DE10254427A1

DE10254427A1 - Beschichtungsanlage und Verfahren zur Beschichtung

Info

Publication number: DE10254427A1
Application number: DE2002154427
Authority: DE
Inventors: Claus-Peter Prof. Dr. Klages; Marko Eichler
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2002-11-21
Filing date: 2002-11-21
Publication date: 2004-06-09
Anticipated expiration: 2022-11-22
Also published as: DE10254427B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anlage zum Beschichten eines Substrats, mit einem Elektrodenpaar (1, 2) und einem dazwischen befindlichen Isolator (3), bei der die zwischen den Elektroden befindliche Gasentladungszone (4) zur Aufnahme des Substrats (5) ausgebildet ist, und mit Mitteln (6) zur Zuführung eines Gases mit schichtbildenden Substanzen in die Gasentladungszone (4) und die dadurch gekennzeichnet ist, dass Zusatzmittel (7) für die Einbringung eines Gases ohne schichtbildende Substanzen in den dem Substrat abgewandten Raumbereich (8) der Gasentladungszone vorgesehen sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beschichten eines Substrates gemäß den unabhängigen Ansprüchen 1 und 8. Solche Verfahren werden angewandt, um dünne Schichten bei Atmosphärendruck mittels einer Barrierenentladung abzuscheiden. Die Anwendungsfelder liegen zum Beispiel bei relativ billigen Polymermaterialien für Verpackungszwecke, Metallbleche oder in biomedizinischen Anwendungen.

Unter einer dielektrisch behinderten Entladung oder Barrierenentladung versteht man eine Gasentladung, wobei zwischen zwei spannungsführenden Elektroden wie in 1 gezeigt mindestens ein Isolator eingebracht ist. Diese Entladungsform wird heute in der technischen Literatur häufig auch als Coronaentladung bezeichnet. 1a bezeichnet dabei den Fall, dass ein Plasma zwischen zwei isolierten Elektroden gezündet wird. In 1b ist der Fall dargestellt, dass die Barrierenentladung zwischen einer isolierten Elektrode und einer Metallelektrode statt findet. 1c behandelt schließlich den Fall einer Entladung auf beiden Seiten eines Isolators.

Aus K.G. Donohoe et. al., Proceedings of the 4^th Intern. Symposium on Plasma Chemistry, Zürich, 1979 ist ein Abscheideverfahren bekannt, bei dem bei Atmosphärendruck in einer gepulsten, dielektrisch behinderten Entladung die Polymerisation von Ethylen erfolgt.

R. Thyen et. al., Plasma-enhanced CVD of thin films by corona discharge at atmospheric pressure, Surf. Coat. Technol. Vol. 97 (1997) S. 426, sowie die DE 19505449 C2 beschreiben die Abscheidung organischer und anorganischer Schichten bei Atmosphärendruck durch Barrierenentladungen. Dazu wird zwischen mehreren mit einem elektrischen Isolator versehenen Elektroden, welche nahe am Substrat positioniert sind und einer geerdeten Gegenelektrode eine Spannung angelegt. Schichtbildende Substanzen werden dem Entladungsspalt zwischen den Elektroden gasförmig zugeführt.

Der Erfindung liegt zum einen die Aufgabe zugrunde, eine Beschichtungsanlage sowie ein Beschichtungsverfahren zur Verfügung zu stellen, bei welcher die Verschmutzung der Arbeitselektroden mit schichtbildenden Substanzen gering ist, so dass Reinigungs- und Wartungszyklen vergrößert werden. Weiterhin besteht die Aufgabe darin, die Beschichtung großflächiger Substrate in einem Arbeitsgang zu ermöglichen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine PA-CVD-Anlage zum Beschichten eines Substrats, mit einem Elektrodenpaar und einem dazwischen befindlichen Isolator, bei der die zwischen den Elektroden befindliche Gasentladungszone zur Aufnahme des Substrats ausgebildet ist, und mit Mitteln zur Zuführung eines Gases mit schichtbildenden Substanzen in die Gasentladungszone, dadurch gekennzeichnet, dass Zusatzmittel für die Einbringung eines Gases ohne schichtbildende Substanzen in den dem Substrat abgewandten Raumbereich der Gasentladungszone vorgesehen sind.

