DE102012107624A1 - Coating device for coating large-area substrates for producing thin atomic layers, comprises high frequency coil in communication with vaporization unit, and channel arrangement for discharging molecules from vaporization unit to substrate - Google Patents

Coating device for coating large-area substrates for producing thin atomic layers, comprises high frequency coil in communication with vaporization unit, and channel arrangement for discharging molecules from vaporization unit to substrate Download PDF

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Abstract

The coating device (10) comprises a chamber (15), which is connected to an evacuation unit for creating a vacuum. A vaporization unit (22) and a high frequency ionization unit (29) are arranged in the chamber. A high frequency coil (30) is provided, which is in communication with the vaporization unit to stimulate and to ionize the molecules of the vapor. A channel arrangement (33) with multiple channels (34) made of ceramic is provided for discharging the molecules from the vaporization unit in the direction of a substrate (11). A holder (12) is provided for the substrate. An independent claim is included for a method for producing epitaxial layers.

Description

Die Erfindung betrifft eine Beschichtungseinrichtung zur Herstellung dünner vorzugsweise nur eine oder wenige Atomlagen umfassender Beschichtungen und ein Verfahren zur Erzeugung solcher Schichten.The invention relates to a coating device for producing thin, preferably only one or a few atom layers comprehensive coatings and a method for producing such layers.

Zum Beispiel aus der DE 10 2007 043 943 B4 ist ein Verfahren zur Beschichtung von Substraten mittels Bedampfung in einer Vakuumbeschichtungskammer bekannt. Das Verfahren dient der Herstellung von Dünnschichtsolarzellen. Die Beschichtung erfolgt mittels einer Verdampfung des Beschichtungsmaterials in einer offenen Verdampfungsquelle, wodurch eine Dampfwolke gebildet wird. In diese Dampfwolke wird ein Partikelstrom des Dotiermaterials eingebracht, so dass sich auf dem Substrat eine dotierte Halbleiterschicht bilden kann.For example from the DE 10 2007 043 943 B4 For example, a method for coating substrates by means of vapor deposition in a vacuum coating chamber is known. The method is used for the production of thin-film solar cells. The coating is carried out by means of evaporation of the coating material in an open evaporation source, whereby a cloud of vapor is formed. A particle stream of the doping material is introduced into this cloud of vapor so that a doped semiconductor layer can form on the substrate.

Es ist Ziel der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, mit dem sich dünne Schichten sehr kontrolliert erzeugen lassen.It is an object of the invention to provide an apparatus and a method with which thin layers can be generated very controlled.

Diese Aufgabe wird mit der Beschichtungseinrichtung nach Anspruch 1 wie auch mit dem Beschichtungsverfahren nach Anspruch 15 gelöst:
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Kammer, die mit geeigneten Pumpvorrichtungen verbunden ist, um in der Kammer ein Vakuum zu erzeugen. Vorzugsweise sind die entsprechenden Pumpeinrichtungen so ausgelegt, dass sich ein Hochvakuum, vorzugsweise ein Ultrahochvakuum, mit einem Druck von 10–10 mbar und darunter (10–11 mbar) erzeugen lässt.
This object is achieved with the coating device according to claim 1 as well as with the coating method according to claim 15:
The device of the invention comprises a chamber connected to suitable pumping devices to create a vacuum in the chamber. Preferably, the corresponding pumping means are designed so that a high vacuum, preferably an ultra-high vacuum, with a pressure of 10 -10 mbar and below (10 -11 mbar) can be generated.

In der Kammer ist eine Verdampfungseinrichtung für eine Substanz angeordnet, aus der die zu erzeugende Schicht hervorgeht. Beispielsweise kann es sich bei der verdampfenden Substanz um eine Silizium-Verbindung, bspw. ein Silan, handeln, wenn eine Siliziumschicht abgeschieden werden soll. Die zu verdampfende Substanz kann Kohlenstoff, bspw. in Form eines Kohlenwasserstoffs, enthalten, wenn eine Kohlenstoffschicht abgeschieden werden soll. Die zu verdampfende Substanz kann eine anderweitige Verbindung oder ein Gemisch von Verbindungen sein. Sie kann flüssig sein oder auch in festem Zustand vorliegen.In the chamber, a vaporization device for a substance is arranged, from which the layer to be produced emerges. For example, the vaporizing substance may be a silicon compound, for example a silane, if a silicon layer is to be deposited. The substance to be evaporated may contain carbon, for example in the form of a hydrocarbon, if a carbon layer is to be deposited. The substance to be evaporated may be another compound or a mixture of compounds. It can be liquid or in solid state.

Die Verdampfungseinrichtung ist vorzugsweise mit einer Kühl- oder einer Heizeinrichtung versehen, um eine gewünschte Temperatur der zu verdampfenden Substanz einzustellen. Die Kühlung oder Heizung kann bspw. durch eine Rohrschlange erfolgen, die zum Beispiel mit Öl temperiert wird. Alternativ kann eine elektrische Heiz- und/oder Kühleinrichtung vorgesehen werden, bspw. eine Widerstandsheizung, Peltier-Elemente oder dergleichen. In der Verdampfungseinrichtung kann so eine Temperatur über oder unter 0° eingestellt werden, bei der die zu verdampfende Substanz den gewünschten (geringen) Dampfdruck entwickelt.The evaporation device is preferably provided with a cooling or a heating device in order to set a desired temperature of the substance to be evaporated. The cooling or heating can for example be done by a coil, which is tempered, for example, with oil. Alternatively, an electrical heating and / or cooling device may be provided, for example a resistance heater, Peltier elements or the like. In the evaporation device can thus be set above or below 0 °, at which the substance to be vaporized develops the desired (low) vapor pressure.

