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Gebiet der
Erfindung
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Bei
dieser Erfindung handelt es sich um das Gebiet von Vorrichtungen
zur Abscheidung von Beschichtungen auf einem Substrat unter Einsatz
eines magnetisch eingeschlossenen, planaren, induktiv gekoppelten
Plasmaabscheidungsverfahrens.
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Stand der
Technik
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Beschichtungen
können
unter Einsatz eines Plasmaabscheidungsverfahrens auf nahezu jedem Substrat
abgeschieden werden. Ein mögliches
Abscheidungsverfahren setzt eine magnetisch eingeschlossene, planare,
induktiv gekoppelte Plasmaquelle (inductively coupled plasma, ICP)
ein. Das Plasma wird durch Induktion einer Hochfrequenzspule angeregt
und unter einem Isolierfenster im Reaktorvolumen gebildet. Dieses
Isolierfenster sperrt auch das Vakuum ab.
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Zur
Erhöhung
der Plasmadichte werden häufig
Magneten eingesetzt. Das zu beschichtende Substrat wird herkömmlich mit
geringem Abstand unterhalb des Fensters auf einer Substrathalterung
angeordnet. Dieser Abstand beträgt
typischerweise wenige Zentimeter. Die Substrathalterung kann auf
dem Substrat vorgespannt werden, um während des Filmwachstums den
Ionenbeschuss zum Anpassen der Beschichtungseigenschaften zu erhöhen. Eine
solche Vorrichtung ist z.B. in der US-Patentschrift 5,436,528 beschrieben.
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Ein
wichtiger Nachteil dieses Aufbaus ist die Tatsache, dass das Isolierfenster
vor dem Plasma nicht geschützt
ist und deshalb mit dem Film beschichtet wird. Diese Verschmutzung
des Fensters kann manchmal als Funktion der Zeit die Plasmazustände modifizieren.
Sie kann nach einer Weile auch von selbst abblättern, wodurch es nötig wird,
das Fenster regelmäßig zu reinigen.
Sie kann (durch Ver spritzen) auch zu unerwünschter Verschmutzung der Beschichtung
auf der Substrathalterung und von jeglichem darauf angeordnetem
Substrat führen.
Ein möglicher
Weg zum Reduzieren der Spritzverschmutzung auf der Substratseite
ist, eine geerdete Faraday-Abschirmung unter der Hochfrequenzspule anzubringen
und sie zum Reduzieren der kapazitiven Kopplung durch eine Isolierabdeckung
abzutrennen. Jedoch verhindert die Faraday-Abschirmung nicht die
Verschmutzung des Isolierfensters selbst.
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Die
ICP-Technologie kann zu großdimensional
heraufgesetzt werden, indem mehrere als eine Induktionsspule nebeneinander
angeordnet werden.
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Ziele der
Erfindung
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Ein
primäres
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Beschichten
eines Substrats unter Einsatz von ICP-Plasmaabscheidung bereitzustellen,
in welcher das Isolierfenster nicht verschmutzt wird.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung
zum Beschichten eines Substrats unter Einsatz von ICP-Plasmaabscheidung
bereitzustellen, in welcher sich die Plasmazustände im Laufe der Zeit nicht ändern.
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Allgemeine
Beschreibung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abscheidung
von Beschichtungsschichten auf einem Substrat unter Einsatz einer
magnetisch eingeschlossenen, planaren, induktiv gekoppelten Plasmaquelle,
dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Plasmainduktor,
einen ein Isolierfenster umfassenden Vakuumreaktor umfasst, wobei der
Reaktor Gase enthält,
die die abzuscheidenden Elemente enthalten, dadurch gekennzeichnet,
dass das zu beschichtende Substrat so nah am Isolierfenster angeordnet ist,
dass es zumindest einen Teil des Isolierfenster bedeckt, wodurch
es von der Plasmaseite beschichtet wird. Vorzugsweise bedeckt das Substrat
das Isolierfenster vollständig.
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Die
Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung kann ferner eine Faraday-Abschirmung umfassen, wobei die
Faraday-Abschirmung vorzugsweise vorgespannt ist.
