DE102013110722A1

DE102013110722A1 - Plasma-ion-based coating process and plasma probe

Info

Publication number: DE102013110722A1
Application number: DE201310110722
Authority: DE
Inventors: Dieter Gäbler; Norbert Kaiser; Andreas Ohl; Daniel Köpp; Rüdiger Foest; Jens Harhausen
Original assignee: Leibniz-Institut fur Plasmaforschung und Technologie Ev; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Leibniz Institut fuer Plasmaforschung und Technologie eV
Current assignee: Leibniz-Institut fur Plasmaforschung und Technologie Ev; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Leibniz Institut fuer Plasmaforschung und Technologie eV
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2013-09-27
Publication date: 2015-04-02
Also published as: WO2015044282A1

Abstract

Es wird ein Plasma-ionengestütztes Beschichtungsverfahren beschrieben, bei dem in einer Vakuumkammer (14) mittels einer Verdampfungsquelle (16) ein Dampfstrahl (17) eines Beschichtungsmaterials erzeugt wird, der zur Abscheidung einer Schicht (20) auf ein Substrat (19) gerichtet ist. Während eines Beschichtungsvorgangs wird ein auf das Substrat (19) gerichteter Ionenstrahl (1) zum Energieeintrag in die Schicht (20) mittels einer Plasmaionenquelle (15) erzeugt, wobei mindestens eines Plasmakenngröße während des Beschichtungsvorgangs mittels mindestens einer Plasmasonde (21, 22, 23) bestimmt wird, und die gemessene Plasmakenngröße oder eine aus der Plasmakenngröße berechnete Maßzahl von einer Steuervorrichtung (25) zur Regelung des Beschichtungsvorgangs verwendet wird. Es wird weiterhin eine für das Verfahren geeignete Plasmasonde (21, 22) beschrieben.A plasma ion-assisted coating method is described, in which a vapor jet (17) of a coating material which is directed onto a substrate (19) to deposit a layer (20) is produced in a vacuum chamber (14) by means of an evaporation source (16). During a coating process, an ion beam (1) directed onto the substrate (19) for energy input into the layer (20) is generated by means of a plasma ion source (15), at least one plasma parameter being determined during the coating process by means of at least one plasma probe (21, 22, 23). is determined, and the measured plasma characteristic or a measure calculated from the plasma characteristic is used by a control device (25) for controlling the coating process. Furthermore, a plasma probe (21, 22) suitable for the method is described.

Description

Die Erfindung betrifft ein plasma-ionengestütztes Beschichtungsverfahren und eine Plasmasonde, die zur Monitorierung eines plasma-ionengestützten Beschichtungsverfahrens eingesetzt werden kann. The invention relates to a plasma-ion-based coating method and a plasma probe which can be used for monitoring a plasma-ion-supported coating method.

Eine Beschichtungsanlage mit einer Plasmaionenquelle zur Durchführung eines plasma-ionengestützten Beschichtungsverfahrens ist aus der Druckschrift DE 4020158 A1 bekannt. Eine Plasmaionenquelle für ein plasma-ionengestütztes Beschichtungsverfahren wird in der Druckschrift DE 102011103464 B4 beschrieben.A coating system with a plasma ion source for carrying out a plasma-ion-supported coating method is disclosed in the document DE 4020158 A1 known. A plasma ion source for a plasma-ion-supported coating process is described in the document DE 102011103464 B4 described.

Plasma-ionengestützte Beschichtungen weisen Merkmale auf, die mit konkurrierenden Verfahren nicht ohne weiteres erreichbar sind. Insbesondere können mit Hilfe von plasma-ionengestützten Beschichtungsverfahren (PIAD – Plasma Ion Assisted Deposition) die Brechzahl und die Schichtdicke von optischen Schichten bzw. Schichtsystemen weitgehend unabhängig voneinander eingestellt werden. Plasma ion-supported coatings have features that are not readily achievable with competing processes. In particular, the refractive index and the layer thickness of optical layers or layer systems can be adjusted largely independently of one another with the aid of plasma-ion-supported deposition methods (PIAD - Plasma Ion Assisted Deposition).

Gegenwärtig ist dieser Vorteil aber nur begrenzt nutzbar, weil Gleichmäßigkeit und Reproduzierbarkeit der Schichteigenschaften in der Fläche und innerhalb der Schichten nicht ausreichen. Eine wesentliche Ursache dessen ist, dass die Beschichtungen nur anhand der äußeren, technischen Parameter der Beschichtungsanlagen gesteuert werden können. Deren Anzahl ist noch dazu vergleichsweise groß, denn eine Plasma-ionengestützte Beschichtungsanlage besteht in der Regel aus einer Hochvakuumkammer, an die mehrere Quellen zur Beaufschlagung der Substrate mit Neutralteilchen- und Ionenflüssen angeflanscht sind. Dies ist nicht nur ein Konstruktions-, sondern auch ein Funktionsprinzip, denn erst durch die Expansion und Wechselwirkung dieser Flüsse über lange Wege und große Energie- und Dichtegradienten kommen die erforderlichen Energien und Flussdichten zustande. Wie bei vielen Plasmaprozessen haben die Anlagenparameter nur mittelbaren Einfluss auf die Schichteigenschaften. Das erschwert die Auswahl brauchbarer Regelparameter und begünstigt das Auftreten von unvorteilhaft großen Regelungs-Schwankungen. Grundsätzlich sind die Charakteristiken von Plasmen, z.B. Strom-Spannungs-Kennlinien, in weiten Bereichen nichtlinear. Das führt dazu, dass gleichartige Flüsse in die Vakuumkammer mit unterschiedlichen Plasmaquellen-Einstellungen erreicht werden können. Außerdem treten Driften der Parameter auf, welche durch Alterungsprozesse der Plasmaquelle bzw. durch Veränderungen des Zustandes der Anlage während des Betriebes hervorgerufen werden. Zudem ist bekannt, dass die Verteilung der Flüsse auf die Substrate und Wände nicht gleichmäßig ist. At present, however, this advantage is of limited use because uniformity and reproducibility of the layer properties in the area and within the layers are not sufficient. An essential reason for this is that the coatings can only be controlled on the basis of the external, technical parameters of the coating systems. Their number is still relatively large, because a plasma ion-based coating system usually consists of a high vacuum chamber to which several sources are flanged to act on the substrates with neutral particle and ion fluxes. This is not only a design, but also a principle of operation, because only through the expansion and interaction of these rivers over long distances and large energy and density gradients come the required energies and flux densities. As with many plasma processes, the system parameters only have an indirect influence on the coating properties. This complicates the selection of useful control parameters and favors the occurrence of unfavorably large control variations. Basically, the characteristics of plasmas, e.g. Current-voltage characteristics, nonlinear in many areas. As a result, similar flows into the vacuum chamber can be achieved with different plasma source settings. In addition, drift of the parameters, which are caused by aging processes of the plasma source or by changes in the state of the system during operation occur. In addition, it is known that the distribution of the rivers on the substrates and walls is not uniform.

Ein Lösungsansatz ist das in-situ Monitoring der erzielten optischen Eigenschaften der Schichten in Verbindung mit einer Messung der Massenflussdichten bzw. Schichtdicken. Dieser Ansatz löst aber das Problem nicht vollständig. Zum einen funktioniert er bei komplexeren Schichtaufbauten und während bestimmter Prozessphasen nicht, darunter der entscheidend wichtigen Anwachsphase der Schichten. Zum anderen stellen die erhobenen Messwerte Integrale über die Schichteigenschaften dar. Für die Zuordnung zu aktuellen Steuerungseinstellungen müssen sie unter Umständen nach der Zeit abgeleitet werden. Das ist mit einer beträchtlichen Erhöhung der Fehler verbunden. One approach is the in-situ monitoring of the achieved optical properties of the layers in combination with a measurement of the mass flux densities or layer thicknesses. However, this approach does not completely solve the problem. On the one hand, it does not work with complex layer structures and during certain process phases, including the crucial growth phase of the layers. On the other hand, the collected measured values are integrals about the layer properties. For the assignment to current control settings, they may have to be derived according to the time. This is associated with a significant increase in errors.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes plasma-ionengestütztes Beschichtungsverfahren anzugeben, bei dem durch eine verbesserte Steuerung des Beschichtungsvorgangs die Schichteigenschaften, insbesondere der Brechungsindex der Schicht, gezielt eingestellt werden können und eine besonders hohe Gleichmäßigkeit und Reproduzierbarkeit aufweisen. Weiterhin soll eine Plasmasonde zur Monitorierung des plasma-ionengestützten Beschichtungsverfahrens angegeben werden, die vorteilhaft zur Bestimmung von Plasmakenngrößen in der Nähe eines zu beschichtenden Substrats eingesetzt werden kann. An object of the invention is to specify an improved plasma-ion-based coating method in which the layer properties, in particular the refractive index of the layer, can be adjusted in a targeted manner by an improved control of the coating process and have a particularly high degree of uniformity and reproducibility. Furthermore, a plasma probe for monitoring the plasma-ion-based coating method is to be specified, which can advantageously be used to determine plasma parameters in the vicinity of a substrate to be coated.

