DE4443785C2

DE4443785C2 - Gasabscheidegerät

Info

Publication number: DE4443785C2
Application number: DE4443785A
Authority: DE
Inventors: Eiji Fuchita
Original assignee: Vacuum Metallurgical Co Ltd
Current assignee: Vacuum Metallurgical Co Ltd
Priority date: 1993-12-10
Filing date: 1994-12-08
Publication date: 2002-10-24
Anticipated expiration: 2014-12-09
Also published as: JPH07166332A; DE4443785A1; JP3452617B2; US5536324A; US5837316A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasabscheidegerät und insbesondere auf ein solches, bei dem ultrafeine Partikel mit einem Inertgas transpor tiert werden, wobei sie mit hoher Geschwindigkeit aus einer Düse in Richtung eines Substrats ausgegeben werden, auf das die Düse gerichtet ist, um einen aus den ultrafeinen Partikeln bestehenden Dickfilm auf dem Substrat zu bilden oder dort zu kondensieren.

In letzter Zeit wurde ein neues und maskenloses Filmher stellungsverfahren vorgestellt, bei dem ultrafeine Partikel verwendet wer den. Dieses Verfahren wird als Gasabscheideverfahren bezeichnet. Es weist im Vergleich zum konventionellen Verfahren folgende Eigenschaften auf: 1. es erfolgt eine Trockenverarbeitung; 2. es erfolgt ein Direktschreib prozeß, der maskenlos durchgeführt wird (z. B. mit 50 µm Breite); 3. der Prozeß erfolgt bei hoher Abscheiderate (etwa 100 µm/Sekunde); 4. der Prozeß kann bei relativ niedriger Temperatur durchgeführt werden (bei etwa 250°C).

Ultrafeine Partikel (UFP) aus organischen oder anorganischen Materialien lassen sich durch Gasverdampfungsverfahren (Gaskondensationsver fahren) bilden. Beim Gasabscheideverfahren werden durch das Gasver dampfungsverfahren in einer Verdampfungskammer gebildete Partikel in eine andere Kammer (Abscheidekammer) transportiert, und zwar durch ein Rohr hindurch. Die Partikel werden innerhalb des Rohres durch einen Gasstrom beschleunigt und treten aus einer Düse aus, die sich in der Abscheidekammer befindet. Diese Abscheidekammer ist evakuiert bis herunter zu einem Druck < als 10³ Pa. Die aus der Düse ausgegebenen Partikel werden dann auf einem Substrat abgeschieden, um einen UFP- Film zu bilden. Die Endgeschwindigkeit der Partikel hängt von der Druck differenz zwischen der Verdampfungskammer und der Abscheidekammer ab.

Die Partikelgeschwindigkeit überschreitet den Wert 500 m/Sekunde und Adhäsionskräfte der Filme erreichen den Wert 20 kgf/mm² (≈ 2 × 9,80665 × 10⁷ Pa) wie bei elektroplattierten Filmen unter der Bedingung, daß der Druck in der Verdampfungskammer bei 2 Atmosphären (≈ 2 × 10⁵ Pa) liegt, und die Temperatur des Ni-Substrats 200°C beträgt. Muster von Punkten und Linien mit 50 µm Größe bzw. Breite und auch ausgedehntere Filme können auf einem Substrat ohne Maskierungssystem hergestellt werden. Die Abscheiderate überschreitet 100 µm/Sekunde bei Verwendung einer Düse mit einem Innendurchmesser von 600 µm.

Im allgemeinen werden ultrafeine Partikel durch ein Gasverdampfungs verfahren gebildet. Beim Gasverdampfungsverfahren werden Metallatome verdampft, und zwar innerhalb eines Inertgases, wie z. B. Helium oder Argon. Die Metallatome kollidieren dabei mit den Gasatomen, werden gekühlt und kondensieren zu Partikeln. Die Partikelgröße läßt sich durch Änderung der Verdampfungstemperatur oder des Gasdruckes einstellen. Größere Partikel werden dann erhalten, wenn höhere Temperaturen oder höhere Drucke vorherrschen.

Die durch das Gasverdampfungsverfahren gebildeten Partikel werden durch ein Rohr hindurch in eine andere Kammer transportiert, während sie sich in einem aerosolen Zustand befinden. Innerhalb des Rohrs werden die Partikel beschleunigt und mittels einer engen Düse in Richtung eines Substrats gesprüht, um auf dem Substrat unter Bildung eines UFP-Films abgeschieden zu werden. Dieses Verfahren wird als Gasniederschlagsver fahren bezeichnet. Bezüglich der zu verwendenden Materialien oder der zu bildenden Formen auf dem Substrat gibt es praktisch keine Beschränkun gen. Glas. Keramiken, usw. können verwendet werden. Dieses Verfahren kann auch dazu dienen, elektrisch leitfähige Filme. Widerstandsfilme und dielektrische Filme für hybride Mikroelektroniken zu bilden, da es mehre re Vorteile gegenüber konventionellen Verfahren aufweist, beispielsweise den Vorteil des direkten Schreibens, den Vorteil die Arbeitsgänge bei niedriger Temperatur auszuführen, und außerdem geeignet ist, gleichför mig gemischte UFP-Filme aus mehr als zwei Elementen zu bilden.

