EP2069551A2 - Apparatus and method of forming thin layers on substrate surfaces - Google Patents

Apparatus and method of forming thin layers on substrate surfaces

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EP2069551A2
EP2069551A2 EP07801316A EP07801316A EP2069551A2 EP 2069551 A2 EP2069551 A2 EP 2069551A2 EP 07801316 A EP07801316 A EP 07801316A EP 07801316 A EP07801316 A EP 07801316A EP 2069551 A2 EP2069551 A2 EP 2069551A2
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EP
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reaction chamber
plasma
plasma source
electromagnetic radiation
precursor
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Withdrawn
Application number
EP07801316A
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German (de)
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Birte Dresler
Volkmar Hopfe
Ines Dani
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Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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    • C23C16/54—Apparatus specially adapted for continuous coating
    • C23C16/545—Apparatus specially adapted for continuous coating for coating elongated substrates

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for forming thin layers on substrate surfaces.
  • electromagnetic radiation emitted by a source is directed from the outside through a window into a coating chamber.
  • windows have to be cleaned very expensive and there are transmission losses.
  • Layers can also be formed in SoI gel technique. However, not all desired coating materials can be realized and very high temperatures are required for forming and curing the rails.
  • a layer formation by means of plasma sources under atmospheric pressure conditions is known from DE 102 39 875 A1, DE 10 2004 015 216 B4 and the formation of thin layers of silicon nitride from DE 10 2004 015 217 B4.
  • a plasma source is used, which is supplied to a gas or gas mixture for plasma formation.
  • the plasma gas also contains at least one component which is also used for layering. But it can also be at least one
  • plasma is aimed directly at the surface of the substrate to be coated and for the reactive formation of layers Substrate surfaces directly and actively effective.
  • plasma sources arc or microwave plasma sources can be used.
  • this object is achieved with a device having the features of claim 1. It can be worked with a method according to claim 12. Advantageous embodiments and further developments of the invention can be achieved with features described in the subordinate claims.
  • the device according to the invention is designed so that a supply for at least one gaseous precursor is present at a reaction chamber area above a substrate surface to be coated, which contributes to layer formation.
  • a source emitting electromagnetic radiation which is a plasma source, is arranged so that with the emitted electromagnetic
  • the plasma source should in this case be arranged and should also be operated in such a way that no direct influence of the plasma on the substrate surface and the precursors leading to the layer formation occurs and only the emitted electromagnetic radiation acts.
  • the plasma source should be arranged within the reaction chamber area, wherein a window arranged therebetween can be dispensed with in order to avoid the disadvantages already mentioned in the introductory part of the description.
  • the invention can be used under vacuum conditions but also at atmospheric pressure, where atmospheric pressure is to be understood as meaning a pressure range of ⁇ 300 Pa around the respective ambient atmospheric pressure.
  • Electromagnetic radiation in the wavelength range of UV light and below is particularly suitable for the desired photolytic activation.
  • This can be achieved with suitable gases for plasma formation.
  • the particular gas or gas mixture has an influence on the emission spectrum of the radiation and can therefore be adapted to the precursor (s) used for layer formation.
  • the following gases can be used each alone but also as a mixture of at least two of these gases: argon, neon, helium, nitrogen, ammonia, hydrogen, oxygen, carbon dioxide, nitrogen dioxide and water vapor.
  • various layers of different materials, with certain stoichiometries and lattice structure, or network structure can be formed.
  • organic silicon compounds can be used as precursors. Alternatively, or as a mixture, these may also be silanes or halosilanes, which may also be supplied as a gas mixture and photolytically activated for the formation of layers. By chemical reactions, the particular desired layer material can then be formed as a thin layer on the substrate surface.
  • an amorphous hydrogen-containing silicon nitride layer can be formed as a layer on silicon wafers for solar cells in order to improve the optical properties for this application compared to known solutions and at the same time to achieve a passivation effect against defects.
  • argon nitrogen or an argon-ammonia mixture in the ratio of 100: 1 eingstation.
  • the ratio of layer-forming ammonia to silane is for example 4: 1.
  • the substrate temperature during the layer formation is about 150 0 C, but can be increased to improve the layer properties up to 400 0 C.
  • the deposition rate is usually in the range of 1 to 2 nm / s.
