DE3638942A1 - Stroemungssteuereinrichtung fuer einen feinpartikel-strom - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Strömungssteuereinrichtung für einen Feinpartikel-Strom, der dazu verwendet wird, Fein­ partikel und dergleichen zu transportieren oder mit sich zu führen. Anwendungsbereiche für derartige Feinpartikelströme sind beispielsweise die Erzeugung von dünnen Schichten, die Bildung eines zusammengesetzten Materials, die Dotierung eines Stoffs mit Feinpartikeln oder das Gebiet der Erzeugung von Feinpartikeln.

Im vorliegenden Zusammenhang umfaßt der Begriff "Feinpartikel" Atome, Moleküle, ultrafeine Partikel und allgemein feine Partikel. Ultrafeine Partikel sind solche Partikel, die im allgemeinen kleiner als 0,5 µm sind, wie man sie z. B. durch Verdampfen in Gas, durch Plasmaverdampfung, durch chemische Dampfreaktion, durch Kolloid-Niederschlagung einer einer Flüssigkeit oder durch Pyrolyse in einem Flüssigspray er­ hält. Die allgemein feinen Partikel bedeuten solche Fein­ partikel, die man durch herkömmliche Verfahren erhält, wie beispielsweise durch mechanisches Brechen, Kristallisation, Niederschlagung oder Sedimentation.

Der Begriff "Strahl" bedeutet einen strahlförmigen Strom, der gerichtet in eine gewisse Richtung mit höherer Dichte strömt als die Umgebung, ungeachtet der Querschnittsform des Strahls.

Allgemein ausgedrückt, sind Feinpartikel in einem Trägergas zerstreut oder im Schwebezustand gehalten, und sie werden durch den Strom des Trägergases transportiert. Im Stand der Technik wurde die Strömung der Feinpartikel beim Transport der oben erwähnten Feinpartikel lediglich dadurch gesteuert, daß der gesamte Strömungsweg der zusammen mit dem Trägergas aufgrund einer Druckdifferenz zwischen einer stromaufwärts gelegenen Stelle und einer stromabwärts gelegenen Stelle strömenden Partikel mit rohrförmigen Elementen oder Gehäuse­ teilen begrenzt wurde. Dabei wird der Strom von Feinpartikeln notwendigerweise über den gesamten Raum im Inneren der rohr­ förmigen Elemente oder Gehäuseteile, die den Strömungsweg der Feinpartikel begrenzen, verstreut, obschon eine gewisse Ver­ teilung der Strömungsstärke gegeben sein mag.

Ein derartiger Transport von Feinpartikel erfolgt auch bei aktivierten Feinpartikeln. Um aktivierte Feinpartikel zu er­ halten, wendet man beispielsweise ein Verfahren an, bei dem durch Mikrowellen-Entladung erzeugtes Plasma verwendet wird. Dies wurde im Stand der Technik in Verbindung mit einem Hohlleiter und einem Quarzrohr praktiziert. Der Hohl­ leiter ist ein Rohr rechteckigen Querschnitts, und die Mikrowelle wird durch den Hohlleiter hindurch zu einem Plasmageneratorteil geleitet. Der Plasmageneratorteil wird durch ein Quarzrohr gebildet, welches in den Wellenleiter an der Stelle eingefügt ist, an der das größte elektrische Feld der Mikrowelle existiert. Die Aktivierung erfolgt da­ durch, daß ein Träger- und ein Quellengas durch das Quarz­ rohr geleitet werden. Die aktivierten Feinpartikel werden zusammen mit dem Trägergas entlang dem Strömungsweg transpor­ tiert, und zwar aufgrund der Druckdifferenz zwischen der stromaufwärts gelegenen und der stromabwärts gelegenen Seite des Strömungswegs, der durch die rohrförmigen Elemente oder Gehäuseteile begrenzt ist.

Dadurch, daß der gesamte Transportweg für die Feinpartikel mit den rohrförmigen Elementen und Gehäuseteilen begrenzt wird und die Feinpartikel zusammen mit dem Trägergas ent­ lang dem Strömungsweg aufgrund der Druckdifferenz zwischen stromaufwärtiger und stromabwärtiger Seite transportiert werden, ist es unmöglich, eine sehr hohe Transportgeschwin­ digkeit zu erzielen. Außerdem ist es schwierig, eine Be­ rührung der Feinpartikel mit den Wänden der rohrförmigen Elemente oder der Gehäuseteile, die den Strömungsweg für die Feinpartikel begrenzen, über den gesamten Transportab­ schnitt hinweg zu vermeiden. Besonders aus diesem Grund werden insbesondere während des Transports der aktiven Fein­ partikel zu deren Auffangstelle mit hoher Wahrscheinlichkeit bei verstreichender Zeit oder durch den Kontakt mit der Wand der rohrförmigen Elemente oder Gehäuseteile Inaktivie­ rungen stattfinden, wodurch sich das Problem ergibt, daß die vorgesehene Behandlung schwierig wird, nämlich die Herbei­ führung einer Reaktion dadurch, daß eine Berührung statt­ findet mit einem reaktiven Gas bei dessen Transport. Außer­ dem wird durch die Einschränkung des gesamten Strömungswegs der Feinpartikel durch rohrförmige Elemente oder Gehäuse­ teile der Einfang-Wirkungsgrad der transportierten Feinpar­ tikel herabgesetzt, und außerdem wird die Ausbeute oder der Nutzungsgrad des Trägergases beim Transport der Feinpar­ tikel aufgrund der Erzeugung von Toträumen in der Strömung herabgesetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strömungs­ steuereinrichtung für einen Feinpartikel-Strom, der zum Transportieren insbesondere aktiver Feinpartikel zu einer Auffangstelle bei hohem Wirkungsgrad dient, anzugeben. Ins­ besondere soll die Erfindung ermöglichen, einen Feinpartikel­ strom mit besonders ausgeprägten Strahl-Eigenschaften zu er­ zeugen. Der Feinpartikelstrom soll dazu dienen, Feinpartikel durch einen freien Raum mit stark ausgeprägter Strahl­ charakteristik zu transportieren, ohne daß dazu rohrförmige Elemente oder dergleichen benutzt werden müssen.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen gekennzeichnete Erfindung gelöst.

