DE2949784A1

DE2949784A1 - Verfahren zur abscheidung einer duennschicht aus organischen schichtmaterialien mittels ionenimplantation

Info

Publication number: DE2949784A1
Application number: DE19792949784
Authority: DE
Inventors: Michael William Ferralli
Original assignee: Lord Corp
Current assignee: Lord Corp
Priority date: 1978-12-11
Filing date: 1979-12-11
Publication date: 1980-06-19
Also published as: GB2039500A; US4264642A; CA1120345A; FR2443883B1; GB2039500B; JPS5597272A; FR2443883A1

Description

BLUMBACH · VvESER . BERGEN . KRAMER ZWIRNER - BREHM

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN λ q / q η Λ ä

Patenlconsult Radedceslrafie 4Ϊ 8000 München 60 Telefon (089) 883603/833404 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Patenlconsult Sonnenberger SlraSe 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult

LORD CORPORATION West 12th Street, Erie, Pennsylvania U. S. A.

Verfahren zur Abscheidung einer Dünnschicht aus organischen Schichtmaterialien mittels Ionenimplantation

Beschreibungt

Diese Erfindung betrifft Überzüge bzw. Schichtmaterialien aus organischem polymerem Material sowie die Dünnschichtabscheidung solcher überzüge mittels Ionenstrahl-Implantation.

überzüge aus organischem polymerem Material werden in weitem Umfang auf Metall, Glas, keramischem Material, Holz, Fasern und elastomeren Substraten aufgebracht, um deren ästhetischen

*""* München: R. Kramer Oipl.-tng. · W. Weser Dipl.-Phys. Or. rrr. nal. . H. P. Brenm Dipl.-Chem. Or. phil. net. Wiesbaden: P.6. Blumbach DIpI.-Ing. · P. Bergen Dipl.-Ing. Dr. jur. ■ G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-lng.

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Eindruck zu verbessern sowie um das Substrat vor den schädlichen Einflüssen aus der umgebenden Atmosphäre zu schützen. Zumeist werden solche Schichtmaterialien, Schutzschichten oder Überzüge aus flüssigen Systemen aufgebracht, welche das jeweilige organische Material, sei es in polymerer oder in monomerer Natur, in einem geeigneten Lösungsmittel oder in einem wässrigen Trägersystem enthalten; es werden solche polymeren oder monomeren organischen Substanzen vorgesehen, die in gewissem Ausmaß einen ununterbrochenen Film bilden können. Ferner sind Zusammensetzungen mit hohem Feststoffgehalt zu diesem Zweck bekannt, deren Anteil an inertem Lösungsmittel oder wässriger Trägerflüssigkeit nicht mehr als ungefähr 30%, bezogen auf den Gesamt-Kunststoffgehalt ausmacht; solche Systeme mit hohem Feststoffgehalt werden zunehmend angewandt.

Bei den auf diese Weise aufgebrachten Überzügen oder Schutzschichten hat die Schichtdicke zumeist einen Wert in der Größenordnung von 1 mil (25 pm) oder mehr, wobei die Haftung zwischen dem Substrat und der Überzugsschicht hauptsächlich auf der physikalischen Befestigung oder auf chemischen Reaktionen an der Grenzfläche beruht. Obwohl solche Zusammensetzungen und Systeme für die meisten Anwendungsfälle recht zufriedenstellend sind, gibt es jedoch bedeutsame Gebiete, wo diese Dickschicht-Uberzüge nicht brauchbar oder nicht zufriedenstellend sind. In vielen Fällen hat sich der Ersatz solcher Dickschicht-überzüge durch Dünnschicht-Überzüge mit

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einer Schichtdicke im Bereich von einer monomolekularen Schicht bis zu einigen 1OOO S-Einheiten als sehr wirksam erwiesen, um zumindest einige der Nachteile der Dickschicht-Überzüge zu überwinden.

Entsprechende Dünnschichten können auf verschiedenen Wegen aufgebracht werden. Zum Beispiel können die üblichen Überzugs-Systeme auf einen Gesamt-Kunststoff-Feststoffgehalt in der Größenordnung von 1% oder weniger verdünnt werden, und entsprechende Lösungen in üblicher Weise aufgebracht werden, etwa mittels Aufsprühen, Aufbürsten, Eintauchen oder Aufwalzen. Andererseits hat sich gezeigt, daß solche aus weitgehend verdünnten Lösungen, Emulsionen oder Dispersionen abgeschiedene Dünnschichten häufig nicht die angestrebten Schichteigenschaften aufweisen; darüberhinaus ist es auf diesem Wege außerordentlich schwierig, Schichten mit einheitlicher Schichtdicke zu erhalten. Darüberhinaus ist unter diesen Bedingungen die Schicht häufig unterbrochen, was entweder zu Ausschuß führt oder zusätzliche Beschichtungsvorgange erfordert. Die Haftung solcher, auf übliche Weise aufgebrachter Dünnschicht-Uberzüge beruht im wesentlichen auf den gleichen Mechanismen wie die Haftung der Dickschicht-Uberzüge. In jedem Falle handelt es sich bei dem Überzug um ein bestimmtes, selbständiges und getrenntes Teil an der Oberfläche des Substrates.

