DE102022000838A1 - System for producing at least one thinnest layer - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anlage zum Herstellen von wenigstens einer dünnsten Schicht, wobei die dünnste Schicht aus einer Gasphase auf einem Substrat abscheidend ausgebildet ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anlage bereitzustellen, mit der dünnste Schichten, etwa Graphen, höchst effizient zu fertigen sind. Diese Aufgabe ist mit einer Anlage der genannten Art durch das im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 genannte Merkmal gelöst. Nach der Erfindung ist also vorgesehen, dass das Substrat benachbart zu wenigstens einer rotierbar gelagerten Rolle angeordnet ist.The invention relates to a system for producing at least one thinnest layer, the thinnest layer being formed from a gas phase deposited on a substrate. The invention is based on the object of providing a system with which the thinnest layers, such as graphene, can be manufactured very efficiently. This task is solved with a system of the type mentioned by the feature mentioned in the characterizing part of patent claim 1. According to the invention it is therefore provided that the substrate is arranged adjacent to at least one rotatably mounted roller.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zum Herstellen von wenigstens einer dünnsten Schicht, wobei die dünnste Schicht aus einer Gasphase auf einem Substrat abscheidend ausgebildet ist.The invention relates to a system for producing at least one thinnest layer, the thinnest layer being formed from a gas phase deposited on a substrate.

Die dünnste Schicht kann beispielsweise aus Graphen bestehen. Graphen ist eine allotrope Form von Kohlenstoff, welche aus einer zweidimensionalen Schicht von Kohlenstoffatomen besteht, welche in einem hexagonalen Gitter angeordnet sind, ähnlich Bienenwaben. Graphen wird zunehmend als Halbleitermaterial genutzt und weist einzigartige optische, thermische und elektrische Eigenschaften auf. Graphen kann beispielsweise durch mechanische Exfolation, chemische Abblätterung mithilfe organischer Lösungsmittel oder chemische Gasphasenabscheidung hergestellt werden. Ideales Graphen weist nur eine Atomlage Kohlenstoff auf, man sprich aber auch bei einer dünnen Graphenschicht von zwei bis zehn Atomlagen noch von Graphen. Alternativ kann die dünnste Schicht aber auch jedes andere Material sein, welches sich durch chemische Gasphasenabscheidung auf einem Substrat bilden lässt, beispielsweise Silicen oder andere Materialien aus Atomen in einem hexagonalen Gitter, etwa aus Bor und Stickstoff oder Bor, Stickstoff und Silicium.The thinnest layer can consist of graphene, for example. Graphene is an allotropic form of carbon, which consists of a two-dimensional layer of carbon atoms arranged in a hexagonal lattice, similar to honeycombs. Graphene is increasingly being used as a semiconductor material and has unique optical, thermal and electrical properties. For example, graphene can be produced by mechanical exfoliation, chemical exfoliation using organic solvents, or chemical vapor deposition. Ideal graphene only has one atomic layer of carbon, but even a thin layer of graphene with two to ten atomic layers is still referred to as graphene. Alternatively, the thinnest layer can also be any other material that can be formed on a substrate by chemical vapor deposition, for example silicene or other materials made of atoms in a hexagonal lattice, for example boron and nitrogen or boron, nitrogen and silicon.

Eine Anlage eingangs genannter Art ist beispielsweise aus der WO 2020/187896 A1 bekannt. Dort ist ein System zur Herstellung von Graphen auf einem Substrat gezeigt, welches eine Kammer zum Bereitstellen einer Gasatmosphäre aufweist. In der Kammer ist eine erste Substratrolle für das Substrat vor einer Beschichtung mit Graphen vorhanden sowie eine zweite Substratrolle für das Substrat nach der Beschichtung mit Graphen. Zwischen den Substratrollen ist die Reaktionszone angeordnet, in der die Beschichtung des Substrats mit Graphen stattfindet. Die Abscheidung des Graphens aus der Gasphase findet bei Atmosphärendruck statt. Als Reaktionsgas dient ein Gemisch aus Kohlenstoffquellgas, Wasserstoff und Inertgas. Als mögliches Kohlenstoffquellqas wird insbesondere Methan, Ethan, Propan, Ethen, Propen, Benzen, Naphthalen oder Anthracen genannt. Als Inertgas werden insbesondere Argon, Xenon, Helium oder Stickstoff vorgeschlagen. Als Materialien für das Substrat werden verschiedene Metalle vorgeschlagen, etwa Nickel, Kobalt, Eisen, Platin, Gold, Aluminium, Chrom, Kupfer, Magnesium, Mangan, Molybdän, Rhodium, Silicium, Tantal, Titan, Wolfram, Uran, Vanadium, Zirkon, Messing, Bronze oder Stahl.A system of the type mentioned at the beginning is, for example, from the WO 2020/187896 A1 known. There, a system for producing graphene on a substrate is shown, which has a chamber for providing a gas atmosphere. In the chamber there is a first substrate roll for the substrate before coating with graphene and a second substrate roll for the substrate after coating with graphene. The reaction zone in which the coating of the substrate with graphene takes place is arranged between the substrate rolls. The deposition of graphene from the gas phase takes place at atmospheric pressure. A mixture of carbon source gas, hydrogen and inert gas serves as the reaction gas. Methane, ethane, propane, ethene, propene, benzene, naphthalene or anthracene are mentioned in particular as possible carbon sources. In particular, argon, xenon, helium or nitrogen are suggested as inert gas. Various metals are suggested as materials for the substrate, such as nickel, cobalt, iron, platinum, gold, aluminum, chromium, copper, magnesium, manganese, molybdenum, rhodium, silicon, tantalum, titanium, tungsten, uranium, vanadium, zirconium, brass , bronze or steel.

