DE19611538C1 - Vorrichtung zur Beschichtung von Substraten unter Zuhilfenahme einer filamentlosen Ionenquelle - Google Patents
Vorrichtung zur Beschichtung von Substraten unter Zuhilfenahme einer filamentlosen IonenquelleInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beschichtung von
Substraten unter Zuhilfenahme einer filamentlosen Ionenquelle,
wie sie aus der
EP 315 986 B oder der US 5,311,103 als bekannt hervorgeht.
Aus der EP 315 986 B ist eine filamentlose Ionenquelle bekannt,
die als ECR-Quelle ausgebildet ist und die zur Erzeugung eines
Plasmas durch Einwirken einer Mikrowellenstrahlung und eines
Magnetfeldes auf einen Gasraum mit Unterdruck dient. Die
Zyklotron-Resonanzbedingung ergibt ein Magnetfeld von 845 Gauss
für 2,45 GHz Mikrowellenfrequenz.
Das Plasma enthält eine Vielzahl von ionisierten Teilchen und
Radikalen mit niedriger kinetischer Energie, die bevorzugt für
physikalische und physikalisch-chemische Ätzprozesse eingesetzt
werden können. Die Teilchen können als Plasmastrom oder mittels
angelegter elektrischer Potentiale als Ionenstrahl die Plasma
kammer verlassen.
Die Ätzprozesse werden typischerweise im Reaktor bei Drücken von
oberhalb 10-2 Pa Gasdruck durchgeführt. Unterhalb dieses Druckes
zündet das Plasma nicht, bzw. kann nicht aufrechterhalten wer
den. Zwischen Quelle und Reaktor herrscht typischerweise keine
Druckdifferenz.
Die Art und die Vielzahl der angeregten Teilchen im Plasma er
laubt jedoch auch den Einsatz der reaktiven geladenen und unge
ladenen Teilchen bei reaktiven Beschichtungsprozessen, bei
spielsweise zur Abscheidung von Oxiden oder Nitriden.
Ein spezielles Einsatzgebiet ist hier die Vakuumabscheidung von
Hochtemperatur-Supraleitern. Diese supraleitenden Oxide müssen
während der Abscheidung oxidiert werden, wobei speziell das
Kupfer in einen bestimmten Oxidationszustand überführt werden
muß, der bei den Aufdampfprozessen mit molekularem Sauerstoff
aus thermodynamischen Gründen nicht erreichbar ist.
Hier werden erfolgreich reaktive Sauerstoff-Spezies wie Ozon
verwendet; auch werden ECR-Quellen als Plasmalieferanten einge
setzt. Zwei solcher Verfahren sind z. B. 1989 von T. Aida et al.
im Jap. J. Appl. Phys., Band 28 (4), Seite L635-L638, oder 1988
von K. Morikawi et al. in Jap. J. Appl. Phys., Band 27 (11),
Seite L2075-2077, beschrieben.
Die üblicherweise eingesetzten ECR-Ionenquellen sind für den
Einsatz bei Ätzprozessen im höheren Druckbereich oberhalb von
10-2 Pa konzipiert. Um den obigen Beschichtungsprozeß durchfüh
ren zu können, sind daher aufwendige und teure differentielle
Pumpsysteme notwendig, damit der für den Betrieb der ECR-Quelle
notwendige Druck in der Plasmakammer von oberhalb 10-2 Pa und
der gleichzeitig im Reaktor maximal zulässige Druck von deut
lich unterhalb 10-2 Pa gehalten werden kann.
Dabei ist zur Beschichtung von technisch relevanten Substrat
größen (< 3′′) und beispielsweise zur Durchführung von Molekular
strahl-Epitaxieverfahren (MBE) ein großer Abstand (z. B. < 50 cm)
zwischen Materialquellen und Schichtträger wegen der homogenen
Abscheidebedingungen wünschenswert.
Solche differentiellen Pumpsysteme oder andere Lösungen wie
"Plasmaduschen" oder "Sauerstoffduschen" in der Nähe des zu
beschichtenden Substrates stellen Hindernisse bei der Prozeß
entwicklung für den industriellen Einsatz der so hergestellten
Dünnfilme dar, da sie z. B. wegen undefinierter und inhomogener
Strömungsverhältnisse schlecht reproduzierbar und für technische
Substratgrößen nicht auslegbar sind.
Der Einsatz einer filamentlosen Ionenquelle, wie in der EP 315 986,
ist vorteilhaft für diese Art von Beschichtungsprozessen,
kann aber nicht unmittelbar ohne Modifikationen solcher Quellen
durchgeführt werden. Die Vorrichtung der gattungsbildenden
Schrift zeigt hierzu einen aus Quarzglas gebildete Plasmakammer
- Quarzdom -, wobei quarzdomnah ein Gaseinlaßkanal integriert
ist.
