DE4104591A1

DE4104591A1 - Verfahren und vorrichtung zum kontinuierlichen chemischen aufdampfen eines ueberzugs auf ein substrat

Info

Publication number: DE4104591A1
Application number: DE4104591A
Authority: DE
Inventors: Jun Phillip H Darling
Original assignee: Northrop Grumman Corp; Northrop Grumman Systems Corp
Current assignee: Northrop Grumman Corp; Northrop Grumman Systems Corp
Priority date: 1990-03-05
Filing date: 1991-02-14
Publication date: 1991-09-12
Also published as: US5141595A; ITTO910151A1; GB2241711B; ITTO910151A0; FR2659089A1; GB9104545D0; JPH04221073A; IT1245434B; GB2241711A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beschichten eines Substrats mit Kohlenstoff, insbesondere ein kontinuierliches Dotierverfahren zur Verbesserung der Halb leitereigenschaften des Kohlenstoffüberzugs in einem offenen System.

Verfahren zum Kohlenstoffbeschichten eines Substrats sind be kannt und beispielsweise in der US-PS 34 28 519 angegeben. Dort wird ein Verfahren zur Erzeugung von thermoplastischen Fasern und Kohlenstoffbeschichtung der Fasern unter Atmosphä rendruck in einem sauerstoffreichen geschlossenen System be schrieben.

Ein zweites Beispiel für bordotiertes Kohlenstoffbeschichten ist in der US-PS 35 65 683 angegeben. Dort wird ein kontinu ierliches Verfahren zum Abscheiden einer Borkohlenstoffbe schichtung auf einer elektrisch erwärmten Oberfläche einer pyrolytisch kohlenstoffbeschichteten Quarzglasfaser während ihres Durchlaufs durch eine flüssige, thermisch zersetzbare Borverbindung beschrieben.

Die US-PS 47 22 860 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines flexiblen, kohlenstoffbeschichteten, elektrisch lei tenden Gewebes. Eine organische Verbindung wird pyrolytisch auf ein feuerfestes Fasergewebe unter Schutzgasatmosphäre in einem geschlossenen System aufgebracht. Die Anwendung von Un terdruck ist als eine Möglichkeit zur Mobilisierung organi scher Vorstufen-Verbindungen angegeben.

Ein kontinuierliches Durchlaufverfahren zum Kohlenstoffbe schichten eines Substrats in einem offenen System unter Atmosphärendruck wird im Stand der Technik weder gelehrt noch angedeutet. Insbesondere ist ein im offenen System durchge führtes Verfahren zum halbleiterdotierten Kohlenstoffbe schichten unter Schutzgasatmosphäre, wobei die Beschichtung durch chemisches Aufdampfen erfolgt, bisher nicht angegeben worden.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden ein Ver fahren und eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Hochtempe ratur-Kohlenstoffbeschichten bei Atmosphärendruck in einem offenen System angegeben. Dabei umfaßt das Verfahren das Führen des zu beschichtenden Substrats aufwärts durch eine erwärmte, luftfreie, schutzgasgespülte Reaktionskammer, die am Unterende zur Atmosphäre offen ist, und das Einleiten eines kohlenstoffhaltigen Vorstufengases an der Oberseite der Reaktionskammer, so daß das Gas abwärts im Gegenstrom zu dem bewegten Substrat strömt; dabei erfolgt eine thermische Dis soziation des kohlenstoffhaltigen Vorstufengases, und der freiwerdende Kohlenstoff schlägt sich als Graphit auf dem Substrat nieder. Das beschichtete Gut kann aufgewickelt und in einer Kammer unmittelbar über der Reaktionskammer gelagert werden. Alternativ wird der Endlostransport von Material durch die Reaktionskammer ermöglicht, indem die Oberseite der Reaktionskammer geöffnet und eine Schutzgasschicht mit gerin gem Überdruck vorgesehen wird. So kann das beschichtete Sub strat entnommen werden, ohne daß Luft in die Reaktionskammer gelangt.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein halbleitendes Material wie Bortrichlorid in Gasform an der Oberseite der vorgenannten Reaktionskammer eingeleitet. Das halbleitende Material wird dann gemeinsam mit dem Kohlen stoff-Vorstufengas thermisch dissoziiert und auf dem bewegten Substrat niedergeschlagen. Das Ergebnis ist ein halbleiter dotiertes kohlenstoffbeschichtetes Substrat mit speziellen elektrischen, magnetischen und optischen Eigenschaften.

Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung von Ausfüh rungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines anderen Aus führungsbeispiels des Verfahrens nach der Er findung;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer graphithaltigen Schicht, die auf einem Substrat mit dem Verfahren nach der Erfindung abgeschieden ist;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Rückführungs regelsystems, das bei einer Ausführungsform der Erfindung angewandt wird; und

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbei spiels der Vorrichtung zur Produktion in halbtech nischem Maßstab.

Es wird also ein Verfahren und eine Vorrichtung zum konti nuierlichen chemischen Aufdampfen einer Beschichtung auf ein Substrat angegeben. Insbesondere ist es dabei möglich, ein Substrat mit einem graphithaltigen Stoff zu beschichten, so daß ein elektrisch leitendes kohlenstoffbeschichtetes Produkt erhalten wird.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel. Ein zu beschichtendes Substratmaterial 5 wird durch einen Einlaß 19 einer unteren Kammer 20 einer Produktionsanlage 10 eingeführt. Die wesent liche Eigenschaft des Substrats ist dabei, daß es der hohen Temperatur in der Reaktionskammer 30, die typischerweise 700-900°C beträgt, standhalten kann. Geeignete Substrate sind Feuerfestfasern und aus solchen Fasern bestehende Gewebe. Eine Beschreibung von brauchbaren Feuerfestmaterialien findet sich in der US-PS 47 22 860.

Das zu beschichtende Material wird in eine erwärmte, im we sentlichen sauerstofffreie Reaktionskammer 30 geführt, in der das chemische Aufdampfen erfolgt. Die Kammer wird von einem Ofen 32 geheizt. Es ist notwendig, den gesamten Sauerstoff aus der Reaktionskammer 30 auszuspülen, um eine Oxidation der Vorstufengase 35 zu vermeiden. Dies erfolgt durch Spülen der Produktionsanlage 10 mit einem Inertgas wie Argon oder Stick stoff, und zwar vor dem eigentlichen chemischen Aufdampfen.

Bei der speziellen Vorrichtung nach Fig. 1 läuft das Be schichtungsverfahren in einer "offenen" Produktionsanlage 10 ab, die drei Kammern aufweist: eine untere Kammer 20, eine geheizte Reaktionskammer 30 und eine obere Kammer 40. Das Innere aller drei Kammern, aber insbesondere der Reaktions kammer und der unteren Kammer, besteht bevorzugt aus einem starken, korrosionsfesten Material. Derzeit wird als Reak tionskammer ein dickwandiges Quarzrohr eingesetzt. Korro sionshemmende Eigenschaften sind erforderlich, weil während des Beschichtungsvorgangs hochreaktive molekulare, atomare und ionische Spezies erzeugt werden. Einige dieser Spezies können mit exponierten Oberflächen im Inneren der Vorrichtung in zerstörende Wechselwirkung treten, was zu einem Verlust der strukturellen Integrität führen kann. Das Substrat 5 wird in die untere Kammer 20 durch einen Einlaß 19 eingeführt, der zur Umgebung offen ist. Das Substrat wird aufwärts durch die Reaktionskammer 30 geführt, die eine Aufdampfzone 31 enthält, in der das Substrat einen Überzug erhält. Das beschichtete Substrat wird dann in eine obere Kammer 40 geführt, in der es auf einer Aufnahmespule 45 oder einer sonstigen geeigneten Aufwickeleinrichtung gelagert wird.

Ein Prototyp einer Produktionsanlage wurde so ausgelegt, daß er ein Substrat mit einer Breite von ca. 10,2 cm aufnehmen kann. Somit sind sowohl die Breite des Einlasses 19 in die untere Kammer 20 als auch der Durchmesser des die Reaktions kammer 30 enthaltenden Quarzrohrs geringfügig größer als 10,2 cm. Ein Beispiel einer größeren Vorrichtung zur vorläu figen chargenweisen Produktion in größerem Maßstab wird spä ter noch im einzelnen erläutert. Für den Fachmann ist der Maßstab der für die industrielle Fertigung dienenden be schriebenen Systeme ersichtlich.

Das für Prototyp-Verfahren eingesetzte Substrat war Nextel- 312-Faser mit 62 Gew.-% Aluminiumoxid (Al₂O₃), 14 Gew.-% Boroxid (B₂O₃) und 24 Gew.-% Siliciumdioxid (SiO₂). Die Fasern waren zu einem textilen Flächengebilde mit einer Fadenfeinheit von 300 den in fünfschäftiger Atlasbindung, 60×60 Fäden/2,54 cm (60×60 yarns/inch), verwebt.

