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Dokumentenidentifikation DE102004015216B4 13.07.2006
Titel Modul und Verfahren für die Modifizierung von Substratoberflächen bei Atmosphärenbedingungen
Anmelder Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 80686 München, DE
Erfinder Mäder, Gerrit, Dipl.-Ing., 01187 Dresden, DE;
Rogler, Daniela, Dipl.-Ing., 01277 Dresden, DE;
Hopfe, Volkmar, Dipl.-Chem. Dr.habil., 01814 Kleingießhübel, DE
Vertreter PFENNING MEINIG & PARTNER GbR, 01217 Dresden
DE-Anmeldedatum 23.03.2004
DE-Aktenzeichen 102004015216
Offenlegungstag 13.10.2005
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 13.07.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.07.2006
IPC-Hauptklasse C23C 16/513(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse C23C 16/54(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft Module sowie Verfahren für die Modifizierung von Substratoberflächen bei Atmosphärenbedingungen mit einem Plasma, wobei der erfindungsgemäße Aufbau im Wesentlichen der normalen Umgebungsatmosphäre ausgesetzt ist. Dabei kann auf eine vor äußeren Einflüssen schützende Kammer genauso verzichtet werden, wie auf üblicherweise eingesetzte Elemente zur Reduzierung eines Druckes innerhalb von Vakuumkammern, in denen die unterschiedlichsten unter die Oberbegriffe CVD- und PVD-Verfahren fallenden Prozesse durchgeführt werden. Unter dem Begriff Atmosphärenbedingungen sollen Atmosphärenzusammensetzungen, die zumindest der üblicherweise überall vorhandenen Luftatmosphäre und zumindest aber ein Druckbereich, der maximal um einige wenige 100 Pa vom absoluten Atmosphärendruck abweicht, verstanden werden.

Für die Modifizierung der jeweiligen Oberfläche von Substraten soll dabei in jedem Fall ein Plasma eingesetzt werden, um beispielsweise eine Reinigung einer Oberfläche, den Auftrag einer oder mehrerer Schicht(en) auf einer Oberfläche den Abtrag von Schichten oder Bestandteilen der Oberfläche eine Modifizierung einer auf einer Oberfläche aufgebrachten Schicht von Substraten oder auch eine chemische oder physikalische Modifizierung von Oberflächen von Substraten mit Hilfe der Plasmaenergie vornehmen zu können.

Hierbei treten bei den bekannten Lösungen, unabhängig davon, ob es sich um Vakuumanlagen oder Anlagentechnik, bei der bei Atmosphärenbedingungen in der Umgebung gearbeitet wird, Probleme bei großformatigen Substraten auf, bei denen eine entsprechende Modifizierung der gesamten Substratoberfläche oder ausgewählter Bereiche der Substratoberfläche erfolgen soll.

So müsse entsprechend große Vakuumkammern eingesetzt werden, durch die gegebenenfalls über gasdichte Schleusensysteme die jeweiligen Substrate hindurchgeführt werden, was wegen der erforderlichen Innendruckreduzierung zu erheblichen Betriebskosten führt. Weiterhin können durch berührend wirkende Schleusensysteme die Substratoberflächen verunreinigt bzw. beschädigt werden.

Bei Anlagetechnik, wie sie beispielsweise in der DE 102 39 875 A1 beschrieben ist, können solche großflächigen Substrate ebenfalls nur mit erhöhtem Aufwand bearbeitet werden, da die eingesetzten Plasmaquellen den jeweilig zu modifizierenden Oberflächenbereich von Substraten entsprechend ihrer jeweiligen geometrischen Ausdehnungen ebenfalls begrenzen, so dass lediglich Oberflächenbereiche von Substraten modifiziert werden können, die vom erzeugten Plasma überstrichen werden, wobei bei den an sich bekannten stationären Anlagen lediglich eine Rotation von Substraten im Bereich des erzeugten Plasmas oder analog zu den im Durchlauf betriebenen Vakuumanlagen ein bandförmiges Substrat durch eine solche stationäre Anlage hindurchgeführt werden kann, und dabei ein streifenförmiger Oberflächenbereich mit der jeweiligen Breite eines erzeugten Plasmas modifiziert werden kann. Prinzipiell ist eine Vergrößerung der gleichzeitig beschichteten Fläche durch Einsatz mehrerer Plasmaquellen möglich. Defizite bestehen bei der Abdichtung und der erforderlichen Spülgasmenge.

Außerdem ist aus US 6,406,590 B1 eine Lösung zur Oberflächenbehandlung mit Plasma beschrieben.

