CN102459692B - 涂布设备和涂布方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及涂布设备，其包括至少一个可抽空的接收部，所述接收部用于接收基底；至少一个气体供应装置，其将至少一种气态前体引入到所述接收部中；以及至少一个活化装置，该活化装置包括至少一个可加热的活化部件，所述活化部件的末端被紧固到保持部件的紧固点处。并提供屏蔽部件，其至少保护所述紧固点至少部分地免受气态前体的作用。所述屏蔽部件具有带第一侧面和第二侧面的纵向区域，该第一侧面布置在所述保持部件上，在屏蔽部件的第二侧面上布置有闭合部件，该闭合部件具有至少一个出口端口。本发明的特征在于至少一个分隔部布置在所述屏蔽部件内部并将所述屏蔽部件的内部空间分隔为第一子空间和第二子空间。

Description

涂布设备和涂布方法
技术领域
本发明涉及涂布设备，其包括：至少一个可抽空的接收部，该接收部用于接收基底；至少一个气体供应装置，通过该至少一个气体供应装置至少一种气态前体可以被引入所述接收部中；和至少一个活化装置，所述活化装置包括至少一个可加热的活化部件，所述活化部件的末端在紧固点处被紧固到保持部件，其中存在屏蔽部件，通过该屏蔽部件，至少所述紧固点可以至少部分地免受气态前体的作用，所述屏蔽部件为大致圆柱形的设计，并且在屏蔽部件的背对保持部件的侧面上设置有闭合部件，该闭合部件具有至少一个出口端口。本发明还涉及相应的涂布方法。
背景技术
所提及该类涂布设备根据现有技术是用于通过热线活化的化学蒸汽沉积(hot wire-activated chemical vapor deposition)来涂布基底。沉积的层可包括例如碳、硅或者锗。气态前体可以相应地包括例如甲烷、四氢化硅、单锗(monogermanium)、氨或者三甲基硅烷。
从P.A.Frigeri等人的“Hot Wire Chemical Vapour Deposition：Limits andOpportunity of protecting the tungsten catalyzer from silizide with a cavity”，Thin Solid Films Vol.517，Iss.12(2009)3427知晓活化部件的材料与前体的不期望的反应特别地发生在活化部件的相对冷的夹持点处。例如，硅烷化合物用作前体会导致在活化部件上形成硅化物相。这些硅化物相改变活化部件的电阻、表面质量和机械承载能力，因此，它通常必须在仅短暂的使用后进行更换。
为了解决该问题，所述现有技术提出通过具有4毫米直径和90毫米长度的圆柱形高级钢的部件保护用作活化部件的导线的夹持点周围的区域免遭前体的作用，活化部件的使用寿命因此得以延长。尽管该现有技术展现出了使用寿命的延长，但是在持续长时间的涂布方法过程中或者在一个紧接着下一个的多次较短时间的涂布方法中，这仍然是不够的。
发明内容
因此，本发明的目的是延长用于热线活化的化学蒸汽沉积的涂布设备中的活化部件的使用寿命。
根据本发明，所述目的通过根据权利要求1所述的涂布设备和根据权利要求11所述的涂布方法实现。
根据本发明，提出将待涂布的基底以本身已知的方法引入到可抽空的接收部中。在这种情况中，接收部由例如铝、高级钢、陶瓷和/或玻璃形成。至少一种气态前体在可预先确定的分压下经由至少一个气体供应装置被引入到接收部中。例如，前体可包括甲烷、硅烷、锗、氨、三甲基硅烷、氧和/或氢。
为了沉积层，布置在接收部内部空间中的活化部件被加热。特别地，活化部件的加热可以通过电子冲击加热或电阻加热进行。活化部件大致包括耐熔金属，例如示例性的钼、铌、钨或者钽，或者这些金属的合金。此外，活化部件可包括另外的化学元素，所述化学元素要么构成不可避免的杂质，要么作为合金成分，使得活化部件的属性适于期望的属性。活化部件可被设计为导线、圆筒、管或者片的至少一种的形式。视情况还可以采用其它的几何构型。