Der entstehende dünne Dampf wird in der HF-Ionisierungseinrichtung in ein Plasma vorzugsweise mit einem geringen Ionisationsgrad überführt. Es enthält freie Elektronen, neutrale Atome, angeregte Atome und Ionen. Wird als Ausgangsstoff Cyklopentasilan genutzt, kann dieses in Silizium und Wasserstoff dissoziiert werden.The resulting thin vapor is transferred in the RF ionizer into a plasma, preferably with a low degree of ionization. It contains free electrons, neutral atoms, excited atoms and ions. If cyclopentasilane is used as starting material, it can be dissociated into silicon and hydrogen.

Zur Ausleitung der neutralen Atome, der angeregten Atome und der Ionen aus dem Dampfraum in Richtung des Substrats ist eine Kanalanordnung vorgesehen. Diese umfasst mehrere Kanäle, die nur Teilchen mit Geschwindigkeitskomponenten in Richtung des Substrathalters leiten. Es kann somit ein Teilchenstrom erzeugt werden, der sich gleichmäßig auf breiter Front in Richtung des Substrats bewegt und dort niederschlägt. Die in der Kanalanordnung vorhandenen Kanäle sind vorzugsweise zueinander parallel orientiert und vorzugsweise untereinander gleich lang. Die Kanäle können gleiche oder unterschiedliche Querschnitte aufweisen. Insbesondere ist es möglich, durch eine geeignete Verteilung der Röhrchen und der Querschnitte derselben über den Gesamtquerschnitt der Kanalanordnung eine gleichmäßige Teilchenstromdichte über den gesamten Querschnitt des Teilchenstroms zu erreichen. Insbesondere ist es möglich, die Radiusabhängigkeit des magnetischen Drucks der HF-Spule auf diese Weise zu kompensieren.For discharging the neutral atoms, the excited atoms and the ions from the vapor space in the direction of the substrate, a channel arrangement is provided. This includes several channels that only conduct particles with velocity components towards the substrate holder. It is thus possible to generate a particle stream which moves uniformly on a broad front in the direction of the substrate and deposits there. The channels present in the channel arrangement are preferably oriented parallel to one another and are preferably of equal length to one another. The channels may have the same or different cross sections. In particular, it is possible to achieve a uniform particle current density over the entire cross-section of the particle flow through a suitable distribution of the tubes and the cross sections thereof over the entire cross section of the channel arrangement. In particular, it is possible to compensate for the radius dependence of the magnetic pressure of the RF coil in this way.

Der entstehende Teilchenfluss, z. B. Silizium kann entsprechend der Fläche des zu beschichtenden Substrats bereitgestellt werden. Die Fläche kann mehrere Quadratzentimeter bis Quadratdezimeter oder mehr betragen.The resulting particle flow, z. B. Silicon may be provided according to the area of the substrate to be coated. The area can be several square centimeters to square decimeters or more.

Die Kanäle der Kanalanordnung sind vorzugsweise aus einer Keramik ausgebildet, die sowohl elektrische als auch magnetische Felder durchlässt und vorzugsweise wenig oder nicht beeinflusst. Damit kann die Anzahl der neutralen, der angeregten und der ionisierten Teilchen in der Kanalanordnung aufrechterhalten werden. Die Kanalanordnung kann in der HF-Spule angeordnet sein oder in diese hineinragen.The channels of the channel arrangement are preferably formed of a ceramic which transmits both electrical and magnetic fields, and preferably little or no influence. Thus, the number of neutral, excited and ionized particles in the channel array can be maintained. The channel arrangement can be arranged in the RF coil or protrude into it.

Zwischen dem zu beschichtenden Substrat und der Kanalanordnung ist vorzugsweise eine Gitteranordnung vorgesehen, die mindestens ein auf definierten elektrischem Potential liegendes Gitter aufweist. Vorzugsweise können mehrere Gitter vorgesehen sein. Die Spannungen bzw. Potentiale dieser Gitter können so festgelegt sein, dass den Ionen eine definierte Geschwindigkeit in Richtung auf das Substrat erteilt wird. Dadurch kann die Geschwindigkeit des Teilchenstroms beeinflusst werden, bei dem sich alle Teilchen innerhalb enger Toleranzgrenzen mit im Wesentlichen gleicher Geschwindigkeit bewegen und auf das Substrat auftreffen. So kann die Auftreffenergie der Teilchen auf das Substrat gesteuert werden. Damit lassen sich die Aufwachsbedingungen der Schicht steuern.Between the substrate to be coated and the channel arrangement, a grid arrangement is preferably provided which has at least one grating lying at a defined electrical potential. Preferably, a plurality of grids may be provided. The voltages or potentials of these gratings can be set such that the ions are given a defined speed in the direction of the substrate. Thereby, the velocity of the particle flow can be influenced, in which all particles move within close tolerance limits at substantially the same speed and impact the substrate. Thus, the impact energy of the particles on the substrate can be controlled. This allows the growth conditions of the layer to be controlled.

Zwischen der Kanalanordnung und dem Halter für das Substrat kann außerdem ein Shutter angeordnet sein, um den Teilchenstrom freizugeben oder abzuschalten. Auf diese Weise kann der Beschichtungsvorgang gezielt ein- und ausgeschaltet werden.In addition, a shutter may be disposed between the channel assembly and the substrate holder to release or shut off the particle flow. In this way, the coating process can be selectively switched on and off.

