-
Die
Erfindung betrifft ein Gasversorgungssystem für eine Gasphasenabscheidungs-Reaktionskammer.
-
Gasphasenabscheidungsverfahren
unterscheidet man im Wesentlichen in physikalische Gasphasenabscheidungsverfahren
(PVD-Verfahren) und chemische Gasphasenabscheidungsverfahren (CVD-Verfahren).
-
CVD-Verfahren
(Chemical Vapour Deposition) sind Beschichtungsprozesse, bei denen
in einer Gasphasenabscheidungs-Reaktionskammer aus der Gasphase
durch chemische Reaktion eine feste, sehr dünne Schicht auf einer Substratoberfläche abgeschieden
wird.
-
Im
Gegensatz zu PVD-Verfahren (Physical Vapour Deposition), bei denen
festes Material durch Verdampfen oder Zerstäuben in die Gasphase überführt wird,
werden bei den CVD-Verfahren leicht flüchtige, im gasförmigen Zustand
vorliegende, Edukte benötigt,
die durch Zuführung
von Energie in einer Reaktionskammer zur Reaktion gebracht werden.
-
Die
verschiedenen CVD-Verfahren werden nach Art der Aktivierung unterschieden.
Die Zuführung
der Energie kann entweder thermisch oder mittels eines Plasmas,
wie beispielsweise beim PECVD-Verfahren (Plasma Enhanced Chemical
Vapour Deposition), erfolgen.
-
Beim
PECVD-Verfahren erfolgt eine Abscheidung von dünnen Schichten durch chemische
Reaktion wie beim CVD-Verfahren,
nur dass beim PECVD-Verfahren der Beschichtungsprozess zusätzlich durch
ein Plasma unterstützt
wird. Dazu wird in der Reaktionskammer zwischen dem zu beschichtenden
Substrat und einer Gegenelektrode ein starkes elektrisches Feld
angelegt, durch das ein Plasma gezündet wird. Das Plasma bewirkt
ein Aufbrechen der Bindungen eines gasförmigen Abscheidungsmediums,
auch Reaktionsgas genannt, und zersetzt dieses in einzelne Radikale,
die sich auf dem Substrat niederschlagen und dort die chemische
Abscheidereaktion bewirken. Auf Grund des Plasmas kann beim PECVD-Verfahren
eine höhere
Abscheiderate bei einer gleichzeitig geringeren Abscheidetemperatur
als mit dem CVD-Verfahren erreicht werden.
-
Grundsätzlich ist
es Voraussetzung für
die Abscheidung eines bestimmten Materials, dass dieses in einem
gasförmigen
Aggregatzustand verfügbar
gemacht werden kann. Auf diese Weise befinden sich die zu verwendenden
Abscheidungsmedien bereits in der Gasphase und können so leicht aus dem außerhalb
der Reaktionskammer liegenden Gasversorgungssystem in die Reaktionskammer
eingeleitet und dem Plasma zugeführt
werden.
-
Bei
Raumtemperatur in gasförmigem
Aggregatzustand vorliegende Abscheidungsmedien werden im Folgenden
Reaktionsgase genannt.
-
Die
Auswahl von Substanzen, die bei Raumtemperatur im gasförmigen Zustand
vorliegen, ist jedoch recht begrenzt. So kommen als Reaktionsgase
für die
Herstellung einer kohlenstoffhaltigen Beschichtung, wie z. B. DLC
(„Diamond
like carbon"), die
kohlenstoffhaltigen Gase Acetylen (C2H2) oder Methangas in Frage. Für die Herstellung
einer Silkikatbeschichtung kommt z. B. das gasförmige Tetramethylsilan (TMS)
in Frage.
-
Es
besteht jedoch ein erheblicher Bedarf an Beschichtungen, die nicht
oder nicht ausschließlich
aus Kohlenstoff und/oder Silikaten aufgebaut sind. Hier wären z. B.
Halbleitermetalle zu nennen, die in dünnen Schichten auf ein Trägermaterial
aufgebracht besondere Eigenschaften entfalten. Für diese Materialien stehen in
der Regel keine bei Raumtemperatur gasförmigen Abscheidungsmedien,
d. h. keine das betreffende Material aufweisenden und/oder verfügbar machenden
Reaktionsgase zur Verfügung.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Gasversorgungssystem
für eine
Gasphasenabscheidungs-Reaktionskammer
sowie ein Verfahren zur Verfügung
zu stellen, welches dazu geeignet ist, auch solche Materialien,
für die
keine bei Raumtemperatur gasförmigen
Reaktionsgase zur Verfügung
stehen, für die
Gasphasenabscheidung verfügbar
zu machen.
-
Die
Lösung
der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Gasversorgungssystem
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zur
Bereitstellung eines gasförmigen
Abscheidungsmediums mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Dabei ist zu beachten, dass etwaige Wertebereiche, die durch Zahlenwerte
begrenzt sind, immer einschließlich
der genannten Zahlenwerte zu verstehen sind.
-
Demnach
ist ein Gasversorgungssystem für
eine Gasphasenabscheidungs-Reaktionskammer vorgesehen, die eine
Gasversorgungseinrichtung aufweist, wobei die Gasversorgungseinrichtung
mindestens ein Heizelement zum Erwärmen eines bei Raumtemperatur
festen oder flüssigen
Abscheidungsmediums und zur Überführung des
Abscheidungsmediums in die Gasphase aufweist. Ferner weist das Gasversorgungssystem eine
Gaszufuhreinrichtung zum Transport des in die Gasphase überführten Abscheidungsmediums
von der Gasversorgungseinrichtung in die Gasphasenabscheidungs-Reaktionskammer.
