DE3830249A1

DE3830249A1 - Plasmaverfahren zum beschichten ebener substrate

Info

Publication number: DE3830249A1
Application number: DE3830249A
Authority: DE
Inventors: Volker Paquet; Ulrich Dr Ackermann; Heinz-W Dr Etzkorn; Ralf Kersten; Uwe Ruetze
Original assignee: Schott Glaswerke AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 1988-09-06
Filing date: 1988-09-06
Publication date: 1990-03-15
Also published as: GB2224289B; NL8902089A; FR2636079A1; JP2542438B2; NL194087C; FR2636079B1; GB8920049D0; JPH02107779A; US5017404A; GB2224289A; NL194087B; DE3830249C2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung im wesentlichen planarer Substrate durch plasmainduzierte che mische Dampfphasenabscheidung, wobei in einem Reaktionsraum in einer Atmosphäre aus einem Reaktionsgasgemisch mittels einer Plasmaelektrode ein Plasma erzeugt wird in einer Zone, deren Lage und Größe in dem Reaktionsraum durch die Lage und Größe der Plasmaelektrode baulich vorgegeben ist, und aus dem Reak tionsgasgemisch auf einer zu beschichtenden Fläche mindestens eines Substrats in einem in der Plasmazone befindlichen Beschich tungsbereich dielektrisches Schichtmaterial abgeschieden wird.

In Thin Solid Films, 118 (1984) S. 203 bis 210 wird ein Plasma polymerisationsverfahren beschrieben, bei welchem in an sich bekannter Weise durch Zünden eines Plasmas aus einem Reaktions gasgemisch 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, wel ches durch ein mikrowellendurchlässiges Fenster in die Reaktions kammer eintritt, gezündet wird. Die Größe des Fensters bestimmt bei dieser Vorrichtung die Ausdehnung der beschichtenden Plasma zone 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, Maschinen markt 37/86, Seiten 3 bis 7, vorgestellte Beschichtungsmethode am nächsten, die ebenfalls bei der Mikrowellen-Plasmapolymerisa tion ihre Anwendung findet. Bei dieser Methode wird ein Substrat träger 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 ste hen. Die durch das Fenster hindurchtretenden Mikrowellenfelder erzeugen in dem darunter befindlichen Reaktionsraum eine räumlich begrenzte Plasmazone, in welcher die hindurchgeführten Substrate beschichtet werden.

Ein Nachteil der vorgenannten Verfahren besteht nun darin, daß die Beschichtung großflächiger 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 vereinba ren lassen, sind die Substrattemperaturen auf für viele Anwendun gen zu niedrige Werte beschränkt. Des weiteren führt eine Bewe gung der Substrate während des Abscheidungsprozesses im Reak tionsraum häufig zu einer unerwünschten Partikelbildung. Eben falls nachteilig ist, daß sich mit den zuvor beschriebenen Ver fahren keine Beschichtung mit an jeder Stelle des Substrats vorbestimmten Schichteigenschaften herstellen laßt. So ist nach dem genannten Stand der Technik zum Beispiel eine bezüglich Dicke, Struktur und Zusammensetzung über die gesamte zu beschich tende Fläche gleichmäßige Beschichtung großflächiger Substrate nicht zu erzielen, da an den Substraträndern üblicherweise höhere Feldstärken auftreten, die zu hoheren Abscheidungsraten am Rand, verglichen mit der Substratmitte, führen. Da jeweils nur ein großflächiges Substrat allein oder aber mehrere kleinflächige Substrate gleichzeitig beschichtet werden können, sind die vor stehend beschriebenen Verfahren zudem noch bezüglich des Be schichtens großflächiger planarer Substrate aufwendig und unwirt schaftlich.