Ein Elektrodenpaar im Sinne dieser Erfindung besteht, wie in 1 dargestellt, aus Anode und Kathode, wobei eine oder beide Elektroden jeweils auch aus mehreren separierten Einzelteilen bestehen können. So zeigt 2 den Fall einer aus zwei Teilen 1 und 1' bestehenden ersten Elektrode mit einer gemeinsamen Gegenelektrode 2. Durch einen oder mehrere in die Gasentladungszone bzw. den Spalt 4 und 8 zwischen den Elektroden eingebrachte Isolatoren 3 hindurch kommt es nach Beaufschlagung der Elektroden mit einer Spannung 13 zu einer Barrierenentladung. Weiterhin ist das zu beschichtende Substrat 5 im Entladungsspalt angeordnet.

Die schichtbildenden Substanzen werden gasförmig durch ein Gaszufuhrsystem 6 in den Entladungsspalt eingebracht. Als gasförmig werden im Sinne dieser Erfindung auch Aerosole bezeichnet. Mögliche schichtbildende Substanzen sind z.B. gasförmige Monomere (Kohlenwasserstoffe, Fluorkohlenwasserstoffe, Si-organische, Ti-organische oder allgemein metallorganische Verbindungen). Daneben können Trägergase wie Helium oder Stickstoff beigemischt werden. Das Gas kann beispielsweise, wie in 2 gezeigt, senkrecht auf das Substrat strömen und wird durch dieses abgelenkt, so dass im Bereich der Entladungszone eine Strömung parallel zum Substrat entsteht.

Um die Verschmutzung der Arbeitselektroden mit schichtbildenden Substanzen zu unterbinden, wird gemäß 2 durch Zusatzmittel 7 ein weiteres Gas ohne schichtbildende Substanzen in den Spalt zwischen Substrat 5 und Elektroden 1, 1' in den den Elektroden zugewandten Bereich 8 eingeleitet. Die Gasentladungszone teilt sich somit in einen dem Substrat zugewandten Bereich 4 auf, welcher das Gas mit schichtbildenden Substanzen enthält und einen dem Substrat abgewandten Bereich 8, in welchem das Gas ohne schichtbildende Substanzen eine Schutzatmosphäre bildet.

Eine noch geringere Verschmutzung der Arbeitselektroden ergibt sich gemäß 3, wenn das Gas ohne schichtbildende Substanzen an der dem Substrat gegenüberliegenden Elektrode vorbeiströmt. Die Gasstrom wird dabei, z.B. durch eine Düse, so eingebracht, dass im Raumbereich 8 vor der Elektrode 1 eine Strömung vorliegt. Schichtbildende Substanzen, welche zu dieser Elektrodenoberfläche diffundieren, erfahren durch diesen Gasstrom einen Impulsübertrag und damit eine Ablenkung, wodurch sie aus dem Spalt entfernt werden.

Eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung besteht darin, dass eine oder mehrere Elektroden zur Einbringung des Gases ohne schichtbildende Substanzen gasdurchlässig ausgebildet sind. Eine solche Anordnung ist in 4 gezeigt. Das Gas ohne schichtbildende Substanzen wird von oben durch die Elektrode 1 in Richtung des Substrates 5 eingeleitet. Dadurch wird erreicht, dass der Gasstrom auch senkrecht von der Elektrodenoberfläche weg ausströmt. Damit erfahren schichtbildende Substanzen, welche auf die Elektrodenoberfläche hin diffundieren einen Impulsübertrag in Richtung des Substrates. Die Verschmutzung der Elektrode wird so besonders effektiv verhindert. Der Gasstrom mit schichtbildenden Substanzen ist in 4 mit einem schraffierten Pfeil bezeichnet. Da dieser Gasstrom parallel zum Substrat im Raumbereich 4 strömt, kommt es zur Ablenkung des Schutzgasstromes.

