DE19654554A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines Dünnfilms aus ultrafeinen Teilchen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines Dünnfilms aus ultrafeinen Teilchen, und spezieller betrifft sie ein Verfahren und eine Vorrichtung, durch die ein Dünnfilm aus ultrafeinen Teilchen an der In­ nenwandfläche eines Lochs mit einem Durchmesser von weniger als 12 µm und einem Durchmesser/Höhe-Verhältnis kleiner eins hergestellt wird.

Unter Verfahren zum Herstellen eines Dünnfilms existieren Sputterverfahren Abscheidungsverfahren, physikalische Dampfniederschlagungsverfahren (PVD) wie Abscheidungsverfah­ ren mittels eines Ionenstrahls, chemische Dampfniederschla­ gungsverfahren (CVD), Plattierungsverfahren und Flüssigpha­ sen-Filmherstellungsverfahren. Bei den physikalischen Dampf­ niederschlagungsverfahren bewegen sich Atome oder Moleküle als Filmbildungsmaterial ausgehend von einer Erzeugungsquel­ le auf gerader Bahn. Demgemäß hängen die Positionen am Grundkörper, an denen ein Dünnfilm hergestellt werden soll, von der geometrischen Anordnung oder der mechanischen Anord­ nung der Erzeugungsquelle des Filmbildungsmaterials und vom Grundkörper ab. Es ist beinahe unmöglich, an der Innenwand­ fläche eines feinen Lochs im Grundkörper, das ein großes Tiefe/Querschnitt-Verhältnis aufweist, oder in einem Graben ähnlicher Abmessungen, einen gleichmäßigen Film herzustel­ len, da die gerade Flugbahn des Filmbildungsmaterials nicht dorthin reicht. Andererseits ist es möglich, durch CVD-Ver­ fahren oder Flüssigphasen-Filmbildungsverfahren relativ gleichmäßige Filme in derartigen Löchern oder Gräben auszu­ bilden. Jedoch ist es unerwünscht, daß in den erzeugten Dünnfilm irgendwelche Fremdstoffe eingemischt werden.

Unter Verfahren zum Herstellen von Dünnfilmen aus ultrafei­ nen Teilchen existieren das sogenannte "Gasabscheidungsver­ fahren" oder das "Strahldruckverfahren", bei dem eine Trans­ portleitung und ein Gasstrahl zum Transport dazu verwendet werden, örtlich einen dünnen Film auszubilden, sowie ein "Klusterionenstrahlverfahren", bei dem ionisierte Strahlen körnigen Materials verwendet werden. Jedoch sind auch bei diesen Verfahren die Filmbildungsbedingungen durch die geo­ metrische oder mechanische Anordnung der Erzeugungsquelle des Filmbildungsmaterials und des Grundkörpers beschränkt. Ferner existiert ein Verfahren, bei dem ultrafeine Teilchen aus der flüssigen Phase ausgefällt werden oder sich absetzen können. Jedoch wirkt bei einem solchen Verfahren eine Ober­ flächenspannung zwischen der Innenwandfläche des Lochs oder des Grabens, wodurch es schwierig ist, einen Dünnfilm gleichmäßig auszubilden. Demgemäß können derartige Verfahren nicht in weitem Umfang verwendet werden.

Wie oben beschrieben, ist es schwierig, an der Innenwandflä­ che eines feinen Lochs oder eines Grabens durch die obenge­ nannten bekannten Dünnfilmbildungsverfahren einen gleichmä­ ßigen Dünnfilm oder Verunreinigungen herzustellen. Demgemäß bestehen in einem solchen Fall bei hochintegrierten Halblei­ terbauteilen verschiedene Herstellbeschränkungen hinsicht­ lich der Ausbildung von Durchgangslöchern mit einem Tiefe/Durchmesser-Verhältnis größer als eins, wobei die Leitungs­ breite einigen µm entspricht oder kleiner ist. Auch ist es schwierig, einen gleichmäßigen Film aus aktiviertem Mate­ rial an der Innenwandfläche feiner Löcher eines Katalysator­ trägers mit hohem Funktionsvermögen auszubilden.

Als Beispiel ist in Fig. 1 schematisch ein Grundkörper S dargestellt, in dem feine Löcher und Gräben ausgebildet sind. Ein Film 2 aus Siliziumoxid wird als Isolator auf einem Siliziumsubstrat 1 hergestellt. Auf diesem Film 2 wird ein weiterer Film 3 aus Aluminium hergestellt. Im Film 2 wird ein feiner Graben 4 ausgebildet und mit Aluminium auf­ gefüllt. Auf dem Aluminiumfilm 3 wird ein zweiter Silizium­ oxidfilm 5 hergestellt. In diesem Film 5 wird ein zweiter Graben 6 ausgebildet, dessen Unterseite die Oberfläche des Films 3 bildet. Im Graben 6 wird ein Durchgangsloch 7 herge­ stellt, dessen Boden die Oberfläche des Films 3 bildet. Der Graben 6 hat eine Breite von 0,1 µm und eine Tiefe von 0,3 µm. Das Durchgangsloch 7 hat einen Durchmesser von 0,2 µm und eine Tiefe von 1 µm. Das Tiefe/Durchmesser-Ver­ hältnis des Grabens 6 hat den Wert 3 und dasjenige des Durchgangslochs 7 den Wert 5. Es ist schwierig, einen Dünn­ film aus Metall, insbesondere aus einem hochschmelzenden Metall oder aus Keramik, an den Innenwandflächen des Grabens 6 und des Durchgangslochs 7 durch ein bekanntes CVD-Verfah­ ren herzustellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines Dünnfilms zu schaffen, mit denen ein gleichmäßiger Dünnfilm an der Innenwandfläche eines feinen Lochs von einigen µm Durchmesser oder weniger mit einem Tiefe/Durchmesser-Verhältnis größer eins, oder in einem Graben ähnlicher Abmessungen, unabhängig von der geo­ metrischen oder mechanischen Anordnung der Erzeugungsquelle des Filmbildungsmaterials und des Grundkörpers, auf dem der Film herzustellen ist, hergestellt werden kann, wobei keine Verunreinigungen in den Dünnfilm eingemischt werden.

