DE19511783C2

DE19511783C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen einer dünnen Schicht und Verwendung dieses Verfahrens zur Bildung einer dünnen Schicht

Info

Publication number: DE19511783C2
Application number: DE19511783A
Authority: DE
Inventors: Yoshiyuki Abe
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1994-06-30
Filing date: 1995-03-30
Publication date: 2002-12-12
Anticipated expiration: 2015-03-31
Also published as: FR2721946A1; GB2290801A; GB2290801B; US5635241A; JP2590438B2; FR2721946B1; GB9506510D0; JPH0810609A; DE19511783A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen einer dünnen Schicht und Verwendung dieses Verfahrens zur Bildung einer dünnen Schicht, zum Beispiel bei Halbleitern und Supraleitern.

Technologien zum Bilden eines dünnen Films oder einer dünnen Schicht auf einem Substrat oder zum Beschichten einer Materialoberfläche in Form eines. Filmes oder einer Schicht sind für die Entwicklung von neuen Materialien, wie zum Beispiel Halbleitermaterialien, metallische Mate rialien, organische Materialien, Kompositmaterialien und so weiter bekannt. Deshalb wurden verschiedene Herstel lungsverfahren, wie z. B. die folgenden entwickelt. Dampfabscheidung (physical vapor deposition), wie zum Beispiel Vakuumabscheidung, Sputtern, chemische Abschei dung, wie zum Beispiel chemische Dampfabscheidung (chemi cal vapor deposition) und Flammenbeschichtung. Auch Vor richtungen dafür wurden entwickelt.

Bei diesen Herstellungsprozessen gibt es viele ungelöste Probleme, wie zum Beispiel das der Affinität zwischen verschiedenen Materialien, die in dünnen Schichten auf dem Substrat gebildet werden sollen, das der physikali schen und chemischen Stabilität der dünnen Schicht, und das der Kontrolle bzw. Steuerung der Schichtdicke und -qualität. Derartige Probleme werden wegen der zunehmen den Vielfalt der Materialien und den Anforderungen an die erforderlichen Materialeigenschaften, immer wichtiger.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die oben er wähnten Probleme zu lösen und ein Verfahren vorzusehen, um einen dünnen Film bzw. eine dünne Schicht mit einer hohen Film- bzw. Schichtqualitätsteuerbarkeit und einer hohen Abscheidungsgeschwindigkeit zu erzeugen.

Aus der DE 42 09 384 C1 ist eine Einrichtung zum Vakuumbe schichten von Massengut bekannt. Mit dieser Einrichtung werden zu beschichtende Kleinteile in einer Trommel mit sehr hoher Drehzahl gedreht, wodurch die Teile durch die Fliehkraft an den Innenumfang der Trommel gedrückt und fixiert werden. In zeitlichen Abständen werden die Teile durch mechanische Mittel abgestreift, verändern ihre Lage und werden in einer anderen Position erneut fixiert.

Des weiteren ist aus der Druckschrift DE-AS 15 21 220 ein CVD-Verfahren und eine dazugehörige Vorrichtung bekannt, wobei ein Schüttgut in einem um seine Vertikalachse ro tierenden glockenförmigen Gefäß mittels Glimmladung ni triert, carboriert, boriert oder siliziert wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen einer dünnen Schicht auf einem Substrat anzugeben bzw. zu schaffen, um eine dünne Schicht mit einer hohen Abscheidungsrate zu erzeugen, wobei die Schichtqualität gesteuert werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 enthaltenen Merkmale gelöst.

Das Substrat kann erwärmt werden und ein Material, das deponiert werden soll, kann verdampft werden, und zwar durch Erwärmen bzw. Erhitzen, und auf dem Substrat depo niert bzw. abgeschieden oder aufgetragen werden.

