DE102007019718B3

DE102007019718B3 - Großflächige Plasmaquelle für die Plasmapolymerisation und Verfahren zum Betreiben der Plasmaquelle

Info

Publication number: DE102007019718B3
Application number: DE200710019718
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl.-Phys. Falz; Barbara Dr. rer. nat. Gebhardt; Klaus-Dieter Dipl.-Ing. Steinborn
Original assignee: Hochvakuum Dresden VEB; VTD Vakuumtechnik Dresden GmbH
Current assignee: Hochvakuum Dresden VEB; VTD Vakuumtechnik Dresden GmbH
Priority date: 2007-04-26
Filing date: 2007-04-26
Publication date: 2008-11-13
Anticipated expiration: 2027-04-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine großflächige Plasmaquelle für die Plasmapolymerisation in einer Vakuumkammer (1) mit mindestens einer Elektrode (6), die mit einer Dunkelraumabschirmung (7) abgeschirmt ist. Auf der Oberfläche (12) einer Grundplatte (10) der Elektrode (6) sind zum Plasmaraum hin Rippen (11, 14) aufgebracht. Die Dunkelraumabschirmung (7) hat zum äußeren Rand der Grundplatte (10) einen Abstand A von 2 bis 8 mm. Die äußere Rippe (14) weist zum äußeren Rand der Grundplatte (10) mindestens einen Abstand B von 5 x A auf und die Höhe C der Rippen (11, 14) von der Grundplatte (10) beträgt mindestens 5 x A. Die Dunkelraumabschirmung (7) überragt die Oberfläche (12) der Grundplatte (10) um ein Maß E von mindestens 3 x A. Verfahrensgemäß werden zwei Elektroden (6) mit einer Spannungsquelle (8) verbunden, die eine Spannung zwischen 2500 und 4000 V bei einer Frequenz von 5 bis 100 kHz erzeugt, derart dass zwischen den Elektroden (6) eine Mittelfrequenzentladung gezündet wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine großflächige Plasmaquelle für die Plasmapolymerisation in einer Vakuumkammer mit mindestens einer ebenen Elektrode, die mit einer Dunkelraumabschirmung gegen die Vakuumkammer und technologische Einbauten abgeschirmt ist. Die Elektrode ist insbesondere für die Erzeugung eines Plasmas geeignet, das durch eine Mittelfrequenzentladung, vorzugsweise im Bereich zwischen 2,5 und 100 kHz, angeregt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben der Plasmaquelle.
Stand der Technik
Nach dem Stand der Technik sind vielfältige Lösungen zur Erzeugung eines Plasmas sowie zur Plasmapolymerisation bekannt. Besonders problematisch ist dabei, dass die sich im Plasmaprozess aus einem Monomer bildenden Polymerschichten grundsätzlich an allen Oberflächen im Plasmaraum abscheiden und eine isolierende Schicht ausbilden. In der Folge ist die Zeitdauer für die Plasmapolymerisation in einer entsprechenden Einrichtung begrenzt, d. h. die isolierenden Polymerschichten müssen nach einer relativ kurzen Prozessdauer von den aktiven Bauteilen entfernt werden.
Die US 5,895,531 A beschreibt eine Vorrichtung zur Beschichtung von Substraten sowie zur Plasmapolymerisation im Vakuum. In der Wand der Vakuumkammer sind parallel zu den Substraten zwei Glimmelektroden isoliert angeordnet, die zur Verminderung einer Beschichtung mit einer Blende abgedeckt werden können. Zur Plasmapolymerisation werden die Glimmelektroden zur Erzeugung eines Plasmas an eine Gleichstrom-, Wechselstrom, Hochfrequenz- oder Mikrowellenquelle angeschlossen und ein Monomer in die Vakuumkammer eingelassen.
Die DE 36 06 959 A1 gibt eine Vorrichtung zur Plasmabehandlung von Substraten in einer durch Hochfrequenz angeregten Plasmaentladung zwischen zwei durch eine Hochfrequenzquelle versorgten Elektroden an. Eine als Hohlanode ausgebildet Elektrode weist in ihrem Hohlraum Vorsprünge auf, die als von der inneren Oberfläche abstehende Rippen ausgebildet sind. Die Außenseite der Hohlanode ist allseitig von einer Dunkelraumabschirmung umgeben, die einen vorgezogenen Rand aufweisen kann. Die Vorsprünge vergrößern die Oberfläche der Elektrode und führen dazu, dass keine Umkehr der Potentialverhältnisse erfolgt, wenn fahrbare Substrathalter relativ zur Elektrode bewegt werden. Weiterhin hat die Vergrößerung der Oberfläche der Elektrode eine Vergrößerung der sich auf der Oberfläche ausbildenden negativen Spannung zur Folge, was in der Folge zu einer entsprechenden Erhöhung der kinetischen Energie der aus dem Plasmaraum auf das Substrat auftreffenden, positiv geladenen Ionen führt.