Diese Aufgabe ist hinsichtlich des Verfahrens durch die Leh­ re des beigefügten Anspruchs 1 und bezüglich der Vorrichtung durch die Lehre des beigefügten Anspruchs 11 gelöst.

Die vorstehenden und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden unter Berücksichtigung der folgenden detaillierten Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbei­ spiels der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher zu verstehen sein.

Fig. 1 ist eine vergrößerte, perspektivische Ansicht eines Teils eines Grundkörpers mit feinen Löchern und Gräben als Beispiel, bei dem die Erfindung anwendbar ist.

Fig. 2 ist eine vergrößerte, perspektivische Ansicht eines Teils eines Grundkörpers, wobei die Richtungen thermischer Migrationskräfte aufgrund eines Wärmegradienten im Grundkör­ per dargestellt sind.

Fig. 3 ist eine schematische Schnittansicht zum Erläutern der Filmbildung durch ultrafeine Teilchen, wobei A die Ad­ sorption ultrafeiner Teilchen im Anfangsstadium der Filmbil­ dung zeigt und B eine mikroskopische Ansicht eines adsor­ bierten ultrafeinen Teilchens auf dem Niveau eines Atoms oder Moleküls zeigt.

Fig. 4 ist eine schematische Schnittansicht zum Erläutern der Filmbildung aus ultrafeinen Teilchen, wobei A einen wachsenden, inselförmigen Film zeigt, B einen weiter gewach­ senen, dichteren Film zeigt und C eine mikroskopische An­ sicht eines adsorbierten ultrafeinen Teilchens, das chemisch an der Innenwandfläche adsorbiert ist, auf Atom- oder Mole­ külniveau zeigt.

Fig. 5 ist eine schematische Ansicht einer Filmbildungsvor­ richtung.

Fig. 6 ist eine schematische Ansicht einer Aerosolerzeu­ gungskammer.

Fig. 7 ist eine schematische Seitenansicht, die einen Grund­ körper-Haltemechanismus zum Halten mehrerer Grundkörper zeigt, wobei A einen Stationärtyp, B einen Rotationstyp und C einen Klustertyp zeigt.

Zunächst wird ein bei der Erfindung verwendeter neuartiger Fluidmechanismus beschrieben, durch den ein Dünnfilm an der Innenwandfläche eines feinen Lochs durch isotrope Diffusion und Adsorption hergestellt werden kann.

• (1) Es wird ein Aerosol hergestellt, in dem ultrafeine Teil­ chen dispergiert sind, die in einem Gas schweben. Z. B. kann es so hergestellt werden, daß ein Filmbildungsmaterial in Form ultrafeiner Teilchen in ein als Dispersionsmedium wir­ kendes Gas verdampft wird.
• (2) Ein Grundkörper mit einem feinen Loch oder Graben wird gereinigt und, falls erforderlich, aktiviert. Dann wird der Grundkörper in einem Filmbildungsbehälter festgehalten. Z. B. ist der Grundkörper ein dreidimensionaler Keramikkör­ per.
• (3) Der Filmbildungsbehälter wird evakuiert, wodurch feine Löcher und/oder Gräben im Grundkörper evakuiert werden.
• (4) Das Aerosol, in dem die ultrafeinen Teilchen dispergiert sind, wobei sie in Gas schweben, wird in den Filmbildungsbe­ hälter eingeleitet, um in Kontakt mit dem Grundkörper zu treten und in die feinen Löcher und/oder Gräben einzudrin­ gen.
• (5) Nach geeigneter Zeit wird ein Zusatzvorgang am Grundkör­ per ausgeführt, und dann wird derselbe, auf dem der Dünnfilm aus ultrafeinen Teilchen hergestellt wurde, dem Filmbil­ dungsbehälter entnommen.
  Ein Dünnfilm wird grundsätzlich auf die obige Weise auf einem Grundkörper hergestellt. Die ultrafeinen Teilchen er­ fahren eine isotrope Diffusion, und der erfindungsgemäße Prozeß ist quasi statisch. Demgemäß unterscheidet sich das Prinzip der Erfindung grundsätzlich vom Gasabscheidungsver­ fahren unter Verwendung der dynamischen Energie des Träger­ gases. Dieses Filmbildungsverfahren ist mechanisch und ma­ kroskopisch ähnlich dem Verfahren zum Tränken eines Kabels oder dergleichen mit Öl. Jedoch kann ein Film aus hoch­ schmelzendem Metall oder aus Keramik nicht auf einem Kabel hergestellt werden, und es kann kein Öl in ein Kabel einge­ tränkt werden.
• (6) Zusätzliche Vorgänge werden wie folgt ausgeführt:

((1)) Wärmebehandlung

Die Temperatur des Grundkörpers wird erhöht, um ultrafeine Teilchen zu aktivieren, für die eine Adsorption an der In­ nenwandfläche auszuführen ist.

• (a) Oberflächendiffusion: Dies ist eine physikalische Stabi­ lisierungsbehandlung. Die typische Temperatur beträgt 50 bis 300°C.
• (b) Es werden ultrafeine Teilchen chemisch am Grundkörper zur Adsorption gebracht. Dies ist eine chemische Reaktions­ behandlung, bei der die typische Temperatur 200 bis 800°C beträgt.

((2)) Oberflächenmodifizierung

Falls erforderlich wird, nachdem der Dünnfilmbildungsbehäl­ ter evakuiert wurde, ein Reaktionsgas in ihn eingeleitet, damit dieses chemisch mit den Oberflächen der ultrafeinen Teilchen und/oder der Innenwandfläche reagiert, um diese Flächen zu reinigen und zu modifizieren. Die typische Gas­ reaktion ist Hydrierung, Nitrierung, Halogenisierung oder Kohlenaddition.

((3)) Mehrschicht-Filmbildung

Sowohl bei der Wärmebehandlung als auch der Oberflächen-Mo­ difizierungsbehandlung werden Filmbildungsvorgänge für ver­ schiedene Arten ultrafeiner Teilchen wiederholt.