Ein schematischer Aufbau eines Gasabscheidegerätes nach dem Stand der Technik ist in Fig. 1 gezeigt. In diesem Zusammenhang sei insbe sondere auf das Dokument EP 0 187 913 verwiesen. Das Gasabscheide gerät trägt das Bezugszeichen 100 und enthält hauptsächlich eine UFP-Verdampfungskammer 11, eine Abscheidekammer (Sprühkammer) 18, ein Verbindungsrohr 16 zwischen den Kammern 11 und 18, sowie ein Gaszirkulationssystem. Die Kammern 11 und 18, mit denen jeweils Druckmesser 6 und 7 verbunden sind, sind bis herunter auf 10^-4 Pa evakuiert. Sodann wird Heliumgas über ein einstellbares Strömungsventil 3 aus einer Vorratsflasche 2 zuge führt. Dieses Gas gelangt auch in die Abscheidekammer 18, und zwar nach Durchströmung des Übertragungsrohres 16. Der Gasdruck in der Verdampfungskammer 11 wird auf einen Wert von 1 Atmoshäre (≈ 10⁵ Pa) bis 4 Atmoshären (≈ 4 × 10⁵ Pa) eingestellt, und zwar durch Änderung der Heliumgas-Zuführgeschwindigkeit und der Gaspumpengeschwindigkeit.

Metallatome werden aus einem Tiegel heraus verdampft, in dem sich z. B. Au (Gold) befindet. Dieser Tiegel wird durch Widerstandsheizung erhitzt, wobei durch den Tiegel hindurch ein Wechselstrom (AC) fließt, der von einer Stromquelle 13 kommt. Verdampfte Atome kollidieren mit den Gasatomen und werden gekühlt, wobei sie zu Partikeln kondensieren.

Im Falle einer Au-Filmbildung wird die Verdampfungstemperatur so ein gestellt, daß sie in einem Bereich zwischen 1500°C und 1700°C zu liegen kommt. Im Falle einer Ag-Filmbildung liegt die Verdampfungstemperatur etwa im Bereich zwischen 1300°C und 1500°C. Sollen Cu- und Pd-Filme gebildet werden, so wird eine Verdampfungstemperatur gewählt, die bei 1450°C bzw. 1550°C liegt.

Die gebildeten Partikel werden mit dem Gasstrom durch das Übertra gungsrohr 16 hindurchtransportiert, wie durch den Pfeil angegeben ist. Sie werden dann durch die Düse 17 ausgegeben, die sich in der Abscheide kammer 18 befindet und mit dem Ende des Übertragungsrohres 16 in Verbindung steht. Nach Ausgabe der Partikel aus der Düse 17 gelangen diese auf ein Substrat 19, das der Düsenspitze gegenüberliegt und sich in der Kammer 18 befindet. Die Niederschlagskammer 18 ist evakuiert bis herunter zu einem Druck < als 10³ Pa, und zwar unter Zuhilfenahme eines Pumpsystems 5, das über ein Vakuumventil 4 mit der Kammer 18 in Verbindung steht. Das Pumpsystem 5 kann aus einem mechanischen Pumpverstärker und einer Rotationspumpe bestehen, beispielsweise einer Drehkolbenpumpe.

Ein Substrathalter 9 kann sich entlang einer X-Richtung in Fig. 1 bewegen, sowie entlang einer Y-Richtung und einer Z-Richtung, die alle in rechtem Winkel zueinander stehen. Dabei kann die Bewegung durch eine digital programmierbare Steuerung erfolgen. Die Abtastgeschwindigkeit des Substrats 19 wird dabei so eingestellt, daß sie zwischen 0,01 mm/Sekunde und 2 mm/Sekunde liegt. Hierbei handelt es sich um die Relativgeschwindigkeit zwischen feststehender Düse 17 und bewegtem Substrat 19. Das Substrat liegt dabei fest auf dem Substrathalter 9.

Der durch das Gasabscheideverfahren hergestellte Dickfilm beinhaltet nur Au, was den Vorteil hat, daß er keinen hochpolymeren Binder zu ent halten braucht, was im Gegensatz zu anderen Verfahren steht.

Allerdings gibt es bei dem herkömmlichen Gasabscheideverfahren nach dem Stand der Technik noch einige Probleme. Diese beziehen sich insbesondere auf die im Film noch auftretenden Zusammenklumpen von UFP-Partikeln, wodurch sich die Filmeigenschaften verschlechtern. Insbesondere ergeben sich dadurch auch geringere Adhäsionskräfte zwischen Film und Substrat. Infolge von Zusammenklumpen kann die Düse auch häufig verstopfen. Insofern lassen sich gute Filme mit stabilen Eigenschaften nur während relativ kurzer Zeitspannen erzeugen.

Die Dokumente JP 02-070058 A und JP 05-044019 A zeigen jeweils Gasabscheidegeräte mit: einer Verdampfungskammer mit Inertgaseinlass und darin angeordneter Verdampfungsquelle, einer Abscheidekammer mit darin angeordnetem Substrat, einem zwischen den Kammern ange ordneten Transportrohr zur Dampfüberführung, welches beidseitig in die Kammern hereinragt und einen Einlass sowie einen düsenförmigen Auslass besitzt, der der Verdampfungsquelle bzw. dem Sub strat gegenüberliegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gasabscheidegerät der eingangs ge nannten Art so weiterzubilden, daß sich gute Filme ohne Zusammenklumpen ultra feiner Partikel mit stabilen Eigenschaften auch über längere Zeitspannen herstel len lassen.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentan spruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Un teransprüchen zu entnehmen.

In Übereinstimmung mit der Erfindung enthält ein Gasabscheidegerät folgende Einrichtungen:

A) eine Ultrafeinpartikel-Verdampfungskammer
B) eine in der Verdampfungskammer angeordnete Verdampfungsquelle;
C) eine Abscheidekammer;
D) ein in der Abscheidekammer vorhandenes Substrat;
E) ein Übertragungsrohr, das die Verdampfungskammer mit der Ab scheidekammer verbindet, wobei ein Einlaß des Übertragungsrohrs direkt der Verdampfungsquelle innerhalb der Verdampfungskammer gegenüberliegt, und wobei ferner ein Auslaß des Übertragungsrohrs innerhalb der Abscheidekam mer zu liegen kommt;
F) eine Düse, die mit dem Auslaß des Übertragungsrohrs verbunden ist, und die auf das in der Abscheidekammer vorhandene Substrat gerichtet ist und
G) ein Einlaß zur Einleitung eines Inertgases in die Ultrafeinpartikel- Verdampfungskammer, wobei
Heizeinrichtungen vorgesehen sind, um entweder nur das Übertragungs rohr oder das Übertragungsrohr und die Düse zu erwärmen, und
die Abscheidekammer, das Übertragungsrohr und die Verdampfungs kammer in dieser Reihenfolge von oben nach unten entlang einer im wesentli chen vertikal verlaufenden Linie übereinanderliegend angeordnet sind.