Die vorliegende Erfindung geht deshalb von der Aufgabe aus, ein Verfahren der eingangs angebenen Art zu schaffen, bei welchem auf einfache Art und Weise mehrere auch großflächige Substrate gleichzeitig beschichtet werden können, wobei bei jedem Substrat die Schichteigenschaften an jeder Stelle der zu beschichtenden Fläche gezielt eingestellt werden konnen.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ausgenutzt, 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 Beein flussung, zum Beispiel durch Interferenzeffekte bei den Hochfre quenzfeldern, kommt. Die Plasmaelektroden können daher unabhängig voneinander geschaltet und gesteuert werden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Plasmaelektroden über die zugeführte elektrische Leistung zu schalten und zu steuern.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß an sich bekannte Plasmaelektroden eingesetzt werden können, 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 konnen, sind der Größe und der Geometrie der zu beschich tenden Flächen praktisch keine Grenzen gesetzt. Als Substrate sind alle dielektrischen Materialien verwendbar. Bevorzugt wird Quarzglas verwendet. Für die Beschichtung können alle dielektri schen Materialien verwendet werden, die sich mit Hilfe eines Plasmaverfahrens 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 abzuscheiden den Substanzen eingesetzt werden.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, sowohl die Plasmaelektroden als auch das (die) Substrat(e) fest in dem Gehäuse anzuordnen. Die aus dem Stand der Technik bekannten, vorstehend beschriebenen Nachteile, die mit einer Relativbewegung von Substrat und Plasma elektroden verbunden sind, werden somit vermieden. So kann zum Beispiel eine Beheizung der Substrate in an sich bekannter Weise dadurch erfolgen, daß die gesamte Vorrichtung als Ofen ausge bildet oder von einem Ofen umgeben wird.

Erfindungsgemäß lassen sich Substrattemperaturen zwischen 200 und 1200°C einstellen. Eine möglichst hohe Substrattemperatur - zum Beispiel etwa 1100°C für Quarzglassubstrate und hoch-SiO₂-haltige Schichten - während der Beschichtung gewährleistet daß glasähn liche wasserstofffreie Schichten von hoher optischer Qualität (geringste Absorption und Streuung, einheitliche Struktur) nie dergeschlagen werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen ein Mikro wellenplasma zu verwenden. Mikrowellen, das heißt, Wellen im Frequenzbereich von einigen 100 MHz bis einigen GHz, sind - ver glichen mit niederfrequenten Wellen - für die Plasmaanregung deshalb besonders günstig, weil im mbar-Druckbereich hohe Be schichtungsraten 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 Mikrowellen antennen aus der Gruppe von Flächenstrahler, dielektrische Anten nen 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-Be schichtung großflächiger Substrate bislang noch nicht bekannt war, zeichnen sich sowohl durch einen einfachen, kompakten Aufbau und eine gute Abstrahlcharakteristik als auch durch einen unkom plizierten Betrieb aus.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch keineswegs auf die Verwendung eines speziellen Plasmaelektrodentyps beschrankt. Prinzipiell sind die verschiedensten Ausführungsformen für Plas maelektroden 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 einge schlossene 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 Gehäu seplatte, die auch als Substrat verwendet werden kann, greifen die Mikrowellenfelder hindurch und zünden im Reaktionsraum zwi schen 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 paral lel oder leicht geneigt zu den zu beschichtenden Flächen anzuord nen, wobei die Plasmaausbreitung senkrecht zu diesen Ebenen erfolgen muß. Die gleiche Anordnung der Plasmaelektroden kann auch bei der Beschichtung eines einzelnen Substrats eingesetzt werden.

Besonders zweckmäßig ist es, bei der Beschichtung mehrerer Sub strate 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 können dabei formschlüssig aneinander liegen oder aber ebenfalls beabstandet sein und weitere Kammern begrenzen, die mit einem nicht-reaktiven Gas beaufschlagt werden. Bevorzugt wird als Gas O₂ verwendet, welches beim Zünden eines Plasma UV-Strahlung emittiert, die dazu dienen kann, die die Kammern begrenzenden Substrate auf die erforderliche Substrattemperatur aufzuheizen.