Nach der EP 3 632 846 A1 hingegen ist bekannt, zum Bilden von Graphen durch chemische Gasphasenabscheidung eine Oberfläche eines in einer Reaktionskammer angeordneten Substrats mit Plasma zu behandeln, während eine Spannung an das Substrat angelegt wird. Gemäß dieser Veröffentlichung herrscht bei der Gasphasenabscheidung ein Druck von 0,02-5 Torr. Das Plasma kann beispielsweise durch einen Radiofrequenzgenerator (RF-Plasma) oder durch eine Mikrowelle (MW-Plasma) erzeugt werden.After EP 3 632 846 A1 On the other hand, in order to form graphene by chemical vapor deposition, it is known to treat a surface of a substrate arranged in a reaction chamber with plasma while a voltage is applied to the substrate. According to this publication, a pressure of 0.02-5 Torr applies during vapor deposition. The plasma can be generated, for example, by a radio frequency generator (RF plasma) or by a microwave (MW plasma).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anlage bereitzustellen, mit der dünnste Schichten, etwa Graphen, höchst effizient zu fertigen sind.The invention is based on the object of providing a system with which the thinnest layers, such as graphene, can be manufactured very efficiently.

Diese Aufgabe ist mit einer Anlage der genannten Art durch das im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 genannte Merkmal gelöst.This task is solved with a system of the type mentioned by the feature mentioned in the characterizing part of patent claim 1.

Nach der Erfindung ist also vorgesehen, dass das Substrat benachbart zu wenigstens einer rotierbar gelagerten Rolle angeordnet ist. Die Rolle ist dabei derart zum Substrat positioniert, dass die Rolle das Substrat nicht berührt, sondern beabstandet zum Substrat angeordnet ist. Die Rolle ist dabei rotierbar gelagert, kann sich also drehen. Vorteilhaft ist hierbei, wenn die Rolle derart drehbar ist, dass eine Mittelachse der Rolle parallel zum Substrat orientiert ist und der Abstand der Mittelachse der Rolle zum Substrat bei einer Drehung konstant bleibt.According to the invention it is therefore provided that the substrate is arranged adjacent to at least one rotatably mounted roller. The roller is positioned relative to the substrate in such a way that the roller does not touch the substrate, but is arranged at a distance from the substrate. The roller is mounted so that it can rotate, so it can rotate. It is advantageous here if the roller is rotatable in such a way that a central axis of the roller is oriented parallel to the substrate and the distance of the central axis of the roller to the substrate remains constant during rotation.

Besonders vorteilhaft ist die Rolle mit einem elektrischen Potenzial zur Ausbildung eines Plasmas beaufschlagbar ausgebildet. Das heißt, in einer erfindungsgemäßen Anlage wird das Plasma bevorzugt durch ein hohes elektrisches Potenzial gebildet und nicht durch angelegte Mikrowellen, Radiofrequenz oder induktive Kopplung. Alternativ kann eine erfindungsgemäße Anlage aber auch so, ausgestaltet werden, dass das Plasma durch einen Mikrowellenerzeuger zur Bildung eines MW-Plasmas oder durch einen Radiofrequenzerzeuger zur Bildung eines RF-Plasmas oder durch eine Spule zur Bildung eines induktiv gekoppelten Plasmas bzw. ICP erzeugt wird.The role is particularly advantageously designed to be subjected to an electrical potential to form a plasma. This means that in a system according to the invention, the plasma is preferably formed by a high electrical potential and not by applied microwaves, radio frequency or inductive coupling. Alternatively, a system according to the invention can also be designed in such a way that the plasma is generated by a microwave generator to form a MW plasma or by a radio frequency generator to form an RF plasma or by a coil to form an inductively coupled plasma or ICP.