Wird die Verdampfungsquelle innerhalb der Verdampfungskammer erwärmt, so gibt die Verdampfungsquelle ultrafeine Partikel durch Verdampfung ab. Diese ul trafeinen Partikel werden zusammen mit dem Inertgas durch das Übertragungs rohr und dann durch die Düse hindurchtransportiert und treffen in der Abscheide kammer auf das Substrat auf, um auf dem Substrat einen Film zu bilden bzw. zu kondensieren.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher be schrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Gasabscheidegerätes nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Gasabscheidegerätes nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eins Gasabscheidegerätes nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 4 einen vergrößerten Querschnitt einer Düse, die bei den obigen Ausführungsbeispielen nach der Erfindung ver wendet wird.

Fig. 5 eine Modifikation einer elektrischen Schaltung zur Erhitzung des Übertragungsrohrs beim Gasabscheide gerät nach der Erfindung.

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines tauchsiederartig ausgebildeten Heizers, bei dem ein Heizdraht um die Düse herumgewickelt ist.

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer ein Vakuum er zeugenden Verbindung, wobei das Übertragungsrohr und ein Inhalationsrohr mit einer Verdampfungskammer für ultrafeine Partikel verbunden sind, und wobei ein Metall faltenbalg zum Einsatz kommt, und

Fig. 8 eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme (SEM-Auf nahme) eines Au-Films auf einem Substrat, der mit dem Gerät nach dem ersten Ausführungsbeispiel hergestellt wurde.

Im nachfolgenden wird ein Gasabscheidegerät nach einem ersten Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.

Die Fig. 2 zeigt ein solches Gasabscheidegerät 1 nach dem ersten Ausfüh rungsbeispiel. Dieses Gerät enthält eine Verdampfungskammer 21 zur Bildung ultrafeiner Partikel, ein Übertragungsrohr 31 sowie eine Abschei dekammer 41, die mit der Verdampfungskammer 21 über das Übertra gungsrohr 31 in Verbindung steht. Dabei liegt die Abscheidekammer 41 vertikal oberhalb der Verdampfungskammer 21, wobei sich auch das Übertragungsrohr 31 in Vertikalrichtung erstreckt.

Innerhalb der Verdampfungskammer 21 für ultrafeine Partikel befindet sich ein Kohlenstofftiegel 22, dessen Innendurchmesser bei 5,0 mm liegt. Zu verdampfendes Material ist Au und befindet sich innerhalb des Kohlen stofftiegels 22. Eine Elektrowicklung 23 zur induktiven Erhitzung des Kohlenstofftiegels 22 ist um diesen herumgewickelt. Die Wicklung 23 ist mit einer Hochfrequenz(Radiofrequenz)-Leistungsquelle 24 verbunden, die sich außerhalb der Verdampfungskammer 21 befindet. Verbindungs kabel sind durch eine Seitenwand der Verdampfungskammer 21 hin durchgeführt. Der Grund, warum der als Verdampfungsquelle dienende Kohlenstofftiegel 22, in dem sich Au befindet, durch Induktionserhitzung und nicht durch Widerstandserhitzung erwärmt wird, wird nachfolgend beschrieben. Beispielsweise sei ein Wolframtiegel erwähnt, der durch Widerstandserhitzung erwärmt wird. Dabei wird nur der Tiegel durch Joulsche Wärme erhitzt. Das Verdampfungsmaterial Au schmilzt somit in folge der Übertragung der Wärme durch den Tiegel hindurch. Dabei wird das geschmolzene Metall (Au) im Tiegel verwirbelt. Allerdings ist die Wär meübertragung nicht gleichförmig, so daß sich in weiten Bereichen Körner aus ultrafeinen Partikeln bilden. Manchmal kollidiert auch Au-Material. Wird dagegen Au im Kohlenstofftiegel 22 durch Induktionserhitzung er wärmt, treten Wirbelströme im geschmolzenen Metall Au auf und Wirbel stromverluste erhitzen dieses Material. Dabei wird es gleichmäßig erwärmt im Gegensatz zur Widerstandsheizung. Körner von ultrafeinen Partikeln bilden sich daher praktisch nicht mehr aus.

Nachfolgend wird der weitere Aufbau der erfindungsgemäßen Einrichtung näher beschrieben. Helium(He)-Gas strömt in die Ultrafeinpartikel-Ver dampfungskammer 21 durch einen Einlaß 25 ein, das vom Maschen- bzw. Netzfiltertyp (im Folgenden als Maschinenfiltertyp bezeichnet) ist. Auf diese Weise wird dafür gesorgt, daß ein vorbestimmter Druck inner halb der Ultrafeinpartikel-Verdampfungskammer 21 aufrechterhalten bleibt. Dieses Heliumgas dient zum Transport der erzeugten ultrafeinen Partikel. Der Einlaß 25 vom Maschenfiltertyp ist so ausgebildet, daß der Filter und das Aperturverhältnis verändert werden können. Zugeführt wird das Heliumgas aus einer Vorratsflasche 2 durch ein einstellbares Durchflußventil 3, um zum Einlaß 25 zu gelangen. Das Gas strömt durch den Einlaß 25 zum Maschenfiltertyp hindurch in die Ultrafeinpartikel- Verdampfungskammer 21, wobei das Gas auch den Tiegel 22 umströmt. Dabei ist die Gasströmungsgeschwindigkeit geeignet eingestellt, bei spielsweise durch Ausbildung des Einlasses 25 vom Maschenfiltertyp. Ein Druckmeßgerät 6 ist außerdem mit der Ultrafeinpartikel-Verdamp fungskammer 21 verbunden.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 strömt das Heliumgas nach Durchtritt durch den Einlaß von unten gegen den Kohlenstofftie gel 25 und gleichmäßig seitlich an diesem vorbei und umströmt dabei auch die Wicklung 23.