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

Zur besseren Steuerung der Beschichtungseigenschaften kann es sich als zweckmäßig erweisen, jeweils in einer Ebene zwischen zwei zu beschichtenden Flächen weitere Plasmaelektroden anzuord nen, 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 erfindungsgemaßen Verfahren mög lich, 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.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, einseitig oder beidseitig von einem Substrat oder einer Substratanordnung der zuvor beschriebenen Art im wesentli chen parallel oder leicht geneigt zu der(n) zu beschichtenden Fläche(n) jeweils eine dielektrische Platte anzuordnen, und Plasmaelektroden in Ebenen zwischen den zu beschichtenden Flächen der übereinander angeordneten Substrate und/oder einer zu be schichtenden Fläche eines Substrats und einer dielektrischen Platte derart anzuordnen, daß die Plasmaausbreitung parallel zu diesen Ebenen erfolgt. Auf diese Art und Weise ist es möglich, in jeder, der von den Substraten beziehungsweise von einem Substrat und einer dielektrischen Platte begrenzten Reaktionskammern Plasmen mit unterschiedlichen beschichtenden Eigenschaften zu zünden.

Vorzugsweise wird ein Plasmaimpuls-CVD-Verfahren verwendet. Im einfachsten Fall wird dabei der Reaktionsraum beziehungsweise werden die einzelnen Reaktionskammern mit frischem Reaktionsgas gemisch gefüllt und die Gaseintritts- und Gasaustrittsöffnungen verschlossen. Dann werden die Plasmaelektroden geschaltet und die Plasmen gezündet, so daß sich aus dem in dem Reaktionsraum bezie hungsweise in den Reaktionskammern befindlichen Reaktionsgasge misch Schichtmaterial auf die zu beschichtenden Flächen abschei det. Nach kurzer Plasmaeinwirkzeit ist das Reaktionsgasgemisch verbraucht und das Plasma wird ausgeschaltet. Anschließend werden die Gasein- und Gasaustrittsöffnungen geöffnet, und das ver brauchte 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 Plasmaim pulsen gleichgroß gemacht, wie die Zeit für einen Austausch von frischem gegen verbrauchtes Reaktionsgasgemisch in dem Reaktions raum beziehungsweise den Reaktionskammern. Im Interesse einer hohen Ausnutzung der möglicherweise teuren Reaktionsgase ist es anzustreben, einen möglichst hohen Anteil der in den Reaktions raum 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 Schichtmate rial 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 beschich tende Fläche bezogenen Reaktionsgasmoleküle.

Somit ist eine weitere Beeinflussung der örtlichen Beschichtungs rate und damit der Schichteigenschaften dadurch möglich, daß die Substrate mit ihren zu beschichtenden Flächen gegeneinander oder gegen eine dielektrische Platte geneigt angeordnet werden, wo durch die im Reaktionsraum beziehungsweise in den Reaktionskam mern eingeschlossene Menge an Reaktionsgasgemisch längs der zu beschichtenden Fläche varriert. Der Neigungswinkel der deutlich kleiner als 30° sein sollte, hangt 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 näherungs weise 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 kann außerdem vorteilhaft dazu genutzt werden, 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 halbe Neigungswinkel α näherungsweise unabhängig von der Öffnungs richtung, durch die Beziehung

mit
λ₂: größte Wellenlänge des Verlauffilters
λ₁: kleinster Wellenlänge des Verlauffilters
L: Länge des Verlauffilters
a: kleinster Abstand des Substrats von gegenüberliegender Platte
gegeben. Dabei wird angenommen, daß der Druckabfall zwischen gaseingans- 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 Reaktiongasgemischs erfolgt erfindungsge mäß durch mindestens eine Gaseintritts- und mindestens eine Gasaustrittsöffnung in dem Reaktionsraum beziehungsweise in den Reaktionskammern. Sofern mehrerer Gaseintrittsöffnungen vorgese hen sind, wird der zuführende Gasstrom in mehrere Teilströme aufgeteilt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, mehrere Gaseintrittsöffnungen zusammen mit den Plas maelektroden in einer Ebene über der zu beschichtenden Fläche mindestens eines Substrats anzuordnen, wobei der Gasfluß und die Plasmaausbreitung in gleicher Richtung senkrecht zur Substrat oberfläche erfolgen. Da ständig über die gesamte Substratfläche frisches Reaktionsgasgemisch zugeführt wird, ist es mit Hilfe dieser Anordnung möglich, auch ohne Anwendung eines Impulsverfah rens, das bei Führung des Gasstromes entlang der zu beschichten den Substratfläche auftretende Problem des Verarmens des Reak tionsgasgemischs an Schichtmaterial am gasausgangsseitigen Ende des Beschichtungsbereichs während des Beschichtungsprozesses zu uberwinden. Durch Steuerung der einzelnen Gasmassenflüsse durch geeignete Ventile, unabhängig voneinander, können des weiteren die örtlichen Schichteigenschaften gezielt variiert werden.

