EP1032943A2 - Verfahren zur erzeugung eines plasmas durch einstrahlung von mikrowellen - Google Patents

Verfahren zur erzeugung eines plasmas durch einstrahlung von mikrowellen

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EP1032943A2
EP1032943A2 EP98955327A EP98955327A EP1032943A2 EP 1032943 A2 EP1032943 A2 EP 1032943A2 EP 98955327 A EP98955327 A EP 98955327A EP 98955327 A EP98955327 A EP 98955327A EP 1032943 A2 EP1032943 A2 EP 1032943A2
Authority
EP
European Patent Office
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plasma
pulsed
microwave
microwave radiation
radiation
Prior art date
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Ceased
Application number
EP98955327A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Weber
Johannes Voigt
Susanne Lucas
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1032943A2 publication Critical patent/EP1032943A2/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32192—Microwave generated discharge
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32192—Microwave generated discharge
    • H01J37/32266—Means for controlling power transmitted to the plasma
    • H—ELECTRICITY
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    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32431—Constructional details of the reactor
    • H01J37/32697—Electrostatic control
    • H01J37/32706—Polarising the substrate

Definitions

  • the invention relates to a method for generating a plasma by irradiation of microwaves, a process gas being passed into a recipient, microwave radiation being generated by means of a radiation source and this microwave radiation being irradiated into the recipient so that a plasma is ignited.
  • Processes in which microwave radiation is generated and a plasma is thus ignited are known and are used in a wide variety of areas. These can be independent processes or part of a sequence of different processes.
  • the plasma generated by the microwave radiation can also be used to ignite another plasma.
  • An important area of application is the treatment of surfaces. These include both coating and non-coating, e.g. B. understood removal or activating method.
  • the coating processes the coating of plastics and hardened steels with a hard wear protection layer is of particular importance. With such a wear protection layer, it can, for. B. act a hard, amorphous carbon layer (aC: H).
  • DE 195 13 614 describes the deposition of carbon layers with applied bipolar pulsed Bias.
  • US 5,427,827 is concerned with the deposition of optically transparent, diamond-like carbon layers in continuous microwave ECR plasma at a substrate temperature of 50 ° C., a sinusoidal RF alternating voltage is applied.
  • the so-called downstream method is described, in which the plasma generation and the layer deposition take place spatially separated in two chambers.
  • No. 4,869,923 relates to a method in which a plasma is generated by continuous irradiation of microwaves, but without a bipolar pulsed bias.
  • a disadvantage of these known processes is that the typical process temperatures are around 180-220 ° C. for the deposition of hard layers a few ⁇ m thick at high deposition rates. These high temperatures can cause the substrate to lose hardness.
  • a coating of art Material substrates are not easily possible with this method, since the plastic softens due to the temperature load, so that the substrates change their shape.
  • One can remedy this by reducing the incident microwave power. This also reduces the coating rate, so that the process time is extended again.
  • Another remedy is to insert pause times between the bipolar substrate pulses to accelerate the ions.
  • both the generation of the plasma and the acceleration of the ions onto the substrates are brought about together by a high-frequency, sinusoidal AC voltage on the substrates.
  • the process temperature here is around 150 ° C.
  • a disadvantage of this method is that, for technical reasons, scaling to large batches such as. B. the industrially customary batch sizes are not readily possible.
  • the method according to the invention in which a pulsed microwave radiation is used to generate the plasma, has the advantage that the process temperature can be set to less than 200 ° C. and scaling to large batch quantities is possible.
  • the method according to the invention is therefore particularly suitable for treatment of temperature-sensitive substrates and for the treatment of batch sizes customary in industry.
  • the lowering of the process temperature is made possible by the fact that the coupled power of the pulsed microwave radiation can be reduced with the same process result in comparison to the required power of the non-pulsed microwave radiation.
  • the method according to the invention is based on the knowledge that the ion current density, which can be extracted from a plasma generated by microwave rays and can act on the substrates, increases disproportionately to the coupled power of the microwave radiation. If you double the power of the coupled microwave radiation, the ion current also increases, but by more than twice. In the prior art, the power of the continuous microwave radiation is therefore reduced until the desired ion current density is reached. In the method according to the invention, instead, a high power of the microwave radiation is assumed and the plasma is ignited by a pulsed excitation.