活化部件是活化装置的一部分，而且活化装置还可包括至少一个保持部件和/或至少一个电流输送装置和/或至少一个接触部件和/或至少一个屏蔽部件和/或其它部件。
气态前体的分子在活化部件的表面上分裂和/或被激发。激发和/或分裂可以包括在位于活化部件的表面上的异相催化作用的影响下进行的步骤。如此活化的分子通入到基底的表面上并在那里形成期望的涂层。为了扩大活化部件的表面，活化部件可以包括一个或多个导线。此外，活化部件可以包括其它几何部件，例如，板、片或者圆筒。
活化部件的末端通过至少一个紧固点被紧固到至少一个保持部件。例如可通过夹持、焊接或者弹簧张力进行紧固。由于保持部件的增强的热传导性和/或增强的热辐射，活化部件在紧固点附近的区域中与更远离紧固点的区域相比可能具有更低的温度。在这种情况中，活化部件的温度在紧固点处或者在紧固点附近会下降到以使得活化部件的材料经受与前体化学反应的程度。例如，包括钨的活化部件可与包括硅的前体形成硅化钨相。
为了保护紧固点和/或在紧固点附近的活化部件的一部分至少部分地免受气态前体的作用，根据本发明，提出屏蔽部件。活化部件的位于紧固点附近的部分根据本发明被理解为指其中活化部件的温度下降到极限温度之下的活化部件的子表面或者子部分，其中在所述极限温度处涂布所需的解离和/或引发反应不再发生，或者活化部件的材料经受与前体的化学反应。这可以例如是低于2000℃、低于1800℃、低于1500℃或者低于1300℃的温度。该子表面或者子部分的几何区域可以取决于经由保持部件供应的热能或者排放的热量。经由保持部件的热排放可以依赖于保持部件的横截面和/或表面。当气态前体的分压在屏蔽部件中低于在屏蔽部件之外的空间中时，根据本发明，对气态前体的作用的至少部分的防护被呈现。分压例如可以通过测量或者通过模拟计算而确定。
屏蔽部件具有大致圆柱形的几何结构，并且在这种情况中圆柱形的横截面可以是多边形的或者圆形的。圆形横截面可以具有恒定或者部分可变的曲率。圆柱形的纵向范围可以小于、大于或者等于它的直径。圆柱形的横截面可以是恒定的或者可变的。特别地，为了本发明的目的，数学形式上的棱柱、平行六面体、圆锥体或者立方体也可以认为是圆柱形的。
在本发明的一种实施方式中，圆柱设计的屏蔽部件可以布置为以使得其纵轴大致平行于活化部件的纵轴。屏蔽部件的底部可以大致气密地布置在保持部件上。
根据本发明，在屏蔽部件的背对保持部件的一侧上，布置闭合部件，该闭合部件以盖的形式屏蔽所述屏蔽部件的内部空间。在这种情况中，闭合部件具有出口端口，通过该出口端口，活化部件从紧固点到达接收部的自由空间。
在本发明的改进中，屏蔽部件的纵向区域(longitudinal extent)扩大到以使得甚至活化部件的具有或者超过活化气相所需的最小温度的子部分都布置在屏蔽部件的内部空间中。穿透进入到屏蔽部件的内部空间中的少量的气态前体因此可以被活化，以使得已经这样反应的分子不再在紧固点处或者紧固点附近经历与活化部件的反应。
屏蔽部件可以具有至少一个分隔部，其将屏蔽部件的内部空间分隔为第一子空间和第二子空间。气态前体从接收部的自由空间到活化部件的紧固点或者进入紧固点附近中的溢流因此可以进一步被减少。
在本发明的一些实施方式中，屏蔽部件沿着它的纵轴可以具有可变的横截面。这样，例如，必须围绕用于机械紧固活化部件到保持部件的结构空间的屏蔽部件的第一子空间可以设计为比更远离紧固点并且仅必须接收活化部件的子空间具有更大的体积。前体在紧固点处的分压因此可以降低。