  • the refractive index of the layers can be adjusted within wide limits by the choice of the ratio of ammonia to silane between 1.7 and 2.3.
  • For the layer formation with carbon-containing compounds can be used as precursors saturated or unsaturated hydrocarbons but also halogenated hydrocarbons, for example C 2 H 2 , CH 4 or C 2 H 4 in combination with nitrogen, ammonia or hydrogen.
  • FIG. 1 shows a perspective view of an example of a device according to the invention
  • FIG. 2 is a sectional view of a device according to FIG. 1.
  • Device can be constructed at least similar, as has already been mentioned in the introduction to the description of the formation of layers at atmospheric pressure by means of plasma. Only a different arrangement and / or a different operation of the plasma source 2 has been selected.
  • a substrate 1 which is to be coated on a surface, introduced and passed through the device. There is a relative movement between the substrate 1 and the device. Thus, the entire but at least a large part of the surface can be coated.
  • a plasma is created with an arc between a cathode and an anode is formed.
  • the plasma source 2 is arranged in a windowless reaction chamber area 11.
  • the arc is fed to a plasma gas.
  • a volume flow and also a pressure for supplied plasma gas is selected, which is sufficient for plasma formation and thus for the emission of electromagnetic radiation but prevents plasma from entering a region of the reaction chamber region 11 in the precursor for the formation of thin layers.
  • One or more gaseous precursor (s) are introduced via the feed 9 into the reaction chamber area 11.
  • the activation of the atoms and / or molecules of the precursor (s) takes place exclusively photolytically by means of the electromagnetic radiation emitted by the plasma source 2. Through this activation, chemical reactions of the precursor (s) take place and the thin layer can be formed on the surface of the substrate 1.
  • FIG. 2 is intended to further clarify how one suitable for use under atmospheric pressure
  • Device can be formed.
  • a sensor 10 is present at the supply for plasma gas, with the aid of which a control by a determination of pressure and / or flow rate of the supplied plasma gas can be done.
  • the correspondingly elongate arc plasma source 2 aligned in the plane of the drawing is arranged here in a slot-shaped reaction chamber region 11. From the plasma emitted electromagnetic radiation impinges on the surface of the substrate to be coated 1 and thereby penetrates gaseous precursor (s) which is / are introduced via the supply 9 just above the surface of the substrate into the reaction chamber region 11.
  • the superfluous reaction products can be removed as exhaust gas via an exhaust gas extraction 5 and 5 '. This can be done in the feed direction in front of and behind the reaction chamber area 11 but also circumferentially.
  • Gap 7 are supplied.
  • the purge gas flows out of the device in one direction and toward the reaction chamber region 11 in the opposite direction.
  • purge gas can be removed again with the exhaust gas via the exhaust 5 and 5 ', so that no but at least the largest part of the purge gas supplied does not enter the reaction chamber region 11 and the layer formation process is not affected thereby.
  • reaction chamber area 11 can also be designed such that, starting from the plasma source 11, it widens as conically as possible. As a result, a larger surface area can be used, since the emitted electromagnetic radiation propagates divergently anyway. Thus, at least the plasma-assisted reduced coating rate can be compensated again.
  • the device shown in FIGS. 1 and 2 has a further advantage over other devices which can also be used with the invention. It can be operated temporarily, if desired, even in conventional form. This is particularly favorable in the case of a layer formation with at least two layers which are arranged one above the other.
  • the substrate 1, as indicated by the arrow in Figure 1 are first passed through from left to right through the device.
  • the formation of the layer is carried out according to the invention alone by photolytic activation. Subsequently, an oppositely directed movement of the substrate through the device takes place. In this case, pressure and / or volume flow of the plasma gas is increased so that the layer formation can be carried out in a conventional manner.

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Abstract

The invention relates to an apparatus and a method of forming thin layers on substrate surfaces. It is an object of the invention to provide possibilities allowing thin layers to be produced on substrate surfaces, exhibiting a defined layered-material formation having desired properties. The apparatus of the invention is designed so that at a reaction chamber region, above a substrate surface to be coated, there is a supply for at least one gaseous precursor that contributes to layer formation. Moreover, a source emitting electromagnetic radiation, which is a plasma source, is disposed in such a way that the electromagnetic radiation emitted effects photolytic activation of atoms and/or molecules of the precursor(s). The plasma source ought to be so disposed, and is also to be operated in such a way, that there is no direct influence of the plasma on the substrate surface and on the precursors that lead to layer formation.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Ausbildung dünner Schichten auf SubstratoberflächenApparatus and method for forming thin films on substrate surfaces
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Ver- fahren zur Ausbildung dünner Schichten auf Substrat- Oberflächen.The invention relates to a device and a method for forming thin layers on substrate surfaces.