Eine solche gasdurchlässige Elektrode ist erhältlich, indem die Elektrode als Hohlkörper 9 ausgebildet ist, welcher substratseitig ein Gitter 10 aufweist, vergl. 5. Durch den seitlich geschlossenen Hohlkörper wird das Gas gehindert, seitlich am Gitter vorbei auszuströmen. Im Vergleich zu einer freistehenden Gitterelektrode wird somit die Geschwindigkeitskomponente in Richtung auf das Substrat vergrößert und der Gasverbrauch gemindert.

Eine mechanisch besonders robuste Elektrode wird realisiert, wenn die gasdurchlässige Elektrode aus einem porösen Metall oder einer Metalllegierung besteht.

Eine weitere Bauform stellen gasdurchlässige Elektroden aus mehreren Stäben 11 dar, deren Längsachsen weitgehend zuein ander parallel verlaufen. Solche leitfähigen Stäbe können aus Drähten oder Fasern, z.B. auch Kohlenstoff, bestehen.

Die beschriebene Anordnung von Stäben 11 kann in der Art verwendet werden, dass die Längsachse der Stäbe parallel oder senkrecht zur Substratebene verläuft.

Eine Anordnung von Stäben parallel zur Substratebene weist gegenüber einem Gitter den Vorteil der verbesserten Ebenheit auf. Dadurch entstehen keine Spitzen im Entladungsbereich, an welchen eine Feldüberhöhung auftritt. Die Entladung läuft dadurch gleichmäßig über die gesamte Elektrodenfläche ab.

6 zeigt eine Anordnung paralleler Stäbe 11 im Schnitt. Wird eine solche Anordnung in Richtung auf das Substrat orientiert, so kann das Schutzgas zwischen den Stäben hindurchströmen. Diese Form der Elektrode hat den Vorteil, dass die Stäbe am substratseitigen Ende mit Spitzen versehen werden können, vergl. 7. Durch die an den Spitzen entstehende Feldüberhöhung kann mit niedrigeren Spannungen eine Gasentladung gezündet werden.