  • the reduction in the effective power of the microwave radiation with the same process result leads to a lowering of the process temperature.
  • the method according to the invention is therefore particularly well suited for the treatment of temperature-sensitive substrates.
  • the process rate is increased when the microwave radiation power is effectively the same. This reduces the process time.
  • the process is therefore faster and cheaper and is therefore scalable to large batch quantities.
  • the method according to the invention can naturally be used in all microwave-assisted processes. This can be an independent process. But it can also be part of a sequence of different processes.
  • the processes can be those for surface treatment, which can be coating or non-coating.
  • a distinction is made between abrasive and non-abrasive processes, e.g. B. activating processes.
  • the microwave radiation can be combined with other sources for particles, electromagnetic radiation or particle radiation, for example sputter sources, evaporator sources or arc sources.
  • the microwave plasma itself can be used in various ways depending on the process in which it is used, for example as a plasma source or as an ion source. These ions can be accelerated onto the substrates by means of a negative substrate voltage.
  • the microwave plasma can also be used as an ignition aid for other plasmas.
  • Figure 1 is a graphical representation of the dependence of the average power of the microwave radiation on the power per microwave pulse for a constant average ion current on the substrates;
  • Figure 2 is a schematic representation of an apparatus for performing the method according to the invention
  • FIG. 3 shows a section along the line III-III in FIG.
  • FIG. 1 again illustrates how the method according to the invention reduces the effective output of the microwave radiation with the same process result.
  • the effective power of the microwave radiation is calculated from the radiation power per pulse multiplied by the value for the duty cycle. This is set so that the ion current density, that is to say the bias current on the substrates, is reduced to the initial value and kept constant. It can be seen from the plot that if the pulse power is increased, the effective microwave power can be reduced with the same effect.
  • FIG. 2 and 3 schematically show a device 1 for performing the method according to the invention.
  • the device 1 has a recipient 2 which is circular in cross section and has a diameter of approximately 70 cm.
  • Substrates 3 are set in recipient 2.
  • the substrates are steel.
  • double-rotating substrates 3 are provided, which rotate in the direction of arrows A and B in FIG. 3 both about themselves and about the center of the recipient 2.
  • the substrates 3 are connected to a voltage source 4, so that a negative bias supply can be applied, which can also be pulsed.
  • the recipient 2 has an opening 5 through which a microwave radiation generated by a voltage source 6 can be coupled. Furthermore, a supply nozzle 7 for the introduction of the process gas and a suction nozzle 8 with a control valve 9 are provided for applying the required vacuum.
  • the recipient 2 also has two further radiation sources 10 and 11, in the present case two sputter cathodes.
  • the substrates were plasma cleaned in a known manner by igniting an Ar plasma with a negative voltage applied to the substrates. This serves to clean and increase the adhesion of the layer to be subsequently applied.
  • a metallic layer is applied by a known method, which increases the adhesion of the functional layer to be subsequently applied.
  • a bipolar bias voltage was applied to the substrates.
  • the time average of the substrate voltage was -200V.
  • the recipient 1 is coupled to two sputter sources 10, 11. In this way, a sputtering process can be used in addition to the coating process. Coupling with other sources of electromagnetic or particle radiation such as evaporator sources and arc sources are also conceivable.
  • the temperature of the unpulsed process was approx. 220 ° C. After pulsing, the temperature was reduced to below 200 ° C.
  • amorphous carbon layers a-C: H
  • the properties of the layers produced were:
  • the frequency of the alternating frequency can be less than, equal to or greater than the frequency of the microwave. In the case of frequency equality, it can be advantageous to set the phase between the bias pulse and the microwave pulse in a defined manner.
  • Possible alternating frequencies are a sinusoidal voltage curve over time, a pulse-like monopolar voltage and a pulse-like bipolar voltage with or without pauses between the individual voltage pulses.
  • the microwave frequency can be in the industrial frequency range, for example at 2.45 GHz, 1.225 GHz and 950 MHz GHz.
  • the efficiency of pulsing can be increased with the microwave power.
  • the above The limit of the power of the microwave radiation is equal to the power limit of the radiation source used. A lower limit of 0.5 kW is recommended. Values above 1 kW or above 3 kW are particularly preferred.
  • microwave plasmas can be used.