In der EP 0 327 253 A2 wird eine Einrichtung zur Erzeugung einer Glimmentladung für die Abscheidung einer Schicht aus amorphen Silizium auf einem Substrat angegeben. Als Ziel wird angegeben, dass die Schichtabscheidung gleichmäßig und mit hoher Geschwindigkeit erfolgen soll. Das Substrat befindet sich zwischen einer Hochfrequenzelektrode und einer Erdungselektrode, wobei die Hochfrequenzelektrode eine unebene Oberfläche mit zumindest einer Vertiefung aufweist. Beispielhaft ist die Breite und Tiefe der Vertiefung bzw. der Mehrzahl von Vertiefungen gleich groß. Die Breite der Vertiefungen kann zwischen 0,5 mm und 100 mm und deren Tiefe zwischen 5 mm und 50 mm liegen. Die Breite einer Erhebung zwischen zwei Vertiefungen kann zwischen 0,1 mm und 100 mm liegen.
Aufgabenstellung
Der Erfindung liegt damit als Aufgabe zugrunde, eine großflächige Plasmaquelle für die Plasmapolymerisation in einer Vakuumkammer mit mindestens einer ebenen, strukturierten Elektrode und einer Dunkelraumabschirmung gegenüber der Vakuumkammer anzugeben, mit der die Zeitdauer der Plasmapolymerisation wesentlich verlängert werden kann und unerwünschte Entladungsprozesse zur Vakuumkammer und zu Einbauten, einschließlich zur Dunkelraumabschirmung, erheblich verringert werden. Des Weiteren soll ein Verfahren zum Betreiben der Plasmaquelle angegeben werden.
Die Erfindung löst die Aufgabe für die Plasmaquelle durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und für das Verfahren durch die Merkmale des Anspruchs 7. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen gekennzeichnet und werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung, einschließlich der Zeichnung, näher dargestellt.
Die erfindungsgemäße großflächige Plasmaquelle nutzt eine als solche bekannte großflächige ebene Elektrode, deren Oberfläche strukturiert ist und die mit einer Dunkelraumabschirmung gegen die Vakuumkammer und technologische Einbauten abgeschirmt ist. Die Elektrode besteht aus einer Grundplatte, auf der zum Plasmaraum hin Rippen aufgebracht sind. Zur Vermeidung von unerwünschten Entladungen ist die Dunkelraumabschirmung gegenüber der strukturierten Elektrode in erfindungsgemäßer Weise derart angeordnet, dass die Dunkelraumabschirmung zum äußeren Rand der Grundplatte einen Abstand A von 2 bis 8 mm aufweist. Der Abstand B der äußeren Rippe zum äußeren Rand der Grundplatte sowie die Höhe C der Rippen von der Grundplatte beträgt mindestens 5 × A und die Dunkelraumabschirmung überragt die Oberfläche der Grundplatte zum Plasmaraum hin um ein Maß E von mindestens 3 × A.
In der Praxis werden regelmäßig mindestens zwei weitgehend gleiche Elektroden an einer Wechselspannungsquelle, vorzugsweise an einer Mittelfrequenz-Spannungsquelle betrieben, derart dass sich zwischen den Elektroden eine Mittelfrequenzentladung ausbildet. Wird insbesondere bei kleineren Einrichtungen nur eine Elektrode eingesetzt, ist die Vakuumkammer oder eine gesonderte Elektrode als zweite Elektrode geschaltet.
Die Rippen können in verschiedener Weise, z. B. streifenartig, rasterartig oder mäanderartig ausgebildet sein. Dabei können die Rippen aus einem monolithischen Grundkörper ausgeformt sein oder als gesonderte Elemente auf einer Grundplatte elektrisch leitend aufgesetzt sein. Der Abstand D zwischen zwei Rippen beträgt in vorteilhafter Weise mindestens 1 A, wobei das Verhältnis D:C maximal 2:3 beträgt. Mit einer derartigen Anordnung der Rippen wird in vorteilhafter Weise eine Abschattung des Bereiches nahe der Grundplatte erreicht, so dass sich in diesem Bereich während der Plasmapolymerisation nur relativ langsam eine unerwünschte Isolierschicht ausbilden kann.
