DE19634795C2 - Plasma-CVD-Anlage mit einem Array von Mikrowellen-Plasmaelektroden und Plasma-CVD-Verfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine plasmagestützte Anlage zur chemischen Gasphasen-Abscheidung mit einer rasterförmigen Anordnung von Mikrowellen-Plasmaelektroden und einer Steuer­ schaltung, sowie ein entsprechendes Beschichtungsverfahren.

Derartiges ist aus der DE 38 30 249 C2 bekannt. Dort ist vorgesehen, daß die einzelnen Plasmaelektroden so angeordnet sind, daß sich die erzeugten Plasmasäulen überlagern. Die einzelnen Plasmaelektroden sind unabhängig voneinander über die zugeführte elektronische Leistung schalt- und steuerbar, und zwar wird dies benutzt, um Randeffekte auszugleichen oder einen gezielten Verlauf der Beschichtungseigenschaften zu erzeugen. Ausdrücklich wird davon ausgegangen, daß es nicht zu störenden Interferenzeffekten bei den Hochfrequenzfeldern kommt.

Die Anwendung im Rahmen der Plasmaimpuls-CVD-Technik ist beschrieben, wie auch Beispiele für Mikrowellenantennen usw. angegeben sind. Die Beispiele betreffen zweidimensionale Arrays.

Die genannte DE 38 30 249 C2 wird ausdrücklich als Teil der Offenbarung dieser Anmeldung angegeben, aus der apparative Ausbildungen von Systemen zu entnehmen sind, welche bei geeigneter Ansteuerung der Plasmaelektroden zur Ausführung der Erfindung geeignet sind.

Bei hohen Anforderungen an die Homogenität großflächiger Schichten hat sich gezeigt, daß bei optimaler Gestaltung der Überlappung der Plasmasäulen doch - im Gegensatz zur genannten Schrift - Interferenz benachbarter Mikrowellenfelder störend in Erscheinung tritt.

Die EP 0 420 117 A2 beschreibt die Störung durch Interferenz bei Plasma-CVD mit Anregung durch ein Mikrowellen-Array und hält einen stabilen Betrieb ohne deren Ausschaltung für unmöglich. Es wird vorgeschlagen, verschiedene Polarisationen, also Richtungen des elektrischen Feldvektors, bei benachbarten Mikrowellenquellen vorzusehen.

Hier ist es aber offensichtlich erschwert, homogene Anregungs­ verhältnisse in den einzelnen Modulen zu erreichen, da die gekreuzten Kastenhohlleiter, welche in den Beispielen gezeigt sind, das aufgrund der asymmetrischen Hohlleitergeometrie nicht zulassen.

Eine andere Art der Interferenzvermeidung wäre die Frequenz­ verschiebung benachbarter Plasmaelektroden. Kommerzielle Mikro­ wellengeneratoren haben jedoch deutliche Frequenzschwankungen, sowie hohe Bandbreiten, speziell im Impulsbetrieb, so daß relativ große Frequenzunterschiede erforderlich wären. Dann können aber unterschiedliche plasmachemische Verhaltensweisen nicht mehr ausgeschlossen werden. Zudem sind nicht ohne weiteres Mikrowellengeneratoren beliebiger Frequenz zu beschaffen, da nur für zugelassene Industriefrequenzen ein wirtschaftliches Arbeiten möglich ist.

Übliche Plasma-CVD-Verfahren sind dadurch gekennzeichnet, daß während der gesamten Beschichtungsdauer das Reaktionsgas über das Substrat strömt und gleichzeitig plasmaerzeugende Energie in das Reaktionsvolumen eingebracht wird, so daß Reaktionsgas und Abgas einer bereits erfolgten (i. a. schichtbildenden) Reaktion entweder in einer unübersichtlichen Art vermischt oder an unterschiedlichen Orten des Substrats mit unterschiedlichen Anteilen vertreten sind. Dadurch werden die Schnelligkeit einer Entwicklung, Eigenschaften der Beschichtung (speziell Dichte, Haftfestigkeit und Stabilität) sowie die Ausbeute an Reaktionsgas limitiert.

