DE3830249C2

DE3830249C2 -

Info

Publication number: DE3830249C2
Application number: DE3830249A
Authority: DE
Inventors: Volker Paquet; Ulrich Dr. 6500 Mainz De Ackermann; Heinz-W. Dr. 6392 Neu-Ansbach De Etzkorn; Ralf Th. Prof. Dr. 6239 Bremthal De Kersten; Uwe 6500 Mainz De Ruetze
Original assignee: Schott Glaswerke AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 1988-09-06
Filing date: 1988-09-06
Publication date: 1990-07-12
Also published as: GB2224289B; GB2224289A; FR2636079B1; US5017404A; NL8902089A; JP2542438B2; NL194087B; DE3830249A1; FR2636079A1; JPH02107779A; NL194087C; GB8920049D0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In Thin Solid Films, 118 (1984), S. 203 bis 210, wird ein Plasmapolymerisationsverfahren beschrieben, bei welchem in an sich bekannter Weise durch Zünden eines Plasmas aus einem Reaktionsgemisch dünne Kohlenwasserstoffschichten auf ebene Substrate abgeschieden werden. Bei diesem Verfahren werden die Substrate in einen Rahmen eingespannt und in einer Reaktionskammer durch eine Plasmazone hindurchgeführt, die durch ein Mikrowellenfeld, welches durch ein mikrowellendurchlässiges Fenster in die Reaktionskammer eintritt, gezündet wird. Die Größe des Fensters bestimmt bei dieser Vorrichtung die Ausdehnung der beschichteten Plasmazone im Reaktionsraum.

Aus der DE-OS 33 26 020 ist ein Plasmaimpulsverfahren bekannt, wobei zur Beschichtung größerer planarer Substratflächen eine Plasmaelektrode linear über der zu beschichtenden Fläche hin- und herbewegt wird.

Dem eingangs genannten Verfahren kommt eine in Kieser, Maschinenmarkt 37/86, Seiten 3 bis 7, vorgestellte Beschichtungsmethoden am nächsten, die ebenfalls bei der Mikrowellen-Plasmapolymerisation ihre Anwendung findet. Bei dieser Methode wird ein Substratträger mit mehreren nebeneinander liegenden Substraten an einem mikrowellendurchlässigen Fenster vorbeigeführt. Über dem Fenster befindet sich eine Anordnung von Mikrowellenleiterstrukturen, die mit mehreren Mikrowellen-Zu- und -Ableitungen in Verbindung stehen. Die durch das Fenster hindurchtretenden Mikrowellenfelder erzeugen in dem darunter befindlichen Reaktionsraum eine räumlich begrenzte Plasmazone, in welcher die hindurchgeführten Substrate beschichtet werden.

Aus der US-PS 45 93 644 ist eine Vorrichtung zur Durchführung eines kontinuierlich arbeitenden Plasma-CVD-Verfahrens zum Beschichten großflächiger Substrate bekannt. In dieser Vorrichtung werden eine Vielzahl von Substratplatten so hintereinander angeordnet, daß sie mit ihren rückseitigen Flächen aneinanderliegen, während die zu beschichtenden Flächen jeweils zweier Substratpaare einander beabstandet gegenüberstehen und Reaktionskammern begrenzen. Die Substrate werden mittels eines auf einer Schiene führbaren Substratträgers mit einer konstanten Geschwindigkeit durch den Reaktionsraum bewegt. Die zu beschichtenden Flächen sind dabei senkrecht zur Bewegungsrichtung orientiert, der Gasfluß wie auch die Plasmaausbreitung erfolgen durch mehrere an den Seitenwänden der Reaktionskammer jeweils paarweise gegenüberliegend angeordneten Gaseintritts- und Gasaustrittsöffnungen bzw. Plasmaelektroden, im wesentlichen parallel zu den Substratoberflächen. Die oben beschriebene Vorrichtung findet bevorzugt ihre Anwendung bei der Belegung dielektrischer Substrate mit dotierten Silizium-Wasserstoff-Schichten zur Herstellung von Solarzellen, wobei an die Reinheit der Beschichtung und die Gleichmäßigkeit der Schichtdicke keine besonderen Anforderungen gestellt werden.