In einer speziellen Ausführungsform sieht die Erfindung vor, in dem Strömungsweg des Feinpartikel-Stroms eine konver­ gierende/divergierende Düse und in deren Nähe eine Magnet­ feld-Erzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds anzuordnen.

In der folgenden Beschreibung soll die erwähnte konvergierende/ divergierende Düse der Einfachheit halber verkürzt als KD- Düse bezeichnet werden.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A und B schematische Skizzen, die das Grundprinzip der Erfindung veranschaulichen,

Fig. 2(a)-(c) jeweils ein Beispiel für die Form einer KD-Düse,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Beispiels, bei dem die vorliegende Erfindung eingesetzt wird für ein Schichterzeugungsverfahren mit ultrafeinen Partikeln,

Fig. (a) und (b) Skizzen von Beispielen für eine Gasphasen- Erregereinrichtung, und

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Prallblende.

Fig. 1A veranschaulicht das Grundprinzip der Erfindung. Ein nicht zur Schichtbildung verwendetes Gas, also ein Trägergas, wird in eine stromaufwärts gelegene Kammer 3 eingeleitet und dort mit Hilfe einer Gasphasen-Erregereinrichtung 9 unter Bildung eines Plasmas einer elektrischen Entladung ausge­ setzt. Das Plasma wird durch die Druckdifferenz zwischen der stromaufwärts gelegenen Kammer 3 und einer stromabwärts ge­ legenen Kammer 4, hervorgerufen durch eine Vakuumpumpe 5, sowie durch das Magnetfeld einer Düse 1 zwischen den beiden Kammern in die Düse 1 gezogen, wodurch ein strahlförmiger Strom der aktiven Spezies des Trägergases in der stromab­ wärts gelegenen Kammer 4 gebildet wird. Dieser Strom wird gegen das Schichtbildungs-Gas geblasen, welches seiner­ seits gegen ein Substrat 6 geblasen wird.

Die Düse 1 kann jede gewünschte Gestalt haben, vorzugsweise handelt es sich aber um eine KD-Düse (wie gesagt, wird mit dieser Abkürzung eine konvergierende/divergierende Düse bezeichnet), die sich in einem Öffnungsbereich von einer Einlaßöffnung 1 a aus in Richtung auf den Mittelbereich nach und nach verengt bis zu einem Halsabschnitt 2, um sich dann nach und nach in einem Öffnungsbereich von dem Halsabschnitt 2 in Richtung auf eine Ausströmöffnung 1 b zu erweitern, wie Fig. 2 zeigt. Durch Verwendung einer KD-Düse wird aus der Strahlgeschwindigkeit eine Unterschall- oder eine Über­ schall-Geschwindigkeit, so daß der strahlförmige Strom ein Strahl mit im wesentlichen konstanter Querschnittsfläche in Strömungsrichtung wird.

Der Trägergas-Einlaß ist entweder unmittelbar vor der Einlaß­ öffnung 1 a der Düse in der stromaufwärts gelegenen Kammer 3, innerhalb der Düse 1 oder an der stromabwärts gelegenen Seite der Auslaßöffnung 1 b innerhalb der Kammer 4 angeordnet. Wird als Düse eine KD-Düse verwendet, so kommt es, falls die Gas-Einströmöffnung in dem Bereich auf der stromabwärts ge­ legenen Seite (rechts in Fig. 1) des Halsabschnitts 2 in der Düse angeordnet ist, möglicherweise zu Strömungs-Störungen kommen, weshalb die Gas-Einführöffnung in der Düse in ihrer Lage beschränkt ist auf den Bereich zwischen der Einlaßöff­ nung 1 a und den Halsabschnitt 2. Um ein vollständiges Haften an der Innenseite der Teilchen zu vermeiden, befindet sich die Stelle vorzugsweise an der stromabwärts gelegenen Seite der Auslaßöffnung 1 b.

