DE2220086A1

DE2220086A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Aufbringung von dünnen Schichten

Info

Publication number: DE2220086A1
Application number: DE19722220086
Authority: DE
Inventors: M. Jean van Prof. Mons Cakenberghe (Belgien)
Original assignee: Compagnie Industrielle de Telecommunication CIT Alcatel SA
Current assignee: Alcatel CIT SA
Priority date: 1971-04-27
Filing date: 1972-04-24
Publication date: 1972-11-16
Also published as: FR2134336B1; NL7205566A; JPS5511744B1; IT965683B; BE766345A; DE2220086C3; US3801355A; DE2220086B2; CH561286A5; FR2134336A1

Description

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PATENTANWÄLTE

DR. MOLLER-BOFiS ■ DH. MANiTZ · DR. DEUFEL 2 4, Apr// i(ny

DiPL-ING. FIKSTERWALD · DIPL-SNG. GRÄMKOW ^fi

β MÜNCHEN '.J, Γ 03KRT-XCCH-STR. 1
Tüi-EFO.N 225110

COMPAGNIE INDUSTRIELLE DES TELECOMMUNICATIONS

CIT-ALCATEL 12, rue de la Baume, PARIS (8), Frankreich

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR AUFBRINGUNG VON DÜNNEN

SCHICHTEN

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufbringung von dünnen Schichten.

Die Aufbringung derartiger dünner Schichten erfolgt in der Regel durch Aufdampfung im Vakuum oder durch Aufspritzen von miteinander eine chemische Reaktion eingehenden Stoffen. Das zuerst genannte Verfahren kann nur dann angewendet werden, wenn der aufzubringende Stoff sich bei Erhitzung auf hohe Temperatur im Vakuum in Substanzen zersetzt, die sehr . unterschiedliche Dampfspannungen aufweisen und von denen die flüchtigste Substanz eine bei der Aufbringungs-Temperatur messbare Dampfspannung hat. Dies trifft insbesondere auf die mei-

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sten Oxide, bestimmte Sulfide sowie Arsenid- und Galliumphosphid zu.

Bei dem zuletzt genannten. Verfahren erfolgt die Aufdampfung des aufzubringenden Stoffes durch eine elektrische Entladung mit geringem Druck zwischen zwei Elektroden, von denen die eine aus dem aufzubringenden Stoff oder dem metallischen Bestandteil dieses Stoffs besteht, und wobei der andere Bestandteil in der Gasphase enthalten ist. Der aufzubringende Stoff setzt sich in Form einer dünnen Schicht auf einem in einigen Zentimetern von der Elektrode vorgesehenen Substrat ab, der mit der zweiten Elektrode in Berührung steht oder auch nicht. Soll beispielsweise eine dünne Zink-Oxid-Schicht aufgebracht werden, dann besteht beispielsweise die erste Elektrode entweder aus Zinkoxid oder aus metallischem Zink, wobei die Gasatmosphäre von reinem Sauerstoff oder von mit einem neutralen Gas wie Argon versetzten Sauerstoff gebildet wird.

Das zuletzt genannte Verfahren kann zwar bei den genannten Stoffen angewendet werden, jedoch eignet es sich kaum für Halbleiterstoffe, da die erzielten Schichten aus sehr feinen Mikrokristallen bestehen, so dass bestimmte elektrische Eigenschaften wie Beweglichkeit und Lebensdauer der Ladungsträger ungünstig beeinflusst werden. Im übrigei wird bei diesem Verfahren eine verhaltnismassig grosse Energie abgeführt, und die Aufbringungsgeschwindigkeit ist verhaltnismassig gering und kann innerhalb weiter Grenzen variieren.

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ORIGINAL INSPECTED

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Aufbringung dünner Schichten, das diese Nachteile nicht aufweist.

Ziel der Erfindung ist ebenfalls eine Vorrichtung zur Herstellung derartiger dünner Schichten entweder auf einem Isolierträger oder auf einem elektriscl^Leitenden bzw. halbleiten-den Träger.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung gewährleistet ebenfall die Aufbringung von dünnen Stoffschichten mit geeigneten elektrischen, haIbleitenden, piezoelektrischen, magnetischen und/oder optischen Eigenschaften sowie von dünnen Schichten eines Stoffs mit hohem Schmelzpunkt wie beispielsweise von hitzebeständigen Stoffen.