Ein Nachteil der vorgenannten Verfahren besteht nun darin, daß die Beschichtung großflächiger, planarer Substrate an eine störanfällige Relativbewegung zwischen Plasmaerzeuger und Substrat gebunden ist. Da sich eine präzise Mechanik zur Substratbewegung und hohe Substrattemperaturen nur mit hohem Aufwand miteinander vereinbaren lassen, sind die Substrattemperaturen auf für viele Anwendungen zu niedrige Werte beschränkt. Des weiteren führt eine Bewegung der Substrate während des Abscheidungsprozesses im Reaktionsraum häufig zu einer unerwünschten Partikelbildung. Ebenfalls nachteilig ist, daß sich mit den zuvor beschriebenen Verfahren keine Beschichtung mit an jeder Stelle des Substrats vorbestimmten Schichteigenschaften herstellen läßt. So ist nach dem genannten Stand der Technik zum Beispiel eine bezüglich Dicke, Struktur und Zusammensetzung über die gesamte zu beschichtende Fläche gleichmäßige Beschichtung großflächiger Substrate nicht zu erzielen, da an den Substraträndern üblicherweise höhere Feldstärken auftreten, die zu höheren Abscheidungsraten am Rand, verglichen mit der Substratmitte, führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu finden, welches es erlaubt, großflächige, planare dielektrische Substrate mit einer hochreinen, vorzugsweise über die gesamte zu beschichtende Fläche gleichmäßigen Beschichtung aus dielektrischem Material zu versehen, und welches darüber hinaus wirtschaftlich durchführbar ist.

Diese Aufgabe wird mit dem in Patentanspruch 1 beschriebenen Verfahren gelöst.

Die Erfindung macht sich die Tatsache zunutze, daß mehrere Plasmaelektroden so dicht nebeneinander angeordnet werden können, daß die von ihnen erzeugten Plasmasäulen einander überlappen, ohne daß es dabei jedoch zu einer störenden gegenseitigen Beeinflussung, zum Beispiel durch Interferenzeffekte bei den Hochfrequenzfeldern, kommt.

Gemäß der Erfindung werden über und/oder unter der(n) zu beschichtenden Fläche(n) eines oder mehrerer Substrate mehrere Plasmaelektroden in einem Raster so dicht nebeneinander angeordnet, daß ihre Plasmasäulen, welche sich senkrecht zu der(n) Substratoberfläche(n) erstrecken, einander überlappen. Es entsteht auf diese Weise eine großflächige bzw. großvolumige Plasmazone, welche den gesamten zu beschichtenden Bereich der(s) Substrate(s) überdeckt. Während des Beschichtens werden die Substrate und die Plasmaelektroden relativ zueinander in Ruhe gehalten.

Die Plasmaelektroden werden unabhängig voneinander geschaltet und gesteuert. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Plasmaelektroden über die zugeführte elektrische Leistung zu schalten und zu steuern.

Bevorzugt werden an sich bekannte Plasmaelektroden eingesetzt, die sich durch einen einfachen kompakten Aufbau, geringe Störanfälligkeit sowie durch eine einfache unkomplizierte Handhabung auszeichnen, die jedoch aufgrund ihrer geringen Größe üblicherweise nicht zur Beschichtung großflächiger Substrate verwendet werden. Die bei großflächigen Plasmaelektroden häufig zu beobachtende Ausbildung stehender Wellen, die zu Inhomogenitäten im beschichtenden Plasma und damit auch in der abgeschiedenen Beschichtung führt, tritt bei dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung nicht auf.

Da beliebig viele Plasmaelektroden nebeneinander angeordnet werden können, sind der Größe und der Geometrie der zu beschichtenden Flächen praktisch keine Grenzen gesetzt. Als Substrate sind alle dielektrischen Materialien verwendbar. Bevorzugt wird Quarzglas verwendet. Für die Beschichtung können alle dielektrischen Materialien verwendet werden, die sich mit Hilfe eines Plasma-CVD-Verfahrens abscheiden lassen. Bevorzugt werden glasige Schichten, bestehend aus einem oder mehreren aus der Gruppe der Oxide SiO₂, B₂O₃, GeO₂, P₂O₅, TiO₂, ZrO₂, HfO₂, SnO₂, ZnO, Al₂O₃ und SiO_xN_y, abgeschieden, wobei als Reaktionsgase bevorzugt die OH^--freien Chloridverbindungen und/oder wegen ihres relativ hohen Dampfdrucks die metallorganischen Verbindungen der abzuscheidenden Substanzen eingesetzt werden.

Da sowohl die Plasmaelektroden als auch das (die) Substrat(e) fest in einem Gehäuse angeordnet werden, kann eine Beheizung der Substrate z. B. in an sich bekannter Weise dadurch erfolgen, daß die gesamte Vorrichtung als Ofen ausgebildet oder von einem Ofen umgeben wird.

