DE19532435A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Erzeugen eines Plasmas - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zum Erzeugen eines PlasmasInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfah
ren zum Erzeugen eines Plasmas für die Behandlung von
Substraten in einer Vakuumkammer durch hochfrequente elek
tromagnetische Wellen nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1 bzw. 9.
Derartige Vorrichtungen können zur Plasmabehandlung oder
zur Abscheidung vom Schichten, z. B. Plasmapolymerschich
ten, Hartstoffschichten usw. verwendet werden.
Bei der Plasmapolymerisation können zur Anregung des Plas
mas sowohl Mikrowellen wie auch Radiofrequenzstrahlungen
im unteren Megahertzbereich eingesetzt werden. Für indu
strielle Anwendungen haben sich aber aufgrund der wesent
lich höheren und dadurch industrierelevanten Abscheiderate
Mikrowellenanregungen durchgesetzt. Mikrowellen haben
jedoch den Nachteil, daß ihre Wellenlänge in der Größen
ordnung der Abmessungen der zu beschichtenden Werkstücke
liegt (bei 2,45 GHz beträgt die Wellenlänge ca. 12 cm).
Dadurch ist ein großflächiges, homogenes Plasma - und
damit eng verbunden auch eine homogene Schicht im Hinblick
auf Schichtdicke und Schichtchemie - nur schwer zu errei
chen. Verschiedene Entwicklungsarbeiten haben sich daher
mit der Plasmahomogenisierung beschäftigt:
- - Es wurde bereits versucht, durch Kombination von Mikro wellen mit Hochfrequenzanregungen eine Verbesserung zu erreichen. Hiermit wurde aber bisher lediglich ein Reaktor für Substrate bis 15 cm Durchmesser realisiert.
- - Ein weiterer Ansatz, das Mikrowellenplasma durch den Einsatz weiterer elektrischer oder magnetischer Felder zu stabilisieren und zu homogenisieren ist die Nutzung der Elektron/Cyclotron-Resonanz (DE-41 36 297 A). Die ser Effekt kann allerdings nur bei sehr niedrigem Druck verwendet werden. Bei diesem geringen Druckbereich sind jedoch die Aufwendungen für große Pumpen und die Pro zeßsicherheit durch mögliche Vakuumlecks problematisch.
- - Eine andere Möglichkeit, homogene Plasmen zu erzeugen, ist die Aneinanderreihung kleiner Plasmaquellen oder die Aufweitung des Mikrowellenfeldes mittels Hornstrah ler. Jedoch sind bisher bei diesem Verfahren noch keine anwendungsreifen, großflächige Beschichtungen erreicht worden.
- - Möglich ist auch die Auskopplung von Mikrowellenstrah lung aus einem Hohlleiter mittels der sogenannten "Slow-wave-structure" (DE 31 47 986 A). Hierbei wird die Mikrowellenstrahlung aus der Breitseite eines Hohl leiters durch einen Schlitz ausgekoppelt. Die Slow wave-structure-Auskopplung kann auch durch einzelne Antennen ersetzt werden. Mit diesem Verfahren konnten jedoch keine großflächigen Plasmen mit ausreichender Homogenität erreicht werden. Darüber hinaus befindet sich bei allen diesen Verfahren das Substrat innerhalb der Mikrowellenstrahlung, wodurch strahlungsempfindli che Materialien, wie z. B. Polylactide, nicht beschich tet oder behandelt werden können.
Maßnahmen zur Homogenisierung eines Mikrowellenplasmas
sind aus der DE 41 32 556 A, der DD 2 63 648 A und der
DE 41 26 216 A bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
bzw. ein Verfahren zum Erzeugen eines Plasmas anzugeben,
mit denen eine Verbesserung der Homogenität der Deposition
auf einem Substrat erreichbar ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale des An
spruchs 1 bzw. 9.
Die Erfindung sieht in vorteilhafter Weise vor, daß die
das Substrat enthaltende Beschichtungszone in der Vakuum
kammer in Querrichtung zur Einkopplungsrichtung der elek
tromagnetischen Wellen neben der in dem Reaktionsraum
befindlichen Plasmazone angeordnet ist.
Der wesentliche Vorteil besteht darin, daß das Substrat
außerhalb der Plasmazone angeordnet ist und nur von den
Plasmareaktionsprodukten erreicht wird. Das Substrat be
findet sich außerhalb der Strahlung der elektromagneti
schen Wellen, wodurch auch strahlungsempfindliche Werk
stücke beschichtet werden können.