Das Übertragungsrohr 31 ist gerade ausgebildet und verläuft in Vertikal richtung. Der Innendurchmesser des Übertragungsrohres 31 liegt im Aus führungsbeispiel bei 4,3 mm. Das untere Ende des Übertragungsrohres 31 ist in die Ultrafeinpartikel-Verdampfungskammer 21 eingesetzt und endet im Abstand oberhalb des Kohlenstofftiegels 22. Ein Einlaß 31a des Übertragungsrohres 31 weist somit auf den Kohlenstofftiegel 22 zu. Der Abstand zwischen der Öffnung des Kohlenstofftiegels 22 und dem Einlaß 31a des Übertragungsrohres 31 beträgt 30 mm. Der obere Teil des Übertragungsrohres 31 ist in die Niederschlagskammer 41 bzw. Abschei dekammer eingesetzt. Eine Düse 32 gibt ultrafeine Partikel aus und ist mit einem Auslaß 31b des Übertragungsrohres 31 verbunden. Dabei er streckt sich die Düse 32 ebenfalls in Vertikalrichtung bzw. Längsrichtung des Übertragungsrohres 31.

Die Düse 32 weist eine Kehle bzw. einen schmalen Düsenkanal 33 auf, dessen Innendurchmesser bei 0,6 mm liegt. Wie die Fig. 4 erkennen läßt, die einen Querschnitt entlang der Zentrumslinie 32 zeigt, befindet sich eine Übergangsöffnung 32b zwischen dem Verbindungsteil (Auslaß) 31b, wo das Transferrohr 31 mit der Düse 32 verbunden Ist, und einem Einlaß 33a des kehlenartig ausgebildeten Düsenkanals 33, wobei diese Übergangsöffnung 33b bzw. der Übergangskanal trochoidförmig ausgebil det ist. Es gibt mit anderen Worten keine Stufe im Verbindungsbereich zwischen der Übergangsöffnung 33b der Düse 32 und der Öffnung des Übertragungsrohres 31.

Das Übertragungsrohr 31 (Transferrohr) ist geradlinig und weist keine Krümmungen auf. Demzufolge treten auch keine Turbulenzen auf, wenn die ultrafeinen Partikel durch das Übertragungsrohr 31 hindurch strömen.

Weiterhin werden das Übertragungsrohr 31 und die Düse 32 erhitzt, wie nachfolgend beschrieben. Gemäß Fig. 2 ist eine Gleichstromquelle 55 (DC- Quelle) mit dem unteren Bodenteil und dem oberen Spitzenteil des Über tragungsrohres 31 verbunden. Das Übertragungsrohr 31 ist ein Wider standskörper und wird demzufolge bei Stromfluß erwärmt. Die Fig. 5 zeigt eine weitere Möglichkeit einer elektrischen Verbindung. Das untere Ende des Übertragungsrohres 31 ist mit einer Elektrode der Gleichstromquelle 55 verbünden. Dagegen ist die Abscheidekammer 41 geerdet. Ein Wider stand R ist parallel zum Übertragungsrohr 31 geschaltet. Der Widerstand R ist genauer gesagt mit einem freiliegenden Teil des Übertragungsrohres 31 verbunden, und zwar an der Seite bzw. in der Nähe der Ultrafeinparti kel-Verdampungskammer 21, während das andere Ende des Widerstan des R mit der Abscheidekammer 21, verbunden ist, beispielsweise in ihrem Bodenbereich. Das Übertragungsrohr 31 läßt sich mit einem Temperatur gradienten entlang der Achse des Übertragungsrohrs 31 erwärmen. Weiterhin kann gemäß Fig. 6 ein tauchsiederartig ausgebildeter Heizer 56 verwendet werden, der um die Düse 32 herumgewickelt ist. Mit anderen Worten ist hier ein Heizdraht um die Düse 32 herumgewickelt. Dieser Heiz draht 56 ist mit einer anderen Stromquelle 57 verbunden, die eine Wech selstromquelle (AC-Quelle) ist.

Entsprechend der Fig. 2 liegt ein Inhalations- oder Evakuierungsrohr 34 konzentrisch außen um das Übertragungsrohr 31 herum. Dieses Evakuierungsrohr 34 befindet sich oberhalb des Einlasses 31a des Über tragungsrohres 31 und ragt ebenfalls in die Ultrafeinpartikel-Ver dampfungskammer 21 hinein. Auf diese Weise wird ein ringförmiger Raum zwischen dem Übertragungsrohr 31 und dem Evakuierungsrohr 34 erhal ten. Dabei liegt das untere Ende des Evakuierungsrohres 34 etwas höher als das untere Ende des Übertragungsrohres 31. Das Evakuierungsrohr 34 ist so angeordnet, daß es ultrafeine Partikel absaugt, die um den in der Ultrafeinpartikel-Verdampfungskammer 21 vorhandenen Kohlenstofftie gel 22 herumdriften. Dieses Evakuierungrohr 34 ist an seinem vom Tiegel 22 wegweisenden Ende gegenüber dem Übertragungsrohr 31 nach außen abgebogen, und zwar in einem Bereich außerhalb der Ultrafeinpartikel- Verdampfungskammer 21. Dieses abgebogene Ende des Evakuierungs rohres 34 ist mit einer Vakuumpumpe 36 über ein Vakuumventil 35 verbunden.