Als Trägergas-Erregereinrichtung 9, die z. B. mit Mikro­ wellen arbeitet, kommt eine Einrichtung zur Mikrowellen- Entladung in Betracht, z. B. eine Schlitzantenne oder eine Hornantenne, wie in den Fig. 4(a) und 4 (b) gezeigt ist. Außerdem kommt auch ein elektrodenloses Entladungssystem in Betracht, z. B. ein elektronisches Cyclotron-Resonanzsystem (ECR) oder dergleichen. Andere Entladungssysteme, wie z. B. ein thermoelektronisches Entladungssystem, ein Bipolar-Ent­ ladungssystem, ein Magnetfeld-Konvergenz-System (Magnetron- Entladungssystem) und dergleichen können vorgesehen sein. Als Energie kommt sowohl Gleichstrom als auch Wechselstrom in Betracht. Außerdem ist es möglich, die Gasphasen-Erreger­ einrichtung dadurch zu realisieren, daß eine elektromagneti­ sche Welle, z. B. eine Mikrowelle, Licht, UV-Strahlung und dergleichen durch ein Quarzglas-Fenster oder dergleichen ein­ gekoppelt wird.

Der die Düse bildende Magnet gemäß der Erfindung kann irgend ein Magnet sein, vorausgesetzt, daß er in der Lage ist, ein Magnetfeld von der Einlaßöffnung 1 a in Richtung auf die Aus­ laßöffnung 1 b zu erzeugen. Bei dem Magneten kann es sich sowohl um einen Permanentmagneten als auch um einen Elektro­ magneten handeln.

Wenn die oben erwähnte Düse aus einem Permanentmagneten be­ steht, so handelt es sich bei dem Material der Düse vorzugs­ weise um ein hochkoerzitives Material, z. B. um Kohlenstoff- Stahl, Wolfram-Stahl, Chromstahl mit niedrigem oder mit hohem Chromanteil, Kobalt-Chrom-Stahl, KS-Stahl, Neu-KS- Stahl, MT-Stahl, MK-Stahl, anisotropen MK-Stahl (Alnico 5), Alnico 9, Co-Ferrite (OP-Magnete), Ba-Ferrite, MnBi, Pt-Fe- Legierung, Pt-Co-Legierung, Samarium-Kobalt-Legierung, usw. Außerdem kann man die Düse als Kern verwenden, und das für diese Zwecke in Frage kommende Material umfaßt hochpermeable magnetische Stoffe wie reines Eisen, Eisen, Siliciumstahl, Permalloy, Sendust, Deltamax, Sendelta, Permenorm 5000Z, Permenzule, Highparco, gepresstes Pulverkernmaterial, Weich- Ferrite und dergleichen.

Die Größe des von der Düse 1 erzeugten Magnetfeldes bei Er­ zeugung von Plasma durch eine Mikrowellenentladung sollte vorzugsweise so sein, daß die Resonanzbedingungen eines elektronischen Cyclotrons für die Frequenz der Mikrowellen erfüllt werden.

Als anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, anstelle der Ausbildung der Düse selbst als Magnet eine An­ ordnung (Fig. 1b) zu verwenden, bei der um die Düse herum Magnete angeordnet sind, um innerhalb der Düse ein Magnet­ feld zu erzeugen.

In diesem Fall ist der verwendete Magnet nicht auf einen zylindrischen Magneten beschränkt, sondern es können auch mehrere Permanentmagnete sowie Elektromagnete verwendet werden.

Das in die obere Kammer 3 über die Trägergas-Zuführung ein­ geströmte Trägergas wird von der Gasphasen-Erregereinrich­ tung 9 einer Entladung ausgesetzt, so daß ein Plasma entsteht. Das erzeugte Plasma strömt aufgrund der Druckdifferenz zwi­ schen der oberen Kammer 3 und der unteren Kammer 4 in die Düse 1. Dabei strömt aufgrund der Beeinflussung durch das Magnetfeld innerhalb der Düse 1 das Plasma äußerst effizient in die Düse ein und wird von der Auslaßöffnung 1 b angezogen, so daß sich das Plasma zu einem strahlförmigen Strom ausbildet. Durch Verwendung einer KD-Düse wird dieser Strom zu einem Strahl, und man erhält Überschallgeschwindigkeit für den Strahl. Der Plasmastrahl des Trägergases, das in die untere Kammer 4 eingestrahlt wird, kontaktiert das Schichtbildungs- Gas, welches über einen Einlaß für Schichtbildungs-Gas ein­ strömt, so daß das Schichtbildungs-Gas zersetzt und akti­ viert wird. Das aktivierte Schichtbildungs-Gas wird zusammen mit dem Trägergas, welches nicht zur Schichtbildung dient, gegen das Substrat 6 geschleudert, um dort eine Schicht zu bilden.

Beispiel

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels für die Anwendung der Erfindung bei einer Schichtbildungs- Einrichtung, die eine Schicht aus ultrafeinen Partikeln erzeugt. Die Anordnung umfaßt eine KD-Düse 1, eine obere (stromaufwärts gelegene) Kammer 3, eine erste untere (strom­ abwärts gelegene) Kammer 4 a und eine zweite untere Kammer 4 b. Außerdem sind ein Quarzfenster 9 a und ein Hohlleiter 9 b vorgesehen.