Dünnschicht-Überzüge aus organischen Materialien können ferner auch mittels Diffusion, Verdampfung und Plasma-

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Vorgängen abgeschieden werden. Derartige Verfahren können verbesserte Dünnschicht-Uberzüge ergeben, insbesondere hinsichtlich der Schicht-Einheitlichkeit; andererseits treten mit diesen Verfahren andere spezifische Schwierigkeiten auf. Sowohl die Diffusions- wie die Verdampfungsvorgänge erfordern zumeist, daß das Substrat erwärmt oder auf einer relativ hohen Temperatur gehalten wird. Bei der Abscheidung aus der Dampfphase auf heißen Substraten treten häufig Verunreinigungen durch Diffusion aus dem Substrat aus und beeinflussen damit, zumeist nachteilig, die Zusammensetzung der gerade aufgebrachten Dünnschicht. Obwohl Plasmavorgänge zumeist keine besonders hohen Temperaturen erfordern, prallt das abzuscheidende Material auf sämtliche Oberflächen innerhalb der Abscheidungskammer, was zu Verlusten an einem wertvollen Produkt führt. Darüber sind bei all diesen, zuletzt beschriebenen Vorgängen die Abscheidungsgeschwindigkeiten schwierig zu steuern. Die Haftung der nach diesen Vorgängen erzeugten überzüge beruht nicht nur auf den gleichen physikalischen und chemischen Mechanismen, wie sie bei der üblichen Aufbringung von Dünnschichten wirksam sind, sondern darüberhinaus treten auch Diffusionsvorgänge und die chemische Absorption des abgeschiedenen Materials in das Substrat hinein auf. Obwohl die zuletzt diskutierten Verfahren eine tiefere Eindringung des Überzugsmaterials in das Substrat hineingewährleisten, bleibt der grundlegende Charakter der Substratoberfläche unverändert. Wie das auch bei denDickschicht-

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Überzügen und den in üblicher Weise aufgebrachten Dünnschicht-Überzügen der Fall ist, besteht eine klare Markierungs- oder Grenzlinie zwischen der ursprünglichen Substratoberfläche und dem Überzug bzw. dem Schichtmaterial.

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein neues Verfahren zur Abscheidung von Dünnschichten aus organischen Überzugsmaterialien mittels Ionenstrahl-Implantation angegeben. Erfindungsgemäß werden Dünnschichten aus organischem Material polymerer Natur mittels Ionenstrahl-Implantation aus einem beschleunigten Strahl aufgebracht, der ionisierte Teilchen aufweist. Im einzelnen wird erfindungsgemäß ein Teilchenstrom erzeugt, der Ionen aus dem abzuscheidenden, organischen Material enthält; diese Ionen werden durch elektrostatische Anziehung wegen eines bestehenden, elektrischen Potentialgradienten beschleunigt, oder es wird eine Kollisionswechselwirkung zwischen einem energiereichen Teilchenstrahl vorgesehen, der Ionen eines nicht zur Abscheidung bestimmten Materials, Ionen des organischen, zur Abscheidung bestimmten Materials oder ein Gemisch aus Ionen des organischen zur Abscheidung bestimmten Materials und Ionen des nicht zur Abscheidung bestimmten Materials enthält, um eine Dünnschicht aus organischem, zur Abscheidung bestimmten Materials polymerer Natur in und an einer Substratoberfläche abzuscheiden. Die Schichtabscheidung erfolgt durch ionische Implantation von zumindest einem Anteil der Ionen des organischen, zur Ab-

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scheidung bestimmten Materials, was von einer Polymerisationsreaktion und Schichtenwachstum begleitet ist, die zu einer oberflächigen Bindung und zu einer unter die Oberfläche reichenden Bindung des abgeschiedenen organischen Schichtmaterials an das Substrat führen.

Die erfindungsgemäß hergestellten Dünnschicht-Überzüge aus organischem polymerem Material sind besonders einzigartig dahingehend, daß sie sowohl in das Substrat hinein wie an das Substrat verschmolzen sind, was auf der ionischen Implantation beruht; als Ergebis des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich eine bestimmte Grenzfläche zwischen der Substratskomponente und der Überzugskomponente nicht leicht feststellen. Im Gegensatz dazu zei^i die nach bekannten Verfahren erzeugten überzüge eine klare Grenz- oder Markierungslinie zwischen dem Substrat und dem überzug. Obwohl dieses Phänomen bislang nicht verstanden wird, könnte eine mögliche Erklärung darin liegen, daß die implantierte ionische Komponente, die polymere Komponente und die Atome der Subs trat komponente an der Oberfläche und nahe unterhalb der Oberfläche des Substrates über elektronische Wechselwirkungen miteinander oder aneinander gebunden sind.

Allgemein gesprochen wird mit der vorliegenden Erfindung ein neuer Dünnschicht-Überzug aus organischem Material polymerer Natur bereitgestellt, sowie verschiedene Verfahren zur Abscheidung solcher Überzüge angegeben. Die Dünn-

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schicht-Überzüge aus organischem Material polymerer Natur werden erfindungsgemäß nach einem Verfahren mit den nachfolgenden Maßnahmen abgeschieden:

a) Zumindest ein verdampftes, monomeres, organisches Material wird ionisiert;

b) den Ionen dieses monomeren, organischen Materials wird Energie zugeführt;

c) die danach erhaltenen, energiereichen Ionen des monomeren, organischen Materials werden gegen eine Oberfläche eines Substrates gerichtet;

d) diese energiereichen Ionen des monomeren, organischen Materials prallen eine ausreichende Zeitspanne lang gegen das Substrat, so daß zumindest ein Teil dieser energiereichen Ionen in das Substrat implantiert werden und eine Dünnschicht aus organischem Material polymerer Natur in und an diesem Substrat abgeschieden wird, wobei die implantierten Ionen und die Schicht aus organischem Material in das Substrat hinein und an die Substratoberfläche verschmolzen sind.