Besonders vorteilhaft sind wenigstens zwei Rollen vorgesehen, welche derart angeordnet sind, dass das Substrat mittig zwischen den Rollen positioniert ist. Auch hierbei sind die Rollen so angeordnet, dass sie das Substrat - auch bei Drehung - nicht berühren. In diesem Fall können beide Rollen mit einem elektrischen Potenzial zur Bildung eines Plasmas beaufschlagt werden, und zwar eine Rolle als Anode und eine Rolle als Kathode, wenn an die Rollen Gleichspannung angelegt wird. Alternativ kann an die beiden Rollen auch Wechselspannung angelegt werden, wobei auch hier die beiden Rollen jeweils als Gegenpol geschaltet werden können. Diese Anordnung empfiehlt sich insbesondere, wenn das Substrat bandförmig ist. Dann können die Rollen, welche idealisiert als Zylinder vorstellbar sind, mit einer Umfangseite parallel benachbart zu einer flächigen Oberfläche des band- oder folienförmigen Substrats angeordnet sein.Particularly advantageously, at least two rollers are provided, which are arranged in such a way that the substrate is positioned centrally between the rollers. Here too, the rollers are arranged so that they do not touch the substrate - even when rotating. In this case, both rollers can be subjected to an electrical potential to form a plasma, namely one role as an anode and one role as cathode, when DC voltage is applied to the rollers. Alternatively, alternating voltage can also be applied to the two rollers, whereby the two rollers can also be switched as opposite poles. This arrangement is particularly recommended if the substrate is band-shaped. Then the rollers, which can ideally be imagined as cylinders, can have one circumferential side parallel to each other be arranged on a flat surface of the band- or film-shaped substrate.

Alternativ kann aber auch nur eine Rolle vorhanden sein, welche erfindungsgemäß aber ebenfalls mit einem elektrischen Potenzial, entweder mit Gleichspannung oder Wechselspannung, beaufschlagbar ist. Als Gegenpol kann in diesem Fall beispielsweise ein Gehäuse der Anlage dienen. Andererseits kann in der Anlage auch ein Blech vorgesehen sein, welches als Gegenpol zu der Rolle mit elektrischem Potenzial beaufschlagbar ist.Alternatively, only one roller can be present, which according to the invention can also be subjected to an electrical potential, either direct voltage or alternating voltage. In this case, a housing of the system, for example, can serve as a counterpoint. On the other hand, a sheet metal can also be provided in the system, which can be subjected to electrical potential as a counterpole to the roller.

Bei einem bandförmigen Substrat ist es vorteilhaft, wenn die Rolle bzw. die Rollen als Zylinder geformt sind, wobei eine Grundfläche des Zylinders senkrecht zum Substrat orientiert ist und eine Mittelachse des Zylinders parallel zu dem Substrat angeordnet ist. Hierbei ist vorteilhaft, dass wenn eine Höhe des Zylinders mindestens der Breite des Substrats entspricht. Somit ist die Rolle wenigstens genau so breit wie das Substrat, idealerweise ist die Rolle sogar breiter als das Substrat. Dies führt dazu, dass das Plasma über die gesamte Breite des Substrats gebildet wird, idealerweise sogar darüber hinaus.In the case of a band-shaped substrate, it is advantageous if the roller or rollers are shaped as a cylinder, with a base surface of the cylinder being oriented perpendicular to the substrate and a central axis of the cylinder being arranged parallel to the substrate. It is advantageous here if a height of the cylinder corresponds at least to the width of the substrate. The roll is therefore at least as wide as the substrate, ideally the roll is even wider than the substrate. This results in the plasma being formed across the entire width of the substrate, ideally even beyond it.

Als bandförmiges Substrat kann beispielsweise eine Metallfolie, z.B. aus Aluminium, Chrom, Gold, Palladium, Rhodium, Vanadium oder einem anderen Metall, dienen. Alternativ kann das Substrat aber auch eine Kunststofffolie, z.B. aus Polyethylen, Polypropylen oder einem anderen Polymer, sein. Ebenfalls ist denkbar, dass das Substrat durch einen Flüssigkeitsfilm gebildet wird, der beispielsweise durch Fäden oder Drähte begrenzt wird. Ebenfalls ist denkbar, das Substrat nur initial zur Unterstützung einer Abscheidung einzusetzen, sodass nach einem Anfahren eines Abscheidungsprozesses die sich bildende dünnste Schicht fortan selbst das weitere Substrat bildet. Es ist außerdem denkbar, dass das Substrat Impfstrukturen für den Abscheidungsprozess enthält.A metal foil, for example made of aluminum, chromium, gold, palladium, rhodium, vanadium or another metal, can serve as the band-shaped substrate. Alternatively, the substrate can also be a plastic film, for example made of polyethylene, polypropylene or another polymer. It is also conceivable that the substrate is formed by a liquid film, which is delimited, for example, by threads or wires. It is also conceivable to use the substrate only initially to support a deposition, so that after starting a deposition process, the thinnest layer that forms from then on itself forms the further substrate. It is also conceivable that the substrate contains seed structures for the deposition process.

