und die Impulspause iterativ ermittelt, welche eine optimale Schichtdickenverteilung liefert. Anschließend wird der Massenfluss und/oder die Konzentration des Prozessgases in bestimmten Zonen der Gasdusche erhöht bzw. verringert, um die Gleichmäßigkeit der Schichtdicke weiter zu erhöhen. Diese Lösung ist dabei auf Plasma-Impuls CVD-Verfahren beschränkt und nur sehr aufwendig an unterschiedliche Substratgeometrien anpassbar. Weiterhin ist die Gaszonendusche nicht flexibel anwendbar, da diese direkt unterhalb der Substratoberfläche angeordnet werden muss und den Einsatz weiterer Anlagenkomponenten, beispielsweise einer Ionenstrahlquelle zur Unterstützung des Beschichtungsprozesses, erschwert oder nicht ermöglicht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die im Stand der Technik dargestellten Nachteile zu vermeiden.
Weiterhin ist es eine Aufgabe der Erfindung mit einem Plasma-CVD-Prozess Schichten, insbesondere Kratzschutzschichten und optische Schichten, mit einer hohen Schichtdickengleichmäßigkeit auf Substrate unterschiedlichster gekrümmter oder gewölbter Geometrien aufzubringen.
Die erfindungsgemäße Lösung findet sich im unabhängigen Anspruch 1, vorteilhafte Ausführungen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
Gemäß der Erfindung wird die zu beschichtende gekrümmte Substratoberfläche, zumindest während der Beschichtung, in einer Vakuumkammer mit einem Plasma- oder Ionenstrahl bestrahlt, der von einer dem Substrat gegenüberliegenden Plasma- oder Ionenstrahlquelle erzeugt wird. Die Plasmaanregung mittels eines Anregungsgases erfolgt dabei entfernt vom Substrat in der Plasma- oder Ionenstrahlquelle. Mögliche Inhomogenitäten des Plasmas werden im Plasma- oder Ionenstrahl auf dem Weg zum Substrat ausgeglichen, so dass sich diese an der Substratoberfläche nicht mehr auswirken können.
Im Sinne dieser Erfindung wird als Plasma- oder Ionenstrahl sowohl eine gerichtete Bewegung der energetischen Teilchen des Plasmas der Plasma- oder Ionenstrahlquelle in Richtung Substrat, als auch die Diffusion des angeregten Anregungsgases von der Plasma- oder Ionenstrahlquelle in Richtung Substrat definiert.
Vorzugsweise wird ein Plasma- oder Ionenstrahl erzeugt, welcher einen Strahlquerschnitt aufweist, der geeignet ist die gesamte Substratoberfläche zu erfassen. Insbesondere wird der Plasmastrahl von einer Hochfrequenz-Plasmastrahlquelle erzeugt. Mit einer Hochfrequenz-Plasmastrahlquelle kann sowohl ein paralleler, als auch ein divergenter Plasmastrahl auf die Substratoberfläche gerichtet werden. Hochfrequenz-Plasmastrahlquellen sind im Stand der Technik, beispielsweise in der EP 349 556 B1 und der DE 103 17 027 A1 beschrieben und es wird auf die technischen Ausgestaltungen der dort offenbarten Ausführungsbeispiele verwiesen.
Das Prozessgas wird über ein Gaszufuhrsystem in die Vakuumkammer eingelassen, wobei das Prozessgas mittels des Gaszufuhrsystems definiert an der Oberfläche des Substrates verteilt wird und der Plasma- oder Ionenstrahl gleichzeitig auf die Substratoberfläche während des Aufwachsens der Schicht einwirkt.
Das Prozessgas wird dabei vorzugsweise stromab der Plasma- oder Ionenstrahlquelle, insbesondere in unmittelbarer Nähe zur Substratoberfläche, eingelassen und in den Plasma- oder Ionenstrahl eingeleitet und dort aktiviert, so dass die Umsetzung des Monomers durch die Wechselwirkung mit dem angeregten Anregungsgas des Plasma- oder Ionenstrahls in unmittelbarer Nähe der Substratoberfläche erfolgt und die Beeinflussung der Strömung des eingelassenen Prozessgases weiter reduziert wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird das Prozessgas innerhalb der Plasma- oder Ionenstrahlquelle eingelassen. Diese Ausführungsvariante ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das Substrat in einem geringen Abstand von der Plasma- oder Ionenstrahlquelle angeordnet wird.