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Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird eine Quelle für das organische, zur Abscheidung bestimmte Material ionisiert, die gebildeten Ionen zu einem Ionenstrahl fokusiert, der Ionenstrahl auf einen höheren Energiewert gebracht, indem dieser Strahl durch elektrostatische Anziehung wegen eines bestehenden, elektrischen Potentialgradienten beschleunigt wird. Der Strahl aus beschleunigten und daher energiereichen Ionen wird auf ein Substratmaterial gerichtet und prallt eine ausreichend lange Zeitspanne gegen dieses Substratmaterial, um

(1) zumindest einen Teil der Ionen des organischen, zur Abscheidung bestimmten Materials in das Substrat zu implantieren, so daß diese Ionen mit den Atomen der Substratkomponente verschmelzen; und

(2) einen Film oder eine Schicht aus organischem, zur Abscheidung bestimmten Material innerhalb des Substrates und an der Oberfläche des Substrates wachsen zu lassen.

Bei einer zweiten Ausführungsform dieser Erfindung wird ein Ausgangsmaterial für ein nicht zur Abscheidung bestimmtes Material ionisiert, die gebildeten Ionen zu einem Ionenstrahl fokusiert und dieser Ionenstrahl auf einen höheren Energiewert gebracht, indem die Ionen durch elektrostatische

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Anziehung wegen eines bestehenden elektrischen Potentialgradienten beschleunigt werden. Der Strahl aus beschleunigten und daher energiereichen Ionen wird in eine Ab— scheidungskammer geführt, welche ein verdampftes, orga- · nisches, zur Abscheidung bestimmtes Material enthält. Beim Durchgang durch dieses verdampfte, organische, zur Abscheidung bestimmte Material ionisieren die beschleunigten, energiereichen Ionen des Ionenstrahles aus nicht zur Abscheidung bestimmtem Material die neutralen Atome des organischen, zur Abscheidung bestimmten Materials mittels Kollisionswechselwirkung; das hierbei entstehende Gemisch aus Ionen des nicht zur Abscheidung bestimmten Materials und Ionen des zur Abscheidung bestimmten Materials prallt gemeinsam eine ausreichende Zeitspanne lang gegen das innerhalb der Abscheidungskammer befindliche Substrat, um

(1) zumindest einen Teil der Ionen des organischen, zur Abscheidung bestimmten Materials in das Substrat zu implantieren; und

(2) einen Film oder eine Schicht aus dem organischen, zur Abscheidung bestimmten Material innerhalb des Substrates und auf der Oberfläche des Substrates wachsen zu lassen.

Alternativ kann auch ein Gemisch aus dem organischen, zur Abscheidung bestimmten Material sowie aus dem nicht zur Abscheidung bestimmten Material ionisiert werden und deren

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Ionen auf einen höheren Energiewert gebracht werden, indem die Ionen durch elektrostatische Anziehung wegen eines bestehenden, elektrischen Potentialgradienten beschleunigt werden. Der Strahl aus beschleunigten Ionen, nämlich Ionen* des nicht zur Abscheidung bestimmten Materials, und Ionen des organischen, zur Abscheidung bestimmten Materials, wird in eine Abscheidungskammer gerichtet, innerhalb der sich ein verdampftes, organisches, zur Abscheidung bestimmtes Material befinden kann oder nicht; dieser Ionenstrahl prallt dann eine ausreichende Zeitspanne lang gegen eines oder mehrere, innerhalb dieser Abscheidungskammer befindliche Substrate, um

(Ό zumindest einen Teil der Ionen des organischen, zur Abscheidung bestimmten Materials in das Substrat zu implantieren; und

(2) einen Film oder eine Schicht des organischen, zur Abscheidung bestimmten Materials in das Substrat hinein und an der Oberfläche des Substrates wachsen zu lassen.

Sofern dies angestrebt wird, kann bei einzelnen oder allen Ausführungsformen, welche für dieses Konzept des erfindungsgemäßen Verfahrens in Frage kommen, in die Abscheidungskairuner ein verdampftes oder dampfförmiges, organinches, zur .Abscheidung bestimmtes Material eingebracht worden. In allen Fällen, v/o dampfförmiges, organisches,

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zur Abscheidung bestimmtes Material innerhalb der Abscheidungskammer vorhanden ist, wird der Strahl aus beschleunigten, energiereichen Ionen, welche Ionen das zur Abscheidung bestimmte organische Material umfassen können oder nicht, die notwendige Energie liefern, um durch Kollisionswechselwirkung das dampfförmige, organische, zur Abscheidung bestimmte Material zu ionisieren, sowie die gebildeten Ionen in das Substratmaterial in das Substratmaterial implantieren und diese Ionen aus organischem, zur Abscheidung bestimmten Material auf sonstige Weise an dem Substratmaterial abscheiden. Bei jeder Ausführungsform können Gemische aus organischem, zur Abscheidung bestimmten Material vorgesehen werden; ferner kann in solchen Fällen, wo der Strahl beschleunigter und daher energiereicher Ionen bereits Ionen des organischen, zur Abscheidung bestimmten Materials enthält, und dieser Ionenstrahl in eine Abscheidungskammer geführt wird, welche weiteres organisches, zur Abscheidung bestimmtes Material enthält, das Material des Ionenstrahls und das in der Abscheidungskammer befindliche, zur Abscheidung bestimmte Material das gleiche Material oder ein unterschiedliches Material sein.