Den bekannten Lösungen ermangelt es außerdem an einer häufig gewünschten Flexibilität für eine entsprechende Bearbeitung von unterschiedlichen Substraten, was deren Größe betrifft sowie in Fällen, in denen lediglich gezielt bestimmte Oberflächenbereiche von Substratoberflächen modifiziert werden sollen.

Bei den bekannten Lösungen treten auch dann erhebliche Probleme auf, wenn die jeweiligen Substratoberflächen nicht vollständig eben ausgebildet sind.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung Möglichkeiten vorzuschlagen, mit denen eine Modifizierung von Substratoberflächen bei Atmosphärenbedingungen unter Einsatz eines Plasmas in flexibler Form und/oder auf großflächigen Oberflächen von Substraten durchgeführt werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Modul, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist sowie einem Verfahren gemäß Anspruch 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung können mit den in den untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.

An einem erfindungsgemäßen Modul ist ein mobiler Träger für eine Plasmaquelle vorhanden, die wiederum in an sich bekannter Form mit einer Energiezuführung und einer Zuführung für ein Plasmagas ausgestattet ist. Der Träger steht dabei in unmittelbarem Kontakt mit der Umgebungsatmosphäre (in der Regel Luft) und es kann ohne weiteres auf ein schützendes Gehäuse verzichtet werden. Dies betrifft insbesondere Gehäuse innerhalb derer bestimmte atmosphärische Bedingungen eingestellt werden müssten.

Am Träger ist weiterhin in Richtung auf die jeweilige zu modifizierende Substratoberfläche weisend mindestens eine Austrittsöffnung für Plasma vorhanden. Um die eine oder mehrere Austrittsöffnung(en) ist eine Abgasabsaugung am Träger ausgebildet. Zwischen dieser Abgasabsaugung und der Substratoberfläche ist ein Reaktionsraum ausgebildet, innerhalb dessen die Oberflächenmodifizierung mit dem Plasma erreichbar ist. Eine umlaufende Abgasabsaugung bildet dabei eine radial äußere Abgrenzung eines solchen Reaktionsraumes und es kann über diese im Wesentlichen zugeführtes Spülgas abgezogen werden.

Zusätzlich kann eine weitere Absaugung für Reaktions-/abgas vorhanden sein. Diese sollte unter Berücksichtigung der Anordnung, Ausrichtung und Gestaltung von Austrittsöffnungen für Plasma angeordnet, gestaltet und dimensioniert sein, um günstige Strömungsverhältnisse für den Modifizierungsprozess zu ermöglichen.

So kann eine solche Absaugung z.B. in Form eines Längsschlitzes, der parallel zu einer schlitzförmigen Austrittsöffnung für Plasma ausgerichtet ist, ausgebildet sein. Dadurch können laminare Strömungsverhältnisse parallel zu einer zu modifizierenden Oberfläche eingehalten werden.

Für die Abdichtung eines Reaktionsraumes gegenüber der umgebenden Atmosphäre ist radial weiter außen angeordnet eine ebenfalls vollständig umlaufende Spülgaszuführung am Träger vorhanden, durch die ein zumindest für den jeweiligen Modifizierungsprozess inertes Spülgas in einen Spalt zwischen Träger und Substratoberfläche für eine fluiddynamische Abdichtung einströmt, vorhanden. Das zugeführte Spülgas gelangt in den Spalt zwischen Träger und Substratoberfläche und strömt dabei zum Einen in Richtung Abgasabsaugung, also radial nach Innen in Richtung auf den Reaktionsraum und zum anderen radial nach außen, so dass ein Teil des zugeführten Spülgases in die Umgebungsatmosphäre entweichen und so das Eindringen von Atmosphärilien in den Reaktionsraumbereich genauso verhindert werden kann, wie das Austreten von Abgasbestandteilen oder im Abgas enthaltene Komponenten in Richtung auf die Umgebungsatmosphäre. Weiterhin wird durch den tangentialen Spülgasstrom die ruhende Gasschicht von Atmosphärilien auf dem Substrat effektiv beseitigt und damit negative Auswirkungen auf die Schichtausbildung vermieden.

Gleichzeitig wird der mobile Träger eines erfindungsgemäßen Moduls entlang mindestens einer Achse in Bezug zur Substratoberfläche bewegt, so dass gezielt bestimmte Bereiche der Oberfläche mit dem Plasma unmittelbar bzw. mit Hilfe des erzeugten Plasmas oder durch die Bewegung des Trägers sukzessive die gesamte Oberfläche eines jeweiligen Substrates modifiziert werden können.