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 Ausfüh rungsformen in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung nach Art eines Vertikalschnitts eine Vorrichtung zur Durchfuhrung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach dem Plasma-Impuls-CVD- Prinzip, bei welchem in einer Ebene über einem Substrat mehrere Plasmaelektroden angeordnet sind und die Plasma ausbreitung senkrecht zu der zu beschichtenden Fläche erfolgt;

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 Vorrich tung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei mehrere Substrate, die beabstandet übereinander angeordnet sind, während des Beschichtens durch Plasma heizung auf die erforderliche Substrattemperatur gebracht werden;

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

Fig. 5 zeigt in einer Horizontalschnittdarstellung eine bevor zugte Ausführungsform der Erfindung, wobei die Plasma elektroden in Ebenen zwischen den Substraten angeordnet sind und die Plasmaausbreitung parallel zu diesen Ebenen erfolgt;

Fig. 6 zeigt in einer Teilansicht eine Draufsicht auf einen Schitt entlang der Linie VI-VI in Fig. 5;

Fig. 7 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, wobei das Reaktionsgasgemisch durch mehrere Gaseintritts öffnungen in den Reaktionsraum einfließt und die Ausbrei tung des Plasmas und des Reaktionsgasgemischs dieselbe Richtung haben;

Fig. 8 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 Vakuum pumpe 7 und die Einstellung des Drosselventils 6 werden so ge regelt, daß sich bei einem vorgegebenen Gasmassenfluß in dem Reaktionsraum 4 ein gewünschter, für die Erzeugung von Plasmaim pulsladungen geeigneter Unterdruck von 0,1 bis 20 mbar ergibt. In dem Reaktionsraum 4 wird ein Substrat 8 mittels einer Substrat halterung 9 gehalten. Über dem Substrat 8 sind in dem Reaktions raum 4 mehrere Plasmaelektroden 10, hier in Gestalt von Trichter antennen 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 Vorrich tung ist zur Beheizung des Substrats 8 von einem Ofen 15 umgeben, vorzugsweise zu dem Zweck die Qualität der Beschichtung zu ver bessern.

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.

In Fig. 2 sind die Plasmaelektroden 10 wie durch die gestri chelten Linien 18 angedeutet ist, rasterförmig über dem Substrat angeordnet. Jeder andere Anordnung, bei welcher die Plasmasaulen einander überlappen, ist ebenso geeignet.

In der Vorrichtung von Fig. 3 sind mehrere Substrate 8 beabstan det 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 Gaseintritts öffnung 2 und eine Gasaustrittsöffnung 5. Die Plasmaelektroden 10 sind jeweils in einer Ebene oberhalb und unterhalb der Substrat anordnung angebracht und erzeugen durch die Substrate hindurch gehende Plasmasäulen 16. Die von den rückseitigen Flächen der Substrate 8 begrenzten Kammern 20 sind ebenfalls mit Gasein trittsöffnungen 21 und Gasautrittsöffnungen 22 ausgestattet. Die Kammern 20 sind mittels einer Vakuumpumpe 23 über die Gasaus trittsöffnungen 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 Plasmasäulen 16 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 Sub strattemperatur aufheizt.