-
Der
Einfachheit halber wird im folgenden der Begriff „bei Raumtemperatur
festes oder flüssiges
Abscheidungsmedium" durch
den Begriff „Abscheidungsmedium" ersetzt. In Abgrenzung
hierzu wird, wie oben bereits erwähnt, der Begriff „bei Raumtemperatur
gasförmiges
Abscheidungsmedium" durch
den Begriff "Reaktionsgas" ersetzt.
-
In
der erfindungsgemäßen außerhalb
der Gasphasenabscheidungs-Reaktionskammer, im Folgenden Reaktionskammer
genannt, angeordneten Gasversorgungseinrichtung wird ein bei Raumtemperatur
festes oder flüssiges
Abscheidungsmedium soweit erhitzt, dass es in die Gasphase überführt werden
kann. Es wird also gleichsam verdampft (Übergang flüssig-gasförmig), sublimiert (Übergang
fest-gasförmig)
oder zunächst geschmolzen
(Übergang
fest-flüssig)
und dann verdampft.
-
Zur
Erzeugung der dafür
benötigten
Wärme weist
die Gasversorgungseinrichtung mindestens ein Heizelement, vorzugsweise
mehrere Heizelemente zur schnelleren Aufheizung auf, welche bevorzugt
als stufenlos regelbare Heizspiralen ausgebildet sein können.
-
Besonders
bevorzugt ist dabei vorgesehen, das sowohl in der Verdampfereinheit
als auch in der Zuleitung sowie dem Ventil jeweils mindestens ein
Heizelement vorgesehen ist.
-
Nach
der Überführung in
den gasförmigen
Zustand wird das Abscheidungsmedium über die erfindungsgemäße Gaszufuhreinrichtung
von der Gasversorgungseinrichtung in die Gasphasenabscheidungs-Reaktionskammer
transportiert. Die Gaszufuhreinrichtung weist dafür vorzugsweise
eine rohrförmige
Leitung auf, welche die Gasversorgungseinrichtung mit der Reaktionskammer
verbindet und vorzugsweise bis in den Innenraum der Reaktionskammer
hineinreicht. Wichtig bei dem Transport des gasförmigen Abscheidungsmediums
von der Gasversorgungseinrichtung bis hinein in die Reaktionskammer
ist, dass das Abscheidungsmedium, bis zu dem Zeitpunkt, bei dem
es sich in der Reaktionskammer befindet, auf der Verdampfungstemperatur des
jeweiligen Abscheidungsmediums gehalten wird, so dass das Abscheidungsmedium
nicht während
des Transportes auf Grund von Wärmeverlusten
von dem gasförmigen
Zustand wieder in den flüssigen
Zustand oder den festen Zustand übergehen
kann.
-
Mit
der erfindungsgemäßen Merkmalskombination
wird also ermöglicht,
dass Abscheidungsmedien, die bei Raumtemperatur in fester oder flüssiger Form
vorliegen, bevor sie in die Reaktionskammer geleitet werden, zunächst verdampft
oder sublimiert werden. Problematisch bei der Verwendung von Abscheidungsmedien,
die vor Eintritt in die Reaktionskammer in den gasförmigen Zustand überführt werden
müssen,
ist der Transport von dem Bereich außerhalb der Reaktionskammer,
wo das Abscheidungsmedium verdampft wird, bis hinein in die Reaktionskammer,
ohne dass es zu einer Abkühlung
des Abscheidungsmediums kommt, was bewirken würde, dass das Abscheidungsmedium
wieder in die flüssige
oder feste Phase übergeht,
so dass eine homogene Einspeisung nicht mehr möglich ist und zudem die Zuführungsleitungen
durch das eventuell festgewordene Abscheidungsmedium verstopfen
können.
Insbesondere bei Beschichtungsprozessen, bei denen die Reaktionskammer
nicht aufgeheizt ist, ist der Transport der Abscheidungsmedien,
welche bei Raumtemperatur nicht im gasförmigen Zustand vorliegen, insbesondere
im Übergang
zu der Reaktionskammer, problematisch. Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch
das vorgesehene Heizelement gelöst.
-
Bevorzugt
ist dabei vorgesehen, dass es sich bei der Gasphasenabscheidungs-Reaktionskammer
um eine PECVD-Kammer
handelt.
-
Bevorzugt
ist dabei vorgesehen, dass die Gaszufuhreinrichtung am Übergang
zur Gasphasenabscheidungs-Reaktionskammer ein Abdichtungselement
aufweist. Letzteres verhindert einen Wärmeübergang zwischen der Gaszufuhrleitung
bzw. der rohrförmigen
Leitung und der Reaktionskammer. Das Abdichtungselement ist dabei
vorzugsweise am Übergangsbereich
zwischen der rohrförmigen
Leitung und der Reaktionskammer über
der Außenumfangsfläche der
rohförmigen
Leitung vorzugsweise kraftschlüssig
aufgebracht. Im Öffnungsbereich
der Reaktionskammer, durch welche die rohrförmige Leitung in den Innenraum
der Reaktionskammer führt,
ist das Abdichtungselement derart angeordnet, dass es eine pneumatische
und thermische Abdichtung zwischen der Außenumfangsfläche der
rohrförmigen
Leitung und der Wand der Reaktionskammer bewirkt.
-
Besonders
bevorzugt ist darüber
hinaus vorgesehen, dass die Gasversorgungseinrichtung und die Gaszufuhreinrichtung
als ein durchgehend temperiertes und/oder thermisch isoliertes Kontinuum
ausgelegt sind. Auf diese Weise wird verhindert, dass während des
Transportes möglichst
keine Abkühlung
des verdampften bzw. sublimierten Abscheidungsmediums stattfinden
kann. Beispielsweise ist hier vorgesehen, dass die rohrförmige Leitung
aus einem isolierenden Material und/oder entlang der Leitung beheizbar
ist.