因为在本发明的所有实施方式中，其中屏蔽部件的边界壁的内表面被从气态前体的形成层的物质永久地污染的情形不能被排除，因此在本发明的一种实施方式中，屏蔽部件的一部分可以设置为可分离地连接到保持部件。当屏蔽部件的内部空间被严重污染并因此达到它的使用寿命终点时，屏蔽部件的可分离的部分因此可以以尤其简单的方式被替换。例如，屏蔽部件可以总是与活化部件一起更换。
为了进一步降低气态前体的分压以实现活化部件的使用寿命的进一步延长，屏蔽部件的内部空间可以延伸到气体排出端口中，该气体排出端口可连接到真空泵。因此前体可以从屏蔽部件的内部空间快速且可靠地排出。
当屏蔽部件的内部空间还具有气体供应端口，其中反应气体和/或惰性气体可以通过所述气体供应端口引入时，前体的排出得以进一步的改善。泵送气流因此可以得以形成，其增大对气态前体的吸收。而且，反应气体可以被提供用于与前体反应，以使得前体随后不再可用于与活化部件的材料反应。而且，反应气体可以在活化部件上形成保护层。应当指出，当涂布设备处于操作中时，引入到屏蔽部件的内部空间中的反应气体和/或惰性气体主要通过气体排出端口离开屏蔽部件的内部空间并且不会通过出口端口进入到可抽空接收部的自由空间中。
作为对描述的机械真空泵的使用的替代或者另外地，前体的分压可以通过布置在屏蔽部件的内部空间中的吸附材料降低。例如，沸石和/或金属泡沫和/或钛薄膜可以用于该目的。为了增大吸附材料的吸收性，吸附材料的表面可以通过引入肋或者关节部而增大。而且，吸附材料的吸收性的增大可以通过被加热或者冷却的屏蔽部件获得。当涂布设备处于操作中时，钛薄膜可以通过阴极溅射或者热蒸发而连续地或者循环地被更新。
在本发明的一些实施方式中，屏蔽部件可以布置为以使得相对于保持部件和/或活化部件电绝缘。在这种情况中，等离子放电可以在活化部件和屏蔽部件之间和/或在保持部件和屏蔽部件之间通过施加直流电压或者交流电压而引发。等离子放电可以用于将气态前体的分子转化为其它与活化部件的材料不再反应或者反应得更慢的化合物，或者在紧固点区域中在活化部件上形成保护层。
附图说明
下面将通过示例性实施方式和附图更详细地解释本发明，这并不限制本发明的总的构思。在附图中：
图1示出根据本发明的涂布设备的基本设置。
图2示出根据本发明提出的屏蔽部件的一种可能的实施方式。
图3示出通过根据本发明的屏蔽部件的另一实施方式的横截面。
具体实施方式
图1示出通过涂布设备1的横截面。涂布设备1包括接收部10，该接收部例如由高级钢、铝、玻璃或者这些材料的组合形成。接收部10与周围环境以大致不透气的方式闭合。真空泵(未示出)，可以经由泵凸缘103连接。例如，接收部10可以被抽空到小于100毫巴、小于10-2毫巴或者小于10-6毫巴的压力。
在接收部10内部定位有保持装置104，基底30可以保持在保持装置104上。基底30可例如由气体、硅、塑料、陶瓷、金属或者合金组成。例如，基底可以是半导体晶片、盘或者工具。它可以具有平面的或者弯曲的表面。所述材料在这种情况中仅仅是通过例子给出的。本发明并不教导使用特定的基底作为本发明的原理。当涂布设备1处于操作过程中时，涂层105沉积在基底30上。
涂层105的组成通过选择气态前体而受影响。在本发明的一种实施方式中，前体可包括甲烷，以使得涂层105包括金刚石或者类金刚石碳。在本发明的另一实施方式中，前体可包括四氢化烷和/或单锗，以使得涂层包括晶态硅或者非晶态硅和/或锗。
气态前体经由至少一个气体供应装置20被引入接收部10的内部。气体供应装置20从储槽21获得气态前体。从储槽21抽取的前体的量经由调节阀22影响。在涂层105是由多种不同前体组成的情形下，储槽21可包括制备的气体混合物，或者可以提供多个气体供应装置，每个气体供应装置将复合前体的一种组分引入到接收部10中。
经由气体供应装置20的调节阀22供应的前体的量经由调节装置101控制。调节装置101通过测量装置100被提供分压或者绝对压力的实际值。
