DE69314770T2

DE69314770T2 - Reaktives Abscheidungsverfahren mittels ionisiertem Cluster-Strahl

Info

Publication number: DE69314770T2
Application number: DE69314770T
Authority: DE
Inventors: Akira Hayashi
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-02-26
Filing date: 1993-08-03
Publication date: 1998-06-10
Anticipated expiration: 2013-08-04
Also published as: JPH07150341A; DE69314770D1; JP2766153B2; US5413820A; EP0612860A1; EP0612860B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Abscheidungsverfahren mit einem reaktiven ionisierten Clusterstrahl und spezieller ein Verfahren zum Abscheiden einer qualitativ hochwertigen dünnen Schicht auf der Oberfläche bspw. einer als Träger dienenden dünnen Plastikschicht oder ähnlichem.
Eine Technik zum Abscheiden einer dünnen Metallschicht auf einer Oberfläche bspw. einer dünnen Plastikschicht, etc. ist bspw. in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr.52-10869 offenbart. Das in dieser Patentoffenlegungsschrift offenbarte konventionelle Verfahren zum Bilden einer dünnen Schicht umfaßt im wesentlichen die folgenden Schritte. Eine Abscheidungssubstanz wird in einem Tiegel von geschlossenem Typ verdampft. Die verdampften Abscheidungssubstanzen werden über Injektionsdüsen in eine Vakuumregion eingeleitet, deren Druck genauso groß oder geringer ist als mindestens 1/100 eines Dampfdrucks in dem Tiegel und gleich oder kleiner als ungefähr 1,33 Pa (10&supmin;² Torr). Gleichzeitig bombardiert die eingeleitete Abscheidungssubstanz die Oberfläche des Substrats. Eine Einleitungsgeschwindigkeit wird während dem Einleiten verändert, wodurch eine hyperfeine Struktur während der Ausbildung der dünnen Schicht kontrolliert wird.
Des weiteren existiert zum Erzeugen einer keramischen d"nnen Schicht eines Metalloxids oder eines Metallnitrids ein Abscheidungsverfahren mit einem reaktiven ionisierten Clusterstrahl, das eine Einführung eines reaktiven Gases zusätzlich zu dem obengenannten Verfahren mit einem ionisierten Clusterstrahl erfordert. Bei dieser Gelegenheit sei angemerkt, daß bei dem normalen Verfahren mit einem reaktiven ionisierten Clusterstrahl (R-ICB) ein Vakuumzustand innerhalb des Vakuumbereichs der Größenordnung 27 bis 67 mPa (2 x 10&supmin;&sup4; bis 5 x 10&supmin;&sup4; Torr) vorliegt. Die Reaktion wird durch so hinreichendes Zuführen des reaktiven Gases in die Nähe der Injektionsdüsen in dem Tiegel induziert, daß dieser Vakuumzustand aufrechterhalten werden kann.
Jedoch ist entsprechend dem konventionellen Abscheidungsverfahren mit einem reaktiven ionisierten Clusterstrahl ein Fortkommen von 10 bis 100 cm erforderlich, um einen Zusammenstoß und eine Reaktion zwischen der Abscheidungssubstanz und den Atomen des reaktiven Gases bei einem Vakuumzustand von x 10&supmin;&sup4; zu bewirken. Dies geht auf die folgende Formel zurück, die sich aus einer mittleren freien Weglängentheone ergibt, wenn ein Abstand von bspw. ungefähr 50 cm zwischen einer Verdampfungsquelle und dem Träger besteht
λ = 10&supmin;²/Pr
wobei λ der mittlere freie Weg (cm) ist und Pr der Druck (Torr) ist. Die vollständige Reaktion wird daher mit der voranstehend beschriebenen Anordnung kaum eintreten.
Dann wenn die Konzentration des reaktiven Gases erhöht wird, um einen Vakuumzustand der Größenordnung von x 130 mPa (10&supmin;³ Torr) zu erhalten, so daß ein kollisionsfördernder Abstand, der für ein hinreichendes Fortschreiten der Reaktion benötigt wird, 10 cm oder weniger beträgt, wird eine Glühentladung erzeugt, die dieses Mal auf das reaktive Gas in einer Elektronenemissionsquelle zur Ionisation zurückzuführen ist. Dies resultiert in einem Zerfall der Cluster aufgrund von Plasma (wenn eine Abscheidungssubstanz verdampft wird, bilden verdampfte Atome oder Moleküle einen massiven Körper wie einen Cluster aus Trauben). Die den ionisierten Clusterstrahlen innewohnenden Charakteristiken gehen verloren und gleichzeitig entsteht ein Problem in Form einer Abnutzung des Heiztiegels und der Elektroden, das auf die Reaktion mit dem reaktiven Gas zurückzuführen ist.