Ein Vakuumverbindungsbereich, über den ein aus dem Übertragungsrohr 31 und dem Evakuierungsrohr 34 bestehendes Doppelrohr in die Ultra feinpartikel-Verdampfungskammer 21 eingesetzt ist, besteht aus einem metallischen Faltenbalg 37, wie die Fig. 7 erkennen läßt. Ein Flansch 38a ist fest an einem Ende des metallischen Faltenbalgs 37 angeordnet und befindet sich oberhalb einer Öffnung 27 in der oberen Wand der Ultrafein partikel-Verdampfungskammer 21. Genauer gesagt umgibt der Flansch 38a diese Öffnung 27. Ein anderer Flansch 38b ist fest am anderen Ende des metallischen Faltenbalgs 37 angeordnet. Weiterhin ist ein Flansch 39 am Evakuierungsrohr 34 befestigt und umgibt dieses Evakuierungsrohr dichtend. Dabei sind die Flansche 38b und 39 dichtend miteinander ver bunden, während der Flansch 38a dichtend mit der oberen Wand des Gehäuses 21 verbunden ist. Die Verbindung der jeweiligen Flansche kann z. B. über Schrauben erfolgen, wobei zwischen den Flanschen 38b und 39 einerseits sowie zwischen dem Flansch 31a und der Wand des Gehäuses 21 Dichtungsringe liegen können. Auf diese Weise ist es möglich, das aus dem Transferrohr 31 und dem Evakuierungsrohr 34 bestehende Doppelrohr et was zu neigen, um die Position des Einlasses 31a des Übertragungsroh res 31 relativ zum Kohlenstofftiegel 21 einstellen bzw. auf diesen ausrich ten zu können.

Wie die Fig. 2 außerdem zeigt, befindet sich ein Ni/Ti/Si-Waferstubstrat innerhalb der Abscheidekammer 41, wobei die Elementreihenfolge den Rang des Pegels bzw. der Höhe angibt. Dieses Wafersubstrat 42 liegt unter rechtem Winkel zur Düse 32. Der Abstand zwischen der Düse 32 und dem Wafersubstrat 42 beträgt 2 mm. Die Ni-Oberfläche des Wafersubstrats 42 liegt der Düse 32 am nächsten, ist also diejenige Fläche, die der Düse 32 direkt zugewandt ist. Das Wafersubstrat 42 wird vom Aufnahmetisch 9 ge tragen, also vom Substratträger, der in X-Richtung, Y-Richtung und Z- Richtung bewegbar ist, also in drei senkrecht zueinander stehenden Rich tungen, wie durch den Pfeil angegeben ist. Darüber hinaus kann auch der Substratträger 9 über einen nicht dargestellten Heizmechanismus erwärmt werden, um das Substrat 42 zu erwärmen. Die Abscheidekammer 41 ist mit einer Vakuumpumpe 5 verbunden, und zwar über ein Vakuum ventil 4. Ferner ist ein Vakuummeßgerät mit der Abscheidekammer 41 ver bunden.

Nachfolgend wird der Betrieb des in Fig. 2 gezeigten Gerätes näher erläu tert.

Zunächst wird beim Gerät nach Fig. 2 das Vakuumventil geöffnet, und die Abscheidekammer 41 wird mittels der Vakuumpumpe 5 evakuiert. Zur selben Zeit wird das Vakuumventil 35 geöffnet, und es wird die Ultrafein partikel-Verdampungskammer 21 mittels der Vakuumpumpe 36 eva kuiert, und zwar über das Evakuierungsrohr 34 und das Vakuumventil 35. Sodann wird das einstellbare Strömungsventil 3 geöffnet und es strömt Heliumgas in die Ultrafeinpartikel-Verdampungskammer 21 über den ma schenfilterartig ausgebildeten Einlaß 25 hinein, wobei ein Druck von 2 Atmosphären aufrechterhalten bleibt. Das Öffnungsverhältnis des Maschenfilters ist gleich 50%, während die Fläche des Maschenfilters gleich 85 cm² beträgt. Auf diese Weise ergibt sich eine Flußrate des Heliumgases von 40 SLM (Liter im Normalzustand pro Minute) im Bereich des maschenfilterartig ausgebildeten Einlasses 25, wobei sich eine Gasströmungsgeschwindigkeit in der Nähe der Verdampfungsquelle 22 einstellt, die bei etwa 0,2 m/Sekunde liegt.

Etwa 10 SLM der 40 SLM des Heliumgases, das in die Kammer 21 gelangt, werden durch das Übertragungsrohr 31 hindurchgeführt und über die Düse 32 ausgegeben. Dagegen werden etwa 30 SLM der 40 SLM vom Evakuierungsrohr 34 abgesaugt und nach außen abgegeben. Der Grund, warum die Menge des über das Evakuierungsrohr 34 abgesaugten Helium gases größer ist als die Menge des durch das Übertragungsrohr 31 hin durchströmenden Heliumgases wird nachfolgend beschrieben: Werden die ultrafeinen Partikel im stationären Zustand gebildet, so werden einige von ihnen nicht vom Übertragungsrohr 31 abgesaugt und driften um den Tiegel 22 herum, der sich in der Ultrafeinpartikel-Verdampungskammer 21 befindet. Einige von ihnen werden sich während des Driftens zusam menlagern und Klumpen innerhalb der Ultrafeinpartikel-Ver dampfungskammer 21 bilden. Werden diese vom Übertragungsrohr 31 abgesaugt, so kann dies zu schädlichen Einflüssen bei der Filmbildung auf dem Substrat 42 führen. Es ist daher erforderlich, diese Klumpen bzw. Ansammlungen von ultrafeinen Partikeln so schnell wie möglich zu beseitigen bzw. abzusaugen.