Die Erfindung ermöglicht die homogene Beschichtung von
Substraten mit einer in hohem Maße reproduzierbaren
Schichtdicke.
Der einfache Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ermöglicht eine leichte Reinigung, wodurch die Ausfall
zeiten gering gehalten werden können.
Vorzugsweise ist vorgesehen, daß eine neben der Plasmazone
angeordnete Gaszuführeinrichtung ein Reaktionsgas quer zur
Einkopplungsrichtung der elektromagnetischen Wellen durch
die Plasmazone leitet, so daß die Plasmareaktionsprodukte
auf das Substrat zuströmen. Das Gas strömt aufgrund des
Druckgefälles durch die in dem Reaktionsraum befindliche
Plasmazone in die Vakuumkammer und erreicht dort das Sub
strat. Durch diese Strömung ist die Plasmahomogenität von
untergeordneter Bedeutung, da das Reaktionsgas durch Be
reiche mit möglicherweise unterschiedlicher Plasmaintensi
tät gelangt, so daß die Aktivierung eine Mittelung er
fährt. Es wird somit eine Entkopplung der Problematik der
Gaszuführung von der Mikrowellenhomogenität erreicht, so
daß das Problem der Plasmahomogenität auf eine Raumdimen
sion reduziert wird.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist
vorgesehen, daß in dem Reaktionsraum oberhalb der Plasma
zone eine quer zur Einkopplungsrichtung der elektromagne
tischen Wellen verlaufende und in der Lage verstellbare
Platte angeordnet ist. Mit Hilfe der Platte, die bei
spielsweise aus Borosilikatglas besteht, kann die Gas
strömung hinsichtlich Strömungsgeschwindigkeit und Einhal
tung laminarer Bedingungen beeinflußt werden. Die Verände
rung der Geometrie des Strömungskanals erlaubt eine Ver
änderung der Strömungsgeschwindigkeit unabhängig vom
Druck.
Die Einkopplung der elektromagnetischen Wellen in den
Reaktionsraum erfolgt auf dem Wege der an sich bekannten
Antennenauskopplung oder Schlitzauskopplung. Dabei werden
die elektromagnetischen Wellen von dem Wellengenerator
emittiert und zu einem Hohlleiter geführt. Aus dem Hohl
leiter wird die Strahlung dann durch Antennenauskopplung
oder Schlitzauskopplung zwischen Halbleiter und Homogeni
sierungstrichter in den Homogenisierungstrichter geführt.
Die elektromagnetischen Wellen gelangen durch ein mikro
wellentransparentes, aber vakuumdichtes Fenster, z. B. eine
Quarzglasscheibe, in den Reaktionsraum und entzünden dort
das Plasma in der Plasmazone.
Alternativ können die elektromagnetischen Wellen mittels
eines in den Reaktionsraum hineinragenden Führungshohllei
ters aus isolierendem Material, in dem ein Innenleiter aus
Metall verläuft, in den Reaktionsraum eingekoppelt werden,
wobei die elektromagnetischen Wellen von dem Wellengenera
tor in den Innenleiter eingekoppelt werden.
Vorzugsweise ist die in Einkopplungsrichtung der elektro
magnetischen Wellen hinter dem mikrowellentransparenten,
vakuumdichten Fenster eine leicht austauschbare, mikrowel
lendurchlässige Borosilikatscheibe angeordnet. Bei hori
zontaler Anordnung des Fensters kann eine solche Borosili
katscheibe lose auf das Fenster aufgelegt werden. Eine
solche vorzugsweise dünne Borosilikatscheibe ist preis
wert, leicht auszutauschen und leicht zu reinigen und
verhindert weitestgehend die Verschmutzung des vakuumdich
ten Fensters.
Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungs
beispiel,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungs
beispiels gemäß Fig. 1 mit Schlitzauskopplung
und ohne Vakuumkammer,
Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1
mit Antennenauskopplung in perspektivischer An
sicht, ohne Vakuumkammer,
Fig. 4 ein alternatives Ausführungsbeispiel zu den
Fig. 1 bis 3 mit direkter Einkopplung der elek
tromagnetischen Wellen in den Reaktionsraum,
Fig. 5 einen Schnitt entlang der Linie V-V in Fig. 4,
und
Fig. 6 ein Diagramm, aus dem die Homogenität der
Schichtdicke in Abhängigkeit vom Abstand vom
Substratrand entnehmbar ist.
Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung zum Erzeugen eines
Plasmas für die Beschichtung eines Substrats 1 in einer
Vakuumkammer 5 aus Stahl durch hochfrequente elektromagne
tische Wellen weist ein Gehäuse 7 aus einem mikrowellen
dichten Material auf. Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch
das Gehäuse 7, das im wesentlichen die Vakuumkammer 5 und
einen seitlich neben der Vakuumkammer 5 angeordneten und
mit der Vakuumkammer 5 verbundenen Reaktionsraum 8, vor
zugsweise aus Messing, umschließt.
Das Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bezieht sich auf eine
Konstruktion, bei der die Auskopplung von Mikrowellen
strahlung aus einem Hohlleiter 3 durch Schlitzauskopplung
bzw. Antennenauskopplung erfolgt.
Die von einem Generator 2 für elektromagnetische Wellen,
z. B. einen Mikrowellengenerator, erzeugten Mikrowellen
werden zu einem Hohlleiter 3 geführt. Aus diesem wird die
Strahlung dann mittels Schlitzauskopplung mit mehreren
Schlitzen 11 oder der für sich bekannten Antennenauskopp
lung in einen Homogenisierungstrichter 4 geführt. Hierbei
spielt die Homogenität der Auskopplung, wie später erläu
tert wird, eine untergeordnete Bedeutung im Hinblick auf
die Gleichmäßigkeit der Beschichtung. Die Mikrowellen
gelangen durch ein mikrowellentransparentes, aber vakuum
dichtes Fenster 6, z. B. eine Quarzglasscheibe, in den
Reaktionsraum 8 und entzünden dort das Plasma in einer
Plasmazone 10. Auf dem Fenster 6 kann sich eine mikrowel
lentransparente dünne Borosilikatscheibe 16 befinden, die
leicht auswechselbar ist und kostengünstig das vakuumdich
te Fenster 6 vor Verschmutzung schützt. Die entfernbare
Borosilikatscheibe 16 kann auch in einfacher Weise gerei
nigt werden.
Die Reaktionsgase werden von einer rohrförmigen Gaszuführ
einrichtung 12 in den Reaktionsraum 8 eingeleitet. Das
Rohr 12 ist seitlich neben der Plasmazone 10 und vorzugs
weise orthogonal zur Einkopplungsrichtung der Mikrowellen
angeordnet, derart, daß die Reaktionsgase quer zur Ein
kopplungsrichtung der Mikrowellen durch die Plasmazone 10
hindurch auf das Substrat 1 strömen. Das Rohr 12 ist hier
zu mit einer oder mehreren der Plasmazone 10 zugewandten
Aussparungen, z. B. Bohrungen 13 oder schlitzförmige Aus
sparungen, versehen. Die Ausströmungsrichtung der Reak
tionsgase ist dabei so eingestellt, daß sie in Richtung
auf das Substrat 1 weisen. Vorzugsweise verläuft die Strö
mungsrichtung orthogonal zur Oberfläche des zu beschich
tenden Substrates 1.
Oberhalb der Plasmazone 10 ist im Reaktionsraum eine in
der Höhe und im Neigungswinkel einstellbare Platte 14,
z. B. aus Borosilikatglas, angeordnet. Die Höhe wird durch
den Abstand der Platte 14 von der unteren Begrenzung des
Reaktionsraums 8 eingestellt. Über die Neigung der Platte
14 kann die aus der Plasmazone 10 austretende Gasströmung
hinsichtlich Geschwindigkeit und Gleichmäßigkeit beein
flußt werden. Durch die Verengung des Strömungsquer
schnitts am freien Ende der Platte 14 wird die Gasströmung
in hohem Maße unter Beibehaltung laminarer Bedingungen
vergleichmäßigt. Die vor der Plasmazone 10 durch das Rohr
12 eingeleiteten Reaktionsgase strömen aufgrund des Druck
gefälles durch die Plasmazone 10 in die Vakuumkammer 5 und
erreichen dort das Substrat 1. Die Querströmung der Reak
tionsgase durch die Plasmazone 10 und quer zur Einkopp
lungsrichtung der Mikrowellen ermöglicht, daß die Plasma
homogenität von geringerer Bedeutung ist, da das Gas durch
Bereiche mit unterschiedlicher Plasmaintensität gelangt,
so daß die Aktivierung eine Mittelung und damit Vergleich
mäßigung erfährt. Dadurch wird eine Entkopplung der Pro
blematik der Gaszuführung von der Mikrowellenhomogenität
erreicht. Das Problem der Plasmahomogenität wird auf eine
Raumdimension reduziert. Wesentlich ist, daß das Substrat
sich außerhalb der Mikrowellenstrahlung befindet, wodurch
auch strahlungsempfindliche Werkstücke beschichtet werden
können.