  • pure microwave plasmas can be used in a pressure range> 10 mbar, or with an additional magnetic field as ECR microwave plas a in a pressure range> 10 mbar.
  • the method according to the invention is suitable for all types of coating microwave plasmas.
  • C-containing layers e.g. B. methane and acetylene can be used as process gases.
  • Silanes are suitable for the production of silicon-containing layers, e.g. Silane, or organosilicon compounds such as HMDS, HMDS (0), HMDS (N) or TMS as process gases.
  • organosilicon compounds such as HMDS, HMDS (0), HMDS (N) or TMS
  • process gases known to those skilled in the art such as, for. B. organometallic compounds can be used.
  • the method is also suitable for the deposition of plasma polymer layers. It is also possible to separate layer systems by combining different gases.
  • the layer can be deposited by the method described with other layers, in particular those which are deposited by known methods.
  • the combination can take place, for example, in multiple or multiple layers.
  • the process gas can also be exchanged during the pulse pauses, so that each plasma pulse starts with fresh process gas. This can be important for the treatment and coating of substrates with complex geometrical relationships.
  • the substrates can be moved upright, rotating or linear.
  • the process can of course be carried out in other types of plants, such as batch plants or continuous plants or bulk goods plants.
  • the method according to the invention is also suitable for non-coating processes for surface activation, for the plasma fine cleaning of surfaces or for the plasma structuring of surfaces. It also advantageously allows lower treatment temperatures or a faster process, i. H. a reduction in process time.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Plasmas durch Einstrahlung von Mikrowellen, wobei ein Prozessgas in einen Rezipienten geleitet und mittels Einstrahlung von Mikrowellen ein Plasma gezündet wird. Erfindungsgemäss ist vorgesehen, dass die eingekoppelte Mikrowellenstrahlung gepulst wird. Dadurch ist eine Reduktion der effektiven Mikrowellenleistung bei gleichem Prozessresultat möglich, so dass auf diese Weise die Prozesstemperatur herabgesetzt werden kann. Ferner ist eine Erhöhung der Prozessrate bei effektiv gleicher eingekoppelter Leistung möglich, wodurch die Prozesszeit reduziert und das Verfahren auf grosse Chargenmengen hochskaliert werden kann.

Description

Verfahren zur Erzeugung eines Plasmas durch Einstrahlung von Mikrowellen
Stand der Technik
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung eines Plasmas durch Einstrahlung von Mikrowellen, wobei ein Prozessgas in einen Rezipienten geleitet wird, mittels einer Strahlenquelle eine Mikrowellenstrahlung erzeugt wird und diese Mikrowellenstrahlung in den Rezipienten eingestrahlt wird, so daß ein Plasma gezündet wird.
Prozesse, bei denen Mikrowellenstrahlung erzeugt und damit ein Plasma gezündet wird, sind bekannt und werden in den unterschiedlichsten Gebieten eingesetzt. Dabei kann es sich um eigenständige Prozesse oder um einen Teil einer Abfolge verschiedener Prozesse handeln. Das durch die Mikrowellenstrahlung erzeugte Plasma kann auch zur Zündung eines weiteren Plasmas dienen. Ein wichtiger Anwendungsbereich ist die Behandlung von Oberflächen. Darunter werden sowohl beschichtende als auch nicht beschichtende, z. B. abtragende oder aktivierende Verfahren verstanden. Von den beschichtenden Verfahren sind die Beschichtung von Kunststoffen und gehärteten Stählen mit einer harten Verschleißschutzschicht von besonderer Bedeutung. Bei einer derartigen Verschleißschutzschicht kann es sich z. B. um eine harte, amorphe Kohlenstoff-Schicht (a-C:H) handeln.
Gattungsgemäße Verfahren sind aus den DE 195 13 614, US 5,427,827 und US 4,869,923 bekannt. Die DE 195 13 614 beschreibt die Abscheidung von Kohlenstoffschichten mit angelegtem bipolar gepulstem Bi- as. Die US 5,427,827 befaßt sich mit der Abscheidung von optisch transparenten, diamantartigen Kohlenstoffschichten im kontinuierlichen Mikrowellen- ECR-Plasma bei einer Substrattemperatur von 50°C, wobei eine sinusförmige RF- echselSpannung angelegt wird. Es wird das sogenannte downstream-Verfahren beschrieben, bei dem die Plasmaerzeugung und die Schichtabscheidung räumlich getrennt in zwei Kammern ablaufen. Die US 4,869,923 betrifft ein Verfahren, bei dem ein Plasma durch kontinuierliche Einstrahlung von Mikrowellen erzeugt wird, jedoch ohne bipolar gepulsten Bias.