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Die
Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung ist vorzugsweise dahingehend gekennzeichnet, dass der
Plasmainduktor eine Induktionsspule, die durch eine Energiequelle
betrieben wird, umfasst, wobei die Energiequelle vorteilhaft ausgewählt ist aus
der Gruppe, bestehend aus Hochfrequenz-, Wechselstrom- und Impuls-Gleichstromenergiequellen.
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Die
Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung kann ferner Elemente zum Bewegen des Substrats umfassen,
um z.B. zu gewährleisten,
dass ein großes
Substrat wie eine Folie auf seiner gesamten vom Fenster abgeneigten
Oberfläche
gleichmäßig beschichtet
wird.
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Kurze Beschreibung
der Figuren
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1 beschreibt
einen herkömmlichen
Aufbau eines Plasmaabscheidungsreaktors auf der Basis einer magnetisch
eingeschlossenen, planaren ICP-Quelle und eines dazu abgeneigten
Substrats, das auf seiner Substrathalterung zu beschichten ist (Stand
der Technik).
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2 zeigt
den Aufbau eines Plasmaabscheidungsreaktors gemäß der vorliegenden Erfindung
unter Einsatz einer magnetisch eingeschlossenen, planaren ICP-Quelle
und einer Einrichtung zum Führen
des zu beschichtenden Substrats nahe an das Isolierquellenfenster,
wo es von der Plasmaseite beschichtet wird. In dieser schematischen
Zeichnung ist das Substrat durch eine Folie dargestellt, die durch
eine Kombination von zwei Rollen (auf- und abrollen) geführt wird.
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3 beschreibt
den Aufbau eines Plasmaabscheidungsreaktors gemäß einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung unter Einsatz einer magnetisch eingeschlossenen,
planaren ICP-Quelle und eines zu beschichtenden Substrats, das auf
dem Quellenfenster angeordnet ist, wo es von der Plasmaseite beschichtet
wird.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Beschichten
eines Substrats unter Einsatz von ICP-Plasmaabscheidung, wobei das
Isolierfenster durch das Substrat selbst vor dem Plasma geschützt ist.
Die Erfindung wird weiter unter Verwendung von einigen nicht beschränkenden
Beispielen und Figuren verdeutlicht.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird das zu beschichtende Substrat 4 neben das
Isolierfenster 2 (das es bedeckt) geführt, wie es z.B. in 2 angezeigt
ist, die schematisch eine Bahnenbeschichtungsanwendung darstellt,
in welcher Folienrollen zu beschichten sind (die Folie wird mit
einer bestimmten Maschinengeschwindigkeit bewegt). Die Aufroll-
und Abrollstufe wird zum Führen
des Foliensubstrats eingesetzt.
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Die
Schicht, die im herkömmlichen
Aufbau (1) als störende
Verschmutzungsschicht auf dem Isolierfenster erachtet wird, wird
nun direkt auf dem zu beschichtenden Substrat abgeschieden.
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Die
Eigenschaften dieser Beschichtung können in einem sehr breiten
Bereich in mehr oder weniger ähnlicher
Weise wie die Beschichtung auf dem Substrat im herkömmlichen
Aufbau (1) angepasst werden. In der Konfiguration gemäß der Erfindung
bleibt das Fenster sauber und muss nicht weiter gewartet werden.
Ein zusätzlicher
Vorteil des neuen Aufbaus ist, dass die Plasmadichte maximal nahe
am Isolierfenster liegt, so dass in der Konfiguration gemäß der Erfindung
aus der hohen Plasmadichte Nutzen gezogen werden kann.
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Verfügbare Verfahrensparameter
zum Anpassen von Beschichtungseigenschaften im Aufbau gemäß der Erfindung
sind:
- – Gasstromeigenschaften,
- – Arbeitsdruck,
- – Hochfrequenzenergie
an der Spule 1,
- – die
Gegenwart oder Abwesenheit einer geerdeten Faraday-Abschirmung 6.
