WO2012007165A1 - Verfahren und vorrichtung zur plasmabehandlung flacher substrate - Google Patents

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WO2012007165A1
WO2012007165A1 PCT/EP2011/003516 EP2011003516W WO2012007165A1 WO 2012007165 A1 WO2012007165 A1 WO 2012007165A1 EP 2011003516 W EP2011003516 W EP 2011003516W WO 2012007165 A1 WO2012007165 A1 WO 2012007165A1
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substrate
temperature
electrode
support surface
plasma treatment
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Michael Geisler
Günter GRABOSCH
Arndt Zeuner
Thomas Merz
Rudolf Beckmann
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Buehler Alzenau GmbH
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Leybold Optics GmbH
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/46—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating characterised by the method used for heating the substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32082—Radio frequency generated discharge
    • H01J37/32091—Radio frequency generated discharge the radio frequency energy being capacitively coupled to the plasma
    • H—ELECTRICITY
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    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32431—Constructional details of the reactor
    • H01J37/32715—Workpiece holder
    • H01J37/32724—Temperature

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for plasma treatment of a flat substrate, each according to the preamble of the independent claims.
  • An apparatus for plasma treatment of flat substrates is known for example from EP 2 147 452, wherein a plasma is generated between an electrode and a counter electrode, between which the substrate to be treated is introduced. Via a gas distributor integrated in the electrode, reaction gas between electrode and
  • reaction gas can uniformly act on the area of the substrate surface to be treated.
  • the distance between the surface of the substrate and the electrode during the plasma treatment keep constant with only small tolerances, for example, to a value of 10 mm +/- 1 mm. For example, at a
  • the substrate must during the
  • the object of the present invention is to achieve an improved quality of a plasma-treated substrate surface.
  • the flat substrates are preferably made of a glass, metal, plastic or ceramic material. It is understood that pretreated in some way
  • Electrodes are covered by the invention.
  • the electrode and counterelectrode form plates of a parallel plate reactor.
  • the electrode AC voltage having at least one frequency component in a range between 1 MHz (megahertz) and 200 MHz to which the electrode and counter electrode are applied.
  • the counter electrode is hereinafter referred to the electrode, which in the
  • the mean temperature is understood to mean an arithmetically averaged temperature over the respective area over a time interval of at least 60 seconds.
  • the inventive setting an increased temperature of the back surface of the substrate opposite to the front surface of the substrate, a curvature of the substrate during the plasma treatment can be controlled, since the on the
  • Substrate front side or rear side acting overall performance can be kept the same or approximately the same.
  • the power applied to the front surface is determined by the thermal radiation power of the electrode and the plasma power during the plasma treatment, while the power applied to the back surface is determined solely by the thermal coupling of the substrate with the plasma
  • Temperature control is determined in the region of the counter electrode.
  • the power consumption on the back surface depends mainly on the thermal
  • the mechanical bias in the substrate can be achieved by setting different temperatures on the front and back surfaces of the substrate, respectively, since then the front surface expands laterally less than the back surface of the substrate, which increases at a front side surface
  • Substrate seen from the direction of the electrode leads, if not counteracted by appropriate measures.
  • the edge sides of the substrate then have a larger distance to the support surface than lying closer to the center of the substrate areas. If a force is applied to the edge sides of the substrate, the edge sides are approximated to the bearing surface.
  • the application of the edge sides serves to generate a force holding the substrate with its rear side surface against the support surface, which leads to a substantially flat contact of the substrate on the support surface and the thermally generated mechanical
  • Pretension in the substrate increases the pressure force against the support surface.
  • the substrate is fixed in the regions of the edge sides, with which the substrate is held on the support surface, advantageously using hold-downs associated with the edge sides of the substrate with which the substrate edges are pressed down. This ensures on the one hand that the disc is not bent; On the other hand, it is ensured that there is good thermal and mechanical contact between substrate and support surface.
  • a temperature difference T RS - T V s greater than 0.5 K is set by means of the temperature control, wherein TRS is an average temperature of the back surface of the substrate and T V s an average temperature of
  • Designated front side surface of the substrate As the average temperature, here is one over at least 80% of the back surface or front surface of the substrate
  • Temperature differences T RS - T V s of 1, 0 K, 1, 5 K, 2.0 K, 2.5 K, 3, OK or more can be set and that the selected temperature difference T RS - T V s of
  • Substrate material, the substrate thickness, the lateral extent of the substrate, its breaking strength and other parameters is dependent, which can be readily determined by the person skilled in the art.
  • the temperature difference is chosen so that the thermally generated mechanical bias flatly presses the substrate against the support surface without the substrate undergoing breakage during the plasma treatment.
  • a temperature difference T ⁇ - T vs with 3, OK> T ⁇ - T vs > 0.5K is preferred.
  • the thermal stress of the substrate can be kept low and, for example, both microcrystalline and amorphous silicon can be deposited in a PECVD process.
  • the plasma treatment is carried out at a temperature T G between 20 ° C and 300 ° C and / or a temperature T E between 20 ° C and 300 A C (preferably 100 ° C)
  • an advantageous temperature of the front or back surface of the substrate in particular a temperature difference T rs - T vs be set with 3, OK> T rs - T vs > 0.5K.
  • TG denotes a mean temperature of the counter electrode and T E an average temperature of the electrode.
  • Rear side surface of the substrate can be brought to a corresponding temperature.
  • Another embodiment of the invention is characterized in that in the Area between the back surface of the substrate and support surface hydrogen and / or helium gas with a process partial pressure between 0.1 mbar and 250 mbar, preferably 20 mbar is initiated, whereby a high thermal coupling between the substrate and support surface can be achieved.
  • Plasma treatment at electrode and counter electrode an RF power in a range between 0.1 kW / m2 and 20 kW / m2 is applied, whereby a plasma treatment for the production of amorphous or microcrystalline, N- or P- or intrinsic silicon thin films is possible.
  • the substrate can be arranged between an electrode of a planar charging surface, which is assigned to a counterelectrode and faces with its front side of the electrode and with its rear side of the support surface, are provided
  • a device for the thermal generation of a mechanical bias in the substrate which corresponds to a seen from the direction of the electrode concave curvature of the substrate with spaced from the support surface edge sides of the substrate by means of temperature control of the front and / or back of the substrate
  • the holding means may be formed finger-like or frame-like.
  • the holding means may be mechanically connected to the counter electrode, but at the same time electrically and / or thermally insulated from this.
  • the holding means may be formed finger-like or frame-like.
  • the holding means may be mechanically connected to the counter electrode, but at the same time electrically and / or thermally insulated from this.
  • Holding means may be formed as hold-down and allow the application of the edge sides with local forces to achieve a flat concern of the back surface of the substrate on the support surface and perform.
  • an embodiment of the at least one hold-down device which permits a lateral expansion of the substrate after applying the edge sides by means of local forces by means of the at least one hold-down, is possible.
  • the hold-down may have a, preferably elastic suspension or be designed with play against the side edges in a low temperature range (for example, 20 ° C) of the substrate.
  • an embodiment of the means for holding the substrate is provided which, during the plasma treatment, provides an orientation of the substrate at an angle to the vertical in a range between 3 ° and 30 ° with the front surface downwards. This will be a high
  • Gravity be oriented away from the substrate surface.
  • Curvature of the substrate with spaced from the support surface edge sides of the substrate corresponds by means of temperature control of the front and / or back of the substrate
  • At least 80% of the rear side surface of the substrate can be brought to an increased average temperature with respect to the front side surface of the substrate during the plasma treatment.
  • temperature control means are to be considered various parameters of the plasma treatment, in particular the surface of electrode and counter electrode, the electrode applied to the electrode and counter electrode RF power, the total power consumption of the substrate and its front surface, familiar to those skilled in the art Methods, for example, experimentally, by simulation and / or theoretical calculations can be considered.
  • the inventive design of the temperature control allows to control a curvature of the substrate during the plasma treatment, as already described above.