Unter den gegebenen Bedingungen zeigt das Vakuummeßgerät 7 einen Druck von 0,3 Torr (≈ 40 Pa) in der Abscheidekammer 41 an, wobei der Differenzdruck von etwa 2 Atmosphären (≈ 2 × 10⁵ Pa) zwischen der Ultrafeinpartikel-Verdampfungskammer 21 und der Abscheidekammer 41 aufrechterhalten bleibt.

Elektrische Leistung wird darüber hinaus dem tauchsiederartig ausgebil deten Heizer 50 zugeführt, der um die Düse 32 herumgewickelt ist. Das Übertragungsrohr 31, mit dem die Düse 32 verbunden ist, wird ebenfalls erwärmt. Die Temperatur in der Nähe des Einlasses 21a des Übertra gungsrohres 31 liegt bei etwa 300°C, während sie bei etwa 500°C im Bereich der Düse 32 liegt. Insofern wird ein Temperaturgradient im Über tragungsrohr 31 und der Düse 32 erhalten. Die Temperatur wird in der oben angegebenen Weise gesteuert. Ferner wird das Substrat 42 auf eine Temperatur von etwa 200°C erwärmt.

Als nächstes wird der Kohlenstofftiegel 22, in dem sich 5 g Au befinden induktiv erwärmt, und zwar auf eine Temperatur von etwa 1500°C durch Hochfrequenzerhitzung bei etwa 150 kHz. Das Material Au schmilzt dabei und dampft aus dem Kohlenstofftiegel 22 bzw. Graphittiegel 22 heraus. Die ihn umgebende Atmosphäre besteht aus Heliumgas, das unter einem Druck von 2 Atmosphären steht. Daher bilden sich bei der Verdampfung von Au ultrafeine Partikel. Die erzeugten ultrafeinen Partikel strömen auf wärts aus der Öffnung des Graphittiegels 22 heraus. Sie werden dann in Richtung des Einlaßtores 31a des Übertragungsrohres 31 abgesaugt, und zwar infolge der Druckdifferenz von 2 Atmosphären. Da die Gas strömungsgeschwindigkeit des Heliumgases um die Verdampfungsquelle 22 herum (Tiegel mit Au-Material) bei etwa 0,2 m/Sekunde liegt, wird der Verdampfungsstrom der ultrafeinen Partikel nicht gestört. Sie werden daher nach wie vor stetig in den Einlaß 31a des Übertragungsrohres 31 hineingesaugt.

Zu dieser Zeit wird der Betrieb des Übertragungsrohres 31 optimiert, welches aufgrund des metallischen Faltenbalgs 37 relativ zur Ver dampfungskammer 21 geneigt werden kann. Dabei wird die Position des Einlasses 31a des Übertragungsrohres 31 relativ zum Graphittiegel 22 eingestellt, derart, daß die transportierte Menge an ultrafeinen Partikeln durch das Übertragungsrohr maximal wird. Gleichzeitig soll dabei die Menge an ultrafeinen Partikeln, die nicht in das Übertragungsrohr 31 hineingesaugt werden, so eingestellt werden, daß sie minimal wird. Der Grund, warum die Relativpositionen von Einlaß 31a und Graphittiegel 22 eingestellt werden müssen, liegt daran, daß die Menge der durch das Übertragungsrohr 31 hindurchtransportierten Teilchen von der Art des Inertgases abhängt, von der Menge des eingeleiteten Gases sowie vom Differenzdruck zwischen der Ultrafeinpartikel-Verdampfungskammer 21 und der Abscheidekammer 41. Tatsächlich wird die durch das Übertra gungsrohr 31 hindurchtransportierte Menge an ultrafeinen Partikeln durch die Abscheidegeschwindigkeit (µm/Sekunde) gemessen, während das Substrat 42 fest in der Abscheidekammer 41 liegt.

Ultrafeine Partikel aus Au werden in das Übertragungsrohr 31 hineinge saugt und durch dieses Rohr 31 hindurchtransportiert, und zwar zusam men mit dem Heliumgas. Dabei wird das Rohr 31 selbst erwärmt, wie be reits beschrieben. Die Partikel werden dann in Richtung der Oberfläche des Substrats 32 über die ebenfalls geheizte Düse 32 ausgegeben, wobei auch das Substrat erhitzt wird, und zwar auf eine Temperatur von 200°C. Die Ausgabe der Partikel aus der Düse 32 erfolgt daher bei relativ hoher Geschwindigkeit.

Unter den obenbeschriebenen Bedingungen, wird der Substrattisch 9 und mit ihm das Substrat 42 in gewünschte Richtungen X bzw. Y bewegt. Diese Richtungen stehen senkrecht zueinander und senkrecht zur Längsrich tung des Rohres 31. Auch eine Bewegung in Längsrichtung 31 ist möglich, also in Z-Richtung, falls gewünscht. Während dieser Bewegungen treffen die ultrafeinen Partikel aus Au auf die Substratoberfläche 42 auf. Dabei wird ein stabiler Film aus den genannten Partikeln gebildet, und zwar mit einer vorbestimmten Rate von 60 µm/Sekunde und z. B. über 10 Stunden.

Die Korngröße im Film liegt unterhalb von 0,1 µm Durchmesser und es treten keine Klumpen im Film auf. Ein derart guter Film aus Au wird auf der Ni-Oberfläche des Wafermaterials 42 gebildet, das aus dem Schichtsystem Ni/Ti/Si besteht. Die Fig. 8 zeigt eine photographische Aufnahme des Au-Films, aufgenommen durch ein Rasterelektronen mikroskop. Wie zu erkennen, sind keine Klumpen vorhanden.