-
Insbesondere
bei der Beschichtung von Substraten, welche auf Grund ihrer Struktur
während
des Beschichtungsprozesses kaum erwärmt werden können, wie
beispielsweise Substrate aus Kunststoffen, wie PP, PC oder ABS,
wird die Reaktionskammer für
den Beschichtungsvorgang nicht oder nur kaum erwärmt, so dass es möglich ist,
dass das gasförmige
Abscheidungsmedium beim Eintritt in die Reaktionskammer eine höhere Temperatur
aufweist, als die Temperatur der Reaktionskammer selber. Durch das
Abdichtungselement wird dabei vorteilhafterweise eine Wärmeübertragung
verhindert, so dass zum einen die Reaktionskammer im Übergangsbereich
durch die Gaszufuhreinrichtung nicht aufgeheizt wird und, dass zum
anderen die niedrigere Temperatur der Reaktionskammer nicht an die
rohrförmige
Leitung und damit an das gasförmige
Abscheidungsmedium abgegeben wird, was eine nachteilige Temperaturabsenkung
des erwärmten,
gasförmigen
Abscheidungsmediums bewirken würde.
Durch das Abdichtungselement wird demzufolge eine thermische und luftdichte
Abdichtung erreicht.
-
Durch
die erfindungsgemäße Lösung ist
es somit möglich,
ein bei Raumtemperatur in flüssigem
oder festen Zustand vorliegendes Abscheidungsmedium, dessen Verdampfungstemperatur über der
Raumtemperatur liegt, außerhalb
der Reaktionskammer in einen gasförmigen Zustand zu überführen und über eine
Gasversorgungseinrichtung im gasförmigen Zustand in die Reaktionskammer
einzuspeisen, ohne dass es bei dem Transport des gasförmigen Abscheidungsmediums
zu einem Wärmeverlust
des Abscheidungsmediums kommen kann. Das Abscheidungsmedium wird
vorzugsweise ab der Überführung in
den gasförmigen
Zustand in der Gasversorgungseinrichtung bis hinein in die Reaktionskammer
auf einer im Wesentlichen konstanten Temperatur gehalten. Damit
ist auch eine homogene Einspeisung von Abscheidungsmedien, deren
Verdampfungstemperatur über
Raumtemperatur liegt, möglich.
Durch das erfindungsgemäße Gasversorgungssystem
wird zudem die Leistungsfähigkeit
erheblich gesteigert.
-
Dabei
kann vorgesehen sein, dass die Gasversorgungseinrichtung ein eigenes
Unterdrucksystem zur Erzeugung eines Unterdrucks aufweist. Ebenso
kann jedoch vorgesehen sein, dass in der Gasversorgungseinrichtung über die
Gaszufuhreinrichtung ein Unterdruck angelegt wird, der dem der Reaktionskammer
entspricht.
-
Für einige
Abscheidemedien wird dabei so vorgegangen, dass bei offenem Ventil über die
Gaszufuhreinrichtung ein Unterdruck in der Gasversorgungseinrichtung
erzeugt wird, bevor das Medium erhitzt wird. Nach Erzeugen eines
definierten Unterdrucks wird das Ventil geschlossen. Da aufgrund
des erniedrigten Drucks der Dampfdruck des Abscheidemediums erhöht wird
und damit die Verdampfungs- oder
Sublimationstemperatur sinkt, muß das Abscheidemedium auf eine
relativ niedrigere Temperatur erhitzt werden.
-
Substanzen
mit niedrigem Siede- oder Sublimationspunkt können ohne vorherige Evakuierung
der Gasversorgungseinrichtung durch alleinige Erwärmung bei geschlossenem
Ventil unter Normaldruck in die Gasphase gebracht werden und dann
gasförmig
der evakuierten Prozesskammer definiert über Ventile zugeführt werden.
-
Bevorzugt
ist dabei vorgesehen, dass Titan, Silizium, Gallium, Indium, Molybdän, Kupfer,
Selen Cadmium oder Zink auf ein Material aufgebracht werden sollen.
Dies Materialien weisen u. A. Halbleiter-Eigenschaften auf, und
sie entfalten, in dünnen
Schichten auf ein Trägermaterial
aufgebracht, besondere Eigenschaften.
-
Diese
Materialien können
in den meisten Fällen
nicht in Form eines bei Raumtemperatur gasförmig vorliegenden Abscheidemediums
(„Reaktionsgas") verfügbar gemacht
werden.
-
Als
Abscheidemedien kommen u. a. die in der folgenden Tabelle aufgelisteten
Medien in Frage:
Material | Abscheidemedium
(Beispiel) | Aggregatzustand
bei Raumtemperatur |
Ti | TiO2 | fest |
Ti | Ti[OCH(CH3)2]4 | fest |
Si | O[Si(CH3)3]2 | flüssig |
Ga | C15H21GaO6 | fest |
In | C15H21InO6 | fest |
Mo | C6O6Mo | fest |
Cu | C10H2CuF12O4 | fest |
Cu | C10H14CuO4 | fest |
Se | C6H5SeH | fest |
Cd | (Cd(SC(S)N(C2H5)2]4) | fest |
Zk | Zn(C5H7O2)2 | fest |
Tabelle
1
-
Grundsätzlich kommen
jedoch alle weiteren bei Raumtemperatur festen oder flüssigen Verbindungen in
Frage, die eines oder mehrere der oben genannten Materialien enthalten
und die sich unter den genannten Bedingungen in die Gasphase überführen lassen.
-
Bevorzugt
handelt es sich bei den zu verwendenden Abscheidemedien um Metall-Organische
Verbindungen. Solche Verbindungen sind dadurch charakterisiert,
dass ein oder mehrere organische Reste bzw. Verbindungen direkt
an ein Metallatom gebunden sind.
-
Voraussetzung
dabei ist, dass das jeweils gewählte
Abscheidemedium bei Raumtemperatur in festem oder flüssigem Aggregatzustand
vorliegt und bei einer Temperatur von maximal 1500°C, bevorzugt
1000°C (ggf.
bei Anlage eines Unterdrucks) in die Dampfphase gebracht und so
dem nachfolgenden PECVD-Verfahren zugeführt werden kann.