Die obere Kammer 3 und die erste untere Kammer 4 a bilden eine einstückige Einheit. An die erste untere Kammer 4 a sind aufeinanderfolgend und über Flansche gleichen Durchmes­ sers (im folgenden "gemeinsame Flansche" genannt) eine Prall­ blende 7, ein Schieber 8 und die zweite untere Kammer 4 b an­ geschlossen, die jeweils als separate Einheiten ausgebildet sind. Die obere Kammer 3, die erste untere Kammer 4 a sowie die zweite untere Kammer 4 b werden unter Drücken gehalten, die - beginnend bei der oberen Kammer 3 - bis zu der zweiten unteren Kammer 4 b durch ein im folgenden näher beschriebenes Evakuiersystem stufenweise abnehmen.

Die obere Kammer 3 ist über einen gemeinsamen Flansch mit einer Gasphasen-Erregereinrichtung 9 ausgestattet, bei der es sich beispielsweise um eine Hornantenne (Fig. 4a), eine Schlitzantenne (Fig. 4b) oder um eines der oben erwähnten verschiedenen Systeme handelt. Der Öffnungswinkel der Hornantenne ist auf den optimalen Winkel entsprechend seiner Länge derart eingestellt, daß die höchste Richtwirkung er­ reicht wird. Die Länge des Schlitzes der Schlitzantenne wird auf die halbe Wellenlänge eingestellt, so daß die Mikrowelle durch Resonanz gesendet wird.

Die KD-Düse 1 ist über einen gemeinsamen Flansch am seitli­ chen Ende der oberen Kammer 3, das der ersten unteren Kammer 4 a zugewandt ist, montiert, wobei die Einlaßöffnung 1 a sich zu der oberen Kammer 3 hin öffnet, während sich die Auslaß­ öffnung 1 b zur ersten unteren Kammer 4 a hin öffnet. Die Düse steht in die obere Kammer 3 vor. Allerdings kann die KD-Düse 1 auch so montiert sein, daß sie in die erste untere Kammer 4 a hineinragt. Ob die KD-Düse 1 zur einen oder zur anderen Seite hin vorsteht, hängt ab von Größe, Menge, Eigenschaften und dergleichen der zu transportierenden ultrafeinen Partikel.

Bei der KD-Düse 1 kann es sich um eine Düse handeln, die sich in einem Öffnungsbereich von der Einlaßöffnung 1 a aus bis zu einem Halsabschnitt 2 nach und nach verengt, um sich an­ schließend in einem Öffnungsbereich bis zur Bildung einer Auslaßöffnung 1 b hin nach und nach zu erweitern, wie es oben erwähnt wurde. Vorzugsweise ist die innere Umfangsfläche in der Nähe der Auslaßöffnung 1 b parallel zur Mittelachse. Dies deshalb, weil die gerichtete strahlförmige Gasströmung in einfacher Weise weitestgehend parallel gemacht werden kann, da der Strahl bis einem gewissen Ausmaß von der Richtung der inneren Umfangsfläche in der Nähe der Auslaß­ öffnung 1 b beeinflußt wird.

Wenn man jedoch gemäß Fig. 2b den Winkel α der inneren Um­ fangsfläche zwischen dem Halsabschnitt 2 und der Auslaßöff­ nung 1 b bezüglich der Mittelachse zu 7° oder kleiner hält, vorzugsweise 5° oder kleiner, besteht kaum Gefahr für die Ent­ stehung des sogenannten Abschälphänomens und es wird ein im wesentlichen gleichförmiger Gasstrahl aufrechterhalten. In diesem Fall braucht nicht der oben erwähnte parallele Ab­ schnitt vorhanden zu sein. Durch Verzicht auf den erwähnten parallelen Abschnitt vereinfacht sich die Herstellung der KD-Düse beträchtlich. Wenn man der KD-Düse gemäß Fig. 2c Rechteck-Form gibt, läßt sich das Gas in Form eines Streifens ausstrahlen. Die rechteckige Düse ist nicht auf die in Fig. 2c dargestellte Form beschränkt, man kann auch eine Düse mit einem umgekehrten Verhältnis von Längs- und Breiten­ abmessungen verwenden.