Derartige Limitierungen werden durch die Anwendung des Plasma- Impuls-CVD-Verfahren (PICVD-Verfahren) überwunden.

Bei diesem Verfahren wird die plasmaerzeugende Energie gepulst eingebracht, während das Reaktionsgas kontinuierlich in den Reaktionsraum strömt. Typisch für das PICVD-Verfahren ist die Anpassung der Impulspause an die Zeit, die erforderlich ist, das Gasvolumen über dem Substrat, welches in die (schichtbildende) Reaktion einbezogen wird, vollständig durch frisches Reaktionsgas auszutauschen. Diese Zeit ist von mehreren Parametern, wie z. B. Substratgröße und Form, Massenfluß und Temperatur des Reaktionsgases, Druck im Reaktor und Art der Gaseinströmung (z. B. Düsenform) abhängig.

Das Verfahren arbeitet ähnlich wie ein Zweitaktmotor, dem schichtbildenden Plasmaimpuls folgt die Impulspause, in der das verbrauchte Gas durch Frischgas ersetzt wird.

Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens ist die geringe Tempe­ raturbelastung des Substrats, da die Beaufschlagung mit Energie nur während der Impulsdauer erfolgt und sich das Substrat in der Impulspause abkühlt. Dadurch wird es umgekehrt möglich, während des Impulses vergleichsweise hohe Energien anzuwenden, und so z. B. Schichten mit Eigenschaften abzuscheiden, die sonst nur das Massivmaterial aufweist.

Typischerweise liegen die Werte für die Dauer der Impulse zwischen 0.1 und 10 ms und für die Dauer der Impulspausen zwischen 10 und 100 ms.

Es ist günstig, die Energie mit Mikrowellen einzustrahlen, weil dann Plasmen bei Gasdrücken im mbar-Bereich erzeugt werden können. Solche Gasdrücke sind mit vergleichsweise geringem Aufwand herstellbar. Das PICVD-Verfahren läßt sich beispielsweise vorteilhaft anwenden zur Innenbeschichtung von dielektrischen Rohren, aus denen Vorformen für Nachrichten­ fasern hergestellt werden.

(EP 0 036 191 A1, DE 38 30 622 A1, DE 40 34 211 C1, zur Aufbringung von IR-durchlässigen dielektrischen Spiegeln auf kalottenförmige Glassubstrate (DE 40 08 405 C1, DE 43 34 572 A1) oder zur Abscheidung von ebenen Dünnschichtwellenleitern auf Glas oder Kunststoff (DE 41 37 606 C1, DE 42 28 853 A1).

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer gattungs­ gemäßen Plasma-CVD-Anlage und eines entsprechenden Verfahrens, wobei beliebige Skalierbarkeit der Abmessungen der Beschichtungseinheit und hervorragende Homogenität der erzeugten Schichten mit wirtschaftlicher Konstruktion erzielt werden.

Die Lösung gelingt mit einer Anlage nach Anspruch 1 und entsprechend mit einem Verfahren nach Anspruch 6.

Die zeitliche Entkopplung der Mikrowellen-Anregung benachbarter Plasmaelektroden zeigt sich als weitere Möglichkeit zur Vermeidung von Interferenzen. Die Mikrowellenleistung kann wesentlich schneller getaktet werden, als der Pulsdauer eines den Gasvorrat erschöpfenden Pulses des Plasmaimpuls-CVD- Verfahrens (PICVD) entspricht. Damit können benachbarte Plasmaelektroden zeitlich versetzt getaktet werden, ohne daß das Plasma und das Abscheideverhalten des PICVD-Verfahrens dadurch störend beeinflußt werden.

Gemäß der Erfindung kann mit einem modularen System die simultan beschichtete Fläche beliebig skaliert werden. Die mit wenigen Modulen gewonnenen Kenntnisse können auf ein Array mit beliebig vielen Modulen übertragen werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 5 bzw. 7 bis 11.

Einige zehn bis einige Hundert Pulse, jeweils zeitlich versetzt für benachbarte Plasmaelektroden, können nach Anspruch 2 oder 7 einen Gesamtimpuls des PICVD-Verfahrens bilden.