Um die Adhäsionskraft zwischen dem Au-Film und der Ni-Oberfläche zu messen, wird das Substrat 42 fixiert, und es werden Säulen von Klumpen der ultrafeinen Partikel auf dem Substrat 42 gebildet. Sodann wird eine horizontal gerichtete Kraft an den Film angelegt, wobei die Scherkraft gemessen und daraus die Adhäsionskraft bzw. Adhäsionsstärke hergelei tet wird. Die Scherkraft liegt bei etwa 20 kgf/mm² (≈ 2 × 9,80665 × 10⁷ Pa). Allerdings wurde bei der Messung der Au-Film bereichsweise zerstört. Die gemessene Scherkraft ist größer als die Kraft von 10 kgf/mm² (≈ 1 × 9,80665 × 10⁷ Pa), die bei Verwendung des Gasabscheidegeräts nach dem Stand der Technik erhalten wird.

Als nächstes wird nur das Übertragungsrohr 31 erwärmt, ohne daß auch noch die Düse 32 erwärmt wird, um einen dicken Film aus Au auf dem Substrat 42 zu bilden. Es wurde bei einer kontinuierlichen Bearbeitungs dauer von 3 Stunden ein Film ohne Klumpen erhalten, und zwar unter der Bedingung, daß die Abscheiderate unterhalb von 1 µm/Sekunde liegt. Ist die Abscheiderate größer als 1 µm/Sekunde, so bilden sich Klumpen im Film nach etwa 30 Minuten.

Werden dagegen sowohl das Übertragungsrohr 31 und die Düse 32 nicht erwärmt, werden Klumpen von Partikeln im Film schon innerhalb von 15 Minuten erhalten, und zwar auch dann, wenn die Abscheiderate bei etwa 0,5 µm/Sekunde liegt.

Der Grund für die obigen Ergebnisse liegt in folgendem: Es wird angenom men, daß das Übertragungsrohr 31 und die Düse 32 erwärmt werden. Das als Trägergas dienende Heliumgas wird dann auch erwärmt, und zwar in der Nähe der Innenwand von Übertragungsrohr 31 und Düse 32, so daß der Innenraum staubfrei wird. Die Anlagerung von ultrafeinen Partikeln an der Innenseite des Übertragungsrohres 31 und der Düse 32 wird auf diese Weise unterdrückt, so daß Klumpen gar nicht erst entstehen. Darüber hinaus können dann auch keine Klumpen von Partikeln von der Innenwandoberfläche gestreut werden. Es läßt sich somit ein Au-Film ohne Klumpen über eine recht lange Zeit stabil herstellen.

Andererseits ist der Innenkanal der Düse 32 trochoidförmig an der Einlaß seite ausgebildet, so daß im Verbindungsbereich zwischen der Düse 32 und dem Übertragungsrohr 31 keine Stufe am Innenwandbereich vorhan den ist. Auch das Übertragungsrohr 31 verläuft geradlinig und genau senkrecht und weist keine Abbiegungen auf. Mit anderen Worten ist dieses Gasabscheidegerät so ausgestaltet, daß in ihm keine Turbulenzen inner halb des Gasstromes auftreten, in welchem sich die ultrafeinen Partikel befinden. Dadurch wird eine Anlagerung von Partikeln an den Innenwän den von Übertragungsrohr 31 und Düse 32 noch weiter verhindert.

Im nachfolgenden werden weitere Maßnahmen bezüglich diese Punktes näher beschrieben. Wie bereits erwähnt, wird ein Graphittiegel 22 verwen det und durch Hochfrequenz-Induktionsheizung erwärmt. Andererseits läßt sich die relative Position des Einlasses 31a des Übertragungs rohres 31 bezüglich des Graphittiegels 22 einstellen. Hierdurch wird es möglich, daß die ultrafeinen Partikel, die in der Ultrafeinpartikel-Ver dampfungskammer 21 herumdriften sofort durch das Evakuierungsrohr 34 hindurch abgesaugt werden können.

Als nächstes wird unter Bezugnahme auf die Fig. 3 ein Gasabscheidegerät nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrie ben. Es trägt das Bezugszeichen 1'. Gleiche Teile wie die in Fig. 2 sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht noch mals erläutert.

Das Gasabscheidegerät 1' nach dem zweiten Ausführungsbeispiel unter scheidet sich vom Gasabscheidegerät 1 nach dem ersten Ausführungsbei spiel dadurch, daß jetzt das Übertragungsrohr 31 vollständig in einem metallischen Faltenbalg 51 zu liegen kommt. Mit anderen Worten ist jetzt ein Vakuumverbindungsteil des Übertragungsrohres 31 nur am Wand bereich der Abscheidekammer 41 vorhanden. In der oberen Wand der Ultrafeinpartikel-Verdampfungskammer 21 befindet sich ein Öffnungsbe reich 52, durch den hindurch das untere Ende des Übertragungsrohres 31 ins Innere der Ultrafeinpartikel-Verdampfungskammer 21 hineinragt. Der metallische Faltenbalg 51 ist an einem Vorsprung 21a der Kammer 21 an seinem unteren Ende fixiert. Somit sind die Atmosphäre und die Tempera tur im Inneren des metallischen Faltenbalgs 51 dieselben wie in der Ultra feinpartikel-Verdampfungskammer 21. Das Übertragungsrohr 31 hat kei nen unmittelbaren Kontakt mit der äußeren Atmosphäre. Es ist daher ein fach, das Übertragungsrohr 31 zu erwärmen. Darüber hinaus befindet sich der Vakuumverbindungsbereich des Übertagungsrohres 31, welches erwärmt wird, nur am Bodenbereich der Abscheidekammer 41. Das Eva kuierungsrohr 34 ist mit dem Vorsprung 21a der Kammer 21 verbunden und geht seitlich durch eine Öffnung im Vorsprung 21a von diesem ab in Richtung zum Ventil 35.