Der Ofen 32 umschließt bevorzugt die gesamte Reaktionskammer und sorgt daher für eine thermisch gleichmäßige Umgebung innerhalb der chemischen Aufdampfzone. Der bevorzugte Ofen wird mit elektrischer Widerstandsheizung betrieben und ist beispielsweise durch die Einzonen-Rohröfen der Serie 54000 von Lindberg, 304 Hart Street Watertown, WI, die im Prototyp verwendet wurden, repräsentiert.

Das chemische Aufdampfen erfolgt durch Einleiten eines Vor stufengases 35 in das Oberende der Reaktionskammer durch eine Düse 36. Wie die Zeichnung zeigt, ist die Reaktionskammer vertikal orientiert, und daher ist das Schwerkraftgefälle von oben nach unten wirksam. Zusätzlich ist der Druck in der obe ren Kammer 40 relativ zu der unteren Kammer 20 aufgrund der Einleitung des Vorstufengases 35 erhöht. Somit wandern die das Vorstufengas umfassenden Moleküle allgemein abwärts im Gegenstrom zu dem bewegten Substrat. Solange entweder ein Prozeßgas oder ein Inertgas am Oberende der Reaktionskammer eingeleitet wird, wird in das System durch den Einlaß 19 der unteren Kammer keine Luft eingeführt. Somit ist das System "offen" und wird im wesentlichen bei Atmosphärendruck betrie ben.

Während das Vorstufengas in der erwärmten Reaktionskammer ab wärts strömt, wird es thermisch dissoziiert und zerfällt in verschiedene Spezies wie einzelne Atome und Molekularfrag mente. Diese Spezies treffen auf das nach oben bewegte Sub strat 5 auf und schlagen sich darauf unter Bildung eines Überzugs nieder, die noch im einzelnen erläutert wird.

Wie oben beschrieben, wird aus der Produktionsanlage zuerst der Sauerstoff ausgespült, und zwar durch Spülen mit einem Inertgas 42 wie Argon- oder Stickstoffgas. Zusätzlich wird während des Beschichtungsvorgangs am Oberende der oberen Kammer bevorzugt ein konstanter Inertgasstrom mit ca. 1 l/min zugeführt. Das Gas wird in die obere Kammer durch eine Düse 43 eingeleitet. Dadurch wird die gleichmäßige Verteilung des Vorstufengases bzw. der Vorstufengase durch die gesamte che mische Aufdampfzone verbessert. Die Durchflußmengen des Vor stufengases und des Inertgases können durch konventionelle Regeleinrichtungen aufrechterhalten werden. Bei einem noch zu beschreibenden anderen Ausführungsbeispiel wird eine Rückfüh rungsregeleinrichttung verwendet, um das Beschichtungsverfah ren zu überwachen und zu steuern, und dabei erfolgt eine elektronische Einstellung der Durchflußmenge des Vorstufen gases.

Innerhalb der Reaktionskammer 30 werden einzelne Vorstufen gasmoleküle erhitzt und thermolytisch zu einer Anzahl von molekularen, atomaren und ionischen Spezies dissoziiert. Die Art der tatsächlich erzeugten Spezies hängt von einer Anzahl Faktoren wie der Temperatur der Reaktionskammer und der Durchflußmenge des Vorstufengases ab.

Wenn dissoziierte Spezies auf das bewegte Substrat auftref fen, verlieren sie Energie und schlagen sich auf der Sub stratoberfläche nieder. Das Resultat ist ein mit einem Überzug beschichtetes Substrat.

Das Verfahren eignet sich besonders zur Kohlenstoffbe schichtung eines Substrats für die Herstellung eines elek trisch leitenden Materials. Dazu wird bei dem Verfahren ein Kohlenwasserstoff als das Vorstufengas eingesetzt. Ein be vorzugter Kohlenwasserstoff ist dabei Isobutylen.

Bei der thermischen Dissoziation von Isobutylen umfassen die erzeugten Spezies Wasserstoffatome und Kohlenwasserstoffradi kale. Wie Fig. 3 schematisch zeigt, wird vermutet, daß beim Niederschlagen und "Anhaften" von Kohlenwasserstoffradikalen an dem Substrat 5 hexagonale "graphitähnliche" Anordnungen 6 gebildet werden. Das Resultat ist eine elektrisch leitende Oberflächenbeschichtung bzw. ein Graphitüberzug. Die mikro graphische Analyse von Substraten, die unter Anwendung des Verfahrens und der Vorrichtung nach der Erfindung beschichtet wurden, zeigt eine äußerst gleichmäßige, sehr fest haftende Beschichtung.

