DE2433382A1

DE2433382A1 - Vorrichtung zur aufdampfung von duennen schichten unter vakuum

Info

Publication number: DE2433382A1
Application number: DE2433382A
Authority: DE
Inventors: Jean Van Prof Cakenberghe
Original assignee: Alcatel CIT SA; Compagnie Industrielle de Telecommunication CIT Alcatel SA
Current assignee: Alcatel CIT SA
Priority date: 1973-07-13
Filing date: 1974-07-11
Publication date: 1975-01-30
Also published as: FR2236963B1; FR2236963A1; IT1016580B; GB1442515A; CH584294A5; BE816798A; NL7409415A; US3886896A; DE2433382C2; JPS5039288A

Description

GK

11. Juli 1974

F 8925 Dipl.-Ing. Jürgen WEINMILLER 2433382

PATENTASSESSOR

SOSPI GmbH

8OOO München 8O
Zeppefinstr. 63

COMPAGNIE INDUSTRIELLE DES TELECOMMUNICATIONS

CIT-ALCATEL 12, rue de la Baume, 75008 PARIS (Frankreich)

VORRICHTUNG ZUR AUFDAMPFUNG VON DÜNNEN SCHICHTEN UNTER VAKUUM

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aufdampfen von dünnen Schichten unter Vakuum.

Es ist eine Vorrichtung bekannt, mit der eine hohe Aufdampfgeschwindigkeit für chemische Verbindungen erreicht werden kann und die relativ wenig Energie verbraucht. Eine solche Vorrichtung umfaßt im wesentlichen im Innern eines Vakuumgehäuses einen Hohlkörper, dessen Innenwände mit der aufzudampfenden Substanz beschichtet sind. Dieser Hohlraum wird in seinem unteren Bereich über eine Gasleitung unter einem vorbestimmten Gasdruck gehalten. In seinem oberen Bereich weist der Hohlkörper eine Öffnung auf, die dem zu beschichtenden Träger gegenüber liegt. Im Innern des Hohlraums wird mit Hilfe einer

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außerhalb des Vakuumgehäuses befindlichen Induktionsspule, die den Hohlkörper in ausreichender Nähe umgibt, ein elektromagnetisches Feld induziert. Wenn die Spule mit einer Hochfrequenzspannungsquelle verbunden wird, bildet sich im Innern des Hohlraums unter Vorhandensein des in den Hohlraum eingebrachten Gases ein Plasma, das zur Bildung eines Lichtbogens führt, der seinerseits eine starke Temperaturerhöhung im Innern des Hohlraums nach sich zieht, wodurch die Innenwandung dieses Hohlkörpers allmählich verdampft wird. Die verdampfte Substanz tritt durch die gegenüber dem Substrat befindliche Öffnung aus und schlägt sich auf diesem Substrat nieder. Eine solche Vorrichtung kann sowohl für das Aufbringen von chemischen Verbindungen als auch für das Aufbringen von einfachen Grundstoffen angewendet werden. Im letzteren Fall wird als Gas ein neutrales Gas verwendet.

In einer solchen Vorrichtung bilden die Wandungen des Hohlkörpers einen Wärmeschild.

Dennoch hat die in der Nähe des Hohlkörpers befindliche Vakuuragehäusewandung bei längerem Arbeiten der Vorrichtung die Tendenz, sich aufzuheizen, so daß sie beschädigt werden kann. Wenn darüber hinaus der Energiewirkungsgrad im Verhältnis zu anderen bereits bekannten Vorrichtungen verbessert wird, so gelangt trotzdem lediglich ein Teil des durch den Induktionskreis geschaffenen elektromagnetischen Flusses in den Hohlraum.

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Außerdem ist es in bestimmten industriellen Einsatzfällen notwendig, den Durchmesser des Gehäuses und der Induktionsspule zu vergrößern; dadurch ergibt sich eine Erweiterung des Äbstands zwischen der Induktionsspule und dem Hohlkörper, was zu erhöhten elektromagnetischen Energieverlusten und zu einer Verringerung des Wirkungsgrades führt.

Ziel der Erfindung ist es daher, die oben beschriebene Vorrichtung dahin zu verbessern, daß es möglich wird, Beschichtungen mit einer sehr hohen Plasmadichte vorzunehmen und gleichzeitig den energetischen Wirkungsgrad zu erhöhen.