Diese Aufgaben werden durch ein plasma-ionengestütztes Beschichtungsverfahren und eine Plasmasonde gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. These objects are achieved by a plasma ion-assisted coating method and a plasma probe according to the independent patent claims. Advantageous embodiments and modifications of the invention are the subject of the dependent claims.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird bei dem plasma-ionengestützten Beschichtungsverfahren in einer Vakuumkammer mittels einer Verdampfungsquelle ein Dampfstrahl eines Beschichtungsmaterials erzeugt, der zur Abscheidung einer Schicht auf ein Substrat gerichtet ist. Das Beschichtungsverfahren ist somit ein PVD(Physical Vapor Deposition)-Verfahren, bei dem das Beschichtungsmaterial mittels der Verdampfungsquelle in die Gasphase überführt und aus der Gasphase auf dem Substrat abgeschieden wird. Die Verdampfungsquelle kann insbesondere eine thermische Verdampfungsquelle oder eine Elektronenstrahl-Verdampfungsquelle sein. In der Vakuumkammer können mehrere Verdampfungsquellen angeordnet sein, die zum Beispiel zur Herstellung von Schichten aus verschiedenen Beschichtungsmaterialien vorgesehen sind. In accordance with at least one embodiment, in the plasma ion-assisted coating method in a vacuum chamber by means of an evaporation source, a vapor jet of a coating material is produced, which is directed to deposit a layer on a substrate. The coating method is thus a PVD (Physical Vapor Deposition) method, in which the coating material is converted into the gas phase by means of the evaporation source and is deposited from the gas phase on the substrate. The evaporation source may in particular be a thermal evaporation source or an electron beam evaporation source. In the vacuum chamber, a plurality of evaporation sources may be arranged, which are provided, for example, for the production of layers of different coating materials.

Das Beschichtungsmaterial wird während eines Beschichtungsvorgangs auf dem Substrat abgeschieden. Mit dem Verfahren können insbesondere Mehrschichtsysteme hergestellt werden, wobei nacheinander Schichten aus verschiedenen Beschichtungsmaterialien auf dem Substrat abgeschieden werden. Die Beschichtungsmaterialien können sowohl dielektrische als auch metallische Materialien umfassen. The coating material is deposited on the substrate during a coating process. With the method, in particular multilayer systems can be produced, successively layers of different Coating materials are deposited on the substrate. The coating materials may include both dielectric and metallic materials.

Bei dem plasma-ionengestützten Beschichtungsverfahren wird mittels einer Plasmaionenquelle ein auf das Substrat gerichteter Ionenstrahl zum Energieeintrag in die aufwachsende Schicht während eines Beschichtungsvorgangs erzeugt. Der Aufbau und die Funktionsweise einer derartigen Plasmaionenquelle sind an sich aus den in der Einleitung zitierten Druckschriften DE 4020158 A1 und DE 102011103464 B4 bekannt und werden daher an dieser Stelle nicht näher erläutert. In the plasma ion-assisted coating process, a plasma ion source is used to generate an ion beam directed onto the substrate for introducing energy into the growing layer during a coating process. The structure and operation of such a plasma ion source are in themselves from the cited in the introduction publications DE 4020158 A1 and DE 102011103464 B4 are known and are therefore not explained in detail here.

Bei dem hierin beschriebenen Verfahren wird vorteilhaft mittels mindestens einer Plasmasonde mindestens eine Plasmakenngröße während des Beschichtungsvorgangs bestimmt. Die gemessene Plasmakenngröße oder eine aus der Plasmakenngröße berechnete Maßzahl wird bei dem Verfahren vorteilhaft von einer Steuervorrichtung zur Regelung des Beschichtungsvorgangs verwendet. In the method described herein, at least one plasma parameter is advantageously determined by means of at least one plasma probe during the coating process. The measured plasma characteristic or a measure calculated from the plasma parameter is advantageously used in the method by a control device for controlling the coating process.

Anders als bei herkömmlichen plasma-ionengestützten Beschichtungsverfahren, bei denen die Regelung des Beschichtungsvorgangs in der Regel anhand von Prozessgrößen erfolgt, welche den Plasmazustand nur mittelbar beeinflussen, wie zum Beispiel Ströme, Spannungen, Gasflüsse, Drücke oder Temperaturen bestimmter Anlagenkomponenten, wird der Beschichtungsvorgang bei dem hierin beschriebenen Verfahren durch eine während des Beschichtungsvorgangs gemessene Plasmakenngröße gesteuert. Hierdurch werden Regelungs-Schwankungen vermindert, die zum Beispiel dadurch entstehen, dass die Charakteristiken des Plasmas in weiten Bereichen nichtlinear von Anlagenparametern abhängen. Die direkte Messung von mindestens einer Plasmakenngröße während des Beschichtungsprozess hat den Vorteil, dass Abweichungen der Plasmakenngröße von einem Sollwert, die sich beispielsweise durch Alterungsprozesse der Plasmaquelle oder durch Veränderungen des Zustands der Anlage während des Beschichtungsbetriebs hervorgerufen werden können, durch eine geeignete Regelung vermindert werden können. Es hat sich herausgestellt, dass bei einem auf diese Weise geregelten plasma-ionengestützten Beschichtungsverfahren die Reproduzierbarkeit des Brechungsindex einer hergestellten Schicht wesentlich verbessert werden kann. Mit dem Verfahren lassen sich daher besonders gleichmäßige Schichten mit hoher Reproduzierbarkeit herstellen. Unlike conventional plasma-ion-based coating method in which the control of the coating process is usually based on process variables that affect the plasma state only indirectly, such as currents, voltages, gas flows, pressures or temperatures of certain equipment components, the coating process in the controlled by a plasma characteristic measured during the coating process. This reduces control fluctuations that occur, for example, as a result of the fact that the characteristics of the plasma in a wide range depend non-linearly on system parameters. The direct measurement of at least one plasma parameter during the coating process has the advantage that deviations of the plasma characteristic from a desired value, which can be caused for example by aging processes of the plasma source or by changes in the condition of the system during the coating operation, can be reduced by a suitable control , It has been found that in a plasma-ion-supported coating process controlled in this way, the reproducibility of the refractive index of a manufactured layer can be substantially improved. The process therefore makes it possible to produce particularly uniform layers with high reproducibility.

Bei der mittels der Plasmasonde gemessenen Plasmakenngröße kann es sich insbesondere um die Energiedichte und/oder die Ionenflussdichte des mittels der Plasmaionenquelle erzeugten Ionenstrahls handeln. Es können insbesondere sowohl die Energiedichte als auch die Ionenflussdichte gleichzeitig bestimmt werden. Die Energiedichte und/oder die Ionenflussdichte des Ionenstrahls haben einen wesentlichen Einfluss auf die Eigenschaften der aufwachsenden Schicht und sind daher als Regelgröße für den Beschichtungsvorgang besonders relevant. The plasma characteristic variable measured by means of the plasma probe may in particular be the energy density and / or the ion flux density of the ion beam generated by means of the plasma ion source. In particular, both the energy density and the ion flux density can be determined simultaneously. The energy density and / or the ion flux density of the ion beam have a significant influence on the properties of the growing layer and are therefore particularly relevant as a controlled variable for the coating process.