Des Weiteren wird das Prozessgas erfindungsgemäß mittels des Gaszufuhrsystems definiert an der Oberfläche des Substrates verteilt. Um eine hohe Schichtdickengleichmäßigkeit zu erreichen, wird das Prozessgas mit hoher Gleichmäßigkeit an der Oberfläche des Substrates verteilt. Eine gleichmäßige Verteilung des Prozessgases ist dann gegeben, wenn die Menge an Prozessgas im Volumenelement über jedem zu beschichtenden Flächenelement gleicher Größe gleich ist.
Eine Verteilung des Prozessgases erfolgt vorzugsweise durch mehrere Gasbohrungen des Gaszuführungssystems, die für eine definierte Verteilung vorgegebene geometrische Abmessungen und eine definierte Anordnung zueinander und zur Substratoberfläche aufweisen.
Es liegt ebenso im Rahmen der Erfindung, durch eine gezielte ungleichmäßige Verteilung des Prozessgases gezielt entsprechende Schichtdickenabweichungen auf der Substratoberfläche einzustellen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist die Einstellung eines Gasflusses des Anregungsgases und einer Plasmaleistung der Plasma- oder Ionenstrahlquelle, bei welchen die an der Oberfläche des Substrates befindliche schichtbildende Prozessgasmenge größtenteils, d.h. zumindest zu 51%, umgesetzt wird und als Schicht abgeschieden wird. Bevorzugt ist eine Umsetzung von zumindest 60%, 70%, 80% oder 90%. Ferner kann auch eine Umsetzung von 100% vorgesehen sein. Bevorzugt wird die Beschichtungsrate und damit die Schichtdicke im Wesentlichen durch die Menge an Prozessgas an der Substratoberfläche bestimmt. Die Umsetzung erfolgt vorzugsweise durch das Anregungsgas des Plasma- oder Ionenstrahls an der Oberfläche des Substrates
Vorzugsweise wird dazu ein Schwellwert eines Verhältnisse zwischen Prozessgasfluss und angeregtem Anregungsgasfluss ermittelt, ab welchem die Beschichtungsrate bei einer Steigerung der Plasmaleistung nicht mehr ansteigt.
Vorzugsweise wird ein Verhältnisses von Prozessgasfluss zu Anregungsgasfluss unterhalb des doppelten Schwellwertes, besonders bevorzugt unterhalb des einfachen Schwellwertes eingestellt. Dabei können bei einer Annäherung und Unterschreitung des einfachen Schwellwertes die Schichtdickengleichmäßigkeit erhöht und bei einer Überschreitung des einfachen Schwellwertes und Annäherung an den doppelten Schwellwert Schichteigenschaften, beispielsweise hinsichtlich verringerter Sprödigkeit und Schichtstress, angepasst werden.
Während des Beschichtungsvorganges wird vorzugsweise ein relativ niedriger Druck im Bereich von 0,1 Pa bis 10 Pa eingestellt, so dass die Strömung eines eingelassenen Prozessgases nicht oder nur noch geringfügig verändert wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können insbesondere Schichten mit einer gleichmäßigen Schichtdicke, deren Abweichung weniger als +/– 6 % beträgt, auf einer stark gewölbten Oberfläche eines Substrates abgeschieden wird. Die Gleichmäßigkeit der Schichtdicke hängt dabei auch von der Stärke der Krümmung der Substrate ab. Bei weniger stark gekrümmten Substraten, beispielsweise bei Linsen mit einer Dioptrinzahl kleiner oder gleich 4, werden vorzugsweise Schichten mit einer gleichmäßigen Schichtdicke, deren Abweichung weniger als +/– 2 % beträgt, abgeschieden.