Der Isolator 3 kann mit der gasdurchlässigen Elektrode 1 zu einem Bauteil zusammengefasst werden, indem das Gitter bzw. die Stäbe mit einer elektrischen Isolierung 12 versehen werden, vergl. 7. Eine solche Elektrode kann universell zur Beschichtung von isolierenden oder leitfähigen Substraten verwendet werden. Das Aufbringen einer Isolierung auf die Elektroden erfolgt dabei beispielsweise mit einer Tauchlackierung, dem Sol-Gel-Verfahren, CVD-Prozessen oder durch thermisches Spritzen.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Ein Substrat aus einem polierten Silizium-Wafer wird mit einer Oxidschicht aus Tetraethyl-Orthosilikat (TEOS) versehen.
Als Arbeitselektroden werden zwei Keramikrohre mit rechteckigem Querschnitt von 2 cm × 15 cm und 2 mm Wandstärke eingesetzt. Die Länge dieser Elektroden beträgt 5 cm. Am substratseitigen Ende weist das Keramikrohr ein Gitter aus handelsüblichem Kupferlackdraht auf. Die Drähte mit 0.2 mm Durchmesser laufen parallel zur längeren Seite des Keramikrohrs in 0.5 mm Abstand. Die entgegengesetzte Seite des Keramikrohrs ist bis auf einen Anschluss zur Gaszufuhr gasdicht verschlossen. Der Abstand zwischen Elektroden und Substrat wird auf 1.5 mm eingestellt.
Das Gas mit schichtbildenden Substanzen besteht aus einem Gemisch von Stickstoff und Sauerstoff im Verhältnis 4 : 1 mit einem Partialdruck von 0.8 hPa TEOS. Das Prozessgas wird mit einem Volumenfluss von 166 cm³/s bei einem Druck von 1013 hPa und einer Temperatur von 293 K zwischen den beiden Elektroden zugeführt. Das Gas ohne schichtbildende Komponenten ist Argon, welches mit einem Volumenfluss von 83 cm³/s bei einem Druck von 1013 hPa und einer Temperatur von 293 K durch die Elektroden eingeleitet wird. Aus diesen Daten kann für das Gas ohne schichtbildende Komponenten eine Strömungsgeschwindigkeit von 1.8 cm/s errechnet werden.
Für die Erzeugung des Plasmas wird an die Elektroden eine Wechselspannung von 15 kV mit einer Frequenz von 35 kHz angelegt.
Wie mittels einer ellipsometrischen Messung bestimmt wird, entsteht nach einer Beschichtungsdauer von 10 s auf diese Weise im zentralen Bereich unter einer Elektrode auf dem Substrat eine Schicht von 65 nm SiO_x. Die Beschichtungsdicke der Elektrodendrähte im mittleren Bereich der Elektrode kann mit Elektronenstrahl-Mikrosondenanalytik (EPMA) zu 3 nm bestimmt werden.
Danach wird ein Vergleichsexperiment ohne Gasspülung der Elektroden durchgeführt. Nach einer Beschichtungsdauer von 10 s wird im zentralen Bereich unter der Elektrode eine Schichtdicke von 25 nm SiO_x auf dem Substrat gemessen, die Elektrodendrähte weisen eine Schichtdicke von 30 nm auf.

Claims

Anlage zum Beschichten eines Substrats, mit einem Elektrodenpaar (1,2) und einem dazwischen befindlichen Isolator (3), bei der die zwischen den Elektroden befindliche Gasentladungszone (4) zur Aufnahme des Substrats (5) ausgebildet ist, und mit Mitteln (6) zur Zuführung eines Gases mit schichtbildenden Substanzen in die Gasentladungszone (4), dadurch gekennzeichnet, dass Zusatzmittel (7) für die Einbringung eines Gases ohne schichtbildende Substanzen in den dem Substrat abgewandten Raumbereich (8) der Gasentladungszone vorgesehen sind.
Beschichtungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrode zur Einbringung des Gases ohne schichtbildende Substanzen gasdurchlässig ausgebildet ist.
Beschichtungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gasdurchlässige Elektrode ein Hohlkörper (9) ist, welcher substratseitig ein Gitter (10) aufweist.
Beschichtungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gasdurchlässige Elektrode aus einem porösen Metall oder einer porösen Metalllegierung besteht.
Beschichtungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gasdurchlässige Elektrode aus mehreren Stäben (11) besteht deren Längsachsen weitgehend zueinander parallel verlaufen.
Beschichtungsanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachse der Stäbe parallel oder senkrecht zur Substratebene verläuft.
Beschichtungsanlage nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gitter bzw. die Stäbe mit einer elektrischen Isolierung (12) versehen sind.
Verfahren zum Beschichten eines Substrats, bei dem ein Elektrodenpaar (1,2) mit einem dazwischen befindlichen Isolator (3) spannungsbeaufschlagt wird, bei der der zwischen den Elektroden befindlichen Gasentladunszone (4), in welche das Substrat (5) eingebracht wird, ein Gas mit schichtbildenden Substanzen zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in den dem Substrat abgewandten Raumbereich (8) der Gasentladungszone ein Gas ohne schichtbildende Substanzen eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas ohne schichtbildende Substanzen durch eine gasdurchlässige Elektrode in den Gasenentladungsraum eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas ohne schichtbildende Substanzen an der dem Substrat gegenüberliegenden Elektrode vorbeiströmt.