DE2220086B2

DE2220086B2 - Vorrichtung zur Aufbringung eines Materials

Info

Publication number: DE2220086B2
Application number: DE2220086A
Authority: DE
Inventors: M.Jean van Prof. Mons Cakenberghe
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: 1981-07-23
Also published as: NL7205566A; DE2220086C3; CH561286A5; US3801355A; DE2220086A1; BE766345A; FR2134336B1; JPS5511744B1; FR2134336A1; IT965683B

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufbringung von dünnen Schichten eines Materials auf die Oberfläche eines Substrats, das in einem Vakuumgehäuse gegenüber der Öffnung einer Plasmakammer angeordnet ist, wobei das Plasma in der Kammer mit Hilfe einer Hochfrequenzspule erzeugt wird und in die Kammer ein in Richtung Substratoberfläche strömendes Gas eingeblasen wird.

Die Aufbringung derartiger dünner Schichten erfolgt oft durch Aufdampfen im Vakuum oder durch Aufspritzen von miteinander eine chemische Reaktion eingehenden Stoffen. Das zuerst genannte Verfahren kann dann nicht 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 meisten Oxide, bestimmte Sulfide sowie Arsenid- und Gallium-Phosphid 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 Stoffes 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, das 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 Gesamtatmosphäre von reinem Sauerstoff oder von mit einem neutralen Gas

ι ο 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

is daß bestimmte elektrische Eigenschaften wie Beweglichkeit und Lebensdauer der Ladungsträger ungünstig beeinflußt werden. Im übrigen wird bei diesem Verfahren eine verhältnismäßig große Energie abgeführt und die Aufbringungsgeschwindigkeit ist verhältnismäßig gering und kann innerhalb weiter Grenzen variieren.

Es sind auch Vorrichtungen der eingangs genannten Art d. h. mit Plasmazerstäubung bekannt z. B. aus der DE-OS 19 05 058. Hier wird eine Hochfrequenzspule aus dem zu beschichtenden Material verwendet wobei dieses Material ein elektrisch gut leitfähiger Stoff sein muß.

Aus der FR-PS 15 02 647 ist eine ähnliche Vorrichtung bekannt bei der ebenfalls eine HF-Spule aus dem zu beschichtenden Metall besteht.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß auch halbleitende oder nichtleitende Materialien mittels Plasmazerstäubung aufgebracht werden können.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 definierte Vorrichtung gelöst. Bezüglich von Merkmalen bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung wird auf die Unteransprüche verwiesen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand zweier Ausführungsformen mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert

F i g. 1 zeigt im Längsschnitt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
F i g. 2 zeigt im Querschnitt eine Plasmakammer, die in der Vorrichtung gemäß F i g. 1 verwendet wird;

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

Nach F i g. 1 befindet sich im Innern einer beispielsweise aus Quarz oder Keramik bestehenden Röhre 1 eine zylindrische Kammer 2, deren Wand aus dem aufzubringenden Stoff besteht bzw. mit dem aufzubringenden Stoff beschichtet ist. Auf einer der Querflächen der Kammern ist eine Öffnung 3 vorgesehen. Eine Hochfrequenz-Vorrichtung besteht aus einer Induktionsspule 4, die die Röhre 1 in Höhe der Kammer 2 umgibt. Die Induktionsspule liegt an einer Hochfrequenz-Spannungsquelle 5. Ein Substrat-Träger 6 ist so angeordnet, daß das Substrat 7 gegenüber der Öffnung 3 in der Kammer 2 liegt. Mit einem 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.

Wie Fig.2 zeigt, ist die zylindrische Wand der Kammer im Innern mit Längsrippen 10 versehen, die die Wärmeübertragung durch die Wand hindurch verringern.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet folgendermaßen:

Durch die Zuleitung 11 wird ein Gas in das Innere der Kammer 2 eingeblasen, so daß in dieser ein bestimmter Druck herrscht Wenn durch die Induktionsspule 4 ein Hochfrequenzstrom fließt, wird durch das von ihm im Innern der Kammer induzierte elektromagnetische Feld darin ein Plasma erzeugt. Die im Plasma erzeugte Entladung bewirkt eine starke Erhöhung der Temperatur der Innenwand der Kammer, 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.

Auf diese Weise erzielte dünne Schichten bestehen aus bedeutend größerei 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 der Kammer einen Wärmeschirm. In bestimmten Fällen können die Wände dadurch verstärkt werden, daß um die Kammer ein Hohlraum vorgesehen wird. Durch diesen Wärmeschirm wird die Verlustleistung im Plasma so erhöht, daß die Innenfläche der Kammer auf einen sehr hohen Temperaturwert beispielsweise von mehreren tausend Grad, ohne die Isolierröhre 1 zu gefährden, gebracht werden kann.

In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist diese außerdem eine Elektrode 12 in der in der Kammer 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 Aufdampfgeschwindigkeiten und verhältnismäßig hohe Dampfdrücke im Innern der Kammer erzielt, wodurch die Molekülverbindung gefördert wird.