Wie voranstehend beschrieben, weist das konventionelle Abscheidungsverfahren mit einem reaktiven ionisierten Clusterstrahl die folgenden Nachteile auf. Wenn im reaktiven Bereich eine hinreichende Gaskonzentration aufrechterhalten wird, bspw. wenn die Konzentration des reaktiven Gases ausreicht, um ein hinreichendes Fortschreiten der Reaktion der Abscheidungssubstanz mit dem Reaktionsgas zu erlauben, werden der Heiztiegel, die Ionisierungseinheit und eine Beschleunigungselektrode durch das reaktive Gas korrodiert. Außerdem wird aufgrund des reaktiven Gases ein Zerfall der Cluster durch das Plasma in der Elektronenemissionsquelle verursacht.
Die EP-A-0 141 417 betrifft ein Verfahren zum Ausbilden einer dünnen Schicht mit Hilfe eines Ionenstrahls. Ein Tiegel, der eine zu verdampfende Substanz zum Abscheiden enthält, wird in einem Vakuumbehälter mit einem Träger auf einem beheizten Halter angeordnet. Der Tiegel und der Träger werden unter Hochspannung gehalten. Der Tiegel ist mit einer Düse zum Dampfaustritt versehen. Ein elektrostatisches Linsensystem ist zwischen der Düse und dem Substrat angeordnet. Weder Druckregelung noch -parameter sind offenbart.
Dementsprechend ist es eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme vermieden werden sollen, ein Abscheidungsverfahren mit einem reaktiven ionisierten Clusterstrahl anzugeben, mit dem eine abgeschiedene dünne Schicht gebildet werden kann, die eine hervorragende Eigenschaft auf der Oberfläche eines Trägers aufweist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine durch das reaktive Gas verursachte Abnutzung der Beschleunigungselektrode zu verhindern, wenn eine dünne Schicht auf der Trägeroberfläche mit Hilfe des Abscheidungsverfahrens mit einem reaktiven ionisierten Clusterstrahl abgeschieden wird.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Zerfall der Cluster aufgrund des Plasmas in der Elektronenemissionsquelle zu verhindern, wenn eine dünne Schicht auf der Trägeroberfläche mit Hilfe des Abscheidungsverfahrens mit einem reaktiven ionisierten Clusterstrahl abgeschieden wird, und eine hinreichende Gaskonzentration in einem reaktiven Bereich aufrechtzuerhalten.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, mit Hilfe des Abscheidungsverfahrens mit einem reaktiven ionisierten Clusterstrahl eine dünne Schicht mit einer guten Kristallinität auf der Substratoberfläche abzuscheiden.
Des weiteren liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Folie herzustellen, auf der mit Hilfe des Abscheidungsverfahrens mit einem reaktiven ionisierten Clusterstrahl eine dünne Schicht abgeschieden ist, die eine exzellente Wasser/Dampffestigkeit aufweist und eine gute Sauerstoffbarriere darstellt. Entsprechend einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Abscheiden einer dünnen Schicht auf einem Träger angegeben, das die Schritte umfaßt:
(a) thermisches Verdampfen einer Abscheidungssubstanz in einem geschlossenen Heiztiegel;
(b) Einleiten des Dampfs der Abscheidungssubstanz in eine Vakuumregion;
(c) Ionisieren von Atomdustern des Dampfs mit Hilfe einer Elektronenemissionsquelle direkt nach dem Einleiten und Transformieren der ionisierten Cluster in ionisierte Clusterstrahlen, indem den Clustern eine Beschleunigungsenergie bei einer Beschleunigungsspannung aufgegeben wird;
(d) Einführen des ionisierten Clusterstrahls in eine zweite Vakuumunterregion (4) durch eine Öffnung, die in einer die Vakuumregion in zwei Vakuumunterregionen aufteilenden Wand ausgebildet ist: eine erste Unterregion (3), in der der geschlossene Heiztigel und eine lonisierungs-Beschleunigungs-Einheit angeordnet sind, und die zweite Vakuumunterregion, in der ein Abschnitt angeordnet ist, auf dem eine dünne Schicht abgeschieden werden soll;
(e) Einführen eines reaktiven Gases in die zweite Vakuumunterregion; und