Eine derart geringe Abweichung der Schichtdicke der auf gekrümmte Oberflächen von Substraten aufgebrachten Schichten wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch erreicht, dass durch die eingestellten Verfahrensparameter, mit welchen eine homogene Anregung des Prozessgases an der Substratoberfläche durch den Plasma- oder Ionenstrahl sowie eine nahezu vollständige Umsetzung des Prozessgases an der Substratoberfläche ermöglicht wird, die Schichtdicke an einer Stelle P der Substratoberfläche im wesentlichen nur noch von der Menge der auf diese Stelle P strömenden Prozessgasmenge abhängig ist, so dass mittels einer entsprechend an die Geometrie der Substratoberfläche angepassten Gaszuführung durch eine entsprechende Verteilung des Prozessgases die Schichtdicke und Schichtdickenverteilung gezielt und genau eingestellt werden kann.
Die geometrische Gestaltung und Anordnung der Gasbohrungen des Gaszufuhrsystems für eine gleichmäßige Verteilung der Prozessgasmenge und damit eine gleichmäßige Schichtdickenverteilung lässt sich aus der Berechnung der Schichtdicke an einer Stelle P der Oberfläche ableiten. Die Schichtdicke an einer Stelle P der Oberfläche ergibt sich aus der Summe aller Anteile an Prozessgasmenge, welche aus den einzelnen Gasbohrungen zum Punkt P geleitet werden. Die Schichtdickenverteilung ergibt sich durch die Berechnung der Schichtdicken an allen Stellen P der Oberfläche.
In einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens erfolgt die Prozessgaszufuhr und -verteilung über eine erste ringartige Gaszufuhreinheit des Gaszufuhrsystems und mindestens eine zweite Gaszufuhreinheit des Gaszufuhrsystems.
Die zweite Gaszufuhreinheit ist vorzugsweise ebenfalls ringartig oder als zentrisch zur ersten ringartige Gaszufuhreinheit oder zum Plasma- oder Ionenstrahl angeordnetes Gaszuführungsrohr ausgebildet.
Ein wesentlicher Vorteil der ringartigen Gaszufuhreinheiten besteht darin, dass diese die Anordnung einer Plasma- oder Ionenstrahlquelle gegenüber einer zu beschichtenden Oberfläche des Substrates ermöglichen, wobei die Gaszufuhreinheiten das Prozessgas direkt in den Plasma- oder Ionenstrahl, vorzugsweise unmittelbar in die Schichtbildungszone einleiten können.
Vorzugsweise sind die Gaszufuhreinheiten stromab der Plasma- oder Ionenstrahlquelle angeordnet. Die Gaszufuhreinheiten können jedoch auch die Plasma- oder Ionenstrahlquelle umfangen oder innerhalb der Plasma- oder Ionenstrahlquelle angeordnet sein.
Die Einstellung geometrischer Parameter zur Erzeugung einer gewünschten Verteilung des Prozessgases auf der Substratoberfläche erfolgt vorzugsweise durch die Einstellung der Abstände der Gaszufuhreinheiten zum Substrat bzw. zur Substratebene und durch Verwendung von Gaszufuhreinheiten mit jeweils festlegbarem Umfang bzw. Radius und durch die Gestaltung der Gasaustrittsöffnungen. Dabei können beispielsweise zwei oder mehr Gaszufuhreinheiten mit gleichem Umfang und unterschiedlichen Abständen zum Substrat, zwei oder mehr Gaszufuhreinheiten mit unterschiedlichem Umfang und gleichem Abstand zum Substrat sowie zwei oder mehr Gaszufuhreinheiten mit unterschiedlichen Umfang und Abständen zum Substrat eingesetzt werden.
Weitere einstellbare Parameter sind die Anzahl der Austrittsöffnungen und/oder die Verteilung der Austrittsöffnungen und/oder die Größe der Austrittsöffnungen und/oder die Winkel der Austrittsöffnungen. Bevorzugt sind die Austrittsöffnungen kreisförmig ausgebildet und gleichmäßig und konzentrisch zur Strahlachse des Plasma- oder Ionenstrahls angeordnet, da dadurch gleichförmige Gasströme entstehen.