In der Dünnschichttechnik sind die verschiedensten Verfahren bekannt, um dünne Schichten auf Substrat- Oberflächen auszubilden. Die Ausbildung erfolgt dabei überwiegend unter Vakuumbedingungen, beispielsweise durch thermische CVD-, PVD oder PECVD-Techniken erfolgen. Es liegt auf der Hand, dass der Herstellungs- aufwand erheblich ist und es sind nur begrenzte Sub- stratflachen so beschichtbar.In thin film technology, various methods are known for forming thin layers on substrate surfaces. The training takes place predominantly under vacuum conditions, for example by thermal CVD, PVD or PECVD techniques done. It is obvious that the production cost is considerable and only limited substrate surfaces are so coatable.
Es können häufig nur geringe Beschichtungsraten erzielt oder es müssen Probleme durch Beschichtungsfeh- ler (z.B. Droplets oder eine inhomogene Schichtaus- bildung) in Kauf genommen werden. Bestimmte Eigen- Schäften einer Beschichtung können nicht erreicht werden, was auch auf weitere noch zu erwähnende Verfahren zu treffen kann. Insbesondere bei einer CVD- Beschichtung kann durch die erforderlichen hohen Tem- peraturen auch eine Beeinträchtigung von Schicht- und Substrat auftreten.Often only low coating rates can be achieved or problems due to coating defects (eg droplets or inhomogeneous layer formation) must be accepted. Certain eigen- Shafts of a coating can not be achieved, which may also apply to other methods to be mentioned. Particularly in the case of a CVD coating, the required high temperatures can also impair the layer and substrate.
Es ist auch bekannt elektromagnetische Strahlung im Vakuum für CVD-Beschichtungen einzusetzen. Dabei wird von einer Quelle emittierte elektromagnetische Strahlung von außen durch ein Fenster in eine Beschich- tungskammer gerichtet. Solche Fenster müssen aber sehr aufwendig gereinigt werden und es treten Trans- missionsverluste auf.It is also known to use electromagnetic radiation in vacuum for CVD coatings. In this case, electromagnetic radiation emitted by a source is directed from the outside through a window into a coating chamber. However, such windows have to be cleaned very expensive and there are transmission losses.
Schichten können auch in SoI -Gel-Technik ausgebildet werden. Hierbei sind aber nicht alle gewünschten Schichtwerkstoffe realisierbar und es sind sehr hohe Temperaturen zum Formieren und Aushärten der Schien- ten erforderlich.Layers can also be formed in SoI gel technique. However, not all desired coating materials can be realized and very high temperatures are required for forming and curing the rails.
Eine Schichtausbildüng mittels Plasmaquellen unter Atmosphärendruckbedingungen ist aus DE 102 39 875 Al, DE 10 2004 015 216 B4 und die Bildung dünner Schich- ten aus Siliciumnitrid aus DE 10 2004 015 217 B4 bekannt. Bei diesen Lösungen wird eine Plasmaquelle eingesetzt, der ein Gas oder Gasgemisch zur Plasmabildung zugeführt wird. Das Plasmagas enthält auch zumindest eine Komponente, die auch zur Schichtbil- düng genutzt wird. Es kann aber auch mindestens einA layer formation by means of plasma sources under atmospheric pressure conditions is known from DE 102 39 875 A1, DE 10 2004 015 216 B4 and the formation of thin layers of silicon nitride from DE 10 2004 015 217 B4. In these solutions, a plasma source is used, which is supplied to a gas or gas mixture for plasma formation. The plasma gas also contains at least one component which is also used for layering. But it can also be at least one
Precursorgas zusätzlich in das Plasma oder in den abströmenden Plasmagasfluss eingeführt und für die Schichtbildung genutzt werden („Remote Plasmaaktivierung") . In jedem Fall wird aber Plasma unmittelbar auf die zu beschichtende Substratoberfläche gerichtet und für die reaktive Ausbildung von Schichten auf Substratoberflächen direkt und aktiv wirksam. Als Plasmaquellen können Lichtbogen- oder Mikrowellenplasmaquellen eingesetzt werden.In addition, plasma is aimed directly at the surface of the substrate to be coated and for the reactive formation of layers Substrate surfaces directly and actively effective. As plasma sources arc or microwave plasma sources can be used.