Außerdem ist auch vorstellbar, dass das Substrat draht- bzw. fadenförmig ausgebildet ist. In diesem Fall ist es vorstellbar, dass mehr als 2 Rollen, beispielsweise 3 oder 4 oder 5 Rollen, um das drahtförmige Substrat anzuordnen. Auch in diesem Fall können die Rollen als Zylinder ausgebildet sein, deren Grundfläche senkrecht zum Substrat orientiert ist. Je nach Anzahl der Rollen gibt es verschiedene Möglichkeiten, eine, mehrere oder alle der Rollen mit elektrischem Potenzial zu beaufschlagen. Zum Beispiel kann eine Spannungsquelle mit mehr als zwei Phasen verwendet werden und jeder Rolle wird eine Phase der Spannungsquelle zugeordnet. Beispielsweise kann dreiphasiger Drehstrom verwendet werden und bei drei Rollen um ein drahtförmiges Substrat kann an jede Rolle eine andere Phase verschaltet werden, wobei die Phasen jeweils um 120° versetzt zueinander sind. Für den Fachmann sind noch zahlreiche weitere Möglichkeiten offensichtlich umsetzbar, welche hier nicht alle einzeln aufgeführt werden müssen.It is also conceivable that the substrate is designed in the form of a wire or thread. In this case, it is conceivable that more than 2 rollers, for example 3 or 4 or 5 rollers, to arrange the wire-shaped substrate. In this case too, the rollers can be designed as cylinders, the base of which is oriented perpendicular to the substrate. Depending on the number of rollers, there are different options for applying electrical potential to one, several or all of the rollers. For example, a voltage source with more than two phases can be used and each role is assigned a phase of the voltage source. For example, three-phase three-phase current can be used and with three rolls around a wire-shaped substrate, a different phase can be connected to each roll, with the phases being offset from one another by 120°. There are numerous other options that can obviously be implemented by a person skilled in the art, not all of which need to be listed individually here.

Es hat sich außerdem als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Rolle Erhebungen und/oder Einkerbungen aufweist. Somit ist eine Oberfläche der Umfangseite der Rolle nicht glatt ausgeführt, sondern weist berg- und/oder talartige Strukturen auf. Diese helfen gemeinsam mit einer Rotation der Rolle um die parallel zum Substrat angeordnete Mittelachse dabei, reaktionsfreudige Bestandteile des Plasmas zum Substrat hinzubefördern, in der Wirkung ähnlich einem Schaufelrad.It has also proven to be advantageous if the roller has elevations and/or notches. A surface of the peripheral side of the roller is therefore not smooth, but has mountain and/or valley-like structures. These, together with a rotation of the roller around the central axis arranged parallel to the substrate, help to transport reactive components of the plasma to the substrate, with the effect being similar to a paddle wheel.

Als vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn wenigstens ein Gaseinlass benachbart zu der Rolle auf einer dem Substrat gegenüberliegend Seite angeordnet ist. Somit kann ein Gas, welches für eine Abscheidung auf dem Substrat benötigt wird, neben der Rolle eingeleitet werden und kann diese umströmen, um in der Nähe der Rolle zu einem Plasma angeregt zu werden und anschließend in Form eines Plasmas auf das Substrat treffen.It has proven to be advantageous if at least one gas inlet is arranged adjacent to the roller on a side opposite the substrate. A gas, which is required for a deposition on the substrate, can therefore be introduced next to the roller and can flow around it in order to be excited into a plasma in the vicinity of the roller and then hit the substrate in the form of a plasma.