Ein weiterer wesentlicher Parameter zur Einstellung einer gewünschten Verteilung des Prozessgases auf der Substratoberfläche ist die Einstellung eines bestimmten Gasflusses für eine definierte Zeit oder einer bestimmten Gasmenge für jede Gaszufuhreinheit. Vorzugsweise wird dazu der Prozessgasfluss oder die Prozessgasmenge für jede Gaszufuhreinheit separat eingestellt oder geregelt.
Eine Dimensionierung der geometrischen Parameter und die Ermittlung der einzustellenden Gasmenge kann mit Simulationsberechnungen erfolgen.
Da die Beschichtungsrate in einigen Plasma-CVD-Prozessen auch durch die Substrattemperatur beeinflusst werden kann, ist es in diesen Fällen von Vorteil, wenn das Substrat vor der Beschichtung beheizt werden kann und somit eine genaue Substrattemperatur eingestellt werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird das Abgas vorzugsweise derart abgesaugt, dass die Absaugung die Gasströmungen des Prozessgases und des Anregungsgases nicht oder möglichst geringfügig behindert. Vorzugsweise erfolgt eine Absaugung mittels einer ringartigen, zwischen Plasma- oder Ionenstrahlquelle und Substrat angeordneten Abgasabsaugeinheit, wobei das Abgas radial abgesaugt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das Substrat beidseitig beschichtet. Dazu erfolgt die Gaszufuhr und/oder die Bestrahlung mit einem Plasma- oder Ionenstrahl beidseitig des Substrates durch jeweils ein der Vorderseite und der Rückseite zugeordnetes Gaszufuhrsystem und/oder durch jeweils eine der Vorderseite und der Rückseite zugeordnete Plasma- oder Ionenstrahquelle.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren näher beschrieben, aus denen sich auch unabhängig von den Patentansprüchen weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben.
Es zeigt in schematischer Darstellung:
1 eine Vorrichtung zur Plasma-CVD Beschichtung;
2 die Abhängigkeit der Schichtdickenverteilung von dem Verhältnis der Gasflüsse durch die beiden Gaszufuhreinheiten auf einer 4 dpt gekrümmten Oberfläche
Die 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Ausführung eines Verfahrens zur Plasma-CVD-Beschichtung eines Substrates 6. Die Vorrichtung umfasst eine Prozesskammer 2 mit einer Vakuumpumpe 4, mit einem Substrathalter 5, auf dem das Substrat 6 mit einer gekrümmten Oberfläche angeordnet ist, einem Gaszufuhrsystem 12 für die Zuführung zumindest eines Prozessgases und einer Hochfrequenz-Plasmastrahlquelle 7 zur Erzeugung eines Plasmastrahls 1.
Es können, abweichend von der Darstellung in 1, auf einem Substrathalter auch mehrere Substrate auf dem Substrathalter angeordnet sein und gleichzeitig beschichtet werden. Die Oberfläche eines Substrates kann insbesondere konvex oder konkav gekrümmt sein. Typischerweise sind die zu beschichtenden Substrate kreisförmig, es können aber auch Substrate mit anderen geometrischen Formen beschichtet werden.
Die Hochfrequenz-Plasmastrahlquelle 7, im folgenden Hf-Plasmastrahlquelle 7 genannt, erzeugt einen parallelen oder divergenten neutralen Plasmastrahl 1, der die gesamte zu beschichtende Oberfläche des Substrates 6 bestrahlt. Die Hf-Plasmastrahlquelle 7 ist topfartig ausgebildet und in einem Bereich der als Vakuumkammer ausgebildeten Prozesskammer 2 angeordnet. Die Hf-Plasmastrahlquelle 7 weist einen Plasmaraum 8 auf, in dem ein Plasma gezündet wird, z. B. durch eine Hochfrequenzeinstrahlung. Zum Zünden und Aufrechterhalten des Plasmas sind nicht dargestellte elektrische Mittel vorgesehen, etwa ein Hochfrequenz-Sender und elektrische Verbindungen. Weiterhin kann zumindest ein Magnet 9 vorgesehen sein, der in üblicher Weise zum Einschließen des Plasmas in dem Plasmaraum 8 eingesetzt wird. Die Hf-Plasmastrahlquelle 7 wird dabei beispielsweise mit dem in der Literatur unter dem ECWR-Prinzip beschriebenen Verfahren zur Erhöhung der Effizienz der Gasentladung betrieben. Für eine Gasversorgung der Hf-Plasmastrahlquelle 7 mit einem Anregungsgas ist eine Zuführung 10 vorgesehen. Zum Extrahieren eines neutralen Plasmastrahls 1 aus dem Plasma des Plasmaraumes 8 ist in einem Bereich einer Austrittsöffnung ein Extraktionsgitter 11 mit vorzugsweise hoher Transmission angeordnet.