Bei dem Beschichtungsverfahren können vorteilhaft mehrere Plasmakenngrößen gemessen werden, wozu insbesondere mehrere Plasmasonden eingesetzt werden können. Die mehreren Plasmakenngrößen umfassen vorteilhaft ein oder mehrere der folgenden Größen: Energiedichte des Ionenstrahls, Ionenflussdichte des Ionenstrahls, Flussdichte von Ionen eines Hintergrundplasmas und Flussdichte von Neutralteilchen. Der Energiefluss auf das Substrat während eines Beschichtungsvorgangs wird nicht nur von den mittels der Plasmaionenquelle erzeugten Ionen des Ionenstrahls, sondern zusätzlich auch von niederenergetischen Ionen des Hintergrundplasmas und von schnellen Neutralteilchen verursacht, die aus Ladungstransfer hervorgehen können. Besonders vorteilhaft werden daher bei dem Beschichtungsvorgang sowohl die Flussdichte der Ionen des Ionenstrahls, die Flussdichte der Ionen des Hintergrundplasmas als auch die Flussdichte von Neutralteilchen mittels geeigneten Plasmasonden bestimmt. In the coating method, advantageously several plasma parameters can be measured, for which purpose in particular a plurality of plasma probes can be used. Advantageously, the plurality of plasma characteristics comprise one or more of the following: energy density of the ion beam, ion flux density of the ion beam, flux density of ions of a background plasma, and flux density of neutral particles. The energy flow to the substrate during a coating process is caused not only by the ions of the ion beam generated by the plasma ion source, but also by low energy ions of the background plasma and by fast neutral particles that may result from charge transfer. Therefore, in the coating process, both the flux density of the ions of the ion beam, the flux density of the ions of the background plasma and the flux density of neutral particles are determined with particular advantage by means of suitable plasma probes.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist zumindest eine Plasmasonde in einem Abstand von nicht mehr als 10 cm von einer Auslassöffnung der Plasmaionenquelle angeordnet. Diese Plasmasonde wird daher hier und im Folgenden als „quellennahe“ Plasmasonde bezeichnet. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass an zwei steuerungstechnisch besonders relevanten Orten in der Vakuumkammer Plasmaeigenschaften auftreten, die den stabilen Betrieb von Plasmasonden sogar unter Bedampfungsbedingungen während des Beschichtungsvorgangs ermöglichen. Einer dieser Orte ist die unmittelbare Umgebung des Auslasses der Plasmaionenquelle, in der vorteilhaft die quellennahe Plasmasonde angeordnet wird. In a preferred embodiment of the method, at least one plasma probe is arranged at a distance of not more than 10 cm from an outlet opening of the plasma ion source. This plasma probe is therefore referred to here and below as a "source-near" plasma probe. Surprisingly, it has been found that plasma properties occur at two locations in the vacuum chamber that are particularly relevant in terms of control technology, which enable the stable operation of plasma probes even under steaming conditions during the coating process. One of these locations is the immediate vicinity of the outlet of the plasma ion source, in which advantageously the near-source plasma probe is arranged.

Die mittleren Energien der Elektronen und Ionen sind in unmittelbarer Nähe der Auslassöffnung der Plasmaionenquelle, das heißt in einer Entfernung von bis zu 10 cm, besonders hoch, beispielsweise im Bereich von 10 eV bis 20 eV für Elektronen und 50 eV bis 100 eV für Ionen. Die hohen Energien der auftreffenden Teilchen führen an der Plasmasonde zu einer Sputterwirkung, welche die Ausbildung einer isolierenden Beschichtung auf der Plasmasonde vorteilhaft verhindern. Der Sputtereffekt wird durch eine negative Vorspannung an der Plasmasonde, die für die Bestimmung eines Ionenstroms erforderlich ist, zusätzlich begünstigt. Unter diesen Betriebsbedingungen können sowohl die Flussdichte als auch die Energie der in die Vakuumkammer einströmenden Plasmaionen erfasst werden. The average energies of the electrons and ions are particularly high in the immediate vicinity of the outlet opening of the plasma ion source, ie at a distance of up to 10 cm, for example in the range of 10 eV to 20 eV for electrons and 50 eV to 100 eV for ions. The high energies of the incident particles lead to the plasma probe to a sputtering effect, which advantageously prevent the formation of an insulating coating on the plasma probe. The sputtering effect is additionally favored by a negative bias on the plasma probe, which is required for the determination of an ion current. Under these operating conditions, both the flux density and the Energy of the inflowing into the vacuum chamber plasma ions are detected.

Die Sputterwirkung der in unmittelbarer Nähe des Auslasses der Plasmaionenquelle auf die Plasmasonde auftreffenden Ionen ist einerseits vorteilhaft, um eine ungewollte Beschichtung der Plasmasonde mit dem Beschichtungsmaterial zu vermindern, wobei andererseits aber durch den Sputtereffekt die Plasmasonde selbst, insbesondere deren Fläche, nicht wesentlich durch das Sputtern verändert werden sollte. Um dies zu gewährleisten, wird als quellenahe Plasmasonde vorzugsweise eine großformatige Sonde verwendet. The sputtering effect of the incident on the plasma probe in the immediate vicinity of the outlet of the plasma ion source ions on the one hand advantageous to reduce unwanted coating of the plasma probe with the coating material, but on the other hand, but by the sputtering effect, the plasma probe itself, in particular their surface, not significantly by sputtering should be changed. To ensure this, a large-sized probe is preferably used as the near-source plasma probe.

Die quellennahe Plasmasonde kann insbesondere eine Zylindersonde sein, für die vorteilhaft d_s < 0,01 r gilt, wobei d_s der Sputterabtrag während relevanter Betriebsdauern und r der Sondenradius ist. Besonders bevorzugt beträgt der Sondenradius r zwischen 1 mm und 5 mm. The near-source plasma probe may in particular be a cylindrical probe for which d _s <0.01 r is advantageous, where d _{s is} the sputtering removal during relevant operating periods and r is the probe radius. Particularly preferably, the probe radius r is between 1 mm and 5 mm.

Bei einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung ist die quellennahe Plasmasonde als planare Sonde ausgeführt, für die d_p > 10 d_s gilt, wobei dp die Dicke der planaren Sonde ist. Besonders bevorzugt beträgt die Dicke d_p der planaren Sonde zwischen 0,1 mm und 1 mm. In an alternative advantageous embodiment, the near-source plasma probe is designed as a planar probe for which d _p > 10 d _s , where dp is the thickness of the planar probe. Particularly preferably, the thickness d _{p of} the planar probe is between 0.1 mm and 1 mm.

Ein weiterer für die Steuerung des plasma-ionengestützten Beschichtungsprozesses besonders relevanter Ort ist die unmittelbare Umgebung des zu beschichtenden Substrats. Bei dem hierin beschriebenen Beschichtungsverfahren ist vorteilhaft mindestens eine Plasmasonde in einem vertikalen Abstand von nicht mehr als 10 cm, bevorzugt in einem Abstand von 1 cm bis 10 cm, von dem zu beschichtenden Substrat angeordnet. Diese Plasmasonde wird hier und im Folgenden als „substratnahe“ Plasmasonde bezeichnet. Another particularly relevant location for the control of the plasma-ion-supported coating process is the immediate environment of the substrate to be coated. In the coating method described herein, at least one plasma probe is advantageously arranged at a vertical distance of not more than 10 cm, preferably at a distance of 1 cm to 10 cm, from the substrate to be coated. This plasma probe is referred to here and below as a "substrate-near" plasma probe.

Die Energien und Dichten des isotropen Hintergrundplasmas sind in der Nähe des Substrats so niedrig, dass dort bei Anlegen großer negativer Vorspannungen an die Plasmasonde sehr weite Randschichten (typisch etwa 2 mm) entstehen. Es wurde festgestellt, dass derartige Randschichten unter bestimmten Bedingungen messtechnisch brauchbare ionenoptische Abbildungssysteme darstellen. Insbesondere kann eine modifizierte Machsonde mit zylindrischer Geometrie der Randschicht als substratnahe Plasmasonde verwendet werden. Bei einer solchen Plasmasonde, die im Folgenden noch näher erläutert wird, können wahlweise schnelle, hochenergetische Ionen des Ionenstrahls und Ionen des Hintergrundplasmas oder nur Ionen des Hintergrundplasmas auf eine strahlabgewandte, nicht dem Dampfstrahl ausgesetzte Rückseiten-Elektrode geleitet werden. Die Charakteristik einer solchen Plasmasonde kann bei einer hohen negativen Vorspannung der Charakteristik einer Zylindersonde im so genannten „Orbital Motion Limit (OML)“ sehr ähnlich werden. Letzteres führt dazu, dass sich die komplizierten, in der Regel nur mit Hilfe ausgedehnter numerischer Verfahren beschreibbaren Charakteristiken einer Machsonde unter Zuhilfenahme eines Kalibrierungsverfahrens vereinfachen und damit für Steuerungszwecke brauchbar werden. Wahlweises An- und Abschalten des Einschusses der hochenergetischen Strahlionen mittels Vorspannungsvariation oder mit Hilfe von mechanischen Blenden führt dann zur Unterscheidbarkeit zwischen dem Ionensättigungsstrom aus dem Plasma und dem Strahlionenstrom. Durch geometrische Unterteilung der Elektrodenfläche kann zusätzlich eine energetisch differenzierte Erfassung der Ionen erfolgen.The energies and densities of the isotropic background plasma are so low in the vicinity of the substrate that very large marginal layers (typically about 2 mm) are formed there when large negative bias voltages are applied to the plasma probe. It has been found that under certain conditions such edge layers represent metrologically usable ion-optical imaging systems. In particular, a modified Machsonde with cylindrical geometry of the surface layer can be used as a substrate near plasma probe. In such a plasma probe, which will be explained in more detail below, either fast, high-energy ions of the ion beam and ions of the background plasma or only ions of the background plasma can be directed to a non-jet, non-steam jet exposed backside electrode. The characteristic of such a plasma probe can be very similar to the characteristic of a cylindrical probe in the so-called "Orbital Motion Limit (OML)" at a high negative bias. The latter means that the complicated characteristics of a Mach probe, which can generally be described only with the aid of extensive numerical methods, can be simplified with the aid of a calibration method and thus become useful for control purposes. Optional switching on and off of the injection of the high-energy beam ions by means of bias variation or with the aid of mechanical diaphragms then leads to distinctness between the ion saturation current from the plasma and the beam ion current. By geometric subdivision of the electrode surface, an energetically differentiated detection of the ions can additionally take place.