Bevorzugt ist wenigstens ein Gasauslass benachbart zu der Rolle und benachbart zum Substrat angeordnet. Damit strömt das Gas, nachdem es das Substrat passiert hat, direkt zum Gasauslass. Gaseinlass und Gasauslass sind also so angeordnet, dass das Gas nach Möglichkeit nur zum Substrat geleitet wird und anschließend direkt abgepumpt bzw. aus der Anlage heraus geleitet werden kann.Preferably, at least one gas outlet is arranged adjacent to the roller and adjacent to the substrate. This means that after the gas has passed through the substrate, it flows directly to the gas outlet. The gas inlet and gas outlet are arranged in such a way that, if possible, the gas is only directed to the substrate and can then be pumped out directly or led out of the system.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist benachbart zu der Rolle wenigstens eine Ebene vorhanden, welche beabstandet zu der Rolle die Rolle gekrümmt ausgehend vom Gaseinlass bis kurz vor das Substrat einen Abstand zum Substrat bildend umschließt. Die Ebene kann beispielsweise aus Blech ausgebildet sein. Die Ebene wirkt somit wie ein Strömungsleitblech, welches das Gas vom Gaseinlass hin zu dem Substrat leitet und begünstigt, dass das Gas nahe der Rolle zu einem Plasma angeregt werden kann. Also bildet sich zwischen der Ebene und der Rolle ein Strömungskanal von dem Gaseinlass bis zum Substrat. Die Ebene verhindert weiterhin, dass das Plasma sich überall in der Anlage ausdehnt und dient somit auch als Schutz beispielsweise des Gehäuses der Anlage vor Plasma und übermäßiger Abscheidung der dünnsten Schicht - beispielsweise Graphen - an Stellen in der Anlage, wo eine Abscheidung unerwünscht ist. Somit begünstigt das Vorhandensein der Ebene eine konzentrierte Schichtbildung auf dem Substrat.According to an advantageous development of the invention, there is at least one plane adjacent to the roller, which, at a distance from the roller, encloses the roller in a curved manner starting from the gas inlet to just before the substrate, forming a distance from the substrate. The plane can be made of sheet metal, for example. The plane thus acts like a flow baffle, which directs the gas from the gas inlet to the substrate and ensures that the gas can be excited into a plasma near the roller. So a flow channel is formed between the plane and the roller from the gas inlet to the substrate. The plane further prevents the plasma from expanding everywhere in the system and thus also serves to protect, for example, the housing of the system from plasma and excessive deposition of the thinnest layer - for example graphene - in places in the system where deposition is undesirable. Thus, the presence of the plane promotes concentrated layer formation on the substrate.

Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, die Ebene elektrisch geerdet auszubilden. Somit kann sich ein Plasma entkoppelt von einem Depositionsort sauber, d.h. ohne Ares, bilden. Somit wird ein elektrischer Lichtbogen durch das Plasma vermieden. Die notwendigen gasförmigen, teilweise ionisierten Moleküle bzw. Ionen können so für die Abscheidung bereits im Vorfeld erzeugt werden, d.h. bevor das Gas bzw. Plasma auf das Substrat trifft. Das Plasma bleibt somit innerhalb eines definierten Bereichs stabil, also im durch die Ebene und die Rolle begrenzten Strömungskanal.It has proven to be advantageous to design the level to be electrically grounded. Thus can A plasma can form cleanly, decoupled from a deposition site, ie without Ares. This avoids an electric arc through the plasma. The necessary gaseous, partially ionized molecules or ions can thus be generated in advance for the deposition, ie before the gas or plasma hits the substrate. The plasma thus remains stable within a defined area, i.e. in the flow channel delimited by the plane and the roller.

Bevorzugt ist eine erste Substratrolle auf einer dem Gaseinlass und dem Gasauslass gegenüberliegenden Seite angeordnet, während eine zweite Substratrolle auf einer gleichen Seite wie der Gaseinlass und der Gasauslass angeordnet ist. Dabei sind die erste Substratrolle zum Abrollen des Substrats und die zweite Substratrolle zum Aufrollen des Substrats ausgebildet. Somit kann das Substrat durch die erste und zweite Substratrolle straff gespannt an der Rolle vorbei befördert werden, wo die Abscheidung stattfindet. Beispielsweise kann sowohl die erste Substratrolle als auch die zweite Substratrolle rotatorisch angetrieben werden. Alternativ kann auch die erste Substratrolle frei drehend gelagert sein und nur die zweite Substratrolle ist rotatorisch angetrieben ausgebildet.Preferably, a first substrate roll is arranged on a side opposite the gas inlet and the gas outlet, while a second substrate roll is arranged on a same side as the gas inlet and the gas outlet. The first substrate roll is designed to unroll the substrate and the second substrate roll is designed to roll up the substrate. Thus, the substrate can be conveyed taut by the first and second substrate rollers past the roller where the deposition takes place. For example, both the first substrate roll and the second substrate roll can be driven in rotation. Alternatively, the first substrate roll can also be mounted to rotate freely and only the second substrate roll is designed to be rotationally driven.

Die erfindungsgemäße Anlage einschließlich seiner vorteilhaften Weiterbildungen gemäß der abhängigen Patentansprüche wird nachfolgend anhand zeichnerischer Darstellungen näher erläutert.The system according to the invention, including its advantageous developments according to the dependent claims, is explained in more detail below using drawings.