Das Verfahren zur Vakuum-Aufbringung von dünnen Schichten auf die Oberfläche eines Substrats, das gegenüber einem Hohlraum angeordnet ist, in den ein Gas mit einem vorbestimmten Druck eingeblasen wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass im Innern des Hohlraums, dessen Innenwände zuvor mit dem aufzubringenden Stoff beschichtet worden sind, ein Plasma erzeugt wird.

Das Verfahren eignet sich ebenfalls zur Aufbringung von Schichten auf die Oberfläche eines Substrats, wenn der Hohlraum selbst unmittelbar aus dem aufzubringenden Stoff besteht.

Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eine

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Hochfrequenz-Vorrichtung zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes, mindestens einen Substrat-Träger im Innern eines evakuierten Gehäuses, ein Substrat, einen Hohlraum, der im Innern mit dem aufzubringenden Stoff beschichtet und gegenüber dem Substrat mit einer Öffnung versehen ist, und eine Einrichtung zum Einblasen eines unter einem bestimmten Druck stehenden Gases in den Hohlraum aufweist, durch welches die Bildung eines Plasmas im Innern des Hohlraums bei Vorhandensein eines elektromagnetischen Feldes gefördert wird.

Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass der Substrat-Träger ein elektrisches Heizelement aufweist, mit dem das Substrat auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt wird.

Bei einer Ausführungsart ist die erfindungsgemässe Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass sie im Hohlraum eine Elektrode aufweist, die an einem geeigneten elektrischen Potential liegt, das einen Funken zur Zündung des Plasmas abgibt . . ■

Der Hohlraum ist vorteilhafterweise zylindrisch ausgebildet, und die zylindrische Wand weist auf der Innenseite Längsrippen auf. Ferner wird das Isoliergehäuse vorteilhafterweise gekühlt.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung, wird an Hand der Zeichnungen beispielsweise beschrieben.

Fig. 1 zeigt im Längsschnitt eine Ausführungsform der

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erfindungsgemässen Vorrichtung;

Fig. 2 zeigt im Querschnitt ein Ausführungsbeispiel des in der erfindungsgemässen Vorrichtung verwendeten Hohlraums;

Fig. 3 zeigt im Längsschnitt eine andere Ausführungsart der erfindungsgemässen Vorrichtung.

Nach Fig. 1 befindet sich im Innern einer beispielsweise aus Quarz oder Keramik bestehenden Röhre 1 ein zylindrischer Hohlraum 2, dessen Wand aus dem aufzubringenden Stoff besteht bzw. mit dem aufzubringenden Stoff beschichtet ist. Auf einer der Querflächen des Hohlraums ist eine Öffnung 3 vorgesehen. Die Hochfrequenz-Vorrichtung besteht in Fig. 1 aus einer Induktionsspule 4, die die Röhre 1 in Höhe des Hohlraums 2 umgibt. Die Induktionsspule liegt an einer Hochfrequenz-Spannungsquelle 5. Ein Substrat-Träger 6 iäb so angeordnet, dass das Substrat 7 gegenüber der Öffnung 3 im Hohlraum 2 liegt. Mit dem elektrischen Heizelement 8 wird das Substrat 7 auf eine bestimmte Temperatur erhitzt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Substrat-Träger 6 um eine Achse 9 drehbar, so dass nacheinander mehrere Substrate vor die Öffnung 3 gelangen.

In Fig. 2 ist die zylindrische'Wand des Hohlraums im Innern mit Längsrippen 10 versehen, die die Wärmeübertragung durch die Wand hindurch verringern.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung arbeitet folgendermassen:

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Durch die Zuleitung 11 wird ein Gas in das Innere des Hohlraums 2 eingeblasen, so dass in dieser ein bestimmter Atmosphärendruck herrscht. Wenn durch die Induktionsspule 4 ein Hochfrequenzstrom fliesst, wird durch das von ihm im Innern des Hohlraums induzierte elektromagnetische Feld darin ein " Plasma erzeugt. Die im Plasma erzeugte Entladung bewirkt eine starke Erhöhung der Temperatur der Innenwand des Hohlraums, wodurch eine Verdampfung der Innenwand bewirkt und ein Dampfdruck des aufzubringenden Stoffs erzeugt wird. Der verdampfte Stoff entweicht durch die Öffnung 3 und setzt sich auf dem Substrat 7 ab. Bei der erfindungsgemässen Ausführungsart der Vorrichtung befindet sich das Plasma im Innern des Hohlraums.

Auf diese Weise erzielte dünne Schichten bestehen aus bedeutend grösseren und besser geformten Kristallen als diejenigen, welche durch Aufspritzen von miteinander reagierenden Stoffen erzielt werden. Die Ausrichtung der Kristalle der dünnen Schichten ist einwandfrei.