Es hat sich gezeigt, dass sich mit diesen bekannten technischen Lösungen verschiedenste Schichten ausbilden lassen, wie dies für Siliciumnitrid aus DE 10 2004 015 217 B4 explizit bekannt ist.It has been shown that various layers can be formed with these known technical solutions, as is explicitly known for silicon nitride from DE 10 2004 015 217 B4.
Bestimmte Eigenschaften und Schichtwerkstoffkomposi- tionen können in dieser Form aber auch nicht erreicht werden .However, certain properties and coating material compo- sitions can not be achieved in this form either.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung Möglichkeiten zur Verfügung zu stellen, mit denen dünne Schichten auf Substratoberflächen hergestellt werden können, die eine bestimmte Schichtwerkstoffausbildung mit gewünschten Eigenschaften aufweisen.It is therefore an object of the invention to provide options with which thin layers can be produced on substrate surfaces having a certain coating material formation with desired properties.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Dabei kann mit einem Verfahren nach Anspruch 12 gearbeitet werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in unterge- ordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden .According to the invention, this object is achieved with a device having the features of claim 1. It can be worked with a method according to claim 12. Advantageous embodiments and further developments of the invention can be achieved with features described in the subordinate claims.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dabei so ausgebildet, dass an einem Reaktionskammerbereich oberhalb einer zu beschichtenden Substratoberfläche eine Zuführung für mindestens einen gasförmigen Precursor vorhanden ist, der zur Schichtbildung beiträgt. Außerdem ist eine elektromagnetische Strahlung emittierende Quelle, die eine Plasmaquelle ist, so angeord- net, dass mit der emittierten elektromagnetischenIn this case, the device according to the invention is designed so that a supply for at least one gaseous precursor is present at a reaction chamber area above a substrate surface to be coated, which contributes to layer formation. In addition, a source emitting electromagnetic radiation, which is a plasma source, is arranged so that with the emitted electromagnetic
Strahlung eine photolytische Aktivierung von Atomen und/oder Molekülen des/der Precursor (en) erfolgt. Die Plasmaquelle sollte dabei so angeordnet sein und soll auch so betrieben werden, dass kein unmittelbarer Einfluss des Plasma auf die Substratoberfläche und die zur Schichtausbildung führenden Precursoren auftritt und ausschließlich die emittierte elektromagnetische Strahlung wirkt.Radiation a photolytic activation of atoms and / or molecules of the precursor (s). The plasma source should in this case be arranged and should also be operated in such a way that no direct influence of the plasma on the substrate surface and the precursors leading to the layer formation occurs and only the emitted electromagnetic radiation acts.
Bevorzugt soll die Plasmaquelle innerhalb des Reakti- onskammerbereichs angeordnet sein, wobei auf ein dazwischen angeordnetes Fenster verzichtet werden kann, um die im einleitenden Teil der Beschreibung bereits erwähnten Nachteile zu vermeiden.Preferably, the plasma source should be arranged within the reaction chamber area, wherein a window arranged therebetween can be dispensed with in order to avoid the disadvantages already mentioned in the introductory part of the description.
Die Erfindung kann unter Vakuumbedingungen aber auch bei Atmosphärendruck eingesetzt werden, wobei unter Atmosphärendruck ein Druckbereich von ± 300 Pa um den jeweiligen Umgebungsatmosphärendruck verstanden werden soll.The invention can be used under vacuum conditions but also at atmospheric pressure, where atmospheric pressure is to be understood as meaning a pressure range of ± 300 Pa around the respective ambient atmospheric pressure.