Es wurde gefunden, daß sich die Erfindung auch als Verfahren zum Beschichten eines Substrats mit Borkohlenstoff eignet. Insbesondere wird durch Einleiten sowohl von kohlenwasser stoff- als auch von borhaltigen Gasen in die Reaktionskammer ein Überzug auf dem Substrat gebildet, der bordotierte Koh lenstoffanordnungen umfaßt. Die elektrischen Eigenschaften des beschichteten Substrats können durch Einstellen des Koh lenwasserstoff-Bor-Verhältnisses des Vorstufengases feinabge stimmt werden. Insbesondere kann ein Substrat dabei so be schichtet werden, daß das resultierende Produkt einen ein stellbaren Schichtwiderstand über seine Länge und einen im wesentlichen gleichmäßigen Schichtwiderstand über seine Brei te hat. Das noch zu erläuternde Rückführungsregelsystem bie tet die Möglichkeit für eine solche Feinabstimmung.

Derzeit ist es bevorzugt, als das Vorstufengas ein Gemisch aus Isobutylen und Bortrichlorid einzusetzen. Wegen der gleichartigen Bindungenthalpie von B-Cl-Bindungen in BCl₃ und C-C-Bindungen in Isobutylen genügt eine Temperatur von ca. 700°C bis ca. 900°C in der Reaktionskammer, um eine effek tive thermische Dissoziation sowohl von Bortrichlorid als auch Isobutylen zu bewirken. Eine auf diese Weise erzeugte Bor-Kohlenstoff-Beschichtung hat einen erheblich niedrigeren elektrischen Widerstand als eine nicht mit Bor dotierte Be schichtung.

Für den Fachmann ist ersichtlich, daß die Erfindung auch anderweitig anwendbar ist. Beispielsweise kann das Verfahren zum Beschichten eines Substrats mit anderen Materialien ein gesetzt werden. Da bei dem Verfahren chemisches Aufdampfen durchgeführt wird, ist eine Korrelierung zwischen der Bin dungsfestigkeit der Vorstufengase und der Temperatur in der Reaktionskammer erforderlich.

Das Verfahren wurde unter Bezugnahme auf ein vertikal orien tiertes System mit offenem Unterende erläutert. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel läuft das Beschichtungsverfahren in einer Vorrichtung ab, die sowohl über als auch unter der Reaktionskammer offen ist. Dieses Ausführungsbeisiel ist schematisch in Fig. 2 gezeigt.

Dabei hat die obere Kammer 40 einen Auslaß 44, durch den das beschichtete Substrat beim Verlassen der Vorrichtung geführt wird. Die Aufwickeleinrichtung 45 und die Abwickeleinrichtung 46 liegen dabei jeweils außerhalb. In der oberen Kammer wird durch den Einlaß 47 eine zusätzliche Schutzgasabschirmung vorgesehen, wobei der Gasstrom zum Auslaß 44 gerichtet ist, so daß der Eintritt von Luft in die obere Kammer ausgeschlos sen ist.

Wenn das Beschichtungsverfahren in dieser zweifach offenen Vorrichtung durchgeführt wird, ergibt sich der Vorteil einer Endlosdurchführung von Material.

Das oben beschriebene Verfahren kann so modifiziert werden, daß eine Absaugeinrichtung zum Entfernen von Nebenprodukten der thermischen Dissoziation und der Beschichtungsschritte vorgesehen ist. Die Vorrichtung nach den Fig. 1 und 2 weist eine Absaugeinrichtung 15 auf, die an der unteren Kammer 20 angeordnet ist. Die einströmenden Schutz- und Vorstufengase sind dabei gegenüber der Absaugeinrichtung so abgeglichen, daß die Reaktionskammer mit abwärts strömendem Gas gefüllt ist, so daß keine Luft in die Reaktionskammer gelangen kann. Daher wird die Absaugeinrichtung so eingestellt, daß sie ge rade nur Nebenprodukte der Reaktion entfernt, und das Be schichtungsverfahren wird bei oder geringfügig oberhalb Atmo sphärendruck durchgeführt.

Bei einer Abwandlung der oben beschriebenen Erfindung wird das Beschichtungsverfahren von einem Rückführungsregelsystem überwacht und gesteuert. Das System umfaßt dabei im wesent lichen die periodische Messung einer physikalischen Eigen schaft (bzw. mehrerer solcher Eigenschaften) des beschichte ten Substrats und die Nutzung der resultierenden Meßergebnis se zur Erzeugung eines beschichteten Substrats, das erwünsch te und bevorzugt gleichmäßige Eigenschaften hat.