-
Aus
der Literatur sind viele bei Raumtemperatur feste oder flüssige Verbindungen
bekannt, die eines oder mehrere der oben genannten Materialien.
enthalten. Für
Titanisopropoxid (Ti[OCH(CH3)2]4) weiß man
z. B., dass der Siedepunkt bei 1,333 Pa (10 mmHg) 218°C beträgt.
-
Für viele
der anderen Materialien sind. die Siede- und/oder Sublimationspunkte, insbesondere
bei Unterdruckbedingungen, nicht bekannt. Die Erfinder haben daher
in aufwendigen Voruntersuchungen geeignet erscheinende Verbindungen
aus der Literatur ermittelt und dann auf ihre Verwendbarkeit getestet.
-
Zudem
sind verschiedene Mischungen dieser Abscheidungsmedien möglich, die
dann gemeinsam in einem Verdampfer oder in mehreren parallel oder
in Reihe geschalteten Verdampfern in die Gasphase gebracht werden.
-
Grundsätzlich eignet
sich das Verfahren auch zur Abscheidung weiterer Materialien als
die in der obigen Liste aufgeführt
sind. Als Materialien kommen z. B. auch die Elemente Al, Sb, As,
Ba, Be, Bi, B, Ge, Au, Hf, Ir, Fe, Pb, Li, Mg, Mn, Hg, Ni, Nb, Pd,
Pt, K, Ce, Dy, Er, Eu, Gd, Ho, La, Lu, Nd, Pr, Sm, Sc, Tb, Tm, Yb,
Y, Re, Rh, Rb, Ru, Ag, Sn, Na, Zr, Te und Tl in Frage.
-
Bevorzugte
organometallische Abscheidemedien für diese Materialien, die die
obigen Bedingungen in Bezug auf Aggregatzustand und Sublimations-
bzw. Siedepunkte erfüllen
müssen,
finden sich z. B. in dem Katalog "Metal Organics for Material Polymer
Technology" der
ABCR GmbH, 76151 Karlsruhe, dessen Inhalt dem Offenbarungsgehalt
dieser Anmeldung vollumfänglich
hinzugefügt
werden soll.
-
Vorzugsweise
handelt es sich bei dem Abdichtungselement um ein Element, vorzugsweise
einen Ring, aus PTFE (Polytetrafluorethylen). Der PTFE-Ring liegt
vorzugsweise kraftschlüssig
und luftdicht an der Außenumfangsfläche der
rohrförmigen
Leitung an.
-
PTFE
weist eine hohe mechanische und thermische Belastbarkeit sowie eine
hohe chemische Resistenz, Hinzu kommt ein geringer Wärmeleitungskoeffizient.
-
Grundsätzlich eignen
sich jedoch auch andere Materialien mit ähnlichen Eigenschaften in Bezug
auf mechanische und thermische Belastbarkeit sowie ggf. chemische
Resistenz und Wärmeleitungskoeffizient.
-
Hier
kommen z. B. plastische Kunststoffe in Frage, aber auch hochschmelzende
Thermoplasten. Ebenso kommen Keramik- und Glasmaterialien in Frage.
Dies lassen sich durch Aufbringen entsprechender Schliffe dicht
gestalten.
-
Nach
einer weiter bevorzugten Ausgestaltung ist zwischen der Gasversorgungseinrichtung
und der Gasphasenabscheidungs-Reaktionskammer ein Ventil (34)
zur Regelung der Einspeisung des gasförmigen Abscheidungsmediums
(20) vorgesehen. Das Ventil ist dabei entlang der rohrförmigen Leitung,
vorzugsweise in dem Bereich kurz vor der Einspeisung des Abscheidungsmediums
in die Reaktionskammer angeordnet. Das Ventil ist vorzugsweise als
Nadelventil ausgebildet und weist in einer weiteren Bevorzugten
Ausführungsform
ein oder mehrere Heizelemente auf.
-
Ebenso
kann vorgesehen sein, dass zwischen der Gasversorgungseinrichtung
und der Gasphasenabscheidungs-Reaktionskammer
ein Ventil zur Regelung der Druckverhältnisse zwischen beiden Einrichtungen
vorgesehen ist.
-
Vorzugsweise
ist dabei das Ventil auf die gleiche Temperatur wie das durchströmende gasförmige Abscheidungsmedium,
insbesondere auf die Verdampfungstemperatur des Abscheidungsmediums,
eingestellt, so dass das Abscheidungsmedium beim Durchströmen des
Ventils nicht abkühlen
kann. Mit Hilfe des Ventils wird der Volumenstrom des in die Reaktionskammer
einströmenden
gasförmigen
Abscheidungsmediums, geregelt, so dass eine genaue Dosierung des
in die Reaktionskammer einströmenden
Abscheidungsmediums für
eine optimale Beschichtung ermöglicht
wird. Maßeinheit
ist hier in der Regel die Größe „sccm". Dieses Kürzel steht
für „Standardkubikzentimeter
pro Minute" und
stellt einen normierten Volumenstrom dar. Unabhängig von Druck und Temperatur
wird mit dieser Norm eine definierte strömende Gasmenge (Teilchenzahl)
pro Zeiteinheit erfasst. Ein sccm ist ein Gasvolumen von V = 1 cm3 = 1 ml unter Normbedingungen (T = 20°C und p = 1013,25
hPa).
-
Das
bereits erwähnte
Ventil weist in dieser Konstellation eine Doppelrolle auf, da es
einerseits dazu dient, die Druckverhältnisse zwischen Reaktionskammer
und Gasversorgungseinrichtung zu regeln und andererseits als Regeleinheit
für einen
definierten Gasfluss fungiert. In der praktischen Umsetzung kann
sowohl ein Ventil für
beide Aufgaben genutzt werden, als auch eine Variante mit zwei verschiedenen
Ventilen für
die jeweiligen Aufgaben angewandt werden.