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Letzteres
ist ein sehr wichtiger Verfahrensparameter. In Abwesenheit der Faraday-Abschirmung
induziert die kapazitive Kopplungskomponente der Induktionsspule
eine Selbstvorspannung des Substrats 4 in 2,
wodurch ein erhöhter
Ionenbeschuss während
des Filmwachstums induziert wird. In Gegenwart der geerdeten Faraday-Abschirmung beträgt diese
Vorspannung tatsächlich
null.
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Die
Vorspannung des Substrats 4 in 2 kann sogar
noch genauer reguliert werden, wenn eine separate Vorspannungsenergiequelle
auf die Faraday-Abschirmung 6 angelegt wird (Ersatz der Erdung
mit einer separaten Vorspannungsenergiequelle). Zum Beispiel kann
durch Verbinden einer Impuls-Gleichstromenergiequelle mit der Faraday-Abschirmung
im Frequenzbereich von 10-400 kHz mit regulierbarer Spitzenspannung
die Vorspannung auf dem Substrat 4 in 2 genau
reguliert werden.
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Zum
Verbessern der Plasmagleichmäßigkeit auf
dem Substrat 4 in der Konfiguration von 2 ist es
möglich,
spezielle Magnetkonfigurationen zu entwickeln, die die Verteilung
der Plasmadichte regulieren. Dies kann nötig werden, wenn zum Erhöhen der Quellengröße mehrere
als eine Hochfrequenzspule nebeneinander angeordnet sind und die
Plasmadichte zwischen den Spulen eingestellt werden muss.
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Beispiel 1
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Ein
Substrat 4 wurde vom Isolierfenster 2 (Durchmesser
20 cm) abgeneigt angeordnet. Der Gasstrom bestand aus 1,4 Standard-L/h
(40 sccm) CH4 und 0,6 Standard-l/h (20 sccm)
H2. Der Druck wurde auf 1,5 Pa festgesetzt.
Die Hochfrequenzenergie wurde auf 100 W eingestellt. Die Faraday-Abschirmung fehlte.
Die auf dem Substrat abgeschiedene Beschichtung war dunkelbraun
und zeigte ausgezeichnete Abriebsfestigkeit gegen Scheuern mit grobem
Sandpapier. Diese Beschichtung zeigte alle Eigenschaften, die für eine diamantähnliche α-C:H-Kohlenstoffstruktur
typisch ist.
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Beispiel 2
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Ein
Substrat 4 wurde vom Isolierfenster 2 (Durchmesser
20 cm) abgeneigt angeordnet. Der Gasstrom bestand aus 1,4 Standard-L/h
(40 sccm) CH4 und 0,6 Standard-l/h (20 sccm)
H2. Der Druck wurde auf 1,5 Pa festgesetzt.
Die Hochfrequenzenergie wurde auf 100 W eingestellt. Eine geerdete
Faraday-Abschirmung lag vor. Die auf dem Substrat abgeschiedene
Beschichtung war völlig
transparent. Diese Beschichtung wies alle Eigenschaften auf, die für ein herkömmliches
transparentes Plasmapolymer typisch sind.
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Beispiel 3
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α-SixC1-x:H-, α-CxF1-x:H-, α-BxN1-x:H- und SixOyNz:H-Schichten
können
auf Substrate in einer Konfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung
aufgebracht werden.
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Gasströme, Arbeitsdrücke, Hochfrequenzenergien
können
jeweils in einem breiten Bereich variiert werden. Durch Auswahl
der geeigneten Gase kann nahezu jede beliebige Beschichtungszusammensetzung
unter Einsatz des Verfahrens gemäß dieser
Erfindung auf einem Substrat abgeschieden werden. Es ist sogar möglich, die
Hochfrequenzenergiequelle an den Induktionsspulen durch andere Wechselstrom-
oder Impuls-Gleichstromenergiequellen zu ersetzen. Die Konfiguration
gemäß der Erfindung
kann möglicherweise
zum Plasmaaktivieren oder Reinigen von Substraten ohne Abscheidung eingesetzt
werden.