Es wird nun auf die schematischen Darstellungen der Fig. 4A und 4B Bezug genommen. Nachdem das bewegte Substrat in der chemischen Aufdampfzone mit einem Überzug beschichtet ist, wird eine physikalische Eigenschaft des beschichteten Sub strats mit Hilfe von Meßeinrichtungen, die Meßfühler 50 und ein Meßgerät 55 umfassen, gemessen. Dabei kann es sich um eine elektrische Eigenschaft (z. B. den spezifischen Wider stand, die Leitfähigkeit usw.), eine magnetische Eigenschaft (z. B. die magnetische Aufnahmefähigkeit) oder eine optische Eigenschaft (z. B. die Schwärzung, die Brechzahl usw.) han deln. Auch kann eine Kombination von Eigenschaften gemessen werden.

Ein an dem Meßgerät angeordneter Meßwertumformer 56 formt den Meßwert in ein elektrisches (oder optisches) Signal um, das einer elektronischen Steuereinheit 60 zugeführt wird. Diese ist so geschaltet, daß sie einen Parameter wie etwa die Substratfördergeschwindigkeit, die Vorstufengas-Durchfluß menge, die Ofentemperatur oder Kombinationen dieser Parameter ändert. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel nach Fig. 4B umfaßt die Einrichtung zum Ändern des Parameters einen Motor 65, der für den Transport des Substrats durch die Reaktions kammer vorgesehen ist. Wenn der Rückführungsmechanismus die Substratfördergeschwindigkeit regelt, wird eine sehr schnelle Einstellung der Eigenschaften des beschichteten Substrats er reicht.

Alternativ kann die Einrichtung zum Ändern der Parameter ein Absperrorgan umfassen, das die Vorstufengas-Durchflußmenge regelt (Fig. 4A), oder es kann sich um ein Thermostatelement handeln, das die Ofentemperatur regelt. Eine Kombination der beschriebenen Einrichtungen zum Ändern der Parameter kann ebenfalls angewandt werden.

Der Wert einer gegebenen Eigenschaft des beschichteten Sub strats hängt vom chemisch-physikalischen Aufbau der Substrat beschichtung ab. Eine Änderung der Bedingungen innerhalb der chemischen Aufdampfzone durch Verstellen eines Parameters wie der Substratfördergeschwindigkeit, der Durchflußmenge oder der Ofentemperatur führt zu einer Modifizierung der Eigen schaften des beschichteten Substrats. Daher bietet die be schriebene Rückführungsregeleinrichtung eine Möglichkeit, den Wert der Überzugseigenschaften innerhalb gewünschter Toleran zen zu halten.

Fig. 5 zeigt schematisch eine maßstäbliche Vergrößerung einer Pilotfertigungsanlage, die aufgebaut und getestet worden ist. Die Grundelemente der Anlage mit der unteren Kammer 20, der Reaktionskammer 30, dem Öfen 32 und der oberen Kammer 40 bleiben dabei wie beschrieben. Zur Erweiterung des "offenen" Systems gemäß der Erfindung sind zusätzlich eine untere Schleuse 70 und eine obere Schleuse 72 an der unteren bzw. der oberen Kammer vorgesehen. In beiden Schleusen wird ein Schutzgasüberdruck unterhalten, um den Eintritt von Luft in das System zu verhindern. Wischverschlüsse 74 ermöglichen den Ein- und Austritt der Substratbahn in die bzw. aus der Schleuse, ohne daß darin ein merklicher Druckverlust auf tritt. Die Wischverschlüsse können aus flexiblem Gummi, Tef lon oder einem anderen Material bestehen, das durch die Pro zeßgase nicht angegriffen wird. Eine Prozeßgaseinlaß-Plenum kammer 76 ist zusätzlich zwischen der oberen Kammer und der Reaktionskammer vorgesehen, um eine gleichmäßige Verteilung des einströmenden Prozeßgases in der Reaktionskammer zu er reichen. Perforationen in der Grenzfläche 78 zwischen der Plenumkammer und der Reaktionskammer ermöglichen das Wandern von Gas in die Reaktionskammer. Die Plenumkammer sorgt für eine gleichmäßige Gasverteilung auf beiden Seiten der Mate rialbahn, um eine gleichmäßige Beschichtung des Substrats zu fördern.