Der Quarzdom wird mittels einer flexiblen Gummidichtung am
Außenrand des Quarzdoms vakuumdicht abgedichtet, so daß sich der
Innenteil des Quarzdoms im Vakuum befindet. Bei höheren Mikro
wellenleistungen, z. B. zwischen 300 - 500 Watt, neigt die Dich
tung zum Schmelzen (T < 150°C) mit der Folge, daß das Vakuum
zusammenbricht. Eine Erwärmung der Dichtung wird zum einen durch
Wärmetransport durch die Wandung des Quarzdoms hindurch bewirkt;
zum anderen kann das Mikrowellenfeld auch direkt auf die Dich
tung einwirken und zu deren Erwärmung beitragen. Die Ausformung
des Quarzdoms erlaubt keine andere Dichtungsmöglichkeit, da we
gen Bruchgefahr keine mechanische Beanspruchung auf den Quarzdom
wirken darf und daher metallische Vakuumdichtungen, die höhere
Temperaturen ertragen, ausscheiden.
Der Quarzdom ist zum Reaktor hin offen, so daß keine Druck
differenz zwischen Plasmakammer und Reaktor vorhanden ist. Das
Einbringen von Lochblenden oder Rohren für eine erwünschte sta
bile Druckdifferenz zwischen Quarzdom und Reaktor wird dadurch
erschwert, daß der Gaszufuhrkanal zum Reaktor hin nicht gasdicht
abschließbar ist. Daher kann bei einer solchen Montageart ein
großer Teil des Gases an der eigentliche Druckstufe vorbei in
den Reaktor strömen, ohne durch den Quarzdom und damit in die
Plasmazone zu gelangen. Dies verschlechtert die Druckstufe bis
zur Wirkungslosigkeit.
Aus der US 5,311,103 ist eine Vorrichtung zur Beschichtung von
Substraten bekannt, die einen Mikrowellengenerator und einen
Mikrowellenleiter aufweist, der vom Mikrowellengenerator kommen
de Mikrowellen einem Hohlraumresonator zuleitet. Desweiteren ist
im Bereich des Hohlraumresonators ein Quarzdom angeordnet, der
eine innenseitige Plasmakammer aufweist. Weiterhin weist die
Vorrichtung eine Gaszufuhr für ein in die Plasmakammer einströ
mendes Gas auf, das in der Plasmakammer gezündet wird und das
nach der Zündung das Plasma bildet. Die Plasmakammer ist über
eine druckmindernde Lochblende mit dem Reaktorinnern eines Reak
tors verbunden, in welchem das zu beschichtende Substrat ange
ordnet wird. Der Reaktor ist randseitig dichtend mit dem
Quarzdom verbunden ist. Zur Abdichtung ist am Mantel des
Quarzdoms ein randseitig abragender Flansch angeordnet, an dem
eine Dichtung anliegt.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, die vorbekannte Vorrichtung
dahingehend weiterzuentwickeln, daß sie ohne differentielles
Pumpsystem für insbesondere reaktive Beschichtungsverfahren ein
setzbar ist.
Die Aufgabe wird bei einer zugrundegelegten Vorrichtung durch
die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Durch die
erfindungsgemäße Art der Ausbildung des Quarzdoms mit einem nach
außen abragenden und Dichtzwecken dienenden Flansch kann der
Quarzdom gegenüber dem Reaktorgehäuse zuverlässig abgedichtet
werden. Von besonderem Vorteil ist hierbei, daß durch diese ab
dichtende Maßnahme gleichzeitig auch der sich innenseitig des
Quarzdoms befindlichen Plasmakammer gegenüber den Reaktorinneren
wirkungsvoll mittels Lochblenden druckmindernd abgeschirmt wer
den kann, wodurch die gewünschten, insbesondere reaktiven
Beschichtungsverfahren erst ermöglicht sind.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteran
sprüchen entnehmbar. Im übrigen wird die Erfindung anhand von in
den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert. Dabei
zeigt
Fig. 1 einen Einbau und Dichtung des Quarzdoms zwischen einem
Mikrowellen-Hohlleiter einer ECR-Quelle und einem
Reaktor,
Fig. 2 eine Ausschnittsvergrößerung durch den Rand einer
Dichtung gemäß Fig. 1,
Fig. 3 einen Axialschnitt durch einen Haltering gemäß Fig. 1,
Fig. 4 eine zweiteilige Ausführung eines Quarzdoms und einer
Druckstufe und
Fig. 5 eine einteilige Ausführung eines Quarzdoms und einer
Druckstufe mit asymmetrischer Gaseinleitung in die
Plasmakammer.