Das oben erwähnte Abschäl-Phänomen tritt in Erscheinung, wenn sich auf der Innenseite der KD-Düse 1 ein Vorsprung oder der­ gleichen befindet, der die Wirkung hat, daß die Grenzschicht zwischen der Innenseite der KD-Düse 1 und dem durchströmen­ den Fluid dicker wird und demzufolge die Strömung ungleich­ mäßig wird, insbesondere bei höheren Strömungsgeschwindig­ keiten des Strahls. Der oben erwähnte Winkel sollte vor­ zugsweise kleiner sein, wenn die Oberflächen-Bearbeitungs­ genauigkeit der Innenseite der KD-Düse geringer ist, um das Abschäl-Phänomen zu vermeiden. Die innere Oberfläche der KD-Düse sollte vorzugsweise so bearbeitet sein, daß die Präzision 3 oder mehr umgekehrten Dreieck-Markierungen, vor­ zugsweise 4 Dreieck-Markierungen, entspricht, wobei diese Dreieck-Markierungen kennzeichnend sind für die Oberflächen­ güte entsprechend der japanischen Industrienorm JIS B 0601. Das Abschäl-Phänomen an dem divergierenden Abschnitt der KD-Düse 1 beeinflußt stark den anschließenden Strom des Trä­ gergases und der ultrafeinen Partikel, so daß dadurch, daß insbesondere in dem divergierenden Abschnitt die oben er­ wähnte Oberflächengüte vorgesehen wird, die KD-Düse relativ einfach herstellbar ist. Um das Auftreten des Abschäl- Phänomens zu vermeiden, ist es außerdem erforderlich, daß der Halsabschnitt 2 eine glatte gekrümmte Oberfläche besitzt, da­ mit der Differentialkoeffizient der Querschnittsflächen- Änderung nicht unendlich wird.

Wenn die KD-Düse 1 aus einem magnetischen Material herge­ stellt ist, sollte es sich bei diesem Material um ein hoch­ koerzitives Material handeln. Man kann außerdem einen Elek­ tromagneten verwenden, bei dem die KD-Düse 1 als Kern dient und dazu aus einem Material mit hoher Permeabilität besteht. Von diesen Stoffen muß aber ein Stoff verwendet werden, dessen Curie-Punkt höher liegt als die Temperatur des verwendeten Strahls.

Mit den genannten Stoffen wird eine KD-Düse hergestellt, die ein Magnetfeld in Richtung von der Einlaßöffnung zu der Aus­ laßöffnung innerhalb der Düse erzeugt. Die Größe des Magnet­ felds für das durch Mikrowellenentladung gebildete Plasma sollte so gewählt sein, daß die Resonanzbedingungen für ein elektronisches Cyclotron entsprechend der Mikrowellenfre­ quenz erfüllt sind.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist nicht die Düse selbst als Magnet ausgebildet, sondern um die Düse herum sind Magneten angeordnet, wie dies in Fig. 1b darge­ stellt ist. Als Material für die KD-Düse 1 kommen Metalle wie Eisen, rostfreier Stahl und andere Metalle in Frage, außerdem Kunstharze wie Acrylharz, Polyvinylchlorid, Poly­ ethylen, Polystyren, Polypropylen und dergleichen; außerdem Keramiken, Quarz, Glase und verschiedene andere Stoffe. Die Auswahl der Stoffe erfolgt im Hinblick darauf, ob der je­ weilige Stoff inert bezüglich der zu erzeugenden ultrafeinen Partikel ist, ferner im Hinblick auf die Bearbeitbarkeit, die Fähigkeit des Gases, im Unterdrucksystem zu entspannen und dergleichen. Außerdem kann die Innenoberfläche der KD-Düse plattiert oder mit einem Stoff überzogen sein, an dem die ultrafeinen Partikel kaum haften bleiben oder reagieren können. Ein typisches Beispiel für eine solche Be­ schichtung ist Polytetrafluorethylen und dergleichen.

Der Magnet 37 erzeugt ein Magnetfeld, welches von der Ein­ laßöffnung 1 a zur Auslaßöffnung 1 b der erwähnten KD-Düse gerichtet ist. Es kann sich entweder um einen Permanentmag­ neten oder um einen Elektromagneten handeln, der als Einzel­ magnet oder als Kombination mehrerer Magneten um die KD-Düse 1 herum angeordnet ist.

Mit einer solchen Anordnung wird das in der oberen Kammer 3 erzeugte Plasma gezielt in die KD-Düse 1 gezogen. Deshalb ist es möglich, eine Wechselwirkung des Plasmas durch Berührung mit der Wand der oberen Kammer 3 zu vermeiden.

Dadurch, daß man die Beziehung zwischen dem Druckverhältnis P/P ₀ des Drucks P in der ersten unteren Kammer 4 a bezüglich des Drucks P ₀ in der oberen Kammer 3 sowie das Verhältnis A/A der Öffnungsfläche A der Auslaßöffnung 1 b bezüglich der Öffnungsfläche A des Halsabschnitts 2 in geeigneter Weise steuert, kann das Plasma des Trägergases durch die oben er­ läuterte KD-Düse 1 unter Bildung eines Strahls strömen, wobei der Strahl mit Überschallgeschwindigkeit von der ersten un­ teren Kammer 4 a zu der zweiten unteren Kammer 4 b strömt.

Die Prallblende 7 dient dazu, den Öffnungsquerschnitt zwi­ schen der ersten unteren Kammer 4 a und der zweiten unteren Kammer 4 b zu steuern, so daß die zweite untere Kammer 4 b einen niedrigeren Druck aufweisen kann als die erste untere Kammer 4 a. Wie Fig. 5 zeigt, sind zwei Steuerplatten 11 und 11 a, die jeweils eine V-Kerbe 10 bzw. 10 a aufweisen, Seite an Seite angeordnet und gegeneinander verschieblich. Die Steuerplatten 11 und 11 a können durch äußere Einwirkung ver­ schoben werden, und abhängig vom Ausmaß der Überlappung der Einschnitte 10 und 10 a läßt sich die Öffnung bzw. der Öff­ nungsquerschnitt steuern, um den Strahl durch die Öffnung passieren zu lassen, während in der zweiten unteren Kammer ein ausreichendes Vakuum aufrechterhalten bleibt. Die Ge­ stalt der Ausschnitte 10 und 10 a der Steuerplatten 11 und 11 a der Prallblende 7 kann auch halbkreisförmig oder andersartig als in der Figur dargestellt, sein.