Besonders bevorzugt soll mit der Plasmaquelle elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen kleiner als 230 nm emittiert werden. Elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich des UV-Lichts und darunter ist für die gewünschte photolytische Aktivierung besonders geeignet . Dies kann mit geeigneten Gasen für die Plasmabildung erreicht werden. Das jeweilige Gas oder Gasgemisch hat einen Einfluss auf das Emissionsspektrum der Strahlung und kann daher auf den/die für Schichtbildung eingesetzten Precursor (en) angepasst werden. Für die Bildung des Plasmas können folgende Gase jeweils allein aber auch als Gemisch mindestens zwei dieser Gase eingesetzt werden: Argon, Neon, Helium, Stickstoff, Ammoniak, Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid, Stickstoffdioxid und Wasserdampf. Mit der Erfindung können verschiedene Schichten aus verschiedenen Werkstoffen, mit bestimmten Stöchio- metrien und Gitteraufbau, bzw. Netzwerkstruktur ausgebildet werden.Particularly preferred is to be emitted with the plasma source electromagnetic radiation having wavelengths less than 230 nm. Electromagnetic radiation in the wavelength range of UV light and below is particularly suitable for the desired photolytic activation. This can be achieved with suitable gases for plasma formation. The particular gas or gas mixture has an influence on the emission spectrum of the radiation and can therefore be adapted to the precursor (s) used for layer formation. For the formation of the plasma, the following gases can be used each alone but also as a mixture of at least two of these gases: argon, neon, helium, nitrogen, ammonia, hydrogen, oxygen, carbon dioxide, nitrogen dioxide and water vapor. With the invention, various layers of different materials, with certain stoichiometries and lattice structure, or network structure can be formed.
Sollen Schichten mit Silicium ausgebildet werden, können organische Siliciumverbindungen als Precurso- ren eingesetzt werden. Alternativ oder im Gemsich können das auch Silane oder auch Halogensilane sein, die auch als Gasgemisch zugeführt und photolytisch für die Schichtbildung aktiviert werden können. Durch chemische Reaktionen kann dann der jeweils gewünschte Schichtwerkstoff als dünne Schicht auf der Substrat- Oberfläche gebildet werden.If layers with silicon are to be formed, organic silicon compounds can be used as precursors. Alternatively, or as a mixture, these may also be silanes or halosilanes, which may also be supplied as a gas mixture and photolytically activated for the formation of layers. By chemical reactions, the particular desired layer material can then be formed as a thin layer on the substrate surface.
So kann beispielsweise mit SiH4 und Ammoniak eine amorphe Wasserstoffhaltige Siliciumnitridschicht , als Schicht auf Silicium-Wafern für Solarzellen ausgebildet werden, um die optischen Eigenschaften für diesen Einsatzfall gegenüber bekannten Lösungen zu verbessern und gleichzeitig eine Passivierungswirkung gegenüber Defekten zu erzielen.Thus, for example, with SiH 4 and ammonia, an amorphous hydrogen-containing silicon nitride layer can be formed as a layer on silicon wafers for solar cells in order to improve the optical properties for this application compared to known solutions and at the same time to achieve a passivation effect against defects.
Als Plasmagas zur Erzeugung der elektromagnetischen Strahlung kann Argon-Stickstoff oder ein Argon- Ammoniak-Gemisch im Verhältnis von 100:1 einegsetzt werden. Das Verhältnis von schichtbildendem Ammoniak zu Silan beträgt beispielsweise 4:1. Die Substrattemperatur während der Schichtausbildung beträgt ca. 150 0C, kann zur Verbesserung der Schichteigenschaften aber bis auf 400 0C erhöht werden. Die Abscheiderate liegt üblicherweise im Bereich von 1 bis 2 nm/s. Der Brechungsindex der Schichten kann in weiten Grenzen durch die Wahl der Verhältnisses von Ammoniak zu Si- lan zwischen 1,7 und 2,3 eingestellt werden. Für die Schichtbildung mit Kohlenstoff enthaltenden Verbindungen können als Precursoren gesättigte oder ungesättigte Kohlenwasserstoffe aber auch Halogenkohlenwasserstoffe, beispielsweise C2H2, CH4 oder C2H4 in Verbindung mit Stickstoff, Ammoniak oder Wasserstoff eingesetzt werden.As a plasma gas for generating the electromagnetic radiation argon nitrogen or an argon-ammonia mixture in the ratio of 100: 1 eingsetzt. The ratio of layer-forming ammonia to silane is for example 4: 1. The substrate temperature during the layer formation is about 150 0 C, but can be increased to improve the layer properties up to 400 0 C. The deposition rate is usually in the range of 1 to 2 nm / s. The refractive index of the layers can be adjusted within wide limits by the choice of the ratio of ammonia to silane between 1.7 and 2.3. For the layer formation with carbon-containing compounds can be used as precursors saturated or unsaturated hydrocarbons but also halogenated hydrocarbons, for example C 2 H 2 , CH 4 or C 2 H 4 in combination with nitrogen, ammonia or hydrogen.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher er- läutert werden.Below, the invention will be explained in more detail by way of example.
