NL194087C

NL194087C - Plasma-werkwijze voor het bekleden van vlakke substraten.

Info

Publication number: NL194087C
Application number: NL8902089A
Authority: NL
Original assignee: Schott Glaswerke
Priority date: 1988-09-06
Filing date: 1989-08-17
Publication date: 2001-06-05
Also published as: NL8902089A; FR2636079B1; GB8920049D0; FR2636079A1; DE3830249C2; US5017404A; GB2224289A; GB2224289B; DE3830249A1; JPH02107779A; NL194087B; JP2542438B2

Description

1 194087

Plasma-werkwijze voor het bekleden van vlakke substraten

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een plasma-CVD-werkwijze voor het simultaan aanbrengen van een diëlektrische bekleding op één of beide zijden van vlakke substraten, waarbij een gebied- of 5 volume-plasmazone, die het gehele gebied dat moet worden bekleed van één of meer substraten bedekt, wordt gegenereerd uit een aantal plasma-elektroden (CVD, chemical vapour deposition).

Een dergelijke werkwijze is bekend uit Amerikaans octrooischrift US-A-4.593.644. Dit octrooischrift openbaart een continu, in -lijn depositiesysteem voor het bekleden van grote substraten door middel van een chemisch of plasmaverdampingsdepositieproces. In het bijzonder heeft het bekende systeem betrekking 10 op een systeem voor de depositie van halfgeleide en isolerende films bij de fabricage van halfgeleider-inrichtingen.

Het bekende systeem omvat ’’load lock”-kamers voor het laden en ontladen van substraten die zijn ingericht in dragers. De dragers transporteren een aantal paren van substraten door het systeem waarbij de vlakken ervan die moeten worden bekleed in een vlak worden gehouden dat zowel parallel is aan de 15 richting van plasmavoortplanting en gasstroom als loodrecht op de bewegingsrichting door het systeem. De substraten zijn uitgelijnd met de oppervlakken die moeten worden bekleed uit elkaar geplaatst en naar elkaar toe gericht, waarbij de achtervlakken van twee van dergelijke tegenoverliggende substraten in contact zijn met het achteroppervlak van een ander gelijksoortig substraat. De plasma-elektroden en de gasinlaten zijn ingericht in paarsgewijze uitlijning aan tegenoverliggende zijden van de vacuümkamer - hierbij strekken 20 de plasma-elektroden die bestaan uit grote, platte of holle structuren zich parallel uit aan de richting van substraatbeweging - zodat de gassen en de plasmakolommen zullen passeren tussen, d.w.z. parallel aan, de vlakken die moeten worden bekleed.

Het is nu een nadeel van de bovengenoemde werkwijzen, dat het bekleden van substraten met een groot oppervlak gebonden is aan een kwetsbare relatieve beweging tussen plasma-generator en substraat. 25 Aangezien het alleen met hoge kosten mogelijk is, dat precisie-techniek voor het bewegen van substraat verenigbaar zijn met hoge temperaturen van het substraat, zijn de temperaturen van het substraat beperkt tot waarden, die te laag zijn voor veel toepassingen. Bovendien leidt een beweging van de substraten tijdens de bekledingswerkwijze in de reactieruimte dikwijls tot een ongewenste vorming van deeltjes. Het is eveneens van nadeel, dat het met de boven beschreven werkwijze niet mogelijk is een bekleding te 30 produceren met tevoren bepaalde bekledingseigenschappen aan elke zijde van het substraat Volgens de vermelde stand der techniek is het dus bijvoorbeeld niet mogelijk een bekleding van substraten met een groot oppervlak te bereiken, welke gelijkmatig is met betrekking tot de dikte, structuur en samenstelling over het totale te bekleden oppervlak, aangezien er gewoonlijk aan de substraat-randen hogere veldsterkten optreden, welke leiden tot hogere afzettingssnelheden aan de rand, in vergelijking met het midden van het 35 substraat. Aangezien in elk geval slechts één substraat met groot oppervlak alleen of anders een aantal substraten met een klein oppervlak tegelijkertijd bekleed kunnen worden, zijn de boven beschreven werkwijze bovendien eveneens kostbaar en niet economisch met betrekking tot het bekleden van vlakke substraten met een groot oppervlak.