Zwischen der Hf-Plasmastrahlquelle 7 und dem Substrat 6 sind die Gaszufuhreinheiten 16, 17 des Gaszufuhrsystems 12 angeordnet, welche das Prozessgas in den Plasmastrahl 1 einleiten und auf der Substratoberfläche gleichmäßig verteilen. Die ringförmigen Gaszufuhreinheiten 16, 17 umfangen den Plasmastrahl 1 und sind vorzugsweise so ausgebildet, dass der Plasmastrahl 1 ungehindert zum Substrat 6 gelangen kann.
Während des Beschichtungsprozesses wird das für die aufzubringende Schicht erforderliche Prozessgas, beispielsweise ein Monomergas, aus einem Vorratsbehälter über die erste Gaszuführung 22 in die erste Gaszufuhreinheit 16 und/oder über die zweite Gaszuführung 23 in die zweite Gaszufuhreinheit 17 geleitet und strömt durch die Öffnungen 18 in die Prozesskammer 2 an den Ort der Schichtbildungszone. Die Gaszuführungen 22 und 23 sind vorzugsweise mit einem (nicht dargestellten) Gasverteilersystem des Gaszufuhrsystems 12 verbunden, welches unterschiedliche Vorratsbehälter für verschiedene Prozessgase aufweist. Ein Wechsel des Prozessgases zur Aufbringung der verschiedenen Schichten kann dann während des Prozesses ohne Unterbrechung der Gaszuführung realisiert werden.
Die geometrischen Parameter der Gaszufuhreinheiten 16, 17 sind für eine gleichmäßige Verteilung des Prozessgases an die Geometrie und Oberfläche des Substrates 6 angepasst. Die geometrischen Parameter, insbesondere die Anordnung, Durchmesser und Austrittswinkel der Austrittsöffnungen 18 der Gaszufuhreinheiten 16, 17 wurden für eine gleichmäßige Schichtdickenverteilung abgeleitet aus der Formel: Schichtdicke(P) ~ Summe aller (MA × (cos(α)n * cos(β)/RP-A 2))mit:

M_A: Anteil der Monomergasmenge aus einer Austrittsöffnung
R_P-A: Länge der Verbindungsstrecke zwischen der Austrittsöffnung und dem Punkt P auf der Substratoberfläche
α: Winkel zwischen der Verbindungsstrecke R_P-A und der Zylinderachse der Austrittsöffnung
β: Winkel zwischen der Verbindungsstrecke R_P-A und der Oberflächennormalen am Punkt P
n: ist bestimmbar aus der Gerichtetheit des aus der Austrittsöffnung emittierten Gasstrahls (in Analogie zur Verteilungsberechnung der Schichtdicke in der Aufdampftechnik, beschrieben in G.Deppisch: Schichtdickengleichmäßigkeit von aufgedampften Schichten, Vakuum-Technik, Heft 3, Jg. 30 (1981) S. 67–77)

Um eine gleichmäßige Verteilung des Prozessgases auf einem kreisförmigen, konkav oder konvex gekrümmten Substrat, beispielsweise auf einer optischen Linse, zu erreichen, liegen die geometrischen Mittelpunkte der ringförmigen Gaszufuhreinheiten 16, 17 vorzugsweise auf einer senkrecht zur Substratebene 13 und durch den geometrischen Mittelpunkt des Substrates 6 verlaufenden Achse 3. Die Gaszufuhreinheiten 16, 17 haben vorzugsweise den gleichen Umfang, wobei der Umfang der Gaszufuhreinheiten 16, 17 vorzugsweise größer als der Umfang des Substrates 6 ist und die Abstände der Gaszufuhreinheit 16, 17 zum Substrat 6 unterschiedlich eingestellt sind. Jede der Gaszufuhreinheiten 16, 17 weist beispielsweise zehn Austrittsöffnungen 18 auf, die in gleichmäßigen Abständen zueinander auf dem Umfang einer Gaszufuhreinheit 16, 17 angeordnet und mit einheitlicher Lochgröße ausgeführt sind. Die Winkel der Austrittsöffnungen 18 zur Achse 3 der Gaszufuhreinheiten 16, 17 betragen jeweils 60°.