Die Einstellung der Gasdurchflußmengen im System erfolgt mit Hilfe einer Dynamass-Steuerung von Vacuum General Corpora tion. Die Dynamass-Steuerung bestimmt den Mengendurchfluß des Gases und stellt ihn über ein Regelventil auf einen Sollwert ein. Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 5 tritt die Schutz gasschicht für die obere Schleuse (bevorzugt Argon oder Stickstoff) in den Dynamass-Durchflußmengenmesser auf Leitung 80 ein und wird durch den ersten Kanal 82a des Dynamass-Sy stems und ein Regelventil 84a zur oberen Schleuse geführt. Dabei ist eine Durchflußmenge von 0-10 000 ml/min vorgesehen, wie noch erläutert wird. Ebenso wird die Schutzgasschicht für die obere Kammer auf Leitung 80b durch einen Kanal 82b des Dynamass-Systems und ein Absperrorgan 84b zugeführt. Dabei ist eine Durchflußmenge von 0-10 000 ml/min für die Schutz gasschicht der oberen Kammer vorgesehen. Die Schutzgasschicht der unteren Schleuse tritt durch einen Einlaß 80c durch den Kanal 82c des Dynamass-Systems und ein Strömungsregelventil 84c ein. Dabei ist eine Durchflußmenge von 0-10 000 ml/min vorgesehen. Das Prozeß-Grundgas wird am Einlaß 80d durch den vierten Kanal 82d des Dynamass-Systems und das Strömungsre gelventil 84d zugeführt. Dabei ist eine Durchflußmenge von 0-10 000 ml/min vorgesehen. Das Dotier-Prozeßgas wird am Einlaß 80e durch einen Kanal 82e des Dynamass-Systems und ein Strömungsregelventil 84e zugeführt, wobei eine Durchflußmenge von 0-1000 ml/min vorgesehen ist. Das Grund-Prozeßgas und das Dotier-Prozeßgas werden am Verbindungspunkt 86 zusammenge führt und durch Leitung 88 in die Prozeßgaseinlaßkammer geleitet. Auf Leitung 80f wird durch einen Kanal 82f des Dynamass-Systems und ein Strömungsregelventil 84f ein inertes Spülgas zugeführt, und zwar mit einer vorgegebenen Durch flußmenge von 4000 ml/min im Anwendungsfall. Das inerte Spül gas wird durch Anschlüsse 90 in jede der Prozeßgasleitungen und eine Luftkühlungsleitung, die noch beschrieben wird, ein geleitet, so daß diese Leitungen gespült und inertisiert wer den. Kühlluft wird am Einlaß 80g durch einen Kanal 82g des Dynamass-Systems und ein Strömungsregelventil 84g zugeführt, und zwar mit einer Durchflußmenge von 0-10 000 ml/min.

Schließlich wird am Einlaß 80h durch einen Kanal 82h des Dy namass-Systems und ein Strömungsregelventil 84h eine Schutz gasverstärkung für die obere Kammer mit einer Durchflußmenge von 0-10 000 ml/min in diese Kammer geleitet. Für den Fach mann ist ersichtlich, daß die Schutzgasschicht und die Ver stärkungsschicht der oberen Kammer, die durch die Kanäle 82b und 82h zugeführt werden, auch in einem einzigen Kanal mit entsprechender Regelempfindlichkeit kombiniert sein können, so daß die gewünschten Durchflußmengen erhalten werden.

Die Einstellung der Vorschubgeschwindigkeit der Substratbahn durch das System erfolgt durch eine Motorsteuerung, die be reits unter Bezugnahme auf Fig. 4B erläutert wurde.

Es sind Druckdifferenzanzeiger 92a-f vorgesehen, die die Druckdifferenzen zwischen der oberen Schleuse und Atmosphä rendruck (92a), der oberen Schleuse und der oberen Kammer (92b), der unteren Kammer und der unteren Schleuse (92d), der unteren Schleuse und Atmosphärendruck (92e) sowie der unteren Kammer und dem Auslaß des Absauggebläses 15 (92f) aufnehmen.

Der Betrieb des Systems findet in sechs Grundabläufen statt. Das Verfahren wird eingeleitet durch einen Anfangsstart zyklus, in dem die Heizeinrichtungen des Ofens eingeschaltet werden und das Gesamtsystem mit dem inerten Spülgas gespült wird. Dann wird eine Schutzgasschichtfolge zur Stabilisierung der Schutzgasschichtdrücke in den Schleusen sowie der oberen und der unteren Kammer durchgeführt. Vor dem Beginn der Pro zeßgasfolge, bei der das Grund- und das Dotier-Prozeßgas in die Reaktionskammer eingeführt werden, kann sich das System für ca. 60 min stabilisieren. Danach kann sich das System wiederum ca. 60 min stabilisieren, wonach eine Betriebsstart folge durchgeführt wird, um die Temperaturen in der Reak tionskammer zu prüfen und den Substratbahnantrieb einzu schalten, so daß das Substrat durch die Reaktionskammer ge fördert wird. Wiederum kann sich das System für ca. 20 min stabilisieren, wonach die Einstellung der Durchlaufgeschwin digkeit durch die Reaktionskammer in einer mit Widerstands vorspannung durchgeführten Geschwindigkeitseinstellfolge ausgelöst wird. Dann arbeitet das System und beschichtet das durch die Reaktionskammer laufende Substrat. Wenn irgendeiner der Prozeßparameter außerhalb des Toleranzbereichs liegt oder der Beschichtungsbetrieb beendet ist, wird ein Stoppzyklus ausgelöst, wobei der Ofen abgeschaltet, der Prozeßgasstrom unterbrochen und eine Spülung des Systems ausgelöst wird. Nachdem eine Spülung von ca. 20 min Dauer beendet ist, wird Kühlluft zugeführt, um die Reaktionskammer abzukühlen.