Dabei zeigen:Showing:
Figur 1 eine perspektivische Darstellung eines Bei- spiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und1 shows a perspective view of an example of a device according to the invention and
Figur 2 eine Schnittdarstellung einer Vorrichtung nach Figur 1.FIG. 2 is a sectional view of a device according to FIG. 1.
Die für die Erfindung und in Figuren 1 und 2 gezeigteThe shown for the invention and in Figures 1 and 2
Vorrichtung kann zumindest ähnlich aufgebaut sein, wie dies in der Beschreibungseinleitung für die Ausbildung von Schichten bei Atmosphärendruck mittels Plasma bereits angesprochen worden ist. Es ist ledig- lieh eine davon abweichende Anordnung und/oder ein abweichender Betrieb der Plasmaquelle 2 gewählt worden.Device can be constructed at least similar, as has already been mentioned in the introduction to the description of the formation of layers at atmospheric pressure by means of plasma. Only a different arrangement and / or a different operation of the plasma source 2 has been selected.
Durch einen Spalt 7 wird ein Substrat 1, das an einer Oberfläche beschichtet werden soll, eingeführt und durch die Vorrichtung hindurchgeführt. Es erfolgt dabei eine Relativbewegung zwischen Substrat 1 und der Vorrichtung. So kann die gesamte zumindest jedoch ein großer Teil der Oberfläche beschichtet werden.Through a gap 7, a substrate 1, which is to be coated on a surface, introduced and passed through the device. There is a relative movement between the substrate 1 and the device. Thus, the entire but at least a large part of the surface can be coated.
Ein Plasma wird mit einem Lichtbogen, der zwischen einer Kathode und einer Anode ausgebildet ist, gebildet. Die Plasmaquelle 2 ist in einem fensterlosen Reaktionskammerbereich 11 angeordnet. Dem Lichtbogen wird ein Plasmagas zugeführt.A plasma is created with an arc between a cathode and an anode is formed. The plasma source 2 is arranged in a windowless reaction chamber area 11. The arc is fed to a plasma gas.
Dabei wird ein Volumenstrom und auch ein Druck für zugeführtes Plasmagas gewählt, der zur Plasmaausbildung und damit zur Emission elektromagnetischer Strahlung ausreicht aber verhindert, dass Plasma in einen Bereich des Reaktionskammerbereichs 11 gelangt in dem Precursor für die Ausbildung dünner Schichten vorhanden ist.In this case, a volume flow and also a pressure for supplied plasma gas is selected, which is sufficient for plasma formation and thus for the emission of electromagnetic radiation but prevents plasma from entering a region of the reaction chamber region 11 in the precursor for the formation of thin layers.
Ein oder auch mehrere gasförmige Precursor (en) werden über die Zuführung 9 in den Reaktionskammerbereich 11 eingeführt. Die Aktivierung der Atome und/oder Moleküle des/der Precursor (en) erfolgt ausschließlich photolytisch mittels der von der Plasmaquelle 2 emittierten elektromagnetischen Strahlung. Durch diese Aktivierung erfolgen chemische Reaktionen des/der Precursor (en) und die dünne Schicht kann auf der Oberfläche des Substrates 1 ausgebildet werden.One or more gaseous precursor (s) are introduced via the feed 9 into the reaction chamber area 11. The activation of the atoms and / or molecules of the precursor (s) takes place exclusively photolytically by means of the electromagnetic radiation emitted by the plasma source 2. Through this activation, chemical reactions of the precursor (s) take place and the thin layer can be formed on the surface of the substrate 1.