((4)) Oberflächenmodifizierung

Schutzgas oder eine Flüssigkeit wird in den Behälter einge­ leitet, um z. B. die Oberflächen der ultrafeinen Teilchen und/oder der Innenwandflächen beim Erhöhen der Temperatur zu schützen.

Da ein schweres Gas nicht leicht aus einem Loch mit einem Durchmesser von weniger als 0,1 µm austritt, kann Schutz für kurze Zeit möglich sein.

Beim Prinzip der Erfindung kann ein Dünnfilm aufgrund eines isotropen Fluidmechanismus durch Diffusion und Adsorption an einer Innenwandfläche hergestellt werden. Die Erfordernisse hinsichtlich der Fluidmechanik werden wie folgt beschrieben. Das Verfahren und die Vorrichtung zur Filmherstellung sind so auszubilden, daß diese Erfordernisse erfüllt werden.

• (1) In einem Dünnfilmbildungsbehälter üblicher Größe (z. B. mit einem Durchmesser von mehr als 10 cm) sollte der Druck von Helium (He) größer als z. B. 260 Pa sein, oder der von Argon (Ar) sollte höher als z. B. 130 Pa sein, damit ultra­ feine Teilchen mit einem Korndurchmesser von 5 nm unabhängig von der Schwerkraft im Gas schweben können. Der Schwebezu­ stand der ultrafeinen Teilchen kann mittels der Streubewe­ gung aufgrund der Kollision mit Molekülen oder Atomen des Gases erhalten werden, wobei die mittlere freie Weglänge im verwendeten Gas umgekehrt proportional zum obigen Druck ist. Wenn ultrafeine Teilchen mit einem Durchmesser von 0,1 µm stabil schweben, sollte der Druck des verwendeten Gases hö­ her als 10² Pa sein.
• (2) Ein Aerosol, in dem ultrafeine Teilchen dispergiert sind und schweben, dringt in ein tiefes Loch mit einem Durchmes­ ser von z. B. 0,2 µm (mit z. B. einer Tiefe von 1 µm und mit einem Tiefe/Durchmesser-Verhältnis von 5) ein, und die ultrafeinen Teilchen werden gleichmäßig an der Innenwandflä­ che des Lochs verteilt und dort adsorbiert. Hierzu sind die folgenden Erfordernisse zu erfüllen.
• (I) Die ultrafeinen Teilchen koagulieren nicht, wenn sie im Aerosol zusammenstoßen.
• (II) Adsorption und Anhaftung ultrafeiner Teilchen aufgrund von Zusammenstößen mit der Innenwandfläche sind nicht auf das Gebiet nahe dem Eingang des Lochs lokalisiert.

Um die obige Forderung (I) zu erfüllen, sollte die mittlere Zeit zwischen zwei Kollisionen ultrafeiner Teilchen länger als die mittlere Zeit eines ultrafeinen Teilchens mit der Innenwandfläche eines Lochs sein. Es kann hergeleitet wer­ den, daß die folgende Formel (1) erfüllt sein muß:

np · c · σ² « a (1),

wobei σ die mittlere Korngröße ultrafeiner Teilchen reprä­ sentiert,
np die Korndichte ultrafeiner Teilchen repräsentiert,
c das Volumen des Lochs repräsentiert,
a die Oberfläche der Innenwand des Lochs repräsentiert.

Um die obige Forderung (II) zu erfüllen, muß die folgende Formel 2 erfüllt sein:

wobei λ die mittlere freie Weglänge hinsichtlich der Kolli­ sion ultrafeiner Teilchen und Gasmolekülen oder -atomen ist;
λp die mittlere freie Weglänge betreffend die Kollision ul­ trafeiner Teilchen miteinander ist;
r der Lochdurchmesser ist;
l die Tiefe des Lochs ist;
? die Anzahl der adsorbierten Teilchen pro Einheitsfläche der Innenwandfläche des Lochs ist;
ng die Dichte von Molekülen oder Atomen des Gases ist;
u die Geschwindigkeit des Eindringens des Aerosol mit dis­ pergierten und schwebenden ultrafeinen Teilchen ist;
Vp die thermische Bewegungsgeschwindigkeit der ultrafeinen Teilchen ist;
Vg die thermische Bewegungsgeschwindigkeit der Gasatome oder Moleküle ist;
mp die Masse ultrafeiner Teilchen ist;
mg die Masse von Gasatomen oder -molekülen ist.

In der Gleichung (2) der Formel 2 ist ein Tiefe/Durchmes­ ser-Verhältnis von 5 angenommen.

Die Gleichung (3) der Formel 2 gibt an, daß die Gesamtzahl der im Loch vorhandenen ultrafeinen Teilchen größer als die Anzahl der ultrafeinen Teilchen ist, die in der Zeit zwi­ schen dem Eintreten des Aerosols in das Loch bis zum Errei­ chen des Bodens desselben an der Innenwandfläche des Lochs adsorbiert werden.

Unter den vorstehend angegebenen Faktoren sind r, l (damit a und c), <Vp<, <Vg< vorbestimmt. Die wahlfreien Faktoren sind a, np, ng, u und β. λ und λp hängen von np, ng, α und der Art des verwendeten Gases ab.

Bei den Erfordernissen (1) und (2) existieren fünf Variablen und fünf Ungleichungen.

Letztendlich liegen α und β fest. Jedoch ist klar, daß die Korngröße α der ultrafeinen Teilchen kleiner als 0,1 µm und ferner kleiner als der Durchmesser r des Lochs ist. Z. B. ist bei einem Lochdurchmesser r = 0,2 µm ein Korndurchmesser < 0,1 µm erforderlich.