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zur Beschichtung von Substraten
22 unter Zuhilfenahme einer filamentlosen Ionenquelle darge
stellt. Die Vorrichtung weist einen Mikrowellengenerator (nicht
dargestellt) auf. Der Mikrowellengenerator ist mit einem Mikro
wellen-Hohlleiter 14 verbunden, mittels dem vom Mikrowellengene
rator kommende Mikrowellen einem Hohlraumresonator zugeleitet
werden. Im Bereich des Hohlraumresonators ist ein Quarzdom 1
angeordnet, der eine innenseitig angeordnete Plasmakammer 16
aufweist. Die Plasmakammer 16 ist mit einer Gaszuführung 18
verbunden, mittels der ein Gas in die Plasmakammer 16 einbring
bar ist. In der Plasmakammer 16 wird das Gas unter Zuhilfenahme
der Mikrowellen gezündet und das Plasma ausgebildet. Unterhalb
des Quarzdoms 1 ist ein Reaktor 13 angeordnet, in dessen Reaktor
innern 17 das zu beschichtende Substrat 22 anordenbar ist. Die
Plasmakammer 16 ist mit dem Reaktorinnern 17 über eine in Rich
tung des Reaktorinnerns 17 druckmindernd wirksame und an einem
Halterring 23 angeordnete Lochblende 15 fluidisch verbunden.
Der Quarzdom 1 weist einem am Mantel des Quarzdoms 1 angeordne
ten und randseitig nach außen abragenden Flansch 4 auf. Der
Flansch 4 liegt mit seiner axial vom Innern wegweisenden
Flachseite, im folgenden Rückseite 5 genannt, axial an einem
Dichtring 7 an. Durch diese Konstruktion kann über die Rückseite
5 des Flansches 4 mittels einer Spann- und/oder Pratzvorrichtung
eine die Dichtwirkung erhöhende Axialkraft ausgeübt werden, so
daß durch den Flansch 4 eine belastungsarme Dichtungsmöglichkeit
des Quarzdoms 1 ermöglicht ist.
Der Quarzdom 1 wird an seinen beiden Flachseiten des Flansches 4
durch flexible Dichtungen, z. B. aus einem Fluorelastomer auf der
Basis von Vinyliden-Fluorid-Hexafluorpropylen-Copolymerisaten -
bekannt unter dem Warenzeichen "Viton" oder metallische Helico
flexdichtungen, vakuumdicht abgedichtet. Hierzu werden an die
beiden sich axial gegenüberliegenden Flachseiten des Flansches 4
von oben, also reaktorseitig betrachtet von der Rückseite 5, und
von unten, also reaktorseitig betrachtet von der Vorderseite 9,
zwei Formringe 6 und 10 dichtend angelegt.
Der obere, also reaktorseitig rückwärtige Formring 6 weist axial
ausgerichtete Öffnungen 11 auf, durch welche Schrauben hindurch
führbar sind. Die Schrauben greifen in Gewindelöcher 12 ein, die
in dem den zweiten, vorderseitige Formring 10, welcher einteilig
mit dem Gehäuse des Reaktors 13 verbunden ist, ein. Der rücksei
tige, obere Formring 6 ist in diesem Ausführungsbeispiel eintei
lig mit dem Mikrowellen-Hohlleiter 14 der ECR-Quelle (nicht dar
gestellt) verbunden.
Für eine gute Fixierung des Quarzdoms 1 ist es hierbei sinnvoll,
den einteilig mit dem Quarzdom 1 verbundene Flansch 4 mit
Bohrungen zu versehen, die gleichfalls von den Schrauben durch
drungen werden. Die beiden Formringe 6 und 10 weisen auf ihren
dem Flansch 4 zuweisenden Flachseiten axial verlaufende Zirku
larnuten 8 auf, in denen Dichtringe 7, insbesondere aus "VITON"
angeordnet sind.
Vorteilhafterweise schirmen hierbei die metallischen Aufnahme
bereiche der beiden Formringe 6 und 10 Material der Dichtringe 7
größtenteils gegen die Mikrowelleneinstrahlung ab, wodurch auch
die thermische Belastung der Dichtringe 7 vermindert ist.