-
So
ist z. B. für
die Regelung der Druckverhältnisse
zwischen Reaktionskammer und Gasversorgungseinrichtung nicht in
jedem Falle ein dosierbares Ventil erforderlich, Hier könnte z.
B. ein einfacher Hahn Verwendung finden. Für die Regeleinheit für einen
definierten Gasfluss ist hingegen ein möglichst genau dosierbares Ventil
mit ggf. einer Kontrolleinheit erforderlich.
-
Auf
Grund der hohen Temperaturen sind hierbei mechanische Ventile sinnvoll,
da digital geregelte Ventile, sog. MFCs (Mass Flow Control), verfahrensbedingt
nur bis ca. 200°C
einsetzbar sind. Entsprechend konstruierte mechanische Ventile sind
für die
Anwendung im genannten Temperaturbereich geeignet.
-
Für alle Gase
sind grundsätzlich
Bereiche Gasflusswerte zwischen 10 sccm und 1000 sccm anwendbar.
-
Die
Gasversorgungseinrichtung weist ferner nach einer bevorzugten Ausgestaltung
einen ersten. Behälter
und einen in dem ersten Behälter
angeordneten zweiten Behälter
auf, wobei in dem ersten Behälter
das Heizelement und ein Übertragungsmedium
zur Übertragung
der von dem Heizelement abgegebenen Wärme an den zweiten Behälter vorgesehen
sind und in dem zweiten Behälter
das Abscheidungsmedium vorgesehen ist. Dabei befindet sich vorzugsweise
lediglich jeweils ein Abscheidungsmedium in dem zweiten Behälter, damit
es in einem Gasversorgungssystem nicht zu einer unerwünschten
gegenseitigen Beeinflussung unterschiedlicher Abscheidungsmedien
untereinander kommen kann. Erfindungsgemäß ist die Außenfläche des zweiten
Behälters
in einem bestimmten Abstand, beispielsweise zwischen 1,8 und 2,5
cm, zu der Innenfläche des
ersten Behälters
angeordnet. In dem ersten Behälter
zwischen der Innenfläche
des ersten Behälters
und der Außenfläche des
zweiten Behälters
ist ein Übertragungsmedium,
welches entweder in flüssiger
Form oder als Feststoff vorliegt, vorgesehen. Das Übertragungsmedium
wird von dem oder den in dem ersten Behälter ebenfalls angeordneten
Heizelementen auf die für
das jeweilige Abscheidungsmedium benötigte Verdampfungstemperatur
erwärmt
und konstant auf dieser Temperatur gehalten. Als Übertragungsmedium
kann vorzugsweise Öl,
Zinn oder Kupfer eingesetzt werden. Wichtig dabei ist, dass die
Temperatur des oder der Heizelemente und des Übertragungsmediums so eingestellt
wird, dass das Übertragungsmedium
nicht seine eigene Verdampfungstemperatur erreichen kann. Das geeignete Übertragungsmedium
wird daher in Abhängigkeit der
Verdampfungstemperatur des Abscheidungsmediums ausgesucht. Werden
beispielsweise Abscheidungsmedien, deren Verdampfungstemperatur
unterhalb von 200°C
liegt, erwärmt,
wird vorzugsweise Öl
als Übertragungsmedium
eingesetzt. Werden hingegen Abscheidungsmedien, deren Verdampfungstemperatur
oberhalb von 200°C
liegt, erwärmt,
wird vorzugsweise ein Metall, wie beispielsweise Zinn oder Kupfer,
verwendet.
-
In
dem zweiten Behälter
ist das Abscheidungsmedium angeordnet, welches durch die von dem Übertragungsmedium
an den zweiten Behälter
abgegebenen Wärme
so weit erwärmt
wird, dass das Abscheidungsmedium in den gasförmigen Zustand übergehen
kann. Das Innenvolumen des inneren Behälters für die zu verdampfende Substanz
beträgt
bevorzugt zwischen 0,1 Liter und 5 Liter. Besonders bevorzugt beträgt das Volumen
zwischen 0,5 Liter und 2 Liter.
-
Sowohl
der erste Behälter
als auch der zweite Behälter
ist ferner vorzugsweise mit einem Deckel luftdicht verschlossen.
In dem zweiten Behälter
herrscht ein Unterdruck, so dass das in den gasförmigen Zustand überführte Abscheidungsmedium über vorzugsweise
eine in den Innenraum des zweiten Behälters ragende rohrförmige Leitung
in die Gaszufuhreinrichtung strömen
kann. Dadurch, dass in dem zweiten Behältern ein Unterdruck herrscht,
wird zudem eine schnellere Erwärmung
des Abscheidungsmediums erreicht.
-
Vorzugsweise
bestehen der erste Behälter
und der zweite Behälter
aus einem Edelstahl, wodurch eine besonders gute und effiziente
Wärmeübertragung
von dem Übertragungsmedium
an das Abscheidungsmedium über
die Wand des zweiten Behälters
erreicht wird.
-
Die
Erfindung betrifft ferner eine Anlage für eine Gasphasenabscheidungs-Reaktionskammer
mit zwei oder mehr hintereinander und/oder parallel zueinander geschalteten
Gasversorgungssystemen. Die Gasversorgungssysteme können dabei
wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein. Durch das
Zusammenschalten von zwei oder mehr Gasversorgungssystemen ist es
möglich,
mehrere Abscheidungsmedien gleichzeitig oder parallel in voneinander
getrennten Gasversorgungseinrichtungen in die Gasphase zu überführen und
die Reaktionskammer einzuspeisen, so dass auf dem Substrat Multilayerschichten,
d. h. Schichten aus mehreren Abscheidungsmedien, abgeschieden werden
können.