Die Erfindung bezieht sich also auf eine Vorrichtung, mit der auf die Oberfläche eines Substrats dünne Schichten unter Vakuum aufgedampft werden können, wobei die Vorrichtung umfaßt

- ein unter Vakuum gehaltenes Gehäuse, das durch eine isolierende Wand begrenzt wird, die zu einem Teil zylindrisch ausgeführt ist,

- einen axial im zylindrischen Teil des Gehäuses untergebrachten Hohlkörper, dessen Innenwandung mit der aufzudampfenden Substanz beschichtet ist und der mit einer Gasquelle in Verbindung steht, aus der der Hohlraum mit einem vorbestimmten Druck versorgt wird,

- eine außerhalb des Gehäuses angebrachte Induktionsspule, die in Höhe des Hohlkörpers in geringer Entfernung um den zylindrischen Teil des Gehäuses herum angeordnet ist und mit einer Hochfrequenzspannungsquelle verbunden ist.

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- Mittel zum Konzentrieren des elektromagnetischen Feldes im Hohlraum und

- Kühlmittel.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Hauptkonzentrationsmittel für das elektromagnetische Feld im Hohlraum aus zwei ineinanderliegenden, leitenden Hohlzylindern gebildet wird, die untereinander elektrisch verbunden sind und die Sekundärwicklung eines Impedanztransformators bilden, dessen Primärwicklung aus der Induktionsspule besteht.

Die Sekundärspule des Impedanztransformators umfaßt in einer Ausführungsform zwei koaxial liegende, leitende Hohlzylinder, deren Höhe praktisch gleich der Höhe des Hohlraums ist, wobei der äußere Zylinder in unmittelbarer Nähe der Innenwandung des Vakuumgehäuses liegt; die beiden Zylinder sind entlang einer radialen Ebene gespalten und bilden zwei Lippen auf jedem der beiden Zylinder. Die homologen Lippen sind untereinander durch zwei radiale leitende Abschnitte verbunden. Es ergibt sich daraus eine Erhöhung der elektromagnetischen Energiedichte im Hohlraum.

Ein großer Teil der im durch die Induktionsspule begrenzten Raum enthaltenen elektromagnetischen Energie ist also im Hohlraum konzentriert.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch die Vorrichtung gemäß Fig. 1.

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Fig. 3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform.

In Fig. 1 ist zu erkennen, daß das Vakuumgehäuse 13 einen zylindrischen Teil 1 enthält, der in seinem oberen Bereich durch einen nach oben erweiterten Teil 2 und einen Zylinder 3 verlängert wird, dessen Durchmesser größer ist als der zylindrische Teil 1; dieser Zylinder 3 ist mit der Platte 4 einer Vakuumkammer über die Dichtung 5 verbunden.

Das Substrat oder die Substrate und die Substratträger befinden sich in dieser Vakuumkammer (nicht hier dargestellt) .

In bekannter Weise ist in der Achse des zylindrischen Teils 1 des Vakuumgehäuses 13 ein Hohlkörper 6 angeordnet, dessen Innenwandungen einen Hohlraum begrenzen und mit dem Material 7 beschichtet sind, das auf das Substrat aufgebracht werden soll. Der obere Teil des Hohlraums weist eine Öffnung 8 auf, die dem Substrat gegenüberliegt. In seinem unteren Bereich ist der Hohlraum 6 mit einer Leitung 9 verbunden, die durch einen Stopfen 10 verläuft, der mit Hilfe einer ringförmigen Dichtung 11 herausziehbar ist. Die Leitung 9 ist ihrerseits mit einer nicht dargestellten Gasquelle verbunden, die das gewünschte Gas unter einem vorbestimmten Druck liefert (mit einigen Hundertstel bis einigen Zehntel Torr beispielsweise).

In Höhe des Hohlraums ist außerhalb des zylindrischen Teils des Vakuumgehäuses eine Induktionsspule 12 angeordnet, die an eine (hier nicht dargestellte) Hochfrequenz-

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Spannungsquelle angeschlossen ist. In derselben Höhe wird erfindungsgemäß ein Zylinder 14 im Innern des zylindrischen Teils des Gehäuses angeordnet, der aus einem gut leitenden Material (beispielsweise Kupfer) hergestellt ist. Ein zweiter, hierzu konzentrischer Zylinder 15, der in unmittelbarer Nähe des Hohlkörpers 6 angebracht ist, wird durch einen Wasserkreislauf 16 gekühlt.

An Hand der Fig. 2 läßt sich die elektrische Verbindung zwischen den Zylindern 14 und 15 leichter darstellen. In dieser Figur erkennt man den Hochfrequenzspannungsgenerator 20, der die Induktionsspule 12 speist, die sich außerhalb der zylindrischen Wandung 1 des Vakuumgehäuses befindet. In der Nähe dieser Wandung 1 befindet sich der leitende Zylinder 14, der entlang einer gestrichelt eingezeichneten radialen Halbebene 17 gespalten ist. Auf diese Weise bildet der Zylinder zwei Lippen 18 und 19. Der Zylinder 15 ist entlang derselben Ebene 17 gespalten und bildet zwei Lippen 21 und 22; die homologen Lippen 18 und 21 einerseits und 19 und 22 andererseits sind über zwei leitende in radialen Ebenen liegende Abschnitte 23 und 24 miteinander verbunden. Wenn so die Induktionsspule ein Feld herstellt, das im Zylinder 14 Ströme im Uhrzeigersinn hervorruft, treten im Zylinder 15 Ströme auf, die entgegen dem Uhrzeigersinn fließen.