Nachfolgend v/ird die Erfindung im einzelnen anhand von Ausführungsformen mit Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 erläutert; es zeigt:

Fig. 1 in einer schematischen Darstellung ein

zur praktischen Durchführung des erfindungs-

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gemäßen Verfahrens geeignetes Abscheidungssystem; und

Fig. 2 in einer schematischen, zeichnerischen

Darstellung ein erfindungsgemäß behandeltes Substrat.

Die i'ig. 1 zeigt ein /bscheidungssystem 1 zur Modifizierung der Oberflächen von Substratmaterialien, in dem mittels Ionenstrahl-Implantation ein Dünnschicht-Überzug aus organischem Material polymerer Natur in und an solchen Oberflächen abgeschieden wird. Im einzelnen gehören ru dem Abscheidungssystem 1 in Kombination eine als Quelle für die Ionen dienende Kammer 11, ein Beschleunigungsabschnitt 31 und eine 7bscheidungskammer oder Gaszelle 51· Zu der Kammer 11 gehört eine Quelle 12 für ein ionisierbares, nicht zur Abscheidung bestimmtes Material, das dampfförmig über die Durchfluß-Steuereinrichtungen 14 in die Kammer 11 eingebracht werden kann. Weiterhin gehören zur Kammer 11 eine oder mehrere Quellen 13 für ionisierbares, organisches, zur Abscheidung bestimmtes Material, das ebenfalls dampfförmig der Kammer 11 über die Durchflußsteuereinrichtungen 14- zugeführt wird. Schließlich gehört zur Kammer 11 eine (nicht dargestellte) Ionisierungseinrichtung, um das entweder aus den Quellen 12 oder 13 zugefü'..rte, dampfförmige, ionisierbare Material zu ionisieren; ferner ist ein der Konzentrierung dieiiondes Solenoid 15 sowie eine Abzieh- bzw. Ablenk- eloV.trode "6 vorgesehen. Das aus der Kammer 11 abgezogene,

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ionisierte Material wird durch einen Ausgangskanal 17 in den Beschleunigungsabschnitt 31 eingeführt, zu dem eine Fokusierungeeinrichtung 32, eine Beschleunigungseinrichtung 33» Vakuumpumpen 3^ und ein Ausgangskanal 35 gehören, durch welchen das aus der Kammer 11 ausgetretene, ionisierte Material nach Durchlaufen der Beschleunigungsstrecke in die Abscheidungskammer 51 eingeführt wird. Zur Abscheidungskammer 51 gehört ein Substrathalter 52, der mittels (nicht dargestellter) Mittel an der Innenwand der Kammer 51 befestigt ist. An diesem Substrathalter 52 ist mittig in Verlängerung der /uslaßöffnung des Auslaßkanals 35 das Substrat 53 angebracht; ferner gehört zur Abscheidungskammer 51 eine (nicht dargestellte) hilfsweise vorgesehene Quelle für abzuscheidendes Material, das dampfförmig über eine Durchflußsteuerung 54 in die Kammer 51 eingebracht werden kann.

Beim Betrieb wird eine ionisierbare, dampfförmig Substanz entweder aus einer der Quellen 12 und 13 oder aus beiden Quellen 12 und 13 über eine Durchflußsteuerung 14 in die der Ionisierung dienende Kammer 11 eingeführt; bei dieser Durchflußsteuerung kann es sich um ein Palladium-Klappenventil, ein thermomechanisches Klappenventil, eine Trennfritte (Frit separator), ein ferngesteuertes, feines, Durchfluß-Nadelventil oder eine sonstige, bekannte, Durchflußsteuereinrichtung handeln. Die neutralen Atome des ionisierbaren Materials, wobei es sich entweder um nicht zur Abscheidung bestimmtes oder organisches, monomeres, zur Abscheidung bestimmtes Material oder ein Gemisch dieser beiden

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Materialien handeln kann, werden in der Kammer 11 ionisiert. In der hier verwendeten Bedeutung soll der Ausdruck "nicht zur Abscheidung bestimmtes Material" anorganische Materialien bezeichnen, die ionisierbar sind und einen cohärenten Strahl ionisierbarer Ionen ergeben, welche durch wegen eines Potentialgradienten gegebene elektrostatische Anziehung beschleunigbar sind. Zu besonders geeigneten, nicht zur Abscheidung bestimmten Materialien gehören die Edelgase, wie etwa Argon und Helium, ferner andere Gase wie Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff, wobei Wasserstoff z.Zt. bevorzugt eingesetzt wird. Der Ausdruck "organische, monomere, zur Abscheidung bestimmte Materialien" bezeichnet organische, monomere Materialien, die ionisierbar sind und einen cohärenten Strahl aus Ionen ergeben, welche durch, wegen eines Potentialgradienten bestehenden elektrostatische /nziehung beschleunigbar und damit auf einen höheren Energiewert bringbar sind, oder solche Ionen, welche durch Kollisionswechselwirkung mit anderen energiereichen Ionen auf einen höheren Energiewert bringbar sind; ferner müssen die Ionen in ein ausgewähltes Substrat implantierbar sein und in Form eines Filmes oder einer Schicht in und an diesem Substrat abscheidbar sein. Im wesentlichen kann jedes beliebige, organische Monomere, das ionisiert werden kann, zur Durchführung dieser Erfindung als organisches, monomeres, zur Abscheidung bestimmtes Material herangezogen werden einschließlich sowohl gesättigter wie ungesättigter organischer Verbindungen. Zu bevorzugten Verbindungen gehören Kohlenwasserstoffe mit zumindest einem Kohlenstoffatom, insbesondere monomere Kohlenwasserstoffe mit