Die Beschichtung der Sondenrückseite durch gestreute Neutralpartikel ist so gering und die Sputterwirkung unter Vorspannung so hoch, dass auch periodischer, kurzzeitiger Sondenbetrieb ohne Vorspannung bzw. Kennlinien-Aufnahmen möglich sind. Auf diese Weise ist die mittlere Energie des Hintergrundplasmas in Substratnähe bestimmbar.The coating of the back of the probe by scattered neutral particles is so low and the sputtering effect under bias so high that even periodic, short-term probe operation without bias or characteristic recordings are possible. In this way, the mean energy of the background plasma near the substrate can be determined.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind mehrere substratnahe Plasmasonden in einem vertikalen Abstand von nicht mehr als 10 cm von dem zu beschichtenden Substrat angeordnet. Die mehreren substratnahen Plasmasonden sind dabei vorteilhaft in verschiedenen radialen Abständen zu einer Hauptemissionsrichtung der Plasmaionenquelle angeordnet. Auf diese Weise kann die radiale Verteilung mindestens einer Plasmakenngröße in Bezug auf die Hauptemissionsrichtung der Plasmaionenquelle erfasst werden. Dies ermöglicht insbesondere eine Steuerung der Plasmaionenquelle, beispielsweise durch eine Veränderung des Gasflusses, der Entladungsleistung oder des Magnetfelds, derart, dass eine radiale Verteilung der Eigenschaften einer aufwachsenden Schicht gezielt beeinflusst wird. In an advantageous embodiment, a plurality of substrate-near plasma probes are arranged at a vertical distance of not more than 10 cm from the substrate to be coated. The multiple substrate-near plasma probes are advantageously arranged at different radial distances to a main emission direction of the plasma ion source. In this way, the radial distribution of at least one plasma parameter with respect to the main emission direction of the plasma ion source can be detected. This allows, in particular, a control of the plasma ion source, for example by a change in the gas flow, the discharge power or the magnetic field, in such a way that a radial distribution of the properties of an increasing layer is specifically influenced.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung werden mindestens zwei substratnahe Plasmasonden verwendet, wobei eine der substratnahen Plasmasonden durch eine Blende von dem Ionenstrahl der Plasmaionenquelle abgeschattet ist. Bei der durch die Blende abgeschatteten Plasmasonde treffen vorteilhaft keine oder nur vernachlässigbar wenige Ionen des Ionenstrahls der Plasmaionenquelle auf die Elektrode, sodass diese Plasmasonde zur Messung von Ionen des Hintergrundplasmas verwendet werden kann. In an advantageous embodiment, at least two substrate-near plasma probes are used, wherein one of the substrate-near plasma probes is shaded by a diaphragm of the ion beam of the plasma ion source. In the case of the plasma probe shaded by the diaphragm, advantageously no or only negligible ions of the ion beam of the plasma ion source strike the electrode, so that this plasma probe can be used to measure ions of the background plasma.

Eine Plasmasonde, die insbesondere als substratnahe Plasmasonde bei dem hierin beschriebenen plasma-ionengestützten Beschichtungsverfahren verwendet werden kann, wird im Folgenden beschrieben. A plasma probe, which can be used in particular as a substrate-near plasma probe in the plasma-ion-supported coating method described herein, is described below.

Die Plasmasonde zur Monitorierung des plasma-ionengestützten Beschichtungsverfahrens umfasst gemäß zumindest einer Ausführungsform eine elektrisch isolierende Grundplatte mit einer Vorderseite und einer Rückseite. Die Vorderseite der Grundplatte ist beim bestimmungsgemäßen Gebrauch dem von der Plasmaionenquelle erzeugten Ionenstrahl zugewandt. An einer Rückseite der Grundplatte ist eine elektrisch leitende Schicht angeordnet, die insbesondere ein Metall oder eine Metalllegierung aufweisen kann. Die elektrisch leitende Schicht fungiert als Elektrode der Plasmasonde. The plasma probe for monitoring the plasma ion-assisted coating method comprises, according to at least one embodiment, an electrically insulating base plate having a front side and a rear side. The front side of the base plate, when used as intended, faces the ion beam generated by the plasma ion source. At an rear side of the base plate an electrically conductive layer is arranged, which may in particular comprise a metal or a metal alloy. The electrically conductive layer acts as an electrode of the plasma probe.

Weiterhin weist die Plasmasonde gemäß einer Ausgestaltung einen mit der elektrisch leitenden Schicht verbunden Kontaktstift auf, der an der Rückseite der Grundplatte angeordnet ist und eine elektrisch isolierende Ummantelung aufweist. Durch den Kontaktstift wird die elektrisch leitende Schicht, die als strahlabgewandte Rückseitenelektrode fungiert, elektrisch kontaktiert. An dem Kontaktstift kann ein Verbindungsbauteil angeordnet sein, das zum elektrischen Anschluss und zur Befestigung der Plasmasonde dient. Furthermore, according to one embodiment, the plasma probe has a contact pin connected to the electrically conductive layer, which contact pin is arranged on the rear side of the base plate and has an electrically insulating sheath. Through the contact pin, the electrically conductive layer, which acts as a back side electrode remote from the jet, electrically contacted. At the contact pin, a connecting member may be arranged, which serves for the electrical connection and for fixing the plasma probe.

Die Plasmasonde macht sich die Erkenntnis zunutze, dass die Energie und Dichte des isotropen Hintergrundplasmas in der Nähe des zu beschichtenden Substrats so niedrig sind, dass dort beim Anlegen einer negativen Vorspannung an die Plasmasonde in dem Plasma eine breite Randschicht mit einer Breite von etwa 1 mm bis 3 mm entsteht, die vorteilhaft als ionenoptisches Abbildungssystem benutzt wird. Insbesondere wurde festgestellt, dass eine im Bereich der Plasmasonde entstehende Randschicht des Plasmas dazu genutzt werden kann, einen Teil der Ionen aus dem auf die Vorderseite der Plasmasonde gerichteten Ionenstrahl der Plasmaionenquelle am Rand der Sonde derart umzulenken, dass sie auf die an der Rückseite der Plasmasonde angeordnete elektrisch leitende Schicht treffen. The plasma probe makes use of the knowledge that the energy and density of the isotropic background plasma in the vicinity of the substrate to be coated are so low that there when applying a negative bias to the plasma probe in the plasma, a wide edge layer with a width of about 1 mm to 3 mm, which is advantageously used as an ion-optical imaging system. In particular, it has been found that an edge layer of the plasma arising in the region of the plasma probe can be used to deflect part of the ions from the ion beam of the plasma ion source directed onto the front side of the plasma probe at the edge of the probe in such a way that they are at the backside of the plasma probe meet arranged electrically conductive layer.