Es zeigt:

  • 1 schematisch eine erfindungsgemäße Anlage in einem Querschnitt;
  • 2 schematisch zwei verschiedene Ausführungsformen für die Rolle.
It shows:
  • 1 schematically a system according to the invention in a cross section;
  • 2 schematically two different embodiments for the role.

In 1 ist eine mögliche Ausführungsform der Anlage 1 schematisch im Querschnitt dargestellt. Die Anlage 1 weist zwei Rollen 5 auf. Zwischen den Rollen 5 ist mittig das Substrat 4 derart angeordnet, dass das Substrat 4 keine der Rollen 5 berührt. Das Substrat 4 reicht dabei von der ersten Substratrolle 8 zur zweiten Substratrolle 9, wobei das Substrat 4 von der ersten Substratrolle 8 abgerollt und auf die zweite Substratrolle 9 aufgerollt werden kann. Auf dem Substrat 4 wird die dünnste Schicht 2 gebildet.In 1 A possible embodiment of system 1 is shown schematically in cross section. The system 1 has two roles 5. The substrate 4 is arranged centrally between the rollers 5 in such a way that the substrate 4 does not touch any of the rollers 5. The substrate 4 extends from the first substrate roll 8 to the second substrate roll 9, whereby the substrate 4 can be unrolled from the first substrate roll 8 and rolled onto the second substrate roll 9. The thinnest layer 2 is formed on the substrate 4.

Eine derartige Anordnung wie in 1 ist insbesondere für ein bandförmiges Substrat 4 vorteilhaft. Alternativ ist die Anlage 1 auch nur mit einer Rolle 5 denkbar.Such an arrangement as in 1 is particularly advantageous for a band-shaped substrate 4. Alternatively, system 1 is also conceivable with only one role 5.

Auf der gleichen Seite wie die zweite Substratrolle 9 befinden sich - je Rolle - ein Gaseinlass 6 und ein Gasauslass 7. Der Gaseinlass 6 ist dabei jeweils auf der vom Substrat 4 abgewandten Seite der Rolle 5 angeordnet und der Gasauslass 7 ist an der vom Substrat 4 zugewandten Seite der Rolle 5 angeordnet. Somit sind die beiden Gasauslässe 7 benachbart zueinander nahe am Substrat 4 bzw. der zweiten Substratrolle 9 angeordnet.On the same side as the second substrate roll 9 there are - per roll - a gas inlet 6 and a gas outlet 7. The gas inlet 6 is arranged on the side of the roll 5 facing away from the substrate 4 and the gas outlet 7 is on the side of the substrate 4 facing side of the roller 5 arranged. The two gas outlets 7 are thus arranged adjacent to one another close to the substrate 4 or the second substrate roll 9.

Weiterhin ist die Ebene 10 ersichtlich, welche sich ausgehend vom Gaseinlass 6 einer Krümmung der Rolle 5 folgende um die Rolle 5 erstreckt bis kurz vor das Substrat 4, einen Abstand zum Substrat 4 bildend. Damit bildet sich zwischen der Ebene 10 und der Rolle 5 vom Gaseinlass 6 bis zum Substrat 4 ein Strömungskanal.Furthermore, the plane 10 can be seen, which, starting from the gas inlet 6, extends around the roller 5 following a curvature of the roller 5 until just before the substrate 4, forming a distance from the substrate 4. This forms a flow channel between the level 10 and the roller 5 from the gas inlet 6 to the substrate 4.

Die in 1 gezeigte Anlage 1 funktioniert folgendermaßen: Über den Gasauslass bzw. die Gasauslässe 7 kann die Anlage 1 evakuiert werden, das heißt ein Druck von beispielsweise 0,0001 bis 100 mbar ist gezielt einstellbar. Alternativ kann auch ein Druck von 100 bis 2000 mbar eingestellt werden. Über den Gaseinlass bzw. die Gaseinlässe 6 ist ein Gas in die Anlage 1 einleitbar. Das Gas kann eine Kohlenstoff enthaltende Verbindung sein, z.B. Methan, Ethan, Ethen, Acetylen, Propen, Propan, Benzen oder eine andere Kohlenstoffverbindung. Weiterhin kann das Gas eine inerte Komponente enthalten, etwa ein Edelgas wie Helium, Neon, Argon, Xenon oder Krypton oder ein anderes Inertgas wie Stickstoff. Des Weiteren kann das Gas auch eine reduzierende Komponente enthalten, etwa Wasserstoffgas. Verschiedene mögliche Zusammensetzungen dieser Komponenten für eine Graphengasphasenabscheidung sind im Stand der Technik bekannt.In the 1 The system 1 shown works as follows: The system 1 can be evacuated via the gas outlet or gas outlets 7, that is to say a pressure of, for example, 0.0001 to 100 mbar can be specifically set. Alternatively, a pressure of 100 to 2000 mbar can also be set. A gas can be introduced into the system 1 via the gas inlet or gas inlets 6. The gas may be a carbon-containing compound, such as methane, ethane, ethene, acetylene, propene, propane, benzene or another carbon compound. Furthermore, the gas can contain an inert component, such as a noble gas such as helium, neon, argon, xenon or krypton or another inert gas such as nitrogen. Furthermore, the gas can also contain a reducing component, such as hydrogen gas. Various possible compositions of these components for graphene vapor deposition are known in the art.