Wenn der Lochdurchmesser r den Wert 0,2 µm hat und das Tie­ fe/Durchmesser-Verhältnis den Wert 5 hat sowie λ den Wert 0,04 hat, entspricht der Gasdruck 5 · 10⁵ Pa (5 · Atmosphä­ rendruck) für Helium und 1,5 · 10⁵ Pa für Argon. Wenn der Lochdurchmesser r den Wert 0,1 µm hat, entspricht der Gas­ druck 10 · 10⁵ Pa für Helium und 3 · 10⁵ Pa für Argon, wenn dieselben Werte wie im obigen Fall gelten. Je kleiner der Lochdurchmesser ist, desto höher ist der Gasdruck.

Wenn der an der Innenwandfläche eines Lochs ausgebildete Dünnfilm aus mehr als einer Schicht von Atomen oder Molekü­ len besteht, sollte β × [Anzahl von Atomen oder Molekülen, die ein einzelnes ultrafeines Teilchen bilden] größer als die Anzahl von Atomen oder Molekülen pro Einheitsfläche in der Einzelschicht von Atomen oder Molekülen sein. Jedoch liegt β im durch die obigen Erfordernisse (1) und (2) be­ schränkten Bereich. Demgemäß kann der Wert von β nicht immer zufriedenstellend ausgewählt werden. In einem solchen Fall sollten die Filmherstellungsvorgänge die erforderliche An­ zahl von Malen wiederholt werden. Ferner werden die Filmher­ stellungsvorgänge wiederholt, wenn Mehrfachschichten ultra­ feiner Teilchen derselben Art oder verschiedener Arten her­ zustellen sind.

Wenn hinsichtlich der geometrischen oder mechanischen Anord­ nung der Erzeugungsquelle für das Filmbildungsmaterial sowie des Grundkörpers kein Hindernis besteht, kann ein gleichmä­ ßiger Film an der Innenwandfläche eines Lochs mit großem Durchmesser, bei dem das Seitenverhältnis ungefähr 5 be­ trägt, auch durch ein bekanntes CVD-Verfahren hergestellt werden. Demgemäß kann abhängig von der Wirtschaftlichkeit entweder das bekannte CVD-Verfahren oder das erfindungsge­ mäße Verfahren verwendet werden. Wenn jedoch der Lochdurch­ messer kleiner als ungefähr 2 µm beträgt, ist es schwierig, einen Dünnfilm auf gleichmäßige Weise durch das bekannte CVD-Verfahren herzustellen. Anders gesagt, ist bei einem Lochdurchmesser unter 2 µm nur noch das erfindungsgemäße Verfahren möglich. Auch dann, wenn der Lochdurchmesser grö­ ßer als 2 µm ist, ist die Erfindung anwendbar. Jedoch ist es dann wirtschaftlicher, ein bekanntes Verfahren zu verwenden.

• (3) Wenn die ultrafeinen Teilchen schweben, kann die Film­ dicke durch ein thermisches Migrationsverfahren eingestellt werden. Dies ist ein Prinzip der Erfindung.

Als Beispiel wird der Fall erörtert, daß der Grundkörper so groß ist, daß er einen Wärmegradienten von mehr als 1°C aufweist. Die dispergierten und schwebenden ultrafeinen Teilchen unterliegen einer Beeinflussung durch die Wärmebe­ wegung der Gasatome oder Moleküle. Die ultrafeinen Teilchen werden dadurch von der Hochtemperatur- zur Niedertemperatur­ seite bewegt. Gemäß Fig. 2 existiert, wenn die Temperatur an der Oberfläche S1 des Grundkörpers S mit dem Loch Sh den Wert T1 hat, diejenige an der Unterseite S1 des Grundkörpers S den Wert T2 hat und die des Gases G als Dispersionsmedium den Wert Tg hat, die thermische Migrationskraft K1 an der Oberseite S1, während die an der Unterseite S2 den Wert K2 hat. Bei diesen Bedingungen hat K1 den Wert α (T1 - Tg), und K2 hat den Wert α (T2 - Tg). Das Verhältnis R1/R2 der Film­ bildungsgeschwindigkeit R1 an der Oberseite S1 zur Geschwin­ digkeit R2 an der Unterseite S2 entspricht f (K2/K1). Demge­ mäß gelten bei einem Wärmegradienten R1 < T2 die Beziehungen K1 < K2 und damit R1 < R2. Die Filmbildungsgeschwindigkeit R2 an der Unterseite S2 ist höher als die Geschwindigkeit R1 an der Oberseite S1. Dieser Effekt liegt in der Größenord­ nung von Millisekunden. Dies ist in der quasistatischen Gas­ phase praxisrelevant. So kann die Filmbildungsgeschwindig­ keit an der Innenwandfläche eines feinen Lochs abhängig vom Wärmegradienten oder der Wärmeverteilung am Grundkörper kon­ trolliert werden. Wie oben beschrieben, kann der Wärmemigra­ tionseffekt dazu verwendet werden, eine gleichmäßige Filmdi­ cke oder absichtlich eine vorbestimmte Dickendifferenz an erzeugten Filmen zu erhalten.

Beim obigen Filmbildungsvorgang ist davon ausgegangen, daß die Atome oder Moleküle der ultrafeinen Teilchen an der In­ nenwandfläche eines feinen Lochs diffundieren und sich dort ausbreiten. Diese Oberflächendiffusion findet nicht immer statt. Demgemäß erfolgen zusätzliche Behandlungen wie eine Wärmebehandlung und die Einleitung verschiedener Gase, wie jeweils erforderlich, um die Oberfläche zu modifizieren. Die Fig. 3 und 4 erläutern den Filmbildungsprozeß und die Aus­ wirkung der Wärmebehandlung schematisch. Fig. 3A zeigt phy­ sikalische Adsorption ultrafeiner Teilchen P an der Innen­ wandfläche eines feinen Lochs 5h des Grundkörpers S im An­ fangsstadium. Fig. 3B zeigt eine mikroskopische Ansicht von Atomen oder Molekülen, die an der Innenwandfläche adsorbiert sind. Die Innenwandfläche wird durch die schwarzen Kreise gebildet. Ein ultrafeines Teilchen ist durch einen weißen Kreis dargestellt. Die schwarzen und weißen Kreise repräsen­ tieren jeweils Atome oder Moleküle.