Dadurch ist es zum Beispiel möglich Cu(In,Ga)Se2-Schichten (CIGS-Schichten) in einem besonders homogenen
Gitter auf einem Substrat abzuscheiden, so dass höhere Leistungsdaten
erreicht werden können.
Diese CIGS-Schachten sind insbesondere zur Herstellung von Solarzellen
geeignet.
-
Auch
Dotierungen des Abscheidungsmediums sind leicht realisierbar und
können
nach Belieben auf das Substrat aufgebracht werden. Mögliche Dotierungen
sind z. B. Anteile von Aluminium, Zink oder Zinn als Beimengung
bei der zu verdampfenden Substanz, oder in einer zusätzlichen
Verdampfereinheit, um bei der Abscheidung auf dem Substrat die Einschlüsse dieser
zusätzlichen
Substanz zu erzeugen. Dies kann z. B. für die Erzeugung einer Leitfähigkeit
bei einer sonst isolierenden Glasschicht von Vorteil sein.
-
Alternativ
kann natürlich
vorgesehen sein, dass zwei oder mehr Abscheidungsmedien in einer
Gasversorgungseinrichtung vorgesehen sind. Dies bietet sich insbesondere
dann an, wenn die Verdampfungstemperaturen und/oder Dampfdrücke der
verwendeten Abscheidungsmedien ähnlich
oder gleich sind.
-
Des
Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bereitstellung
eines gasförmigen
Abscheidungsmediums für
eine Gasphasenabscheidungs-Reaktionskammer, bei dem insbesondere
unter Verwendung eines wie vorstehend aus- und weitergebildeten Gasversorgungssystems
oder unter Verwendung einer wie vorstehend aus- und weitergebildeten
Anlage, ein bei Raumtemperatur in flüssigem oder festen Zustand
vorliegendes Abscheidungsmedium in der Gasversorgungseineinrichtung
durch Zufuhr von wärme
in die Gasphase überführt wird
und das gasförmige
Abscheidungsmedium unter Verwendung der Gaszufuhreinrichtung von
der Gasversorgungseinrichtung zu der Gasphasenabscheidungs-Reaktionskammer
transportiert wird und das Abscheidungsmedium im gasförmigen Zustand
in die Gasphasenabscheidungs-Reaktionskammer eingespeist wird.
-
In
Bezug auf die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vollumfänglich auf
das erfindungsgemäße Gasversorgungssystem
und die erfindungsgemäße Anlage
verwiesen.
-
Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist es vorteilhafterweise möglich,
Abscheidungsmedien, die bei Raumtemperatur im flüssigen oder festen Zustand
vorliegen, außerhalb
vorzugsweise einer CVD-Reaktionskammer
oder einer PECVD-Reaktionskammer in einen gasförmigen Zustand zu überführen und
diese im erwärmten,
gasförmigen
Zustand in die Reaktionskammer einzuspeisen, ohne dass das gasförmige Abscheidungsmedium
beim Transport zu der Reaktionskammer Wärme verlieren kann, was zu
einer nachteiligen Rückführung in
den festen oder flüssigen
Zustand des Abscheidungsmediums führen würde. Insbesondere am Übergang
zwischen der Gaszufuhreinrichtung und der Reaktionskammer findet
auf Grund mindestens eines, dort vorgesehenen Abdichtungselementes
kein Wärmeübergang
von der Reaktionskammer an die Gaszufuhreinrichtung oder umgekehrt
statt. Sollen beispielsweise in der Reaktionskammer Substrate beschichtet
werden, welche recht wärmeempfindlich
sind und daher während
des Beschichtungsprozesses nicht oder nur kaum erwärmt werden
können,
weist die Reaktionskammer im Gegensatz zu der Gaszufuhreinrichtung
eine geringere Temperatur auf, so dass es wichtig ist, dass es am Übergang
der Gaszufuhreinrichtung zu der Reaktionskammer auf Grund der kälteren Reaktionskammer
nicht zu einem Wärmeverlust
des gasförmigen
Abscheidungsmediums kommen kann. Nach Einbringen des gasförmigen Abscheidungsmediums
in die Reaktionskammer werden die einzelnen Atome des Abscheidungsmediums
abgespalten und die Atome können
einzeln auf dem Substrat abgeschieden werden. In der Reaktionskammer
ist daher keine weitere Wärmezufuhr für das Abscheidungsmedium
mehr nötig.
-
Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
können
vorteilhafterweise nunmehr eine Vielzahl von Materialien beim CVD-
oder PECVD-Verfahren als Abscheidungsmedium beziehungsweise als
Beschichtungsmedium, welche nicht bei Raumtemperatur in der Gasphase
vorliegen, eingesetzt werden.
-
Die
Temperaturen im Verdampfer sind dabei naturgemäß den Siede- bzw. Sublimationspunkten
der jeweiligen Substanzen angepasst.
-
Die
Einspeisungstemperatur ist dabei von der Verdampfungstemperatur
des jeweilig verwendeten Abscheidungsmediums abhängig. Wichtig dabei ist, dass
die Temperatur des Abscheidungsmediums derart eingestellt wird,
dass des Abscheidungsmediums in einem gasförmigen Zustand in die Reaktionskammer
eingespeist werden kann.
-
In
der Regel werden diese Werte empirisch ermittelt, da die Siede-
und/oder Sublimationspunkte der jeweiligen Materialien aus der Literatur
in der Regel nicht bekannt sind. Insbesondere gilt das für Bedingungen unterhalb
des Normaldrucks.
-
Gemäß einer
weiter bevorzugten Ausgestaltung wird das in dem ersten Behälter der
Gasversorgungseinrichtung angeordnete Übertragungsmedium über das
in dem ersten Behälter
angeordnete Heizelement erwärmt
und die Wärme
des Übertragungsmediums
wird an das in dem zweiten Behälter
der Gasversorgungseinrichtung angeordnete Abscheidungsmedium abgegeben.
