DE3507337C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung von Prozessen im Vakuum gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich insbesondere zur Bildung eines Dünnfilms auf einem zu bearbeitenden Substrat durch den in einem Plasma ablaufenden chemischen Aufdampfprozeß (nachstehend als "Plasma-CVD-Prozeß" bezeichnet).

Bekannte Prozesse zur Bildung von Dünnfilmen, die in den letz­ ten Jahren in zunehmendem Maße angewandt werden, sind der reak­ tive Zerstäubungsprozeß und der Plasma-CVD-Prozeß. Beim Plasma- CVD-Prozeß wird in einer Reaktionskammer ein gewünschtes Vakuum hergestellt und der Reaktionskammer ein gasförmiges Ausgangsma­ terial zugeführt. Das gasförmige Ausgangsmaterial wird dann durch Glimm- oder Bogenentladung unter Erzeugung eines Plasmas zersetzt bzw. dissoziiert, und auf einem in der Reaktionskammer angeordneten Substrat wird ein Dünnfilm gebildet. Durch den Plasma-CVD-Prozeß kann beispielsweise unter Anwendung eines Si­ lans (SiH₄ oder Si₂H₆) als Ausgangsmaterial ein Dünnfilm aus amorphem Silicium (nachstehend als "a-Si" bezeichnet) gebildet werden. Bei a-Si ist die Zahl der in der verbotenen Zone vor­ handenen lokalisierten Niveaus verhältnismäßig klein, so daß es möglich ist, die Elektronen durch Dotieren mit substituierenden Fremdatomen zu steuern. Ein aus a-Si gebildeter Dünnfilm kann deshalb auch als photoleitfähige Schicht eines elektrophotogra­ phischen Aufzeichnungsmaterials verwendet werden.

Zur Erläuterung des Standes der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, wird auf die beigefügten Fig. 1 und 2 Bezug genommen.

Fig. 1 ist eine schematische Schnittzeichnung einer bekannten periodisch arbeitenden Plasma-CVD-Vorrichtung.

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer bekannten mit Schleusen ausgestatteten Vorrichtung zur Durchführung von Prozessen im Vakuum.

Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung dient dazu, auf einem zylin­ drischen Substrat 3, das in einem einzelnen Vakuumbehälter 10, der durch einen Deckel 1 hermetisch verschlossen werden kann, angeordnet ist, einen a-Si-Dünnfilm zu bilden. In der Mitte des Bodens des Vakuumbehälters 10 ist ein von einem Motor M ange­ triebener Drehmechanismus 5 angeordnet, an dem das von einem inneren Heizkörper 4 erhitzte Substrat 3 befestigt ist. Das Er­ hitzen des Substrats 3 durch den inneren Heizkörper 4 ist not­ wendig, um das Substrat 3 auf einer hohen Temperatur (z. B. 250°C) zu halten, damit auf dem Substrat 3 ein stabiler a-Si- Dünnfilm gebildet wird.

Eine zylindrische Kathode 2, die an eine Hochfrequenz-Span­ nungsquelle 7 angeschlossen ist, ist um das Substrat 3 herum angeordnet, und eine zylindrische Abschirmung 6, die zum Um­ schließen des Plasmas dient, umgibt die Kathode 2. Ein Gaszu­ führungssystem 8 für die Zuführung des gasförmigen Ausgangsma­ terials (Silangas) zu der von der Abschirmung 6 gebildeten Re­ aktionskammer ist einlaßseitig an den Boden der Abschirmung 6 angeschlossen, während ein Evakuiersystem 9, das dazu dient, in der Reaktionskammer ein Vakuum zu erzeugen, am Boden des Vaku­ umbehälters 10 angeschlossen ist.