Physikalisch adsorbierte ultrafeine Teilchen P werden er­ wärmt, und so wird ein Teil der Atome oder Moleküle, aus de­ nen die ultrafeinen Teilchen P bestehen, herausgestreut und diffundiert an der Innenwandfläche. Sie werden durch Atome oder Moleküle eingefangen, die den Grundkörper S aufbauen und Keime bilden. Ein derartiger Filmbildungsvorgang dauert an, und an der Innenwandfläche des Lochs Sh entstehen insel­ förmige Filme Fi, wie es in Fig. 4A dargestellt ist.

Schließlich ist ein geschlossener oder gleichmäßiger Film F erzeugt. Wenn die Temperatur höher ist, diffundiert ein Teil der Atome oder Moleküle, die die ultrafeinen Teilchen bil­ den, in den Grundkörper S und wird chemisch an der Innen­ wandfläche adsorbiert. Fig. 4C entspricht Fig. 3B, wobei je­ doch die erstere mikroskopischer als die letztere ist. Ein Teil q der Atome oder Moleküle, die die ultrafeinen Teilchen P bilden, diffundiert an der Innenwandfläche des feinen Lochs, während ein anderer Teil r in den Grundkörper S dif­ fundiert. Falls erforderlich, wird zusätzlich zur obigen Wärmebehandlung für den Grundkörper S eine Hydrierung, Oxi­ dation, Nitrierung oder Kohlenstoffaddition zur Oberflächen­ modifizierung ausgeführt. Auch können die obige Wärmebehand­ lung und die obige Gaseinleitung dazu verwendet werden, die Oberfläche vor der Filmbildung zu reinigen, die Oberfläche nach der Filmbildung zu stabilisieren, oder um die Oberflä­ che zu aktivieren.

Nachfolgend werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Dünnfilmbildung mittels ultrafeiner Teilchen unter Bezugnah­ me auf die Zeichnungen beschrieben.

Fig. 5 ist eine schematische Schnittansicht einer Filmbil­ dungsvorrichtung 10 mit druckdichtem Aufbau. Ihr Filmher­ stellungsbehälter 11 ist am Boden mit einem Vakuumsystem 12 verbunden. In den Filmherstellungsbehälter 11 ist eine Transportleitung 22 eingeführt. Durch die Transportleitung 22 wird von einer Aerosolerzeugungskammer 21 ein Aerosol transportiert, in dem ultrafeine Teilchen in einem Gas dis­ pergiert sind und in diesem schweben. Ein Steuerventil 27 zum Steuern der Zufuhr des Aerosols ist in der Transportlei­ tung 22 angeordnet, wobei eine Umgehungsleitung 27b um das Ventil herum vorliegt. Ferner ist eine Flasche 28 mit He­ liumgas, das das Dispersionsmedium bildet, über ein Steuer­ ventil 29 mit der Aerosolerzeugungskammer 21 verbunden. Die­ ses Steuerventil 29 steuert vorbestimmte Drücke der Aerosol­ erzeugungskammer 21 und des Filmbildungsbehälters 11.

Über Steuerventile 32, 34 sind ein erstes Gasversorgungssys­ tem 31 und ein zweites Gasversorgungssystem 33 mit dem Film­ bildungsbehälter 11 verbunden. Ein für den jeweiligen Anwen­ dungsfall erforderliches Gas wird zum Reinigen des Grundkör­ pers S vor der Filmbildung oder zur Oberflächenmodifizierung oder zum Oberflächenschutz vor der Wärmebehandlung vor der Filmbildung zur Stabilisierung und Aktivierung der Oberflä­ che eingeleitet. Beim Ausführungsbeispiel der Erfindung ent­ hält das erste Gasversorgungssystem 31 eine Ozongas- oder Sauerstoffradikal-Erzeugungsvorrichtung zum Reinigen des Grundkörpers S, und das zweite Gasversorgungssystem 33 ent­ hält ein Argongas-Zuführsystem zur Stabilisierungsverarbei­ tung nach der Filmbildung und dem Oberflächenschutz.

Der Filmbildungsbehälter 11 enthält einen Grundkörper-Halte­ rahmen 14 zum Halten des Grundkörpers S, wie er in Fig. 1 dargestellt ist. Dieser wird durch eine nicht dargestellte Schleuse in den Filmbildungsbehälter 11 eingesetzt. Der Grundkörper-Halterahmen 14 enthält einen Heizmechanismus zum Beheizen des Grundkörpers S. Ein Filmdickenmonitor 15 ist als Attrappe nahe dem Grundkörper S angebracht. Die Dicke des erzeugten Dünnfilms wird durch eine Meß- und Regelvor­ richtung 16 gemessen, die an einem Montageflansch im oberen Teil des Filmbildungsbehälters 11 befestigt ist. Die Film­ dicke wird mittels Ultraviolettstrahlung optisch gemessen. Die Meß- und Regelungsvorrichtung 16 steuert ferner das Öffnen und Schließen der Steuerventile 27, 29 auf Grundlage des Messergebnisses. Eine Sonde 17 zum Messen der Filmdicke wird in den Filmbildungsbehälter 11 über dem Filmdickenmoni­ tor 15 eingeführt. Die Filmdicke wird, wie genannt, optisch gemessen, jedoch kann sie auch elektrisch gemessen werden. Die Meß- und Regelungsvorrichtung 16 steuert ferner die Start- und Stoppvorgänge des Vakuumsystems sowie das Öffnen und Schließen eines Verschlusses für einen Tiegel 23, der in der Aerosolerzeugungskammer 21, in Fig. 6, angeordnet ist.

Fig. 6 ist eine schematische Schnittansicht der Aerosoler­ zeugungskammer 21, in die der Tiegel 23 eingesetzt ist, über dem sich der nicht dargestellte Verschluß befindet. Um den Tiegel 23 ist eine Hochfrequenzspule 25 gewickelt, die elek­ trisch mit einer hochfrequenten Spannungsquelle 24 verbunden ist. Im Tiegel 23 ist Aluminium 26 enthalten, das bei einer vorbestimmten Temperatur verdampft wird. Die Heliumgasfla­ sche 28, das Steuerventil 29 und das Steuerventil 27 wurden bereits oben beschrieben.