Ein sehr großer Teil der elektromagnetischen Energie, die in dem im Innern der Induktionsspule enthaltenen Raum auftritt, wird im Innern des Hohlraums konzentriert.

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Die beiden Zylinder 14 und 15 erfüllen also gut die Funktion, elektromagnetische Energie zu konzentrieren.

Außerdem spielen diese Zylinder eine weitere wichtige Rolle :

Es ist bekannt, daß das Material 7, mit dem die Innenwandung des Hohlkörpers 6 beschichtet ist, allmählich verdampft und daß die Temperatur des Körpers 6 sich so erhöht, daß er seinerseits Wärme abstrahlt. Diese Wärmestrahlung wird in der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch den aus dickem Kupfer (4 .mm beispielsweise) gefertigten Zylinder 15 absorbiert. Diese Wärmemenge wird unmittelbar danach durch den Kühlkreislauf 16 abgeführt, so daß die zylindrische Wandung 1 des Gehäuses nicht wesentlich erwärmt wird. Dadurch wird es möglich, diese Wandung aus einem weniger hitzebeständigen Material als dem bisher eingesetzten Quarz herzustellen; man kann zu ihrer Herstellung vorteilhafterwexse Glas benutzen.

Das System zur Konzentration der elektromagnetischen Energie kann darüber hinaus wie folgt vervollständigt werden :

Mit Hilfe eines Zylinders 26 (Fig. 1), der um den Hohlkörper herum angeordnet ist, wird durch Induktion ein Feld erzeugt, das die Tendenz hat, das elektromagnetische Feld in Richtung auf den Hohlraum zurückzudrängen. Ein Zylinder 27 (Fig. 1) leistet dieselbe Aufgabe oberhalb des Hohlraums.

Im Endeffekt wird das elektromagnetische Feld durch die kombinierte Wirkungsweise der Zylinder 14 und 15 und der Zylinder 26 und 27 genau im Hohlraum eingeschlossen.

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Die Zylinder 14 und 15 bilden die Sekundärwicklung eines Transformators, bei dem die Induktionsspule 12 die Primärwicklung bildet; sie wirken als Impedanztransformator, der auf den Hohlraum eingestellt ist.

Um einen minimalen Energieverlust zu erreichen, ist es vorteilhaft, den Spalt der Zylinder 14 und 15 in der Ebene 17 so eng wie möglich zu gestalten. In einer ausgeführten Vorrichtung überschreitet der Zwischenraum zwischen den beiden Lippen 18 und 19 nicht einen Millimeter .

Außer den bereits aufgezählten Vorteilen weist die Vorrichtung weitere Eigenschaften auf : häufig ist es vorteilhaft, dem Hohlkörper 6 einen großen Durchmesser zu verleihen, ohne das Volumen des Hohlraums zu verändern. Man erhöht dann jedoch den Zwischenraum zwischen der Wandung des Gehäuses und dem Hohlraum und damit die Verluste. Dank der Zylinder 14 und 15 kann die induzierte Leistung konstant gehalten werden und der Durchmesser der Induktionsspule ohne Erhöhung der Verluste vergrößert werden. Man vergrößert dann den Durchmesser des Zylinders 14 und die Länge der beiden radial verlaufenden Abschnitte 23 und 24, ohne den Durchmesser des Zylinders 15 oder das Volumen des Hohlraums zu verändern. So hat man die gewünschte Vergrößerung des Außendurchmessers erreicht, ohne im Innern des Hohlraums die Energiedichte zu verringern.

Es ist im übrigen darauf hinzuweisen, daß in

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diesem Fall der Raumwinkel, unter dem das aufzubringende Material auf das Substrat durch die Öffnung 8 des Hohlraums geschleudert wird, nicht mehr durch die Gehäusewandung begrenzt wird und daher vergrößert werden kann. So ist es möglich, das aufzubringende Material auf ein Substrat mit einer größeren Oberfläche niederzuschlagen und/oder eine homogenere Verteilung der Beschichtung zu erreichen.