  • Temperature control of the temperature control is designed for the thermal generation of a mechanical bias in the substrate, which corresponds to a seen from the direction of the electrode concave curvature of the substrate.
  • a further embodiment of the invention is characterized in that means are provided for acting on edge sides of the substrate with a force for generating a force holding the substrate with its rear side surface against the support surface, wherein a precise positioning of the substrate and thus also with large-area substrates largely the same distance between
  • Substrate front surface and the electrode surface can be achieved, since the substrate rests flat on the support surface.
  • tempering means additionally arranged in the region of the electrode, a more precise adjustment of the total power consumption of the substrate during the
  • Plasma treatment can be achieved.
  • a further embodiment of the invention is characterized in that the bearing surface can be tempered by means of the temperature control means arranged in the region of the counterelectrode, with which thermal power can be coupled into the substrate via the backside surface of the substrate in a particularly simple manner. Additionally or alternatively, by means of arranged in the region of the electrode
  • Tempering be tempered in the region between the electrode and the counter electrode gas distributor, whereby the thermal power consumption of the substrate to be influenced on the substrate front side and a high stability of the gas distributor against thermally induced deformations can be achieved.
  • the temperature control means are provided with channels through which a Tempering liquid, preferably an oil fluid can flow.
  • a Tempering liquid preferably an oil fluid can flow.
  • the temperature control for example, associated with the electrode and / or counter electrode are
  • Circulators are kept at a constant temperature.
  • Temperier in the temperature control is designed to set a
  • T rs denotes a mean temperature of the back surface of the substrate and T vs an average temperature of the front surface of the substrate.
  • Temperier the temperature control is designed for plasma treatment at a temperature T ⁇ between 20 ° C and 300 ° C and / or a Termperatur T vs between 20 ° C and 300 ° C and / or at a temperature TG between 20 ° C and 300 ° C. and / or a temperature T E between 20 ° C and 100 ° C, where TG denotes a mean temperature of the counter electrode and T E denotes an average temperature of the electrode.
  • Counter electrode can be applied RF power in a range between 0.1 kW / m2 and 20 kW / m2.
  • Support surface in a range of at least 80% of a roughness R a and / or has a ripple, with which, in particular in the area between the back surface of the substrate and the support surface introduced hydrogen and / or helium gas, preferably at a process partial pressure between 0.1 mbar and 250 mbar effective thermal coupling between substrate and support surface can be achieved.
  • Fig. 1 shows a longitudinal section through an inventively to be cleaned device for plasma treatment of a substrate
  • Fig. 2 shows a section through a flat substrate at different temperatures of the front and back.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device 1 designed as a reactor for treating flat substrates 2.
  • the reactor may in particular be designed as a PECVD reactor.
  • the reactor 1 comprises a process chamber 3 with an electrode 4 and a counter electrode 5 for generating a plasma, by means of which a surface of a substrate 2 can be treated, in particular coated.
  • the electrodes 4, 5 are designed as large-area metal plates and can for generating an electric field to a (not shown in Figure 1) voltage source, preferably a high-frequency supply source with an excitation frequency between 1 mHz and 200 MHz, preferably 13.56 MHz, connected become.
  • an RF power in a range between 0.1 kW / m2 and 20 kW / m2 can be applied to the electrodes 4, 5.
  • the substrate 2 is preferably as in EP 2 147 452 A1
  • the reactor 1 is designed for treating large flat substrates
  • the reactor 1 is suitable for carrying out processing steps in the production of
  • high-efficiency thin-film solar modules for example, for amorphous or
  • microcrystalline silicon thin-film solar cells are microcrystalline silicon thin-film solar cells.
  • the two electrodes 4, 5 form two opposite walls of the process chamber 3.
  • the process chamber 3 is arranged in a vacuum chamber 7 with an evacuable housing 8 having an opening 10 for on and
  • the chamber opening 10 is through a
  • Closing device 9 closed vacuum-tight.
  • seals 11 are provided.
  • the vacuum chamber 7 may have any spatial form and may in particular have a round or rectangular cross-section.
  • the embedded in the vacuum chamber 7 process chamber 3 may in particular the shape of a flat cylindrical disk or a flat cuboid. It is understood that the invention also different
  • Embodiments in which the process chamber itself is a vacuum chamber are encompassed by the invention.
  • the electrode 4 is arranged in a holding structure 37 in the vacuum chamber 7, which is formed in the embodiment of FIG. 1 of the housing rear wall 19.
  • the electrode 4 is accommodated in a recess 38 of the housing rear wall 19 and separated from it by a dielectric 20.
  • the counterelectrode 5 covers the recess 38 of the holding structure 37 during the execution of the treatment in such a way that a gap 25 is formed between the edge region 23 of the counterelectrode 5 and an edge region 24 of the recess 38.
  • the gap 25 has a width of the
  • the gap width is dimensioned in such a way that, on the one hand during the execution of the treatment, a plasma can be kept inside the process chamber 3, but on the other hand, no too large pressure gradient is built up between the process chamber 3 and the remaining interior of the vacuum chamber 7.
  • the reactive gas is supplied from a source via a supply channel 13 to a gas distributor 15, from which it flows into the process chamber 3.
  • the gas distributor 15 in the present embodiment comprises a gas space 16 which at the
  • Counter-electrode 5 side facing a gas outlet plate 17 which is provided with a plurality of outlet openings (not shown) for gas passage.
  • a gas outlet plate 17 which is provided with a plurality of outlet openings (not shown) for gas passage.
  • the substrate 2 is arranged on a particularly planar substrate support surface 5a during the plasma treatment.
  • the support surface 5a is integrated into the counter electrode 5, for example a metal surface on which the substrate rests during the plasma treatment.
  • the substrate support surface is covered by the substrate, so that it is not contaminated during the plasma treatment.
  • the cover can by the Substrate 2 carried out such that the formation of a residue on the substrate support surface 5a is prevented during the plasma treatment.
  • the counterelectrode 5 has no end regions 23 or only slightly beyond the region of the gas shower. To achieve the highest possible thermal coupling between a arranged on the support surface 5a substrate and the support surface 5a is for the
  • the reactor has tempering means arranged in the region of the counterelectrode, by means of which at least 80% of the rear side surface of the substrate can be brought to an increased average temperature with respect to the front side surface of the substrate during the plasma treatment.
  • temperature control means 27, 29, 30 are provided in the reactor 1.
  • the temperature control of the temperature control 27, 29, 30 designed for the thermal generation of a mechanical bias in the substrate, which corresponds to a seen from the direction of the electrode 4 concave curvature of the substrate 2.
  • Temperature control means are provided which comprise a device 29 which below the
  • Counter electrode 5 is arranged in the vacuum chamber 7 and allows a temperature of the support surface 5a.
  • a device 30 integrated into the counterelectrode 5 or contact surface 5a may also be provided.
  • the counterelectrode 5 and in particular the support surface 5a can be tempered by circulating a temperature control fluid through channels (not shown) in the counterelectrode 5 or the support surface 5a.
  • the gas outlet plate 17 can be tempered. This can be the
  • Gas exit plate 17 may be connected by means of webs 35 with the electrode 4, which consist of a material having high thermal conductivity, so that the electrode 4, which consist of a material having high thermal conductivity, so that the electrode 4, which consist of a material having high thermal conductivity, so that the electrode 4, which consist of a material having high thermal conductivity, so that the electrode 4, which consist of a material having high thermal conductivity, so that the electrode 4, which consist of a material having high thermal conductivity, so that the
  • Gas outlet plate 17 is thermally connected to the electrode 4.
  • the electrode 4 (and thus also the gas outlet plate 17) can be tempered by a Temperature control liquid circulates through channels 36 in the electrode 4.
  • the temperature of the electrode 4 can be controlled or regulated.