Für die Bewegung eines erfindungsgemäß einzusetzenden mobilen Trägers können beispielsweise ein- oder zweiachsige Linearantriebe eingesetzt werden, wobei es bei einer einachsigen Bewegung eines Trägers vorteilhaft ist, zusätzlich eine Möglichkeit vorzusehen, mit der gleichzeitig auch das jeweilige Substrat dann zumindest in einer anderen Achsrichtung bewegt werden kann. Bei zweiachsigen Linearantrieben kann ein Träger bei entsprechender Dimensionierung eines solchen Linearantriebes jeden Bereich der Oberfläche von Substraten erreichen.

Die Bewegung des Trägers kann in jedem Fall elektronisch programmgesteuert werden, wie dies auch der Fall ist, wenn der Träger mit Hilfe an sich bekannter Industrieroboter bewegt wird. Diese sind in der Lage Träger in zumindest drei Achsen zu manipulieren, wobei gegebenenfalls aber auch eine Bewegung in allen sechs Freiheitsgraden mit einem solchen Industrieroboter durchgeführt werden kann. Letzteres wirkt sich insbesondere vorteilhaft aus, wenn die jeweiligen Substratoberflächen nicht vollständig eben vorliegen oder beispielsweise an einer Transportvorrichtung für bandförmige Substrate diese in gekrümmter Form bereichsweise über Rollen geführt werden und eine Modifizierung auch im Krümmungsbereich durchgeführt werden soll.

Bei der Bewegung des Trägers über die Substratoberfläche sollte der Abstand des Trägers zur Substratoberfläche konstant gehalten sein.

Die Oberfläche des Trägers, die in Richtung auf die jeweilige zu modifizierende Substratoberfläche gerichtet ist, sollte möglichst eine ebene Fläche bilden, die lediglich durch die Öffnungen von Spülgaszuführung, Abgasabsaugung und den Reaktionsraum durchbrochen ist. In bestimmten Fällen für entsprechende Substratoberflächengeometrien kann die entsprechende Oberfläche des Trägers aber auch an diese Gestaltung durch entsprechende Wölbung in konkaver bzw. konvexer Form angepasst sein.

Bei der Modifizierung von Substratoberflächen sollte der mobile Träger in einem relativ geringen Abstand zur Substratoberfläche angeordnet werden, so dass sich zwischen der in Richtung auf die Substratoberfläche ausgerichteten Fläche des Trägers und der Substratoberfläche sich ein relativ geringes Spaltmaß einhalten lässt. Ein Spaltmaß sollte dabei möglichst nicht größer als 1,5 mm, bevorzugt kleiner als 1 mm eingehalten werden. Durch solche reduzierten Spaltmaße kann die erforderliche Spülgasmenge in Grenzen vermindert werden.

Das erfindungsgemäße Modul kann außerdem weiter gebildet werden, in dem Möglichkeiten geschaffen werden, um die Modifizierung neben dem Plasma mit mindestens einem zusätzlichen Precursor vornehmen zu können.

Der mindestens eine Precursor kann dabei unmittelbar in die Plasmaquelle zugeführt werden. Häufig wird es aber günstiger und vorteilhafter sein, einen oder mehrere Precursoren, bevorzugt erst in den Plasmakanal zuzuführen, so dass in so genannter „Remote"-Technik gearbeitet wird. Mit Precursoren können beispielsweise unmittelbar auf der Substratoberfläche Schichten abgeschieden werden, die unter dem Energieeinfluss des Plasmas reaktiv gebildet werden können.

So können beispielsweise Kratzschutz- bzw. Hartstoff- oder Isolationsschichten auf Stahlbändern, optische- oder andere Funktionsschichten auf Gläsern sowie Korrosionsschutz- oder Verschleißschutzschichten auf den unterschiedlichsten Substratoberflächen ausgebildet werden. Mit der Erfindung können beispielsweise Carbidschichten, Boridschichten oder Nitridschichten des Siliziums, Aluminiums oder Titans aufgebracht werden.

Mit einigen anderen Precursoren können aber auch eine Oberflächenreinigung ohne eigentliche Schichtbildung und/oder ein Abtrag der Oberflächen durchgeführt werden.

Für die Einstellung und Regelung der Modifizierungsprozessparameter sollten an erfindungsgemäßen Modulen mehrere Druck- und/oder Volumenstromsensoren eingesetzt werden, so dass die für die jeweilige Modifizierung der Substratoberfläche günstigen Verhältnisse eingestellt und eingehalten werden können.