Wenn bei dieser Vorrichtung das Substrat 3 erhitzt und das gas­ förmige Ausgangsmaterial von unten nach oben in die Abschirmung 6 der Reaktionskammer eingeführt wird, wird von der Spannungs­ quelle 7 an die Kathode 2 eine Hochfrequenzspannung angelegt und zwischen der Kathode 2 sowie dem Substrat 3, das die Anode darstellt, eine Plasmaentladung hervorgerufen, wobei das Silan­ gas unter Erzeugung eines Plasmas zersetzt bzw. dissoziiert und auf der Oberfläche des Substrats 3 ein a-Si-Dünnfilm gebildet wird.

Das nach der Reaktion übrigbleibende Gas wird über eine an der Oberseite der Abschirmung 6 gebildete Öffnung 6a abgezogen; es strömt zwischen der Außenwand der Abschirmung 6 und der Innen­ wand des Vakuumbehälters 10 nach unten und wird durch das Eva­ kuiersystem 9 aus der Vorrichtung abgesaugt.

Bei der vorstehend beschriebenen Plasma-CVD-Vorrichtung kann jedoch nur ein einzelnes Substrat in einer einzelnen Reaktions­ kammer mit einem Dünnfilm beschichtet werden, so daß sich diese Vorrichtung nicht zur Massenfertigung von Dünnfilmen eignet.

Ferner wird die Reaktionskammer bei dieser Vorrichtung jedesmal der Atmosphäre ausgesetzt, wenn das Substrat, das mit dem Dünn­ film beschichtet worden ist, entnommen wird. Dies führt dazu, daß der Dünnfilm Feuchtigkeit oder Gase, die in der Atmosphäre enthalten sind, adsorbiert, so daß seine Qualität herabgesetzt oder instabil wird.

Fig. 2 zeigt eine bekannte mit Schleusen ausgestattete Vorrich­ tung zur Durchführung von Prozessen im Vakuum, durch die die Nachteile der vorstehend beschriebenen Plasma-CVD-Vorrichtung beseitigt werden. Die in Fig. 2 veranschaulichte Vorrichtung weist einen Substrataufnahme-Vakuumbehälter 21, einen Reakti­ onskammer-Vakuumbehälter 22 und einen Substratentnahme-Vakuum­ behälter 23 auf. In dem Substrataufnahme-Vakuumbehälter 21 fin­ den vorbereitende Prozesse statt, z. B. die Behandlung des Sub­ strats 26 zwischen der Atmosphäre und dem Vakuum sowie ein Er­ hitzen des Substrats 26. Dann wird das Substrat 26 durch eine zwischen dem Substrataufnahme-Vakuumbehälter 21 und dem Reakti­ onskammer-Vakuumbehälter 22 angeordnete Schleuse 24 in den Re­ aktionskammer-Vakuumbehälter 22 eingebracht, während die Vaku­ umbehälter 21 und 22 im evakuierten Zustand gehalten werden. Das Substrat 26, auf dem in dem Reaktionskammer-Vakuumbehälter 22 ein Dünnfilm gebildet worden ist, wird dann durch eine gleichartige, zwischen dem Reaktionskammer-Vakuumbehälter 22 und dem Substratentnahme-Vakuumbehälter 23 angeordnete Schleuse 24 hindurchtransportiert und in dem Substratentnahme-Vakuumbe­ hälter 23 weiteren Prozessen unterzogen, z. B. gekühlt, worauf die Atmosphäre in den Substratentnahme-Vakuumbehälter 23 ein­ treten gelassen wird und das mit dem Dünnfilm beschichtete Sub­ strat daraus entnommen wird. Die Vakuumbehälter 21, 22 und 23 werden jeweils durch Evakuiersysteme 25 evakuiert.

Eine Vorrichtung der in Fig. 2 veranschaulichten Art ist im Vergleich zu der in Fig. 1 gezeigten Plasma-CVD-Vorrichtung leistungsfähiger, ist jedoch beispielsweise nicht zur Herstel­ lung einer photoleitfähigen Siliciumschicht für ein elektropho­ tographisches Aufzeichnungsmaterial geeignet, weil sie die fol­ genden Nachteile aufweist: Die Vakuumbehälter 21, 22 und 23 ha­ ben jeweils ein großes Volumen, weil sie eine Anzahl von Sub­ straten, z. B. für die Herstellung von elektrophotographischen Aufzeichnungsmaterialien, aufnehmen müssen; dies führt zu einer Erhöhung der Kosten der Vorrichtung. Andererseits werden die zylindrischen Substrate jeweils von ihrer Innenseite her er­ hitzt, so daß die Transporteinrichtung für das zylindrische Substrat kompliziert wird.