  • thermosensors 40 ' may be arranged in the region of the gas outlet plate 17 whose measured values for
  • Thermal sensors 40, 40 ' can be determined for different RF powers, gas flows, etc., a local temperature of the electrodes 4, 5 as a function of the power of the temperature control device 27, 29, 30. Based on such measurements, the instantaneous temperature control, if necessary, the geometric design of the
  • Temperature control devices 27, 29, 30 are optimized. Furthermore, measured values of the thermal sensors 40, 40 'can be obtained during the plasma treatment and used for a process-accompanying control of the power of the temperature control devices 27, 29, 30.
  • the tempering of the temperature control means 29, 30, optionally also the temperature control 27 is designed to set a temperature difference T rs - T vs > 0.5 K, where T rs a mean temperature of the back surface of the substrate 2 and T vs a mean temperature of the front surface of the Substrate 2 denotes.
  • the temperature control of the temperature control is designed for plasma treatment at a temperature T rs between 120 ° C and 300 ° C and / or a temperature T vs between 20 ° C and 100 ° C and / or at a temperature T G between 20 ° C and 300 ° C and / or a temperature T E between 20 ° C and 100 ° C, wherein T G denotes a mean temperature of the counter electrode and T E is an average temperature of the electrode. It is understood that when designing the temperature control parameters such as plasma power, distance from the electrode and
  • Counter electrode or distance gas outlet plate and front surface of the substrate thermal coupling between the temperature control and back surface of the substrate, reaction gases, process gases, specifications of the process temperature, etc. are to be considered in a professional manner.
  • the device further comprises means for imparting edge sides of the substrate 2 with a force for generating a force holding the substrate 2 with its rear side surface against the support surface 5a.
  • the counterelectrode 5 has on its side facing the electrode 4 a device 21 for holding the substrate 2.
  • the device 21, which is preferably designed as a fixing device, comprises one or more retaining means a plurality of hold-downs 31, which can press the substrate 2 on the edge surface on the support surface 5a acting surface of the counter electrode 5.
  • the holding means may be formed finger-like or frame-like. In particular, the
  • Holding means mechanically connected to the counter electrode 3, but at the same time be electrically and / or thermally insulated from this.
  • FIG. 2 shows, in schematic illustrations, a section through a flat substrate 50 with a front side 55, a back side 60 and edge sides 65, which are located on one side
  • Support surface 5a is located, the temperature difference between the front 55 and
  • Edge sides 65, the substrate 50 can be pressed against the support surface 5a in the subfigure.
  • the support surface is tempered, for example, to an average temperature TA in a range between 20 ° C and 300 ° C and thus brought to the support surface pressed back surface of the substrate to a corresponding temperature.
  • the process can produce layers with a lateral homogeneity of less than 1%.
  • T RS a temperature difference between 0.5 K and 1, 0 K set, where T RS is a mean temperature of
  • Rear side surface of the substrate and T V s denotes an average temperature of the front surface of the substrate.
  • the plasma treatment is carried out in particular at a Temperature T RS between 120 ° C and 300 ° C and / or a temperature T V s between 20 ° C and 100 ° C.
  • the plasma treatment is carried out in particular at a temperature T G between 20 ° C and 300 ° C and / or a temperature T E between 20 ° C and 100 ° C, where TG denotes a mean temperature of the counter electrode and T E is an average temperature of the electrode ,

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Abstract

Das Verfahren zur Plasmabehandlung eines flachen Substrats, wobei das Substrat zwischen einer Elektrode einer planen Aufladefläche, die einer Gegenelektrode zugeordnet ist, angeordnet wird und dabei mit seiner Vorderseite der Elektrode und mit seiner Rückseite der Auflagefläche zugewandt ist, zeichnet sich aus durch - Haltern des Substrats an der Auflagefläche - thermisches Erzeugen einer mechanischen Vorspannung im Substrat, die einer aus Richtung der Elektrode gesehen konkaven Wölbung des Substrats mit von der Auflagefläche beabstandeten Randseiten des Substrats entspricht mittels Temperierung von Vorderseite und/ oder Rückseite des Substrats - Beaufschlagen der Randseiten mit lokalen Kräften zum Erreichen eines flachen Anliegen der Rückseitenfläche des Substrats an der Auflagefläche mittels zumindest eines Niederhalters - Anregung der Plasmaentladung mittels einer HF-Spannung. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Plasmabehandlung eines flachen Substrats, wobei das Substrat zwischen einer Elektrode einer planen Aufladefläche, die einer Gegenelektrode zugeordnet ist, angeordnet werden kann und dabei mit seiner Vorderseite der Elektrode und mit seiner Rückseite der Auflagefläche zugewandt ist, welche sich auszeichnet durch - Mitteln zum Haltern des Substrats an der Auflagefläche - einer Einrichtung zum thermischen Erzeugen einer mechanischen Vorspannung im Substrat, die einer aus Richtung der Elektrode gesehen konkaven Wölbung des Substrats mit von der Auflagefläche beabstandeten Randseiten des Substrats entspricht mittels Temperierung von Vorderseite und/ oder Rückseite des Substrats - Mitteln zum Beaufschlagen der Randseiten mit lokalen Kräften zum Erreichen eines flachen Anliegen der Rückseitenfläche des Substrats an der Auflagefläche mittels zumindest eines Niederhalters Mitteln zur Anregung der Plasmaentladung mittels einer HF-Spannung.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Plasmabehandlung flacher Substrate
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Plasmabehandlung eines flachen Substrats, jeweils nach dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
Eine Vorrichtung zur Plasmabehandlung flacher Substrate ist beispielsweise aus der EP 2 147 452 bekannt, wobei ein Plasma zwischen einer Elektrode und einer Gegenelektrode erzeugt wird, zwischen die das zu behandelnde Substrat eingebracht wird. Über einen in die Elektrode integrierten Gasverteiler wird Reaktionsgas zwischen Elektrode und
Gegenelektrode zugeführt, wobei der Gasverteiler eine Gasaustrittsplatte mit einer
Vielzahl von Gasaustrittsöffnungen aufweist, damit das Reaktionsgas gleichmäßig den Bereich der zu behandelnden Substratoberfläche beaufschlagen kann. Um eine
ausreichende Homogenität einer Beschichtung für Anwendungen, wie beispielsweise den Bereich der Herstellung photovoltaischer amorpher oder mikrokristalliner Siliziumschichten zu gewährleisten, ist es wichtig, auch bei großen Substratflächen von beispielsweise mehr als 1 m2 den Abstand zwischen der Oberfläche des Substrats und der Elektrode auch während der Plasmabehandlung mit nur geringen Toleranzen konstant zu halten, beispielsweise auf einem Wert von 10 mm +/- 1 mm. Um beispielsweise bei einer
Beschichtung eines Substrats homogene Beschichtungsparameter in
Schichtwachstumsrichtung zu gewährleisten, muss das Substrat während der
Beschichtung für ausreichend lange Zeitintervalle auf einer möglichst konstante
Temperatur gehalten werden, da die Schichteigenschaften abhängig von der
Beschichtungstemperatur sind.
Um, wie es grundsätzlich wünschenswert ist, hohe Beschichtungsraten zu erreichen, sind hohe Plasmaleistungen erforderlich, die zu einer beträchtlichen Erhöhung der Temperatur während des Beschichtungsprozesses führen können. Erhöhte Temperaturen während der Plasmabehandlung können zu einer Verbiegung des Substrats führen, wodurch es insbesondere bei geringen Abständen zwischen Substratoberfläche und Elektrode zu einer ungleichmäßig dicken Plasmaschicht und damit zu Inhomogenitäten sowie zu einem Bruch des Substrats bei der Plasmabehandlung kommen kann. Zur Lösung dieses
Problems ist bereits in der JP 2005123339 A vorgeschlagen worden, eine gekühlte
Elektrode zu verwenden, mit der insbesondere die Deformation eines großflächigen Substrats und eines Plasma-CVDE-Prozesses kontrolliert werden kann.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Qualität einer Plasmabehandelten Substratoberfläche zu erreichen.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstände der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Plasmabehandlung eines flachen Substrats, wobei das Substrat zwischen einer Elektrode einer planen Aufladefläche, die einer
Gegenelektrode zugeordnet ist, angeordnet wird und dabei mit seiner Vorderseite der Elektrode und mit seiner Rückseite der Auflagefläche zugewandt ist, zeichnet sich aus, durch
- Haltern des Substrats an der Auflagefläche
- thermisches Erzeugen einer mechanischen Vorspannung im Substrat, die einer aus Richtung der Elektrode gesehen konkaven Wölbung des Substrats mit von der Auflagefläche beabstandeten Randseiten des Substrats entspricht mittels Temperierung von Vorderseite und/ oder Rückseite des Substrats
- Beaufschlagen der Randseiten mit lokalen Kräften zum Erreichen eines flachen Anliegen der Rückseitenfläche des Substrats an der Auflagefläche mittels zumindest eines Niederhalters
- Anregung der Plasmaentladung mittels einer HF-Spannung.