Mit Figur 2 soll weiter verdeutlicht werden, wie eine für einen Einsatz unter Atmosphärendruck geeigneteFIG. 2 is intended to further clarify how one suitable for use under atmospheric pressure
Vorrichtung ausgebildet sein kann.Device can be formed.
Dabei ist an der Zufuhr für Plasmagas ein Sensor 10 vorhanden, mit dessen Hilfe eine Regelung durch eine Bestimmung von Druck und/oder Volumenstrom des zugeführten Plasmagases erfolgen kann.In this case, a sensor 10 is present at the supply for plasma gas, with the aid of which a control by a determination of pressure and / or flow rate of the supplied plasma gas can be done.
Die in die Zeichnungsebene hinein ausgerichtete entsprechend lang gestreckte Lichtbogen-Plasmaquelle 2 ist hier oben in einem in Schlitzform ausgebildeten Reaktionskammerbereich 11 angeordnet. Vom Plasma emittierte elektromagnetische Strahlung trifft auf die Oberfläche des zu beschichtenden Substrats 1 auf und durchdringt dabei gasförmige (n) Precursor (en) , der/die über die Zufuhr 9 dicht oberhalb der Sub- stratoberflache in den Reaktionskammerbereich 11 eingeführt wird/werden.The correspondingly elongate arc plasma source 2 aligned in the plane of the drawing is arranged here in a slot-shaped reaction chamber region 11. From the plasma emitted electromagnetic radiation impinges on the surface of the substrate to be coated 1 and thereby penetrates gaseous precursor (s) which is / are introduced via the supply 9 just above the surface of the substrate into the reaction chamber region 11.
Die überflüssigen Reaktionsprodukte können als Abgas über eine Abgasabsaugung 5 und 5' abgeführt werden. Dies kann in Vorschubrichtung vor und hinter dem Reaktionskammerbereich 11 aber auch umlaufend erfolgen.The superfluous reaction products can be removed as exhaust gas via an exhaust gas extraction 5 and 5 '. This can be done in the feed direction in front of and behind the reaction chamber area 11 but also circumferentially.
Für eine Abdichtung gegenüber der Umgebung kann ein inertes Spülgas über um den Reaktionskammerbereich 11 umlaufend ausgebildete Zuführungen 4 und 4' in eineFor a seal against the environment, an inert purge gas over around the reaction chamber area 11 circumferentially formed feeds 4 and 4 'in a
Spalt 7 zugeführt werden. Das Spülgas strömt dabei in eine Richtung aus der Vorrichtung heraus und in entgegen gesetzter Richtung auf den Reaktionskammerbereich 11 hin. Spülgas kann aber mit dem Abgas über die Absaugung 5 und 5' wieder entfernt werden, so dass kein zumindest aber der größte Teil des zugeführten Spülgases nicht in den Reaktionskammerbereich 11 gelangt und der Schichtbildungsprozess dadurch nicht beeinträchtigt wird.Gap 7 are supplied. The purge gas flows out of the device in one direction and toward the reaction chamber region 11 in the opposite direction. However, purge gas can be removed again with the exhaust gas via the exhaust 5 and 5 ', so that no but at least the largest part of the purge gas supplied does not enter the reaction chamber region 11 and the layer formation process is not affected thereby.
Für eine Regelung der SpülgasZuführung und Absaugung von Abgas sind hier weitere Sensoren 6 und 8 vorhanden.For a regulation of SpülgasZuführung and exhaust of exhaust gas here more sensors 6 and 8 are present.
Im Gegensatz zur Darstellung, kann der Reaktionskammerbereich 11 auch so ausgebildet sein, dass er ausgehend von der Plasmaquelle 11 sich möglichst konisch verbreitert . Dadurch kann ein größerer Flächenbereich genutzt werden, da sich die emittierte elektromagne- tische Strahlung ohnehin divergent ausbreitet. So kann zumindest die gegenüber plasmaunterstützter Ver- fahrensführung reduzierte Beschichtungsrate wieder kompensiert werden.In contrast to the illustration, the reaction chamber area 11 can also be designed such that, starting from the plasma source 11, it widens as conically as possible. As a result, a larger surface area can be used, since the emitted electromagnetic radiation propagates divergently anyway. Thus, at least the plasma-assisted reduced coating rate can be compensated again.