(f) Auslösen einer Reaktion der ionisierten Clusterstrahlen mit dem reaktiven Gas in der zweiten Vakuumunterregion und Einwirkenlassen des ionisierten Clusterstrahis auf den Abschnitt des Trägers, auf dem eine dünne Schicht abgeschieden werden soll, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren außerdem das Leiten der thermisch verdampften Abscheidungssubstanz aus dem geschlossenen Heiztiegel in die Vakuumregion umfaßt, so daß P&sub1;/P> als ungefähr 10&sup4; bis 10&sup5; (P ist der außerhalb des geschlossenen Heiztiegels herrschende Druck), wobei P&sub1; der beim thermischen Verdampfen der Abscheidungssubstanz in dem Heiztiegel herrschende Dampfdruck ist, wobei die erste Vakuumunterregion in einen Vakuumzustand der Größenordnung von ungefähr x13 bis 0,013 mPa (10&supmin;&sup4; bis 10&supmin;&sup7; Torr) versetzt wird, so daß der Dampfdruck P&sub1; der Abscheidungssubstanz in dem geschlossenen Heiztiegel größer oder gleich 130 mPa (10-3 Torr) ist, und wobei die zweite Vakuumunterregion (4) mit der Einführung des reaktiven Gases in einen Vakuumzustand der Größenordnung von ungefähr xl 3 bis 0,013 mPa (10&supmin;² bis 10&supmin;&sup4; Torr) versetzt wird.
Dabei kann der geschlossene Heiztiegel mit Mehrfachinjektionsdüsen ausgestattet sein, und thermisch verdampfte Abscheidungssubstanzen können über die Injektionsdüsen eingeleitet werden.
In diesem Falle beträgt der Dampfdruck P&sub0; der Abscheidungssubstanz in dem geschlossenen Heiztiegel vorzugsweise 130 bis 1300 Pa (1 bis 10 Torr).
Des weiteren ist der Grad des Vakuums in der zweiten Vakuumunterregion gleich oder geringer als der Grad des Vakuums in der ersten Vakuumunterregion in der durch die Trennwand aufgeteilten Vakuumregion.
Die Abscheidungssubstanzen können die Verwendung eines Metalls, wie Indium, Aluminium, Titan und einer Zwischenverbindung, wie Siliciummonoxid, umfassen.
Der geschlossene Heiztiegel ist vorzugsweise aus einem hitzebeständigen Material, das mit der Verwendung von Tantal, Wolfram oder Graphit verbunden ist, hergestellt.
Das in die zweite Vakuumunterregion eingeführte reaktive Gas kann Sauerstoff oder Stickstoff sein.
Des weiteren ist der als Abschnitt zum Abscheiden der dünnen Schicht dienende Träger vorzugsweise eine Plastikfolie. In diesem Falle ist die Plastikfolie vorzugsweise biaxial orientiert. Die Plastikfolie kann mittels einer Laufeinheit kontinuierlich bewegt werden, und die abgeschiedene dünne Schicht kann während der Bewegung auf der Oberfläche der Plastikfolie gebildet werden.
Entsprechend dem Abscheidungsverfahren mit einem reaktiven ionisierten Clusterstrahl der vorliegenden Erfindung wird die Abscheidungssubstanz in dem geschlossenen Heiztiegel erhitzt, der in der ersten Vakuumunterregion angeordnet ist. Die Dämpfe der Abscheidungssubstanzen werden über die Injektionsdüsen eingeleitet. Zu diesem Zeitpunkt werden Atomduster mit einer adiabatischen Expansion gebildet. Die Cluster werden mit Hilfe einer Elektronenemissionsquelle ionisiert. Gleichzeitig wird eine Beschleunigungsenergie, nämlich eine kinetische Energie, die durch eine Beschleunigungsspannung erzeugt wird, hinzugefügt. Die Cluster treten über die Öffnung der Trennwand in die zweite Vakuumunterregion ein. Die Cluster reagieren mit dem reaktiven Gas in dieser zweiten Vakuumunterregion und bombardieren die Oberfläche des Trägers, die als Abschnitt zum Abscheiden einer dünnen Schicht bestimmt ist.
Die auf die Trägeroberfläche einwirkenden Cluster sind individuell verteilt, und es tritt derselbe Effekt auf wie beim Bewirken einer biaxialen Orientierung einer Plastikfolie. Auf der Trägeroberfläche bildet sich eine dünne Schicht aus, die äquivalent zu der eine gute Kristallinität zeigenden abgeschiedenen dünnen Schicht ist. In diesem Falle darf das in die zweite Vakuurnunterregion eingeführte reaktive Gas nicht über die Öffnung in die erste Vakuumunterregion eintreten, weil die durch die Ionisierung beschleunigten Cluster von der Öffnung der Trennwand nach oben beschleunigt werden, wenn die kinetische Energie von der ersten Vakuumunterregion übertragen wird. Es tritt kein Zerfall der Cluster aufgrund der Glühentladung auf, die in der lonisierungseinheit bewirkt wird. Auch die Elektrode nutzt sich nicht ab.