Einzelheiten des oben beschriebenen Verfahrensablaufs sind in der folgenden Tabelle I dargestellt und können über eine Computersteuerung implementiert werden, die in geeigneter Weise über Schnittstellen mit den Differenzdruckanzeigern, dem Dynamass-Durchflußmengenregelsystem und den Strömungs regelventilen verbunden ist. Die Druckbezeichnungen in der Tabelle I sind P1 für Atmosphärendruck, P2 für den Druck in der oberen Schleuse, P3 für den Druck in der oberen Kammer, P4 für den Druck in der unteren Kammer, P5 für den Druck in der unteren Schleuse und P6 für den Druck am Auslaß des Ab sauggebläses.

Tabelle I

Claims

1. Verfahren zum kontinuierlichen chemischen Aufdampfen eines Überzugs auf ein Substrat unter Herstellung eines beschich teten Substrats, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
kontinuierliches Bewegen des Substrats durch ein offenes System mit einer im wesentlichen sauerstofffreien beheizten Aufdampfzone, die auf einem Druck gehalten wird, der wenig stens so hoch wie Atmosphärendruck ist; und
Leiten eines ersten Vorstufengases in die Aufdampfzone in Richtung zum Substrat in einer Durchflußmenge, die ausreicht, um eine pyrolytische Dissoziation des ersten Vorstufengases in eine oder mehrere Spezies innerhalb der chemischen Auf dampfzone sicherzustellen, wobei die genannten Spezies sich auf dem Substrat niederschlagen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Leiten eines zweiten Vorstufengases in die chemische Auf dampfzone in Richtung zum Substrat in einer Durchflußmenge, die ausreicht, um eine pyrolytische Dissoziation des zweiten Vorstufengases in eine oder mehrere Spezies innerhalb der chemischen Aufdampfzone sicherzustellen, wobei die Spezies sich auf dem Substrat niederschlagen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Einleiten eines Schutzgases in die Aufdampfzone zum Aufrecht erhalten einer Schutzgasatmosphäre.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Schutzgas Stickstoff eingesetzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Schutzgas Argon eingesetzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Vorstufengas entgegengesetzt zu der Substrat bewegung in die chemische Aufdampfzone eingeleitet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Vorstufengas entgegengesetzt zu der Substrat bewegung in die chemische Aufdampfzone eingeleitet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat innerhalb der chemischen Aufdampfzone ther misch gleichmäßigen Bedingungen ausgesetzt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Vorstufengas einen Kohlenwasserstoff umfaßt, der Methan, Ethan, Propan, Butan, Isobutylen oder Gemische davon ist.

10. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Vorstufengas Bortrichlorid, Bortribromid oder Diboran ist.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein Feuerfestmaterial umfaßt.

12. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Regeln des Vorstufengasstroms derart, daß das beschichtete Substrat einen eingestellten Schichtwiderstand über seine Länge und einen im wesentlichen gleichmäßigen Schichtwider stand über seine Breite hat.

13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die niedergeschlagenen Spezies einen elektrisch leitenden Überzug bilden.

14. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl das erste als auch das zweite Vorstufengas nieder geschlagene Spezies ergeben, die einen elektrisch leitenden Überzug bilden.

15. Verfahren zum kontinuierlichen chemischen Aufdampfen eines Überzugs auf ein Substrat unter Erzeugung eines be schichteten Substrats, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
kontinuierliches Einleiten eines Substrats vom Vorlauf- zum Nachlaufende durch eine untere Kammer, aufwärts durch eine beheizte, im wesentlichen sauerstofffreie Reaktions kammer und in eine obere Kammer;
Einleiten von wenigstens einem Vorstufengas in Abwärts richtung in die Reaktionskammer;
Regeln der Gasdurchflußmengen und der Substratbewegung, um eine thermische Dissoziation des wenigstens einen Vorstufen gases in eine Vielzahl von Spezies während des Abwärtsströ mens des Gases in der Reaktionskammer zu ermöglichen, wobei diese Spezies auf dem aufwärts bewegten Substrat niederge schlagen werden;
kontinuierliches Herausführen des Substrats aus der oberen Kammer auf eine Aufnahmeeinrichtung; und
Einleiten eines Schutzgases in das Oberende der oberen Kammer in einer Durchflußmenge, die ausreicht, um den Ein tritt von Luft in die obere Kammer zu verhindern;
so daß das Aufdampfverfahren in einem offenen System ab läuft.