Vorzugsweise ist in der Kammer ein Kryoschild angeordnet. Dieser ist bspw. hohlzylindrisch ausgebildet und umgibt die HF-Spule. Der Kryoschild kann zu Getterung der Restgase in der Vakuumkammer genutzt werden. Damit lässt sich während des Beschichtungsprozesses ein Hochvakuum oder Ultrahochvakuum aufrechterhalten.Preferably, a cryoshield is arranged in the chamber. This is, for example, a hollow cylinder and surrounds the RF coil. The cryoshield can be used for gettering the residual gases in the vacuum chamber. This allows a high vacuum or ultrahigh vacuum to be maintained during the coating process.

Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Beschreibung der Zeichnung oder von Ansprüchen. Es zeigen:Further details of advantageous embodiments of the invention are the subject of the description of the drawing or claims. Show it:

1 eine Beschichtungseinrichtung, in schematischer Darstellung 1 a coating device, in a schematic representation

2 eine Draufsicht auf die Kanalanordnung der Beschichtungseinrichtung nach 1, in schematisierter Darstellung. 2 a plan view of the channel arrangement of the coating device according to 1 in a schematic representation.

In 1 ist eine Beschichtungseinrichtung 10 zur Beschichtung großflächiger Substrate 11 veranschaulicht. Das Substrat 11 kann bspw. ein aus einem Metall bestehendes flächenhaftes Substrat, wie bspw. halbleitende monokristalline Scheibe, ein Blech, eine metallbeschichtete Nichtmetallplatte oder auch eine Nichtmetallplatte mit nichtmetallische Oberfläche, ein Keramikmaterial, Kunststoff oder dergleichen, sein. Das Substrat 11 wird von einem Substrathalter 12 getragen. Dieser kann eine Heizung 13 aufweisen, die in 1 lediglich schematisch angedeutet ist. Es kann sich hierbei um eine Widerstandsheizung handeln, die dazu eingerichtet ist, das Substrat 11 auf eine für die gewünschte Abschaltung geeignete Temperatur zu bringen. Diese kann im Bereich von mehreren 100° bis zu über 1200° liegen.In 1 is a coating device 10 for coating large-area substrates 11 illustrated. The substrate 11 For example, it may be a sheet-like substrate made of a metal such as semiconductive monocrystalline disc, a plate, a metal-coated non-metal plate, or a non-metallic plate having a non-metallic surface, a ceramic material, plastic or the like. The substrate 11 is from a substrate holder 12 carried. This can be a heater 13 have, in 1 is indicated only schematically. It may be a resistance heater that is adapted to the substrate 11 to bring to a suitable temperature for the desired shutdown. This can be in the range of several 100 ° to over 1200 °.

Der Substrathalter 12 ist in einem Innenraum 14 einer Vakuumkammer 15 angeordnet, der mit einer nicht weiter veranschaulichten Hubeinrichtung verbunden ist. In der Vakuumkammer 15 ist ein Ultrahochvakuum erzeugbar. Die weist einen Eingang 16 und einen Ausgang 17 auf, die mit einer Einschleusekammer und Ausschleusekammer verbunden sind. In diesen herrschen vorzugsweise Drücke von etwa 10–6 mbar. Die Einschleusekammer und die Ausschleusekammer sind nicht weiter dargestellt. Auch alle anderen Durchführungen durch die Wand der Kammer 15 sind vorzugsweise mit Doppeldichtungen ausgerüstet, zwischen denen wiederum eine Absaugung angeordnet ist.The substrate holder 12 is in an interior 14 a vacuum chamber 15 arranged, which is connected to a not further illustrated lifting device. In the vacuum chamber 15 is an ultra-high vacuum generated. It has an entrance 16 and an exit 17 on, which are connected to a Einschleusekammer and discharge chamber. In these preferably prevail pressures of about 10 -6 mbar. The Einschleusekammer and the discharge chamber are not shown. Also all other bushings through the wall of the chamber 15 are preferably equipped with double seals, between which in turn an extraction is arranged.

Zur Herstellung des Vakuums in dem Kammerinnenraum 14 dienen eine trocken laufende Vorpumpe, eine Turbomolekularpumpe und einem Gettersystem 18, das zur Bindung von Restgasen dient. Die Gettereinrichtung 18 kann in Gestalt eines Kryoschilds 19 ausgebildet sein, der hier als hohlzylindrischer Körper ausgebildet ist. Er weist einen Eingang 20 und einen Ausgang 21 auf, über die der Kryoschild mit einem Kryokühlmittel, beispielsweise flüssigem Stickstoff, speisbar ist. An der kalten Oberfläche des Kryoschilds schlagen sich Gas- und Dampfreste nieder.To create the vacuum in the chamber interior 14 serve a dry-running backing pump, a turbomolecular pump and a getter system 18 which serves to bind residual gases. The getter device 18 can in the form of a cryo shield 19 be formed, which is designed here as a hollow cylindrical body. He has an entrance 20 and an exit 21 via which the cryoshield can be fed with a cryogenic coolant, for example liquid nitrogen. Gas and vapor residues are deposited on the cold surface of the cryo shield.