Das Substrat kann erwärmt werden und ein Materialgas des zu deponierenden Materials kann auf die erwärmte Oberflä che geliefert werden, um einen dünnen Film durch eine chemische Reaktion auf der Oberfläche des Substrats zu bilden.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung vorgesehen, um einen dünnen Film bzw. eine dünne Schicht zu erzeugen, die folgendes aufweist:
mindestens eine Dünnschichtproduktionskammer, die ein Substrat beherbergt; und
Mittel zum Erzeugen eines hohen Schwerkraftfeldes in der Dünnschichtproduktionskammer.

Die Erzeugungsmittel des hohen Schwerkraftfeldes können einen Rotor aufweisen, der sich bei einer hohen Ge schwindigkeit dreht und einen Arm, der den Rotor und die Dünnschichtproduktionskammer miteinander verbindet.

Eine Vielzahl von Dünnschichtproduktionskammern und die Arme können vorgesehen sein und symmetrisch bezüglich des Rotors angeordnet sein.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird zum Beispiel in dem Fall eines chemischen Abscheidungsverfahrens durch den Effekt der hohen Schwerkraft die Erzeugung von Kernen für die Ausfällung oder Abscheidung gefördert, damit die che mische Reaktion rasch fortschreitet, und zwar schneller als in dem Fall, in dem keine Schwerkraft angelegt wird. Ebenfalls, da Konvektion durch die hohe Schwerkraft be reitgestellt wird, kann ein Film bzw. eine Schicht in ei ner ziemlich kurzen Periode gebildet werden. Außerdem, da sowohl Diffusion als auch natürliche Konvektion in dem normalen Schwerkraftfeld anwesend sind, wird wahrschein lich eine Fluktuation in der Film- bzw. Schichtdicke und der Film- bzw. der Schichtqualität verursacht. Außerdem ist in dem hohen Schwerkraftfeld die natürliche Konvekti on der Diffusion weit überlegener, so daß die Dickenver teilung einheitlich bzw. gleichförmig wird, sogar wenn eine dicke Schicht gebildet wird, und ebenfalls kann eine einheitliche bzw. gleichförmige Schichtqualität erhalten werden. Da die Größe der Kristallkörner, die den Film aufbauen, sich signifikant gemäß dem Anwachsen der Schwerkraft erhöht, kann eine Schicht mit riesigen Kri stallkörnern unter dem hohen Schwerkraftfeld gebildet werden. Deshalb kann eine neue Funktion, verschieden von den existierenden dünnen Schichten mit feinen Kristall körnern erwartet werden. Durch Steuerung bzw. Kontrolle der Schwerkraft oder durch Positionieren des Substrates schräg zu der Schwerkraftrichtung, kann es erleichtert werden, einen Gradienten in der chemischen Spezies, die den Kristall aufbaut, der Kristallkorngröße und der Schichtdicke vorzusehen.

Die vorliegende Erfindung wird an Hand eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben.

In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht, die den allge meinen Aufbau eines Beispiels einer Dünnschicht erzeugungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfin dung zeigt;

Fig. 2 eine Schnittansicht einer Dünnschichtproduktions kammer; und

Fig. 3 eine Seitenansicht, die ein Beispiel eines Dreh mechanismus eines Hochgeschwindigkeitsdrehrotors zeigt.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung, die den allge meinen Aufbau eines Ausführungsbeispiels einer Dünn schichterzeugungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Er findung zeigt. Die gezeigte Vorrichtung verwendet die Zentrifugalkraft und weist einen Hochgeschwindigkeits drehrotor 1 auf, der sich auf einer Basis 1A dreht, einen Arm 2 und eine Dünnschichtproduktionskammer 3. Der Arm 2 wird schwenkbar auf dem Hochgeschwindigkeitsdrehrotor 1 über einen Stift 4 getragen. Die Dünnschichtproduktions kammer 3 wird schwenkbar von dem spitzen Ende des Arms 2 über einen Stift 5 aufgehängt.