Eine Verdampfungseinheit des geschlossenen Heiztiegeis kann mit sieben Injektionsdüsen ausgebildet sein. Jede Düse kann einen Öffnungsdurchrnesser von 2 mm aufweisen und können in Abständen von 3 cm in horizontaler Richtung angeordnet sein. Jede Injektionsdüse kann SiO-Dampf in Richtung der ersten Vakuumunterregion leiten, welche auf einen Vakuumzustand der Größenordnung von 67 bis 6,7 mPa (5 x 10&supmin;&sup4; bis 10&supmin;&sup5; Torr) gehalten wird. Die von jeder Injektionsdüse eingeleiteten Atornduster des SiO-Dampfes können direkt nach der Einleitung mit einer Elektronenemissionsquelle ionisiert werden (die Ionisierungsspannung kann 0,5 kV betragen und der Ionisierungsstrom kann 200 mA betragen). Eine Beschleunigungsenergie kann bei einer Beschleunigungsspannung von 5 kV gegen den Träger dann aufgegeben werden, wenn eine SiO-Dampf-Konzentrationsverteilung in horizontaler Richtung gleichmäßig wird. Die ionisierten Atomduster des SiO-Dampfes können dazu bewegt werden, die Öffnung (die 18 cm x 7 cm betragen kann) der Trennwand, die 20 cm oberhalb der Injektionsdüse angeordnet sein kann, zu passieren und dabei in die zweite Vakuumunterregion eingeführt werden. Ein Sauerstoffgas (O&sub2;) kann als reaktives Gas in die zweite Vakuumunterregion zugeführt werden, die oberhalb der Trennwand ausgebildet sein kann. Eine Abflußmenge kann so kontrolliert werden, daß der Vakuumzustand im Bereich von 67 bis 6,7 mPa (5 x 10&supmin;&sup4; bis 10&supmin;&sup5; Torr) liegt. Die Gaskonzentration kann so eingestellt werden, daß eine Beschußentfernung von 10 cm oder weniger zu erwarten ist, was für einen hinreichenden Fortschritt der Reaktion des SiO-Dampfes mit dem reaktiven Gas erforderlich ist.
Fig. 1 ist eine erläuternde Ansicht, die ein Konstruktionsbeispiel einer Vorrichtung zum Abscheiden mit einem reaktiven ionisierten Clusterstrahl entsprechend dieser Erfindung schematisch illustriert.
Fig. 2 ist ein charakteristisches Diagramm, das eine Beziehung der Temperatur gegen den Dampfdruck in der Injektionseinheit für eine Vielzahl von Abscheidungssubstanzen zeigt, wenn die Abscheidungssubstanz in einem Tiegel thermisch verdampft wird; und
Fig. 3 ist ein charakteristisches Diagramm, das ein Meßbeispiel eines Tests von Oxidationscharakteristiken und Abscheidungsgeschwindigkeiten zeigt, wenn eine Sauerstoffgas-Konzentration der Größenordnung 13 mPa (1 x 10&supmin;&sup4; Torr) und 27 mPa (2 x 10&supmin;&sup4; Torr) vorliegt.
Es folgt jetzt eine Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Ein Beispiel für ein Abscheidungsverfahren mit einem reaktiven ionisierten Clusterstrahl und eine dafür geeignete Vorrichtung entsprechend dieser Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen genauer beschrieben.
Fig. 1 illustriert schematisch ein der vorliegenden Erfindung entsprechendes Beispiel einer Vorrichtung 1 zum Abscheiden mit einem reaktiven ionisierten Clusterstrahl.
Diese Abscheidungsvorrichtung 1 weist eine Doppelkammerstruktur auf, in der eine Vakuumregion mit einer Trennwand 2 in eine erste Vakuumunterregion 3 im unteren Bereich und eine zweite Vakuumunterregion 4 im oberen Bereich aufgeteilt ist. Ein Heiztiegel 5 vom geschlossenen Typ zum thermischen Verdampfen einer verdampfbaren Substanz ist in der ersten Vakuumregion 3 angeordnet.
Der geschlossene Heiztiegel 5 ist in zwei Einheiten aufgeteilt, nämlich eine das verdampfbare Material zuführende Einheit 5a und eine Verdampfungseinheit Sb. Der Tiegel 5 arbeitet mit Widerstandsheizung, was mit der Verwendung von Materialien wie Tantal, Wolfram oder Graphit verbunden ist. Die das verdampfbare Material zuführende Einheit 5a, die des weiteren mit einem Elektronengewehr arbeitet, das als Heizquelle hinzugefügt ist, kontrolliert die Menge des zugeführten verdampfbaren Materials. Die Verdampfungseinheit 5b ist mit mehreren Injektionsdüsen 6 ausgestattet, die in einer Reihe angeordnet sind. Eine Elektronenemissionsquelle 7 ist oberhalb dieser Injektionsdüsen 6 angeordnet. Eine Beschleunigungselektrode 8 ist des weiteren oberhalb der Elektronenemissionsquelle 7 angeordnet.
Die Trennwand 2 ist auch mit einer Öffnung 9 ausgebildet, durch die Cluster passieren. Eine Laufeinheit 10 für eine Plastikfolie, die als Träger dient, ist in der zweiten Vakuumunterregion 4 oberhalb der Trennwand 2 angeordnet. Diese Plastikfolienlaufeinheit 10 umfaßt zwei Rollen 11 und 12. Die Rolle 11 ist eine Zuführrolle, auf der eine den Träger bildende Plastikfolie 13 aufgewickelt ist. Die Rolle 12 ist eine Aufnahmeroll zum Aufnehmen der von der Zuführrolle 11 abgewickelten Plastikfolie 13.