De onderhavige uitvinding gaat er derhalve van uit een werkwijze te verschaffen van het type, dat 40 bovenstaand vermeld is, waarbij het mogelijk is op een eenvoudige wijze gelijkmatig een veelvoud van substraten te bekleden, met inbegrip van substraten met een groot oppervlak, waarbij het met elk substraat mogelijk is dat de bekledingseigenschappen doelbewust op elke plaats van het te bekleden oppervlak worden afgesteld.

Volgens de uitvinding wordt deze doelstelling bereikt met de werkwijze van de bij aanhef gedefinieerde 45 soort, verder omvattende de stappen van het in de reactiezone doen voortplanten vanuit de plasma-elektroden van overlappende plasmakolommen loodrecht op de oppervlakken die moeten worden bekleed aan één of beide zijden van de substraten, waarbij de plasma-elektroden en substraten stationair worden gehouden, en het afzonderlijk regelen van de sterkte en duur van elke plasmakolom.

Bij de werkwijze volgens de uitvinding wordt gebruik gemaakt van het feit, dat een aantal plasma-50 elektroden zo dicht naast elkaar kan worden opgesteld, dat de plasma-kolommen, die daarvoor worden ontwikkeld, elkaar overlappen, zonder dat dit echter leidt tot een verstorende wederzijdse invloed, bijvoorbeeld door interferentie-effecten in de velden van hoge frequentie. Dienovereenkomstig kunnen de plasma-elektroden onafhankelijk van elkaar worden geschakeld en geregeld. Volgens de uitvinding is het mogelijk, dat de plasma-elektroden via een elektrische krachtbron worden geschakeld en geregeld.

55 De werkwijze volgens de uitvinding heeft het voordeel, dat op zich bekende plasma-elektroden worden toegepast, die verschillende door een eenvoudig compact patroon, lage kwetsbaarheid en ook door eenvoudige niet gecompliceerd hanteren, welke echter vanwege de kleine grootte ervan gewoonlijk niet 194087 2 worden toegepast voor het bekleden van substraten met een groot oppervlak. De vorming van staande golven, die dikwijls waargenomen wordt met plasma-elektroden met een groot oppervlak en leidt tot inhomogeniteiten in de bekledingsplasma en derhalve ook in de afgezette bekleding, vindt niet plaats bij de werkwijze volgens de onderhavige uitvinding.

5 Aangezien willekeurig veel plasma-elektroden naast elkaar kunnen worden opgesteld zijn de grootte en de geometrie van de te bekleden oppervlakken praktisch onbeperkt. Alle diëlektrische materialen kunnen als substraten worden toegepast.

Bij voorkeur wordt kwartsglas toegepast. Het is mogelijk voor de bekleding alle diëlektrische materialen te gebruiken, die kunnen worden afgezet met behulp van een plasma-werkwijze. Bij voorkeur worden 10 glasachtige bekleding, bestaande uit een of meer oxiden uit de groep van Si02, B203, Ge02, P205, Ti02, Zr02, Hf02, Sn02, ZnO, Al203 en SiOxNy afgezet, waarbij bij voorkeur als reactiegassen de OH'-vrije chlorideverbindingen en/of vanwege de relatief hoge dampdruk ervan de organometaalverbindingen van de af te zetten stoffen worden gebruikt.