Fig. 2 ist eine schematische Schnittansicht der Dünn schichtproduktionskammer 3 für eine Vakuumabscheidung. Ein Substrat 7 wird von einem Halter 6 innerhalb der Dünnschichtproduktionskammer 3 getragen. Falls notwendig, kann das Substrat 7 erwärmt werden.

Die Dünnschichtproduktionskammer 3 ist so konstruiert, daß eine Belüftung und eine Gasversorgung sogar während der Drehung gestattet ist, und zwar durch ein Rohr 14, das durch einen Deckel 13 verläuft. Ein O-Ring 13A ist vorgesehen, um eine Gasdichtedichtung für die Dünn schichtproduktionskammer zu erreichen.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel des Drehmechanismus des Hochge schwindigkeitsdrehrotors 1.

Der Hochgeschwindigkeitsdrehrotor 1 wird auf der Basis 1A über ein Lager 1B getragen. Der Hochgeschwindigkeitsdreh rotor 1 wird mittels eines Motors 17 durch einen Übertra gungsmechanismus angetrieben, der eine Riemenscheibe 15 und einen Riemen 16 besitzt. Die Drehgeschwindigkeit des Hochgeschwindigkeitsdrehrotors 1 kann gesteuert werden, und zwar durch Steuern der Drehzahl des Motors 17 oder durch Vorsehen eines Drehzahlveränderungsmechnismus.

Der Hochgeschwindigkeitsdrehrotor 1 und der Arm 2 sind durch hohle Rohre gebildet, um so Rohre 22 für die Be lüftung und die Gasversorgung durch den hohlen Innenraum vorzusehen. Ein Ende des Rohres 22 ist mit dem Rohr bzw. dem Schlauch 14 verbunden. Das andere Ende des Rohrs 22 ist zum Beispiel mit einer Vakuumpumpe 23 verbunden.

Das nun Folgende ist ein Beispiel der Anwendung der Er findung für eine chemische Abscheidung. Es wird eine Lei stung an eine (nicht gezeigte) Heizvorrichtung geliefert, die in dem Halter 6 vorgesehen ist, um das Substrat 7 zu erwärmen. Dann wird der Druck in der Dünnschichtpro duktionskammer verringert. Unter dieser Bedingung unter einer hohen Beschleunigung wird Silangas durch das Rohr 2 geliefert. Somit konnte eine dünne Schicht aus polykri stallinem Silizium erhalten werden. Ebenfalls durch Vor sehen einer Vielzahl von Materialgaslieferleitungen wird CH₄-Gas, H₂-Gas und Ar-Gas auf das Siliziumsubstrat ge liefert. Dadurch kann eine dünne Schicht Diamant auf dem Siliziumsubstrat gebildet werden.

Durch wiederholte physikalische Abscheidung für eine Vielzahl von Malen unter wechselseitig verschiedenen Be schleunigungen konnte eine Vielzahl von Schichten, die wechselseitig verschiedene Kristallkorngrößen besaßen, erhalten werden. Ebenfalls durch das Durchführen der Ab scheidung auf dem Substrat, das relativ zu der Richtung der Schwerkraftsbeschleunigung plaziert wurde, konnte die Kristallkorngröße und die Dicke der Schicht, die auf dem Substrat abgeschieden wurde, allmählich variiert werden.

Im Gegensatz dazu in dem Fall, in dem das Substrat und die Materialquelle in einer Richtung invers zu der in der Fig. 2 gezeigten hinsichtlich der Gravitationsbeschleu nigung angeordnet sind oder, in dem das Substrat an der Oberseite der Dünnschichtproduktionskammer 3 angeordnet ist und die Materialquelle an der Unterseite der Kammer angeordnet ist, wird die Kristallkorngröße der abgelager ten Schicht sehr fein. Jedoch wird in diesem Fall die Ab scheidungsgeschwindigkeit niedrig.