Der Schieber 8 besitzt ein Ventil 13 nach Art eines Wehrs, das durch Drehen eines Handrades 12 nach oben gezogen oder abgesenkt werden kann. Während des Durchlaufs eines Strahls wird es geöffnet. Durch Schließen des Schiebers 4 wird die Möglichkeit gegeben, die zweite untere Kammer 4 b als kom­ plette Einheit auszutauschen, während im Inneren der oberen Kammer 3 und der ersten unteren Kammer 4 a der niedrige Druck aufrechterhalten bleibt.

Innerhalb der zweiten unteren Kammer 4 b befindet sich das Substrat 6, welches die in dem Strahl transportierten ultrafeinen Partikel empfängt, indem es die Partikel unter Bildung einer dünnen Schicht auffängt. Das Substrat 6 ist in der zweiten unteren Kammer 4 b mit Hilfe eines gemeinsamen Flansches montiert. Es ist an einem Substrathalter 16 an der Spitze einer Schiebewelle 15 montiert, welche in einem Zy­ linder 14 verschieblich angeordnet ist. Vor dem Substrat 6 befindet sich ein Verschluß 17, so daß der Strahl bei Bedarf abgehalten werden kann. Außerdem ist der Substrathalter 16 derart ausgebildet, daß er das Substrat 6 unter optimalen Temperaturbedingungen im Hinblick auf das Sammeln der ultra­ feinen Partikel zu heizen oder zu kühlen vermag.

Auf der Oberseite und der Unterseite der oberen Kammer 3 sowie der zweiten unteren Kammer 4 b befinden sich Glas­ fenster 18, die ebenfalls über die "gemeinsamen Flansche" montiert sind, wie aus der Figur ersichtlich ist, damit das Innere der Anordnung beobachtet werden kann. Außerdem be­ finden sich (in der Figur nicht dargestellte) ähnliche Glas­ fenster (ähnlich dem Glasfenster 18 in der Zeichnung) auf der Vorder- und der Rückseite jeweils der oberen Kammer 3, der ersten unteren Kammer 4 a und der zweiten unteren Kammer 4 b. Auch diese Fenster sind über gemeinsame Flansche mon­ tiert. Das Lösen der Glasfenster 18 ermöglicht die Einbrin­ gung und den Austausch verschiedener Meßvorrichtungen, Lastverriegelungskammern und dergleichen.

Im folgenden wird die Evakuiereinrichtung näher erläutert.

Die obere Kammer 3 ist über ein Druckregelventil 19 an das Hauptventil 20 a angeschlossen. Die erste untere Kammer 4 a ist direkt an das Hauptventil 20 a angeschlossen, während das Hauptventil 20 a seinerseits an eine Vakuumpumpe 5 a ange­ schlossen ist. Die zweite untere Kammer 4 b ist an ein Haupt­ ventil 20 b angeschlossen, weiterhin ist das Hauptventil 20 b an eine Vakuumpumpe 5 b angeschlossen. Druckreduzierpumpen 21 a und 21 b sind über Grob-Evakuierventile 22 a und 22 b an die Hauptventile 20 a bzw. 20 b unmittelbar an deren stromauf­ wärts gelegener Seite angeschlossen, außerdem sind sie über Hilfsventile 23 a und 23 b an die Vakuumpumpte 5 a ange­ schlossen. Dadurch wird eine Grobevakuierung in der oberen Kammer 3, der ersten unteren Kammer 4 a und der zweiten un­ teren Kammer 4 b erreicht. Ventile 24 a-24 h sind Leck- und Auslaßventile für die Kammern 3, 4 a, 4 b und die Pumpen 5 a, 5 b, 21 a und 21 b.