Volgens een verdere voorkeuringsuitvoeringsvorm van de uitvinding wordt er in voorzien, dat een 15 veelvoud van substraten wordt opgesteld boven elkaar voor een gelijktijdige bekleding in de reactieruimte. Aangezien diëlektrische plaat niet verhindert, dat hoogfrequentie plasma ontwikkelde velden erdoorheen gaan, is het voldoende om de plasma-elektroden in een vlak onder en/of boven de substraten op te stellen, hoofdzakelijk parallel aan of onder een lichte hoek ten opzichte van de gebieden die moeten worden bekleed, waarbij het noodzakelijk is dat de plasmagebieden die moeten worden gekleed, waarbij het 20 noodzakelijk is dat de plasmavoortplanting plaats heeft loodrecht op deze vlakken. Dezelfde opstelling van de plasma-elektroden kan eveneens worden toegepast bij het bekleden van een enkel substraat Bij voorkeur wordt een plasma-puls/CVD-proces toegepast. In dit geval is de reactieruimte of zijn de afzonderlijke reactiekamers in het eenvoudigste geval gevuld met een vers mengsel van reactiegassen en zij de gasinlaat- en gasuitlaat-openingen gesloten. Plasma-elektroden worden vervolgens aangezet en de 25 plasma’s worden geactiveerd, zodat het bekledingsmateriaal wordt afgezet op de te bekleden oppervlakken uit het mengsel van reactiegassen, aanwezig in de reactieruimte of in de reactiekamers. Na een korte inwerkingstijd van het plasma is het mengsel van reactiegassen verbruikt en wordt het plasma buiten werking gesteld. Vervolgens worden de gasinlaat- en gasuitlaat-openingen geopend en wordt het verbruikte mengsel van reactiegassen gewisseld voor een vers mengsel van reactiegassen teneinde een hernieuwde 30 bekleding te initiëren.

In de praktijk verdient het echter de voorkeur te werken met een continue gasstroom. In dit geval wordt de tijd tussen de twee plasma-pulsen gelijk gemaakt aan de tijd voor een uitwisseling vein een vers tegen en verbruikt mengsel van reactiegassen in de reactieruimte of in de reactiekamers. In het belang van een hoge exploitatie van de mogelijk kostbare reactiegassen moet worden getracht een zo groot mogelijke hoeveel·-35 heid van de hoeveelheid gas, die in de reactieruimte of de reactiekamers stroomt, te laten stromen tussen de oppervlakken die moeten worden bekleed en de werkwijze zodanig te regelen, dat na de plasma-puls de omsloten inhoud van het mengsel van reactiegassen geheel is uitgeput aan bekledingsmateriaal. De lokale bekledingssnelheid is dan niet langer afhankelijk van de grootte van de elektrische energie, gekoppeld in het plasma, voor zover een drempelwaarde van de energie bijvoorbeeld afhankelijk van de gassamenstelling en 40 -druk, is overtreden, maar is in het bijzonder afhankelijk van het aantal moleculen van reactiegassen met betrekking tot het te bekleden oppervlak.

Het spreekt vanzelf, dat de werkwijze volgens de uitvinding eveneens kan worden toegepast, indien de substraten, evenals de plasma-elektroden opgesteld in vlakken, verticaal in plaats van horizontaal zijn opgesteld.

45

De uitvinding wordt onderstaand meer in detail beschreven onder verwijzing naar een paar voorkeursuitvoeringsvormen in samenhang met de tekeningen, waarin figuur 1 een schematische voorstelling in de vorm van een verticale doorsnede van een inrichting toont voor het uitvoeren van de werkwijze volgens de uitvinding volgens het plasma-puls/CVD-principe, waarin 50 een aantal plasma-elektroden in een vlak is opgesteld boven een substraat en de plasma-voortplanting plaatsvindt loodrecht op het te bekleden oppervlak; figuur 2 toont dezelfde inrichting als figuur 1 in een aanzicht over een doorsnede langs de lijn ll-ll in figuur 1; figuur 3 toont een voorstelling in verticale doorsnede van een inrichting voor het uitvoeren van de 55 werkwijze volgens de uitvinding, een aantal substraten, die afzonderlijk boven elkaar zijn opgesteld, welke op de vereiste substraattemperatuur zijn gebracht tijdens de bekleding door plasma-verhitting; figuur 4 toont een voorstelling in verticale doorsnede van een verdere substraat-opsteiling volgens de 3 194087 uitvinding voor een gelijktijdige bekleding van een aantal substraten; figuur 5 toont een voorstelling in horizontale doorsnede van een voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding, waarbij de plasma-elektroden in de vlakken tussen de substraten zijn opgesteld, en de plasma-voortplanting plaatsvindt parallel ten opzichte van deze vlakken; 5 figuur 6 toont een gedeeltelijk aanzicht van een doorsnede langs de lijn VI-VI in figuur 5; figuur 7 toont een voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding, waarbij het mengsel van reactiegassen in de reactieruimte stroomt door een aantal gasinlaatopeningen en de voortplanting van het plasma en van het mengsel van reactiegassen dezelfde richting hebben; figuur 8 toont een voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding, waarbij het substraat en een diêlektrische 10 plaat van het huis hellend zijn onder een hoek ten opzichte van elkaar.