Die flachen Substrate sind vorzugsweise aus einem Glas-, Metall- , Kunststoff- oder Keramikmaterial. Es versteht sich, dass auch auf irgendeine Weise vorbehandelte
Substrate von der Erfindung umfasst werden. Typischerweise bilden Elektrode und Gegenelektrode Platten eines Parallelplattenreaktors. Als HF- Spannung wird
Wechselspannung mit zuminderst einer Frequenzkomponente in einem Bereich zwischen 1 MHz (Mega- Hertz) und 200 MHz an die die Elektrode und Gegenelektrode angelegt. Als Gegenelektrode wird im Folgenden die Elektrode bezeichnet, die der bei der
Plasmabehandlung nicht dem Plasma ausgesetzte Seite des flachen Substrats
zugeordnet ist, unabhängig davon ob diese Elektrode, wie üblich mit der elektrischen Masse verbunden ist oder nicht. Als mittlere Temperatur wird eine über die jeweilige Fläche arithmetisch gemittelte Temperatur über eine Zeitintervall von zumindest 60sec verstanden.
Durch die erfindungsgemäße Einstellung einer erhöhten Temperatur der Rückseitenfläche des Substrats gegenüber der Vorderseitenfläche des Substrats kann eine Wölbung des Substrats während der Plasmabehandlung kontrolliert werden, da die auf die
Substratvorderseite bzw. -rückseite wirkende Gesamtleistung gleich oder annähernd gleich gehalten werden kann. Bei der Einstellung der Temperatur von Vorderseitenfläche und Rückseitenfläche wird berücksichtigt, dass die auf die Vorderseitenfläche einwirkende Leistung bestimmt wird durch die thermische Strahlungsleistung der Elektrode sowie der Plasmaleistung während der Plasmabehandlung, während die auf die Rückseitenfläche einwirkende Leistung allein durch die thermische Kopplung des Substrats mit den
Temperiermitteln im Bereich der Gegenelektrode bestimmt wird. Die Leistungsaufnahme auf der Rückseitenfläche hängt dabei hauptsächlich von der thermischen
Strahlungsleistung der Temperiermittel sowie einer thermischen Kopplung mittels Fluide im Bereich zwischen Rückseitenfläche und Temperiermitteln ab. Für hohe Prozessstabilität ist es vorteilhaft, wenn die Leistungsaufnahme bzw. Temperatur der Temperiermittel geregelt wird.
Die mechanische Vorspannung im Substrat kann durch Einstellen unterschiedlicher Temperaturen auf der Vorderseiten- bzw. Rückseitenfläche des Substrats erreicht werden, da sich dann die Vorderseitenfläche gegenüber der Rückseitenfläche des Substrats lateral weniger stark ausdehnt, was bei einer gegenüber der Vorderseitenfläche erhöhten
Temperatur der Rückseitenfläche des Substrats zu einer konkaven Wölbung des
Substrats, aus Richtung der Elektrode gesehen, führt, falls dem nicht durch entsprechende Massnahmen entgegengewirkt wird. Die Randseiten des Substrats haben dann einen größeren Abstand zur Auflagefläche als näher zum Zentrum des Substrats hin liegenden Bereiche. Werden die Randseiten des Substrats mit einer Kraft beaufschlagt, werden die Randseiten zur Auflagefläche hin angenähert. Erfindungsgemäß dient das Beaufschlagen der Randseiten zum Erzeugen einer das Substrat mit seiner Rückseitenfläche gegen die Auflagenfläche haltenden Kraft, wobei dies zu einem weitgehend flachen Aufliegen des Substrats auf der Auflagenfläche führt und die thermisch erzeugte mechanische
Vorspannung im Substrat die Andruckkraft gegen die Auflagefläche erhöht.
Erfindungsgemäß erfolgt ein Fixieren des Substrats in den Bereichen der Randseiten, mit dem das Substrat auf der Auflagefläche gehalten wird, wobei vorteilhafterweise den Randseiten des Substrats zugeordnete Niederhalter verwendet werden mit denen die Substratränder niedergedrückt werden. Dadurch wird einerseits sichergestellt, dass die Scheibe nicht verbogen wird; andererseits wird gewährleistet, dass zwischen Substrat und Auflagefläche ein guter thermischer und mechanischer Kontakt besteht. In einer weiteren Ausführungsform erfolgt ein Zulassen einer seitlichen Ausdehnung des Substrats nach Beaufschlagen der Randseiten mittels den lokalen Kräften mittels des zumindest einen Niederhalters um die mechanische Belastung des Substrats, insbesondere durch an den Randseiten angreifende Spannkräfte gering zu halten und den Bruch des Substrats während der Plasmabehandlung zu vermeiden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird mittels der Temperiermittel eine Temperaturdifferenz TRS - TVs größer 0,5 K eingestellt, wobei TRS eine mittlere Temperatur der Rückseitenfläche des Substrats und TVs eine mittlere Temperatur der
Vorderseitenfläche des Substrats bezeichnet. Als mittlere Temperatur wird hier eine über zumindest 80 % der Rückseitenfläche bzw. Vorderseitenfläche des Substrats
vorgenommene arithmetische Mittelung verstanden. Es versteht sich, dass auch
Temperaturdifferenzen TRS - TVs von 1 ,0 K, 1 ,5 K, 2,0 K, 2,5 K, 3, OK oder mehr eingestellt werden können und dass die gewählte Temperaturdifferenz TRS - TVs vom
Substratmaterial, der Substratdicke, der lateralen Ausdehnung des Substrats, seiner Bruchfestigkeit und anderen Parametern abhängig ist, die vom Fachmann ohne weiteres ermittelt werden können. Die Temperaturdifferenz wird so gewählt, das die thermisch erzeugte mechanische Vorspannung das Substrat flach gegen die Auflagefläche presst ohne das dass Subtstrat während der Plasmabehandlung einem Bruch unterliegt. Für ein für typisches Substrat für photovoltaische Anwendungen mit einer Größe von 1 m2 ist eine Temperaturdifferenz T^ - Tvs mit 3, OK > T^ - Tvs >0,5K bevorzugt.
Wenn die Plasmabehandlung bei einer Temperatur TRS zwischen 20°C (vorzugsweise 120°C) und 300°C und/oder einer Temperatur TVs zwischen 20°C und 300°C
(vorzugsweise 100°C) erfolgt, kann die thermische Belastung des Substrats gering gehalten und beispielsweise sowohl mikrokristallines als auch amorphes Silizium in einem PECVD-Prozess abgeschieden werden. Wird ferner die Plasmabehandlung bei einer Temperatur TG zwischen 20°C und 300°C und/oder einer Temperatur TE zwischen 20°C und 300AC (vorzugsweise 100°C) durchgeführt, kann eine vorteilhafte Temperatur der Vorder- bzw. Rückseitenfläche des Substrats, insbesondere eine Temperaturdifferenz Trs - Tvs mit 3, OK > Trs - Tvs >0,5K eingestellt werden. TG bezeichnet hier eine mittlere Temperatur der Gegenelektrode und TE eine mittlere Temperatur der Elektrode.