Das eingeleitete Gas passiert die wenisgtens eine Rolle 5 und den durch die Rolle 5 und die Ebene 10 gebildeten Strömungskanal. Die Rolle 5 weist dabei ein hohes elektrisches Potenzial auf, wodurch das Gas ein Plasma bildet. Dabei kann eine erste Rolle 5 mit kathodischem Potenzial beaufschlagt sein und eine zweite Rolle 5 mit anodischem Potenzial. Alternativ können die beiden in 1 gezeigten Rollen 5 auch mit Wechselspannung beaufschlagt werden, wobei die erste Rolle 5 einen Gegenpol zu der zweiten Rolle 5 bildet.The introduced gas passes through at least one roller 5 and the flow channel formed by the roller 5 and the level 10. The roller 5 has a high electrical potential, whereby the gas forms a plasma. A first role 5 can be acted upon with cathodic potential and a second role 5 with anodic potential. Alternatively, the two can 1 The rollers 5 shown are also subjected to alternating voltage, the first roller 5 forming a counterpole to the second roller 5.

Die Rollen 5 gemäß 1 weisen Erhebungen 12 an ihren Umfangsflächen auf. Durch die Rotation der Rollen 5 um ihre jeweilige Mittelachse 11 werden also die Erhebungen 12 mitgedreht, sodass die Rollen 5 ähnlich wie Schaufelräder wirken und das Gas bzw. Plasma in Richtung des Substrats 4 befördern können. Dabei erfolgt die Rotation der wenigstens einen Rolle 5 vorteilhaft derart, dass die Rolle 5 bzw. die Erhebungen 12 oder Vertiefungen 13 auf der Rolle 5 vom Gaseinlass 6 zum Gasauslass 7 hin gedreht werden. In der in 1 gezeigten Ausführungsform bedeutet das, dass die Rollen 5 sich gegenläufig drehen.The roles 5 according to 1 have surveys 12 on their peripheral surfaces. By rotating the rollers 5 about their respective central axis 11, the elevations 12 are also rotated, so that the rollers 5 act similarly to paddle wheels and can transport the gas or plasma in the direction of the substrate 4. The rotation of the at least one roller 5 advantageously takes place in such a way that the roller 5 or the elevations 12 or depressions 13 on the roller 5 are rotated from the gas inlet 6 to the gas outlet 7. In the in 1 In the embodiment shown, this means that the rollers 5 rotate in opposite directions.

Erfindungsgemäß dient die wenigstens eine Rolle 5 also sowohl zur Erzeugung des Plasmas als auch zur Beförderung des Plasmas hin zum Substrat 4, insbesondere zu einer Reaktionszone zwischen der Ebene 10 und dem Gasauslass 7. In einem Bereich dieser Reaktionszone findet benachbart zu der wenigstens einen Rolle 5 die Abscheidung der dünnsten Schicht 2 auf dem Substrat 4 statt, beispielsweise von Graphen. Da diese Abscheidung durch ein Plasma unterstützt wird, ist dies eine plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung bzw. Plasma-Enhanced Physical Vapor Deposition, PE-CVD.According to the invention, the at least one roller 5 serves both to generate the plasma and to transport the plasma to the substrate 4, in particular to a reaction zone between the plane 10 and the gas outlet 7. In an area of this reaction zone takes place adjacent to the at least one roller 5 the deposition of the thinnest layer 2 on the substrate 4 takes place, for example graphene. Since this deposition is supported by a plasma, this is a plasma-assisted chemical vapor deposition or plasma-enhanced physical vapor deposition, PE-CVD.