In der Kammer 15 ist eine Verdampfungseinrichtung 22 angeordnet, mit der geringe Mengen eines zu verdampfenden Materials gezielt freigesetzt werden können. Die Verdampfungseinrichtung 22 umfasst ein Gefäß 23, das zur Aufnahme des zu verdampfenden Stoffs eingerichtet ist. Ist dieser flüssig, kann er über eine Leitung 24 in das Gefäß 23 eingeleitet werden. Bei dem zu verdampfenden Stoff kann es sich um eine Siliziumverbindung, Gemische aus Siliziumverbindungen, eine Kohlenstoffverbindung, Gemische aus Kohlenstoffverbindungen und Siliziumverbindungen, oder andere Verbindungen oder Stoffgemische handeln. Es kann sich dabei u. a. um Silane und/oder Kohlenwasserstoffe handeln. Die Verdampfung anderer Stoffe ist möglich.In the chamber 15 is an evaporation device 22 arranged, can be selectively released with the small amounts of a material to be evaporated. The evaporation device 22 includes a vessel 23 , which is set up to receive the substance to be vaporized. Is this liquid, he can over a line 24 into the vessel 23 be initiated. The material to be vaporized may be a silicon compound, mixtures of silicon compounds, a carbon compound, mixtures of carbon compounds and silicon compounds, or other compounds or mixtures. These may be, inter alia, silanes and / or hydrocarbons. The evaporation of other substances is possible.

In dem Gefäß 23 ist eine Temperiereinrichtung 25 angeordnet. Die Temperiereinrichtung 25 kann eine Heizeinrichtung oder auch eine Kühleinrichtung sein. Zum Beispiel kann es sich dabei um eine Rohrschlange handeln, die von einem Temperierfluid, z. B. Öl, durchströmbar ist. Die entsprechende Rohrschlange ist mit ihrem Eingang 26 und ihrem Ausgang 27 in 1 schematisch veranschaulicht. Sollen Stoffe verdampft werden, die dazu eine erhöhte Temperatur benötigen, ist die Temperiereinrichtung 25 also als Heizeinrichtung auszubilden, kann eine elektrische Heizschlange oder dergleichen als Temperiereinrichtung 25 zur Wärmeabgabe vorgesehen sein. Andere Verdampfungseinrichtungen, z. B. Elektronenstrahlverdampfer, Laserstrahlverdampfungseinrichtungen oder dergleichen sind ebenfalls einsetzbar.In the vessel 23 is a tempering device 25 arranged. The tempering device 25 may be a heater or a cooling device. For example, it may be a pipe coil, which is a tempering fluid, eg. As oil, can flow. The corresponding coil is with its input 26 and their exit 27 in 1 illustrated schematically. If you want to evaporate substances that require an elevated temperature, the tempering device is required 25 that is, as a heater, an electric heating coil or the like may be used as the tempering device 25 be provided for heat dissipation. Other evaporation devices, eg. As electron beam evaporator, Laserstrahlverdampfungseinrichtungen or the like can also be used.

Das Gefäß 23 ist vorzugsweise ein becherartiges Gefäß mit einer nach oben aufragenden Wand 28. Der so ausgebildete Becher ist vorzugsweise in einer von dem Kryoschild 19 umgebenen Zone angeordnet.The container 23 is preferably a cup-like vessel with an upstanding wall 28 , The cup thus formed is preferably in one of the cryoshield 19 surrounded zone.

Der Verdampfungseinrichtung 23 ist eine Ionisierungseinrichtung 29 zugeordnet. Diese ist so angeordnet, dass sie den von der Verdampfungseinrichtung 22 erzeugten, unter sehr niedrigem Druck (z. B. 10-10 mbar oder weniger) stehenden Dampf in ein Plasma überführen kann. Es genügt dabei die Erzeugung eines Plasmas mit geringem Ionisierungsgrad. Als Ionisierungseinrichtung 29 kann bspw. eine HF-Spule 30 dienen, deren Anschlüsse 31, 32 aus dem Gefäß 15 herausgeführt sind. Die Anschlüsse 31, 32 sind elektrische Anschlüsse des die Spule 30 bildenden Leiters. Dieser ist bspw. rohrförmig, so dass er von einem Kühlfluid durchströmt werden kann. An den Anschlüssen 31, 32 kann somit sowohl elektrische HF-Leistung wie auch Kühlfluid ein- und ausgeleitet werden. The evaporation device 23 is an ionization device 29 assigned. This is arranged to match that of the evaporator 22 produced, under very low pressure (eg., 10 -10 mbar or less) standing steam in a plasma can transfer. All it takes is the generation of a plasma with a low degree of ionization. As ionization device 29 can, for example, an RF coil 30 serve, their connections 31 . 32 from the vessel 15 led out. The connections 31 . 32 are electrical connections of the coil 30 forming conductor. This is, for example, tubular, so that it can be flowed through by a cooling fluid. At the connections 31 . 32 Thus, both electrical RF power as well as cooling fluid can be in and out.