Nachteilig an diesen bekannten Verfahren ist, daß zur Abscheidung harter, einige μm dicker Schichten bei hohen Abscheideraten die typischen Prozeßtemperaturen bei etwa 180 - 220°C liegen. Diese hohen Temperaturen können einen Härteverlust beim Substrat bewirken. Eine Beschichtung von Kunst- stoffSubstraten ist mit diesem Verfahren nicht ohne weiteres möglich, da der Kunststoff aufgrund der Temperaturbelastung erweicht, so daß die Substrate ihre Form ändern. Man kann zwar Abhilfe schaffen, indem die eingestrahlte Mikrowellenleistung verringert wird. Dadurch verringern sich aber auch die Beschichtungsrate, so daß die Prozeßzeit wiederum verlängert wird. Eine andere Abhilfemöglichkeit besteht darin, Pausenzeiten zwischen den bipolaren Substratpulsen zur Beschleunigung der Ionen einzulegen. Dies führt allerdings zu einer Verringerung der Abscheiderate und, was viel gravierender ist, zu einer Verringerung der Schichthärte.
Bei einem anderen bekannten Verfahren werden sowohl die Erzeugung des Plasmas als auch die Beschleunigung der Ionen auf die Substrate gemeinsam durch eine hochfrequente, sinusförmige Wechselspannung an den Substraten bewirkt. Die Prozeßtemperatur liegt hier bei etwa 150°C. Nachteilig an diesem Verfahren ist aber, daß aus technischem Gründen eine Skalierung auf große Chargenmengen wie z. B. die industriell üblichen Chargengrößen nicht ohne weiteres möglich ist.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem zur Erzeugung des Plasmas eine gepulste Mikrowellenstrahlung verwendet wird, hat demgegenüber den Vorteil, daß die Prozeßtemperatur auf weniger als 200°C eingestellt werden kann und eine Skalierung auf große Chargenmengen möglich ist. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich somit besonders für die Be- handlung temperaturempfindlicher Substrate und für die Behandlung industriell üblicher Chargengrößen.
Die Erniedrigung der Prozeßtemperatur wird dadurch ermöglicht, daß die eingekoppelte Leistung der gepulsten Mikrowellenstrahlung bei gleichem Prozeßergebnis im Vergleich zur benötigten Leistung der un- gepulsten Mikrowellenstrahlung gesenkt werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Erkenntnis, daß die Ionenstromdichte, die aus einem durch Mikrowellenstrahlen erzeugten Plasma extrahierbar ist und auf die Substrate einwirken kann, überproportional zur eingekoppelten Leistung der Mikrowellenstrahlung ansteigt. Verdoppelt man also die Leistung der eingekoppelten Mikrowellenstrahlung, so steigt der Ionenstrom ebenfalls an, aber um mehr als das Doppelte. Im Stand der Technik wird die Leistung der kontinuierlichen Mikrowellenstrahlung daher so weit abgesenkt, bis die gewünschte Ionenstromdichte erreicht ist. Beim erfindungsgemäßen Verfahren geht man statt dessen von einer hohen Leistung der Mikrowellenstrahlung aus und zündet das Plasma durch eine gepulste Anregung. Wird die ursprüngliche Leistung der Mikrowellenstrahlung z. B. verdoppelt und eine Pulsfrequenz gewählt, bei der der Mikrowellengenerator zu 50% der Betriebszeit im Betriebszustand "an" und zu 50% im Betriebszustand "aus" ist, erreicht man effektiv also eine Halbierung der ursprünglich verdoppelten Leistung. Diese Halbierung des sog. "duty cycle" von 100% auf 50% bewirkt eine Halbierung des Ionen- stroms. Jedoch war der Ausgangswert des Ionenstroms durch die zu Beginn vorgenommene Verdoppelung im Vergleich zum ungepulsten Fall schon erhöht, und zwar auf mehr als das Doppelte.