Wenn die Auflagefläche auf eine mittlere Temperatur TA in einem Bereich zwischen 20°C und 300°C temperiert wird kann damit die an die Auflagefläche gedrückte
Rückseitenfläche des Substrats auf eine entsprechende Temperatur gebracht werden.
Eine weitere Ausbildungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass in den Bereich zwischen Rückseitenfläche des Substrats und Auflagefläche Wasserstoff- und/oder Heliumgas mit einem Prozesspartialdruck zwischen 0,1 mbar und 250 mbar, bevorzugt 20 mbar eingeleitet wird, womit eine hohe thermische Kopplung zwischen Substrat und Auflagefläche erreicht werden kann.
Eine weitere Ausbildungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zur
Plasmabehandlung an Elektrode und Gegenelektrode eine HF-Leistung in einem Bereich zwischen 0,1 kW/m2 und 20 kW/m2 angelegt wird, womit eine Plasmabehandlung zur Herstellung von amorphen oder mikrokristallinen, N- oder P- oder intrinsischen Silizium- Dünnschichten möglich ist.
Bei der erfinundungsgemäße Vorrichtung zur Plasmabehandlung eines flachen Substrats, wobei das Substrat zwischen einer Elektrode einer planen Aufladefläche, die einer Gegenelektrode zugeordnet ist, angeordnet werden kann und dabei mit seiner Vorderseite der Elektrode und mit seiner Rückseite der Auflagefläche zugewandt ist, sind vorgesehen
- Mittel zum Haltern des Substrats an der Auflagefläche
- eine Einrichtung zum thermischen Erzeugen einer mechanischen Vorspannung im Substrat, die einer aus Richtung der Elektrode gesehen konkaven Wölbung des Substrats mit von der Auflagefläche beabstandeten Randseiten des Substrats entspricht mittels Temperierung von Vorderseite und/ oder Rückseite des Substrats
- Mittel zum Beaufschlagen der Randseiten mit lokalen Kräften zum Erreichen eines flachen Anliegen der Rückseitenfläche des Substrats an der
Auflagefläche mittels zumindest eines Niederhalters
- Mittel zur Anregung der Plasmaentladung mittels einer HF-Spannung.
Die Halterungsmittel können fingerartig oder rahmenartig ausgebildet sein. Insbesondere können die Halterungsmittel mechanisch mit der Gegenelektrode verbunden, gleichzeitig aber elektrisch und/oder thermisch von dieser isoliert sein. Ferner können die
Halterungsmittel als Niederhalter ausgebildet sein und das Beaufschlagen der Randseiten mit lokalen Kräften zum Erreichen eines flachen Anliegen der Rückseitenfläche des Substrats an der Auflagefläche ermöglichen und durchführen.
In einer weiteren Ausführungsform derErfindung ist eine Ausbildung des zumindest einen Niederhalters, welche eine seitliche Ausdehnung des Substrats nach Beaufschlagen der Randseiten mittels lokalen Kräften mittels des zumindest einen Niederhalters zulässt, vorgesehen. Der Niederhalter kann dazu eine, vorzugsweise elastische Federung aufweisen oder mit Spiel gegenüber den Seitenrändern in einem Niedertemperaturbereich (beispielsweise 20°C) des Substrats ausgelegt sein.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindungs ist eine Ausbildung der Mittel zur Halterung des Substrats vorgesehen, welche während der Plasmabehandlung eine Orientierung des Substrats mit einem Winkel zur Senkrechten in einem Bereich zwischen 3° und 30° mit der Vorderseitenfläche nach unten vorsehen. Damit wird eine hohe
Schichtqualität durch Vermeidung von Kontamination der Substratoberfläche mit während der Beschichtung erzeugten Partikel zu gewährleistet, da diese Partikel durch die
Schwerkraft von der Substratoberfläche wegorientiert werden.
Die Kombination der Merkmale
- Einrichtung zum thermischen Erzeugen einer mechanischen Vorspannung im Substrat, die einer aus Richtung der Elektrode gesehen konkaven
Wölbung des Substrats mit von der Auflagefläche beabstandeten Randseiten des Substrats entspricht mittels Temperierung von Vorderseite und/ oder Rückseite des Substrats
- Mittel zum Beaufschlagen der Randseiten mit lokalen Kräften zum Erreichen eines flachen Anliegen der Rückseitenfläche des Substrats an der
Auflagefläche mittels zumindest eines Niederhalters
mit einer Orientierung des Substrats mit einem Winkel zur Senkrechten in einem Bereich zwischen 3° und 30° mit der Vorderseitenfläche nach unten ermöglicht ein Durchhängen des Substrats zu verhindern und gleichzeitig eine hohe Schichtqualität durch Vermeidung von Kontamination der Substratoberfläche mit während der Beschichtung erzeugten Partikel zu gewährleisten.
Mittels im Bereich der Gegenelektrode angeordneten Temperiermitteln sind während der Plasmabehandlung zumindest 80% der Rückseitenfläche des Substrats auf eine gegenüber der Vorderseitenfläche des Substrats erhöhte mittlere Temperatur bringbar ist.
Es versteht sich, dass bei der Auslegung der im Bereich der Gegenelektrode
angeordneten Temperiermittel verschiedene Parameter der Plasmabehandlung zu berücksichtigen sind, insbesondere die Fläche von Elektrode und Gegenelektrode, die an Elektrode und Gegenelektrode angelegte HF-Leistung, die Gesamtleistungsaufnahme des Substrats und seiner Vorderseitenfläche, die vom Fachmann mit ihm geläufigen Methoden, beispielsweise experimentell, durch Simulation und / oder theoretische Berechnungen berücksichtigt werden können. Die erfindungsgemäße Auslegung der Temperiermittel erlaubt es, eine Wölbung des Substrats während der Plasmabehandlung zu kontrollieren, wie bereits weiter oben beschrieben.
Eine weitere Ausbildungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die
Temperierleistung der Temperiermittel ausgelegt ist zum thermischen Erzeugen einer mechanischen Vorspannung im Substrat, die einer aus Richtung der Elektrode gesehen konkaven Wölbung des Substrats entspricht.
Bei einer derartigen Auslegung der Temperierleistung der Temperiermittel muss eine gewisse minimale Temperaturdifferenz zwischen Rückseitenfläche des Substrats und Vorderseitenfläche des Substrats gewährleistet sein, die vom Fachmann experimentell, durch Simulation und / oder theoretische Rechnung bestimmt werden kann.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass Mittel zum Beaufschlagen von Randseiten des Substrats mit einer Kraft zum Erzeugen einer das Substrat mit seiner Rückseitenfläche gegen die Auflagenfläche haltenden Kraft vorgesehen sind, wobei eine präzise Positionierung des Substrats und damit auch bei großflächigen Substraten ein weitgehend gleicher Abstand zwischen
Substratvorderseitenfläche und der Elektrodenfläche erreicht werden kann, da das Substrat flach auf der Auflagenfläche aufliegt.
Mit zusätzlich im Bereich der Elektrode angeordneten Temperiermitteln kann eine genauere Einstellung der Gesamtleistungsaufnahme des Substrats während der
Plasmabehandlung erreicht werden.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass mittels der im Bereich der Gegenelektrode angeordneten Temperiermittel die Auflagefläche temperierbar ist, womit auf besonders einfache Weise thermische Leistung über die Rückseitenfläche des Substrats in das Substrat eingekoppelt werden kann. Zusätzlich oder alternativ kann auch mittels von im Bereich der Elektrode angeordneten
Temperiermittel ein im Bereich zwischen Elektrode und Gegenelektrode angeordneter Gasverteiler temperierbar sein, womit die thermische Leistungsaufnahme des Substrats auf der Substratvorderseite beeinflusst werden und eine hohe Stabilität des Gasverteilers gegen thermisch bedingte Deformationen erreicht werden kann.