Die Grundplatte der strukturierten Elektrode ist in vorteilhafter Weise auf einer gekühlten Elektrodenhalterung angeordnet. Alle aktiven Bauelemente mit der Elektrode und der Dunkelraumabschirmung sind aus Edelstahl gefertigt, damit auf diesen Teilen abgeschiedene Monomerschichten in einem Reinigungsbad leicht entfernt werden können.
Mit der erfindungsgemäßen Plasmaquelle wird ein großflächiges sehr homogenes Plasma über die gesamte Fläche ausgebildet, ohne dass unerwünschte Entladungsprozesse zur Vakuumkammer und zu Einbauten, einschließlich zur Dunkel raumabschirmung auftreten. Die Rippen der strukturierten Elektrode wirken für die Abscheidungsprozesse während der Plasmapolymerisation als Blenden, wodurch die Abscheidung isolierender Polymerschichten mindestens im unteren Bereich zwischen den benachbarten Rippen wesentlich gemindert wird. In überraschender Weise wurde gefunden, dass mit der erfindungsgemäßen Plasmaquelle, bestehend aus der definiert strukturierten Elektrode und der Dunkelraumabschirmung, die Einsatzzeit ohne Reinigung wesentlich verlängert werden kann. Im Ausführungsbeispiel werden dazu beispielhaft konkrete Angaben gemacht.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Zugehörig zeigt die 1 einen schematischen Schnitt durch eine Vakuumkammer mit einer erfindungsgemäßen Plasmaquelle. 2 zeigt einen Ausschnitt X aus 1 im Bereich zwischen der Elektrode und der Dunkelraumabschirmung.
1 zeigt eine Vakuumkammer 1, die über einen Pumpstutzen 2 mit einer nicht dargestellten Vakuumerzeugungseinrichtung verbunden ist. Seitlich axial zur gesamten Länge der Vakuumkammer 1 sind mehrere Rohrleitungen als Reaktivgaszuführungen 3 vorhanden. Im unteren Bereich der Vakuumkammer 1 ist ein Substratträger 4 mit vier Substraten 5 angeordnet. Im oberen Bereich der Vakuumkammer 1 sind bespielhaft zwei Elektroden 6 vorgesehen, die jeweils mit einer Dunkelraumabschirmung 7 umgeben und mit den Anschlussklemmen einer Spannungsquelle 8 verbunden sind. Sollen z. B. bei größeren Substraten mehr als zwei Elektroden 6 eingesetzt werden, ist eine zusätzliche Schalteinrichtung erforderlich, die entsprechend den technologischen Vorgaben die Elektroden 6 mit der Spannungsquelle 8 verbindet.
Die erfindungsgemäße Ausbildung der Elektroden 6 und der Dunkelraumabschirmungen 7 ist in 2 näher dargestellt. Die einzelne Elektrode 6 ist im Abstand A (A = 2 bis 8 mm), im Beispiel 3 mm, von der Dunkelraumabschirmung 7 umgeben. Die Elektrode 6 besteht aus einem Grundkörper 9 und einer Grundplatte 10 mit rasterförmig aufgesetzten Rippen 11. Erfindungsgemäß ist die äußere Rippe 14 in einem Abstand B (B = mindestens 5 A) von 20 mm vom Rand der Grundplatte 10 entfernt und die Höhe C (C = mindestens 5 A) der Rippen 11 sowie 14 von der Oberfläche 12 der Grundplatte 10 beträgt 30 mm. Der Abstand D (D = mindestens 1 A) der Rippen 11 und 14 zueinander beträgt im Beispiel 20 mm. Die Dunkelraumabschirmung 7 überragt die Oberfläche 12 der Grundplatte 10 zum Plasmaraum hin um ein Maß E von 50 mm (E = min. 3 × A).
Der Grundkörper 9 ist gut wärmeleitend aus Kupfer gefertigt, wassergekühlt und die Grundplatte 10 ist elektrisch leitfähig sowie austauschbar auf dem Grundkörper 9 gehaltert. Die Grundfläche einer Elektrode 6 beträgt im Ausführungsbeispiel 2000 cm².
Die Grundplatte 10 und die Rippen 11 sind aus Edelstahl gefertigt, wobei die Rippen 11 an der Oberfläche 12 der Grundplatte 10 mit einem abgewinkelten Ende 13 befestigt sind.