Volgens figuur 1 is een gasbron 1 verbonden via een gasinlaatopening 2 in de wand van een huis 3 met een reactieruimte 4 in het huis 3. Aan de tegenovergestelde wand van het huis 3 is een gasuitlaatopening 5 aanwezig, die via een smoorklep 6 de verbinding levert tussen de reactieruimte 4 en een vacuümpomp 7.

15 Het zuigvermogen van de vacuümpomp 7 en het instellen van de smoorklep 6 worden geregeld op zodanige wijze, dat een tevoren bepaalde stroom van de gasmassa in de reactieruimte 4 resulteert onder een gewenst verminderde druk van 10 tot 200 la, welke geschikt is voor de generatie van plasma-puls-ladingen. Een substraat 8 wordt in de reactieruimte 4 vastgehouden door middel van een substraathouder 9. Een aantal plasma-elektroden 10, hier in de vorm van hoom-antennes van platina of van een ander 20 thermisch stabiel metaal, is opgesteld in een vlak boven het substraat 8 in de reactieruimte 4. Teneinde overslagen te vermijden is de opstelling van de plasma-elektroden 10 gescheiden van de reactieruimte 4 door een huis met een diêlektrische plaat 11. De ruimte in dit huis kan worden geëvacueerd met behulp van een vacuümpomp 12. De plasma-elektroden 10 zijn verbonden met een microgolf-generator 14 via controlemiddelen 13, waardoor ze afzonderlijk kunnen worden geschakeld en geregeld. Voor het verwarmen 25 van het substraat 8 is de gehele inrichting opgeven door een oven 15, met het doel de kwaliteit van de bekleding te verbeteren.

Tijdens het bedrijf gaan van de microgolf-gebieden door de diêlektrische plaat 11 en activeren een aantal rijen van plasma-koiommen 16, die elkaar overlappen, in de reactieruimte 4 tussen de plaat 11 en het substraatoppervlak dat moet worden bekleed. Door elke plasma-puls wordt een laag van een bekleding 17 30 afgezet op het oppervlak, dat moet worden bekleed, en op de diêlektrische plaat 11, waarbij de bekledings-eigenschappen ervan aan elke zijde van het substraat worden ingesteld door afzonderlijke regeling van de afzonderlijke plasma-elektroden 10, die boven de bijzondere plaats zijn opgesteld. De afmeting en de geometrie van de te bekleden oppervlakken wordt bepaald door het aantal en de opstelling van de plasma-elektroden.

35 In figuur 2 zijn de plasma-elektroden 10 in een roosterachtige vorm boven het substraat opgesteld, zoals is aangegeven door de stippellijnen 18. Elke andere opstelling, waarbij de plasma-koiommen elkaar overlappen, is eveneens geschikt.