Vorzugsweise sind die Temperiermittel mit Kanälen versehen, durch die eine Temperierflüssigkeit, vorzugsweise ein Ölfluid strömen kann. Die Temperiermittel, beispielsweise der Elektrode und/oder Gegenelektrode zugeordnet, werden
vorteilhafterweise gesteuert oder geregelt betrieben, beispielsweise mit Hilfe der in einem Kreislauf zirkulierenden Temperierflüssigkeit. Bevorzugt werden dabei Wärmeträgeröle verwendet, die beispielsweise durch außerhalb der Prozesskammer befindliche
Umwälzthermostate auf konstante Temperatur gehalten werden.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die
Temperierleistung der Temperiermittel ausgelegt ist zur Einstellung einer
Temperaturdifferenz 3,0K > Trs - Tvs >0,5 K, wobei Trs eine mittlere Temperatur der Rückseitenfläche des Substrats und Tvs eine mittlere Temperatur der Vorderseitenfläche des Substrats bezeichnet.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die
Temperierleistung der Temperiermittel ausgelegt ist zur Plasmabehandlung bei einer Temperatur T^ zwischen 20°C und 300°C und/oder einer Termperatur Tvs zwischen 20°C und 300°C und/oder bei einer Temperatur TG zwischen 20°C und 300°C und/oder einer Temperatur TE zwischen 20°C und 100°C erfolgt, wobei TG eine mittlere Temperatur der Gegenelektrode und TE eine mittlere Temperatur der Elektrode bezeichnet.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass dann eine weitere elektrische Leistungsversorgung vorgesehen ist, mittels der an Elektrode und
Gegenelektrode eine HF-Leistung in einem Bereich zwischen 0,1 kW/m2 und 20 kW/m2 angelegt werden kann.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die
Auflagefläche in einen Bereich von zumindest 80% einer Rauheit Ra und/oder eine Welligkeit aufweist, womit, insbesondere bei in den Bereich zwischen Rückseitenfläche des Substrats und der Auflagefläche eingeleiteten Wasserstoff- und/oder Heliumgas, vorzugsweise jeweils bei einem Prozesspartialdruck zwischen 0,1 mbar und 250 mbar eine effektive thermische Kopplung zwischen Substrat und Auflagefläche erreicht werden kann.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert, woraus weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung auch unabhängig von den Patentansprüchen erkennbar sind. Dabei zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäß zu reinigende Vorrichtung zur Plasmabehandlung eines Substrats
Fig. 2 einen Schnitt durch ein flaches Substrat bei unterschiedlichen Temperaturen von Vorder- und Rückseite.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer als Reaktor 1 ausgebildeten Vorrichtung zur Behandlung flacher Substrate 2. Der Reaktor kann insbesondere als PECVD-Reaktor ausgestaltet sein. Der Reaktor 1 umfasst eine Prozesskammer 3 mit einer Elektrode 4 und einer Gegenelektrode 5 zur Erzeugung eines Plasmas, mit dessen Hilfe eine Oberfläche eines Substrats 2 behandelt, insbesondere beschichtet werden kann. Die Elektroden 4, 5 sind als großflächige Metallplatten ausgebildet und können zur Erzeugung eines elektrischen Feldes an eine (in Figur 1 nicht dargestellte) Spannungsquelle, vorzugsweise eine Hochfrequenz- Versorgungsquelle mit einer Anregungsfrequenz zwischen 1 mHz und 200 MHz, vorzugsweise 13,56 MHz, angeschlossen werden. Insbesondere kann eine HF- Leistung in einem Bereich zwischen 0,1 kW/m2 und 20 kW/m2 an die Elektroden 4, 5 angelegt werden. Das Substrat 2 ist vorzugsweise, wie in der EP 2 147 452 A1
beschrieben, während der Plasmabehandlung mit einem Winkel zur Senkrechten in einem Bereich zwischen 3° und 30° mit der zu beschichtenden Oberfläche (Vorderseitenfläche) nach unten orientiert an der Gegenelektrode gehaltert.
Der Reaktor 1 ist ausgelegt zur Behandlung großflächiger flacher Substrate,
beispielsweise mit einer Fläche von 1 m2 oder größer. Insbesondere eignet sich der Reaktor 1 zur Durchführung von Bearbeitungsschritten bei der Herstellung von
hocheffizienten Dünnschichtsolarmodulen, beispielsweise für amorphe oder
mikrokristalline Silizium-Dünnschicht-Solarzellen.
Wie aus Figur 1 ersichtlich, bilden die beiden Elektroden 4, 5 zwei gegenüberliegende Wände der Prozesskammer 3. Die Prozesskammer 3 ist in einer Vakuumkammer 7 mit einem evakuierbaren Gehäuse 8 angeordnet, das eine Öffnung 10 zum Ein- und
Ausschleusen von Substraten aufweist. Die Kammeröffnung 10 ist durch eine
Verschlussvorrichtung 9 vakuumdicht verschließbar. Zur Abdichtung der Vakuumkammer 7 gegenüber dem Außenraum 12 sind Dichtungen 11 vorgesehen. Dabei sind die
Dichtungen vorzugsweise dazu aus einem fluorresistenten Material ausgebildet. Die Vakuumkammer 7 kann eine beliebige Raumform aufweisen und kann insbesondere einen runden oder rechteckigen Querschnitt haben. Die in die Vakuumkammer 7 eingebettete Prozesskammer 3 kann insbesondere die Form einer flachen Zylinderscheibe oder eines flachen Quaders haben. Es versteht sich, dass die Erfindung auch bei anders
ausgestalteten Reaktoren, insbesondere mit einer anderen Prozesskammer - und/ oder Elektrodengeometrie eingesetzt werden kann. Ebenso versteht es sich, dass auch
Ausführungsformen, bei denen die Prozesskammer selbst eine Vakuumkammer ist, von der Erfindung umfasst sind.
Die Elektrode 4 ist in einer Haltestruktur 37 in der Vakuumkammer 7 angeordnet, die im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 von der Gehäuserückwand 19 gebildet ist. Dazu ist die Elektrode 4 in einer Ausnehmung 38 der Gehäuserückwand 19 untergebracht und von dieser durch ein Dielektrikum 20 getrennt.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, deckt die Gegenelektrode 5 während der Durchführung der Behandlung die Ausnehmung 38 der Haltestruktur 37 in einer solchen Weise ab, dass zwischen dem Randbereich 23 der Gegenelektrode 5 und einem Randbereich 24 der Ausnehmung 38 ein Spalt 25 gebildet wird. Der Spalt 25 hat eine Breite von der
Größenordnung von etwa 1 mm. Die Spaltbreite ist in eine solchen Weise dimensioniert, dass einerseits während der Durchführung der Behandlung ein Plasma im Inneren der Prozesskammer 3 gehalten werden kann, andererseits aber zwischen der Prozesskammer 3 und dem übrigen Innenraum der Vakuumkammer 7 kein allzu großes Druckgefälle aufgebaut wird.
Zum Beschichten, Modifizieren oder Ätzen der Substrate, wird ein Reaktivgas,
gegebenenfalls n- oder p-dotierend, in die Prozesskammer 3 geleitet. Hierzu wird das Reaktivgas aus einer Quelle über einen Zuführungskanal 13 einem Gasverteiler 15 zugeführt, von dem aus es in die Prozesskammer 3 einströmt. Der Gasverteiler 15 im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst einen Gasraum 16, der an der der
Gegenelektrode 5 zugewandten Seite eine Gasaustrittsplatte 17 aufweist, die mit einer Vielzahl von Austrittsöffnungen (nicht dargestellt) zur Gasdurchführung versehen ist. Auf einer Fläche von etwa 1 ,0 m2 - 2,0 m2 der Gasaustrittsplatte 17 sind typischerweise mehrere Tausend Austrittsöffnungen vorgesehen.