Bei gleicher effektiver Mikrowellenleistung kann man also einen größeren Effekt, in diesem Fall also einen höheren Ionenstrom bekommen. Um den ursprünglich gewünschten Ionenstrom wieder zu erhalten, muß man folglich die Betriebszeit des Mikrowellengenerators noch weiter reduzieren. Damit wird aber die effektive Leistung der Mikrowellenstrahlung unter den Ursprungswert gesenkt. Man erhält somit den gleichen Effekt, nämlich den gleichen Ionenstrom, bei reduzierter effektiver Leistung der Mikrowellenstrahlung.
Die Reduktion der effektiven Leistung der Mikrowellenstrahlung bei gleichem Prozeßresultat führt zu einer Senkung der Prozeßtemperatur. Das erfindungs- gemäße Verfahren ist also zur Behandlung temperaturempfindlicher Substrate besonders gut geeignet. Andererseits wird bei effektiv gleicher eingekoppelter Leistung der Mikrowellenstrahlung die Prozeßrate erhöht. Damit reduziert sich die Prozeßzeit. Das Verfahren wird also schneller und billiger und ist damit auf große Chargenmengen skalierbar.
Bei niedrigen Leistungen der Mikrowellenstrahlung (z. B. etwa 0,5 kW) beobachtet man ferner eine Stabilisierung des Plasmas, wie sie bei den bisher bekannten Verfahren nicht möglich ist. Ein nicht gepulstes Plasma ist im allgemeinen unterhalb einer bestimmten Leistung nicht stabil zu betreiben; es verlöscht. Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist mittels Pulsung dagegen ein Dauerbetrieb auch bei kleinen Mikrowellenleistungen unterhalb dieses Grenzwertes möglich.
Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in Anspruch 1 angegebenen Verfahrens möglich.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann naturgemäß Anwendung in allen mikrowellen-unterstützten Prozessen finden. Dabei kann es sich um einen eigenständigen Prozeß handeln. Er kann aber auch Teil einer Abfolge verschiedener Prozesse sein. Bei den Prozessen kann es sich um solche zur Oberflächenbehandlung handeln, die beschichtend oder nicht beschichtend sein können. Bei den nicht beschichtenden Prozessen unterscheidet man abtragende und nicht abtragende, z. B. aktivierende Prozesse.
Die Mikrowellenstrahlung kann mit anderen Quellen für Teilchen, elektromagnetische Strahlung oder Teilchenstrahlung kombiniert werden, beispielsweise Sputterquellen, Verdampferquellen oder Bogenquel- len.
Das Mikrowellenplasma selbst kann je nach dem Prozeß, bei dem es eingesetzt wird, auf verschiedene Weise genutzt werden, beispielsweise als Plasmaquelle oder als Ionenquelle. Diese Ionen können mittels einer negativen Substratspannung auf die Substrate beschleunigt werden. Das Mikrowellenplasma kann aber auch als Zündhilfe für andere Plasmen genutzt werden.
Zeichnung
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Aus- führungsbeispiels mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der mittleren Leistung der Mikrowellenstrahlung von der Leistung pro Mikrowellenpuls für einen konstanten mittleren Ionenstrom auf den Substraten;
Figur 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ;
Figur 3 einen Schnitt entlang der Linie III- III in Figur 2.
Figur 1 illustriert nochmals, wie durch das erfindungsgemäße Verfahren die effektive Leistung der Mikrowellenstrahlung bei gleichem Prozeßresultat reduziert wird. In diesem Fall wurde mit einer
Mikrowellenstrahlung mit einer Leistung von 0,84 kW
3 mit Argon als Prozessgas bei einem Druck p = 1x10 mbar ein Mikrowellenplasma erzeugt. Durch Anlegen einer negativen Bias-Versorgung an im Plasma befindliche Substrate wurde der Substrat- Ionenstrom gemessen. Der Ausgangszustand entspricht 100% der ungepulsten Mikrowellenleistung, d. h. während der Betriebszeit der Strahlungsquelle war diese aus- schließlich im Betriebszustand "an". Dies entspricht einem sog. "duty cycle" von 1 (100%) . Die Mikrowellenleistung wurde nun systematisch erhöht. Der damit ebenfalls ansteigende Ionenstrom wurde durch Pulsen der Mikrowellenstrahlung reduziert. Die Leistung der Mikrowellenstrahlung im Puls bleibt also hoch. Die Strahlungsquelle ist aber nicht mehr kontinuierlich im Betriebszustand "an", sondern zeitweise im Betriebszustand "aus". Dies entspricht einem "duty cycle" unter 1 (weniger als 100%) . Aus der Strahlungsleistung pro Puls multipliziert mit dem Wert für den duty cycle berechnet sich die effektive Leistung der Mikrowellenstrahlung. Diese wird so eingestellt, daß die Ionenstromdichte, also der Biasstrom an den Substraten auf den Ausgangswert reduziert und konstant gehalten wird. Man erkennt aus der Auftragung, daß bei Erhöhung der Pulsleistung eine Reduktion der effektiven Mikrowellenleistung bei gleichem Effekt möglich ist.