Durch eine einfache Veränderung der Geometrie des Strö
mungskanals mit Hilfe der Platte 14 kann die Strömungs
geschwindigkeit der Reaktionsgase unabhängig vom Druck
zwischen Plasmazone 10 und Beschichtungszone 16 verändert
werden.
Der einfache Aufbau der Vorrichtung ermöglicht eine leich
te Reinigung beim Chargenwechsel und hält die Ausfallzei
ten gering.
Fig. 2 zeigt eine teilweise geschnittene perspektivische
Ansicht des Reaktionsraums 8 bei einem Ausführungsbeispiel
mit Schlitzauskopplung. Hierzu ist zwischen dem Hohlleiter
3 und dem Homogenisierungstrichter 4 eine Schlitzblende 9
mit mehreren schlitzförmigen Aussparungen 11, die zick
zackförmig hintereinander angeordnet sind, vorgesehen. Mit
der Schlitzauskopplung ist eine höhere Reproduzierbarkeit
der Einkopplung von Mikrowellen-Energie in den Reaktions
raum 8 erzielbar.
Fig. 3 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel zu Fig.
2 mit Antennenauskopplung nach EP 00 263 648 A. Zwischen
dem Hohlleiter 3 und dem Homogenisierungstrichter 4 ist
dabei eine Antennenplatte 15 angeordnet, die mehrere in
den Homogenisierungstrichter 4 hineinragende, längs des
Hohlleiters 3 nebeneinander angeordnete Antennenelemente
17 aufweist.
Die Vakuumkammer 5 mit einem Sauganschluß für eine Vakuum
pumpe 20 ist bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 2 und
3 an einem Flansch 19 vakuumdicht befestigt, der in den
schematischen Darstellungen der Fig. 1 und 4 nicht darge
stellt ist.
Fig. 4 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel, bei dem
die Einkopplung der elektromagnetischen Wellen in den
Reaktionsraum 8 mit Hilfe eines parallel zu der Gaszufüh
rungseinrichtung 12 verlaufenden, in der Plasmazone 10
angeordneten Stab aus einem Führungshohlleiter 22 und
einem Innenleiter 24, eingekoppelt wird. Der Führungshohl
leiter 22 besteht aus einem isolierenden Material, wobei
die Mikrowellen von dem Mikrowellengenerator 2 in den
Innenleiter 24 aus Metall eingekoppelt werden. Eine der
artige Vorrichtung ist aus der DE 41 36 297 A bekannt.
Fig. 5 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie V-V in
Fig. 4. Aus Fig. 5 ist auch ersichtlich, daß sich die
Platte 14 sich über die gesamte Breite und Länge des Reak
tionsraumes 8 erstreckt. Dies gilt für alle gezeigten
Ausführungsbeispiele. Mit Hilfe der Platte 14 kann die
Strömungsgeschwindigkeit des Reaktionsgases, vorzugsweise
Hexamethyldisiloxan, auf eine Strömungsgeschwindigkeit
zwischen 5 und 100 m/s, vorzugsweise 20-40 m/s, einge
stellt werden.
Vorzugsweise werden Mikrowellen mit einer Frequenz von
2,45 GHz verwendet.
Fig. 6 zeigt die mit hoher Reproduzierbarkeit erzielbare
Schichtdicke in Abhängigkeit von der Entfernung vom Rand
des Substrats. Das Diagramm zeigt die Homogenität der
Schichtdicke auf einem Polycarbonat-Substrat unter Ver
wendung von Hexamethyldisiloxan. Am Rand ergibt sich ein
Abfall der Schichtdicke.
Durch eine Auf- und Abwärtsbewegung der Substanz während
der Beschichtung kann die Beschichtung auf zwei Dimensio
nen ausgeweitet werden.
Die Vorrichtung ist in ihrer Breite keinen geometrischen
oder wellenabhängigen Beschränkungen unterworfen, so daß
bei einer entsprechenden Breite der Vorrichtung beliebig
große Substrate homogen beschichtet werden können. Das
Verfahren ist dabei sehr umweltschonend, da vorzugsweise
nur geringe Mengen ungiftiger Prozeßgase eingesetzt wer
den, die keinen gesetzlichen Beschränkungen unterliegen.
Claims (15)
1. Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmas für die Be
handlung von Substraten (1) in einer Vakuumkammer (5)
durch hochfrequente elektromagnetische Wellen, z. B.
