GRABOSCH, Günter (Am Gabelacker 8, Frankfurt am Main, 60433, DE)
ZEUNER, Arndt (Drosselweg 9, Alzenau, 63755, DE)
MERZ, Thomas (Katharinenstr. 4, Aschaffenburg, 63743, DE)
BECKMANN, Rudolf (Am Katzengraben 35, Hammersbach, 63546, DE)
GEISLER, Michael (Triebstr. 63, Wächtersbach, 63607, DE)
GRABOSCH, Günter (Am Gabelacker 8, Frankfurt am Main, 60433, DE)
ZEUNER, Arndt (Drosselweg 9, Alzenau, 63755, DE)
MERZ, Thomas (Katharinenstr. 4, Aschaffenburg, 63743, DE)
BECKMANN, Rudolf (Am Katzengraben 35, Hammersbach, 63546, DE)
| 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. |
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 m 2 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 T RS - T V s größer 0,5 K eingestellt, wobei TRS eine mittlere Temperatur der Rückseitenfläche des Substrats und T V s 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 T RS - T V s 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 T RS - T V s 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^ - T vs mit 3, OK > T^ - T vs >0,5K bevorzugt.
Wenn die Plasmabehandlung bei einer Temperatur TRS zwischen 20°C (vorzugsweise 120°C) und 300°C und/oder einer Temperatur T V s 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 T G zwischen 20°C und 300°C und/oder einer Temperatur T E zwischen 20°C und 300 A C (vorzugsweise 100°C) durchgeführt, kann eine vorteilhafte Temperatur der Vorder- bzw. Rückseitenfläche des Substrats, insbesondere eine Temperaturdifferenz T rs - T vs mit 3, OK > T rs - T vs >0,5K eingestellt werden. TG bezeichnet hier eine mittlere Temperatur der Gegenelektrode und T E eine mittlere Temperatur der Elektrode.
Wenn die Auflagefläche auf eine mittlere Temperatur T A 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 > T rs - T vs >0,5 K, wobei T rs eine mittlere Temperatur der Rückseitenfläche des Substrats und T vs 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 T vs zwischen 20°C und 300°C und/oder bei einer Temperatur TG zwischen 20°C und 300°C und/oder einer Temperatur T E zwischen 20°C und 100°C erfolgt, wobei TG eine mittlere Temperatur der Gegenelektrode und T E 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 R a 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 R a 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 T rs - T vs >0,5 K, wobei T rs eine mittlere Temperatur der Rückseitenfläche des Substrats 2 und T vs eine mittlere Temperatur der Vorderseitenfläche des Substrats 2 bezeichnet. Ferner ist die Temperierleistung der Temperiermittel ausgelegt zur Plasmabehandlung bei einer Temperatur T rs zwischen 120°C und 300°C und/oder einer Termperatur T vs zwischen 20°C und 100°C und/oder bei einer Temperatur T G zwischen 20°C und 300°C und/oder einer Temperatur T E zwischen 20°C und 100°C, wobei T G eine mittlere Temperatur der Gegenelektrode und T E 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 T RS - T V s zwischen 0,5 K und 1 ,0 K eingestellt, wobei T RS eine mittlere Temperatur der
Rückseitenfläche des Substrats und T V s eine mittlere Temperatur der Vorderseitenfläche des Substrats bezeichnet. Die Plasmabehandlung erfolgt insbesondere bei einer Temperatur T RS zwischen 120°C und 300°C und/oder einer Temperatur T V s zwischen 20°C und 100°C. Ferner erfolgt die Plasmabehandlung insbesondere bei einer Temperatur T G zwischen 20°C und 300°C und/oder einer Temperatur T E zwischen 20°C und 100°C, wobei TG eine mittlere Temperatur der Gegenelektrode und T E eine mittlere Temperatur der Elektrode bezeichnen.