Ansprüche 3 und 8 geben die Kombination mit einer Radiofrequenz-Anregung (RF) an. Dies erlaubt in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Mikrowellenanregung durch geeignete Steuerung der Feldverteilung mittels geeigneter Dimensionierung von Abstand und Ausdehnung der RF-Elektroden eine weitere Uniformisierung der Schichten. Die RF-Anregung kann auch gepulst werden, entweder synchron zur Mikrowelle (schon zur Energieeinsparung) oder auch in gezielt anderem Zeitverlauf.

An sich ist die Kombination von Mikrowellen- und Radiofrequenz- Anregung aus Moisan M., Wertheimer M. R., Surface and Coatings Technology 59 (1993), pp. 1-13 bekannt. Ziel dabei war die Veränderung der Schichtqualität durch Ionenbeschuß. Hier dagegen wird die einfache Formbarkeit der Feldlinien der RF-Anregung genutzt, um die Homogenität der Schicht zu verbessern.

Weiterhin kann durch den Einsatz von Magnetfeldern zur Beeinflussung des Übergangsbereiches zwischen zwei Plasmaelektroden wie auch durch eine geeignet strukturierte Gasversorgung die Uniformität gesteigert werden.

Insbesondere bei einem linearen Array, wie es nach den Ansprüchen 4 bzw. 9 vorgesehen ist, sind entsprechend den Ansprüchen 5 und 10 nur zwei verschiedene phasenverschobene Takte zum interferenzfreien Pulsen aller Plasmaelektroden erforderlich, was den Aufwand für die Steuerung und Mikro­ wellenerzeugung wirksam begrenzt.

Näher erläutert wird die Erfindung anhand der Zeichnungen.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Plasma-CVD-Anlage;

Fig. 2 zeigt schematisch den zeitlichen Verlauf der Mikro­ wellenanregung;

Fig. 3 zeigt schematisch eine Folienbeschichtungsanlage.

Die in Fig. 1 dargestellte Plasma-CVD-Anlage enthält ein Substrat 1, z. B. eine Glasscheibe. Eine Mehrzahl von Mikro­ wellenantennen, hier vier Stück 2a bis 2d, sind dem Substrat 1 gegenüber in einer Reihe oder auch in einem flächigen Array angeordnet. Diese Horn-Mikrowellenantennen 2a bis 2d dienen als Mikrowellen-Plasmaelektroden und werden von Mikrowellen­ generatoren 21a bis 21d über Magnetrons 22a bis 22d und Einwegleitungen 23a bis 23d gespeist. Ein Mikrowellenfenster 24, z. B. gleich wie das Substrat 1 und auch selbst zur Beschichtung bereitstehend, schließt die Vakuumkammer 4 gegen die Mikrowellenantennen 2a bis 2d ab. Das Substrat 1 ist gegenüberliegend parallel in der Vakuumkammer 4 angeordnet.

Das Prozeßgas wird von Gasbehältern 51a, 51b über Massen­ flußregler 52a, 52b, Gasventile 53a, 53b und die gleichverteilten Gaseinlässe 5 der Vakuumkammer 4 zugeführt und das verbrauchte Restgas wird über einen Druckregler 54 von einer Vakuumpumpe 55 wieder abgesaugt.

Eine Steuerung 7 stellt alle diese Teile entsprechend durch eine Schnittstelle 70 vorgegebener Parameter geeignet ein.

Soweit entspricht die Anlage den bekannten Plasma-CVD-Anlagen, insbesondere auch PICVD-Anlagen und der DE 38 30 249 C2.

Das Besondere ist, daß die Mikrowellengeneratoren 21a bis 21d in zwei Gruppen 21a, 21c und 21b, 21d getrennt mit Signalen A bzw. B von der Steuerung 7 angesteuert werden, und zwar mit Pulszügen aus kurzen Mikroimpulsen 20A bzw. 20B, welche im Gegentakt phasenverschoben sind. Damit ist von benachbarten Mikrowellenantennen 2a, 2b; 2b, 2c; 2c, 2d zu jeder Zeit nur eine aktiv, so daß Interferenzen ausgeschlossen sind. Fig. 2 zeigt diesen Pulsverlauf. Die Pulsdauer und Auszeit der Mikroimpulse liegt jeweils bei 25 µs, ca. 10 Mikroimpulse A und B bilden zusammen einen Puls nach dem PICVD-Verfahren von 0,5 ms Dauer.