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1 bis 12 Kohlenstoffatomen; noch weiter bevorzugt werden ungesättigte Kohlenwasserstoffe mit zumindest zwei Kohlenstoffatomen, insbesondere Olefine mit 2 bis 12 Kohlenstoffatomen und Diolefine mit 4 bis 12 Kohlenstoffatomen. Die Ionisierung kann mittels irgendwelcher bekannter Maßnahmen erfolgen, etwa mittels Elektronenbeschuß durch Elektronen, die infolge von Feldemission aus einem erhitzten Draht austreten, ferner chemische Ionisierung, Kapillar-Lichtbogen-Ionisierung, sowie Hochfrequenzanregung; die Ionisierung mittels Hochfrequenzanregung wird z.Zt. bevorzugt durchgeführt.

Die Ionisierung in der Kammer 11 erzeugt einen Strom oder ein Plasma, enthaltend ein Gemisch aus Elektronen,positiven Ionen, negativen Ionen und neutralen Fragmenten, etwa freien Radikalen. Diese Mischung wird am Auslaßende der Kammer 11 mittels des Solenoid 15 konzentriert; ferner werden Ionen der angestrebten Polarität (zumeist positive Ionen) mittels einer Hochspannungs-Abzugselektrode 16 abgezogen und durch den (aus erosionsbeständigem Material bestehenden)Auslaßkanal 17 hindurchgezwungen und schließlich durch das Fokusierungssystem 32 hindurchgeführt; beim Fokusierungssystem 32 kann es sich um eine übliche Fokusierungseinrichtung handeln, etwa um aus einer einzelnen Linse bestehende Einzel - Fokusierungslinse, welche aus den abgezogenen Ionen einen cohärenten Ionenstrahl I macht. Dieser Ionenstrahl I wird daraufhin nach unten in den Beschleunigungsabschnitt 31 hinter die Beschleunigungseinrichtung 33 geführt, wo die Ionen des Ionenstrahles durch die wegen eines

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Potentialgradienten bestehende elektrostatische Anziehung beschleunigt werden. Die Beschleunigungseinrichtung 33 besteht aus einer Reihe von Beschleunigungselektroden die an eine Reihe von Hochspannungs-Resistoren angeschlossen sind. Die Resistoren liefern eine kontinuierliche Abfolge von Spannungsabfällen aus dem Hochspannungs-Einlaßanschluß auf Erd- oder Massepotential am /uslaß des Beschleunigerabschnittes 31. Die Beschleunigungseinrichtung 33 muß eine Beschleunigungsenergie abgeben, welche die aus der Ionenkanuner 11 ausgetretenen, den Ionenstrahl bildenden Ionen auf einen Energiewert von zumindest 10 000 Elektronen Volt (10 keV) und vorzugsweise auf einen Energievert zwischen 25 und 400 keV bringen. Der Strahl aus beschleunigten Ionen verläßt den Beschleunigungsabschnitt 31 und wird durch den Auslaßkanal 35 in die Abscheidungskammer 51 gerichtet; dort trifft dieser Ionenstrahl auf das Target-Werkstück 53i das an einem Halter 52 befestigt ist, der seinerseits an der Innenwand der Kammer 51 angebracht ist. Die Kammer 51 kann mit einem dampfförmigen, organischen, monomeren, zur Abscheidung bestimmten Material gefüllt sein. In einem solchen Falle wird dieses, organische, zur Abscheidung bestimmte Material durch Kollisionswechselwirkung mit den beschleunigten Ionen des Ionenstrahles ionisiert und die dabei gebildeten Ionen werden gemeinsam mit den restlichen Ionen gegen das Substrat geschleudert; dieses Target-Werkstück ist eine ausreichende Zeitspanne lang an Masse angeschlossen, um einen Lodungsaufbau zu verringern, so daß zumindest ein Teil der Ionen der;, zur Abscheidung be-

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stimmten Materials in das Substrat implantiert werden und ein Film bzw. eine Schicht aus organischem Material abgeschieden wird, welcher Film oder welche Schicht in und mit dem Substrat verschmolzen (merged) ist.

Solche Teilchen, welche die Steuerung und Beschleunigung des Ionenstrahles stören wurden, werden aus dem Abscheidungssystem mittels der Vakuumpumpe 3^- abgezogen; diese Vakuumpumpe 34· kann ein Betriebsvakuum von zumindest 5 x 10" Torr aufrechterhalten. Die Beschleunigung des Ionenstrahles in einem Hochvakuum vermindert die Energieverluste, die Ionenstreuung, die Verluste bei der Fokusierung und andere unerwünschte Faktoren, welche die Bildung des Ionenstrahles ausschließen oder erschweren würde.