Zunächst wird durch Öffnen der Grob-Evakuierventile 21 a, 21 b und des Druckregelventils 18 eine Grob-Evakuierung der obe­ ren Kammer 3 sowie der ersten und der zweiten unteren Kam­ mer 4 a, 4 b mit Hilfe der Druckreduzierpumpen 21 a und 21 b erreicht. Anschließend werden die Grob-Evakuierventile 22 a und 22 b geschlossen und die Hilfsventile 23 a, 23 b und die Hauptventile 20 a, 20 b geöffnet, um dadurch die obere Kammer 3 sowie die erste und die zweite untere Kammer 4 a, 4 b mit Hilfe der Vakuumpumpen 5 a und 5 b auf ein ausreichendes Vakuum zu evakuieren. Während dieses Vorgangs wird durch Steuern der Öffnung des Druckregelventils 19 das Vakuum in der ersten unteren Kammer 4 a höher eingestellt als das in der oberen Kammer 3. Dann werden das Trägergas und das Schichtbildungs-Gas eingeströmt, und weiterhin wird das Va­ kuum in der zweiten unteren Kammer 4 b durch die Prallblende 7 so gesteuert, daß es niedriger ist als in der ersten unteren Kammer 4 a. Diese Steuerung läßt sich auch dadurch erreichen, daß man die Öffnung des Hauptventils 20 b entsprechend ein­ stellt. Sowohl während der Bildung von ultrafeinen Partikeln als auch bei der Schichtbildung durch den erzeugten Strahl werden die jeweiligen Kammern 3, 4 a und 4 b so gesteuert, daß sie konstant auf niedrigem Druck gehalten werden. Diese Steuerung kann von Hand erfolgen, möglich ist aber auch, den Druck in den Kammern 3, 4 a und 4 b festzustellen und das Druck­ regelventil 19, die Hauptventile 20 a, 20 b, die Prallblende 7 usw. auf der Grundlage der ermittelten Drücke automatisch zu öffnen und zu schließen. Außerdem kann dadurch, daß das in die obere Kammer 3 eingeleitete Trägergas direkt durch die KD-Düse 1 zur unteren (stromabwärts gelegenen) Seite hin transportiert wird, die Evakuierung während des Transport­ vorgangs nur auf der unteren Seite durchgeführt werden, nämlich in der ersten und der zweiten unteren Kammer 4 a bzw. 4 b.

Die Steuerung der oben erwähnten Vakuum-Stärke kann auch da­ durch erfolgen, daß man die Vakuumpumpe 5 a in der oberen Kammer 3 und der ersten unteren Kammer 4 a separat für die Kammern 3 bzw. 4 a einsetzt. Wie allerdings bei diesem Bei­ spiel gezeigt ist, läßt sich dadurch, daß man eine Evakuie­ rung in Strömungsrichtung des Strahls durch eine Pumpe 5 a vornimmt, um so die Vakuumstärke in der oberen Kammer 3 und der ersten unteren Kammer 4 a zu steuern, die Druckdifferenz zwischen den beiden Kammern in einfacher Weise selbst dann konstant halten, wenn in der Vakuumpumpe mehr oder weniger stark ausgeprägte Druckstöße erzeugt werden. Man erreicht also den Vorteil, daß der durch Druckdifferenzschwankungen stark beeinflußte Strömungszustand konstant gehalten wird.

Das Absaugen durch die Vakuumpumpen 5 a, 5 b, insbesondere in der ersten und der zweiten unteren Kammer 4 a bzw. 4 b sollte vorzugsweise von oberhalb der Kammern aus erfolgen. Durch das Absaugen der Kammern von oben her läßt sich das schwerkraft­ bedingte Abfallen des Strahls bis zu einem gewissen Ausmaß unterdrücken.

Abweichend von dem oben beschriebenen Beispiel sind fol­ gende Modifizierungen möglich:

Die KD-Düse 1 läßt sich durch Abschrägen nach oben, nach unten, nach rechts und nach links beweglich oder schrittweise verstellbar machen, wodurch die Schichtbildung innerhalb eines großen Bereichs möglich ist. Insbesondere eine solche Schrägbewegung oder stückweise Versetzung vorteilhaft in Ver­ bindung mit einer rechteckigen Düse, wie sie in Fig. 2c ge­ zeigt ist.

Dadurch, daß man mehrere KD-Düsen 1 vorsieht, können gleich­ zeitig mehrere Strahlen erzeugt werden. Wenn mehrere KD-Düsen 1 vorgesehen sind, lassen sich, indem die Düsen unabhängig voneinander an die obere Kammer 3 angeschlossen werden, unter­ schiedlich feine Partikelstrahlen gleichzeitig erzeugen, so daß die Möglichkeit besteht, durch gegenseitige Kollision unterschiedlicher Feinpartikel neue Feinpartikel zu bilden, indem unterschiedliche Feinpartikel laminiert oder gemischt gesammelt werden. Man kann auch neue Feinpartikel dadurch er­ halten, daß zwischen den Strahlen ein gegenseitiges Kreuzen der Teilchen stattfindet.

Dadurch, daß das Substrat 6 nach oben, nach unten, nach links und nach rechts oder drehbar beweglich ist, kann man den Strahl innerhalb eines breiten Bereichs abfangen. Man kann das Substrat 6 auch aufrollen und es sukzessive zum Abfangen des Strahls abziehen. Man kann auch ein längli­ ches Substrat 6 mit Feinpartikeln behandeln. Außerdem läßt sich eine Behandlung oder Beaufschlagung mit Feinpartikeln auch erreichen bei einem trommelförmigen Substrat 6, welches gedreht wird.

Beim vorliegenden Beispiel besteht die Apparatur aus der Generatorkammer 3, der ersten unteren Kammer 4 a und der zwei­ ten unteren Kammer 4 b. Man kann die zweite untere Kammer 4 b aber fortlassen oder - alternativ - eine weitere dritte, vierte . . . untere Kammer vorsehen, wobei die einzelnen unte­ ren Kammern an die zweite untere Kammer anschließen. Indem man Druck auf die obere Kammer 3 gibt, kann man die erste untere Kammer 4 a als offenes System ausbilden. Außerdem ist es möglich, die obere Kammer 3 als offenes System auszubil­ den, während der Druck in der ersten unteren Kammer 4 a ge­ senkt wird. Wie bei einem Autoklaven läßt sich die obere Kammer 3 unter Druck setzen, während die erste untere Kammer 4 a evakuiert wird.