Eine Positionierungsrolle 14 zum Positionieren der Plastikfolie 13 an einer Abscheidungseinrichtung oberhalb der Öffnung 9 ist oberhalb der Öffnung 9, die in der Trennwand 2 ausgebildet ist, installiert. Die Plastikfolie 13, die von der Zuführrolle 11 abgewickelt wird, wird auf die Aufnahmerolle 12 über die Positionierungsrolle 14 aufgewickelt. Eine Leitung 15 zum Einleiten eines reaktiven Gases ist in die zweite Vakuumunterregion 4 geführt. Ein Auslaß dieser Einführungsleitung 15 ist zwischen der Öffnung 9 der Trennwand 2 und der Positionierungsrolle 14, die als Abscheidungseinrichtung definiert ist, angeordnet.
Die erste Vakuumunterregion 3 wird in einem Vakuumzustand (P) der Grtßenordnung von x 13 bis 0,013 mPa (10&supmin;&sup4; bis 10&supmin;&sup7; Torr) gehalten. Die zweite Vakuumunterregion 4 wird auch in einem Vakuumzustand der Größenordnung von x 1300 bis 13 mPa (10&supmin;² bis 10&supmin;&sup4; Torr) mit einer Einführung des reaktiven Gases gehalten. Der Vakuumzustand in der zweiten Vakuumunterregion 4 wird auf diese Weise kleiner gehalten als in der ersten Vakuumunterregion 3. D.h., die zweite Vakuumunterregion 4 wird unter einem höheren Druck gehalten als die erste Vakuumunterregion 3. Dadurch soll die Gaskonzentration in der zweiten Vakuumunterregion 4, in die das reaktive Gas eingeführt wird, so erhöht werden, daß eine vollständige Reaktion einer Abscheidungssubstanz mit dem reaktiven Gas in einer kurzen Strecke in dieser Vakuumunterregion 4 bewirkt wird.
Entsprechend der auf diese Weise konstruierten Vorrichtung 1 zum Abscheiden mit einem reaktiven ionisierten Clusterstrahl wird die Abscheidungssubstanz in dem geschlossenen Heiztiegel 5 erhitzt, so daß ein Dampfdruck (P&sub0;) von 130 bis 1300 Pa (1 bis 10 Torr) entsteht. Dabei ist es erforderlich, daß eine Beziehung zwischen dem Dampfdruck in dem geschlossenen Heiztiegel und dem Druck in der ersten Vakuumunterregion 3 außerhalb des Heiztiegeis so gewählt ist, daß die Beziehung: P&sub0;/P> ca. 10&sup4; bis 10&sup5; erfüllt ist.
Dann wird ein Dampf der Abscheidungssubstanz durch jede Injektionsdüse 6 des geschlossenen Heiztiegels 5 in die erste Vakuumunterregion 3 eingeleitet, die einen Vakuumzustand der Größenordnung von x 13 bis 1,3 mPa (10&supmin;&sup4; bis 10&supmin;&sup5; Torr) aufweist. Die Dämpfe, die über die Injektionsdüsen 6 eingeleitet werden, bilden Atomcluster mit einer adiabatischen Expansion. Die Atomduster werden mittels der Elektronenemissionsquelle 7 ionisiert und danach mittels der Beschleunigungselektrode 8 beschleunigt. Die ionisierten Cluster bilden dabei ionisierte Clusterstrahlen 16.
Die ionisierten Clusterstrahlen 16 passieren die Öffnung 9 der Trennwand 2 und treten in die zweite Vakuumunterregion 4 ein. Die Clusterstrahlen reagieren mit dem dort befindlichen reaktiven Gas und bombardieren die Oberfläche der Plastikfolie 13, die oberhalb der Öffnung 9 mit Hilfe der Positionierungsrolle 14 vorbeigeführt wird. Mit diesem Beschuß werden die entsprechenden Atome der ionisierten Cluster verteilt. Es tritt derselbe Effekt auf wie beim Bewirken einer biaxialen Orientierung einer Plastikfolie. Eine hyperfeine Struktur davon kann bemerkenswert gut verbessert werden.
Dabei tritt die folgende Frage im Hinblick auf die Vorrichtung 1 zum Abscheiden mit einem reaktiven ionisierten Clusterstrahl auf, die die voranstehend erläuterte Konstruktion aufweist. Sogar wenn die Vakuumregion mit Hilfe von Trennwänden 2 in so viele Unterregionen wie möglich geteilt wird, ist die Öffnung 9, die als ein Strahldurchtritt dient, in der Trennwand 2 ausgebildet.
Als Konsequenz strömt das reaktive Gas einfach in die erste Vakuumunterregion 4, die einen höheren Vakuumzustand aufweist. Es scheint, daß die entsprechenden Vakuumzustände in den zwei Vakuumunterregionen 3, 4 nicht aufrechterhalten werden können. Diesen Punkt betreffend besteht jedoch kein Problem, wenn der Druck der Clusterstrahlen 16 in der Öffnung 9 der Trennwand 2 gleich oder größer ist als der Druck des reaktiven Gases, das in die erste Vakuumunterregion eintreten soll.