Die Filmbildungsvorrichtung 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist auf die obige Weise aufgebaut. Nachfolgend wird das Filmbildungsverfahren des Ausführungsbeispiels be­ schrieben, wie es unter Verwendung dieser Filmbildungsvor­ richtung 10 ausgeführt wird.

Als erstes wird der Grundkörper S am Grundkörper-Halterahmen 14 im Filmbildungsbehälter 11 gehaltert. Der Grundkörper-Halterahmen 14 wird durch den in ihm vorhandenen Heizmecha­ nismus auf 200°C erwärmt. Das Innere des Filmbildungsbehäl­ ters 11 wird durch das Vakuumsystem 12 evakuiert. Anschlie­ ßend wird das Steuerventil 32 für eine vorbestimmte Zeit ge­ öffnet, und Ozongas oder Sauerstoffradikalgas wird vom Gas­ versorgungssystem 31 eingeleitet. Demgemäß werden geringe Mengen organischer Stoffe, die am Grundkörper S anhaften, oxidativ entfernt. Gleichzeitig werden der Graben 6 und das Durchgangsloch 7 evakuiert. Anschließend wird das Steuerven­ til 27 geöffnet und die Aerosolerzeugungskammer 21 wird eva­ kuiert, woraufhin das Vakuumsystem 12 angehalten wird. Dann wird das Steuerventil 27 geschlossen.

Als nächstes wird in der Aerosolerzeugungskammer 21 ein Aerosol erzeugt, bei dem die ultrafeinen Teilchen im Helium­ gas dispergiert sind und in diesem schweben. Die Korngröße der ultrafeinen Teilchen hängt im wesentlichen von der Ver­ dampfungstemperatur des Aluminiums, der Art des verwendeten Gases und dem Gasdruck ab. Gemäß Fig. 6 wird das Steuerven­ til 29 geöffnet, und Heliumgas wird von der Flasche 28 so eingeleitet, daß der Druck in der Aerosolerzeugungskammer 21 auf einem Druck von 260 Pa gehalten wird. Dabei wird das Aluminium 26 im Tiegel 23 durch die hochfrequente Spannungs­ quelle auf eine Temperatur von 1100°C erhitzt. Der Ver­ schluß am Tiegel 23 wird geöffnet, und Aluminium 26 ver­ dampft. Es werden ultrafeine Teilchen mit einer mittleren Korngröße von 5 nm dispergiert, die im Heliumgas schweben.

Anschließend wird das Steuerventil 27 geöffnet, wodurch die im Heliumgas dispergierten und schwebenden ultrafeinen Teil­ chen in den Filmbildungsbehälter 11 eingeleitet werden. Nachdem die vorbestimmte Menge an Aluminium verdampft ist, wird der Verschluß am Tiegel 23 geschlossen. Das Öffnen des Steuerventils 29 wird gesteuert, und die Drücke im Filmbil­ dungsbehälter 11 und in der Aerosolerzeugungskammer 21 wer­ den auf einen Druck von 5·10⁵ Pa erhöht und dort aufrecht­ erhalten. Dabei dringt das Aerosol in den Graben 6 und das Durchgangsloch 7 im Grundkörper S ein. Die ultrafeinen Teil­ chen aus Aluminium diffundieren in den erwärmten Graben 6 und das Durchgangsloch 7.

Als nächstes wird die Filmdicke des Aluminiums, das sich an der Innenfläche des Grabens 6 und des Durchgangslochs 7 im Grundkörper S ausgebildet hat, durch den Dickenmonitor 15, an dem ebenfalls ein Dünnfilm ausgebildet wurde, indirekt gemessen. Die Mess- und Regelungsvorrichtung 16 mißt die Dicke des am Monitor 15 ausgebildeten Films optisch auf kon­ tinuierliche Weise. Wenn die vorbestimmte Dicke des Films erreicht wurde, werden die Steuerventile 27, 29 geschlossen.

Wenn die Dicke des herzustellenden Films größer ist oder wenn die vorbestimmte Filmdicke nicht durch einen einzelnen Aerosolbearbeitungsvorgang erhalten werden kann, wird der obige Vorgang mit Ausnahme des Reinigungsvorgangs wieder­ holt. Indessen steuert die Meß- und Regelungsvorrichtung das Öffnen und Schließen der Ventile 27, 29, das Öffnen und Schließen des Verschlusses am Tiegel 23 sowie das Starten und Stoppen des Vakuumsystems 12.

Wenn ein Aluminiumfilm mit vorbestimmter Dicke erzeugt ist, beginnt das Vakuumsystem 12 damit, das Innere des Filmbil­ dungsbehälters 11 zu evakuieren. Dann wird das Steuerventil 34 geöffnet, um Argongas einzuleiten, und der Halterahmen 14 wird durch den in ihm vorhandenen Heizmechanismus so er­ wärmt, daß der Grundkörper S auf eine Temperatur von 300°C erwärmt wird, auf der er für eine vorbestimmte Zeit gehalten wird. Der Aluminiumfilm erfährt dadurch eine Spannungsent­ lastung und Stabilisierung. So wird eine Reihe von Filmbil­ dungsvorgängen abgeschlossen. Der Grundkörper S, bei dem an der Innenfläche des Grabens 6 und des Durchgangslochs 7 ein Aluminiumfilm ausgebildet ist, wird dem Filmbildungsbehälter 11 entnommen.