-
Dabei
wird vorzugsweise die über
das Heizelement einzustellende Temperatur des Übertragungsmediums an die Verdampfungstemperatur
des Abscheidungsmediums angepasst. Abhängig von der Verdampfungstemperatur
des Abscheidungsmediums können
unterschiedliche Übertragungsmedien
eingesetzt werden. Wichtig dabei ist, dass das Übertragungsmediums so ausgewählt wird,
dass die Verdampfungstemperatur des Übertragungsmediums höher ist
als die Verdampfungstemperatur des Abscheidungsmediums. Würde das Übertragungsmedium
zum Verdampfen gebracht werden, würde es auf Grund von Vibrationen
durch die dabei entstehenden Blasen innerhalb der Gasversorgungseinrichtung
bereits zu einer unerwünschten
Aufspaltung des Abscheidungsmediums kommen.
-
Als Übertragungsmedium
wird dabei vorzugsweise Öl
oder ein Metall, vorzugsweise ein niedrigschmelzendes Metall verwendet.
Werden beispielsweise Abscheidungsmedien, deren Verdampfungstemperatur
unterhalb von 200°C
liegt, erwärmt,
wird vorzugsweise Öl
als Übertragungsmedium
eingesetzt. Werden hingegen Abscheidungsmedien, deren Verdampfungstemperatur
oberhalb von 200°C
liegt, erwärmt,
wird vorzugsweise ein Metall verwendet. Bevorzugt werden dabei Zinn
oder Kupfer verwendet.
-
Bevorzugt
werden hier insbesondere Zinn (232°C), Blei (327°C), Zink
(420°C),
aber auch Kupfer (1083°C).
Insbesondere aus Umweltgründen
werden besonders bevorzugt Zinn und Kupfer verwendet.
-
Abbildungen und Beispiele
-
Nachfolgend
wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen
anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
-
Es
zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung einer Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Gasversorgungseinrichtung,
-
2 eine
schematische Darstellung einer Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Ventils,
-
3A eine
schematische Darstellung einer seitlichen Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Abdichtungselements,
-
3B eine
schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Abdichtungselements in
einem Schnitt entlang der in 3A eingetragenen
Schnittlinie B-B (Vorderansicht),
-
3C eine
schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Abdichtungselements in
einem Schnitt entlang der in 3A eingetragenen
Schnittlinie C-C (Rückansicht),
und
-
4 eine
schematische Darstellung einer Gasphasenabscheidungs-Reaktionskammer.
-
In 1 ist
eine Gasversorgungseinrichtung 10 dargestellt, welche einen
ersten Behälter 12 und
einen zweiten, in dem ersten Behälter 12 angeordneten,
Behälter 14 aufweist.
In dem ersten Behälter 12 sind
ein Heizelement 16 und ein Übertragungsmedium 18 angeordnet.
Als Übertragungsmedium 18 kann
dabei beispielsweise Öl
oder ein Metall, wie beispielsweise Zinn oder Kupfer, verwendet
werden. Der zweite Behälter 14 enthält ein Abscheidungsmedium 20,
welches bei Raumtemperatur in flüssiger
oder fester Form vorliegt. In dem Behälter 14 ist jeweils
vorzugsweise immer nur ein Abscheidungsmedium 20 enthalten,
damit es nicht zu einer unerwünschten
gegenseitigen Beeinflussung unterschiedlicher Abscheidungsmedien
untereinander kommen kann. Sowohl der erste Behälter 12 als auch der
zweite Behälter 14 sind luftdicht
mit einem Deckel 22 verschlossen, welcher beispielsweise
mit Hilfe von Schrauben 24 in seiner Position fixiert werden
kann. Ferner sind in dem zweiten Behälter 14 eine rohrförmige Leitung 26 zum
Transport des erwärmten,
in den gasförmigen
Zustand überführten Abscheidungsmediums 20 zu
der Gaszufuhreinrichtung, ein Temperaturmessfühler 28 sowie ein
Druckmessgerät 30 vorgesehen.
-
Mit
Hilfe des Heizelements 16 wird das Übertragungsmedium 18 auf
eine, an die Verdampfungstemperatur des Abscheidungsmediums 20 angepasste
Temperatur erwärmt.
Das Übertragungsmedium 18 sollte dabei
eine Temperatur erreichen, die über
der Verdampfungstemperatur des Abscheidungsmediums 20 liegt. Die
Wärme des
erhitzten Übertragungsmediums 18 wird über die
Behälterwand
des zweiten Behälters 14 an das
Abscheidungsmedium 20 übertragen,
dieses wird mindestens auf seine Verdampfungstemperatur erwärmt und
wird dadurch in den gasförmigen
Zustand überführt. Das
erwärmte,
gasförmige
Abscheidungsmedium 20 verlässt über eine rohrförmige Leitung 26 den
zweiten Behälter 14 und
gelangt in die Gaszufuhreinrichtung.
-
Um
eine optimale Temperatureinstellung in dem ersten Behälter 12 und
dem zweiten Behälter 14 zu ermöglichen,
ist sowohl das Heizelement 16 als auch der Temperaturfühler 28 mit
einer Steuereinheit 32 verbunden.
-
Nachdem
das erwärmte,
gasförmige
Abscheidungsmedium 20 den zweiten Behälter 14 über die
rohrförmige
Leitung 26 verlassen hat, strömt es vorzugsweise in ein,
wie in 2 dargestelltes, Ventil 34, welches innerhalb
der Gaszufuhreinrichtung angeordnet ist. Das Ventil 34 ist
vorzugsweise als Nadelventil ausgestaltet. Damit das gasförmige Abscheidungsmedium 20 innerhalb
des Ventils 34 nicht abkühlt, sind innerhalb des Ventils 34 ein
Heizelement 36 sowie ein Temperaturfühler 38 zur optimalen
Temperatureinstellung des Heizelementes 36 vorgesehen.