Dieser Punkt wird genauer erklärt. Eine gesamte Strahlenergie direkt nach der Einleitung ist, das kann beurteilt werden, im wesentlichen gleich zu einer gesamten Strahlenergie in der Öffnung 9. Daraus folgt, daß ein Druck des Clusterstrahls 16 pro Flächeneinheit in der Öffnung 9 der Trennwand 2 umgekehrt proportional ist zu einem Verhältnis der Injektionsdüsenfläche zu einer Strahlstreufläche in der Öffnung 9.
Jetzt wird ein Durchmesser jeder Injektionsdüse 6 in dem geschlossenen Heiztiegel 5 von 2 mm angenommen. Ein Gasdruck der Abscheidungssubstanz wird bestimmt als 130 bis 1300 Pa (1 bis 10 Torr), und ein Injektionswinkel wird bestimmt als +/- 10º. In diesem Falle ist die Strahlsstreufläche 20 cm von der Injektionsdüse entfernt ungefähr 1000 x größer als die Injektionsdüsenfläche. Es ist hinreichend möglich, den Druck pro Flächeneinheit in der Injektionsrichtung in der Größenordnung von 130 mPa (10&supmin;³ Torr) zu halten. Außerdem wird durch eine Ionisierungs- Beschleunigungsspannung eine kinetische Energie hinzugefügt, und deshalb besteht absolut kein Problem.
Wie daraus ersichtlich, strömt das reaktive Gas nicht über die Öffnung 9 aus der zweiten Vakuumunterregion 4 in die erste Vakuumunterregion 3. Entsprechend werden der geschlossene Heiztiegel 5 und die Beschleunigungselektrode 8 nicht abgenutzt. Wenn sich ein Abstand zwischen der Injektionsdüse 6 und der Öffnung 9 auf diese Weise vergrößert, verringert sich jedoch der Injektionsdruck des Strahls 15 sofort genug, um eine Wirkung zu reduzieren, aufgrund derer das reaktive Gas daran gehindert wird, in die erste Vakuumunterregion 3 einzutreten. Es ist deshalb erforderlich, die Trennwand 2 besonders sorgfältig anzuordnen.
Als nächstes wird eine Ausführungsform des Abscheidungsverfahrens mit einem reaktiven ionisierten Clusterstrahl dieser Erfindung erläutert.
Siliciummonoxid (SiO), das als Abscheidungssubstanz dient, wird in den Tantal- Heiztiegel 5 gefüllt, der im untersten Bereich der ersten Vakuumunterregion 3 in der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung angeordnet ist. In der Injektionseinheit wird eine Temperatur von 1600 bis 1700 K eingehalten (siehe das in Fig. 2 dargestellte Kurvendiagramm, das eine Beziehung der Temperatur gegen den Dampfdruck zeigt), so daß ein Dampfdruck des SiO von 130 bis 1300 Pa (1 bis 10 Torr) entsteht. Die Zuführeinheit 5a für verdampfbares Material des geschlossenen Heiztiegeis 5 liefert kontinuierlich den SiO-Dampf, der einer Einleitungsmenge durch Elektronenstrahlheizung entspricht.
Die Verdampfungseinheit Sb des geschlossenen Heiztiegels 5 weist sieben Injektionsdüsen 6 auf, die jeweils einen Öffnungsdurchmesser von 2 mm aufweisen und in Abständen von 3 cm in der horizontalen Richtung angeordnet sind. Jede Injektionsdüse 6 leitet den SiO-Dampf in Richtung der ersten Vakuumunterregion 3, in der ein Vakuurnzustand von 67 bis 6,7 mPa (5 x 10&supmin;&sup4; bis 10&supmin;&sup5; Torr) aufrechterhalten wird. Atomduster des SiO-Dampfs, die von jeder Injektionsdüse 6 eingeleitet werden, werden, wie in Fig. 1 dargestellt, direkt nach der Einleitung durch die Elektronenemissionsquelle 7 ionisiert (Ionisierungsspannung: 0,5 kV, Ionisierungsstrom: 200 mA). Genau dann, wenn eine Verteilung der SiO-Dampfkonzentrationen in horizontaler Richtung gleichmäßig wird, wird eine Beschleunigungsenergie durch eine Beschleunigungsspannung von 5 kV gegen den Träger aufgelegt. Die ionisierten Atomcluster des SiO-Dampfs werden dabei dazu veranlaßt, die Öffnung 9 (18 cm x 7 cm) der Trennwand 2 zu passieren, die 20 cm oberhalb der Injektionsdüsen 6 angeordnet ist, und in die zweite Vakuumunterregion 4 eingeleitet.
Der zweiten Vakuumunterregion 4, die oberhalb der Trennwand 2 ausgebildet ist, wird Sauerstoffgas (02) als reaktives Gas zugeführt. Eine Abflußmenge wird so kontrolliert, daß der Vakuumzustand in den Bereich von 670 bis 67 mPa (5 x 10&supmin;³ bis 5 x 10&supmin;&sup4; Torr) fällt. Eine Gaskonzentration wird so eingestellt, daß eine Beschußentfernung von 10 cm oder weniger zu erwarten ist, was für einen hinreichenden Fortschritt der Reaktion des SiO-Dampfs mit dem reaktiven Gas erforderlich ist. Der Abscheidungsträger ist mit der Verwendung einer biaxial orientierten Polyesterfolie einer Dikke von 20 µm und einer Breite von 20 cm verbunden und wird von einer Plastikfolienlaufeinheit 10 mit einer Geschwindigkeit von 20 m/min bewegt.