Bei der in Fig. 4 gezeigten Substratanordnung liegen die Sub strate 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 unter schiedlicher Beschichtungsraten sind die Substratpaare unter schiedlich beabstandet. Die Substratheizung erfolgt in diesem Bei der Ausführungsform in Fig. 5 sind die Plasmaelektroden 10 jeweils in einer Ebene zwischen den zu beschichtenden Flächen zweier Substrate 8 derart angebracht, daß sich die Plasmasäulen 16 parallel zu dieser Ebene erstrecken. Die schichtweise Anord nung von Substraten und Plasmazonen ist in Fig. 6 angedeutet.

Bei der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform der Erfindung strömt das Reaktionsgasgemisch durch mehrere Gaseintrittsöffnun gen 2, die zusammen mit den Plasmaelektroden 10 in einer Ebene über dem Substrat 8 angeordnet sind, parallel zur Ausbreitungs richtung des Plasmas, in den Reaktionsraum 4 ein. Mit Hilfe der Drosselventile 3 wird jeder einzelne Gasmassenfluß separat einge In Fig. 8 ist dargestellt, wie der Druckabfall des strömenden Reaktionsgasgemischs in der Reaktionskammer zur Erzeugung einer gleichmäßigen Beschichtung durch Anordnen des Substrats 8 in einem Winkel 2 α zu der gegenüberliegenden dielektrischen Platte 11 kompensiert wird.

Ein Ausführungsbeispiel für die Beschichtung eines ebenen groß flächigen Substrates mit einer hochreflektierenden Beschichtung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einer Anordnung gemäß Fig. 1 wird im folgenden beschrieben. Es wurde ein Plasmaimpuls verfahren mit einem Mikrowellenplasma eingesetzt. Das Substrat bestand aus Quarzglas. Die zu beschichtende Fläche war eine Kreisfläche von 45 cm Durchmesser. Der Abstand zu 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 Erzeu gung des Mikrowellenplasmas dienten aus Platin bestehende Trich terantennen mit einem Trichterdurchmesser von 15 cm. Über der zu beschichtenden Fläche wurden sieben Trichterantennen derart angeordnet, daß die von den einzelnen Antennen erzeugten Plasma säulen im Beschichtungsbereich einander überlappten. Hierzu wurden sechs der Trichterantennen um eine zentrale Trichteranten ne gruppiert, wobei sich alle Trichterantennen gegenseitig be rührten. 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 evaku iert. 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 Brech zahl mit der Schichtdicke zu erhalten. Die Periodenzahl betrug 500.

Die Beschichtungsrate lag bei 0,72µm/min pro Plasmaimpuls wurde eine Schichtdicke von etwa 6 A 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 Schichtdick engleichmäßigkeit 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 Plasma elektroden 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 Plasmaanordnung zwölf weitere Plasmaelektroden dicht gepackt. die Prozeßparameter waren wie oben gewählt. Es wurden lediglich die in Klammern angegebenen erhöhten Glasmassenflüsse eingesetzt. Bei diesem Beispiel wurde eine sehr gute Gleichmäßigkeit der Schichtdicke der Beschichtung über eine Kreisfläche von 65 cm Durchmesser erhalten.

Claims

1. Verfahren zur Beschichtung im wesentlichen planarer Substrate durch plasmainduzierte chemische Dampfphasenabscheidung, wobei in einem Reaktionsraum in einer Atmosphäre aus einem Reaktionsgasgemisch mittels einer Plasmaelektrode ein Plasma erzeugt wird in einer Zone, deren Lage und Größe in dem Reak tionsraum durch die Lage und Größe der Plasmaelektrode bau lich vorgegeben ist, und aus dem Reaktionsgasgemisch auf einer zu beschichtenden Fläche mindestens eines Substrats in einem in der Plasmazone befindlichen Beschichtungsbereich dielektrisches Schichtmaterial abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur gleichzeitigen Beschichtung jeweils der gesamten zu beschichtenden Fläche eines oder mehrere dielektrischer Substrate mehrere Pläsmaelektroden eingesetzt werden, wobei die Zahl und die Anordnung der Plasmaelektroden an die Zahl und die Anordnung der Substrate im Reaktionsraum sowie an die Größe und die Geometrie der gesamten zu be schichtenden Fläche eines jeden Substrats angepaßt werden und die durch die einzelnen Plasmaelektroden erzeugten Plasmasäu len einander überlappen, und daß die Plasmaelektroden derart gesteuert werden, daß die auf dem mindestens einen Substrat abgeschiedene Beschichtung an jeder Stelle des Substrats vorbestimmte Schichteigenschäften aufweist.