In der Vorrichtung der Figur 1 wird das Substrat 2 während der Plasmabehandlung auf einer insbesondere planen Substrat - Auflagefläche 5a angeordnet. Vorzugsweise ist die Auflagefläche 5a in die Gegenelektrode 5 integriert, beispielsweise eine Metallfläche auf der das Substrat während der Plasmabehandlung aufliegt. Es erfolgt dabei insbesondere ein Abdecken der Substrat - Auflagefläche durch das Substrat, so dass diese bei der Plasmabehandlung nicht kontaminiert wird. Insbesondere kann die Abdeckung durch das Substrat 2 derart erfolgen, dass während der Plasmabehandlung die Bildung eines Rückstandes auf der Substrat-Auflagefläche 5a verhindert wird. In einer abweichend von der Figur 1 ausgebildeten Ausbildungsform der Erfindung weist die Gegenelektrode 5 keine oder nur geringfügig über den Bereich der Gasdusche hinausgehenden Endbereiche 23 auf. Zur Erreichung einer möglichst hohen thermischen Kopplung zwischen einem auf der Auflagefläche 5a angeordneten Substrat und der Auflagefläche 5a ist für deren
Rauhigkeit ein optimaler, geeigneter Wert Ra und eine optimaler, geeigneter Welligkeit vorgesehen ist.
Der Reaktor weist im Bereich der Gegenelektrode angeordnete Temperiermittel auf, mittels denen während der Plasmabehandlung zumindest 80% der Rückseitenfläche des Substrats auf eine gegenüber der Vorderseitenfläche des Substrats erhöhte mittlere Temperatur bringbar ist.
Erfindungsgemäß sind also im Reaktor 1 Temperiermittel 27, 29, 30 vorgesehen. Mit Hilfe dieser Mittel 27, 29, 30 wird während der Plasmabehandlung die thermische
Energiezufuhr zur Gegenelektrode 5 und/oder zur Auflagefläche 5a gesteuert oder geregelt.
Dabei ist die Temperierleistung der Temperiermittel 27, 29, 30ausgelegt zum thermischen Erzeugen einer mechanischen Vorspannung im Substrat, die einer aus Richtung der Elektrode 4 gesehen konkaven Wölbung des Substrats 2 entspricht.
In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind der Gegenelektrode 5 zugeordnete
Temperiermittel vorgesehen, die eine Vorrichtung 29 umfassen, die unterhalb der
Gegenelektrode 5 in der Vakuumkammer 7 angeordnet ist und eine Temperierung der Auflagefläche 5a erlaubt. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine in die Gegenelektrode 5 oder Auflagefläche 5a integrierte Vorrichtung 30 vorgesehen sein. Die Gegenelektrode 5 und insbesondere die Auflagefläche 5a kann dadurch temperiert werden, dass eine Temperierflüssigkeit durch Kanäle (nicht dargestellt) in der Gegenelektrode 5 oder der Auflagefläche 5a zirkuliert.
Zudem kann auch die Gasaustrittsplatte 17 temperiert werden. Dazu kann die
Gasaustrittsplatte 17 mit Hilfe von Stegen 35 mit der Elektrode 4 verbunden sein, die aus einem Werkstoff mit hoher thermischer Leitfähigkeit bestehen, so dass die
Gasaustrittsplatte 17 thermisch an die Elektrode 4 angebunden ist. Die Elektrode 4 (und somit auch der Gasaustrittsplatte 17) kann dadurch temperiert werden, dass eine Temperierflüssigkeit durch Kanäle 36 in der Elektrode 4 zirkuliert. Die Temperierung der Elektrode 4 kann gesteuert oder geregelt erfolgen. Insbesondere können im Bereich der Gasaustrittsplatte 17 Thermosensoren 40' angeordnet sein, deren Messwerte zur
Regelung des Temperiermitteldurchflusses durch die Elektrode 4 verwendet werden.
Um die benötigten Temperierleistung der Vorrichtungen 27, 29 oder 30 zu ermitteln, können Messungen durchgeführt werden, bei denen die Elektroden 4, 5 auf ihren einander zugewandten Seiten mit Thermosensoren 40, 40' versehen sind. Mit Hilfe dieser
Thermosensoren 40, 40' kann für unterschiedliche HF-Leistungen, Gasflüsse etc. eine lokale Temperatur der Elektroden 4,5 als Funktion der Leistung der Temperiervorrichtung 27, 29, 30 ermittelt werden. Basierend auf solchen Messungen kann die momentane Temperierleistung, bedarfsweise auch die geometrische Gestaltung der
Temperiervorrichtungen 27, 29, 30 optimiert werden. Weiterhin können während der Plasmabehandlung Messwerte der Thermosensoren 40, 40' gewonnen und für eine prozessbegleitende Regelung der Leistung der Temperiervorrichtungen 27, 29, 30 verwendet werden.
Die Temperierleistung der Temperiermittel 29, 30, gegebenenfalls auch der Temperiermittel 27 ist ausgelegt zur Einstellung einer Temperaturdifferenz Trs- Tvs >0,5 K, wobei Trs eine mittlere Temperatur der Rückseitenfläche des Substrats 2 und Tvs eine mittlere Temperatur der Vorderseitenfläche des Substrats 2 bezeichnet. Ferner ist die Temperierleistung der Temperiermittel ausgelegt zur Plasmabehandlung bei einer Temperatur Trs zwischen 120°C und 300°C und/oder einer Termperatur Tvs zwischen 20°C und 100°C und/oder bei einer Temperatur TG zwischen 20°C und 300°C und/oder einer Temperatur TE zwischen 20°C und 100°C, wobei TG eine mittlere Temperatur der Gegenelektrode und TE eine mittlere Temperatur der Elektrode bezeichnet. Es versteht sich, dass bei Auslegung der Temperierleistung Parameter wie Plasmaleistung, Abstand von Elektrode und
Gegenelektrode bzw. Abstand Gasaustrittsplatte und Vorderseitenfläche des Substrats, thermische Kopplung zwischen den Temperiermitteln und Rückseitenfläche des Substrats, Reaktionsgase, Prozessgase, Vorgaben der Prozesstemperatur usw. in fachmännischer Weise zu berücksichtigen sind.
Die Vorrichtung weist ferner Mittel zum Beaufschlagen von Randseiten des Substrats 2 mit einer Kraft zum Erzeugen einer das Substrat 2 mit seiner Rückseitenfläche gegen die Auflagenfläche 5a haltenden Kraft auf. Die Gegenelektrode 5 weist auf ihrer der Elektrode 4 zugewandten Seite eine Vorrichtung 21 zur Halterung des Substrats 2 auf. Die bevorzugt als Fixiervorrichtung ausgebildete Vorrichtung 21 umfasst als Halterungsmittel einen oder mehrere Niederhalter 31 , die das Substrat 2 randseitig auf die Auflagefläche 5a fungierende Oberfläche der Gegenelektrode 5 pressen können. Die Halterungsmittel können fingerartig oder rahmenartig ausgebildet sein. Insbesondere können die
Halterungsmittel mechanisch mit der Gegenelektrode 3 verbunden, gleichzeitig aber elektrisch und/oder thermisch von dieser isoliert sein.
Figur 2 zeigt in schematischen Darstellungen einen Schnitt durch ein flaches Substrat 50 mit einer Vorderseite 55, einer Rückseite 60 sowie Randseiten 65, das auf einer
Auflagefläche 5a liegt, wobei die Temperaturdifferenz zwischen Vorderseite 55 und
Rückseite 60 in der oberen Teilfigur dT<0 und in der unteren Teilfigur dT> 0 beträgt und in der oberen Teilfigur eine konvexe Wölbung und in der unteren Teilfigur eine konkave Wölbung, jeweils von oben gesehen ausgebildet ist. Durch Beaufschlagung der
Randseiten 65, kann in der Teilfigur das Substrat 50 gegen die Auflagefläche 5a gepresst werden.
Bei der Plasmabehandlung erfolgen folgende Schritte:
- thermisches Erzeugen einer mechanischen Vorspannung im Substrat, die einer aus Richtung der Elektrode gesehen konkaven Wölbung des Substrats entspricht; vgl. Figur 2, untere Teilfigur, und
- Beaufschlagung von Randseiten des Substrats mit einer Kraft zum Erzeugen einer das Substrat mit seiner Rückseitenfläche gegen die Auflagenfläche haltenden Kraft.