Die Grundplatte der Plasmasonde ist bevorzugt kreisrund. Der Durchmesser der Grundplatte beträgt vorzugsweise 0,5 cm bis 10 cm, besonders bevorzugt 2 cm bis 4 cm, beispielsweise etwa 3 cm. Der Kontaktstift weist beispielsweise eine Länge von etwa 3 cm auf. Die Dicke der Grundplatte ist vorteilhaft derart gewählt, dass sie in etwa der Dicke der Randschicht des Plasmas entspricht. Bevorzugt weist die Grundplatte eine Dicke von 1 mm bis 3 mm auf. The base plate of the plasma probe is preferably circular. The diameter of the base plate is preferably 0.5 cm to 10 cm, more preferably 2 cm to 4 cm, for example about 3 cm. The contact pin has for example a length of about 3 cm. The thickness of the base plate is advantageously chosen such that it corresponds approximately to the thickness of the surface layer of the plasma. Preferably, the base plate has a thickness of 1 mm to 3 mm.

Die Dicke der als Elektrode fungierenden elektrisch leitenden Schicht ist vorzugsweise sehr viel kleiner als die Dicke der Randschicht des Plasmas. Die elektrisch leitende Schicht weist bevorzugt eine Dicke von weniger als 1 mm, insbesondere im Bereich von 1 µm bis 1 mm, auf. Beispielsweise kann die Dicke der elektrisch leitenden Schicht etwa 30 µm betragen.The thickness of the electrically conductive layer acting as an electrode is preferably much smaller than the thickness of the surface layer of the plasma. The electrically conductive layer preferably has a thickness of less than 1 mm, in particular in the range of 1 .mu.m to 1 mm. For example, the thickness of the electrically conductive layer may be about 30 μm.

Bei einer Ausführungsform weist die Plasmasonde eine auf der Vorderseite der Grundplatte angeordnete isolierende Blende auf, welche die Grundplatte seitlich überragt. Bei dieser Ausführungsform ist die isolierende Blende dazu vorgesehen, einen auf die Vorderseite der Plasmasonde gerichteten Ionenstrahl derart abzuschirmen, dass die Ionen des Ionenstrahls nicht auf die elektrisch leitende Schicht auftreffen. Dies ist dann vorteilhaft, wenn die Plasmasonde nicht zur Messung der Energie- oder Ionenflussdichte des Ionenstrahls der Plasmaionenquelle, sondern zur Messung des Ionensättigungsstroms des Hintergrundplasmas verwendet werden soll. Bei dieser Ausgestaltung überragt die Blende die Grundplatte um einen Wert, der mindestens gleich einer Dicke der Randschicht des Plasmas ist. Insbesondere überragt die Blende die Grundplatte um mindestens 0,1 mm, beispielsweise um 0,1 mm bis 10 mm, bevorzugt um 1 mm bis 10 mm.In one embodiment, the plasma probe has an insulating cover arranged on the front side of the base plate, which projects laterally beyond the base plate. In this embodiment, the insulating diaphragm is provided to shield an ion beam directed toward the front of the plasma probe so that the ions of the ion beam do not impinge on the electrically conductive layer. This is advantageous if the plasma probe is not to be used to measure the energy or ion flux density of the ion beam of the plasma ion source but to measure the ion saturation current of the background plasma. In this embodiment, the aperture projects beyond the base plate by a value which is at least equal to a thickness of the surface layer of the plasma. In particular, the aperture projects beyond the base plate by at least 0.1 mm, for example by 0.1 mm to 10 mm, preferably by 1 mm to 10 mm.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den 1 bis 4 näher erläutert. The invention will be described below with reference to embodiments in connection with 1 to 4 explained in more detail.

Es zeigen: Show it:

1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine Plasmasonde gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, 1 a schematic representation of a cross section through a plasma probe according to a first embodiment,

2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine Plasmasonde gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, 2 a schematic representation of a cross section through a plasma probe according to a second embodiment,

3 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine Beschichtungsanlage bei einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur plasma-ionengestützten Beschichtung, und 3 a schematic representation of a cross section through a coating system in an embodiment of the method for plasma-ion-supported coating, and

4 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine Beschichtungsanlage bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur plasma-ionengestützten Beschichtung. 4 a schematic representation of a cross section through a coating system in a further embodiment of the method for plasma-ion-supported coating.

Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.Identical or equivalent components are each provided with the same reference numerals in the figures. The components shown and the size ratios of the components with each other are not to be considered as true to scale.

Die in 1 schematisch im Querschnitt dargestellte Plasmasonde 21 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel weist eine elektrisch isolierende Grundplatte 2 mit einer Vorderseite 11 und einer Rückseite 12 auf. Die Grundplatte 2 ist vorteilhaft zylindrisch ausgeführt, das heißt sie weist einen kreisförmigen Querschnitt auf. Alternativ ist es aber auch möglich, dass die Grundplatte einen nicht kreisförmigen Querschnitt aufweist, insbesondere in Form eines Vielecks wie beispielsweise einem Quadrat. Der Durchmesser der Grundplatte beträgt zwischen 0,5 cm und 10 cm, insbesondere zwischen 2 cm und 4 cm, beispielsweise etwa 3 cm. In the 1 schematically shown in cross-section plasma probe 21 According to a first embodiment, an electrically insulating base plate 2 with a front side 11 and a back 12 on. The base plate 2 is advantageously cylindrical, that is, it has a circular cross-section. Alternatively, it is also possible that the base plate has a non-circular cross-section, in particular in the form of a polygon such as a square. Of the Diameter of the base plate is between 0.5 cm and 10 cm, in particular between 2 cm and 4 cm, for example about 3 cm.

Die Rückseite 12 der Grundplatte 2 ist mit einer elektrisch leitenden Metallschicht 3 versehen, welche eine Elektrode der Plasmasonde 21 ausbildet. Die Metallschicht 3 ist über einen elektrisch leitenden Kontaktstift 5 kontaktiert, der mit einer elektrisch isolierenden Umhüllung 4 ummantelt ist. The backside 12 the base plate 2 is with an electrically conductive metal layer 3 provided, which is an electrode of the plasma probe 21 formed. The metal layer 3 is via an electrically conductive contact pin 5 contacted with an electrically insulating sheath 4 is sheathed.

Durch den metallischen Kontaktstift 5 kann die als Elektrode fungierende elektrisch leitende Schicht 3 insbesondere auf ein negatives elektrisches Potential gebracht werden, d.h. es kann eine negative Vorspannung angelegt werden. Der Kontaktstift 5 ist vorteilhaft zentrisch an der elektrisch leitenden Schicht angebracht und weist beispielsweise eine Länge von etwa 3 cm auf. An einer der Grundplatte 2 gegenüber liegenden Seite des Kontaktstifts 5 ist ein lösbares Verbindungsbauteil 6 angebracht, welches zum elektrischen Anschluss und zur mechanischen Befestigung der Plasmasonde 21 dient. Through the metallic contact pin 5 may be the electrically conductive layer acting as an electrode 3 in particular be brought to a negative electrical potential, ie it can be applied a negative bias. The contact pin 5 is advantageously mounted centrally on the electrically conductive layer and has for example a length of about 3 cm. At one of the base plate 2 opposite side of the contact pin 5 is a detachable connection component 6 attached, which for electrical connection and mechanical attachment of the plasma probe 21 serves.

Die Plasmasonde 21 ist dazu vorgesehen, bei einem plasmaionengestützten Beschichtungsverfahren, bei dem eine Plasmaionenquelle eingesetzt wird, mindestens eine Plasmakenngröße in der Nähe des zu beschichtenden Substrats zu messen. Hierzu wird die Plasmasonde 21 vorteilhaft derart in die Vakuumkammer einer Beschichtungsanlage eingebaut, dass sie nur einen sehr geringen vertikalen Abstand von der Substratebene aufweist. Vorzugsweise beträgt der vertikale Abstand von der Substratebene nur weniger als 10 cm. Die Plasmasonde 21 wird in Bezug auf den in 1 durch Pfeile symbolisierten Ionenstrahl 1 der Plasmaionenquelle derart angeordnet, dass die Vorderseite 11 der Grundplatte 2 dem Ionenstrahl 1 zugewandt ist. Vorzugsweise wird die Plasmasonde 21 derart angeordnet, dass die Vorderseite 11 der Grundplatte 2 im Wesentlichen senkrecht zum Ionenstrahl 1 ist. The plasma probe 21 is intended to measure at least one plasma parameter in the vicinity of the substrate to be coated in a plasma ion-supported coating method in which a plasma ion source is used. For this purpose, the plasma probe 21 advantageously installed in the vacuum chamber of a coating system such that it has only a very small vertical distance from the substrate plane. Preferably, the vertical distance from the substrate plane is only less than 10 cm. The plasma probe 21 will be in terms of in 1 symbolized by arrows ion beam 1 the plasma ion source arranged such that the front 11 the base plate 2 the ion beam 1 is facing. Preferably, the plasma probe 21 arranged such that the front 11 the base plate 2 essentially perpendicular to the ion beam 1 is.