In 2 wird, beispielhaft für die Beschichtung einer optischen Linse mit einer TiO2 Schicht, dargestellt wie über die Einstellung der Gasflüsse die Gleichmäßigkeit der Schichtdickenverteilung einstellbar ist. Die TiO2 Schichten wurden dabei mit Hilfe des oben beschriebenen Gaszufuhrsystems 12 bei Einstellung vorgegebener Gasflüsse durch die Gaszufuhreinheiten 16, 17 auf eine 4 dpt gekrümmten konvexen Oberfläche einer Linse mit 70 mm Durchmesser, wie im folgenden noch näher beschrieben, aufgebracht. Zur Einstellung einer optimalen Schichtdickenverteilung wurde das Verhältnis der Gasflüsse durch die erste Gaszufuhreinheit 16 und durch die zweite Gaszufuhreinheit 17 in 25% Schritten von 100% Gasfluss durch die erste Gaszufuhreinheit 16 und 0% durch die zweite Gaszufuhreinheit 17 (Linie 100% und 0% in 2) bis hin zu 0 % Gasfluss durch die erste Gaszufuhreinheit 16 und 100% durch die zweite Gaszufuhreinheit 17 (Linie 0% und 100% in 2) für je einen Beschichtungsversuch eingelassen (und jeweils die Plasmastrahlquelle mit einem Sauerstoffgas gefüllt und gezündet). Die Gasflüsse sind auf 100% normiert; dabei entspricht 100% dem maximalen Gasfluss, den die verwendeten Gasflussregler liefern. Die Gasflüsse durch die Gaszufuhreinheiten 16, 17 werden also durch Einstellen von zwei unabhängigen Gasflussreglern eingestellt. Alternativ kann auch ein Gasflussregler verwendet werden und der Gasfluss über ein „variables Dreiwegeventil" eingestellt werden.
Nach der Beschichtung wurde die Schichtdicke des Substrates 6 vom Zentrum (0 mm) bis hin zum linken Rand (+30 mm) und zum rechten Rand (–30 mm) vermessen. Das Diagramm in 2 zeigt, dass bei Verwendung nur der ersten Gaszufuhreinheit 16 (Linie 100% und 0% in 2) die Schichtdicke im Zentrum des Substrates 6 am höchsten ist. Dagegen ist die Schichtdicke bei Verwendung nur der zweiten Gaszufuhreinheit 17 (Linie 0% und 100% in 2) im Zentrum des Substrates 6 am geringsten.
Bei einer Oberflächenkrümmung des Substrates 6 von 4 dpt ergibt sich ein Optimum bei ca. 25 Gasfluss durch die erste Gaszufuhreinheit 16 und 75 % durch die zweite Gaszufuhreinheit 17 (Linie 25% und 75% in 2).
Bei anderen Oberflächenkrümmungen kann ebenfalls eine homogene Beschichtung erzielt werden. So liegt das Optimum für eine plane Fläche bei 15% durch die zweite Gaszufuhreinheit 17 und 85% durch die erste Gaszufuhreinheit 16.
In der vor beschriebenen Vorrichtung soll als Substrat 6 beispielsweise eine optische Linse mit 4 dpt mit einer Kratzschutzschicht und einer mehrlagigen Entspiegelungsschicht beschichtet werden. Vorzugsweise ist das Substrat 6 aus einem Polymerwerkstoff hergestellt, beispielsweise CR 39. Das Substrat 6 ist lediglich beispielhaft.