Mit Fig. 2 ist die koaleszierte (zusammengewachsene) Schicht f, bzw. der entsprechende Film f aus organischem Material dargestellt, welche in und mit dem Substrat 53» den Substratatomen m und den implantierten Ionen i verschmolzen ist. Die Ionen, welche den Ionenstrahl I darstellen, besitzen wegen der Beschleunigung infolge des elektrischen Feldes der Beschleunigungseinrichtung 33 hohe kinetische Energie. Die den Ionen des Ionenstrahles innewohnende, kinetische Energie dient hauptsächlich zwei Zwecken:

(Ό Der Ionisierung von verdampftem, organischem zur Abscheidung bestimmten Material, einem

inerten Gas und einem Gemisch aus organischem 030025/0801

zur Abscheidung bestimmten Material und inertem Gas, welche innerhalb der Abscheidungskammer 51 vorhanden sein können; diese Ionsisierung erfolgt durch Kollisionswechselwirkung; und

(2) zum Einspritzen oder Implantieren von zumindest einem Teil der Ionen des Ionenstrahles in das Substratmaterial.

Die bei den Kollisionswechselwirkungen mit dem dampfförmigen, in der Kammer 51 befindlichen Material übertragene Energie reicht aus, um nicht nur einen Teil des dampfförmigen Materials, das vom Ionenstrahl I durchquert wird, zu ionisieren, sondern auch um ausreichende kinetische Energie bereitzustellen, damit zumindest ein Teil dieser neuerzeugten Ionen ebenfalls in das Substratmaterial implantiert wird, wenn diese neuerzeugten Ionen auf die Substratoberfläche(n) aufprallen. Dieser Ionenaufprall bzw. das Ionenbombardement führt nicht nur zu einer Implantierung von zumindest einem Teil des (innerhalb der Kammer 51 vorhandenen) Gesamtionenanteils in das Substratmaterial, sondern auch zu einer Sputter-Wirkung mit der entsprechenden Reinigung der Oberfläche des Substrates; darüberhinaus erfolgt gleichzeitig mit diesen beiden Vorgängen die Abscheidung, das Zusammenwachsen und das Verschmelzen der Schicht bzw. des Filmes mit den Atomen m des Substrates und den implantierten Ionen i, mit der Folge, daß die ursprüngliche Substratoberfläche(n)

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im wesentlichen unbestimmbar wird, d.h., nicht langer klar definiert ist.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird eine Vorrichtung benutzt, die im wesentlichen der mit Fig. 1 dargestellten Vorrichtung entspricht. Es wird eine Dünnschicht aus Polybutadien auf eine Reihe von Substraten koalesziert und in diese Substrate sowie mit diesen Substraten verschmolzen; zu entsprechenden Substratmaterialien gehören Stahl, Aluminium, Silber, Glas und Natriumchlorid; im einzelnen wird eine nicht-organische, nicht zur Filmbildung bestimmte, gasförmige Komponente, einschl. Argon,Neon, Helium und Wasserstoff in der Kammer 11 ionisiert, wozu eine Hochfrequenzanregung benutzt wird; hierbei wird ein Plasma erzeugt, das einen Strom aus Ionen dieser gasförmigen Komponente aufweist. Die Ionen wanden zu einem cohärenten Strahl parallel ausgerichtet und auf einen Energiewert von zumindest 10 keV, vorzugsweise auf zumindest 25 keV beschleunigt; dieser beschleunigte Ionenstrahl wird in die Abscheidungskammer 51 geführt, welche dampfförmiges 1,3-Butadien-Monomer enthält. Beim Durchtritt dieses Strahles aus energiereichen Ionen durch diese Kohlenwasserstoff-Atmosphäre wird ein Teil der kinetischen Energie des Ionenstrahles auf die neutralen Kohlenwasserstoffatome übertragen, um diese Kohlenwasserstoffatome zu ionisieren;den dabei gebildeten Ionen wird eine ausreichende kinetische Energie erteilt, daß sie gemeinsam mit dem Ionenstrahl I auf dem Substrat aufprallen, so daß

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an der Oberfläche und innerhalb des Substrates gleichzeitig eine Ionenimplantation und ein Filmerzeugungsvorgang ablaufen. Zur Erzeugung von Dünnschichten aus Polyäthylen wird innerhalb der Kammer 51 eine Atmosphäre aus gasförmigem bzw. dampfförmigen Äthylen-Monomer aufrechterhalten. Polymere Filme bzw. Schichten aus organischem Material werden auch aus anderen polymerisierbaren, organischen Monomeren wie etwa Äthylen und Methan als Ionenquellen für die Kammer 11 erhalten. Bei diesen Ausführungsformen können die gleichen Monomere oder andere Monomere wahlweise in der Kammer 51 vorgesehen werdai. Ferner können nicht zur Abscheidung bestimmte Komponenten wie etwa Argon, Wasserstoff oder S&uerstoff vorgesehen werden. Es können auch Filme, Uberzugsschichten oder Schichten aus organischen Gopolymerisaten erzeugt werden, indem ein Gemisch aus organischen Monomeren eingesetzt wird, z.B. kann als Ausgangsmaterial für den Ionenstrahl der Kammer 11 Äthylen zugeführt werden, während innerhalb der Kammer 51 eine Butadienatmosphäre vorgesehen wird.

Die Erfindung ist anhand von bevorzugten Ausführungsformen erläutert worden. Ersichtlich können verschiedene Abänderungen und Modifizierungen vorgenommen werden, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.