In dem von der Becherwand 28 umschlossenen Raum ist vorzugsweise im oberen Bereich desselben eine Kanalanordnung 33 vorgesehen, die mehrere Kanäle 34 aufweist, die von der Verdampfungseinrichtung 22 zu dem Substrat 11 weisen. Die Kanäle 34 sind vorzugsweise parallel orientiert. Sie sind außerdem vorzugsweise parallel zu der Mittelachse der HF-Spule 30 orientiert. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Kanäle 34 vertikal orientiert. Sie weisen bspw. runde Querschnitte auf. Die Kanalanordnung 33 kann durch einen Keramikkörper oder dergleichen gebildet sein, wie er zum Beispiel aus 2 in Draufsicht ersichtlich ist. Die Kanäle 34 können über den Querschnitt der Kanalanordnung 33 gleichmäßig oder ungleichmäßig verteilt sein. Insbesondere kann die Dichte der Kanäle 34 vom Zentrum zum Rand hin zunehmen oder abnehmen, je nach dem wie gewünscht ist, um eine bestimmte Dichteverteilung im erzeugten Teilchestrom zu erzeugen. Die Querschnitte der Kanäle 34 können untereinander gleich sein oder auch zum Beispiel vom Zentrum zum Rand hin variieren, zum Beispiel zu- oder abnehmen.In the from the cup wall 28 enclosed space is preferably in the upper region thereof a channel arrangement 33 provided that several channels 34 that is from the evaporation device 22 to the substrate 11 point. The channels 34 are preferably oriented in parallel. They are also preferably parallel to the central axis of the RF coil 30 oriented. In the present embodiment, the channels 34 vertically oriented. They have, for example, round cross sections. The channel arrangement 33 may be formed by a ceramic body or the like, as for example 2 is visible in plan view. The channels 34 can over the cross section of the channel arrangement 33 be evenly or unevenly distributed. In particular, the density of the channels 34 increase or decrease from center to edge, as desired, to produce a particular density distribution in the generated particle stream. The cross sections of the channels 34 can be equal to each other or even vary, for example, from the center to the edge, for example, increase or decrease.

Oberhalb der Kanalanordnung 33 ist eine Gitteranordnung 35 vorgesehen. Diese umfasst mindestes ein, vorzugsweise aber mehrere Gitter 36, die an gleiche oder unterschiedliche elektrische Potentiale gelegt werden können. Vorzugsweise ist das dem Substrat 11 am nächsten liegende obere Gitter 36 mit 0 V oder einem leicht negativen Potential verbunden. Die anderen Gitter 36 können mit anderen Spannungen, bspw. zwischen 0 und +100 V, beaufschlagt werden. An den Gittern 36 liegen vorzugsweise Gleichspannungen an.Above the channel arrangement 33 is a grid arrangement 35 intended. This comprises at least one, but preferably several grids 36 , which can be placed at the same or different electrical potentials. This is preferably the substrate 11 closest upper grid 36 connected to 0 V or a slightly negative potential. The other grids 36 can be applied to other voltages, for example. Between 0 and +100 V. At the bars 36 are preferably DC voltages.

Zwischen der Gitteranordnung 35 und den Substrathalter 12 kann ein Shutter 37 angeordnet sein. Dieser wird bspw. durch eine schwenkbare Blende gebildet, die den Weg zwischen der Verdampfungseinrichtung 22 und dem Substrathalter 12 freigeben oder sperren kann. Der Shutter 27, der Substrathalter 122 und alle Teile, die erhitzt werden, sind vorzugsweise aus Materialien wie Tantal, Molybdän oder Bornitrid gefertigt.Between the grid arrangement 35 and the substrate holder 12 can be a shutter 37 be arranged. This is formed, for example, by a pivotable aperture, which is the path between the evaporation device 22 and the substrate holder 12 can release or lock. The shutter 27 , the substrate holder 122 and all parts that are heated are preferably made of materials such as tantalum, molybdenum or boron nitride.

Zur Beeinflussung der chemischen Zusammensetzung des entstehenden Dampfes, insbesondere zur Sicherstellung einer vollständigen Dissoziation aller chemischen Verbindungen, kann eine UV-Lampe (oder mehrere) oder eine sonstige UV-Lichtquelle 38 vorgesehen sein, mittels derer, die von der Verdampfungseinrichtung 22 zu dem Substrat 11 strömenden Molekülen, Atomen oder Ionen einer ultravioletten Strahlung auszusetzen sind.To influence the chemical composition of the resulting vapor, in particular to ensure a complete dissociation of all chemical compounds, a UV lamp (or more) or another UV light source 38 be provided by means of those of the evaporation device 22 to the substrate 11 flowing molecules, atoms or ions are exposed to ultraviolet radiation.

In der Kammer 15 kann außerdem eine Analyseeinrichtung zur Bestimmung der Struktur der auf dem Substrat 11 gebildeten Schicht vorgesehen sein. Eine solche Analyseeinrichtung kann bspw. durch eine Elektronenquelle 39 gebildet sein, mit der ein Elektronenstrahl unter einem flachen Winkel von 0,5° bis 2° auf die Oberfläche des Substrats 11 geleitet werden kann. Die von der Substratoberfläche reflektierten Elektronen können auf eine fluoreszierenden Schirm 40 treffen, um ein Beugungsmuster zu erzeugen, das sich aus der Elektronenstreuung ergibt. Das Beugungsmuster weist auf die Oberflächenkristallographie hin. Eine nicht weiter veranschaulichte Kamera kann zur Überwachung des Bildschirms und zur Aufzeichnung der Beugungsmuster dienen.In the chamber 15 In addition, an analysis device for determining the structure of the on the substrate 11 be provided layer formed. Such an analysis device can, for example, by an electron source 39 be formed with an electron beam at a shallow angle of 0.5 ° to 2 ° to the surface of the substrate 11 can be directed. The electrons reflected from the substrate surface can be placed on a fluorescent screen 40 to produce a diffraction pattern resulting from electron scattering. The diffraction pattern indicates the surface crystallography. A not further illustrated camera can be used to monitor the screen and to record the diffraction patterns.