So sollten Druck- und/oder Volumenstromsensoren an den Reaktionsraum, gegebenenfalls an einen Plasmakanal, die Abgasabsaugung, die Spülgaszuführung und/oder an den Spalt zwischen Träger und Substratoberfläche angeschlossen sein. Die ermittelten Messsignale für die jeweiligen Drücke bzw. Volumenströme können dann für die Regelung der Gasströme und der Absaugeinrichtung einer elektronischen Steuerung/Regelung zugeführt werden. Dadurch lassen sich die sich gegenseitig beeinflussenden unterschiedlichen Drücke/Volumenströme bei der Regelung des eigentlichen Modifizierungsprozesses berücksichtigen. Mit den jeweiligen Sensoren können die momentanen Absolutmesswerte berücksichtigt werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, entsprechende Messwertdifferenzen für die elektronische Steuerung/Regelung zu nutzen.

So kann beispielsweise ein Differenzdruck zwischen Spülgas im Spalt und der Abgasabsaugung (damit kann die Strömungsrichtung erfasst werden) bestimmt und für eine Regelung der beiden jeweiligen Gasströme genutzt werden.

Beim Beginn einer Oberflächenmodifizierung auf einer Substratoberfläche sollte der jeweilige mobile Träger in einem Abstand zur Substratoberfläche zur Einstellung eines vorgebbaren Spaltmaßes zwischen dem Träger und der Substratoberfläche angeordnet werden. Nach dem Einschalten der Plasmaquelle sollte dann der Druck im Plasmakanal und/oder Reaktionsraum ermittelt werden. Gleichzeitig kann dann der Druck bzw. Volumenstrom der Abgasabsaugung bestimmt werden, um beide auf vorgebbare Werte zu regeln. Der Druck bzw. Volumenstrom der Abgasabsaugung kann beispielsweise durch entsprechende Regelung einer oder mehrerer an sich bekannter Absaugvorrichtungen oder mit Hilfe zwischengeschalteter Regelventile oder Drosselklappen erfolgen.

Nach Einstellung eines gewünschten Gleichgewichtes dieser Drücke und Volumenströme erfolgt dann eine Bestimmung des Spülgasdruckes/Volumenstromes und Druck/Volumenstrom der Abgasabsaugung, die sich unmittelbar gegeneinander beeinflussen können. Mit den bestimmten Messsignalen erfolgt dann wieder eine Regelung auf vorgegebene Werte, wobei sich dieser Zyklus dann nachfolgend bei der Modifizierung von Substratoberflächen ständig wiederholen lässt. Nach Einstellung der gewünschten Prozessparameter (Volumenstrom und Drücke) wird dann der mobile Träger in gewünschter Form entlang der Oberfläche des zu modifizierenden Substrates bewegt, wobei ein vollflächiges überstreichen, aber auch lediglich eine bereichsweise Oberflächenmodifizierung möglich sind. Hierfür kann dann die Bewegung des Trägers entsprechend vorgegebener Programme gesteuert werden.

Als Plasmaquellen können beispielsweise Mikrowellenplasmaquellen oder Lichtbogenplasmaquellen eingesetzt werden.

Die Erfindung kann außerdem vorteilhaft weiter gebildet werden, in dem lediglich eine Austrittsöffnung für Plasma am mobilen Träger vorhanden ist, die als entlang einer Achse ausgerichtete Schlitzdüse ausgebildet ist. In Verbindung mit solch einer Schlitzdüse ist eine Lichtbogenplasmaquelle zu bevorzugen, wie sie beispielsweise in EP 0 851 720 B1 beschrieben ist.

Bei einer solchen relativ lang gestreckten Plasmaquelle mit Schlitzdüse können vorteilhaft mehrere Zuführungen für Precursor(en) entlang der Schlitzdüsenachse angeordnet sein. Diese sollten jeweils möglichst einzeln angesteuert werden können, so dass eine Zuführung von Precursoren in das Plasma lokal differenziert erfolgen kann. Dies betrifft zum einen unterschiedliche Precursoren, die durch die jeweiligen Zuführungen in das Plasma gegeben werden können und zum anderen auch die Möglichkeit zur Sperrung einzelner Zuführungen, so dass bestimmte Oberflächenbereiche ausschließlich unter dem Einfluss von Plasma modifiziert werden bzw. eine lokale Temperierung erfolgen kann.

Im letztgenannten Fall kann beispielsweise in Bewegungsrichtung ein proximaler Bereich angeordnet sein, in dem lediglich Plasma aus der Austrittsöffnung auf die Substratoberfläche gerichtet ist. In distaler Richtung wird dann über entsprechend dort angeordnete und frei gegebene Zuführungen Precursor in das Plasma eingeführt. Eine solche Ausführungsform ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn eine Schichtausbildung in mehreren Spuren auf einer Substratoberfläche erfolgen soll. Dabei kann der Rand einer bereits ausgebildeten Schichtspur allein durch den Einfluss des Plasmas erwärmt werden und eine nahezu homogene, zwischen den einzeln gelegten Spuren nahtfreie Schicht auf der Substratoberfläche ausgebildet werden.