Im Fall, wenn die Vorrichtung eine Zentrifugalkraft ver wendet, ist es wirksam, zwei oder mehrere Arme und Dünn schichtproduktionskammern vorzusehen und diese in symmetrischen Positionen bezüglich des Hochgeschwindigkeits rotors 1 für eine Stabilität der Vorrichtung anzuordnen.

Ebenfalls, während die vorhergehenden Ausführungsbei spiele ein hohes Schwerkraftfeld durch die Zentrifugal kraft erzeugen, ist es ebenfalls möglich, Stoß zu verwen den. Es ist ebenfalls möglich, eine Hochschwerkraft umgebung zu verwenden, und zwar nach dem Start eines Sa telliten, Space shuttle und ähnlichem.

Der Wert der Beschleunigung sollte den Wert der Schwer kraftbeschleunigung (1 G) übersteigen und ist besonders wirksam bei 3 G oder mehr. Jedoch im Hinblick auf die Stärke der Vorrichtung kann der Wert der Beschleunigung bis zu ungefähr 10⁴ G beschränkt werden.

Wie oben erwähnt wurde, kann erfindungsgemäß die dünne Schicht bei einer Geschwindigkeit erzeugt werden, die nicht in dem Stand der Technik erreicht werden kann. Ebenfalls wird es möglich, die Kristalle zu bilden mit einer großen Korngröße, die nicht in dem herkömmlichen Prozeß erhalten werden kann. Diese kann frei designt wer den, wobei die Größe der Schwerkraftbeschleunigung als Parameter verwendet wird. Ebenfalls ist es im Prinzip möglich, verschiedene Materialien mit einer sequentiell variierten Verteilungsrate zu verteilen. Demzufolge ist die vorliegende Erfindung einzigartig und wirksam in ei nem Materialdesign, insbesondere in einem Dünnschicht materialdesign.

Claims

1. Vorrichtung zum Erzeugen einer dünnen Schicht, mit wenigstens einer Dünnschichtproduktionskammer (3), in der ein Substrat (7) angeordnet ist,
Mitteln zum Erzeugen eines hohen Schwerkraftfeldes in der Dünnschichtproduktionskammer (3), wobei die Mittel zum Erzeugen des hohen Schwerkraftfeldes ei nen Rotor (1), der sich mit einer hohen Drehzahl dreht, aufweisen; und
Mitteln zum Liefern eines Materialgases auf das Sub strat, wobei die Mittel zum Erzeugen eines hohen Schwerkraftfeldes wenigstens einen Arm (2) aufwei sen, der den Rotor (1) und die wenigstens eine Dünn schichtproduktionskammer (3) miteinander verbindet, und daß die Mittel zum Liefern eines Materialgases in dem Rotor (1) und
dem wenigstens einen Arm (2) angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Dünnschichtproduktionskammern (3) und Armen (2) vorgesehen ist, wobei diese symme trisch bezüglich des Rotors (1) angeordnet sind.

3. Verfahren zur Ausbildung einer dünnen Schicht auf der Oberfläche eines Substrats durch chemische Reak tion eines Materialgases auf der Oberfläche eines in einer Dünnschichtproduktionskammer nach einem der An sprüche 1 oder 2 angeordneten Substrats, dadurch ge kennzeichnet, daß das Substrat erwärmt und das Mate rialgas in einem hohen Schwerkraftfdeld auf das Sub strat hin beschleunigt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das hohe Schwerkraftfeld durch Zentrifugalkraft erreicht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Größe der Schwerkraft 1 G der Schwerkraft der Erde übersteigt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Schwerkraft 3 G oder mehr ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Materialgas Silangas verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Materialgas CH₄-Gas verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Materialgas H₂-Gas verwendet wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Materialgas Ar-Gas verwendet wird.

11. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 3 bis 10 zur Bildung einer dünnen Diamantschicht oder polykristallinen Siliciumschicht auf einem Substrat.