Die insoweit beschriebene Beschichtungseinrichtung 10 arbeitet wie folgt:
Es wird davon ausgegangen, dass an dem Halter 11 ein Substrat 11 befestigt ist, dass das Substrat 11 zum Beispiel mit einer Siliziumschicht zu versehen ist, die epitaktisch aufwachsen soll. Der Innenraum 14 ist mittels der nicht weiter veranschaulichten Pumpvorrichtung evakuiert, so dass ein Ultrahochvakuum von zum Beispiel etwa 10–11 mbar erzeugt ist. Über die Leitung 24 ist eine Vorläufersubstanz der zu erzeugenden Schicht, bspw. Cyklopentasilan in die Verdampfungseinrichtung 22 eingefüllt. Mit der Temperiereinrichtung 25 wird die vorhandene Menge der Vorläufersubstanz nun so temperiert, dass der Dampfdruck zur Erzeugung eines dünnen Dampfes ausreicht. Mit der Ionisierungsvorrichtung 29 wird dieser wenigstens schwach ionisiert. Dazu wird die HF-Spule 30 über die Anschlüsse 31, 32 mit Hochfrequenz, bspw. im Bereich von 1 MHz bis 500 MHz und einer Leistung von einigen 100 Watt gespeist. Das entstehende Plasma enthält neutrale Molekel, angeregte Molekel und Ionen. Die Ionen geben durch Stöße Energie an die Molekel ab. Es entsteht eine gleichmäßige Energieverteilung. Die Ionen werden über die Gitteranordnung 25 in Richtung auf das Substrat 11 beschleunigt. Sie durchqueren dabei die Kanäle 34 der Kanalanordnung 33 und werden so zu einem gleichmäßigen Ionenstrom oder Molekülstrom. Dieser kann von dem Shutter 37 gezielt ein- und ausgeschaltet, d. h. aufgefangen oder freigegeben werden. Gleichzeitig wird der Kryoschild 19 gekühlt, um den Restgasdruck durch Getterung niedrig zu halten. Das Substrat 11 ist auf eine zur Beschichtung geeignete Temperatur, bspw. mehrere 100°, gebracht.
The coating device described so far 10 works as follows:
It is assumed that on the holder 11 a substrate 11 attached is that the substrate 11 for example, to be provided with a silicon layer which is to grow epitaxially. The interior 14 is evacuated by means not further illustrated pumping device, so that an ultra-high vacuum of, for example, about 10 -11 mbar is generated. About the line 24 is a precursor substance of the layer to be produced, for example Cyklopentasilan in the evaporation device 22 filled. With the tempering device 25 the existing amount of the precursor substance is now tempered so that the vapor pressure is sufficient to produce a thin vapor. With the ionization device 29 this is at least weakly ionized. This is the RF coil 30 over the connections 31 . 32 with high frequency, for example. In the range of 1 MHz to 500 MHz and a power of some 100 watts fed. The resulting plasma contains neutral molecules, excited molecules and ions. The ions release energy to the molecules through collisions. It creates a uniform energy distribution. The ions are transmitted through the grid 25 towards the substrate 11 accelerated. They pass through the channels 34 the channel arrangement 33 and thus become a uniform ion current or molecular stream. This can be from the shutter 37 specifically switched on and off, ie intercepted or released. At the same time the cryoshield 19 chilled to to keep the residual gas pressure low by gettering. The substrate 11 is brought to a suitable temperature for coating, for example. Several 100 ° brought.

Das in der Ionisierungseinrichtung 29 erzeugte Plasma enthält Silizium und gegebenfalls auch Cyklopentasilanringe, die durch das UV-Licht der UV-Quelle 38 aufgespalten werden können. An dem Substrat 11 kommen somit Siliziumatome und/oder Siliziumionen mit definierter Zusammensetzung und definierter Energie an, die durch die Spannung der Gitteranordnung 35, die Ionisierung und die vorhandenen Temperaturen reguliert werden kann. Durch die Temperatur des Substrats 11 kann die Kristallisierung weiter beeinflusst werden. Die Gitter 36 der Gitteranordnung 35 dienen der Extraktion der Ionen. Bei Polarisationsänderung der Gitterspannungen lassen sich auch Elektronen extrahieren, deren Energie durch Stöße mit den Atomen der sich bildenden Schicht an diese abgegeben werden, um so die gleichmäßige Energieverteilung bei der Kristallisation zu erreichen. Mit der angelegten Spannung kann die Energie der Ionen beeinflusst werden.That in the ionizer 29 generated plasma contains silicon and optionally also Cyklopentasilanringe, by the UV light of the UV source 38 can be split. On the substrate 11 Thus, silicon atoms and / or silicon ions with a defined composition and defined energy arrive, which are due to the voltage of the grid arrangement 35 The ionization and the available temperatures can be regulated. By the temperature of the substrate 11 the crystallization can be further influenced. The grids 36 the grid arrangement 35 serve the extraction of ions. When the polarization of the lattice strains change, electrons can also be extracted whose energy is released by collisions with the atoms of the forming layer, so as to achieve the uniform distribution of energy during crystallization. With the applied voltage, the energy of the ions can be influenced.