Als Druckstufe zum Reaktorinnern 17 und damit zur eigentlichen
Beschichtungskammer ist eine scheibenförmige Lochblende 15 ein
geführt, die kleine Gasöffnungen aufweist. Die Gasöffnungen
sind insbesondere im Bereich der Mitte angeordnet und aufgrund
der Leitwertsverengung für die Druckdifferenz zwischen der Plas
makammer 16 und dem Reaktorinnern 17, also der eigentlichen Be
schichtungskammer, verantwortlich. Die Lochblende
15 kann je nach Anforderung an die Druckdifferenz gewählt werden
und ist gegen andere Lochblenden 15 mit anderen Öffnungsgrößen
der Gasöffnungen austauschbar. Das für die Erzeugung des Plasmas
und ebenso für die Beschichtung benötigte Gas strömt durch eine
Gaszuführung 18 in den Quarzdom 1 ein, gelangt als Plasma über
die Gasöffnungen in das Reaktorinnere 17 und wird über das
Reaktorinnere 17 abgepumpt.
Eine Ausschnittsvergrößerung der randseitigen Ausbildung der
Vorrichtung im Bereich der Lochblende 15 ist in Fig. 2 darge
stellt. Die Lochblende 15 ist vorteilhafterweise aus Quarz oder
ähnlichem Material; um eine Plasmakontamination durch Verunrei
nigungen zu vermeiden. Um die Lochblende 15 gasdicht über dem
Quarzdom 1 anzuordnen, wodurch das Gas nur durch eine mittlere
Gasöffnung in das Reaktorinnere 17 eintreten kann, wird die
Lochblende 15 auf einen Haltering 23 aufgeschraubt, der dem
vorderseitigen Formring 10 zugeordnet ist. Die Befestigungs
schrauben sind äquidistant z. B. im Abstand von 60°, auf dem
Formring 10 angeordnet. Die Lochblende 15 fluchtet mit der reak
torseitigen Oberkante des vorderseitigen Formrings 10.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist der Halterring 21 aus
Metall, insbesondere aus Edelstahl gefertigt und weist eine Gas
zuführung 18 (gestrichelt dargestellt) in den Quarzdom 1 auf. Am
Außenrand ist der Halterring 21 mit senkrechten Bohrungen ver
sehen, die zum Befestigen des Halterrings 21 dienen und die um
30° zueinander versetzt sind.
Der vorderseitige Formring 10 ist mit einem flexiblen Dichtring
7, der in einer Zirkularnut 8 angeordnet ist, quarzdomseitig
dichtend montiert. An dem vorderseitigen Formring 10, der ein
teilig mit dem Gehäuse des Reaktors 13 verbunden ist, ist der
Haltering 21 montiert, der gleichfalls über einen in einer wei
teren Zirkularnut 8 angeordneten Dichtring 7 gegenüber der
Plasmakammer 16 abgedichtet ist.
In Fig. 3 ist ein Querschnitt des Halterings 21 dargestellt.
Das zur Bildung des Plasmas und für die Beschichtung benötigte
Gas wird in ein Rohr 19 eingeleitet, das auf den Halterring 21
aufgeschweißt ist. Die Gaszufuhr kann dann über eine übliche
flexible Metalleitung o. ä. mittels üblicher vakuumdichter Ver
schraubungen (VCR, Swagelock o. ä.) an das als Gaszufuhr aus
gebildete Rohr 19 angekoppelt werden. Dies hat den Vorteil gro
ßer Flexibilität beim Gasanschluß.
Die gestrichelt dargestellte Gasführung 18 ist in dem Halterring
23 wie folgt ausgebildet. Unter dem angeschweißten Rohr 19 ist
ein Eintrittskanal senkrecht in den Halterring 21 gebohrt, der
in einen waagerechten Kanal mündet. Der waagerechte Kanal wird
zwischen zwei Bohrungen angeordnet, wobei die am Außenrand ange
ordnete Bohrung mit einem Stopfen vakuumdicht zugeschweißt ist.
Der waagerechte Kanal mündet in eine schmale und tiefe Nut an
der Unterseite des Halterrings 21, der zur Plasmakammer 16 hin
offen ist.
Um Kontaminationen des Plasmas zu vermeiden, sollte der Bereich
um den Quarzdom 1 vorteilhafterweise vollständig aus Quarz oder
ähnlichem Isolatormaterial gearbeitet sein.
In den Fig. 4 und 5 sind weitere Ausführungsbeispiele darge
stellt, die erheblich kompakter sind und bei denen das Plasma
weitestgehend von Wandkontaminationen abgeschirmt ist. Zur
Vermeidung von unnötigen Wiederholungen sind in den Fig. 4
und 5 nur die wesentlichen Teile von Quarzdom 2 bzw. 3 und als
Lochblenden 15 ausgeführte Druckstufen dargestellt, da sich
diese Teile an beliebige Vakuum-Rezipientenausführungen anpassen
lassen. Prinzipiell läßt sich auch eine Wasserkühlung (nicht
dargestellt) direkt in einen quarzdomnahen Flansch mittels Kühl
schlangen oder Einstichen integrieren, so daß auch bei höheren
Mikrowellenleistungen für eine ausreichende Kühlung der flexib
len Dichtungen gesorgt ist.