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 gekenn zeichnet, daß ein Mikrowellenplasma verwendet wird und als Plasmaelektroden Mikrowellenantennen eingesetzt werden.

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

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Mikrowellenantennen Trichterantennen und/oder Stielstrah ler eingesetzt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekenn zeichnet, daß die Plasmaelektroden in einer Ebene über und/ oder in einer Ebene unter einem Substrat oder einer Substrat anordnung ängeordnet werden, im wesentlichen pärällel oder schwach geneigt zu der(n) zu beschichtenden Fläche(n), und die Plasmaausbreitung senkrecht zu dieser Ebene erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei mehrere Substrate gleichzei tig beschichtet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Substrate bezüglich ihrer zu beschichtenden Flächen überein ander angeordnet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, 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 beaufschlagt werden, welches beim Zünden eines Plasmas durch Aussenden von UV-Strahlung die Substrate auf die gewünschte Substrattemperatur aufheizt.

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

10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß je weils zwei Substrate so übereinandergelegt werden, daß ihre bezüglich der zu beschichtenden Flächen rückseitigen Flächen formschlüssig aneinanderliegen und die so gebildeten Sub stratpaare derart übereinander angeordnet werden, daß die zu beschichtenden Flächen zweier Substrate einander beabstandet gegenüberliegen und Reaktionskammern begrenzen, die mit Reaktionsgasgemisch beäufschlagt werden.

11. Verfahren nach einem der Anspruche 8 bis 10 dadurch gekenn zeichnet, daß zusätzliche Plasmaelektroden in Ebenen zwischen den beabstandeten Substraten oder Substratpaaren angeordnet werden und die Plasmaausbreitung von diesen Plasmaelektroden aus parallel zu diesen Ebenen erfolgt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß einseitig oder beidseitig von einem Substrat oder eine Substratanordnung, welche aus mehreren bezüglich ihrer zu beschichtenden Flächen übereinander angeordneten Substraten besteht, im wesentlichen parallel oder schwach geneigt zu der(n) zu beschichtenden Fläche(n) jeweils eine dielektrische Platte angeordnet wird und jeweils in einer Ebene zwischen einer dielektrischen Platte und einer zu beschichtenden Fläche eines Substrats und/oder in einer Ebene zwischen zwei übereinander beabstandet angeordneten Substra ten Plasmaelektroden derart angebracht werden, daß die Plas maausbreitung parallel zu dieser Ebene erfolgt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei mehrere Substrate beschich tet werden, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Substra te so übereinandergelegt werden, daß ihre bezüglich der zu beschichtenden Flächen rückseitigen Flächen formschlüssig aneinanderliegen 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.

14. Verfahren nach Anspruch 12, wobei mehrere Substrate beschich tet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Substrate derart übereinander angeordnet werden, daß sie beabstandet sind und die zu beschichtenden Flächen jeweils zweier Substrate einan der zugewandt sind und Reaktionskammern begrenzen, die mit Reaktionsgasgemisch beaufschlagt werden, und daß die durch die rückseitigen Flächen begrenzten Kammern mit einem weite ren Gas beaufschlagt werden, welches beim Zünden eines Plas mas durch Aussenden von UV-Strahlung die Substrate auf die gewünschte Substratemperatur aufheizt.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß als UV-Strahler angeregtes O₂ verwendet wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekenn zeichnet, daß die Plasmaelektroden vom Reaktionsraum oder den Reaktionskammern durch mindestens ein Gehäuse mit einer dielektrischen Platte abgetrennt werden.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der durch das Gehäuse abgetrennte Raum auf einen solchen Druck evakuiert wird, daß keine Überschläge in diesem Raum statt finden können.