Werden entlang einer Achse relativ lang gestreckte Austrittsöffnungen, wie Schlitzdüsen an den mobilen Trägern für den Plasmaaustritt eingesetzt, ist es außerdem vorteilhaft Möglichkeiten vorzusehen, mit denen der Träger um eine orthogonal zur jeweiligen zu modifizierenden Substratoberfläche ausgerichteten Achse verdreht werden kann. Dadurch kann eine Winkelausrichtung einer so gestalteten Austrittsöffnung in Bezug zu den verschiedenen Bewegungsrichtungen, die bei der Erfindung realisierbar sind, erfolgen.

So besteht die Möglichkeit, den jeweiligen Schlitzdüsenwinkel parallel, quer oder in beliebigen dazwischen liegenden Winkelausrichtungen in Bezug zur Bewegungsrichtung des mobilen Trägers einzustellen. Die Winkelausrichtung einer solchen Schlitzdüse kann aber auch unter Berücksichtigung einer gegebenenfalls bei der Erfindung realisierten Bewegung des eigentlichen zu modifizierenden Substrates erfolgen. So kann ein Substrat translatorisch in eine Richtung und der mobile Träger in eine nahezu beliebige andere Richtung gleichzeitig bewegt werden.

Substrate können aber auch Bänder sein, die über Umlenkrollen, beispielsweise als Endlosbänder geführt sind.

Am Träger eines erfindungsgemäßen Moduls kann am Bereich der Austrittsöffnungen ein weiterer Bereich vorhanden sein, der zwischen der jeweiligen Oberfläche des Trägers und der Substratoberfläche ein vergrößertes Spaltmaß aufweist. Dieser Bereich ist dann Bestandteil des Reaktionsraumes, so dass sich dessen Volumen entsprechend erhöht. Mit einem so vergrößerten Reaktionsraum kann ein größerer Oberflächenbereich modifiziert und auch die Verweildauer der schichtbildenden Komponenten im Reaktionsraum erhöht werden. Eine zusätzliche Prozessabgasabsaugung kann einseitig oder zweiseitig oder radial angeordnet/ausgebildet sein.

Vorteilhaft ist es, wenn anschließend an einen solchen den Reaktionsraum vergrößerten Bereich eine zusätzliche Abgasabsaugung ortsnah angeordnet ist, um die entsprechend erhöhten Gasvolumina abführen zu können. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn ein solcher den Reaktionsraum vergrößernder Bereich lediglich an einer Seite einer Austrittsöffnung für Plasma ausgebildet ist. Der den Reaktionsraum vergrößernde Bereich sollte vorteilhaft distal in Bezug zur eigentlichen Vorschubrichtung bei der Oberflächenmodifizierung angeordnet sein.

Der Oberflächenmodifizierungsprozess und die Regelung können weiter günstig beeinflusst werden, wenn sowohl die Abgasabsaugung, wie auch die Spülgaszuführung jeweils konstante Abstände, umlaufend und radial in Bezug zum äußeren Rand des Reaktionsraumes einhalten.

Bei einem kreisrunden Reaktionsraum wären dementsprechend Abgasabsaugung und Spülgaszuführung ebenfalls kreisringförmig um den gemeinsamen Mittelpunkt mit dem Reaktionsraum ausgebildet. Bei anderen geometrischen Formen von Reaktionsräumen kann eine entsprechende Anpassung der Gestaltung und Abstände für Abgasabsaugung und Spülgaszuführung in analoger Form erfolgen.

Abgasabsaugung und Spülgaszuführung können vorteilhaft in Form von Ringkanälen, die die Gestaltung des Reaktionsraumes mit seiner äußeren Randgeometrie berücksichtigen, ausgeführt werden. Vorteilhaft können sie außerdem über ihren Umfang in gesondert gesteuert/regelbare einzelne Segmente unterteilt sein, wobei eine Regelung der Drücke/Volumenströme der einzelnen Segmente von Abgasabsaugung und Spülgaszuführung möglich sein sollte. So können beispielsweise jeweils acht einzelne Segmente über den jeweiligen Umfang von Abgasabsaugung und Spülgaszuführung vorhanden sein.