Erfindungsgemäß werden Substrattemperaturen zwischen 200 und 1200°C eingestellt. Eine möglichst hohe Substrattemperatur - zum Beispiel etwa 1100°C für Quarzglassubstrate und hoch-SiO₂-haltige Schichten - während der Beschichtung gewährleistet, daß glasähnliche wasserstofffreie Schichten von hoher optischer Qualität (geringe Absorption und Streuung, einheitliche Struktur) niedergeschlagen werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, ein Mikrowellenplasma zu verwenden. Mikrowellen, das heißt, Wellen im Frequenzbereich von einigen 100 MHz bis einigen GHz, sind - verglichen mit niederfrequenten Wellen - für die Plasmaanregung deshalb besonders günstig, weil im mbar- Druckbereich hohe Beschichtungsraten erzielbar sind; Mikrowellenplasmen sehr stabil sind; eine vergleichsweise geringe Leistung für ein vorgegebenes Plasmavolumen aufgewendet werden muß; der Einkoppelwirkungsgrad der Leistung des Plasmaerzeugers ins Plasma hoch ist.

Bevorzugt werden zum Aufbau eines Mikrowellenplasmas Mikrowellenantennen aus der Gruppe von Flächenstrahler, dielektrische Antennen oder Kombinationen der vorgenannten Antennen verwendet. Von den Flächenstrahlern sind insbesondere die Trichterantennen, von den dielektrischen Antennen die Stielstrahler geeignet. Diese Arten von Plasmaelektroden, deren Eignung bei der Plasma-Beschichtung großflächiger Substrate bislang noch nicht bekannt war, zeichnen sich sowohl durch einen einfachen, kompakten Aufbau und eine gute Abstrahlcharakteristik als auch durch einen unkomplizierten Betrieb aus.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch keineswegs auf die Verwendung eines speziellen Plasmaelektrodentyps beschränkt. Prinzipiell sind die verschiedensten Ausführungsformen für Plasmaelektroden denkbar.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Plasmaelektroden vom Reaktionsraum durch ein Gehäuse mit einer dielektrischen Platte abgetrennt und der von dem Gehäuse eingeschlossene Raum mit der Anordnung von Plasmaelektroden auf einen solchen Druck evakuiert, daß keine Überschläge in diesem Raum stattfinden können. Die gleiche Wirkung hat zum Beispiel auch eine Füllung des Raums innerhalb des Gehäuses mit SF₆, unabhängig vom SF₆-Druck. Durch die einem Substrat gegenüberliegende Gehäuseplatte, die vorzugsweise selbst als Substrat verwendet wird, greifen die Mikrowellenfelder hindurch und zünden im Reaktionsraum zwischen der dielektrischen Gehäuseplatte und dem Substrat mehrere Reihen von Plasmasäulen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, mehrere Substrate zur gleichzeitigen Beschichtung in dem Reaktionsraum übereinander anzuordnen. Da eine dielektrische Platte hochfrequente plasmaerzeugende Felder in ihrer Ausbreitung nicht hindert, ist es ausreichend, die Plasmaelektroden in einer Ebene unter und/oder über den Substraten, im wesentlichen parallel oder leicht geneigt zu den zu beschichtenden Flächen anzuordnen. Die die Plasmasäulen erzeugenden Mikrowellenfelder greifen bei dieser Anordnung durch die Substratplatten hindurch.

Besonders zweckmäßig ist es, bei der Beschichtung mehrerer Substrate diese so auszurichten, daß jeweils die zu beschichtenden Flächen zweier Substrate einander beabstandet gegenüberliegen und Reaktionskammern in dem Reaktionsraum begrenzen.

Die entsprechenden rückseitigen Flächen jeweils zweier Substrate werden dabei formschlüssig aneinandergelegt oder aber ebenfalls beabstandet angeordnet, so daß sie weitere Kammern begrenzen, die mit einem nicht-reaktiven Gas beaufschlagt werden. Bevorzugt wird als Gas O₂ verwendet, welches beim Zünden eines Plasmas UV-Strahlung emittiert, die dazu dient, die die Kammern begrenzenden Substrate auf die erforderliche Substrattemperatur aufzuheizen.

Die Abstände zwischen den zu beschichtenden Flächen betragen zwischen 1 und 300 mm.

Zur besseren Steuerung der Beschichtungseigenschaften ist es zweckmäßig, jeweils in einer Ebene zwischen zwei zu beschichtenden Flächen weitere Plasmaelektroden anzuordnen, wobei bei diesen Plasmaelektroden die Plasmaausbreitung parallel zu diesen Ebenen erfolgt.

Ist eine über die gesamte zu beschichtende Fläche bezüglich Dicke, Zusammensetzung und Struktur gleichmäßige Beschichtung erwünscht, so ist es nach dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, störende Randeffekte, die aus den vorstehend genannten Feldstärkeinhomogenitäten resultieren, dadurch auszugleichen, daß die Plasmaelektroden an den Rändern im Vergleich zu denen in der Substratmitte mit unterschiedlichen Leistungen beaufschlagt werden und zu verschiedenen Zeiten geschaltet werden.