Bei der erfindungsgemässen Vorrichtung bilden die Wände des Hohlraums einen Wärmeschirm. In bestimmten Fällen können die Wände dadurch verstärkt werden, dass um den Hohlraum ein zweiter Hohlraum vorgesehen wird. Durch diesen Wärmeschirm wird die Verlustleistung im Plasma so erhöht, dass die Innenfläche des Hohlraums auf einen sehr hohen Temperaturwert, beispielsweise von mehreren tausend Grad, ohne die Isolierröhre 1 zu gefährden, gebracht wird.

In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der 2 0 9 8 A 7 / 1 1 7 9

erfindungsgemässen Vorricht ing weist diese ausserdem eine Elektrode 12 in der im Hohlraum 2 ausgesparten Öffnung '3 auf. Diese Elektrode 12 liegt an einer elektrischen Spannungsquelle V, die einen zur Zündung des Plasmas geeigneten Funken erzeugt.

Bei einer abgewandelten Ausführungsart ist die Röhre 1 von einem Kühlschacht umgeben. Auf diese Weise werden hohe Aufdampfungsgeschwindigkeiten und verhältnismässig hohe Dampfdrücke im Innern des Hohlraums erzielt, wodurch die Molekülverbindung gefördert wird.

Bei einer besonderen Ausführungsart ist ein zylindrischer Hohlraum aus Zinkoxid mit einem Durchmesser von 50mm und 60mm Höhe in einer Quarzröhre untergebracht. In Höhe des Hohlraums ist um die Röhre herum eine Induktionsspule vorgesehen, die aus drei Kupferrohrwendeln von 6mm Durchmesser besteht und die an einen Hochfrequenz-Energiegenerator angeschlossen ist.

Nach der Herstellung eines Vakuums von 10 ^ mm Hg in der Röhre 1 und der Erhitzung des Substrats a.uf eine Temperatur von 200° C wird dem Hohlraum Sauerstoff zugeführt, um in

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diesem einen Druck in der Grössenordnung von 5.10 mm Hg zu erzeugen. Der Druck in dem Gehäuse, in welchem sich das Substrat befindet, ist infolge des Ladungsverlustes am Ausgang des Hohlraums beträchtlich geringer.

Nach Einschaltung des Hochfrequenzgenerators, der eine Leistung von 4 kV/ bei 3 MHz abgibt, herrscht bereits nach we-

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nigen Minuten ein eingeschwangener Zustand, und das Zinkoxid hat sich in Form einer dünnen Schicht von 0,5 Mikron innerhalb von einer Minute auf dem Substrat abgesetzt.

Bei einer· anderen Ausführungsart der erfindungsgemässen Vorrichtung wird die Induktionsspule zur Erzeugung des Plasmas im Innern des .Hohlraums in dem den Hohlraum umgebenden Vakuum vorgesehen. In diesem Fall sind bestimmte Massnahmen zu ergreifen, um eine Verunreinigung des Substrats zu verhindern. Bei dieser Ausführungsform nach Fig. 3 befindet sich ein zylindrischer Hohlraum 20 in einem evakuierten Gehäuse,
von dem in der Fig. lediglich das Unterteil 30 gezeigt ist.
Dieser Hohlraum .20 ist auf der Innenseite mit dem zu zerstäubenden Stoff 21 beschichtet, und am oberen Ende des Hohlraums ist eine mittlere Öffnung 22,und an dem unteren Teil ist eine Gaszuleitung 23 vorgesehen. Die Seitenfläche 24 des zylindrischen Hohlraums 20 ist von Wendeln 25 eines Induktorkreises umgeben, der von einer nicht gezeigten, ausserhalb des Gehäuses angeordneten Hochfrequenzquelle gespeist wird. Dieser Induktorkreis 26 besteht aus einem Hohlleiter, der im Innern
durch einen Wasserstrom 27, 27' gekühlt wird. Der Induktorkreis wird von einem am Unterteil 30 des Gehäuses angebrachten Isoliersockel 28 gehalten. Der den Induktorkreis bildende Leiter ist mit einer Schicht aus einem Isolierstoff 29 umgeben, der bei einer Versuchsreihe aus Teflon und bei einer anderen Versuchsreihe aus Glas bestand. Ein aus diesem Stoff bestehender Schutzschirm 31 vervollständigt den Schutz des Substrats vor

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jeglicher Verunreinigung durch das den Induktorkreis bildende Metall. Ein Dichtring 32 aus schlecht die Wärme leitendem, hitzebeständigen Material ist um die Öffnung 22 des Hohlraums 20 vorgesehen und gewährleistet einen schlechten thermischen Kontakt zwischen dem Hohlraum 20 und dem Isolierschirm 30; er stellt jedoch eine einwandfreie Abdichtung dar.