Zur besseren Haftung der aufzubringenden Kratzschutzschichten wird die zu beschichtende Oberfläche des Substrates 6 vor der Beschichtung mit dem Plasmastrahl 1 in der evakuierten Vakuumkammer 2 vorbehandelt.
Zur Erzeugung einer Kratzschutzschicht von ca. 3 μm wird als Prozessgas vorzugsweise ein siliziumhaltiges Monomer, beispielsweise HMDS-O (Hexamethyldisiloxan) über die Gaszufuhreinheiten 16, 17 in den durch die HF-Plasmastrahlquelle 7 erzeugten Plasmastrahl 1 eingeleitet und wie vor beschriebenen durch die Einstellung der geometrischen Parameter der Gaszufuhreinheiten 16, 17 und der Gasflüsse mit ca. 25 % Gasfluss durch die erste Gaszufuhreinheit 16 und 75 % durch die zweite Gaszufuhreinheit 17 gleichmäßig verteilt.
Die Erzeugung des Plasmastrahls 1 erfolgt dabei wie oben beschrieben unter Einleitung von Anregungsgasen, wie Sauerstoff, Argon, Stickstoff oder einem Gemisch aus diesen Gasen über die Gaszuführung 10 in die HF-Plasmastrahlquelle 7.
In einem weiteren Schritt können unmittelbar nach dem Aufbringen der Kratzschutzschicht die Schichten für die Entspiegelung des Substrates 6 aufgebracht werden. Dazu werden über das Gaszufuhrsystem 12 beispielsweise als Prozessgas abwechselnd ein titanhaltiges Monomer zur Erzeugung einer hochbrechenden Schicht und ein siliziumhaltiges Monomer zur Erzeugung einer niedrigbrechenden Schicht in den Plasmastrahl 1 eingeleitet. Typischerweise werden vier Einzelschichten (TiO2 mit 12 nm, SiO2 mit 25 nm, TiO2 mit 123 nm, SiO2 mit 86 nm) als Breitband-Antireflexschicht aufgebracht. Die Erzeugung des Plasmastrahls 1 erfolgt dabei unter Einleitung von Sauerstoff-, Argon-, Stickstoff- Gasgemischen über die Gaszuführung 10 in die HF-Plasmastrahlquelle 7.
Während der Beschichtung mit der Kratzschutzschicht und den Schichten zur Entspiegelung wird ein Druck von vorzugsweise 0,5 bis 5 Pa in der Vakuumkammer eingestellt, so dass die Gasströmungen des Monomergases, welches aus den Austrittsöffnungen 18 tritt, erhalten bleiben.
Um eine vollständige Umsetzung der Prozessgasmengen durch das angeregte Anregungsgas an der Oberfläche des Substrates zu gewährleisten, wird eine HF-Leistung der Plasmastrahlquelle von mehr als 400 W eingestellt, bei welcher die Schichtdicke nur noch durch die Menge an Monomergas bestimmt ist. Der erzeugte Plasmastrahl 1 zersetzt das Monomergas somit vollständig und homogen an der Substratoberfläche.
Die Kratzschutzschicht und Entspiegelungsschichten wurden mit einer gleichmäßigen Schichtdicke, deren Abweichung weniger als +/– 2 % beträgt, beschichtet.