Fig. 3 stellt schematisch eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung dar. Um ein zylindrisches Gehäuse 31 mit 'großem Durchmesser wird eine Induktionsspule 32 angeordnet, die durch eine Hochfrequenzspannungsquelle 33 gespeist wird. Ein analog zum Zylinder 14 gemäß der vorhergehenden Ausführung gespaltener Zylinder 34 aus leitendem Metall ist drehbar um eine zentrale Achse 35 angeordnet. Der Hohlkörper ist hier exzentrisch zur Achse 35 angeordnet«, Wie zuvor wird der Hohlkörper 36 mit dem zu verdampfenden Material von einem gespaltenen Zylinder 37 umgeben und die homologen Lippen der Spalte der beiden Zylinder 34 und 37 sind über leitende Abschnitte 38 und 39 verbunden. Der Zylinder 37 wird durch eine gestrichelt eingezeichnete Wasserleitung 40 gekühlt _e die von einer axialen Säule 41 gespeist wird.

Die aus dem Hohlkörper 36, dem inneren Zylinder 37 ■ und der Wasserleitung 40 gebildete Einheit kann um die Achse gleichzeitig mit dem Zylinder 34 gedreht werden. So gelangt die Verdampfungsquelle nacheinander vor gleichmäßig auf einem Kreis verteilte Substrate 42„ 43„ 44 und schließlich vor ein längliches Substrat 45, vor dem die Öffnung des Hohlraums

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langsam mit konstanter Geschwindigkeit bewegt wird, wodurch eine sehr homogene Beschichtung über das gesamte Substrat 45 erreicht wird.

Die Konzentrierung des elektromagnetischen Feldes wird wie zuvor erreicht, da das elektromagnetische Feld zwischen dem Zylinder 37 und dem Zylinder 34 vernachlässigbar ist.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1 - Vorrichtung, mit der auf die Oberfläche eines Substrats dünne Schichten unter Vakuum aufgedampft werden können, wobei die Vorrichtung umfaßt

- ein unter Vakuum gehaltenes Gehäuse, das durch eine isolierende Wand begrenzt wird, die zu einem Teil zylindrisch ausgeführt ist,

- einen axial im zylindrischen Teil des Gehäuses untergebrachten Hohlkörper, dessen Innenwandung mit der aufzudampfenden Substanz beschichtet ist und der mit einer Gasquelle in Verbindung steht, aus der der Hohlraum mit einem vorbestimmten Druck versorgt wird,

- eine außerhalb des Gehäuses angebrachte Induktionsspule, die in Höhe des Hohlkörpers in geringer Entfernung um den zylindrischen Teil des Gehäuses herum angeordnet ist und mit einer Hochfrequenzspannungsquelle verbunden ist,

- Mittel zum Konzentrieren des elektromagnetischen Feldes im Hohlraum und

- Kühlmittel.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Hauptkonzentrationsmittel für das elektromagnetische Feld im Hohlraum aus zwei ineinanderliegenden, leitenden Hohlzylindern (14,15) gebildet wird, die untereinander elektrisch verbunden sind und die Sekundärwicklung eines Impedanztransformators bilden, dessen Primärwicklung aus der Induktionsspule (12) besteht.

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2 - Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden ineinanderliegenden Hohlzylinder (14, 15) entlang einer radialen Halbebene (17) gespalten sind, wobei die homologen Lippen untereinander durch leitende, radial verlaufende Abschnitte (23 und 24) verbunden sind, so daß die beiden Zylinder (14, 15) einen einzigen Stromkreis bilden.

3 - Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennz e ichnet, daß einer der Hohlzylinder (14) in unmittelbarer Nähe der Wandung des Hohlkörpers

(6) angeordnet ist und daß der zweite Zylinder (15) in der Nähe der Wandung (1) des Vakuumgehäuses (13) angebracht ist.

4 - Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der leitende Zylinder (14), der in der Nähe des Hohlkörpers (6) angeordnet ist, mit Hilfe einer Wasserleitung (16) gekühlt wird.

5 - Vorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Konzentrieren des elektromagnetischen Feldes darüber hinaus einen leitenden Zylinder (26) umfassen, der unterhalb des Hohlraums (6) im Innern des Gehäuses (13) in der Nähe der Wandung (1) des Gehäuses (13) angeordnet ist.

6 - Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gek enn ζ e i chne t, daß die Mittel zur Konzentration des elektromagnetischen Feldes einen leitenden Zylinder (27) umfassen, der oberhalb des Hohlkörpers (6) in der Nähe der Wandung (1) des Gehäuses (13) angeordnet ist.

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7 - Vorrichtung, mit der dünne Schichten auf die Oberfläche von regelmäßig auf einem Kreis im Innern des Gehäuses verteilten Substraten aufgebracht werden können, gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der periphere Hohlzylinder (34), der in der Nähe der Wandung (31) des Vakuumgehäuses angeordnet ist, um sich selbst drehbar ist und daß der im Verhältnis zur Achse des Gehäuses (35) exzentrisch liegende Hohlkörper (36) um diese Achse gedreht werden kann und dabei den inneren Zylinder (37), der elektrisch mit dem peripheren Zylinder (34) verbunden ist, mit sich nimmt.

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