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

Nach der Herstellung eines Vakuums von 1,3 · lO-'mbar in der Röhre 1 und der Erhitzung des Substrats auf eine Temperatur von 200⁰C wird der Kammer Sauerstoff zugeführt, um in dieser einen Druck in der Größenordnung von 0,067 mbar zu erzeugen. Der Druck in dem Gehäuse, in welchem sich das Substrat befindet, ist infolge des Ladungsverlustes am Ausgang der Kammer beträchtlich geringer.

Nach Einschaltung des Hochfrequenz-Generators, der eine Leistung von 4 kW bei 3 MHz abgibt, herrscht bereits nach wenigen Minuten ein eingeschwungener Zustand, und das Zinkoxid hat sich in Form einer dünnen Schicht von 0,5 μπι innerhalb von einer Minute auf dem Substrat abgesetzt

Bei der Ausführungsform nach Fig.3 befindet sich eine zylindrische Kammer 20 in einem evakuierten

ίο Gehäuse, von dem in der Figur lediglich das Unterteil 30 gezeigt ist Diese Kammer 20 ist auf der Innenseite mit dem zu zerstäubenden Stoff 21 beschichtet: am oberen Ende der Kammer befindet sich eine mittlere öffnung 22, und am unteren Teil ist eine Gaszuleitung 23 vorgesehen. Die Seitenfläche 24 der zylindrischen Kammer 20 ist von Wendeln 25 eines Induktorkreises 26 umgeben, der von einer nicht gezeigten, außerhalb des Gehäuses angeordneten Hochfrequenzquelle gespeist wird. Diese Wendeln sind hohl und werden innen durch einen Wasserstrom 27, 27' gekühlt Der Induktorkreis wird von einem am Unterteil 30 des Gehäuses angebrachten Isolierdeckel 28 gehalten. Der den Induktorkreis bildende Leiter ist mit einer Schicht aus einem Isolierstoff 29 umgeben, der bei einer Versuchsreihe aus PTFE und bei einer anderen Versuchsreihe aus Glas bestand. Ein aus diesem Stoff bestehender Schutzschirm 31 vervollständigt den Schutz des Substrats vor jeglicher Verunreinigung durch das den Induktorkreis bildende Metall. Ein Dichtring 32 aus schlecht die Wärme leitendem, hitzebeständigem Material ist um die öffnung 22 der Kammer 20 vorgesehen und gewährleistet einen schlechten thermischen Kontakt zwischen der Kammer 20 und dem Isolierschirm 30.

Die Zündung des Plasmas in der Kammer kann auch durch eine Hohlleitervorrichtung erfolgen. Es ist auch möglich, die Kammerwand in einzelne Fragmente zu unterteilen, wenn ansonsten das elektromagnetische Feld wegen sehr stark leitender oder hitzebständiger Kammerwandmaterialien diese Wand schlecht durchdringen kann.

Man kann auch eine Vorrichtung verwenden, bei der die Kammer mehrere Öffnungen aufweist, so daß mehrere Substrate gleichzeitig beschichtet werden können.

Man kann auch die Kammer mehrfach unterteilen, ohne daß eine merkliche Verringerung der Beschichtungsgeschwindigkeit festgestellt würde.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist besonders

so geeignet zur Herstellung von dünnen Schichten verschiedener Stoffe wie piezoelektrischer, halbleitender, optischer, magnetischer Stoffe, Isolierstoffe und eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweisender bzw. hitzebeständiger Stoffe oder deren Verbindungen, die einen hohen Schmelzpunkt aufweisen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Aufbringung von dünnen Schichten eines Materials auf die Oberfläche eines Substrats, das in einem Vakuumgehäuse gegenüber der öffnung einer Plasmakammer angeordnet ist, wobei das Plasma in der Kammer mit Hilfe einer Hochfrequenzspule erzeugt wird und in die Kammer ein in Richtung Substratoberfläche strömendes Gas eingeblasen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung der Kammer (2,20) aus dem aufzubringenden Material besteht bzw. damit innen beschichtet ist und daß die das Plasma erzeugende Hochfrequenzspule (4, 25) diese Wandung außen umgibt

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (6) des Substrats ein elektrisches Heizelement (8) aufweist mit dem das Substrat (7) auf eine bestimmte Temperatur erhitzt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (2) zylindrisch ausgebildet und die zylindrische Wand auf der Innenseite mit Längsrippen versehen ist

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß in der Kammer (2) eine Elektrode (12) vorgesehen ist die an eine elektrische Spannungsquelle (V) angeschlossen ist und einen Zündfunken erzeugt

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß die Kammer mehrere Öffnungen aufweist, gegenüber denen jeweils ein Substrat auf einem Substrat-Träger vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (2) in ebensoviele Kammern unterteilt ist, wie Öffnungen vorgesehen sind.