Vorzugsweise wird ein Plasmaimpuls-CVD-Verfahren verwendet. Im einfachsten Fall wird dabei der Reaktionsraum beziehungsweise werden die einzelnen Reaktionskammern mit frischem Reaktionsgasgemisch gefüllt und die Gaseintritts- und Gasaustrittsöffnungen verschlossen. Dann werden die Plasmaelektroden geschaltet und die Plasmen gezündet, so daß sich aus dem in dem Reaktionsraum beziehungsweise in den Reaktionskammern befindlichen Reaktionsgasgemisch Schichtmaterial auf die zu beschichtenden Flächen abscheidet. Nach kurzer Plasmaeinwirkzeit ist das Reaktionsgasgemisch verbraucht, und das Plasma wird ausgeschaltet. Anschließend werden die Gasein- und Gasaustrittsöffnungen geöffnet und das verbrauchte gegen frisches Reaktionsgasgemisch ausgetauscht, um eine erneute Beschichtung in die Wege zu leiten. In der Praxis wird jedoch bevorzugt mit einem kontinuierlichen Gasfluß gearbeitet. Dabei wird die Zeit zwischen zwei Plasmaimpulsen gleich groß gemacht, wie die Zeit für einen Austausch von frischem gegen verbrauchtes Reaktionsgasgemisch in dem Reaktionsraum beziehungsweise den Reaktionskammern. Im Interesse einer hohen Ausnutzung der möglicherweise teuren Reaktionsgase ist es anzustreben, einen möglichst hohen Anteil der in den Reaktionsraum beziehungsweise die Reaktionskammern einströmenden Gasmenge zwischen den zu beschichtenden Flächen durchströmen zu lassen und das Verfahren so zu steuern, daß der eingeschlossene Inhalt an Reaktionsgasgemisch nach dem Plasmaimpuls völlig an Schichtmaterial verarmt ist. Dann ist die örtliche Beschichtungsrate nicht mehr von der Größe der in das Plasma eingekoppelten elektrischen Leistung abhängig, sofern ein zum Beispiel von Gaszusammensetzung und Druck abhängiger Schwellenwert der Leistung überschritten wird, sondern insbesondere von der Zahl der auf die zu beschichtende Fläche bezogenen Reaktionsgasmoleküle.

Somit ist eine weitere Beeinflussung der örtlichen Beschichtungsrate und damit der Schichteigenschaften dadurch möglich, daß die Substrate mit ihren zu beschichtenden Flächen gegeneinander oder gegen eine dielektrische Platte geneigt angeordnet werden, wodurch die im Reaktionsraum beziehungsweise in den Reaktionskammern eingeschlossene Menge an Reaktionsgasgemisch längs der zu beschichtenden Fläche variiert. Der Neigungswinkel, der deutlich kleiner als 30° sein sollte, hängt hierbei von den angestrebten Schichteigenschaften ab.

Zum Beispiel wird eine wesentliche Verbesserung der örtlichen Gleichmäßigkeit der Schichtdicke auf den Substraten nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dadurch erzielt, daß sich der Neigungswinkel in Gasflußrichtung öffnet und näherungsweise der Beziehung

mit
P _ein: Druck am gaseingangsseitigen Ende des Substrats bei β = 0
P _aus: Druck am gasausgangsseitigen Ende des Substrats bei β = 0
L: Länge des Substrats
a: kleinster Abstand des Substrats von gegenüberliegender Platte
genügt.

Die starke Abhängigkeit der Beschichtungsrate vom Abstand der gegenüberliegenden Substratflächen wird außerdem vorteilhaft dazu genutzt, optische Bauteile herzustellen, bei denen die Beschichtung oder die Beschichtungen einen keilförmigen Verlauf haben, zum Beispiel Keilfilter oder Verlaufsinterferenzfilter. Zur Herstellung eines Verlaufsinterferenzfilters ist der Neigungswinkel näherungsweise, unabhängig von der Öffnungsrichtung, durch die Beziehung

mit
g₂: größte Wellenlängen des Verlauffilters
λ₁: kleinste Wellenlänge des Verlauffilters
L: Länge des Verlauffilters
a: kleinster Abstand des Substrats von gegenüberliegender Platte
gegeben. Dabei wird angenommen, daß der Druckabfall zwischen gaseingangs- und gasausgangsseitigem Ende gleich 0 ist.

Des weiteren können bei der gleichzeitigen Beschichtung mehrerer Substrate unterschiedliche Beschichtungen auf den einzelnen Substraten dadurch erzeugt werden, daß die Abstände zwischen den einzelnen Substraten unterschiedlich gewählt sind.