Mit Hilfe des Ventils 34 wird die Einspeisung des gewünschten
Volumenstroms des gasförmigen
Abscheidungsmediums 20 in die Reaktionskammer optimal geregelt.
-
Ausgehend
von dem Ventil 34 wird das erwärmte, gasförmige Abscheidungsmedium 20 über vorzugsweise
eine rohrförmige
Leitung zu der, in 4 dargestellten, Reaktionskammer 48 transportiert.
Damit das Abscheidungsmedium 20 am Übergang von der Gaszufuhreinrichtung
in die Reaktionskammer 48 nicht abkühlen kann, ist vorzugsweise
auf der Außenumfangsfläche der
rohrförmigen
Leitung ein Abdichtungselement 40 zur thermischen und luftdichten
Abdichtung angeordnet.
-
Das
Abdichtungselement 40 ist, wie in 3A, 3B und 3C gezeigt,
bevorzugt ein PTFE-Ring, welcher mit seiner Innenfläche 42 einfach
auf die rohrförmige
Leitung dichtend aufgezogen werden kann. Die vordere Außenfläche 44 des
PTFE-Ringes 40 ist vorzugsweise trapezförmig ausgebildet. Die hintere
Außenfläche 46 des
PTFE-Ringes 40, welches zumindest teilweise in die Öffnung der
Reaktionskammer eingebracht werden kann, ist ferner vorzugsweise
zylinderförmig
ausgebildet. Der PTFE-Ring 40 kann so kraftschlüssig in der
Eintrittsöffnung
der Reaktionskammer zwischen der rohrförmigen Leitung und der Wand
der Reaktionskammer befestigt werden.
-
In 4 ist
des Weiteren eine Gasphasenabscheidungs-Reaktionskammer 48 dargestellt,
bei welcher in der Eintrittsöffnung
in der Reaktionskammer 48 ein PTFE-Ring 40 angeordnet
ist.
-
Beispiel
-
In
einem Gasversorgungssystem gemäß der obigen
Beschreibung, aufweisend ein inneres Volumen von 2000 ml, werden
650 g Titanisopropoxid (Ti[OCH(CH3)2]4) gegeben. Das
Gasversorgungssystem wird über eine
erfindungsgemäße Gaszuführungseinrichtung
an eine PECVD-Kammer
(Modellname) angeschlossen, in welcher sich ein flächiges Werkstück (60 × 60 cm,
Dicke 5 mm) aus gehärtetem
Glas befindet. Die PECVD-Kammer wird auf einen Restdruck von gemessenen
0,1 Pa evakuiert. Da das im Bereich der Gaszuführungseinrichtung angeordnete
Ventil geschlossen ist, werden in dem Gasversorgungssystem unabhängig von
der Plasmakammer Druckverhältnisse
geschaffen.
-
Der
innere Behälter
des Gasversorgungssystem wird mit Hilfe eines Ölbades erhitzt. Bei den gegebenen
Druckverhältnisssen
geht das Abscheidemedium ab einer Temperatur von 140°C in die
Gasphase über.
-
Der Übergang
ist an der Druckuhr ablesbar, da sich mit dem Verdampfen, also einem
erhöhtem
Gasanteil in dem geschlossenen Behältnis, der Druck erhöht, bezogen
zum Ausgangsdruck nach dem Befüllen des
Verdampfers. Im späteren
Verlauf wird mindestens diese Temperatur im Verdampfer aufrecht
erhalten. Zudem wird beim späteren Öffnen des
Ventils und dem Atmosphärenausgleich
zur Kammer ein Unterdruck erzeugt. Dieser erniedrigt den Siedepunkt
des Schichtmaterials zusätzlich
und stellt damit auch die dauerhafte Versorgung mit diesem in gasförmigem Zustand
sicher.
-
In
die Plasmakammer wird derweil ein inertes Schutzgas eingeleitet.
Verwendet wird Argon (Ar) bei einem Gasfluss von 70 sccm. Zusätzlich wird
ein Gas zugeführt,
welches für
die gewünschte
Abscheidungsart von Titan benötigt
wird. Möchte
man eine metallische Schicht erzeugen, so wird Wasserstoffgas (H2)
eingeführt.
Dessen Gasfluss soll dabei dem Fluss des Schichtmaterials entsprechen,
in diesem Beispiel 100 sccm. Sodann wird durch Anlegen eines HF-Feldes
(Biasspannung: 250 V, Frquenz: 13.7 MHz) in der Kammer ein Plasma
gezündet.
-
Anschließend wird
das Ventil der Gasversorgungseinrichtung so weit geöffnet, dass
ein Gasstrom von 100 sccm eingehalten werden kann. Das Gas strömt nunmehr
durch das Wärmekontinuum
von Gasversorgungseinrichtung und Gaszuführungseinrichtung in die Plasmakammer.
-
Durch
die Auswirkungen des Plasmas werden die Bestandteile des gasförmigen Schichtmaterials
ionisiert und die chemische Verbindung des Titanisopropoxid gespalten.
Während
andere Bestandteile der Verbindung mit Wasserstoffionen reagieren
und in neutraler Form abgesaugt werden, sind die Titanionen positiv geladen
und werden auf das als Kathode, also negativ, geschaltete Substrat
beschleunigt. Dabei treffen Titanionen mit hoher Geschwindigkeit
auf der Oberfläche
des zu beschichtenden Werkstücks
auf und werden durch die Elektronen dort neutralisiert und scheiden
sich fest auf der Substratoberfläche
ab.
-
Auf
diese Weise erhält
man eine metallische Titanschicht, welche nach einer Beschichtungszeit
von 30 min eine Schichtdicke von 2 μm aufweist.