Die Figuren 2 und 3 zeigen schematisch eine Vorrichtung 1 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Vorrichtung 1 weist einen im Querschnitt kreisförmigen Rezipienten 2 mit einem Durchmesser von ca. 70 cm auf. In Rezipienten 2 sind Substrate 3 eingestellt. In diesem Fall handelt es sich um Stahl-Substrate. Im vorliegenden Fall sind zweifach rotierende Substrate 3 vorgesehen, die sich in Richtung der Pfeile A und B in Figur 3 sowohl um sich selbst als auch um den Mittelpunkt des Rezipienten 2 drehen. Die Substrate 3 sind an eine Spannungsquelle 4 angeschlossen, so daß eine negative Bias -Versorgung angelegt werden kann, die auch gepulst werden kann.
Der Rezipient 2 weist eine Öffnung 5 auf, durch die eine von einer Spannungsquelle 6 erzeugte Mikrowellenstrahlung eingekoppelt werden kann. Ferner sind ein Zufuhrstutzen 7 für die Einleitung des Prozeßgases und ein Absaugstutzen 8 mit Regelventil 9 für das Anlegen des benötigten Unterdrucks vorgesehen. Der Rezipient 2 weist ferner zwei weitere Strahlungsquellen 10 und 11, im vorliegenden Fall zwei Sputterkathoden auf.
Das erfindungsgemäße Verfahren wurde wie folgt durchgeführt :
Zunächst wurde in einer bekannten Weise eine Plasmareinigung der Substrate durchgeführt, indem ein Ar-Plasma gezündet wurde bei an die Substrate angelegter negativer Spannung. Dies dient zur Reinigung und Erhöhung der Haftung der anschließend aufzubringenden Schicht .
Als nächscer Schritt wird durch ein bekanntes Verfahren eine metallische Schicht aufgebracht, die eine Erhöhung der Haftung der anschließend aufzubringenden Funktionsschicht bewirkt. Die Funktionsschicht wird auf folgende Weise abgeschieden: über den Zufuhrstutzen 7 wurde Acetylen als Prozeßgas in den Rezipienten 2 eingeleitet. Der Druck wurde auf 3x10 mbar eingestellt. Eine Mikrowellenstrahlung mit einer Leistung von 1,1 kW (=100% ungepulste Leistung) wurde eingekoppelt, so daß sich ein Plasma 12 entzündete. Zum Pulsen wurde die Leistung der Mikrowellenstrahlung auf 110% er- höht und die Pulsfrequenz auf 5 kHz eingestellt. Der "duty cycle" der Strahlungsquelle 6 betrug 50%, d. h. Spannungsquelle 6 war während der gesamten Betriebsdauer zu 50% im Betriebszustand "an" .
An die Substrate wurde eine bipolare Biasspannung angelegt. Der zeitliche Mittelwert der SubstratSpannung betrug -200V.
Im Ausführungsbeispiel ist der Rezipient 1 mit zwei Sputterquellen 10, 11 gekoppelt. Auf diese Weise kann neben dem Beschichtungsprozeß ein Sputterpro- zeß eingesetzt werden. Auch die Kopplung mit anderen Quellen von elektromagnetischer oder Teilchenstrahlung wie Verdampferquellen und Bogenquellen sind denkbar.