Zur Erreichung einer hohen thermischen Kopplung wird in den Bereich zwischen
Rückseitenfläche des Substrats und Auflagefläche Wasserstoff- und/oder Heliumgas mit einem Prozessdruck zwischen 0,1 mbar und 250 mbar eingeleitet. Die Auflagefläche wird beispielsweise auf eine mittlere Temperatur TA in einem Bereich zwischen 20°C und 300°C temperiert und damit die an die Auflagefläche gedrückte Rückseitenfläche des Substrats auf eine entsprechende Temperatur gebracht. Mit dem Verfahren lassen sich Schichten mit eine laterale Homogenität von weniger als 1 % herstellen.
Mittels der Temperiermittel wird beispielsweise eine Temperaturdifferenz TRS - TVs zwischen 0,5 K und 1 ,0 K eingestellt, wobei TRS eine mittlere Temperatur der
Rückseitenfläche des Substrats und TVs eine mittlere Temperatur der Vorderseitenfläche des Substrats bezeichnet. Die Plasmabehandlung erfolgt insbesondere bei einer Temperatur TRS zwischen 120°C und 300°C und/oder einer Temperatur TVs zwischen 20°C und 100°C. Ferner erfolgt die Plasmabehandlung insbesondere bei einer Temperatur TG zwischen 20°C und 300°C und/oder einer Temperatur TE zwischen 20°C und 100°C, wobei TG eine mittlere Temperatur der Gegenelektrode und TE eine mittlere Temperatur der Elektrode bezeichnen.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Plasmabehandlung eines flachen Substrats, wobei das Substrat zwischen einer Elektrode einer planen Aufladefläche, die einer Gegenelektrode zugeordnet ist, angeordnet wird und dabei mit seiner Vorderseite der Elektrode und mit seiner Rückseite der Auflagefläche zugewandt ist, mit
- Haltern des Substrats an der Auflagefläche
- thermisches Erzeugen einer mechanischen Vorspannung im Substrat, die einer aus Richtung der Elektrode gesehen konkaven Wölbung des Substrats mit von der Auflagefläche beabstandeten Randseiten des Substrats entspricht mittels Temperierung von Vorderseite und/ oder Rückseite des Substrats
- Beaufschlagen der Randseiten mit lokalen Kräften zum Erreichen eines
flachen Anliegen der Rückseitenfläche des Substrats an der Auflagefläche mittels zumindest eines Niederhalters
- Anregung der Plasmaentladung mittels einer HF-Spannung.
Verfahren nach Anspruch 1 , gekennzeichnet, durch Zulassen einer seitlichen
Ausdehnung des Substrats nach Beaufschlagen der Randseiten mittels lokalen Kräften mittels des zumindest einen Niederhalters.
Verfahren zur Plasmabehandlung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Subststrat während der Plasmabehandlung mit einem Winkel in einem Bereich zwischen 3° und 30° zur Senkrechten gehaltert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmabehandlung bei einer Temperatur Trs zwischen 20°C und 300°C und/oder einer Termperatur Tvs zwischen 20°C und 300°C und/oder bei einer Temperatur TG zwischen 20°C und 300°C und/oder einer Temperatur TE zwischen 20°C und 300°C erfolgt, wobei TG eine mittlere Temperatur der Gegenelektrode und TE eine mittlere Temperatur der Elektrode bezeichnet und/oder die Auflagefläche auf eine mittlere Temperatur TA in einem Bereich zwischen 20°C und 300°C temperiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Temperiermittel eine Temperaturdifferenz Trs - Tvs mit 3, OK > Trs - Tvs >0,5K eingestellt wird, wobei Trs eine mittlere Temperatur der Rückseitenfläche des Substrats und Tvs eine mittlere Temperatur der Vorderseitenfläche des Substrats bezeichnet
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass in den Bereich zwischen Rückseitenfläche des Substrats und Auflagefläche ein Waserstoff- und/oder Heliumgas mit einem Prozesspartialdruck zwischen 0,1 mbar und 250 mbar eingeleitet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Plasmabehandlung an Elektrode und Gegenelektrode eine HF-Leistung in einem Bereich zwischen 0,1 kW/m2 und 20 kW/m2 angelegt wird.
8. Vorrichtung zur Plasmabehandlung eines flachen Substrats, wobei das Substrat
zwischen einer Elektrode einer planen Aufladefläche, die einer Gegenelektrode zugeordnet ist, angeordnet werden kann und dabei mit seiner Vorderseite der
Elektrode und mit seiner Rückseite der Auflagefläche zugewandt ist, mit
- Mitteln zum Haltern des Substrats an der Auflagefläche
- einer Einrichtung zum thermischen Erzeugen einer mechanischen Vorspannung im Substrat, die einer aus Richtung der Elektrode gesehen konkaven Wölbung des Substrats mit von der Auflagefläche beabstandeten Randseiten des Substrats entspricht mittels Temperierung von Vorderseite und/ oder Rückseite des Substrats
- Mitteln zum Beaufschlagen der Randseiten mit lokalen Kräften zum Erreichen eines flachen Anliegen der Rückseitenfläche des Substrats an der Auflagefläche mittels zumindest eines Niederhalters
- Mitteln zur Anregung der Plasmaentladung mittels einer HF-Spannung.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass im Bereich der Elektrode, Gegenelektrode und/oder der
Auflagefläche angeordnete Temperiermittel vorgesehen sind.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, gekennzeichnet durch eine Ausbildung des zumindest einen Niederhalters, welche eine seitliche Ausdehnung des Substrats nach Beaufschlagen der Randseiten mittels lokalen Kräften mittels des zumindest einen Niederhalters zulässt.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, gekennzeichnet durch Ausbildung der Mittel zur Halterung des Substrats, welche während der
Plasmabehandlung eine Orientierung des Substrats mit einem Winkel zur
Senkrechten in einem Bereich zwischen 3° und 30° mit der Vorderseitenfläche nach unten vorsehen.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass mittels von im Bereich der Gegenelektrode angeordneten Temperiermittel die Auflagefläche und/oder mittels von im Bereich der Elektrode angeordneten Temperiermittel ein im Bereich zwischen Elektrode (4) und
Gegenelektrode (5) angeordneter Gasverteiler temperierbar ist.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Temperiermittel von einer Temperierflüssigkeit
durchströmbare Kanäle aufweisen.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Temperierleistung der Temperiermittel ausgelegt ist zur Einstellung einer Temperaturdifferenz Trs - Tvs mit 3, OK > Trs - Tvs >0,5K, wobei Trs eine mittlere Temperatur der Rückseitenfläche des Substrats und Tvs eine mittlere Temperatur der Vorderseitenfläche des Substrats bezeichnet
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Temperierleistung der Temperiermittel ausgelegt ist zur Plasmabehandlung bei einer Temperatur Trs zwischen 20°C und 300°C und/oder einer Termperatur Tvs zwischen 20°C und 300°C und/oder bei einer Temperatur TG zwischen 20°C und 300°C und/oder einer Temperatur TE zwischen 20°C und 100°C, wobei TG eine mittlere Temperatur der Gegenelektrode und TE eine mittlere
Temperatur der Elektrode bezeichnet.
16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass eine elektrische Leistungsversorgung vorgesehen ist, mittels der an Elektrode und Gegenelektrode eine HF-Leistung in einem Bereich zwischen 0,1 kW/m2 und 20 kW/m2 angelegt werden kann.
PCT/EP2011/003516 2010-07-14 2011-07-14 Verfahren und vorrichtung zur plasmabehandlung flacher substrate Ceased WO2012007165A1 (de)

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DE201010027168 DE102010027168A1 (de) 2010-07-14 2010-07-14 Verfahren und Vorrichtung zur Plasmabehandlung flacher Substrate
DE102010027168.3 2010-07-14

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