至少一个活化装置40可用于活化气态前体。活化装置包括至少一个可加热的活化部件41。活化部件41包括例如片、管或者导线形式的一个或多个催化活化表面。例如，活化装置40可包括两个导线41，每个导线具有催化活化表面。例如，导线41可包括钨、铌、钼和/或钽。导线41可以被拉直或者通过多圈106而形成，结果导线41的活化表面进一步增大。
活化部件41在至少一个紧固点42被紧固到至少一个保持部件43。至少一个保持部件43将活化部件41固定在可预先确定的位置并具有可预先确定的机械张力。
活化部件41的表面的催化活性在相对于室温升高的温度下得以实现。为了加热活化部件41，根据图1，活化部件41的至少一端设置为通过真空密闭的贯穿部108连接到电源107。在这种情况中，活化部件41通过电阻加热而被加热。
由于处于较低温度下的保持部件43的热传导和/或热辐射，当加热能量在活化部件的长度方向大致恒定时，活化部件41的温度从几何中心向着周边降低。在这种情况中，在紧固点42附近，活化部件41的材料会与气态前体反应以形成不期望的相，例如碳化物和/或硅化物时，温度升高。
为了减少气态前体进入到活化部件41的该较冷的区域中，根据本发明，在紧固点42处设置屏蔽部件50。屏蔽部件50在一侧上被紧固到保持部件43。
图2示出屏蔽部件50的示例性实施方式。保持部件43的一部分示出在图2的右侧部分。位于保持部件43上的是大致由导线形成的活化部件41的紧固点42。
紧固点42由箱形状的壳体围绕，所述壳体由下边界壁110、上边界壁111、端壁55b和两个侧壁112形成。为了使得壳体的内部空间56c可见，在图2中仅示出一个侧壁112。在根据图2的示例性实施方式中，上边界壁111、端壁55b和下边界壁110由单一的金属片条一件式地生产。第一壳体因此具有带圆边角的矩形或者正方形的水平凸起。当然还可采用其它的结构可能性，例如屏蔽部件50可以以车床转削的部件转动对称地被制备。
箱形状的壳体的对称轴51大致平行于活化部件41延伸。在本发明的一些实施方式中，对称轴51可以与活化部件41重合。
位于端壁55b中的是出口端口53，活化部件41通过出口端口53从紧固点42通入接收部10的自由空间中。
为了进一步减少前体分子可能从其进入的立体角部件(solid angleelement)，屏蔽部件50进一步具有箱形状的壳体部分113和114。壳体部分113和114具有矩形横断面。但是，本领域技术人员应当认识到，在这种情况中，也可以选择其它几何截面。特别地，横截面可以是多边形的或者圆形的。壳体部分113和114经由分隔部55a进一步被分隔，以使得形成两个子空间56a和56b。分隔部55a也具有出口端口53以使得活化部件41无阻碍地出去。壳体113相对于接收部10的自由空间通过闭合部件52闭合。闭合部件52也设置有出口端口53。
当涂布设备被操作时，活化装置40的活化部件41可以被加热以使得催化分解气态前体需要的表面温度至少在屏蔽部件50的子空间56a中达到。在子空间56b和56c中，活化部件41的温度然后降至保持部件43的温度。在前体分子通过端口53或者54进入空间56a中的情形下，它们在那里高概率地与分隔部55a或者壳体部分113的边界表面撞击。在这种情况中，分子要么经由端口53或者54之一再次离开空间56a，要么被壳体部分113的相应装备的壳体材料吸收。在分子撞击活化部件41的情形下，由于活化部件41的高温，分子被解离或者活化，这主要导致分隔空间56a的壁的涂布。由于活化部件41的高温，这并不对空间56a中的活化部件41造成损坏。
通过第一壳体部分113的上述作用，前体在第二壳体部分114的内部空间56b中的分压相对于接收部110的自由空间降低。分压的进一步降低然后发生在第二空间56b内部，如上所述。