Sobald die Beschichtungsbedingungen stationär sind, öffnet der Shutter 37 und der epitaktische Beschichtungsvorgang beginnt. Das Aufwachsen der Schicht kann in situ mit der Elektronenquelle 39 und dem Schirm 40 überwacht werden. Außerdem kann über nicht weiter veranschaulichte Temperatursensoren an der Verdampfungseinrichtung 22, insbesondere deren Boden, die Verdampfungstemperatur reguliert werden. Die Ionisierung und somit das Aufspalten der Cyklopentasilanringe erfolgt vorwiegend in der Ionisierungseinrichtung 29. Die UV-Quelle 38 kann eventuell noch verbliebene Verbindungen in den Molekülen aufbrechen und dafür sorgen, dass auf das Substrat 11 nur Einzelatome und Ionen auftreffen.Once the coating conditions are stationary, the shutter opens 37 and the epitaxial coating process begins. The growth of the layer can be in situ with the electron source 39 and the screen 40 be monitored. In addition, via not further illustrated temperature sensors on the evaporation device 22 , in particular their bottom, the evaporation temperature can be regulated. The ionization and thus the splitting of the cyclopentasilane rings takes place predominantly in the ionization device 29 , The UV source 38 may possibly break any remaining compounds in the molecules and ensure that on the substrate 11 only single atoms and ions strike.

Die auf das Substrat 11 strömenden Siliziumionen lagern sich zufällig verteilt auf der Substratoberfläche an und bilden Kristallisationskeime. An diesen Keimen findet anschließend das weitere Schichtwachstum statt. Aus energetischen Gründen findet das Wachsen in lateraler Richtung statt bis die Ebene vollständig aufgefüllt ist. Erst danach beginnt das Wachstum in die nächste Ebene.The on the substrate 11 flowing silicon ions accumulate randomly distributed on the substrate surface and form crystallization nuclei. These seeds then undergo further layer growth. For energetic reasons, the growth takes place in a lateral direction until the plane is completely filled. Only then does growth begin in the next level.

Durch die Aufnahme von Energie der Siliziumionen beim Durchfliegen der Gitteranordnung 35 kann zusätzlich Energie für das Kristallwachstum eingebracht werden. Durch Zugabe einer gasförmigen Borverbindung, zum Beispiel Diboran, können P-leitenden Schichten erzeugt werden. Durch Zugabe einer Phosphorverbindung (Phosphin) oder durch eine Arsenverbindung (Arsin) können N-leitenden Siliziumschichten erzeugt werden.By absorbing energy of the silicon ions as it passes through the grid array 35 In addition, energy for crystal growth can be introduced. By adding a gaseous boron compound, for example diborane, P-type layers can be produced. By adding a phosphorus compound (phosphine) or an arsenic compound (arsine), N-type silicon layers can be formed.

Auf ähnliche Weise können Graphenschichten erzeugt werden. Es werden als Vorläufersubstanz dann keine Silane, sondern Kohlenwasserstoffverbindungen, bspw. Benzol oder Benzolverbindungen, genutzt.Similarly, graphene layers can be created. There are then used as a precursor substance no silanes, but hydrocarbon compounds, for example. Benzene or benzene compounds.

Zur epitaktischen Herstellung großflächiger Schichten ist eine Ionenquelle vorgesehen, die ein Epitaxiesystem mit einer Vielzahl von Knudsenzellen, die durch eine Kanalanordnung 33 mit einer Vielzahl von Kanälen 34 gebildet sind. Diese sind parallel gerichtet und dienen der Gleichrichtung eines Plasmastrahls oder -stroms mit großem Querschnitt von vorzugsweise mehreren Quadratdezimetern. Die einzelnen Kanäle 34 haben einen Querschnitt von wenigen Quadratmillimetern bis Quadratzentimetern.For the epitaxial production of large-area layers, an ion source is provided, which is an epitaxy system with a plurality of Knudsen cells, which are connected by a channel arrangement 33 with a variety of channels 34 are formed. These are collimated and serve to rectify a plasma beam or stream having a large cross section of preferably several square decimeters. The individual channels 34 have a cross section of a few square millimeters to square centimeters.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Beschichtungseinrichtungcoater
1111
Substratsubstratum
1212
Substrathaltersubstrate holder
1313
Heizungheater
1414
Innenrauminner space
1515
Kammerchamber
1616
Eingangentrance
1717
Ausgangoutput
1818
Gettereinrichtunggetter
1919
Kryoschildcryoshield
2020
Eingang des KryoschildsEntrance of the cryoshield
2121
Ausgang des KryoschildsExit of the cryoshield
2222
VerdampfungseinrichtungEvaporation device
2323
Gefäßvessel
2424
Leitungmanagement
2525
Temperiereinrichtungtempering
2626
Eingang der Rohrschlange der TemperiereinrichtungInput of the coil of the tempering device
2727
Ausgang der Rohrschlange der TemperiereinrichtungOutput of the coil of the tempering device
2828
Becherwandcup wall
2929
Ionisierungseinrichtungionization
3030
HF-SpuleRF coil
31, 3231, 32
Anschlüsseconnections
3333
Kanalanordnungchannel arrangement
3434
Kanälechannels
3535
Gitteranordnunggrid array
3636
Gittergrid
3737
Shuttershutter
3838
UV-LichtquelleUV-light source
3939
Elektronenquelleelectron source
4040
Schirmumbrella

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102007043943 B4 [0002] DE 102007043943 B4 [0002]

Claims (15)