Der aus Au bestehende Dickfilm auf dem Substrat 42 wird im Gasabschei degerät nach dem zweiten Ausführungsbeispiel unter denselben Bedin gungen wie im Gasabscheidegerät nach dem ersten Ausführungsbeispiel gebildet. Auch beim Gerät nach dem zweiten Ausführungsbeispiel bilden sich keine Klumpen von Partikeln innerhalb des Au-Films, auch wenn dieses Gerät kontinuierlich über 10 Stunden in Betrieb ist. Ebenso liegen auch hier die Scherkräfte beim erhaltenen Film etwa bei 20 kgf/mm² (≈ 2 × 9,80665 × 10⁷ Pa).

Im vorstehenden wurden bevorzugte Ausführungsbeispiele näher be schrieben, worauf die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist.

Wie erwähnt, wird beim Heizen Joulsche Wärme zum Übertragungsrohr 31 dadurch übertragen, daß eine Gleichspannung an das Übertragungsrohr 31 angelegt wird, das als Heizwiderstand dient. Statt dessen kann das Übertragungsrohr 31 auch in anderer Weise erwärmt werden. Hierzu kann z. B. ein Heizdraht um das Übertragungsrohr 31 herumgewickelt und mit einer Spannung beaufschlagt werden.

Ferner war es nach den obigen Ausführungsbeispielen möglich, das Über tragungsrohr 31 zu neigen, um die Lage des Einlasses 31 des Übertra gungsrohres 31 relativ zum Graphittiegel 22 einzustellen. Statt dessen kann aber auch der Graphittiegel 22, um den die Spule 23 herumgewickelt ist, relativ zum festen Übertragungsrohr bewegt werden, um die Relativ position zwischen Einlaß 31a und dem Graphittiegel 22 einzustellen.

Wie ferner bereits erwähnt, verläuft bei den obigen Ausführungsbeispielen das Übertragungsrohr geradlinig. Es kann aber auch leicht gebogen sein, allerdings nur soweit, daß der Strom des Heliumgases, der die ultrafeinen Partikel enthält, nicht gestört wird.

Andererseits wurde bei den obigen Ausführungsbeispielen Au als Material zur Bildung der ultrafeinen Partikel verwendet. Selbstverständlich kön nen zu diesem Zweck auch andere Metalle zum Einsatz kommen, beispiels weise Ag (Silber), Cu (Kupfer), usw. Hier werden dieselben Effekte hin sichtlich der Schichtbildung beobachtet.

Schließlich muß nicht unbedingt Heliumgas als Inertgas bzw. Trägergas zum Einsatz kommen. Auch andere Gase können verwendet werden, um die ultrafeinen Partikel zu transportieren, beispielsweise Ne (Neon), Ar (Argon), und dergleichen.

Claims

1. Gasabscheidegerät, mit:

A) einer Ultrafeinpartikel-Verdampfungskammer (21);
B) einer in der Verdampfungskammer (21) angeordneten Verdampfungs quelle (22);
C) einer Abscheidekammer (41);
D) einem in der Abscheidekammer (41) angeordneten Substrat (42);
E) einem Übertragungsrohr (31), das die Verdampfungskammer (21) mit der Abscheidekammer (41) verbindet, wobei ein Einlaß (31a) des Übertragungs rohrs (31) direkt der Verdampfungsquelle (22) in der Verdampfungskammer (21) gegenüberliegt, und wobei ferner ein Auslaß des Übertragungsrohrs (31) innerhalb der Abscheidekammer (41) liegt;
F) einer Düse (32), die mit dem Auslaß des Übertragungsrohrs (31) verbunden ist, und die auf das in der Abscheidekammer (41) liegende Substrat (42) gerichtet ist; und
G) einem Einlaß (25) zur Einleitung eines Inertgases in die Ultrafein partikel-Verdampfungskammer (21), dadurch gekennzeichnet, daß
Heizeinrichtungen vorgesehen sind, um entweder nur das Übertragungs rohr (31) oder das Übertragungsrohr (31) und die Düse (32) zu erwärmen, und
die Abscheidekammer (41), das Übertragungsrohr (31) und die Ver dampfungskammer (21) in dieser Reihenfolge von oben nach unten entlang einer im wesentlichen vertikal verlaufenden Linie übereinanderliegend ange ordnet sind.

2. Gasabscheidegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein metallischer Faltenbalg (51, 37) so mit der Abscheidekammer (41) und der Verdampfungskammer (21) verbunden ist, daß er das Übertragungsrohr (31) entlang dessen Achse umgibt.

3. Gasabscheidegerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfungsquelle (22) unter Verwendung einer Hochfrequenz- Leistungsquelle induktiv erwärmt wird.

4. Gasabscheidegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Position des Einlasses (31a) des Übertragungsrohrs (31) relativ zur Verdampfungsquelle (21) einstellbar ist.

5. Gasabscheidegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Evakuierungsrohr (34) mit größerem Durchmesser als der des Übertragungsrohres (31) das Übertragungsrohr (31) so konzentrisch umgibt, daß der Einlaß des Evakuierungsrohres (34) oberhalb des Einlasses (31a) des Übertragungsrohres (31) zu liegen kommt, und daß ein ringförmiger Raum zwischen dem Übertragungsrohr (31) und dem Evakuierungsrohr (35, 36) verbunden ist.

6. Gasabscheidegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Düse (32) einen Düsenkanal aufweist, der an der Ausgangs seite kehlförmig und an der Eingangsseite trochoidal ausgebildet ist, wobei der eingangsseitige Teil des Düsenkanals mit dem Auslaß des Übertragungsrohres (31) verbunden ist.

7. Gasabscheidegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß im Einlaß (25) der Verdampfungskammer (21) ein Netzfilter angeordnet ist.