Aus der JP-A 56-21 637 ist eine Vorrichtung zur Durchführung von Prozessen im Vakuum an Substraten für die Bildung von Dünn­ filmen bekannt, bei denen die zu bearbeitenden Substrate ab­ satzweise zwischen ausschließlich für eine Behandlungsstufe vorgesehenen Vakuumbehältern transportiert werden. Zu diesem Zweck sind eine Transporteinrichtung zum Transport der Substra­ te und ein feststehender, ausschließlich für den Transport der Substrate vorgesehener Transport-Vakuumbehälter, der die Trans­ porteinrichtung umgibt, vorgesehen. Da der Transport-Vakuumbe­ hälter nicht bewegbar ist, muß er verhältnismäßig groß sein, damit die Substrate über den Transport-Vakuumbehälter zwischen den ausschließlich für eine Behandlungsstufe vorgesehenen Va­ kuumbehältern, d. h., einem Evakuier- und Erhitzungs-Vakuumbe­ hälter, einem Zerstäubungs- und Ätz-Vakuumbehälter, einem Zer­ stäubungs-Vakuumbehälter und einem Abkühl-Vakuumbehälter, transportiert werden, wobei zur Aufrechterhaltung eines ausrei­ chenden Vakuums in dem Transport-Vakuumbehälter eine hohe Ener­ gie erforderlich ist.

Aus der US-PS 39 15 117 ist eine Vorrichtung zur Beschichtung von Substraten im Vakuum bekannt, bei der die zu bearbeitenden Substrate zwischen für eine Behandlungsstufe vorgesehenen Va­ kuumkammern transportiert werden, die durch Bewegung von Ring­ elementen in einer feststehenden Hauptkammer gebildet werden. Sowohl die feststehende Hauptkammer als auch die durch die Ringelemente über Abdichtungsplatten gebildeten, für eine Be­ handlungsstufe vorgesehenen Vakuumkammern sind evakuierbar. Bei dem Transport der Substrate von einer zur anderen Behandlungs­ stufe wird das durch ein Ringelement und eine Aufdampfkammer gehaltene Vakuum und das durch ein anderes Ringelement und eine Substrataufnahmekammer gehaltene Vakuum unterbrochen. Da die Aufdampfkammer und die Substrataufnahmekammer über die Haupt­ kammer miteinander in Verbindung stehen, werden Verunreinigun­ gen die beim Abscheiden einer Schicht in der Aufdampfkammer gebildet werden, in der Hauptkammer und damit auch in der Sub­ strataufnahmekammer verteilt. D.h., daß das Vakuum nicht in stabiler Weise aufrechterhalten werden kann. Darüber hinaus können die Ringelemente, die als Behälterwandung der Vakuumkam­ mern dienen, weder in stabiler Weise ein Vakuum halten, noch ist ein Transport der Substrate unter Vakuum möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchführung von Prozessen im Vakuum der im Oberbegriff des Pa­ tentanspruchs 1 angegebenen Art derart zu verbessern, daß Sub­ strate individuell zu den für eine Behandlungsstufe vorgesehe­ nen Vakuumbehältern transportiert werden können, so daß eine Aufnahme und eine Entnahme von Substraten unter Vakuum in ein­ facher und stabiler Weise möglich ist, ohne daß der Vakuumzu­ stand während des Verfahrens gestört wird und ohne daß während der Dünnfilmbildung Verunreinigungen wie z. B. Feuchtigkeit oder Gase, die in der Atmosphäre enthalten sind, in die Vakuumbehäl­ ter eindringen können.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den im kennzeich­ nenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Durch die Erfindung ist gewährleistet, daß bei der Aufnahme und Entnahme des Substrats Feuchtigkeit oder Gase, die in der Atmo­ sphäre enthalten sind, nicht in die Vakuumbehälter gelangen können, so daß ein guter Vakuumbearbeitungszustand aufrechter­ halten wird. Darüber hinaus kann der ausschließlich für den Transport vorgesehene Vakuumbehälter relativ zu den ausschließ­ lich für eine Behandlungsstufe vorgesehenen Vakuumbehältern kompakt gestaltet werden, so daß die erfindungsgemäße Vorrich­ tung vereinfacht wird und die Energie für die Erzeugung des Va­ kuums klein gehalten werden kann.

Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vor­ richtung, bei der der für den Transport des Substrats vorgesehene Vakuumbehälter linear bewegbar ist.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vor­ richtung mit Revolverkopf, bei der für den Transport des Substrats vorgesehene Vakuumbehälter in einem Umlauf be­ wegbar sind.

Die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist eine Gruppe von Substrataufnahme-Vakuumbehäl­ tern 31, die ausschließlich dafür angeordnet und vorgesehen sind, ein Substrat aufzunehmen, evakuiert zu werden sowie eine vorbereitende Behandlung des Substrats durchzuführen, eine Gruppe von Reaktionskammer-Vakuumbehältern 32, die aus­ schließlich dafür angeordnet und vorgesehen sind, eine Behand­ lung oder Bearbeitung wie z. B. einen Plasma-CVD-Prozeß durchzu­ führen, und eine Gruppe von Substratentnahme-Vakuumbehältern 33, die ausschließlich für eine Nachbehandlung, z. B. ein Küh­ len, des mit einem Dünnfilm beschichteten Substrats sowie für dessen Entnahme nach außen angeordnet und vorgesehen sind, auf. Die erwähnten Vakuumbehälter sind in einer Linie in der Reihen­ folge der Behandlungsstufen angeordnet. Jeder der Vakuumbehäl­ ter 31, 32 und 33, deren Innenräume durch jeweilige Evakuiersy­ steme 36b, 36c bzw. 36d luftleer gemacht werden können, ist mit einer Öffnungs-/Schließ-Schleuse 37b ausgestattet.

Ein Vakuumbehälter 34, dessen Innenraum durch ein Evakuiersy­ stem 36a luftleer gemacht werden kann, ist ausschließlich für einen Transport des Substrats vorgesehen und ist an einer Transporteinrichtung 35 zwischen den ausschließlich für eine Behandlungsstufe vorgesehenen Vakuumbehältern 31, 32 und 33 be­ wegbar, wobei sein evakuierter Zustand aufrechterhalten wird. Der Vakuumbehälter 34 ist mit einer Öffnungs-/Schließ-Schleuse 37a ausgestattet, die über ein Ventil 30e mit dem Evakuiersy­ stem 36a und über ein Ventil 39a mit der Atmosphäre zu verbin­ den ist sowie mit den Schleusen 37b der für die Behandlungsstu­ fen vorgesehenen Vakuumbehälter 31, 32 und 33 koppelbar ist.

Nachstehend wird ein Beispiel für die Bildung eines amorphen Dünnfilms auf einem zu behandelnden Substrat unter Verwendung der ausschließlich für eine Behandlungsstufe vorgesehenen Vaku­ umbehälter 31, 32 und 33 und des ausschließlich für den Trans­ port des Substrats vorgesehenen Vakuumbehälters 34 beschrieben.