Beschichtungseinrichtung (10), mit einer Kammer (15), die mit einer Evakuierungseinrichtung zur Erzeugung eines Vakuums verbunden ist, mit einer Verdampfungseinrichtung (22), die in der Kammer (15) angeordnet ist, mit einer HF-Ionisierungseinrichtung (29), die in der Kammer (15) angeordnet ist und eine HF-Spule (30) aufweist, mit der Verdampfereinrichtung (22) in Verbindung steht, um die Molekel des Dampfes anzuregen bzw. zu ionisieren zu erzeugen, mit einer Kanalanordnung (33) zur Ausleitung der Molekel aus der Verdampfereinrichtung (22) in Richtung eines Substrats (11) und mit einem Halter (12) für das Substrat (11).Coating device ( 10 ), with a chamber ( 15 ), which is connected to an evacuation device for generating a vacuum, with an evaporation device ( 22 ) in the chamber ( 15 ) is arranged with an RF ionization device ( 29 ) in the chamber ( 15 ) and an RF coil ( 30 ), with the evaporator device ( 22 ) in order to stimulate or ionize the molecules of the vapor, with a channel arrangement ( 33 ) for discharging the molecules from the evaporator device ( 22 ) in the direction of a substrate ( 11 ) and with a holder ( 12 ) for the substrate ( 11 ). Beschichtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalanordnung (35) mehrere Kanäle (34) beinhaltet, die zueinander parallel orientiert sind.Coating device according to claim 1, characterized in that the channel arrangement ( 35 ) several channels ( 34 ), which are oriented parallel to each other. Beschichtungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (34) untereinander gleich lang sind.Coating device according to claim 2, characterized in that the channels ( 34 ) are equal to each other. Beschichtungseinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (34) gleiche Querschnitte aufweisen.Coating device according to claim 2 or 3, characterized in that the channels ( 34 ) have the same cross sections. Beschichtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass, die Kanäle (34) Querschnitte aufweisen, die von dem Abstand des Kanals (34) zur Spulenmitte der HF-Spule (30) abhängig sind.Coating device according to one of claims 2 to 4, characterized in that, the channels ( 34 ) Have cross-sections which depend on the distance of the channel ( 34 ) to the coil center of the RF coil ( 30 ) are dependent. Beschichtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (34) parallel zu einer Spulenachse der HF-Spule (30) angeordnet sind.Coating device according to one of claims 2 to 5, characterized in that the channels ( 34 ) parallel to a coil axis of the RF coil ( 30 ) are arranged. Beschichtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass, die Kanäle (34) aus Keramik ausgebildet sind.Coating device according to one of claims 2 to 6, characterized in that, the channels ( 34 ) are formed of ceramic. Beschichtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass, die Kanalanordnung (33) in Gestalt eines einteiligen Körpers ausgebildet ist.Coating device according to one of claims 1 to 7, characterized in that, the channel arrangement ( 33 ) is formed in the shape of a one-piece body. Beschichtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass, die Dichte der Kanälen (34) über dem Querschnitt der Kanalanordnung (33) variabel ist.Coating device according to one of claims 1 to 8, characterized in that, the density of the channels ( 34 ) over the cross section of the channel arrangement ( 33 ) is variable. Beschichtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass, die Kanalanordnung (33) von der HF-Spule (30) umgeben ist oder in diese hineinragt.Coating device according to one of claims 1 to 9, characterized in that, the channel arrangement ( 33 ) from the RF coil ( 30 ) is surrounded or protrudes into this. Beschichtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass, an einem Ende der Kanalanordnung (33) eine Gitteranordnung (35) angeordnet ist, die mindestens ein Gitter (36) aufweist, das auf einem definierten elektrischen Potential liegt.Coating device according to one of claims 1 to 10, characterized in that, at one end of the channel arrangement ( 33 ) a grid arrangement ( 35 ), which has at least one grid ( 36 ), which is at a defined electrical potential. Beschichtungseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass, die Gitteranordnung mindestens zwei Gitter (36) aufweist, die auf unterschiedlichen elektrischen Potentialen liegen.Coating device according to claim 11, characterized in that, the grating arrangement has at least two grids ( 36 ), which are at different electrical potentials. Beschichtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass, zwischen der HF-Ionisierungseinrichtung (22) und dem Substrathalter (12) ein Shutter (37) angeordnet ist.Coating device according to one of Claims 1 to 13, characterized in that, between the HF ionization device ( 22 ) and the substrate holder ( 12 ) a shutter ( 37 ) is arranged. Beschichtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass, in der Kammer (15) ein Kryoschild (19) angeordnet ist.Coating device according to one of claims 1 to 14, characterized in that, in the chamber ( 15 ) a cryoshield ( 19 ) is arranged. Verfahren zur Erzeugung epitaktischer Schichten, bei dem: ein Ausgangsstoff in einer Kammer (15) verdampft und mittels elektromagnetischer Energie wenigstens 0se in ionisierte Molekel überführt wird, die ionisierten Molekel einem elektrischen Feld ausgesetzt wird, um positiv geladene Ionen in Richtung eines Substrats zu beschleunigen, und die beschleunigten Ionen durch Kanäle (34) einer Kanalanordnung geleitet werden, um die Bewegungsrichtung der Ionen zu vereinheitlichen.Process for producing epitaxial layers, in which: a starting material in a chamber ( 15 ) and is converted by means of electromagnetic energy at least 0se in ionized molecules, the ionized molecule is exposed to an electric field to accelerate positively charged ions in the direction of a substrate, and the accelerated ions through channels ( 34 ) of a channel arrangement to unify the direction of movement of the ions.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102007043943B4 (en) 2007-09-14 2010-04-29 Von Ardenne Anlagentechnik Gmbh Method and device for coating substrates with doped layers

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007043943B4 (en) 2007-09-14 2010-04-29 Von Ardenne Anlagentechnik Gmbh Method and device for coating substrates with doped layers

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