Beim obigen Ausführungsbeispiel werden ultrafeine Aluminium­ teilchen mit einem mittleren Durchmesser von 5 nm zur Film­ bildung an den Innenflächen verwendet. Die Breite des Gra­ bens 6 entspricht 0,1 µm, und das Durchgangsloch 7 hat einen Durchmesser von 0,2 µm, wobei das Tiefe/Durchmesser-Verhält­ nis für den Graben 6 und das Durchgangsloch 7 die Werte 3 bzw. 5 hat. Die Filme werden an den Innenwänden des Grabens 6 und des Durchgangslochs 7 ausgebildet. Ferner wird, wenn ein Aerosol erzeugt wird, ein Druck von 260 Pa aufrechter­ halten, und wenn ein Film erzeugt wird, wird der Druck auf 5 · 10⁵ Pa gehalten. So werden die Drücke zwischen zwei Stu­ fen gewechselt. Wenn jedoch das Loch einen Durchmesser von 2 µm und ein Seitenverhältnis von 1 aufweist, kann gemeinsam ein Druck von 10³ - 10⁴ Pa bei der Herstellung des Aerosols und beim Filmbildungsvorgang verwendet werden.

Während das bevorzugte Ausführungsbeispiel speziell be­ schrieben wurde, sind dem Fachmann Änderungen innerhalb des Schutzumfangs der durch die beigefügten Ansprüche definier­ ten Erfindung ersichtlich.

Z. B. wird beim obigen Ausführungsbeispiel ein einzelner Grundkörper S am Grundkörper-Halterahmen 14 im Filmbildungs­ behälter 11 gehalten. Jedoch können mehrere Grundkörper S, wie in Fig. 7A dargestellt, an einem Grundkörper-Halterahmen 14′ gehalten werden, und Dünnfilme können gleichzeitig an den mehreren Grundkörpern ausgebildet werden. Auch kann, wie es in Fig. 7B dargestellt ist, eine Anzahl von Grundkörpern S′ an der Umfangsfläche einer Trommel 18 befestigt werden, die um ihre Achse gedreht wird.

Beim obigen Ausführungsbeispiel besteht die Filmbildungsvor­ richtung 10 aus einem Behälter 11. Wie es durch Fig. 8 ver­ anschaulicht ist, können mehrere Filmbildungsbehälter 11₁, 11₂, . . ., 11 _n mittels Schleusenventilen angeordnet sein. In diesem Fall wird der Grundkörper S in einer Richtung ge­ dreht, um einen mehrschichtigen Film herzustellen. Es kann eine gerade Anordnung verwendet werden, wie in Fig. 8A dar­ gestellt, oder eine kreisförmige, wie in Fig. 8B darge­ stellt. Ferner kann ein Klustertyp verwendet werden. In die­ sem Fall sind Prozeßkammern um ein Verteilungszentrum 11B herum angeordnet. Jedoch werden bei allen obenbeschriebenen Verfahren ein Vakuumsystem, eine Aerosolerzeugungskammer, ein Gasversorgungssystem und eine Meß- und Regelungsvor­ richtung für jeden Filmbildungsbehälter 11₁, 11₂, . . ., 11 _n verwendet. Diese sind in Fig. 8 weggelassen. Ferner ist bei allen obigen Vorrichtungen eine Kammer 11₀ zum Einsetzen und Entnehmen von Grundkörpern vorhanden. Beim linearen Typ, wie in Fig. 8A dargestellt, ist eine Einsetzkammer 11₀′ an einem Ende angeordnet, während eine Entnahmekammer 11₀′′ am anderen Ende angeordnet ist. In diesem Fall kann die Einsetzkammer 11₀′ als Reinigungskammer für den Grundkörper S verwendet werden. Beim in Fig. 8B dargestellten Rotationstyp wird der Grundkörper S in der durch einen Pfeil in gekennzeichneten Richtung bewegt. Die Filmbehälter 11₁, 11₂, . . ., 11₆ sind in der durch einen Pfeil n gekennzeichneten Richtung verdreh­ bar. Auch beim Klustertyp können sie um das Verteilungszen­ trum 11₀ verdreht werden. Ein Roboter R mit einziehbarem Arm ist im Verteilungszentrum 11₀ angeordnet. So wird ein Grund­ körper S vom Roboter R in die Prozeßkammer eingesetzt und aus ihr entnommen.

Ferner wird beim obigen Ausführungsbeispiel Aluminium durch ein Hochfrequenz-Induktionsheizverfahren in der Aerosoler­ zeugungskammer 21 erwärmt. Es kann ein anderes Verfahren verwendet werden, z. B. ein Erwärmungsverfahren mittels eines Elektronen- oder eines Laserstrahls, sowie ein Bogen­ entladungsverfahren.

Ferner ist beim obigen Ausführungsbeispiel das Vakuumsystem 12 gemeinsam für den Filmbildungsbehälter 11 und die Aero­ solherstellkammer 21 verwendet. Statt dessen kann ein Va­ kuumsystem gesondert für die Aerosolerzeugungskammer 21 vor­ handen sein. Ferner wird beim obigen Ausführungsbeispiel das mit der Aerosolerzeugungskammer 21 verbundene Steuerventil 29 auch dazu verwendet, den Druck im Filmbildungsbehälter 11 aufrechtzuerhalten oder zu erhöhen. Jedoch können ein Druck­ steuerventil und eine Gasflasche vorhanden sein, die aus­ schließlich für den Filmbildungsbehälter 11 verwendet wer­ den.

Ferner verfügt der obenbeschriebene Grundkörper S über ein Durchgangsloch, dessen Boden die Oberfläche einer unteren Schicht bildet. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann ein Durchgangsloch mit größerem Seitenverhältnis verwendet wer­ den.

Beim obigen Ausführungsbeispiel wird ein Aluminiumfilm auf einem Grundkörper S mit einer Grundplatte 1 aus Silizium hergestellt. Jedoch kann ein dreidimensionaler Träger aus Keramik mit feinen Löchern verwendet werden. An der Innen­ wandfläche der feinen Löcher eines Katalysatorträgers kann ein Metallkatalysator, z. B. aus Palladium, hergestellt wer­ den. Ferner können, wenn die Oberfläche nach der Filmbildung aktiviert wird, das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung auf den Träger angewandt werden.