Die Temperatur des ungepulsten Prozesses (ungepulste Strahlung mit einer Leistung von 1,1kW) betrug ca. 220°C. Nach dem Pulsen beobachtete man eine Reduktion der Temperatur auf unter 200°C. Beim gepulsten und beim ungepulsten Prozeß wurden amorphe Kohlenstoffschichten (a-C:H) mit vergleichbaren Raten und im Rahmen der Meßgenauigkeit gleichen Härten und tribologischen Eigenschaften abgeschieden. Die Eigenschaften der hergestellten Schichten waren :
-amorphe, wasserstoffhaltige Kohlenstoffschicht (a- C:H) mit metallischer Haftschicht -Schichtdicke 2-3 μm -Schichthärte 2000-4000HV -Reibwert gegen Stahl 0,1 Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel kann auf vielfältige Weise variiert werden. Vorteilhaft ist eine Kombination der gepulsten Plasmaerzeugung mit einer Substratspannungsversorgung. Diese ermöglicht die getrennte Plasmaerzeugung und Beschleunigung von geladenen Teilchen auf das Substrat und somit die gezielte Beeinflussung von Schichteigenschaften. Als Substratspannungsversorgung sind denkbar -DC-Spannungsversorgung
-Wechselfrequenz, insbesondere für elektrisch isolierende Schichten.
Die Frequenz der Wechselfrequenz kann dabei kleiner, gleich oder größer als die Frequenz der Mikro- welle sein. Im Fall der Frequenzgleichheit kann es vorteilhaft sein, die Phase zwischen Biaspuls und Mikrowellenpuls definiert einzustellen. Als Wechselfrequenz in Betracht kommen etwa ein sinusförmiger zeitlicher Spannungsverlauf, eine pulsartige monopolare Spannung und eine pulsartige bipolare Spannung mit oder ohne Pausen zwischen den einzelnen Spannungspulsen.
Die Mikrowellenfrequenz kann im Industriefrequenz- bereich liegen, beispielsweise bei 2,45 GHz, 1,225 GHz und 950 MHz GHz. Es sind z. B. Pulsf equenzen denkbar, die bis in den Megahertzbereich reichen. Frequenzen von 0,1 bis 100 kHz sind zur Zeit aus technischen Gründen bevorzugt, wobei ein Frequenz- Spektrum von 2-10 kHz besonders leicht ohne großen apparativen Aufwand erreicht werden kann.
Je nach Anwendung kann man den Nutzeffekt des Pul- sens mit der Mikrowellenleistung steigern. Die obe- re Grenze der Leistung der Mikrowellenstrahlung ist gleich der Leistungsgrenze der verwendeten Strahlungsquelle. Eine untere Grenze von 0,5 kW ist empfehlenswert. Besonders bevorzugt sind Werte über 1 kW bzw. über 3 kW.
Es können verschiedene Arten von Mikrowellenplasmen Verwendung finden. Zum einen können reine Mikrowellenplasmen verwendet werden in einem Druckbereich >10 mbar, oder mit zusätzlichen Magnetfeld als ECR-Mikrowellenplas a in einem Druckbereich >10 mbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist für alle Arten von beschichtenden Mikrowellen-Plasmen geeignet. Zur Beschichtung mit C-haltigen Schichten können z. B. Methan und Acetylen als Prozeßgase eingesetzt werden. Für die Herstellung silizium-haltiger Schichten eignen sich Silane, z.B. Silan, oder siliziumorganische Verbindungen wie HMDS, HMDS (0) , HMDS(N) oder TMS als Prozeßgase. Aber auch andere, dem Fachmann bekannten Prozeßgase wie z. B. metallorganische Verbindungen sind einsetzbar. Geeignet ist das Verfahren auch zur Abscheidung von Plasmapolymerschichten. Möglich ist ebenfalls die Abscheidung von Schichtsystemen durch Kombination unterschiedlicher Gase.
Es ist möglich, die nach dem beschriebenen Verfahren abzuscheidende Schicht mit anderen Schichten zu kombinieren, insbesondere solchen, die nach bekannten Verfahren abgeschieden werden. Die Kombination kann beispielsweise in Mehrfach- oder Multilagen erfolgen. In den Pulspausen kann auch ein Austausch des Prozeßgases erfolgen, so daß jeder Plasmapuls mit frischem Prozeßgas startet. Dies kann wichtig für die Behandlung und Beschichtung von Substraten mit komplexen Geometrieverhältnissen sein.