Natürlich können die Maßnahmen der DE 38 30 249 C2 zum gezielten Einstellen von Schichtdickenverläufen über das Antennenarray hinweg mit der Erfindung kombiniert werden.

Die entstehenden Plasmazonen 12a bis 12d überlappen sich in ihren Randbereichen mit abnehmender Abscheideleistung ohne Interferenzerscheinungen, so daß ein stabiler gleichmäßiger Übergang allein durch Anpassung der Antennengeometrie an den Übergangsbereichen 62a bis 62d realisiert wird. Die Anpassung der Bereiche 62a bis 62d dient zugleich der optimalen Formung des RF-Felds.

Die Zahl von 4 Mikrowellenantennen 2a bis 2d in einer Reihe ist ein zufällig herausgegriffenes Beispiel. Die typisch einige Zentimeter Breite abdeckenden Module von Mikrowellengenerator 21i, Magnetron 22i, Einwegleiter 23i und Trichterantenne 2i (i von 1 bis n) sind beliebig oft aneinander anreihbar, z. B. auf zwei bis drei Metern Breite zur Belichtung großer Flachglasscheiben oder von Folienbahnen.

Die folgenden Prozeßbeispiele erläutern das Verfahren:

Prozeßbeispiel 1:

Die Vakuumkammer 4 wird zunächst bis weit unterhalb des gewünschten Prozeßdruckes abgepumpt. Danach wird über die Massenflußregler 52a, 52b sowie die Ventile 53a, 53b eine zum Beschichten geeignete Gasmischung hergestellt. Diese kann z. B. für die Abscheidung von SiO₂ aus 200 sccm (Standardkubikzentimeter) Sauerstoff sowie 20 sccm Hexamethyl­ disiloxan (HMDSO) bestehen. Während der gesamten Beschichtung fließen diese Gase kontinuierlich (nicht gepulst!). Über die Druckregeleinheit 54 wird ein Prozeßdruck von 1 mbar eingestellt. Sobald dieser erreicht ist, werden die Mikrowellen-Generatoren 21a, 21d mit der in Fig. 2 angegebenen Pulsfolge angesteuert.

Jeder Pulszug A, B besteht aus 10 Einzelimpulsen gemäß Fig. 2 ("Mikroimpuls") zu je 25 µs Dauer, die auf Ausgang A und B im Gegentakt phasenversetzt sind. Während der Impulse, deren Gesamtheit einen PICVD-typischen "Makroimpuls" darstellt, setzt sich das Beschichtungs-Gasgemisch im Plasmaraum 12a bis 12d um und diffundiert zum Substrat 1, auf dem die gewünschte SiO₂- Schicht abgeschieden wird.

Nach Beendigung eines "Makroimpulses" wird das abreagierte Gasgemisch abgesaugt und durch frische Gasmischung ersetzt. Für einen vollständigen Gasaustausch ist die Pulspause zwischen zwei Makroimpulsen typischerweise 10-100 ms lang (abhängig von der Geometrie der Vakuumkammer 4). Nach der Pulspause wird wiederum die Mikroimpulsfolge eines Makroimpulses angesteuert, um die nächste Schichtlage abzuscheiden, bis die Soll­ schichtdicke erreicht ist. Danach wird die Vakuumkammer 4 geflutet und das beschichtete Substrat 1 kann entnommen werden.

Prozeßbeispiel 2:

Der Prozeß mit seinen Parametern verläuft ähnlich wie in Beispiel 1, nur ist diesmal das Substrat eine flexible Folie 301, die kontinuierlich in der Beschichtungskammer 304 bewegt wird. Fig. 3 zeigt einen Querschnitt der Anordnung mit Wickel­ einrichtung 341, 342 für die Folie 301.