然后，因为仅少量的分子抵达子空间56c，前体的分压在空间56c内部最小。同时，定位在子空间56b和/或56c内部的是活化部件41的其中温度下降到极限值之下的部分，其中在所述极限值处，对活化部件41的损害变为可能。活化部件与前体的不期望的反应因此发生在该区域中。但是，由于降低的分压，活化部件41的材料与前体在活化部件50的内部空间56c中的不期望的反应如期望地降低，并且活化部件41的使用寿命提高。
图3示出屏蔽部件50的进一步的示例性实施方式。保持部件43的细节再一次地示出在该图的右侧部分。活化部件41的紧固点42位于保持部件43上。紧固点42被屏蔽部件50围绕，屏蔽部件50的基本形式可以为例如圆柱、平行六面体或者棱柱。在屏蔽部件50的内部空间56中，活化部件41的温度从适于活化前体的值下降到保持部件43的温度。为了保持屏蔽部件50的内部空间56中的气态前体的分压尽可能地低，内部空间56相对于接收部10通过闭合部件52闭合。位于闭合部件52中的是出口端口53，活化部件可以通过该出口端口53突出。
内部空间56通过至少一个分隔部55再分隔。图3示出两个分隔部55，其产生三个子空间56a，56b和56c。分隔部55的数量在本发明的不同实施方式中可以更大或者更小。分隔部55因此在图3中示出为虚线。
为了减少内部空间56中前体的分压，可以采取各种方式来从内部空间56移除通过出口端口53进入的分子。例如，可以依靠真空泵从内部空间56c通过气体排出端口57移除分子。使用的真空泵的类型可以由本领域技术人员在空间56c内部适配到期望的总压力。例如，可使用旋转滑动泵、卷滚泵、扩散泵、涡轮分子泵、低温泵或者多个泵的组合。
为了增大泵送能量，可以通过气体供应端口58将惰性气体和/或反应气体引入到内部空间56c中。特别地，惰性气体可以提供用于在空间56c中维持夹带前体的不期望的分子并将它们从空间56c移除的气流。此外，反应气体可以发挥进一步的作用，用于延长活化部件41的使用寿命。例如，反应气体可以在活化部件41的较冷的部分上形成保护层。而且，反应气体可以与前体分子反应，同时将它们转换为与活化部件41的材料至少更慢地反应的化合物。
除了气体供应端口58和/或气体排出端口57之外或者作为其替代方案，空间56a中的分压还可降低，在于使用粘接前体的材料作为屏蔽部件50的壳体壁。为了提供足够大的表面，可以在空间56a的内部形成为了该目的的肋59。肋59可以占据屏蔽部件50的内壁的子表面或者整个表面。
而且，屏蔽部件50的边界壁的至少一个子表面可以被涂布或者覆盖有吸附材料或者吸气(getter)材料的层60。屏蔽部件50的壁这样形成用于前体的接收器(sink)，以使得前体的分压在空间56a内部下降。前体与活化部件41的较冷部分的相互作用因此减少，以使得活化部件41的使用寿命如期望地延长。
在子空间56a中未采取进一步的降低分压的措施。但是，进入的分子会与屏蔽部件50的内壁反应，或者沉积在那里。
气体供应端口58和/或气体排出端口57和/或吸附材料的层60和/或子空间56a，56b和56c中的肋59的配置仅仅通过例子示出。在本发明的其它实施方式中，用于降低前体的分压的一个或多个相同或者不同的装置可以布置在单一子空间中，或者甚至省略。
当然，在图2和3中关于屏蔽部件50所示的特征可以组合以为了获得根据本发明的屏蔽部件以及根据本发明的涂布设备的其它实施方式。因此，上面的描述不应认为是限制性的，而是解释性的。权利要求应当理解为以使得指定的特征在本发明的至少一种实施方式中存在。这并不排除存在其它特征。在权利要求限定“第一”和“第二”特征的情形下，该指定用于区分两个相同特征，而不是给予优先级。

Claims (16)