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Claims

BLUMBACH · WtiSEr? · ■ KRAMER ZWIRNER - PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN 2949784 Patenlconsult Radeckestraße 43 6DQ0 Mündien όΟ Telefon (C89) 883603/8336C4 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsull Patentconsult Sonnenberger Slraße 43 6200 Wiesbaden Telefon (00121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult LORD CORPORATION 79/8306 1635 West I2th Street, 10. Dez. 1979 Erie, Pennsylvania U. S. A. Verfahren zur Abscheidung einer Dünnschicht aus organischen Schichtmaterialien mittels Ionenimplantation Patentansprüche:

1. Verfahren zur Abscheidung einer Dünnschicht aus organischen Schichtmaterialien,
dadurch gekennzeichnet, daß

a) zumindest ein verdampftes, monomeres organisches Material ionisiert wird;

b) die Ionen des monomeren organischen Materials auf einen, einer Beschleunigungsspannung von

München: R. Kramer Dip!.-Ir.g. · W. Weser Dipt.-Pnys. Dr. rer. n.il. · H. P. Brehm Oipl.-Cliom. Dr. phil. nat. P. G Biur.ibedi Dipl.-Ing. · P. Bofgf.'.i Dlpl.-Ing. Or.jur. · G. Z/virner Oipl.-Ir.g. Dipl.-W.-Ing

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ORIGINAL INSPECTED

wenigstens 10 keV entsprechenden Energiewert gebracht werden;

c) die beschleunigten Ionen aus monomerem, organischem Material gegen eine Oberfläche eines Substrates gerichtet werden; und

d) die beschleunigten Ionen aus monomerem organischem Material auf dem Substrat aufprallen, so daß wenigstens ein Teil dieser Ionen in das Substrat implantiert wird, und eine Dünnschicht aus organischem polymerem Material in und an dem Substrat gebildet wird, welche Dünnschicht mit den implantierten Ionen und dem Substrat verschmolzen ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß

a) wenigstens ein verdampftes, nicht zur Abscheidung bestimmtes Material ionisiert wird, um einen Strom aus Ionen und neutralen Fragmenten aus diesem, nicht zur Abscheidung bestimmten Material zu bilden;

b) aus diesem Strom ein Energiestrahl abgezogen wird, der ia wesentlichen aus Ionen des nicht zur Abscheidung bestimmten Materials besteht;

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c) dieser Energiestrahl aus Ionen des nicht zur Abscheidung bestimmten Materials auf einen, einer Beschleunigungsspannung von zumindest 10 keV entsprechenden Energiewert beschleunigt wird, und dieser Energiestrahl aus Ionen in eine, ein Substrat enthaltende Abscheidungskammer eingeführt wird, welche Abscheidungskammer zumindest ein verdampftes, monomeres, organisches, zur Abscheidung bestimmtes Material enthält$

d) dieser Energiestrahl aus Ionen des nicht zur Abscheidung bestimmten Materials durch das verdampfte, zur Abscheidung bestimmte Material geführt wird, so daß das zur Abscheidung bestimmte Material durch Kollisionswechselwirkung mit dem Energiestrahl aus Ionen des nicht zur Abscheidung bestimmten Materials ionisiert wird; und

e) der Energiestrahl aus Ionen des nicht zur Abscheidung bestimmten Materials und den Ionen des organischen, zur Abscheidung bestimmten Materials gemeinsam eine ausreichende Zeitspanne lang gegen eine Oberfläche des Substrates prallt, um zumindest einen Teil der Ionen des zur Abscheidung bestimmten Materials in

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das Substrat zu implantierten und eine Dünnschicht aus polymerem organischem Material in und an diesem Substrat zu bilden, welche polymere Dünnschicht in und mit den Ionen des organischen, zur Abscheidung bestimmten Materials und den Atomen des Substrates verschmolzen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß

das zur Abscheidung bestimmte organische Material zumindest einen monomeren Kohlenwasserstoff aufweist, nämlich einen gesättigten Kohlenwasserstoff mit zumindest einem Kohlenstoffatom und/oder einen ungesättigten Kohlenwasserstoff
mit zumindest zwei Kohlenstoffatomen.

4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß

a) ein verdampftes Gemisch ionisiert wird, das
im wesentlichen aus zumindest einem, nicht
zur Abscheidung bestimmten Material, und aus
wenigstens einem ersten monomeren organischen, zur Abscheidung bestimmten Material besteht,
um einen Strom zu bilden, der eine Mischung
aus Ionen des nicht zur Abscheidung bestimmten Materials und Ionen des ersten monomeren organischen, zur Abscheidung bestimmten Materials enthält;

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b) aus diesem Strom ein Strahl abgezogen wird, der im wesentlichen aus einer Mischung dieser Ionen besteht;

c) dieser Strahl aufeinen Energiewert von zumindest 10 keV gebracht wird, indem er durch elektrostatische Anziehung wegen eines bestehenden Potentialgradienten beschleunigt wird; und

d) dieser beschleunigte Ionenstrahl eine ausreichende Zeitspanne lang gegen ein Substrat prallt, um zumindest einen Teil der Ionen des ersten organischen, zur Abscheidung bestimmten Materials in das Substrat zu implantieren und eine Dünnschicht aus organischem Material polymerer Natur in und an dem Substrat zu bilden, welche Dünnschicht aus polymerem organischem Material mit den implantierten Ionen und mit dem Substrat verschmolzen ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß

das organische, zur Abscheidung bestimmte Material zumindest einen monomeren Kohlenwasserstoff, nämlich einen gesättigten Kohlenwasserstoff mit zumindest einem Kohlenstoffatom und/oder einen ungesättigten Kohlenwasserstoff mit zumindest zwei Kohlenstoffatomen enthält.