Der Aufbau des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 4 ist wie folgt.
Quarzdom 2 und Lochblende 15 sind aus zwei Teilen gefertigt; die
Lochblende 15 ist eine Scheibe mit einem an der Unterseite ange
ordneten Zwischenstück 20. Die axiale Höhe des Zwischenstücks 20
ist so gewählt, daß beim Abdichten und Zusammenfügen der Loch
blende 15 und des Quarzdoms 2 ein schmaler Spalt zum Flansch des
Quarzdoms 2 bleibt, der dann zur Gaseinleitung in die Plasma
kammer 16 dient.
In das Zwischenstück 20 ist die Gaszuführung 18 integriert; der
Anschluß an die Gasversorgung (nicht dargestellt) kann auf den
üblichen Wegen über Verschraubungen etc. erfolgen. Diese Varian
te eignet sich für Aufbauten, bei der die Lochblende 15 nicht
mehr verändert wird.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 zeigt eine vereinfachte
Version eines Quarzdoms 3 und einer Lochblende 15, die hier ein
teilig ausgeführt sind. Der Quarzdom 3 ist mit einem gleichzei
tig die Lochblende 15 der Druckstufe bildenden Deckel versehen,
der mit dem Quarzdom 3 verschweißt ist. Wie schon zuvor kann an
die Lochblende 15 noch ein Rohr 19 angeschweißt sein. Die Gas
zufuhr kann über einen angeglasten Gasanschluß erfolgen und ist
asymmetrisch zur Plasmakammer 16 angeordnet.
Claims (2)
1. Vorrichtung zur Beschichtung von Substraten (22) unter
Zuhilfenahme einer filamentlosen Ionenquelle,
- - mit einem Mikrowellengenerator,
- - ferner mit einem vom Mikrowellengenerator kommende Mikrowellen einem Hohlraumresonator zuleitenden Mikrowellen-Hohlleiter (14),
- - des weiteren mit einem im Bereich des Hohlraumresonators ange ordneten Quarzdom (1), der eine innenseitig angeordnete Plasmakammer (16) aufweist und der ferner einen an seinem Mantel angeordneten, randseitig nach außen abragenden Flansch (4) aufweist,
- - weiterhin mit einer Gaszuführung (18) für die Plasmakammer (16) zur Zuführung eines mittels der Mikrowellen gezündeten und das Plasma bildenden Gases, und
- - ferner mit einem das Substrat (22) aufnehmenden und mit der Plasmakammer (16) fluidisch verbundenen Reaktor (13), der randseitig dichtend mit dem Quarzdom (1) verbunden ist, wobei zwischen dem Reaktorinnern (17) und der Plasmakammer (16) eine Lochblende (15) druckmindernd angeordnet ist,
- - desweiteren mit einer Spann- und Pratzvorrichtung, mittels der über die Rückseite (5) der Flachseiten des Flansches (4) eine die Dichtwirkung erhöhende Axialkraft ausübbar ist,
- - wobei die Spannvorrichtung durch einen Formring (6) gebildet ist,
- - der zumindest mittelbar dichtend am Flansch (4) anliegt,
- - der an die Rückseite (5) des Flansches (4) formangepaßt ist und
- - der auf der radial außen liegenden Seite höhengleich wie die Rückseite (5) des Flansches (4) nach Art einer Pratze fest abgestützt ist, und
- - wobei der Flansch (4) mit seiner axial vom Innern wegweisenden Flachseite axial zu einer als Dichtring (7) ausgebildeten Dichtung anliegt, die zwischen der Flachseite und einer an dieser Axialfläche dichtend anliegenden Fläche in einer axialen Zirkularnut (8) angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Dichtring (7) aus einem Fluorelastomer auf der Basis von
Vinyliden-Fluorid-Hexafluorpropylen-Copolymerisaten gebildet
ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1996111538 DE19611538C1 (de) | 1996-03-23 | 1996-03-23 | Vorrichtung zur Beschichtung von Substraten unter Zuhilfenahme einer filamentlosen Ionenquelle |
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Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19611538C1 (de) |
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1996
- 1996-03-23 DE DE1996111538 patent/DE19611538C1/de not_active Expired - Fee Related
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