Mikrowellen, insbesondere zur Plasmapolymerisation
von Monomeren zur Beschichtung von Substraten (1),
bei der die elektromagnetischen Wellen aus einer
Quelle, z. B. einem Mikrowellengenerator (2) in einen
Reaktionsraum (8) eingekoppelt werden, in dem das
Plasma in einer Plasmazone (10) gezündet wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die das Substrat (1) enthaltende Beschichtungs
zone (18) in der Vakuumkammer (5) in Querrichtung zur
Einkopplungsrichtung der elektromagnetischen Wellen
neben der in dem Reaktionsraum (8) befindlichen Plas
mazone (10) angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß eine neben der Plasmazone (10) angeordnete Gaszu
führeinrichtung (12) ein Reaktionsgas quer zur Ein
kopplungsrichtung der elektromagnetischen Wellen
durch die Plasmazone (10) leitet, so daß die Plasma
reaktionsprodukte auf das Substrat zuströmen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß in dem Reaktionsraum (8) oberhalb der
Plasmazone (10) eine quer zur Einkopplungsrichtung
der elektromagnetischen Wellen verlaufende und in der
Lage verstellbare Platte (14), z. B. aus Borosilikat
glas, angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die elektromagnetischen Wellen
mittels eines Hohlleiters (3) und eines Homogenisie
rungstrichters (4) durch ein mikrowellendurchlässi
ges, vakuumdichtes Fenster (6) durch Antennenauskopp
lung zwischen Hohlleiter (3) und Homogenisierungs
trichter (4) in den Reaktionsraum (8) eingekoppelt
werden.
5. Vorrichtung nach nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetischen
Wellen mittels eines Hohlleiters (3) und eines Homo
genisierungstrichters (4) durch ein mikrowellendurch
lässiges, vakuumdichtes Fenster (6) durch Schlitz
auskopplung zwischen Hohlleiter (3) und Homogenisie
rungstrichter (4) in den Reaktionsraum (8) eingekop
pelt werden.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß eine leicht austauschbare, mikrowellendurchlässi
ge Borosilikatscheibe (16) in Einkopplungsrichtung
der elektromagnetischen Wellen hinter dem Fenster (6)
angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die elektromagnetischen Wellen
mittels eines in den Reaktionsraum (8) hineinragenden
Führungshohlleiters (22) aus isolierendem Material,
in dem ein Innenleiter (24) aus Metall verläuft, in
den Reaktionsraum (8) eingekoppelt werden, wobei die
elektromagnetischen Wellen von dem Wellengenerator
(2) in den Innenleiter (24) eingekoppelt werden.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß das Substrat (1) in der Vakuum
kammer (5) parallel zur Einkopplungsrichtung der
elektromagnetischen Wellen auf- und abbewegbar ist.
9. Verfahren zum Erzeugen eines Plasmas für die Behand
lung von Substraten (1) durch hochfrequente elektro
magnetische Wellen, z. B. Mikrowellen, insbesondere
zur Plasmapolymerisation von Monomeren zum Beschich
ten von Substraten (1) unter Vakuum, durch Einkoppeln
elektromagnetischer Wellen in einen Reaktionsraum (8)
in dem das Plasma in einer Plasmazone (10) gezündet
wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die elektromagnetischen Wellen derart eingekop pelt werden,
daß sich die Beschichtungszone (18) im Bereich des Substrates (1) außerhalb der Strahlung und der Plas mazone (10) befindet.
daß die elektromagnetischen Wellen derart eingekop pelt werden,
daß sich die Beschichtungszone (18) im Bereich des Substrates (1) außerhalb der Strahlung und der Plas mazone (10) befindet.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Gasströmung aus einem Reaktionsgas quer zur
Einkopplungsrichtung der elektromagnetischen Wellen
durch die Plasmazone (10) erzeugt wird, derart, daß
die Plasmareaktionsprodukte auf das Substrat (1)
strömen.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Gasströmung im Reaktionsraum (8)
homogenisiert wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die Gasströmung durch eine Veränderung, z. B. eine
Verengung, des Strömungsquerschnitts homogenisiert
wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß der Strömungsquerschnitt des
Reaktionsgases zwischen der Plasmazone (10) und der
Beschichtungszone (18) verengt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit der
Gasströmung auf einen Wert zwischen 5 und 100 m/s,
vorzugsweise 20 bis 40 m/s, eingestellt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, daß elektromagnetische Wellen mit
einer Frequenz von 2,45 GHz verwendet werden.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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