1: Plasmastrahl
2: Prozesskammer
3: Achse
4: Vakuumpumpe
5: Substrathalter
6: Substrat
7: Hochfrequenz-Plasmastrahlquelle
8: Plasmaraum
9: Magnet
10: Gaszufuhr
11: Extraktionsgitter
12: Gaszufuhrsystem
13: Substratebene
14: Substratoberfläche
16: erste Gaszufuhreinheit
17: zweite Gaszufuhreinheit
18: Austrittsöffnung
22: erste Gaszuführung
23: zweite Gaszuführung

Claims

Verfahren zur Abscheidung von Schichten mit gleichmäßiger Schichtdickenverteilung auf zumindest einer gekrümmten Oberfläche eines Substrates mittels eines Plasma-CVD-Prozesses, bei welchem – in einer Vakuumkammer ein Plasma- oder Ionenstrahl in Richtung zur Substratoberfläche durch eine dem Substrat gegenüberliegende Plasma- oder Ionenstrahlquelle erzeugt wird, – ein Prozessgas über ein Gaszufuhrsystem in die Vakuumkammer eingelassen wird, wobei das Prozessgas mittels des Gaszufuhrsystems einen Bereich nahe der Oberfläche des Substrates beaufschlagt und – ein Gasfluss des Anregungsgases und/oder eine Plasmaleistung der Plasma- oder Ionenstrahlquelle eingestellt werden, bei welchen eine die Oberfläche des Substrates beaufschlagende Prozessgasmenge größtenteils umgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas stromab der Plasma- oder Ionenstrahlquelle eingelassen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas innerhalb der Plasma- oder Ionenstrahlquelle eingelassen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schwellwert eines Verhältnisses von Prozessgasfluss zu angeregtem Anregungsgasfluss ermittelt wird, ab welchem die Beschichtungsrate bei einer Steigerung der Plasmaleistung nicht mehr ansteigt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis von Prozessgasfluss zu angeregtem Anregungsgasfluss unterhalb des zweifachen Schwellwertes eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis von Prozessgasfluss zu angeregtem Anregungsgasfluss unterhalb des einfachen Schwellwertes eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Beschichtung ein Druck im Bereich von 0,1 Pa bis 10 Pa eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas über eine erste ringartige Gaszufuhreinheit des Gaszufuhrsystems und mindestens eine zweite Gaszufuhreinheit des Gaszufuhrsystems an der Oberfläche des Substrates verteilt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung des Prozessgases an der Substratoberfläche durch geometrischer Parameter zumindest einer Gaszufuhreinheit definiert eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung des Prozessgases an der Substratoberfläche durch zentrisch und/oder konzentrisch zum Plasma- oder Ionenstrahl angeordnete Öffnungen der Gaszufuhreinheiten erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung des Prozessgases an der Substratoberfläche durch Einstellung jeweils eines Abstandes einer Gaszufuhreinheit zum Substrat und/oder jeweils eines Umfanges einer Gaszufuhreinheit und/oder jeweils einer Anzahl der Austrittsöffnungen und/oder einer Größe der Austrittsöffnungen und/oder einer Verteilung der Austrittsöffnungen und/oder eines Winkels der Austrittsöffnungen zum Substrat und durch die Anordnung der Gaszufuhreinheiten zueinander eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das der Prozessgasfluss oder die Prozessgasmenge für jede Gaszufuhreinheit separat eingestellt oder geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas in unmittelbarer Nähe zur Substratoberfläche eingelassen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Plasmastrahl von einer Hochfrequenz-Plasmastrahlquelle erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Plasmastrahl erzeugt wird, welcher die gesamte zu beschichtende Oberfläche erfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über das Gaszufuhrsystem ein Prozessgas, welches zumindest Sauerstoff, Wasserstoff, Kohlenstoff und Silizium umfasst, eingeleitet wird und eine Kratzschutzschicht abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über das Gaszufuhrsystem ein Prozessgas, welches zumindest Sauerstoff, Argon und/oder Stickstoff oder ein Gemisch aus diesen Gasen und silizium- oder titanhaltige Gase umfasst, eingeleitet wird und eine optische Schicht abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über zwei Gaszufuhrsysteme Prozessgase in die Prozesskammer eingeleitet werden und das Substrat beidseitig beschichtet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schicht mit einer gleichmäßigen Schichtdicke, deren Abweichung weniger als +/– 2 % beträgt, auf einer Oberfläche mit einer Krümmung von maximal 4 Dioptrin abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat vor der Beschichtung auf eine definierte Temperatur erwärmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas mittels einer ringartigen, zwischen Plasma- oder Ionenstrahlquelle und Substrat angeordneten Abgasabsaugeinheit radial abgesaugt wird.