Die Zündung des Plasmas im Hohlraum kann andererseits auch durch eine Hohlleitervorrichtung erfolgen. Andererseits ist es möglich, den Hohlraum in bestimmten Fällen zu unterteilen, so dass das elektromagnetische Feld durch sehr stark leitende oder hitzebeständige Stoffe hindurchdringen kann.

Andererseits wurde eine Vorrichtung hergestellt, bei der der Hohlraum mehrere Offnungen aufweist, so dass mehrere Substrate gleichzeitig beschichtet werden können.

Im übrigen ist der Hohlraum mehrfach unterteilt worden, ohne dass eine merkliche Verringerung der Beschichtungsgeschwindigkeit festgestellt wurde.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist besonders geeignet zur Herstellung von dünnen Schichten verschiedener Stoffe wie piezoelektrischer, halbleitender, optischer, magnetischer Stoffe, Isolierstoffe und eine hohe die Elektrizitätskonstante aufweisende bzw. hitzebeständiger Stoffe oder deren Verbindungen, die einen hohen Schmelzpunkt aufweisen.

- Patentansprüche 209 8 47/11-7 9

Claims

PATENTANSPRÜCHE

(l) Verfahren zur Aufbringung von dünnen Schichten auf die Oberfläche eines Substrats, das im Vakuum gegenüber der Öffnung eines Hohlraums angeordnet ist, in das ein Gas. unter einem bestimmton Druck eingeblasen wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Innern des Hohlraums (2), der zuvor mit dem aufzubringenden Stoff beschichtet worden ist, ein Plasma erzeugt wird.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Hochfrequenz-Vorrichtung zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes, mindestens einen Substrat-Trager (6) im Innern eines evakuierten Gehäuses, ein Substrat (7), einen Hohlraum (2), der im Innern mit dem aufzubringenden Stoff beschichtet und gegenüber dem Substrat mit einer Öffnung (3) versehen ist, und eine Einrichtung (11) zum Einblasen eines unter einem bestimmten Druck stehenden Gases in den Hohlraum (2) aufweist, durch welches die Bildung eines Plasmas im Innern des Hohlraums bei Vorhandensein eines elektromagnetischen Feldes gefördert wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (6) des Substrats ein elektrisches Heizelement (8) aufweist, mit dem das Substrat (7) auf eine bestimmte Temperatur erhitzt wird.

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4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hoxilraum (2) in der Regel zylindrisch ausgebildet und die zylindrische Wand auf der Innenseite mit Längsrippen versehen ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, da. durch gekennzeichnet, dass sie im Hohlraum (2) eine Elektrode (12) aufweist, die an eine elektrische Spannungsquelle (V) angeschlossen ist, welche den zur Zündung des Plasmas er- . forderlichen Funken erzeugt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5,dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenz-Vorrichtung aus einer Induktionsspule (4) besteht, die das Is.oliergehäuse (1) umgibt, welches in Höhe des Hohlraums ein Vakuum aufweist, und dass die Induktionsspule (4) an eine Hochfrequenz-Spannungsquelle angeschlossen ist.
7· Vorrichtung nach Anspruch 5,dadurch gekennzeichnet, dass das Isoliergehäuse gekühlt wird.
8. Vorrichtung, nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenz-Vorrichtung aus einer Induktionsspule (4) besteht, die in dem evakuierten Gehäuse (l) untergebracht ist und den Hohlraum (2) umgibt, welcher auf der Innenseite mit dem aufzubringenden Stoff beschichtet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 4, d a d u r c h ■ "g erkenn, zeichnet, dass die Hochfrequenzquelle aus einer Hohlleitervorrichtung besteht.

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10. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Honlx^aum mehrere Offnungen aufweist, gegenüber denen jeweils ein Substrat auf einem Substrat-Träger vorgesehen ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10,dadurch ge kennzeichnet, dass der Hohlraum (2) in ebensoviele Kammern unterteilt ist wie die Offnungen im Hohlraum vorgesehen sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 3,dadurch gekennzeichnet, dass die Wände des Hohlraums aus dem aufzubringenden Stoff bestehen.

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