Für die Sicherung einer ausreichenden Abdichtung am erfindungsgemäßen Modul, bei gleichzeitig reduzierter erforderlicher Spülgasmenge ist es günstig bestimmte Abstände einzuhalten. So sollte der Abstand der Spülgaszuführung zum radial äußeren Rand des Trägers, bevorzugt doppelt, besonders bevorzugt dreifach so groß und größer, wie der Abstand der Spülgaszuführung zur Abgasabsaugung sein, so dass die Spülgaszuführung wesentlich dichter an der Abgasabsaugung als zum äußeren Rand des mobilen Trägers angeordnet ist, wobei dies bei jeweils nahezu konstantem Spaltmaß zwischen der jeweiligen Oberfläche des Trägers und der Substratoberfläche der Fall sein sollte.

Für eine Temperaturkompensation, insbesondere der bestimmten Messsignale für die jeweiligen Drücke/Volumenströme ist es vorteilhaft mindestens einen Temperatursensor an einem mobilen Träger vorzusehen.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich, bei der jeweiligen Modifizierung von Substratoberflächen die Bewegungsrichtung und/oder Bewegungsgeschwindigkeit des mobilen Trägers gezielt zu beeinflussen, so dass die Modifizierungs- bzw. Schichtausbildung lokal differenziert auch dadurch beeinflusst werden können. So kann beispielsweise bei einer linearen Hin- und Herbewegung bzw. sinusförmigen Bewegung eines Trägers die Geschwindigkeit in Umkehrpunktbereichen vergrößert sein.

Außerdem können allein oder zusätzlich auch lokal differenziert unterschiedliche Precursoren und/oder Precursorvolumenströme/-massenströme dem jeweiligen Plasma zugeführt werden.

Neben der bereits erwähnten Flexibilität der Erfindung können die Modifizierungs-/Reaktionsbedingungen während des Prozesses gezielt beeinflusst, also gesteuert oder geregelt werden, so dass reproduzierbare Ergebnisse erreicht werden können.

Außerdem können durch effektive Abschottung gegenüber den Umgebungsmedien ein gegebenenfalls unerwünschter Einfluss von Sauerstoff, der dann auch zur Oxidbildung führen kann, vermieden werden.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.

Dabei zeigen:

1 in schematischer Form eine Möglichkeit für den Aufbau eines mobilen Trägers für ein erfindungsgemäßes Modul mit asymmetrischer Ausbildung eines Absaugsystems;

2 ein Beispiel mit symmetrischer Ausbildung eines Absaugsystems;

3 eine Ansicht von unten auf die Oberfläche eines Trägers mit einer Austrittsöffnung für Plasma, die in Richtung auf eine zu modifizierende Substratoberfläche gerichtet ist und

4 eine entsprechende Ansicht eines Trägers mit mehreren Austrittsöffnungen für Plasma.

In 1 ist in schematischer Form ein Beispiel für einen Aufbau eines mobilen Trägers 1 gezeigt, der wie im allgemeinen Teil der Beschreibung mit Hilfe von nicht dargestellten zusätzlichen Elementen, wie geeigneten Linearantrieben oder einem mehrachsigen Industrieroboter entlang der Oberfläche eines Substrates 8 bewegt werden kann.

Mit dem Doppelpfeil ist angedeutet, dass auch das Substrat 8 translatorisch bewegt werden kann. In diesem Fall könnte dann der mobile Träger 1 in die Zeichnungsebene hinein und wieder heraus bewegt werden, so dass ein vollständiges Überstreichen einer Substratoberfläche durch eine solche Hin- und Herbewegung, bei gleichzeitig translatorischer Bewegung des Substrates 8 möglich ist.

Am Träger 1 ist eine Plasmaquelle 2, bevorzugt eine Lichtbogenplasmaquelle vorhanden, die mit nicht dargestellten Zuführungen für ein Plasmagas und Elektroenergie versehen ist. Das in der Plasmaquelle 2 gebildete Plasma gelangt über den Plasmakanal 3', durch die in diesem Fall als Schlitzdüse ausgebildete Austrittsöffnung 3 in Richtung auf eine zu modifizierende Substratoberfläche. In diesem Bereich ist dann ein Reaktionsraum 5 angeordnet, an den sich der Bereich 5', als Bestandteil des Reaktionsraumes 5 mit vergrößertem Spaltmaß zur Substratoberfläche anschließt.

In schematischer Form ist hier lediglich eine Zuführung 7 für Precursoren dargestellt, die in den Plasmakanal 3' und gegebenenfalls in den Bereich der Austrittsöffnung 3 münden kann. Mit dem entsprechend zugeführten Precursor können an sich bekannte Schichtbildungsprozesse auf Substratoberflächen durch den aktivierenden Einfluss des Plasmas erfolgen.