Die erfindungsgemäße Plasmaquelle wird nachfolgend in der verfahrensgemäßen Anwendung näher erläutert. Nach dem Einbringen der Substrate 5 in die Vakuumkammer 1 wird diese über den Pumpstutzen 2 auf einen Startdruck von 5 × 10^–3 mbar evakuiert. Danach wird über die Reaktivgaszuführungen 3 als Monomer Hexamethyldisiloxan (HMDS) in die Vakuumkammer 1 eingelassen und ein Druck von ca. 3,5 × 10^–2 mbar aufrechterhalten.
Zur Plasmapolymerisation werden die beiden Elektroden 6 mit der Spannungsquelle 8 verbunden und eine Mittelfrequenzentladung ausgebildet. Dabei liegt der Arbeitspunkt der zwei Elektroden 6 bei 40 kHz und ca. 3000 V. Die Elektroden 6 werden im Kurztakt betrieben, d. h. nach Evakuierung und Gaseinlass wird in 1 s eine Betriebsleistung von 3000 W aufgebaut, die in einem ersten Plasmapolymerisationsschritt für 15 s anliegt. Danach erfolgt ein zweiter Plasmapolymerisationsschritt über eine Zeitdauer von 10 s bei 5000 W. Danach wird die Spannungsquelle 8 ohne Abfahrrampe ausgeschaltet. Nach dem Entladen und einer Neubeschickung der Vakuumkammer startet der nächste Arbeitstakt, wobei über ein Schleusensystem das Vakuum in der Vakuumkammer aufrecht erhalten wird.
Während bei Verfahren mit Einrichtungen nach dem Stand der Technik diese jeweils nach ca. 400 Chargen gereinigt werden müssen, konnten mit der erfindungsgemäßen Plasmaquelle mehr als 1600 Chargen, das entspricht einer Betriebsdauer von über 16 Stunden, gefahren werden, bevor eine Reinigung erforderlich war.

1: Vakuumkammer
2: Pumpstutzen
3: Reaktivgaszuführung
4: Substratträger
5: Substrat
6: Elektrode
7: Dunkelraumabschirmung
8: Spannungsquelle
9: Grundkörper
10: Grundplatte
11: Rippen
12: Oberfläche
13: abgewinkeltes Ende
14: äußere Rippe

Claims

Großflächige Plasmaquelle für die Plasmapolymerisation in einer Vakuumkammer (1) mit mindestens einer ebenen Elektrode (6), die mit einer Dunkelraumabschirmung (7) gegen die Vakuumkammer (1) und technologische Einbauten abgeschirmt ist und deren Oberfläche (12) strukturiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Elektrode (6) eine Grundplatte (10) aufweist, auf der zum Plasmaraum hin Rippen (11, 14) aufgebracht sind, – dass die Dunkelraumabschirmung (7) zum äußeren Rand der Grundplatte (10) einen Abstand A von 2 bis 8 mm aufweist, – dass die äußere Rippe (14) zum äußeren Rand der Grundplatte (10) mindestens einen Abstand B von 5 × A aufweist, – dass die Höhe C der Rippen (11, 14) von der Grundplatte (10) mindestens 5 × A beträgt und – dass die Dunkelraumabschirmung (7) die Oberfläche (12) der Grundplatte (10) zum Plasmaraum hin um ein Maß E von mindestens 3 × A überragt.
Plasmaquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Elektroden (6) vorhanden sind, die mit den Polen einer Spannungsquelle (8) für eine Mittelfrequenz verbunden sind.
Plasmaquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Abstandes B zur Höhe C maximal 1:1 beträgt.
Plasmaquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (11, 14) streifenartig, rasterartig oder mäanderartig ausgebildet sind und zueinander einen Abstand D aufweisen, wobei das Verhältnis D:C maximal 2:3 beträgt.
Plasmaquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (10) auf einem gekühlten Grundkörper (9) angeordnet ist.
Plasmaquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (10), die Rippen (11, 14) und die Dunkelraumabschirmung (7) aus Edelstahl bestehen.
Verfahren zum Betreiben einer Plasmaquelle, die einen Aufbau nach einem der Ansprüche 2 bis 6 aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass an die zwei Elektroden (6) eine Spannung zwischen 2500 und 4000 V bei einer Frequenz von 5 bis 100 kHz angelegt wird, derart dass zwischen den Elektroden (6) eine Mittelfrequenzentladung gezündet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle (8) derart eingestellt wird, dass eine Spannung von 3000 V bei einer Frequenz von 40 kHz zwischen den Elektroden (6) anliegt.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Plasmapolymerisation in der Vakuumkammer (1) eine Atmosphäre mit Hexamethyldisiloxan (HMDS) aufrechterhalten wird.