Über der elektrisch leitenden Schicht 3 bildet sich im Betrieb eine Randschicht 8 des Plasmas aus. Die Randschicht 8 des Plasmas ist oberhalb der elektrisch leitenden Schicht 3 in weiten Bereichen planar mit einer Randschichtdicke von etwa 1 mm bis 3 mm. Over the electrically conductive layer 3 During operation, a boundary layer is formed 8th of the plasma. The boundary layer 8th of the plasma is above the electrically conductive layer 3 in many areas planar with an edge layer thickness of about 1 mm to 3 mm.

Entlang des Umfangs der elektrisch leitenden Schicht 3 weist die Randschicht 8 einen konvexen Bereich 7 auf, deren Rand 9 im Querschnitt im Wesentlichen halbkreisförmig ist, wobei der äußere Rand der elektrisch leitenden Schicht 3 den Mittelpunkt des Halbkreises bildet. Hierbei wird angenommen, dass die elektrisch leitende Schicht 3 wesentlich dünner als die Dicke der Randschicht 8 ist, wobei die elektrisch leitende Schicht 3 vorzugsweise dünner als 1 mm, bevorzugt dünner als 100 µm, ist. Die Dicke der elektrisch leitenden Schicht 3 kann beispielsweise 30 µm betragen. Der konvexe Bereich 7, der durch den im Wesentlichen halbkreisförmigen Rand 9 begrenzt wird, wird bei der Plasmasonde 21 vorteilhaft zur Umlenkung der den konvexen Bereich 7 der Randschicht 8 passierenden Ionen des Ionenstrahls 1 genutzt. Insbesondere werden die Ionen, welche den konvexen Randbereich 7 der Randschicht 8 passieren, durch das elektrische Feld in der Randschicht 8 auf die durch die elektrisch leitende Schicht 3 gebildete Elektrode gelenkt. Die auf die Elektrode gelenkten Ionen lösen dort zusätzlich zum Ionensättigungsstrom des Hintergrundplasmas einen Strom aus. Aus dem auf diese Weise erzeugten Signal kann die Energie- und/oder Ionenflussdichte des Ionenstrahls 1 bestimmt werden.Along the circumference of the electrically conductive layer 3 has the boundary layer 8th a convex area 7 on, its edge 9 is substantially semicircular in cross-section, wherein the outer edge of the electrically conductive layer 3 forms the center of the semicircle. It is assumed that the electrically conductive layer 3 much thinner than the thickness of the surface layer 8th is, wherein the electrically conductive layer 3 preferably thinner than 1 mm, preferably thinner than 100 μm. The thickness of the electrically conductive layer 3 can be for example 30 microns. The convex area 7 passing through the essentially semicircular edge 9 is limited, is at the plasma probe 21 advantageous for deflecting the convex portion 7 the boundary layer 8th passing ions of the ion beam 1 used. In particular, the ions which are the convex edge region 7 the boundary layer 8th happen through the electric field in the surface layer 8th on through the electrically conductive layer 3 steered electrode formed. The ions directed onto the electrode release a current in addition to the ion saturation current of the background plasma. From the signal generated in this way, the energy and / or ion flux density of the ion beam 1 be determined.

In 2 ist eine alternative Ausführungsform einer Plasmasonde schematisch im Querschnitt dargestellt. Die Plasmasonde 22 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 2 unterscheidet sich von der Plasmasonde 21 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 dadurch, dass auf die Vorderseite 11 der Grundplatte 2 eine isolierende Blende 13 aufgebracht ist. Die Blende 13 ist derart ausgebildet, dass sie die Grundplatte 2 seitlich mindestens um einen derart großen Abstand überragt, dass der Abstand mindestens der Dicke der Randschicht 8 des Plasmas entspricht. Vorteilhaft überragt die Blende die Grundplatte seitlich um mindestens 0,1 mm, bevorzugt um mindestens 1 mm. Die Blende 13 kann wie die Grundplatte 2 als zylinderförmige Scheibe ausgebildet sein, wobei die Blende 13 zentrisch zur Grundplatte 2 angeordnet ist und einen um mindestens 0,1 mm, bevorzugt mindestens 1 mm größeren Durchmesser aufweist. In 2 an alternative embodiment of a plasma probe is shown schematically in cross section. The plasma probe 22 according to the embodiment of the 2 is different from the plasma probe 21 according to the embodiment of the 1 in that on the front 11 the base plate 2 an insulating panel 13 is applied. The aperture 13 is formed such that it the base plate 2 laterally surmounted by at least such a large distance that the distance is at least the thickness of the surface layer 8th of the plasma. Advantageously, the panel projects laterally beyond the base plate by at least 0.1 mm, preferably by at least 1 mm. The aperture 13 can like the base plate 2 be designed as a cylindrical disc, wherein the aperture 13 centric to the base plate 2 is arranged and has a diameter greater by at least 0.1 mm, preferably at least 1 mm.

Bei dieser Ausführungsform der Plasmasonde 22 verhindert die Blende 13, dass die Ionen des Ionenstrahls 1 in den konvexen Randbereich 7 der Randschicht 8 des Plasmas eindringen, sodass sie nicht in dem konvexen Randbereich 7 abgelenkt werden und die als Elektrode fungierende elektrisch leitende Schicht 3 nicht erreichen. Auf diese Weise ist die in 2 dargestellte Ausführungsform der Plasmasonde 22 von den Ionen des Ionenstrahls 1 abgeschattet. Da die elektrisch leitende Schicht 3 durch die Blende 13 von dem gerichteten Ionenstrahl 1 der Plasmaionenquelle abgeschattet ist, wird die elektrisch leitende Schicht 3 nur von den Ionen des Hintergrundplasmas getroffen. Diese Ausführungsform der Plasmasonde 22 ist daher dazu geeignet, einen Sättigungsstrom von Ionen eines Hintergrundplasmas zu messen. In this embodiment, the plasma probe 22 prevents the aperture 13 that the ions of the ion beam 1 in the convex edge area 7 the boundary layer 8th penetrate the plasma, so they are not in the convex edge area 7 be deflected and acting as an electrode electrically conductive layer 3 do not reach. In this way, the in 2 illustrated embodiment of the plasma probe 22 from the ions of the ion beam 1 shadowed. As the electrically conductive layer 3 through the aperture 13 from the directed ion beam 1 the plasma ion source is shaded, becomes the electrically conductive layer 3 only hit by the ions of the background plasma. This embodiment of the plasma probe 22 is therefore suitable for measuring a saturation current of ions of a background plasma.

Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen entspricht die in 2 dargestellte Plasmasonde ansonsten dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel. With regard to further advantageous embodiments, the in 2 shown plasma probe otherwise the in 1 illustrated embodiment.

Die in den 1 und 2 dargestellten Plasmasonden 21, 22 sind aufgrund ihrer geringen Abmessungen insbesondere dazu geeignet, an mehreren Stellen einer Vakuumkammer für einen plasma-ionengestützten Beschichtungsprozess angebracht zu werden. The in the 1 and 2 shown plasma probes 21 . 22 Because of their small dimensions, they are particularly suitable for being mounted at several points of a vacuum chamber for a plasma-ion-supported coating process.

Die 3 zeigt schematisch eine Beschichtungsanlage zur Durchführung eines plasma-ionengestützten Beschichtungsverfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel. The 3 schematically shows a coating system for performing a plasma-ion-supported coating method according to an embodiment.

Die Beschichtungsanlage weist eine Vakuumkammer 14 auf, die beispielsweise in einem oberen Teil einen Substrathalter 18 zur Aufnahme von einem oder mehreren Substraten 19 aufweist, die mit dem plasma-ionengestützten Beschichtungsverfahren beschichtet werden sollen. Der Substrathalter 18 kann beispielsweise um eine Drehachse 24 rotierbar sein. Weiterhin weist die Vakuumkammer ein oder mehrere Verdampfungsquellen 16 auf, um Dampfstrahlen 17 von einem oder mehreren Beschichtungsmaterialien zu erzeugen, die als Schicht 20 oder Schichtsystem auf dem Substrat 19 abgeschieden werden sollen. Die Verdampfungsquellen 16 können beispielsweise eine thermische Verdampfungsquelle und/oder eine Elektronenstrahl-Verdampfungsquelle aufweisen. The coating system has a vacuum chamber 14 on, for example, in an upper part of a substrate holder 18 for receiving one or more substrates 19 which are to be coated by the plasma-ion-supported coating process. The substrate holder 18 can, for example, about a rotation axis 24 be rotatable. Furthermore, the vacuum chamber has one or more evaporation sources 16 on to steam jets 17 of one or more coating materials to be produced as a layer 20 or layer system on the substrate 19 to be separated. The evaporation sources 16 For example, they may include a thermal evaporation source and / or an electron beam evaporation source.