Umlaufend um den Reaktionsraum ist eine Abgasabsaugung 4, in Form eines durchgängigen Ringkanals vorhanden, durch die Abgase aus dem Reaktionsraum 5 und ein Teil des Spülgases, das durch den Spalt 17 zur Abdichtung desselben von der ebenfalls umlaufend um den Reaktionsraum 5 ausgebildeten Spülgaszuführung 6 zugeführt wird, abgeführt werden können.

Bei dem in 1 gezeigten Beispiel ist eine zusätzliche Abgasabsaugung 4' sich unmittelbar anschließend an den Bereich 5' des Reaktionsraumes 5 ausgebildet, um den entsprechend vergrößerten Abgasvolumenstrom aus dem Reaktionsraum 5 abführen zu können.

Des Weiteren sind in 1 eine Anzahl von Sensoren 9 bis 12 dargestellt. So kann beispielsweise mit dem Sensor 9 der Druck im Plasmakanal 3' bestimmt werden. Mit den Drucksensoren 11 kann der Druck in der umlaufenden Abgasabsaugung 4 bestimmt werden.

Des Weiteren sind Drucksensoren 10 und 12 an den Spalt 17 angeschlossen. Dabei wird mit den Drucksensoren 12 im Wesentlichen der Spülgasdruck und mit den Sensoren 10 im Wesentlichen der Abgasdruck in Richtung auf die Abgasabsaugung 4 bestimmt.

Weitere Sensoren 10 bis 12 können auch über den Umfang verteilt angeordnet sein.

Bei dem hier gezeigten Beispiel werden die mit den jeweiligen Sensoren 10 und 12 ermittelten Differenzdrücke, wie auch die mit den Sensoren 9 und 11 ermittelten Absolutdrücke einer nicht dargestellten elektronischen Steuerung/Regelung zugeführt, um den Druck/Volumenstrom innerhalb der Abgasabsaugung 4, 4' und den Spülgasdruck/-volumenstrom der Spülgaszuführung 6 regeln zu können. Für die Regelung der Spülgaszuführung 6 sind Regelventile 13 und für die Regelung der Abgasabsaugung 4, 4' sind bei diesem Beispiel entsprechende Drosselklappen 14 und 14' vorhanden.

Selbstverständlich kann/können auch eine oder mehrere Absauganlagen, die an die Abgasabsaugung 4, 4' angeschlossen sind, entsprechend geregelt werden.

Anstelle der bezeichneten Drucksensoren können aber auch teilweise geeignete Volumenstromsensoren eingesetzt werden.

Das Beispiel nach 1 stellt quasi ein asymmetrisches Abgasabsaugsystem um den Reaktionsraum 5, mit den Abgasabsaugungen 4 und 4' dar, da lediglich eine Absaugung 4' an einer Seite des Reaktionsraumes 5 angeordnet ist.

Im Gegensatz hierzu ist beim in 2 gezeigten Beispiel eine symmetrische Form von Absaugungen 4 und 4' um den Reaktionsraum 5 gewählt worden.

Die 3 zeigt in schematischer Form eine Ansicht von unten auf die Oberfläche eines mobilen Trägers 1, die während des Betriebes in Richtung auf die jeweilige Substratoberfläche weist.

Bei dem hier gezeigten Beispiel hat der Träger 1 eine nahezu rechteckige Gestalt, wobei eine Abrundung der Ecken berücksichtigt worden ist. Die äußere durchgezogene Linie stellt dabei den radial äußeren Rand eines Trägers 1 dar.

Im Zentrum ist ein lang gestreckter, entlang einer Achse ausgerichteter Reaktionsraum 5 vorhanden, um den radial umlaufend, von innen nach außen zuerst eine Abgasabsaugung 4 und eine radial davon weiter außen angeordnete Spülgaszuführung 6 vorhanden sind.

Wie bereits angesprochen, haben in vorteilhafter Weise sowohl die Abgasabsaugung 4, wie auch die Spülgaszuführung 6 jeweils konstante Abstände zum äußeren Rand des Reaktionsraumes 5. Dadurch können, bei gleichem Spaltmaß des Spaltes 17 in den entsprechenden Zwischenbereichen radial umlaufend nahezu konstante Strömungsverhältnisse für das abzuführende Abgas und das zugeführte Spülgas mit entsprechend nahezu konstanten Druckverhältnissen eingehalten werden.

Im Gegensatz zu 1 kann aber bei der Darstellung in 3 auch sehr gut erkannt werden, dass der jeweilige Abstand zwischen Abgasabsaugung 4 und Spülgaszuführung 6 deutlich kleiner, als der Abstand der Spülgaszuführung 6 zum radial äußeren Rand des Trägers 1 gehalten worden ist und wie im allgemeinen Teil der Beschreibung der letztgenannte Abstand zumindest zweifach so groß, wie der Abstand zwischen Abgasabsaugung 4 und Spülgaszuführung 6 ist.