In de opstelling van figuur 3 is een aantal substraten 8 afzonderlijk boven elkaar opgesteld. De gebieden van de twee te bekleden substraten zijn tegen elkaar gericht en begrenzen reactiekamers 19 in de 40 reactieruimte 4, in welke kamers de bekleding plaatsvindt. Elke reactiekamer 19 bevat in elk geval zijn eigen gasinlaatopening 2 en een gasuitlaatopening 5. De plasma-elektroden 10 zijn in elk geval in een vlak boven en onder de substraatopstelling aangebracht en genereren plasma-koiommen 16 die door de substraten passeren. De kamers 20, begrensd door de achteroppervlakken van de substraten 8 zijn op gelijke wijze voorzien van gasinlaatopeningen 21 en gasuitlaatopeningen 22. De kamers 20 kunnen worden geëvacueerd 45 door middel van een vacuümpomp 23 via de gasuitlaatopeningen 22. Het niet-reactieve gas, dat UV-straling uitzendt in een plasma, in deze uitvoeringsvorm zuurstof, wordt in de kamers 20 via de gasinlaatopeningen 21 geleid. In bedrijf reiken de plasma-koiommen 16 door de kamers 19 en 20. Het zuurstofgas wordt geëxciteerd in het plasma waarbij het UV-straling uitzendt, dat wordt geabsorbeerd door de naburige substraten en verhit deze tot de gewenste substraattemperatuur.

50 In de substraatopstelling, getoond in figuur 4, liggen de substraten 8 op elkaar in de vorm van een passende vorm met hun achteroppervlakken. In vergelijking met de opstelling in figuur 3 heeft deze opstelling het voordeel, dat minder ruimte wordt ingenomen en dat een groot aantal substraten tegelijkertijd kan worden bekleed. Teneinde verschillende bekledingssnelheden te genereren zijn de substraatparen op verschillende wijze gescheiden. Het verhitten van het substraat heeft in dit geval plaats van buitenaf, 55 bijvoorbeeld door een oven.

In de uitvoering in figuur 5 zijn de plasma-elektroden 10 in elk geval in een vlak aangebracht tussen de oppervlakken van twee substraten 8, die moeten worden bekleed, op zodanige wijze, dat de plasma-