Ferner wurde beim obigen Ausführungsbeispiel ein Film aus ultrafeinen Aluminiumteilchen auf dem Grundkörper herge­ stellt. Jedoch kann als Material für ultrafeine Teilchen ein anderes Metall als Aluminium, wie z. B. Gold, Silber oder Platin, verwendet werden. Ferner können zum Herstellen eines Dünnfilms ultrafeine Keramikteilchen wie solche aus SiC (Si­ liziumcarbid), TiN (Titannitrid), AlN (Aluminiumnitrid), SiO₂ (Siliziumoxid) und Al₂O₃ (Aluminiumoxid) verwendet wer­ den. Ferner ist bei diesem Ausführungsbeispiel Heliumgas als Dispersionsmedium für ultrafeine Teilchen angegeben. Jedoch kann statt dessen z. B. Argon, Wasserstoff, Stickstoff, Sau­ erstoff oder ein Gemisch aus zwei oder mehreren dieser Gase verwendet werden.

Claims (17)

1. Verfahren zum Herstellen eines Dünnfilms aus ultrafei­ nen Teilchen, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

• (A) Anordnen eines Grundkörpers im Vakuum, der z. B. ein Sack- oder Durchgangsloch mit einem Durchmesser von weniger als 2 µm und einem Tiefe/Durchmesser-Verhältnis über eins oder einen Graben mit ähnlicher Größe aufweist;
• (B) Anwenden eines Aerosols ultrafeiner Teilchen mit einem Durchmesser von kleiner als 0,1 µm auf die Innenfläche des Lochs oder des Grabens, wobei die Teilchen in einem Gas bei einem Druck über 10² Pa dispergiert sind und in diesem schweben; und
• (C) Eindiffundieren des Aerosols in das Loch oder den Graben und Adsorbieren desselben an der Innenwandfläche.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des hergestellten Dünnfilms durch eine Temperatur­ verteilung oder einen Temperaturgradienten nahe dem Loch oder dem Graben eingestellt wird.

3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Grundkörpers erhöht wird, um die ultrafeinen Teilchen zu aktivieren und sie zu diffundieren und an der Innenwandfläche chemisch zur Adsorption zu bringen.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Oberflächen der ultrafeinen Teilchen, die an der Innenwandfläche zur Adsorption zu brin­ gen sind, auf solche modifiziert werden, daß sie mit einem Gas aus Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Halogen oder Kohlenwasserstoff reagieren.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Anwenden des Aerosols auf die Innenwandfläche wiederholt wird, um dünne Filme aus ultra­ feinen Teilchen auf der Innenwandfläche aufzustapeln.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß Aerosole, in denen unterschiedli­ che Arten ultrafeiner Teilchen dispergiert sind und schwe­ ben, der Reihe nach auf die Innenwandfläche angewandt wer­ den.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Aerosol, das ein Gemisch aus ver­ schiedenen Arten ultrafeiner Teilchen, die in einem Gas dis­ pergiert sind und in ihm schweben, auf die Innenwandfläche angewandt wird, um dort einen Dünnfilm aus diesem Gemisch auszubilden.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der ausgebildete Dünnfilm aus ultrafeinen Teilchen mit einem Schutzgas oder einer Schutz­ flüssigkeit bedeckt wird.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß als ultrafeine Teilchen solche aus Metall oder Keramik verwendet werden.

10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Gas Helium, Argon, Wasser­ stoff, Stickstoff, Sauerstoff oder ein Gemisch aus minde­ stens zweien dieser Gase ist.

11. Vorrichtung zum Herstellen eines Dünnfilms aus ultra­ feinen Teilchen, gekennzeichnet durch:

• (A) eine Aerosolerzeugungsvorrichtung (21), in der ultrafei­ ne Teilchen mit einem Durchmesser von 0,1 µm aus einem ver­ dampften Material gebildet werden, die in einem Gas disper­ giert werden und in diesem schweben;
• (B) einen Haltemechanismus (14) zum Halten eines Grundkör­ pers (S) mit einem Sack- oder einem Durchgangsloch mit einem Durchmesser von weniger als 2 µm und mit einem Tiefe/Durch­ messer-Verhältnis von über eins, oder einem Graben mit ähn­ licher Größe, wobei auf diesem Grundkörper ein Dünnfilm aus ultrafeinen Teilchen herzustellen ist;
• (C) einen Heizmechanismus zum Erwärmen des Grundkörpers;
• (D) einen Druckeinstellmechanismus (27) zum Aufrechterhalten eines bestimmten Drucks des Aerosols;
• (E) einen Dünnfilmbildungsbehälter (11), der zumindest den Haltemechanismus enthält; und
• (F) ein mit dem Dünnfilmbildungsbehälter verbundenes Vakuum­ system.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizmechanismus eine erste Heizquelle, die den Grundkörper nahe dem Loch oder dem Graben mit einer Tempera­ turverteilung oder einem Temperaturgradienten versieht; und/oder eine zweite Heizquelle zum Aktivieren der ultrafeinen Teilchen ist, die an der Innenwandfläche des Lochs oder des Grabens zu adsorbieren sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, ge­ kennzeichnet durch einen Einleitmechanismus (32, 34) zum Einleiten von Wasserstoff, Stickstoff, Halogen oder Kohlen­ wasserstoff zum Modifizieren der Oberfläche der ultrafeinen Teilchen oder der Innenwandfläche.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, gekenn­ zeichnet durch eine Meß- und Regelungsvorrichtung, die so ausgebildet ist, daß sie kontinuierlich die Dicke des her­ gestellten Dünnfilms aus ultrafeinen Teilchen mißt und auf Grundlage des Meßergebnisses das Starten und Stoppen der Aerosoleinleitung und den Betrieb des Druckeinstellmechanis­ mus steuert.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, gekenn­ zeichnet durch einen zweiten Einleitungsmechanismus zum Ein­ leiten eines Schutzgases oder einer Schutzflüssigkeit zum Schützen des Dünnfilms aus ultrafeinen Teilchen.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Haltemechanismus mehrere Grundkör­ per hält.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Dünnfilmbildungsbehälter in einer geraden Linie oder auf einem Kreis oder in einem Klus­ ter angeordnet sind oder sie drehbar um ein Verteilungszen­ trum für Grundkörper angeordnet sind.