Das in 3 gezeigte Beispiel ist besonders für Träger 1 mit lediglich einer Austrittsöffnung 3, die bevorzugt schlitzförmig, z.B. an einer Lichtbogen-Plasmaquelle ausgebildet ist, gezeigt.

Im Gegensatz dazu sind eine Mehrzahl von Austrittsöffnungen 3 für Plasma an einem Träger 1 in 4 gezeigt. Diese Anordnung kann vorzugsweise für den Betrieb mit einer Mikrowellenplasmaquelle eingesetzt werden. Das Abgasabsaugsystem mit Abgasabsaugungen 4 und 4' kann dabei so ausgebildet sein, wie beim Beispiel nach 2.


Anspruch[de]
  1. Modul zur Modifizierung von Substratoberflächen bei Atmosphärenbedingungen, bei dem an einem mobilen Träger (1) für eine Plasmaquelle (2) in Richtung auf eine jeweilige Substratoberfläche mindestens eine Austrittsöffnung für Plasma vorhanden und

    zwischen einer umlaufend um die Austrittsöffnung(en) (3) ausgebildete Abgasabsaugung (4) und der Substratoberfläche ein Reaktionsraum (5) ausgebildet ist,

    außerdem eine radial äußere ebenfalls umlaufend ausgebildete Spülgaszuführung (6) in einen Spalt (17) zwischen Träger (1) und Substratoberfläche für eine fluiddynamische Abdichtung zur umgebenden Atmosphäre vorhanden ist,

    wobei der Abstand der Spülgaszuführung (6) zum radial äußeren Rand des Trägers (1) mindestens doppelt so groß, wie der Abstand der Spülgaszuführung (6) zur Abgasabsaugung (4) gehalten ist und

    der Träger (1) entlang mindestens einer Achse in Bezug zur Substratoberfläche bewegbar ist.
  2. Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der/den Austrittsöffnung(en) (3) für Plasma ein ein vergrößertes Spaltmaß aufweisender Bereich (5') vorhanden ist, der Bestandteil des Reaktionsraumes (5) ist.
  3. Modul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich anschließend an den Bereich (5') eine weitere Abgasabsaugung (4') angeordnet ist.
  4. Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Abgasabsaugung (4) und/oder Spülgaszuführung (6) in gesondert steuer- und/oder regelbare Segmente unterteilt sind.
  5. Verfahren zur Modifizierung von Substratoberflächen bei Atmosphärendruckbedingungen mit einem Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

    bei dem der mobile Träger (1) in einem Abstand zur Substratoberfläche zur Einstellung eines vorgebbaren Spaltmaßes zwischen Träger (1) und Substratoberfläche angeordnet,

    bei eingeschalteter Plasmaquelle (2) die Drücke im Plasmakanal (3') und/oder Reaktionsraum (5) sowie der Druck und/oder Volumenstrom der Abgasabsaugung (4) bestimmt und auf vorgebbare Werte geregelt werden;

    dann der Spülgasdruck und/oder Volumenstrom und der Druck und/oder Volumenstrom der Abgasabsaugung (4) bestimmt und auf vorgebbare Werte geregelt werden und

    der Träger (1) über die Substratoberfläche bewegt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Regelung der Drücke und/oder Volumenströme im Plasmakanal (3') und/oder Reaktionsraum (5), Abgasabsaugung (4) und Spülgaszuführung (6) mindestens ein Precursor dem Plasma zugeführt und die Bestimmung und Regelung der Drücke und/oder Volumenströme wiederholt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsrichtung und/oder die Bewegungsgeschwindigkeit des Trägers (1) gesteuert wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Träger (1) und Substrat (8) bewegt werden.
  9. Verfahren nach einem der Verfahren 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit des Trägers (1) lokal differenziert gesteuert wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung(en) (3) in Bezug zur Bewegungsrichtung des Trägers (1) und/oder des Substrates (8) ausgerichtet wird/werden.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in Bewegungsrichtung des Trägers (1) ein vorderer Bereich der Substratoberfläche ausschließlich mit Plasma modifiziert und/oder beaufschlagt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass dem Plasma lokal differenziert unterschiedliche Precursoren und/oder Precursorvolumenströme und/oder -massenströme zugeführt werden.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Reaktionsraum (5) ein konstanter Druck im Bereich ±100 Pa um den Druck der Umgebungsatmosphäre eingestellt wird.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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