In 2 sind schematisch zwei verschiedene Ausführungsformen für die Rolle 5, 5' gezeigt. Die rechte Ausführungsform mit Erhebungen entspricht der Rolle 5 mit Erhebungen 12, wie sie auch in 1 zu sehen ist. Die linke Ausführungsform der Rolle 5' stellt einen Zylinder im Querschnitt dar, der Einkerbungen 13 aufweist. Die Einkerbungen 13 entsprechen also Ausnehmungen bzw. Dellen an der Umfangseite des Zylinders. Alternativ sind auch Rollen 5, 5' denkbar, welche sowohl Erhebungen als auch Einkerbungen aufweisen.In 2 Two different embodiments for the roller 5, 5 'are shown schematically. The right-hand embodiment with elevations corresponds to the role 5 with elevations 12, as shown in 1 you can see. The left embodiment of the roller 5 'represents a cylinder in cross section which has notches 13. The notches 13 therefore correspond to recesses or dents on the peripheral side of the cylinder. Alternatively, rollers 5, 5' are also conceivable, which have both elevations and notches.

BezugszeichenlisteReference symbol list

11
AnlageAttachment
22
dünnste Schichtthinnest layer
33
Gasphasegas phase
44
SubstratSubstrate
55
Rollerole
5'5'
Rollerole
66
GaseinlassGas inlet
77
GasauslassGas outlet
88th
erste Substratrollefirst substrate roll
99
zweite Substratrollesecond substrate roll
1010
Ebenelevel
1111
MittelachseCentral axis
1212
Erhebungensurveys
1313
EinkerbungenNotches

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • WO 2020/187896 A1 [0003]WO 2020/187896 A1 [0003]
  • EP 3632846 A1 [0004]EP 3632846 A1 [0004]

Claims (11)

Anlage (1) zum Herstellen von wenigstens einer dünnsten Schicht (2), wobei die dünnste Schicht (2) aus einer Gasphase (3) auf einem Substrat (4) abscheidend ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (4) benachbart zu wenigstens einer rotierbar gelagerten Rolle (5) angeordnet ist.Plant (1) for producing at least one thinnest layer (2), the thinnest layer (2) being formed from a gas phase (3) deposited on a substrate (4), characterized in that the substrate (4) is adjacent to at least a rotatably mounted roller (5) is arranged. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rolle (5) mit einem elektrischen Potenzial zur Ausbildung eines Plasmas beaufschlagbar ausgebildet ist.Plant according to Claim 1 , characterized in that the roller (5) is designed to be acted upon with an electrical potential to form a plasma. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Gaseinlass (6) benachbart zu der Rolle (5) auf einer dem Substrat (4) gegenüberliegend Seite angeordnet ist.Plant according to Claim 1 or 2 , characterized in that at least one gas inlet (6) is arranged adjacent to the roller (5) on a side opposite the substrate (4). Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Gasauslass (7) benachbart zu der Rolle (5) und benachbart zum Substrat (4) angeordnet ist.System according to one of the preceding claims, characterized in that at least one gas outlet (7) is arranged adjacent to the roller (5) and adjacent to the substrate (4). Anlage nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Substratrolle (8) auf einer dem Gaseinlass (6) und dem Gasauslass (7) gegenüberliegenden Seite angeordnet ist.Plant according to the Claims 3 and 4 , characterized in that a first substrate roll (8) is arranged on a side opposite the gas inlet (6) and the gas outlet (7). Anlage nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Substratrolle (9) auf einer gleichen Seite wie der Gaseinlass (6) und der Gasauslass (7) angeordnet ist.Plant according to the Claims 3 and 4 , characterized in that a second substrate roll (9) is arranged on a same side as the gas inlet (6) and the gas outlet (7). Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rolle (5) Erhebungen (12) und/oder Einkerbungen (13) aufweist.System according to one of the preceding claims, characterized in that the roller (5) has elevations (12) and/or notches (13). Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Substratrolle (8) zum Abrollen des Substrats (4) und die zweite Substratrolle (9) zum Aufrollen des Substrats (4) ausgebildet sind.System according to one of the preceding claims, characterized in that the first substrate roll (8) is designed to unroll the substrate (4) and the second substrate roll (9) is designed to roll up the substrate (4). Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass benachbart zu der Rolle (5) wenigstens eine Ebene (10) vorhanden ist, welche beabstandet zu der Rolle (5) die Rolle (5) gekrümmt ausgehend vom Gaseinlass (6) bis kurz vor das Substrat (4) einen Abstand zum Substrat (4) bildend umschließt.System according to one of the preceding claims, characterized in that adjacent to the roller (5) there is at least one plane (10) which, at a distance from the roller (5), curves the roller (5) starting from the gas inlet (6) until just before the substrate (4) encloses a distance from the substrate (4). Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ebene (10) elektrisch geerdet ausgebildet ist.Plant according to Claim 9 , characterized in that the plane (10) is designed to be electrically grounded. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Rollen (5) vorgesehen sind, welche derart angeordnet sind, dass das Substrat (4) mittig zwischen den Rollen (5) positioniert ist.System according to one of the preceding claims, characterized in that at least two rollers (5) are provided, which are arranged such that the substrate (4) is positioned centrally between the rollers (5).
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