Das Verdampfen wird unter den voranstehend beschriebenen Bedingungen fortgesetzt, bis die gesamte Menge des bestehenden SiO in dem Tiegel verbraucht ist. Die Vakuumzustände in der ersten und zweiten Unterregion 3, 4, die durch die Trennwand getrennt sind, können einfach in den voranstehend genannten Bereichen gehalten werden. Des weiteren kann eine stabile Abscheidung erzielt werden, ohne daß eine Glühentladung bewirkt wird.
Eine abgeschiedene dünne Schicht, die auf der als Abscheidungsträger dienenden biaxial orientierten Polyesterfolie abgeschieden ist, hat solche Eigenschaften, daß die Folie, was ihre Erscheinung betrifft, farblos und durchsichtig ist. Ihre Dicke beträgt ungefähr 40 nm (40 Å)als Mittelwert von Messungen an mehreren Punkten, und ein IR-Absorptionspeak liegt bei ungefähr 1065 cm&supmin;¹ (siehe Figur 3). Es wird festgestellt, daß eine im wesentlichen vollständige dünne SiO&sub2;-Schicht darauf abgeschieden worden ist. Angemerkt sei, daß Fig. 3 als Referenz ein Meßbeispiel eines Tests für eine Abscheidungsgeschwindigkeit und eine Oxidationscharakteristik zeigt, wenn eine Sauerstoffgas-Konzentration 13 mPa (1 x 10&supmin;&sup4; Torr) und 27 mPa (2 x 10&supmin;&sup4; Torr) beträgt.
Diese Ausführungsform zielt sorgfältig auf die industrielle Produktion ab, und die Abscheidung wird mit einer Geschwindigkeit bewirkt, die mehrere 100 Male der der in Fig. 3 dargestellten Testbedingungen entspricht. Trotzdem wird festgestellt, daß die vollständige und stabile Oxidationsreaktion gezeigt ist. Das Ergebnis ist, daß eine Verfügbarkeit der vergrößerten Wirkung der reaktiven Gaskonzentration bedingt durch die Doppelkammertrennung gezeigt worden ist.
Eine Lebensmitteleinpackfolie kann als eine Anwendung der Plastikfolie angegeben werden, deren Oberfläche durch die abgeschiedene dünne Schicht mit diesem Abscheidungsverfahren mit einem reaktiven ionisierten Clusterstrahl gebildet worden ist. Insbesondere weist die Plastikfolie, die mit einer abgeschiedenen dünnen Schicht mit dem erfindungsgemäßen Abscheidungsverfahren gebildet worden ist, eine extrem gute Hyperfeinstruktur auf, da ihre abgeschiedene dünne Schicht dieselbe Wirkung zeigt, wie das Bewirken der biaxialen Orientierung der Plastikfolie, wie früher erklärt. Diese Plastikfolie ist deshalb hervorragend, was eine Wasser/Dampffestigkeit und ebenfalls ihre Eigenschaft als Sauerstoffsperre betrifft.
Daneben sei erwähnt, daß wenn eine abgeschiedene dünne Schicht aus lndiumoxid auf einer Plastikfolie mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gebildet wird, eine transparente leitfähige Folie mit guter Leitfähigkeit kostengünstig hergestellt werden kann.
Wie voranstehend erörtert, weist eine auf der oberen Oberfläche des Trägers entsprechend dem erfindungsgemäßen Abscheidungsverfahren mit einem reaktiven ionisierten Clusterstrahl und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung abgeschiedene dünne Schicht wirklich exzellente Eigenschaften auf. Im Ergebnis ist es möglich, Folien mit einer abgeschiedenen dünnen Schicht bereitzustellen, die hervorragend im Hinblick auf die Wasserldampffestigkeit und genauso auf die Sauerstoffbarriereeigenschaften ist. Wird diese Folie zum Einpacken von Lebensmitteln verwendet, so lassen sich diese damit bemerkenswert gut konservieren.
Wird des weiteren die abgeschiedene dünne Schicht aus lndiumoxid auf einer Plastikfolie mit Hilfe des erfindungsgemäßen Abscheidungsverfahrens gebildet, so kann eine transparente leitfähige Folie mit guter Leitfähigkeit hergestellt werden. Das Anwendungsfeld für diese Erfindung ist sehr breit.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist es machbar die Folie mit der abgeschiedenen dünnen Schicht mit ausgezeichneter Wasserldampffestigkeit und Sauerstoffbarriereeigenschaften herzustellen. Diese Folie kann deshalb zum Einpacken von Lebensmitteln verwendet werden. Die transparente leitfähige Folie, die eine gute Leitfähigkeit aufweist, kann auch hergestellt werden und deshalb als Teil einer folienähnlichen Solarzelle verwendet werden.