Zuerst wird das zu behandelnde Substrat in einen der Atmosphäre ausgesetzten Substrataufnahme-Vakuumbehälter 31 eingebracht, dessen Innenraum anschließend durch das Evakuiersystem 36b über ein Ventil 30a luftleer gemacht wird. Gleichzeitig wird das Substrat durch einen Heizkörper 35a im Substrataufnahme-Va­ kuumbehälter 31 erhitzt. Dann wird der ausschließlich für den Transport des Substrats vorgesehene Vakuumbehälter 34 zu dem das vorbereitete Substrat enthaltenden Substrataufnahme-Vakuum­ behälter 31 transportiert, worauf die Schleuse 37a des Vakuum­ behälters 34 und die Schleuse 37b des Substrataufnahme-Vakuum­ behälters 31 miteinander gekoppelt und durch das Evakuiersystem 36a über ein Ventil 30e luftleer gemacht werden. Anschließend werden die Schleusen 37a und 37b geöffnet; das Substrat wird durch eine Hebeeinrichtung 38, die in dem durch das Evakuiersy­ stem 36a über das Ventil 30d luftleer gemachten Vakuumbehälter 34 vorgesehen ist, in den Vakuumbehälter 34 überführt; die Schleusen 37a und 37b werden geschlossen, und dann werden die Vakuumbehälter 31 und 34 voneinander gelöst.

Der Vakuumbehälter 34, in dem jetzt das Substrat enthalten ist, wird über einen Reaktionskammer-Vakuumbehälter 32 transpor­ tiert. In dieser Zeit kann die Außenluft (Atmosphäre) über ein Ventil 39b wieder in den Substrataufnahme-Vakuumbehälter 31 eintreten, der damit für die Aufnahme des nächsten Substrats bereit ist.

Aus dem über den Reaktionskammer-Vakuumbehälter 32 transpor­ tierten Vakuumbehälter 34 wird das Substrat in einem Vorgang, der der Entnahme aus dem Substrataufnahme-Vakuumbehälter 31 ähnlich ist, in den Reaktionskammer-Vakuumbehälter 32 einge­ bracht, in dem es, während es von dem Heizkörper 35b in dem Re­ aktionskammer-Vakuumbehälter 32 erhitzt wird, dem Dünnfilmbil­ dungsprozeß unterzogen wird.

Nach Abschluß des Dünnfilmbildungsprozesses laufen eine Schleu­ senbetätigung und ein Transport in der vorstehend beschriebenen Weise ab, so daß das Substrat aus dem Reaktionskammer-Vakuumbe­ hälter 32 entnommen und in einen Substratentnahme-Vakuumbehäl­ ter 33 überführt wird, worauf das Substrat durch eine Kühlein­ richtung 36 abgekühlt wird und die Umgebungsluft über ein Ven­ til 39c in den Substratentnahme-Vakuumbehälter 33 eintritt, aus dem dann das mit einem Dünnfilm beschichtete Substrat entnommen wird.

Die Anzahl der Substrataufnahme-Vakuumbehälter 31, der Reakti­ onskammer-Vakuumbehälter 32 und der Substratentnahme-Vakuumbe­ hälter 33 und deren Kombination werden in Abhängigkeit von den jeweiligen Behandlungszeiten derart gewählt, daß kein Leerlauf entsteht und Zeit nicht nutzlos verstreicht. Eine Hochfrequenz- Spannungsquelle 52, eine Evakuierpumpe 36c, ein Gaszuführungs­ system 51 für die Zuführung des gasförmigen Ausgangsmaterials, Ventile 30b und 47, Vakuummeßgeräte und Schalter 48, die bei der Gruppe von Reaktionskammer-Vakuumbehältern 32 zur Anwendung kommen, können, wie es für ihre Verwendungszwecke am besten ge­ eignet ist, einzeln oder gemeinsam vorgesehen sein.

Die Substrataufnahme-Vakuumbehälter 31 können in einem staub­ freien Raum angeordnet sein, wobei die vorbereitende Behandlung durch die erfindungsgemäße Vorrichtung in ihrem sauberen Zu­ stand unmittelbar nach dem Waschen (Reinigen) des Substrats be­ gonnen werden kann. Der Heizvorgang in den Substrataufnahme-Va­ kuumbehältern 31 und der Kühlvorgang in den Substratentnahme- Vakuumbehältern 33 müssen nicht immer im Vakuum durchgeführt werden, sondern diese Vorgänge können auch an der Luft oder in inertem Gas ablaufen, wobei im letztgenannten Fall die Heiz- und Kühlzeiten verkürzt werden können.

Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung erfolgt keine lineare Bewegung der aus­ schließlich für den Transport des Substrats vorgesehenen Vaku­ umbehälter, vielmehr sind die Vakuumbehälter in einem Kreis an­ geordnet, wobei wenigstens ein ausschließlich für den Transport des Substrats vorgesehener Vakuumbehälter wie bei einem Revol­ verkopf bewegt werden kann. Bei dieser Ausführungsform sind ausschließlich für den Transport vorgesehene Vakuumbehälter 41, die eine Hebeeinrichtung 45 aufweisen, an einer drehbaren Transporteinrichtung 44 angebracht. Substrataufnahme-Vakuumbe­ hälter 42 und Substratentnahme-Vakuumbehälter 43 sowie Reakti­ onskammer-Vakuumbehälter 46 sind in der jeweils erforderlichen Anzahl auf einem Kreis angeordnet, über den die drehbare Trans­ porteinrichtung 44 mit den ausschließlich für den Transport vorgesehenen Vakuumbehältern 41 bewegt wird.

Bei der in Fig. 4 veranschaulichten Ausführungsform werden im Vergleich zu der Ausführungsform mit linearer Bewegung des für den Transport vorgesehenen Vakuumbehälters eine Verminderung der Installationsfläche und eine Vereinfachung der Transport­ einrichtung erreicht. Was den Transport betrifft, so können mehrere ausschließlich für den Transport vorgesehene Vakuumbe­ hälter so angeordnet werden, daß mehrere Substrate gleichzeitig bewegt werden, wodurch eine wirksame Steigerung der Massenfer­ tigung erzielt werden kann.

Obwohl bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen nur auf die Durchführung des Plasma-CVD-Prozesses Bezug genommen worden ist, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch auf an­ dere im Vakuum durchgeführte Prozesse vorteilhaft angewandt werden und beispielsweise als Vorrichtung zur Durchführung ei­ nes gewöhnlichen Aufdampfprozesses, als Sprüh- oder Zerstäu­ bungsvorrichtung, als Ätzvorrichtung oder als Kombination sol­ cher Vorrichtungen dienen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist bezüglich ihrer Fähigkeit zur Durchführung von Prozessen im Vakuum an einem Substrat her­ vorragend; die Kosten der Vorrichtung werden auf einem Minimum gehalten. Die Vorrichtung kann Prozesse im Vakuum ohne Unter­ brechung durchführen. Darüber hinaus werden die Vakuumbehälter, in denen der Dünnfilm gebildet wird, immer in einem evakuierten Zustand gehalten, so daß die Instabilität des Dünnfilms, die z. B. auf die Adsorption von Feuchtigkeit oder Gasen zurückzufüh­ ren ist, restlos beseitigt wird und somit Substrate mit einem darauf gebildeten Dünnfilm von höchster Qualität erhalten wer­ den können.

Claims (3)

1. Vorrichtung zur Durchführung von Prozessen im Vakuum an einem in mehr als einer Behandlungsstufe zu bearbeitenden Sub­ strat, wobei diese Vorrichtung jeder der Behandlungsstufen je­ weils zugeordnete Vakuumbehälter und wenigstens einen weiteren Vakuumbehälter aufweist, der ausschließlich für einen Transport des Substrats zwischen den ausschließlich für eine Behandlungs­ stufe vorgesehenen Vakuumbehältern bestimmt ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der wenigstens eine für den Transport des Substrats vorgesehene Vakuumbehälter (34; 41) bewegbar ausge­ staltet ist, wobei die Vakuumbehälter (34, 31, 32, 33) mit mit­ einander koppelbaren Öffnungs-/Schließ-Schleusen (37a, 37b) aus­ gestattet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der für den Transport des Substrats vorgesehene Vakuumbehälter (34) linear bewegbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der für den Transport des Substrats vorgesehene Vakuumbehälter (41) in einem Umlauf bewegbar ist.