1.涂布设备(1)，包括：至少一个可抽空的接收部(10)，其用于接收基底(30)；至少一个气体供应装置(20，21，22)，通过该气体供应装置，至少一种气态前体能够被引入到所述接收部(10)中；以及至少一个活化装置(40)，该活化装置包括至少一个可加热的活化部件(41)，所述活化部件的末端在紧固点(42)处被紧固到保持部件(43)，存在一屏蔽部件(50)，通过该屏蔽部件，至少所述紧固点(42)能够至少部分地免受所述气态前体的作用，所述屏蔽部件(50)具有带第一侧面和第二侧面的纵向区域，该第一侧面布置在所述保持部件上，在屏蔽部件(50)的第二侧面上布置有闭合部件(52)，该闭合部件具有至少一个出口端口(53)，其中，至少一个分隔部(55)布置在所述屏蔽部件(50)内部并将所述屏蔽部件(50)的内部空间(56)分隔为第一子空间(56a)和第二子空间(56b)，其中，所述闭合部件(52)和所述分隔部(55)被设计为端壁。
2.如权利要求1所述的涂布设备(1)，其特征在于，所述屏蔽部件(50)沿着它的纵轴(51)具有可变的横截面。
3.如权利要求1或2所述的涂布设备(1)，其特征在于，所述屏蔽部件(50)的至少一部分可分离地连接到所述保持部件(43)。
4.如权利要求1或2所述的涂布设备(1)，其特征在于，所述屏蔽部件(50)具有能够连接到真空泵的气体排出端口(57)。
5.如权利要求4所述的涂布设备(1)，其特征在于，所述屏蔽部件(50)具有气体供应端口(58)，反应气体和/或惰性气体能够通过该气体供应端口被引入。
6.如权利要求1或2所述的涂布设备(1)，其特征在于，所述屏蔽部件(50)与所述保持部件(43)和/或与所述活化部件(41)电绝缘。
7.如权利要求1或2所述的涂布设备(1)，其特征在于，所述屏蔽部件(50)在它的内部具有肋(59)。
8.如权利要求1或2所述的涂布设备(1)，其特征在于，所述屏蔽部件(50)设置有吸附材料(60)。
9.如权利要求8所述的涂布设备(1)，其特征在于，所述吸附材料(60)包括沸石和/或金属泡沫和/或钛薄膜。
10.如权利要求1或2所述的涂布设备(1)，其特征在于，所述屏蔽部件(50)是可加热的。
11.基底(30)的涂层(105)的制备方法，其中，所述基底被引入到可抽空的接收部(10)中，至少一种气态前体经由至少一个气体供应装置(20，21，22)被引入所述接收部(10)中并通过至少一个活化装置(40)活化，该活化装置包括至少一个可加热的活化部件(41)，该活化部件的末端在紧固点(42)处被紧固到保持部件(43)，存在一屏蔽部件(50)，通过该屏蔽部件，至少所述紧固点((42)被至少部分地免受所述气态前体的作用，所述屏蔽部件(50)具有带第一侧面和第二侧面的纵向区域，该第一侧面布置在所述保持部件上，在屏蔽部件(50)的第二侧面上布置有闭合部件(52)，该闭合部件具有至少一个出口端口(53)，其特征在于，所述屏蔽部件(50)具有至少一个分隔部(55)，该分隔部(55)将所述屏蔽部件(50)的内部空间(56)分隔为第一子空间(56a)和第二子空间(56b)。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述屏蔽部件(50)被加热。
13.如权利要求11或12所述的方法，其中，惰性气体和/或反应气体被至少引入所述屏蔽部件(50)的内部空间(56)的子空间中。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述屏蔽部件(50)的所述内部空间(56)的至少一个子空间被抽空。
15.如权利要求11或12所述的方法，其中，至少在所述屏蔽部件(50)的内部空间(56)的子空间中引发气体排放。
16.如权利要求11或12所述的方法，其中，所述屏蔽部件(50)的内表面的至少一个子表面设置有吸附材料。
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