Weiterhin ist die Vakuumkammer 14 mit einer Plasmaionenquelle 15 ausgestattet, die einen auf das Substrat 19 gerichteten Ionenstrahl 1 erzeugt, um während des Aufwachsens einer Schicht 20 einen Energieeintrag in die aufwachsende Schicht 20 zu bewirken. Die Plasmaionenquelle 15 kann beispielsweise zentrisch unter dem Substrathalter 18 angeordnet sein, wobei die Verdampfungsquellen 16 um die Plasmaionenquelle 15 herum angeordnet sind. Furthermore, the vacuum chamber 14 with a plasma ion source 15 equipped, one on the substrate 19 directed ion beam 1 generated during the growth of a layer 20 an energy input into the growing layer 20 to effect. The plasma ion source 15 For example, it can be centered under the substrate holder 18 be arranged, the evaporation sources 16 around the plasma ion source 15 are arranged around.

Die Beschichtungsanlage und eine geeignete Plasmaionenquelle 15 sind aus den in der Einleitung zitierten Druckschriften an sich bekannt und werden daher nicht näher im Detail erläutert. The coating system and a suitable plasma ion source 15 are known per se from the documents cited in the introduction and are therefore not explained in detail.

Das hierin beschriebene plasma-ionengestützte Beschichtungsverfahren unterscheidet sich von herkömmlichen plasma-ionengestützten Beschichtungsverfahren insbesondere dadurch, dass während eines Beschichtungsvorgangs Plasmakenngrößen des mittels der Plasmaionenquelle 15 erzeugten Plasmas mittels Plasmasonden 21, 22, 23 erfasst werden. The plasma-ion-supported coating method described here differs from conventional plasma-ion-supported coating methods in particular in that, during a coating process, plasma parameters of the plasma ion source are determined by means of the plasma ion source 15 generated plasma by means of plasma probes 21 . 22 . 23 be recorded.

Hierzu ist bei dem Ausführungsbeispiel der 3 eine Plasmasonde 23 in der Nähe der Plasmaionenquelle 15 angeordnet. Die Plasmasonde 23 weist einen Abstand von vorzugsweise nicht mehr als 10 cm von der Plasmaionenquelle 15 auf und wird daher im Folgenden als quellennahe Plasmasonde 23 bezeichnet. Die Plasmasonde 23 ist vorzugsweise als Tripelsonde mit drei Elektroden ausgeführt. Eine solche Tripelsonde ist dem Fachmann an sich bekannt und wird daher nicht näher erläutert. Die bei dem hierin beschriebenen Verfahren benutzte Tripelsonde 23 wird im Vergleich zu herkömmlichen Tripelsonden vorteilhaft vergleichsweise großflächig ausgeführt. Die großflächige Ausführung hat den Vorteil, dass ein Materialabtrag von der Plasmasonde 23 durch hochenergetische Ionen des Ionenstrahls 1 nur eine sehr geringe relative Veränderung der Fläche der Sonde durch Sputtern bewirkt. Die Plasmasonde 23 kann beispielsweise als Zylindersonde mit einem Sondenradius r von 1 mm bis 5 mm oder als planare Sonde mit einer Dicke von typischerweise 0,1 mm bis 1 mm ausgeführt sein. For this purpose, in the embodiment of the 3 a plasma probe 23 near the plasma ion source 15 arranged. The plasma probe 23 has a distance of preferably not more than 10 cm from the plasma ion source 15 and is therefore hereinafter referred to as near-source plasma probe 23 designated. The plasma probe 23 is preferably designed as a triple probe with three electrodes. Such a triple probe is known per se to the person skilled in the art and is therefore not explained in more detail. The triple probe used in the method described herein 23 is advantageously carried comparatively large compared to conventional triple probes. The large-area design has the advantage that a removal of material from the plasma probe 23 by high-energy ions of the ion beam 1 only a very small relative change of the surface of the probe caused by sputtering. The plasma probe 23 For example, it can be designed as a cylindrical probe with a probe radius r of 1 mm to 5 mm or as a planar probe with a thickness of typically 0.1 mm to 1 mm.

Weiterhin weist die Vakuumkammer 14 zwei Plasmasonden 21, 22 auf, die in der Nähe des Substrats 20 angeordnet sind und deshalb als substratnahe Plasmasonden bezeichnet werden. Die substratnahe Plasmasonde 21 ist wie die in 1 dargestellte Plasmasonde 21 aufgebaut und dient insbesondere zur Messung der Energie- und/oder Ionenflussdichte des von der Plasmaionenquelle 15 erzeugten Ionenstrahls 1. Die weitere Plasmasonde 22 entspricht der in 2 dargestellten Plasmasonde 22 und ist insbesondere dazu vorgesehen, den Sättigungsstrom der Ionen des Hintergrundplasmas zu messen. Furthermore, the vacuum chamber 14 two plasma probes 21 . 22 on that near the substrate 20 are arranged and therefore referred to as substrate near plasma probes. The substrate-near plasma probe 21 is like that in 1 illustrated plasma probe 21 constructed and used in particular for measuring the energy and / or ion flux density of the plasma ion source 15 generated ion beam 1 , The further plasma probe 22 corresponds to the in 2 shown plasma probe 22 and is particularly intended to measure the saturation current of the ions of the background plasma.

Es hat sich herausgestellt, dass die von den substratnahen Plasmasonden 21, 22 und die von der quellennahen Plasmasonde 23 erfassten Plasmakenngrößen miteinander korreliert sind. Beispiele für korrelierende Maßzahlen sind eine mittels der quellennahen Plasmasonde 23 bestimmte Leistung P_A = U_ftsJ_sts und eine mittels der substratnahen Plasmasonden 21, 22 bestimmte Leistung P_S = P_B + P_N + P_I, mit P_B = (U_fts + U_mts + U_fs1) J_bi, P_N = (U_fts + U_mts) J_bn und P_I = U_fs1 J_pi. Hierbei sind J_sts der Strahlionenstrom an der quellennahen Plasmasonde 23, U_fts die Floatingspannung der quellennahen Plasmasonde 23, U_mts die Spannung der quellennahen Plasmasonde 23 zu Masse, U_fs1 die Floatingspannung der substratnahen Plasmasonde 21, J_bi der Sättigungsstrom der Strahlionen an der substratnahen Plasmasonde 21, J_bn ein durch Neutralteilchen verursachter äquivalenter Strom an der substratnahen Plasmasonde 21 und J_pi der Sättigungsstrom der Plasmaionen an der substratnahen Plasmasonde 22. Dadurch, dass die Größen P_A und P_S miteinander korreliert sind, kann eine Steuereinheit 25 jeweils die messtechnisch aufgrund der Signalstärke günstigere Größe als Steuergröße für den Beschichtungsprozess heranziehen.It has been found that the of the substrate near plasma probes 21 . 22 and the near-source plasma probe 23 captured plasma parameters are correlated with each other. Examples of correlating measures are a near-source plasma probe 23 certain power P _A = U _fts J _sts and one by means of the substrate near plasma probes 21 . 22 certain power P _S = P _B + P _N + P _I , _where P _B = (U _fts + U _mts + U _fs1 ) J _bi , P _N = (U _fts + U _mts ) J _bn and P _I = U _fs1 J _pi . In this case, J _{sts are} the beam ion current at the source-near plasma probe 23 , U _is the floating voltage of the near-source plasma probe 23 , U _mts the voltage of the near-source plasma probe 23 to ground, U _fs1 the floating voltage of the substrate-near plasma probe 21 , J _bi the saturation current of the beam ions at the substrate-near plasma probe 21 , J _{bn is} an equivalent current caused by neutral particles on the substrate-near plasma probe 21 and J _{pi is} the saturation current of the plasma ions at the substrate-near plasma probe 22 , Characterized in that the sizes P _A and P _S are correlated with each other, a control unit 25 in each case use the metrologically, due to the signal strength more favorable size as a control variable for the coating process.