Die Geschwindigkeit der Folie 301 wird so angepaßt, daß jedes Flächenelement der Folie 301 mit der Sollschichtdicke beschichtet wird. Bei typischen Abscheideraten von 500 nm pro Minute und einer Solldicke von 50 nm muß die Folie 301 in sechs Sekunden den Plasmabereich 305 durchqueren. Damit wird auch sichergestellt, daß die Bewegung der Folie 301 während eines Mikroimpulses vernachlässigbar ist.

Der Prozeß verläuft wie in Beispiel 2, wobei während eines Makroimpulses, sowie eine Millisekunde davor und danach, ein RF-Feld angesteuert wird. Durch die geometrische Ausbildung der RF-Elektrode 306, mit verringertem Elektrodenabstand im Bereich der Schnittstelle zweier Mikrowellenantennen 302a, 302b lassen sich die Nicht-Uniformitäten an der Schnittstelle kompensieren. Die Leistung des RF-Generators ist dabei auf optimale Schich­ tuniformität einzustellen. In einer Durchlaufanlage wird die RF-Leistung über Dickenmessung nach der Beschichtung nachgeregelt.

Claims (11)

1. Plasma-CVD-Anlage mit einem Array von Mikrowellen- Plasmaelektroden (2a, b, c, d) und einer Steuerschaltung (7), dadurch gekennzeichnet, daß je zwei benachbarte Plasmaelektroden (2a, 2b; 2b, 2c; 2c, 2d) durch die Steuerschaltung (7) zu verschiedenen Zeiten mit Mikro­ wellenimpulsen (A, B) beaufschlagt werden und daß die Dauer der einzelnen Mikrowellenimpulse (A, B) kurz ist gegenüber der Dauer eines Impulses des bekannten Plasma-Impuls-CVD-Verfahrens.

2. Plasma-CVD-Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl der Größenordnung 10 ¹ bis 10 ² von Mikro­ wellenimpulsen (A, B) aller Plasmaelektroden (2a-2d) zusammen einen Impuls des Plasma-Impuls-CVD-Verfahrens bildet.

3. Plasma-CVD-Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Radiofrequenz- Anregungssystem (6, 61, 62a-c) vorgesehen ist.

4. Plasma-CVD-Anlage nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein lineares Array vorgesehen ist.

5. Plasma-CVD-Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede zweite Plasmaelektrode (2a, 2c; 2b, 2d) im linearen Array durch die Steuerschaltung (7) zur gleichen Zeit mit Mikrowellenimpulsen (A, B) beaufschlagt wird.

6. Plasma-CVD-Beschichtungsverfahren, bei dem ein Array von Mikrowellen-Plasmaelektroden ein zusammenhängendes Plasma durch pulsförmige Mikrowellenanregung erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß je zwei benachbarte Plasmaelektroden zu verschiedenen Zeiten mit Mikrowellenimpulsen beaufschlagt werden und daß die Dauer der einzelnen Mikrowellenimpulse (A, B) kurz ist gegenüber der Dauer eines Impulses des bekannten Plasma-Impuls-CVD-Verfahrens.

7. Plasma-CVD-Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl der Größenordnung 10 ¹ bis 10 ² von Mikrowellenimpulsen (A, B) aller Plasmaelektroden (2a-2d) zusammen einen Impuls des Plasma-Impuls-CVD- Verfahrens bildet.

8. Plasma-CVD-Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich durch Radiofrequenz- Anregung ein elektrisches Feld erzeugt wird.

9. Plasma-CVD-Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein lineares Array vorgesehen ist und großflächige Substrate (301) streifenweise beschichtet werden.

10. Plasma-CVD-Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß nur zwei verschiedene Zeiten (A, B) vorgesehen sind, zu denen Mikrowellenimpulse abgegeben werden, und die Zuordnung zu den Plasmaelektroden (2a-2d) im linearen Array abwechselnd erfolgt.

11. Plasma-CVD-Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Magnetfelder oder die Gasauslässe (5) zur Uniformisierung der Schichtabscheidung zusätzlich herangezogen werden.