Durch Anordnen einer größeren Zahl von KD-Düsen 1 in Reihen und durch Steuern des Druckverhältnisses auf der jeweiligen oberen und unteren Seite läßt sich die Strahlgeschwindig­ keit aufrechterhalten. Dadurch, daß man die einzelnen Kammern kugelförmig gestaltet, läßt sich die Bildung von Toträumen weitestgehend vermeiden.

Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, wird erfindungs­ gemäß ein Plasma in eine Düse eingebracht durch eine Kombi­ nation aus einer Druckdifferenz zwischen einer oberen und einer unteren Kammer 4 und einem Magnetfeld in der Düse 1, so daß eine Inaktivierung des Plasmas aufgrund von Berührun­ gen mit der Wandfläche in der oberen Kammer oder im Verlaufe der Zeit verhindert werden kann. Gleichzeitig läßt sich das Plasma mit hohem Wirkungsgrad zu der stromabwärts gelegenen Seite der Düse 1 bringen.

Claims (24)

1. Strömungssteuereinrichtung für einen Feinpartikel-Strom, mit einer Gas-Erregereinrichtung (9), gekennzeichnet durch eine in dem Strömungsweg des Feinpartikel-Stroms befind­ liche Düse (1) und eine Einrichtung (1, 37) zum Erzeugen eines Magnetfelds in der Nähe der Düse.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, bei der die Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung ein Magnet (1) ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, bei der die Magnetfelderzeugungseinrichtung das von der Gas-Erregereinrichtung in einer stromaufwärtigen Kammer (3) erzeugte Plasma zur Stromabwärtsseite transportiert.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, bei der der Magnet ein Permanentmagnet oder ein Elektro­ magnet ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Gas-Erregereinrichtung (9) von einer Mikrowellen-Entladung Gebrauch macht.

6. Einrichtung nach Anspruch 4, bei der der Permanentmagnet ein hochkoerzitives Material aufweist.

7. Einrichtung nach Anspruch 4, bei der der Permanentmagnet ein Material hoher magneti­ scher Permeabilität umfaßt.

8. Strömungssteuereinrichtung für einen Feinpartikel-Strom, mit einer Gas-Erregereinrichtung (9), gekennzeichnet durch eine in dem Strömungsweg des Feinpartikel-Stroms befind­ liche konvergierende/divergierende Düse (1) sowie eine Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Magnet­ felds in der Nähe der Düse.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, bei der die Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung ein Magnet ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 8, bei der die Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung das in einer stromaufwärts gelegenen Kammer erzeugte Plasma durch eine Düse zur stromabwärtigen Seite transportiert.

11. Einrichtung nach Anspruch 9, bei der der Magnet ein Permanentmagnet oder ein Elektro­ magnet ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 8, bei der die Gas-Erregereinrichtung von einer Mikro­ wellen-Entladung Gebrauch macht.

13. Einrichtung nach Anspruch 11, bei der der Permanentmagnet ein hochkoerzitives Material aufweist.

14. Einrichtung nach Anspruch 11, bei der der Elektromagnet ein hochpermeables magnetisches Material umfaßt.

15. Strömungssteuereinrichtung für einen Feinpartikel- Strom, mit einer Gaserregereinrichtung, gekennzeichnet durch eine im Strömungsweg des Fein­ partikel-Stroms befindliche Düse, die durch einen Magneten gebildet ist.

16. Einrichtung nach Anspruch 15, bei der die Gas-Erregereinrichtung von einer Mikro­ wellen-Entladung Gebrauch macht.

17. Einrichtung nach Anspruch 15, bei der der Magnet ein Permanentmagnet oder ein Elektromagnet ist.

18. Einrichtung nach Anspruch 17, bei der der Permanentmagnet ein hochkoerzitives Material umfaßt.

19. Einrichtung nach Anspruch 17, bei der der Elektromagnet ein magnetisch hochpermeables Material umfaßt.

20. Strömungssteuereinrichtung für einen Feinpartikelstrom, mit einer Gas-Erregereinrichtung, gekennzeichnet durch eine im Strömungsweg des Feinpartikel-Stroms befind­ liche konvergente-divergente Düse, die durch einen Magneten gebildet ist.

21. Einrichtung nach Anspruch 20, bei der die Gas-Erregereinrichtung von einer Mikro­ wellenentladung Gebrauch macht.

22. Einrichtung nach Anspruch 20, bei der der Magnet ein Permanentmagnet oder ein Elektromagnet ist.

23. Einrichtung nach Anspruch 22, bei der der Permanentmagnet ein hochkoerzitives Material umfaßt.

24. Einrichtung nach Anspruch 22, bei der der Elektromagnet ein hochpermeables magnetisches Material umfaßt.