Der Zu- und Abfluß des Reaktionsgemischs erfolgt erfindungsgemäß durch mindestens eine Gaseintritts- und mindestens eine Gasaustrittsöffnung in dem Reaktionsraum beziehungsweise in den Reaktionskammern. Sofern mehrere Gaseintrittsöffnungen vorgesehen sind, wird der zuführende Gasstrom in mehrere Teilströme aufgeteilt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, mehrere Gaseintrittsöffnungen zusammen mit den Plasmaelektroden in einer Ebene über der zu beschichtenden Fläche eines Substrats anzuordnen, wobei der Gasfluß und die Plasmaausbreitung in gleicher Richtung senkrecht zur Substratoberfläche erfolgen. Da ständig über die gesamte Substratfläche frisches Reaktionsgemisch zugeführt wird, wird mit Hilfe dieser Anordnung auch ohne Anwendung eines Impulsverfahrens, das bei der Führung des Gasstromes entlang der zu beschichtenden Substratfläche auftretende Problem des Verarmens des Reaktionsgasgemischs an Schichtmaterial am gasausgangsseitigen Ende des Beschichtungsbereichs während des Beschichtungsprozesses überwunden. Durch Steuerung der einzelnen Gasmassenflüsse durch geeignete Ventile, unabhängig voneinander, werden des weiteren die örtlichen Schichteigenschaften gezielt variiert.

Es ist selbstverständlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren auch dann anwendbar ist, wenn die Substrate wie auch die in Ebenen angeordneten Plasmaelektroden vertikal statt horizontal angeordnet werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsformen in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung nach Art eines Vertikalschnitts eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach dem Plasma-Impuls-CVD-Prinzip;

Fig. 2 zeigt die gleiche Vorrichtung wie Fig. 1 in Draufsicht auf einen Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 zeigt in einer Vertikalschnittdarstellung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei mehrere Substrate, die beabstandet übereinander angeordnet sind, während des Beschichtens durch Plasmaheizung auf die erforderliche Substrattemperatur gebracht werden;

Fig. 4 zeigt in einer Vertikalschnittdarstellung eine weitere erfindungsgemäße Substratanordnung zum gleichzeitigen Beschichten mehrerer Substrate;

Fig. 5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, wobei das Reaktionsgasgemisch durch mehrere Gaseintrittsöffnungen in den Reaktionsraum einfließt und die Ausbreitung des Plasmas und des Reaktionsgasgemischs dieselbe Richtung haben;

Fig. 6 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, wobei das Substrat und eine dielektrische Gehäuseplatte gegeneinander um einen Winkel geneigt sind.

Nach Fig. 1 ist eine Gasquelle 1 über eine Gaseintrittsöffnung 2 in einer Gehäusewand eines Gehäuses 3 mit einem Reaktionsraum 4 in dem Gehäuse 3 verbunden. An der gegenüberliegenden Wand des Gehäuses 3 befindet sich eine Gasaustrittsöffnung 5, welche über ein Drosselventil 6 die Verbindung zwischen dem Reaktionsraum 4 und einer Vakuumpumpe 7 herstellt. Die Saugleistung der Vakuumpumpe 7 und die Einstellung des Drosselventils 6 werden so geregelt, daß sich bei einem vorgegebenen Gasmassenfluß in dem Reaktionsraum 4 ein gewünschter, für die Erzeugung von Plasmaimpulsladungen geeigneter Druck von 0,1 bis 20 mbar ergibt. In dem Reaktionsraum 4 wird ein Substrat 8 mittels einer Substrathalterung 9 gehalten. Über dem Substrat 8 sind in dem Reaktionsraum 4 mehrere Plasmaelektroden 10, hier in Gestalt von Trichterantennen aus Platin oder einem anderen temperaturfesten Metall, in einer Ebene angeordnet. Die Anordnung der Plasmaelektroden 10 ist, um Überschläge zu vermeiden, von dem Reaktionsraum 4 durch ein Gehäuse mit einer dielektrischen Platte 11 getrennt. Der Raum innerhalb dieses Gehäuses ist mit Hilfe einer Vakuumpumpe 12 evakuierbar. Die Plasmaelektroden 10 sind über Regeleinrichtungen 13, durch welche sie separat schaltbar und steuerbar sind, an einen Mikrowellengenerator 14 angeschlossen. Die gesamte Vorrichtung ist zur Beheizung des Substrats 8 von einem Ofen 15 umgeben, vorzugsweise zu dem Zweck, die Qualität der Beschichtung zu verbessern.