16. Verfahren nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch Abführen von die untere Kammer erreichenden Reaktionsneben produktgasen mittels einer Absaugeinrichtung, ohne dabei Luft in die untere Kammer entreten zu lassen.

17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Vorstufengas aus der Kohlenwasser stoffe und Halogenide der Hauptgruppe umfassenden Gruppe ausgewählt ist.

18. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die niedergeschlagenen Spezies einen elektrisch leitenden Überzug bilden.

19. Vorrichtung zum kontinuierlichen Aufdampfen eines Über zugs auf ein Substrat unter Herstellung eines chemisch be dampften Substrats, gekennzeichnet durch:
eine untere Kammer (20) mit einer Eintrittsöffnung zum Einführen eines Substrats (5);
eine vertikal orientierte Reaktionskammer (30), die von der unteren Kammer nach oben verläuft;
eine über der Reaktionskammer angeordnete obere Kammer (40);
eine Einrichtung (32) zum Heizen der Reaktionskammer (30); eine Einrichtung zum Bewegen eines Substrats in die untere Kammer, durch die Reaktionskammer und aufwärts in die obere Kammer;
eine Einrichtung zum Einleiten wenigstens eines Vorstufen gases in die Reaktionskammer; und
eine Einrichtung zum Einleiten eines Schutzgases in die Vorrichtung, so daß im Inneren der Vorrichtung eine luftfreie Umgebung erhalten bleibt.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskammer (30) ein allgemein zylindrisches Feuerfestrohr umfaßt.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Feuerfestmaterial Quarzglas ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung einen Ofen (32) umfaßt.

23. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Ofen (32) einen erheblichen Teil der Reaktionskammer (30) umgibt.

24. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratbewegungseinrichtung eine Haspel umfaßt.

25. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Einleiten des Vorstufengases wenig stens eine Düse (36) ist, die an eine Vorstufengasquelle angeschlossen ist.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Düse so orientiert ist, daß das Vor stufengas in einen oberen Teil der Reaktionskammer (30) im Gegenstrom zum bewegten Substrat eingeleitet wird.

27. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Einleiten des Schutzgases wenigstens eine an eine Schutzgasquelle angeschlossene Düse (43) umfaßt.

28. Vorrichtung nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch eine Aufnahmeeinrichtung (45) zur Aufbewahrung des beschich teten Substrats.

29. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmeeinrichtung eine Spule umfaßt.

30. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmeeinrichtung innerhalb der oberen Kammer (40) angeordnet ist.

31. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Kammer einen Auslaß (44) zur Durchführung des beschichteten Substrats aufweist.

32. Vorrichtung nach Anspruch 31, gekennzeichnet durch eine Aufnahmeeinrichtung außerhalb der oberen Kammer zur Aufnahme des beschichteten Substrats.

33. Vorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmeeinrichtung eine Spule umfaßt.

34. Vorrichtung nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch eine Absaugeinrichtung (15) zum Absaugen von Nebenprodukt gasen aus der Reaktionskammer (30).

35. Vorrichtung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß die Absaugeinrichtung ein Gebläse (15) umfaßt.

36. Vorrichtung nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch eine Rückführungsregeleinrichtung zum Einstellen wenigstens einer Eigenschaft des beschichteten Substrats.

37. Vorrichtung nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Eigenschaft eine elektrische, eine magnetische oder eine optische Eigenschaft ist.

38. Vorrichtung nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführungsregeleinrichtung umfaßt:
eine Einrichtung (50, 55) zum Messen der wenigstens einen Eigenschaft;
einen Meßwertumformer (56), der Meßwerte in ein Steuer signal umwandelt;
eine elektronische Steuereinrichtung (60), die mit dem Meßwertumformer verbunden ist und das Steuersignal empfängt zur Einstellung eines Parameters, der die Substratvorschub geschwindigkeit, die Vorstufengasdurchflußmenge, die Ofen temperatur oder Kombinationen davon ist; und
eine mit der elektronischen Steuereinrichtung verbundene Einrichtung (65) zum Ändern des Parameters.

39. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskammer ein allgemein viereckiges Feuerfest rohr ist.