Claims

194087 4 kolommen 16 zich parallel ten opzichte van dit vlak uitstrekken. De laagsgewijze opstelling van substraten en plasma-zones is aangegeven in figuur 6. In de uitvoeringsvorm van de uitvinding, die is weergegeven in figuur 7 stroomt het mengsel van reactiegassen door een aantal gasinlaatopeningen 2, die zijn aangebracht in een vlak boven het substraat 8 5 tezamen met de plasma-elektroden 10, parallel ten opzichte van de richting van voortplanting van het plasma, in de reactieruimte 4. Elke afzonderlijke stroom van gasmassa wordt afzonderlijk ingesteld met behulp van de smoorkieppen 6. In figuur 8 is weergegeven hoe het drukverval in het stromende mengsel van reactiegassen in de reactiekamer wordt gecompenseerd teneinde een gelijkmatige bekleding te genereren door opstelling van 10 het substraat 8 onder een hoek 2a ten opzichte van de diëlektrische plaat 11. Een illustratieve uitvoeringsvorm voor de bekleding van een vlak substraat met groot oppervlak met een hoog reflecterende bekleding volgens de werkwijze volgens de uitvinding onder toepassing van een opstelling volgens figuur 1 is onderstaand beschreven. Een plasma-puls-proces met een microgolf-plasma werd gebruikt. Het substraat bestond uit kwartsglas. Het te bekleden oppervlak was een cirkelvormig 15 oppervlak met een diameter van 45 cm. De afstand tot de diëlektrische plaat, die tegenovergesteld aan het substraat-was-opgesteld en eveneens werd bekleed, bedroeg 1,5 cm, de dikte van het substraat en de diëlektrische plaat 1 cm, in elk geval. De elektroden voor het opwekken van het microgolfplasma werden voorzien door hoorn-antennes, bestaande uit platina, met een hoorndiameter van 15 cm. Zeven hoorn-antennes werden boven het te bekleden oppervlak op zodanige wijze opgesteld, dat de plasma-kolommen, 20 die door de afzonderlijke antennes werden opgewekt, elkaar overlapten in het bekledingsgebied. Daarvoor werden zes van de hoorn-antennes rond een centrale hoorn-antenne gegroepeerd, waarbij alle hoom-antennes in wederzijds contact zijn. De frequentie van de microgolven bedroeg 2,45 GHz, de duur van de puls 1 ms en de pulsperiode 50 ms. De plasma elektroden werden alle bedreven met een gemiddelde energie van 500 watt in elk geval en op dezelfde tijden geschakeld. De ruimte tussen de plasma-elektroden 25 in het huis met de diëlektrische plaat werd geëvacueerd tot een druk van 10-4 mbar teneinde overslagen te vermijden. De volgende reactiegassen werden toegepast als het mengsel van reactiegassen met de volgende aangegeven massastromen: SiCI4 200 (556)* ml/min 02 800 (2224) ml/min 30 CCI2F2 4 (11) ml/min GeCI4 max. 24 (67) ml/min (· heeft betrekking op voorbeeld II) De massastroom van CeCI4 werd als een sinus gemoduleerd met een periode van 11 s, teneinde een 35 sinusachtige variatie van de brekingsindex met de bekledingsdikte te verkrijgen. De frequentie bedroeg 500. De bekledingssnelheid was 0,72 pm/min, en een bekledingsdikte van ongeveer 0,6 nm werd per plasma-puls afgezet. Tijdens de bekledingswerkwijze werd een druk van 300 Pa in de reactieruimte ingesteld en de substraattemperatuur bedroeg 1000°C. Met behulp van de boven beschreven werkwijze werd een bekleding, die hoog reflecterend was bij 40 520 nm en een zeer goede bekledingsdikte en gelijkmatigheid over een cirkelvormig oppervlak met een diameter van 35 cm bereikt zowel op het substraat alsook op de diëlektrische plaat. Naar de rand toe daalde de bekledingsdikte een weinig. In overeenstemming met de werkwijze volgens de uitvinding kan dit effect echter worden vermeden door op verschillende wijze regelen van de uitwendige en inwendige plasma-elektroden. 45 In een verder toelichtende uitvoeringsvorm werd een cirkelvormig substraatoppenriak met een diameter van 75 cm bekleed op een analoge wijze als in het bovenstaande voorbeeld. Hierdoor werden twaalf verdere plasma-elektroden dichtgeplakt rond de plasma-opstelling, die bovenstaand beschreven is. De ; werkwijze-parameters werden zoals boven gekozen. Alleen de verhoogde gasmassastroom, bovenstaand tussen haakjes aangeduid, werden gebruikt. In dit voorbeeld werd een zeer goede gelijkmatigheid van de 50 laagdikte van de bekleding verkregen over een cirkelvormig oppervlak met een diameter van 65 cm.

1. Plasma-CVD-werkwijze voor het simultaan aanbrengen van een diëlektrische bekleding op één of beide zijden van vlakke substraten, waarbij een gebied- of volume-plasmazone, die het gehele gebied dat moet worden bekleed van één of meer substraten bedekt, wordt gegenereerd uit een aantal plasma-elektroden, 5 194087 gekenmerkt door: het in de reactiezone, doen voortplanten vanuit de plasma-eiektroden van overlappende plasmakolommen loodrecht op de oppervlakken die moeten worden bekleed aan één of beide zijden van de substraten, waarbij de plasmaelektroden en substraten stationair worden gehouden, en het afzonderlijk regelen van de sterkte en duur van elke plasmakolom.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarin enige substraten die worden bekleed, de een boven de ander wordt gebracht waarbij de plasmakolommen worden gegenereerd uit de plasma-eiektroden die boven en/of onder de substraten zijn geplaatst.

3. Werkwijze volgens conclusie 1, waarin het mengsel van reactiegassen wordt onderworpen aan een plasmapuls gedurende een periode die voldoende is om in hoofdzaak alle reactiegassen te laten reageren. 10

4. Werkwijze volgens conclusie 3, waarin een mengsel van reactiegassen continu door de reactiezone wordt geleid en de gasmassastroom wordt aangepast zodanig dat in het interval tussen plasmapulsen het gehele gespendeerde mengsel van reactiegassen wordt teruggehaald uit de reactiezone en vervangen door een vers mengsel van reactiegassen. Hierbij 4 bladen tekening