In Betrieb greifen die Mikrowellenfelder durch die dielektrische Platte 11 und zünden im Reaktionsraum 4 zwischen der Platte 11 und der zu beschichtenden Substratfläche mehrere Reihen von Plasmasäulen 16, die einander überlappen. Bei jedem Plasmaimpuls wird eine Schicht einer Beschichtung 17 auf der zu beschichtenden Fläche und der dielektrischen Platte 11 abgeschieden, deren Schichteigenschaften an jeder Stelle des Substrats durch die separate Steuerung der einzelnen, über der jeweiligen Stelle angeordneten Plasmaelektroden 10 eingestellt werden. Die Größe und die Geometrie der beschichteten Flächen wird durch die Zahl und die Anordnung der Plasmaelektroden bestimmt.

Fig. 2 zeigt eine mögliche Anordnung der Plasmaelektroden 10 in einem Raster über dem Substrat.

In der Vorrichtung von Fig. 3 sind mehrere Substrate 8 beabstandet übereinander angeordnet. Die zu beschichtenden Flächen zweier Substrate sind einander zugewandt und begrenzen Reaktionskammern 19 im Reaktionsraum 4, in welchen die Beschichtung stattfindet. Jede Reaktionskammer 19 enthält jeweils eine eigene Gaseintrittsöffnung 2 und eine Gasaustrittsöffnung 5. Die Plasmaelektroden 10 sind jeweils in einer Ebene oberhalb und unterhalb der Substratanordnung angebracht und erzeugen Plasmasäulen 16. Die von den rückseitigen Flächen der Substrate 8 begrenzten Kammern 20 sind ebenfalls mit Gaseintrittsöffnungen 21 und Gasaustrittsöffnungen 22 ausgestattet. Die Kammern 20 sind mittels einer Vakuumpumpe 23 über die Gasaustrittsöffnungen 22 evakuierbar. Über die Gaseintrittsöffnung 21 wird nicht-reaktives, in einem Plasma UV-Strahlung aussendendes Gas, in dieser Ausführungsform Sauerstoff, in die Kammern 20 eingeleitet. In Betrieb greifen die die Plasmasäulen 16 erzeugenden Mikrowellenfelder durch die Kammern 19 und 20 hindurch. Das Sauerstoffgas wird im Plasma zur Aussendung von UV-Strahlung angeregt, welche von den umliegenden Substraten absorbiert wird und diese auf die erforderliche Substrattemperatur aufheizt.

Bei der in Fig. 4 gezeigten Substratanordnung liegen die Substrate 8 mit ihren rückseitigen Flächen formschlüssig aneinander. Diese Anordnung hat den Vorteil, verglichen mit der Anordnung in Fig. 3, daß weniger Raum beansprucht wird und mehrere Substrate gleichzeitig beschichtet werden können. Zur Erzeugung unterschiedlicher Beschichtungsraten sind die Substratpaare unterschiedlich beabstandet. Die Substratheizung erfolgt in diesem Fall von außen, zum Beispiel durch einen Ofen.

Bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform der Erfindung strömt das Reaktionsgasgemisch durch mehrere Gaseintrittsöffnungen 2, die zusammen mit den Plasmaelektroden 10 in einer Ebene über dem Substrat 8 angeordnet sind, parallel zur Ausbreitungsrichtung des Plasmas, in den Reaktionsraum 4 ein. Mit Hilfe der Drosselventile 3 wird jeder einzelne Gasmassenfluß separat eingestellt.

In Fig. 6 ist dargestellt, wie der Druckabfall des strömenden Reaktionsgasgemischs in der Reaktionskammer zur Erzeugung einer gleichmäßigen Beschichtung durch Anordnen des Substrats 8 in einem Winkel 2a zu der gegenüberliegenden dielektrischen Platte 11 kompensiert wird.

Ein Ausführungsbeispiel für die Beschichtung eines ebenen großflächigen Substrates mit einer hochreflektierenden Beschichtung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einer Anordnung gemäß Fig. 1 wird im folgenden beschrieben. Es wurde ein Plasmaimpulsverfahren mit einem Mikrowellenplasma eingesetzt. Das Substrat bestand aus Quarzglas. Die zu beschichtende Fläche war eine Kreisfläche von 45 cm Durchmesser. Der Abstand der gegenüber dem Substrat angeordneten dielektrischen Platte, welche ebenfalls beschichtet wurde, betrug 1,5 cm, die Dicke von Substrat und dielektrischer Platte jeweils 1 cm. Als Elektroden für die Erzeugung des Mikrowellenplasmas dienten aus Platin bestehende Trichterantennen mit einem Trichterdurchmesser von 15 cm. Über der zu beschichtenden Fläche wurden sieben Trichterantennen derart angeordnet, daß die von den einzelnen Antennen erzeugten Plasmasäulen im Beschichtungsbereich einander überlappten. Hierzu wurden sechs Trichterantennen um eine zentrale Trichterantenne gruppiert, wobei sich alle Trichterantennen gegenseitig berührten. Die Mikrowellenfrequenz betrug 2,45 GHz, die Impulsdauer 1 ms und die Impulspause 50 ms. Die Plasmaelektroden wurden alle mit einer mittleren Leistung von je 500 Watt betrieben und zu gleichen Zeiten geschaltet. Der Raum mit den Plasmaelektroden innerhalb des Gehäuses mit der dielektrischen Platte wurde, um Überschläge zu vermeiden, auf einen Druck von 10^-4 mbar evakuiert. Als Reaktionsgasgemisch wurden die folgenden Reaktionsgase mit den angegebenen Massenflüssen verwendet:

Der Massenfluß von GeCl₄ war sinusförmig moduliert mit einer Periodendauer von 11 s, um einen sinusförmigen Verlauf der Brechzahl mit der Schichtdicke zu erhalten. Die Periodenzahl betrug 500.

Die Beschichtungsrate lag bei 0,72 µm/min, pro Plasmaimpuls wurde eine Schichtdicke von etwa 0,6 nm abgeschieden. Im Reaktionsraum wurde während des Beschichtungsprozesses ein Druck von 3 mbar eingestellt, die Substrattemperatur betrug 1000°C.

Mit Hilfe des oben beschriebenen Verfahrens wurde sowohl auf dem Substrat als auch auf der dielektrischen Platte eine bei 520 nm hochreflektierende Beschichtung mit einer sehr guten Schichtdickengleichmäßigkeit über eine Kreisfläche mit einem Durchmesser von 35 cm erzielt. Zum Rand hin fiel die Schichtdicke etwas ab. Dieser Effekt kann jedoch gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren durch unterschiedliche Steuerung der äußeren und inneren Plasmaelektroden vermieden werden.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel wurde analog zum obigen Beispiel eine kreisförmige Substratfläche von 75 cm Durchmesser beschichtet. Zu diesem Zweck wurden um die oben beschriebene Plasmaelektrodenanordnung zwölf weitere Plasmaelektroden dicht gepackt. Die Prozeßparameter waren wie oben gewählt. Es wurden lediglich die in Klammern angegebenen erhöhten Gasmassenflüsse eingesetzt. Bei diesem Beispiel wurde eine sehr gute Gleichmäßigkeit der Schichtdicke der Beschichtung über eine Kreisfläche von 65 cm Durchmesser erhalten.

Claims

1. Plasma-CVD-Verfahren zum Beschichten großflächiger, im wesentlichen planarer Substrate aus dielektrischem Material, wobei mittels mehrerer, unabhängig voneinander schalt- und steuerbarer Plasmaelektroden eine großflächige bzw. großvolumige Plasmazone erzeugt wird, welche sich über den gesamten zu beschichtenden Bereich eines oder mehrerer Substrate erstreckt, dadurch gekennzeichnet,
daß die Plasmaelektroden in einem Raster über und/oder unter der(n) zu beschichtenden Fläche(n) angeordnet werden, wobei der Abstand zwischen zwei benachbarten Plasmaelektroden so bemessen ist, daß ihre Plasmasäulen einander überlappen,
daß die Plasmaausbreitung senkrecht zur Substratoberfläche erfolgt,
und daß die Plasmaelektroden und die zu beschichtende(n) Fläche(n) während des Beschichtens relativ zueinander in Ruhe gehalten werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Plasmaelektroden unabhängig voneinander über die zugeführte elektrische Leistung geschaltet und gesteuert werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mikrowellenplasma verwendet wird und als Plasmaelektroden Mikrowellenantennen eingesetzt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellenantennen aus der Gruppe von Flächenstrahler, dielektrische Antennen, Kombinationen der vorgenannten Mikrowellenantennen ausgewählt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Mikrowellenantennen Trichterantennen und/oder Stielstrahler eingesetzt werden.

6. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Substrate bezüglich ihrer zu beschichtenden Flächen übereinander angeordnet werden, und daß die Plasmaausbreitung von oberhalb und/oder unterhalb eines Stapels angeordneten Plasmaelektroden aus, wobei die die Plasmasäulen erzeugenden Mikrowellenfelder durch die Substratplatten hindurchgreifen, durchgeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Substrate derart übereinander angeordnet werden, daß sie beabstandet sind und die zu beschichtenden Flächen jeweils zweier Substrate einander zugewandt sind und Reaktionskammern begrenzen, die mit Reaktionsgasgemisch beaufschlagt werden, und daß die durch die rückseitigen Flächen begrenzten Kammern mit einem weiteren Gas, welches beim Zünden eines Plasmas durch Aussenden von UV-Strahlung die Substrate auf die gewünschte Substrattemperatur aufheizt, beaufschlagt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als UV-Strahler angeregtes O₂ verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Substrate so übereinandergelegt werden, daß ihre bezüglich der zu beschichtenden Flächen rückseitigen Flächen aneinander liegen und die so gebildeten Substratpaare derart übereinander angeordnet werden, daß die zu beschichtenden Flächen zweier Substrate einander beabstandet gegenüberliegen und Reaktionskammern begrenzen, die mit Reaktionsgasgemisch beaufschlagt werden.

10. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 6-9, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Plasmaelektroden in Ebenen zwischen den beabstandeten Substraten oder Substratpaaren angeordnet werden und die Plasmaausbreitung von diesen Plasmaelektroden aus parallel zu diesen Ebenen durchgeführt wird.

11. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmaelektroden vom Reaktionsraum oder den Reaktionskammern durch ein Gehäuse mit einer dielektrischen Platte abgetrennt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der durch das Gehäuse abgetrennte Raum auf einen solchen Druck, daß keine Überschläge in diesem Raum stattfinden können, evakuiert wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der durch das Gehäuse abgetrennte Raum mit SF₆ beaufschlagt wird.

14. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 11-13, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Platte des Gehäuses als Substrat verwendet wird.

15. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrom in einer Strömung an der(n) zu beschichtenden Fläche(n) entlang geführt wird.

16. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Plasmaimpuls-CVD-Verfahren verwendet wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die während eines Plasmaimpulses auf jeder einzelnen der zu beschichtenden Substratoberflächen abgeschiedene Mengen an Schichtmaterial durch den Abstand zum benachbarten Substrat oder zur benachbarten dielektrischen Gehäuseplatte eingestellt wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß nach jedem Plasmaimpuls das verbrauchte Reaktionsgasgemisch aus dem Reaktionsraum oder den Reaktionskammern abgeführt und frisches Reaktionsgasgemisch zugeführt wird, und daß während eines Plasmaimpulses kein Gasaustausch durchgeführt wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Zu- und Abfluß des Reaktionsgasgemischs kontinuierlich erfolgt und der Gasmassenfluß so bemessen ist, daß zwischen zwei Plasmaimpulsen das gesamte verbrauchte Reaktionsgasgemisch abgeführt und der Reaktionsraum oder die Reaktionskammern wieder vollständig mit frischem Reaktionsgasgemisch aufgefüllt werden.

20. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gegenüberliegende Substrate oder ein Substrat und eine dielektrische Platte gegeneinander in einem Winkel von <30° geneigt angeordnet werden.

21. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1-5, geeignet zur gleichmäßigen Beschichtung einer einzelnen Substratfläche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Gaseintrittsöffnungen zusammen mit den Plasmaelektroden in einer Ebene über der zu beschichtenden Fläche angeordnet werden und daß der Gaszufluß und die Plasmaausbreitung in gleicher Richtung senkrecht zur Substratoberfläche eingestellt werden.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß durch die einzelnen Gaseintrittsöffnungen unterschiedliche Gasmassenflüsse geleitet werden.

23. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung bei einem Druck im Reaktionsraum oder in den einzelnen Reaktionskammern zwischen 0,1 und 20 mbar durchgeführt wird.

24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den zu beschichtenden Flächen zweier Substrate oder zwischen einem Substrat und einer dielektrischen Gehäuseplatte zwischen 1 und 300 mm gehalten wird.

25. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Substrate während des Beschichtens auf eine Temperatur zwischen 200°C und 1200°C aufgeheizt werden.

26. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer bezüglich Struktur, Zusammensetzung und Dicke gleichmäßigen Beschichtung die an den Rändern einer zu beschichtenden Fläche eines Substrats angeordneten Plasmaelektroden mit höherer elektrischer Leistung betrieben und zu anderen Zeiten als die im Inneren angeordneten Plasmaelektroden geschaltet werden.

27. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 17 zur Herstellung eines Verlauffilters, bei der zwei Substrate oder ein Substrat und eine dielektrische Gehäuseplatte unter einem Neigungswinkel 2α angeordnet werden, welcher der Beziehung folgt, mit
λ₂: größte Wellenlänge des Verlauffilters
λ₁: kleinste Wellenlänge des Verlauffilters
L: Länge des Verlauffilters
a: kleinster Abstand des Substrats von gegenüberliegender Platte.

28. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 17, zur Vergleichmäßigung des Schichtdickenverlaufs, bei der zwei Substrate oder ein Substrat und eine dielektrische Gehäuseplatte unter einem in Gasflußrichtung geöffneten Neigungswinkel 2 β angeordnet werden, der näherungsweise durch die Beziehung: gegeben ist, mit
P _ein: Druck am gaseingangsseitigen Ende des Substrats bei β = 0
P _aus: Druck am gasausgangsseitigen Ende des Substrats bei β = 0
L: Länge des Substrats
a: kleinster Abstand des Substrats von gegenüberliegender Platte.