Die Substrate können stehend, drehend oder linear bewegt sein. Das Verfahren kann selbstverständlich in anderen Anlagentypen wie in Batch-Anlagen oder Durchlauf-Anlagen oder Schüttgutanlagen durchgeführt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist ferner geeignet für nicht beschichtende Prozesse zur Oberflächenaktivierung, für die Plasmafeinreinigung von Oberflächen oder für die Plasmastrukturierung von Oberflächen. Es ermöglicht auch hier in vorteilhafter Weise niedrigere Behandlungstemperaturen oder einen schnelleren Prozeß, d. h. eine Verkürzung der Prozeßzeit .

Claims

PATENTANSPRUCHE
1. Verfahren zur Erzeugung eines Plasmas durch Einstrahlung von Mikrowellen, wobei ein Prozessgas in einen Rezipienten geleitet wird, mittels einer Strahlenquelle eine Mikrowellen- Strahlung erzeugt wird und diese Mikrowellenstrahlung in den Rezipienten eingestrahlt wird, so daß ein Plasma gezündet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zündung und zum Betreiben des Plasmas eine gepulste Mikrowellenstrahlung verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mikrowellenstrahlung mit einer Pulsfrequenz von mindestens etwa 0,1 kHz verwendet wird, vorzugsweise lkHz-lOkHz
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die effektive Betriebszeit (duty cycle) der Strahlenquelle frei wählbar ist, vorzugsweise auf 30-70% der Prozeßzeit eingestellt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zeitlich gemittelte Größen wie etwa Substrat- Ionenstrom, oder Beschichtungsrate für den gepulsten Prozeß (duty cycle < 100%) Größen gleich der im ungepulsten Prozeß (duty cycle 100%) sind bei im zeitlichen Mittel verringerter Mikrowellenleistung.
5. Verfahren nach einer der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zeitlich gemittelte Größen wie etwa Substrat- Ionenstrom, oder Beschichtungsrate für den gepulsten Prozeß (duty cycle < 100%) größer sind als die Größen im ungepulsten Prozeß (duty cycle 100%) bei im zeitlichen Mittel gleicher Mikrowellenleistung.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Pulspausen ein Austausch des Prozeßgases vorgenommen wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mikrowellenstrahlung mit einer Eingangsleistung von mindestens etwa 0,5 kW, insbesondere mehr als 1 kW bzw. mehr als 3 kW verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mikrowellenstrahlung mit einer Frequenz im Gigahertzbereich verwendet wird, vorzugwseise 2, 45GHz, 1,225 GHz oder 0,95 GHz.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeßtemperatur auf unter 200°C eingestellt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Plas- ma als ECR-Plasma bei niedrigen Drücken gestaltet wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma als Plasmaquelle oder als Ionenquelle verwendet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß es in Prozessen zur Behandlung und Beschichtung von Oberflächen von Substraten verwendet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß es zur Erzeugung beschichtender Plasmen verwendet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß es für nichtbeschichtende Prozesse zur Oberflächenaktivierung verwendet wird.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine der folgenden Schichten abgeschieden wird: -kohlenstoffhaltige Schichten, insbesondere amorpher, wasserstoffhaltiger Kohlenstoff a- C:H
-siliziumhaltige Schichten, insbesondere amorphes, wasserstoffhaltiges Silizium a-Si:H, oder -Plasmapolymerschichten.
16. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß es in Prozessen zur abtragenden Oberflächenbehandlung, insbesondere Plasmafeinreinigung und/oder Plasmastrukturierung von Oberflächen verwendet wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die zu behandelnden oder zu beschichtenden Teile auf ein Bias- Potential gelegt werden, vorzugsweise ein negatives Bias-Potential .
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Bias gepulst wird.- insbesondere monopolar gepulster Bias, bipolar gepulster Bias, insbes . mit oder ohne Pausen zwischen den Pulsen.
19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hochfrequenz-Bias, insbesondere im kHz- oder MHz-Bereich verwendet wird.
20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellenstrahlung mit anderen Quellen für Teilchen, elektromagnetische Strahlung oder Teilchenstrahlung kombiniert wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma zum Zünden eines weiteren Plasmas verwendet wird.
22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Be- Schichtung auf stehenden oder bewegten Substraten erfolgt.
23. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 22 in einer Batchanlage oder einer Durchlaufanläge oder einer Schüttgutanlage.
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