18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der durch das Gehäuse abgetrennte Raum mit SF₆ gefüllt wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekenn zeichnet, daß die dielektrische Platte des Gehäuses als Substrat verwendet wird.

20. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß das Reaktionsgasgemisch durch mindestens eine Gaseintrittsöffnung in den Reaktionsraum oder in jede einzelne Reaktionskammer eingeleitet wird und durch min destens eine Gasaustrittsöffnung in dem Reaktionsraum oder in jeder einzelnen Reaktionskammer wieder austritt.

21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei das Reaktionsgemisch durch mehrere Gaseintrittsöffnungen eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrom aus der Gasquelle in mehrere Teilströme aufgeteilt wird, welche zu den einzelnen Gasein trittsöffnungen führen.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 oder 21, dadurch ge kennzeichnet, daß der Gasstrom an der(n) zu beschichtenden Fläche(n) entlang geführt wird.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 oder 21, wobei ein Substrat besschichtet wird und die Plasmaausbreitung senk recht zur Substratoberfläche erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Gaseintrittsöffnungen zusammen mit den Plasma elektroden in einer Ebene über der zu beschichtenden Fläche des Substrats angeordnet werden und daß der Gaszufluß und die Plasmaausbreitung in gleicher Richtung senkrecht zur Sub stratoberfläche erfolgen.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß durch die einzelnen Gaseintrittsöffnungen unterschiedliche Gasmas senflüsse geleitet werden.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Plasmaimpulsverfahren verwendet wird, bei welchem während eines Plasmaimpulses die gesamte zwischen den zu beschichtenden Substratflächen und/oder einer dielektri schen Platte und einer zu beschichtenden Substratfläche befindliche Menge an Reaktionsgasgemisch vollständig an Schichtmaterial verarmt wird.

26. Verfahren nach Anspruch 25, wobei mehrere übereinander ange ordnete Substrate gleichzeitig beschichtet werden dadurch gekennzeichnet, daß die während eines Plasmaimpulses auf jeder einzelnen der zu beschichtenden Substratoberflächen abgeschiedene Menge an Schichtmaterial durch den Abstand zum benachbarten Substrat oder zur benachbarten dielektrischen Platte eingestellt wird.

27. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 oder 26, dadurch ge kennzeichnet, daß nach jedem Plasmaimpuls das verbrachte Reaktionsgasgemisch aus dem Reaktionsraum oder den Reaktions kammern abgeführt und frisches Reaktionsgasgemisch zugeführt wird, und daß während eines Plasmaimpulses die Gaseintritts- und Gasaustrittsöffnung(en) verschlossen sind.

28. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 oder 26 dadurch ge kennzeichnet, 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 Reaktions gasgemisch aufgefüllt werden.

29. Verfahren nach einem der Anspruche 25 bis 28, dadurch gekenn zeichnet, daß zwei gegenüberliegende Substrate oder ein Substrat und eine dielektrische Platte gegeneinander um einen Winkel von <30° geneigt angeordnet werden.

30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung eines Verlauffilters der halbe Neigungswinkel α näherungsweise durch die Beziehung: gegeben ist, mit
λ₂: größte Wellenlänge des Verlauffilters
λ₁: kleinster Wellenlänge des Verlauffilters
L: Länge des Verlauffilters
a: kleinster Abstand des Substrats von gegenüberliegender Platte.

31. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vergleichmäßigung des Schichtdickenverlaufs der halbe in Gasflußrichtung geöffnete Neigungswinkel b 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.

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

33. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Substraten oder zwischen einem Substrat und einer dielektrischen Abschluß platte zwischen 1 und 300 mm beträgt.

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

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