Claims

1. Ein Verfahren zum Abscheiden einer dünnen Schicht auf einem Träger, umfassend die Schritte:

(a) thermisches Verdampfen einer Abscheidungssubstanz in einem geschlossenen Heiztiegel (5);

(b) Einleiten des Dampfs der Abscheidungssubstanz in eine Vakuumregion;

(c) Ionisieren von Atomdustern des Dampfs mit Hilfe einer Elektronenemissionsquelle (7) direkt nach dem Einleiten und Transformieren der ionisierten Cluster in ionisierte Clusterstrahlen, indem den Clustern eine Beschleunigungsenergie bei einer Beschleunigungsspannung aufgegeben wird;

(d) Einführen des ionisierten Clusterstrahls in eine zweite Vakuumunterregion (4) durch eine Öffnung, die in einer die Vakuumregion in zwei Vakuumunterregionen aufteilenden Wand ausgebildet ist: eine erste Unterregion (3), in der der geschlossene Heiztigel und eine Ionisierungs-Beschleunigungs-Einheit angeordnet sind, und die zweite Vakuumunterregion (4), in der ein Abschnitt angeordnet ist, auf dem eine dünne Schicht abgeschieden werden soll;

(e) Einführen eines reaktiven Gases in die zweite Vakuumunterregion (4); und

(f) Auslösen einer Reaktion der ionisierten Clusterstrahlen mit dem reaktiven Gas in der zweiten Vakuumunterregion (4) und Einwirkenlassen des ionisierten Clusterstrahls auf den Abschnitt des Trägers, auf dem eine dünne Schicht abgeschieden werden soll, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren außerdem das Leiten der thermisch verdampften Abscheidungssubstanz aus dem geschlossenen Heiztiegel (5) in die Vakuumregion umfaßt, so daß P&sub1;/P> als ungefähr 10&sup4; bis 10&sup5; (P ist der außerhalb des geschlossenen Heiztiegels herrschende Druck), wobei P&sub1; der beim thermischen Verdampfen der Abscheidungssubstanz in dem Heiztiegel (5) herrschende Dampfdruck ist, wobei die erste Vakuumunterregion (3) in einen Vakuumzustand der Größenordnung von ungefähr x13 bis 0,013 mPa (10&supmin;&sup4; bis 10&supmin;&sup7; Torr) versetzt wird, so daß der Dampfdruck P&sub1; der Abscheidungssubstanz in dem geschlossenen Heiztiegel größer oder gleich 130 mPa (10&supmin;³ Torr) ist, und wobei die zweite Vakuumunterregion (4) mit der Einführung des reaktiven Gases in einen Vakuumzustand der Größenordnung von ungefähr x13 bis 0,013 mPa (10&supmin;² bis 10&supmin;&sup4; Torr) versetz wird.

2. Das Abscheidungsverfahren mit einem reaktiven ionisierten Clusterstrahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfdruck P&sub0; der Abscheidungssubstanz in dem geschlossenen Heiztiegel größer oder gleich 130 Pa (1 Torr) ist.

3. Das Abscheidungsverfahren mit einem reaktiven ionisierten Clusterstrahl nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß derDampfdruck P&sub0; der Abscheidungssubstanz in dem geschlossenen Heiztiegel kleiner oder gleich 1300 Pa (10 Torr) ist.

4. Das Abscheidungsverfahren mit einem reaktiven ionisierten Clusterstrahl nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidungssubstanz ein Metall, wie lndium, Aluminium, Titan, und eine Zwischenverbindung, wie Siliciummonoxid, ist.

5. Das Abscheidungsverfahren mit einem reaktiven ionisierten Clusterstrahl nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der geschlossene Heiztiegel (5) aus einem hitzebeständigen Material, das mit der Verwendung von Tantal, Wolfram oder Graphit verbunden ist, hergestellt ist.

6. Das Abscheidungsverfahren mit einem reaktiven ionisierten Clusterstrahl nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das in die zweite Vakuumunterregion (4) eingeführte reaktive Gas Sauerstoff oder Stickstoff ist.

7. Das Abscheidungsverfahren mit einem reaktiven ionisierten Clusterstrahl nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der als Abschnitt zum Abscheiden einer dünnen Schicht dienende Träger eine Plastikfolie (13) ist.

8. Das Abscheidungsverfahren mit einem reaktiven ionisierten Clusterstrahl nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Plastikfolie (13) biaxial orientiert ist.

9. Das Abscheidungsverfahren mit einem reaktiven ionisierten Clusterstrahl nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Plastiktohe (13) mittels einer Laufeinheit (10) kontinuierlich bewegt wird und daß die abgeschiedene dünne Schicht (13) während der Bewegung auf der Oberfläche der Plastikfolie gebildet wird.

10. Das Abscheidungsverfahren mit einem reaktiven ion isierten Clusterstrahl nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verdampfungseinheit (56) des geschlossenen Heiztiegels (5) mit sieben Injektionsdüsen (6) ausgebildet ist, wobei jede einen Öffnungsdurchmesser von 2 mm aufweist und die Injektionsdüsen (6) in Abständen von 3 cm in horizontaler Richtung angeordnet sind, daß jede Injektionsdüse (6) SiO-Dampf in Richtung der ersten Vakuumunterregion (3) injiziert, welche auf einen Vakuumzustand der Größenordnung von 67 bis 6,7 mPa (5 x 10&supmin;&sup4; bis 10&supmin;&sup5; Torr) gehalten wird, daß die von jeder Injektionsdüse (6) injizierten Atomduster des SiO-Dampfes direkt nach der Injektion mit einer Elektronenemissionsquelle (7) ionisiert werden (lonisierungsspannung: 0,5 kV, Ionisierungsstrom: 200 mA), daß eine Beschleunigungsenergie bei einer Beschleunigungsspannung von 5 kV gegen den Träger dann aufgegeben wird, wenn eine SiO-Dampf-Konzentrationsverteilung in horizontaler Richtung gleichmäßig wird, daß die ionisierten Atomcluster des SiO-Dampfes dazu bewegt werden, die Öffnung (18 cm x 7 cm) der Trennwand (2), die 20 cm oberhalb der Injektionsdüse (7) angeordnet ist, zu passieren und dabei in die zweite Vakuumunterregion (4) eingeführt werden, daß ein Sauerstoffgas (O&sub2;) als reaktives Gas in die zweite Vakuumunterregion (4) zugeführt wird, die oberhalb der Trennwand (2) ausgebildet ist, daß eine Abflußmenge so kontrolliert wird, daß der Vakuumzustand im Bereich von 67 bis 6,7 mPa (5 x 10&supmin;&sup4; bis 10&supmin;&sup5; Torr) liegt, und daß die Gaskonzentration so eingestellt wird, daß eine Beschußentfernung von 10 cm oder weniger zu erwarten ist, was für einen hinreichenden Fortschritt der Reaktion des SiO-Dampfes mit dem reaktiven Gas erforderlich ist.