Die von den Plasmasonden 21, 22, 23 erfassten Plasmakenngrößen werden von der Steuereinheit 25 der Beschichtungsanlage dazu verwendet, den Beschichtungsprozess zu steuern. In Verbindung mit weiteren Parametern des Beschichtungsprozesses (z.B. Entladungsspannung, Entladungsstrom, Biasspannung, Kathoden-Heizleistung, Magnetspulenstrom und Gasfluss der Plasmaionenquelle 15, Druck und Temperatur in der Vakuumkammer 14) können direkte Steuerungsgrößen für den lokalen Brechungsindex der Schicht 20 erhalten werden. Die von den Plasmasonden 21, 22 erfassten Plasmakenngrößen können insbesondere zur Feinabstimmung der weiteren Anlagenparameter verwendet werden, um die Schichteigenschaften wie insbesondere den Brechungsindex gezielt zu steuern.The of the plasma probes 21 . 22 . 23 Recorded plasma parameters are from the control unit 25 the coating plant used to control the coating process. In conjunction with other parameters of the Coating process (eg discharge voltage, discharge current, bias voltage, cathode heating power, solenoid coil current and gas flow of the plasma ion source 15 , Pressure and temperature in the vacuum chamber 14 ) can be direct control variables for the local refractive index of the layer 20 to be obtained. The of the plasma probes 21 . 22 acquired plasma parameters can be used in particular for fine-tuning the other system parameters in order to control the layer properties such as in particular the refractive index targeted.

Ein Zusammenhang zwischen den Steuerungsgrößen und den Schichteigenschaften wie insbesondere dem Brechungsindex kann durch eine angemessene Anzahl von Kalibrierungs-Beschichtungen ermittelt werden. Dies ermöglicht es insbesondere, Brechungsindexprofile nach Vorgabe mit einer wesentlich höheren Genauigkeit und Reproduzierbarkeit zu erzeugen, als dies bei einer Steuerung ohne eine direkte Messung von Plasmakenngrößen mittels der Plasmasonden 21, 22, 23 der Fall wäre.A correlation between the control parameters and the layer properties, in particular the refractive index, can be determined by an appropriate number of calibration coatings. This makes it possible in particular to produce refractive index profiles as specified with a much higher accuracy and reproducibility than in the case of a controller without a direct measurement of plasma parameters by means of the plasma probes 21 . 22 . 23 the case would be.

In 4 ist eine Abwandlung der in 3 dargestellten Beschichtungsanlage für das plasma-ionengestützte Beschichtungsverfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel der 3 dadurch, dass anstelle der substratnahen Plasmasonde 21 drei gleichartige Plasmasonden 21a, 21b, 21c in der Nähe des Substrats 19 angeordnet sind. Die substratnahen Plasmasonden 21a, 21b, 21c, 22 sind wie die in 1 dargestellte Plasmasonde 21 aufgebaut, und die weitere substratnahe Plasmasonde 22 ist wie das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel aufgebaut. In 4 is a variation of the in 3 illustrated coating system for the plasma-ion-based coating method according to an embodiment. This embodiment differs from the embodiment of FIG 3 in that instead of the substrate-near plasma probe 21 three similar plasma probes 21a . 21b . 21c near the substrate 19 are arranged. The substrate-near plasma probes 21a . 21b . 21c . 22 are like those in 1 illustrated plasma probe 21 constructed, and the other substrate-near plasma probe 22 is like that in 2 illustrated embodiment constructed.

Die drei gleichartigen Plasmasonden 21a, 21b, 21c dienen zur Messung der Energie- und/oder Ionenflussdichte des von der Plasmaionenquelle 15 erzeugten Ionenstrahls 1. Um diese für die Beschichtung wichtige Plasmakenngröße an unterschiedlichen Positionen des Substrathalters 18 zu erfassen, sind die Plasmasonden 21a, 21b, 21c vorteilhaft in verschiedenen radialen Abständen von einer Hauptemissionsrichtung der Plasmaionenquelle 15 angeordnet. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Substrathalter 18 an verschiedenen Positionen mit Substraten 19 bestückt wird, um die Schichteigenschaften wie insbesondere den Brechungsindex gezielt anhand der an der jeweiligen Position ermittelten Plasmakenngrößen steuern zu können.The three similar plasma probes 21a . 21b . 21c are used to measure the energy and / or ion flux density of the plasma ion source 15 generated ion beam 1 , To this important for the coating plasma characteristic at different positions of the substrate holder 18 to capture are the plasma probes 21a . 21b . 21c advantageously at different radial distances from a main emission direction of the plasma ion source 15 arranged. This is particularly advantageous when the substrate holder 18 at different positions with substrates 19 is equipped to control the layer properties such as in particular the refractive index targeted on the basis of the determined at the respective position plasma characteristics.

Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.The invention is not limited by the description with reference to the embodiments. Rather, the invention encompasses any novel feature as well as any combination of features, including in particular any combination of features in the claims, even if this feature or combination itself is not explicitly stated in the claims or exemplary embodiments.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 4020158 A1 [0002, 0010]
DE 102011103464 B4 [0002, 0010]

Claims

Plasma-ion-based coating process in which - in a vacuum chamber ( 14 ) by means of an evaporation source ( 16 ) a steam jet ( 17 ) of a coating material which is used to deposit a layer ( 20 ) on a substrate ( 19 ) is directed onto the substrate during a coating process ( 19 ) directed ion beam ( 1 ) for energy input into the layer ( 20 ) by means of a plasma ion source ( 15 ), - at least one plasma parameter during the coating process by means of at least one plasma probe ( 21 . 22 . 23 ), and - the measured plasma characteristic or a measure calculated from the plasma parameter from a control device ( 25 ) is used to control the coating process.

Plasma-ion-based coating method according to claim 1, wherein the plasma characteristic an energy density and / or an ion flux density of the ion beam ( 1 ).

A plasma ion-assisted coating method according to claim 1 or 2, wherein a plurality of plasma characteristics are measured, wherein the plasma characteristics comprise one or more of the following: energy density of the ion beam ( 1 ), Ion flux density of the ion beam ( 1 ), Flux density of ions of a background plasma, flux density of neutral particles.

Plasma-ion-based coating method according to one of the preceding claims, wherein a near-source plasma probe ( 23 ) at a distance of not more than 10 cm from an exit opening of the plasma ion source ( 15 ) is arranged.

Plasma-ion-based coating method according to claim 4, wherein the near-source plasma probe ( 23 ) is a cylindrical probe with a probe radius between 1 mm and 5 mm.

Plasma-ion-based coating method according to claim 4, wherein the near-source plasma probe ( 23 ) is a planar probe with a probe thickness between 0.1 mm and 1 mm.

Plasma-ion-supported coating method according to one of the preceding claims, wherein at least one substrate-near plasma probe ( 21 . 22 ) at a vertical distance of not more than 10 cm from the substrate ( 19 ) is arranged.

Plasma-ion-based coating method according to claim 7, wherein a plurality of substrate-near plasma probes ( 21a . 21b . 21c ) at a vertical distance of not more than 10 cm from the substrate ( 19 ) at different radial distances to a main emission direction of the plasma ion source ( 15 ) are arranged.

Plasma-ion-based coating method according to claim 7 or 8, wherein at least two substrate-near plasma probes ( 21 . 22 ), wherein at least one substrate-near plasma probe ( 22 ) through a diaphragm ( 13 ) of the ion beam ( 1 ) of the plasma ion source ( 15 ) is shadowed.

Plasma probe ( 21 . 22 ) for monitoring a plasma-ion-supported coating method, comprising: - an electrically insulating base plate ( 2 ) with a front side ( 11 ) and a back ( 12 ), - one at the back ( 12 ) of the base plate ( 2 ) arranged electrically conductive layer ( 3 ), - one with the electrically conductive layer ( 3 ) connected contact pin ( 5 ), on the back ( 12 ) of the base plate ( 2 ) is arranged and an electrically insulating sheath ( 4 ), and - one on the contact pin ( 5 ) arranged connecting component ( 6 ) for the electrical connection and for fixing the plasma probe ( 21 . 22 ).

Plasma probe according to claim 10, wherein the base plate ( 2 ) has a lateral dimension of 0.5 cm to 10 cm.

Plasma probe according to claim 10 or 11, wherein the base plate ( 2 ) has a thickness of 1 mm to 3 mm.

Plasma probe according to one of claims 10 to 12, wherein the metal layer ( 3 ) has a thickness of less than 1 mm.

Plasma probe according to one of claims 10 to 13, wherein the plasma probe ( 22 ) one on the front ( 11 ) of the base plate ( 2 ) arranged insulating diaphragm ( 13 ), which the base plate ( 2 ) surmounted laterally.

Plasma probe according to one of the preceding claims, wherein the diaphragm ( 13 ) the base plate ( 2 ) projects laterally by at least 0.1 mm to 10 mm.