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6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5» dadurch gekennzeichnet, daß

in der Abscheidungskammer zumindest ein zweites, dampfförmiges, monomeres, organisches, zur Abscheidung bestimmtes Material vorhanden ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß

das verdampfte, zweite, monomere, organische, zur Abscheidung bestimmte Material von dem beschleunigten, aus dem Ionengemisch bestehenden Strahl ionisiert wird; und ein gemeinsamer, beschleunigter Ionenstrahl, enthaltend die Ionen des Gemisches und die Ionen des zweiten organischen Materials , eine ausreichende Zeitspanne lang gegen das Substrat prallt, um zumindest einen Teil der Ionen des ersten, zur Abscheidung bestimmten Materials und einen Teil der Ionen des zweiten, organischen, zur Abscheidung bestimmten Materials in das Substrat zu implantieren und eine Dünnschicht aus organischem Material polymerer Natur in und an dem Substrat zu bilden , welche polymere Dünnschicht mit den implantierten Ionen und dem Substrat gegenseitig verschmolzen ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7>
dadurch gekennzeichnet, daß

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sowohl das erste monomere, organische, zur Abscheidung bestimmte Material wie das zweite, monomere organische, zur Abscheidung bestimmte Material jeweils zumindest einen monomeren Kohlenwasserstoff aufweist, nämlich einen gesättigten Kohlenwasserstoff mit zumindest einem Kohlenstoffatom und/oder einem ungesättigten Kohlenwasserstoff mit zumindest zwei Kohlenstoffatomen.

9· Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß

sowohl das erste, organische, zur Abscheidung bestimmte Material wie das zweite, organische, zur Abscheidung bestimmte Material das gleiche Material ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet« daß

das erste, organische, zur Abscheidung bestimmte Material sich von dem zweiten, organischen, zur Abscheidung bestimmten Material unterscheidet.

11. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß

a) zumindest ein verdampftes, erstes, monomeres, organisches, zur Abscheidung bestimmtes Material ionisiert wird, um einen Strom zu bilden, der Ionen des ersten, organischen, zur Abscheidung bestimmten Materials aufweist; 030025/0801

b) aus diesem Strom ein Strahl abgezogen wird, der im wesentlichen aus Ionen des ersten, organischen, zur Abscheidung bestimmten Materials besteht;

c) dieser Ionenstrahl auf einen Energiewert von zumindest 10 keV gebracht wird, indem er durch elektrostatische /nziehung wegen eines bestehenden Potentialgradienten beschleunigt wird; und dieser beschleunigte Ionenstrahl in eine, ein Substrat enthaltende Abscheidungskammer eingeführt wird; und

d) dieser beschleunigte Ionenstrahl eine ausreichende Zeitspanne lang gegen ein Substrat prallt, um zumindest einen Teil der Ionen des ersten organischen, zur Abscheidung bestimmten Materials in das Substrat zu implantieren, und um eine Dünnschicht aus organischem Material polymerer Natur in und an dem Substrat zu bilden, welche Dünnschicht aus polymerem organischem Material mit den implantierten Ionen und mit dem Substrat verschmolzen ist.

12. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, daß

das erste organische, zur Abscheidung bestimmte Material zumindest einen monomeren Kohlenwasserstoff aufweist, nämlich einen gesättigten Kohlenwasserstoff mit zumindest einem

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Kohlenstoffatom und/oder einen ungesättigten Kohlenwasserstoff mit zumindest zwei Kohlenstoffatomen.

13· Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß

innerhalb der Abscheidungskammer zumindest ein dampfförmiges, zweites, monomeres, organisches Material vorhanden ist.

14. Verfahren nach Anspruch 13»
dadurch gekennzeichnet, daß

das verdampfte, zweite, organische Material durch Kollisionswechselwirkung mit dem beschleunigten Ionenstrahl aus im wesentlichen Ionen des ersten organischen Materials ionisiert wird; und

der beschleunigte Ionenstrahl aus Ionen des ersten organischen Materials und Ionen des zweiten organischen Materials gemeinsam eine ausreichende Zeitspanne lang auf das Substrat aufprallt, um zumindest einen Teil der Ionen des ersten organischen Materials und einen Teil der Ionen des zweiten organischen Materials in das Substrat zu implantieren; und um eine Dünnschicht aus organischem Material polymerer Natur in und an dem Substrat zu bilden, welche polymere Dünnschicht mit den implantierten Ionen und dem Substrat gegenseitig verschmolzen ist.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14-, dadurch gekennzeichnet, daß

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sowohl das erste monomere, organische, zur Abscheidung bestimmte Material wie das zweite, monomere, organische, zur Abscheidung bestimmte Material zumindest einen monomeren Kohlenwasserstoff aufweist, nämlich einen gesättigten Kohlenwasserstoff mit zumindest einem Kohlenstoffatom und/oder einen ungesättigten Kohlenwasserstoff mit zumindest zwei Kohlenstoffatomen.

16. Verfahren nach .Anspruch 15»
dadurch gekennzeichnet, daß

das erste, organische, zur Abscheidung bestimmte Material und das zweite, organische, zur Abscheidung bestimmte Material das gleiche Material ist.

17. Verfahren nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet, daß

sich das erste, organische, zur Abscheidung bestimmte Material von dem zweiten, organischen, zur Abscheidung bestimmten Material unterscheidet.

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