Die in den Figuren 1 und 2 gezeigte Vorrichtung hat gegenüber anderen auch mit der Erfindung einsetzbaren Vorrichtungen einen weiteren Vorteil . Sie kann temporär, falls gewünscht nämlich auch in herkömmlicher Form betrieben werden. Dies ist insbesondere bei einer Schichtausbildung mit mindestens zwei Schichten, die übereinander angeordnet sind, günstig. Beispielsweise kann das Substrat 1, wie mit dem Pfeil in Figur 1 angedeutet, erst von links nach rechts durch die Vorrichtung hindurchgeführt werden. Die Ausbildung der Schicht erfolgt dabei erfindungsgemäß allein durch photolytische Aktivierung. Nachfolgend erfolgt eine entgegengesetzt dazu gerichtete Bewegung des Substrates durch die Vorrichtung. Dabei wird Druck und/oder Volumenstrom des Plasmagases so erhöht, dass die Schichtbildung in herkömmlicher Weise erfolgen kann .The device shown in FIGS. 1 and 2 has a further advantage over other devices which can also be used with the invention. It can be operated temporarily, if desired, even in conventional form. This is particularly favorable in the case of a layer formation with at least two layers which are arranged one above the other. For example, the substrate 1, as indicated by the arrow in Figure 1, are first passed through from left to right through the device. The formation of the layer is carried out according to the invention alone by photolytic activation. Subsequently, an oppositely directed movement of the substrate through the device takes place. In this case, pressure and / or volume flow of the plasma gas is increased so that the layer formation can be carried out in a conventional manner.
Selbstverständlich kann auch in umgekehrter Reihenfolge verfahren werden. Die Verfahrensweise kann aber auch alternierend gewechselt werden, um beispielswei- se Oberflächenbereiche des Substrates 1 mit unterschiedlichen dünnen Schichten zu versehen. Of course, it is also possible to proceed in reverse order. However, the procedure can also be changed alternately in order to provide, for example, surface regions of the substrate 1 with different thin layers.

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zur Ausbildung dünner Schichten auf Substratoberflächen, bei der an einem Reaktions- kammerbereich oberhalb der jeweiligen Substrat-1. Device for forming thin layers on substrate surfaces, in which at a reaction chamber area above the respective substrate
Oberfläche eine Zuführung für mindestens einen gasförmigen Precursor vorhanden ist und mindestens eine elektromagnetische Strahlung emittierende Quelle so angeordnet ist, dass mittels emittierter elektromagnetischer Strahlung für die Ausbildung einer Schicht, eine photolytische Aktivierung von Atomen und/oder Molekülen des/der Precursor erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagneti- sehe Strahlung emittierende Quelle eine Plasmaquelle (2) ist.Surface is provided a supply for at least one gaseous precursor and at least one electromagnetic radiation emitting source is arranged so that by means of emitted electromagnetic radiation for the formation of a layer, a photolytic activation of atoms and / or molecules of the precursor (s), characterized in that the source emitting electromagnetic radiation is a plasma source (2).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaquelle (2) innerhalb des Reaktionskammerbereichs (11) angeordnet ist.2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the plasma source (2) within the reaction chamber region (11) is arranged.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaquelle (2) innerhalb des Reaktionskammerbereichs (11) so angeordnet und so betreibbar ist, dass das Plasma den/die Precursor (en) nicht unmittelbar beein- flusst.3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the plasma source (2) within the reaction chamber area (11) is arranged and operable so that the plasma does not affect the / the precursor (s) directly.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest innerhalb des Reaktionskammerbereichs (11) Atmosphärendruck vorliegt.4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that at least within the reaction chamber region (11) is atmospheric pressure.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druck im Bereich ± 300 Pa um den Atmosphärendruck eingehalten ist. 5. Apparatus according to claim 4, characterized in that a pressure in the range ± 300 Pa is maintained at the atmospheric pressure.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Plasmaquelle (2) elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen kleiner als 230 nm emittiert wird.6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that with the plasma source (2) electromagnetic radiation having wavelengths less than 230 nm is emitted.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Substrat7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the substrate
(1) und Reaktionskammerbereich (11) mit Plasmaquelle (2) relativ zueinander bewegbar sind.(1) and the reaction chamber region (11) with the plasma source (2) are movable relative to each other.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ab- gasabsaugung (5, 5') angeschlossen ist.8. Device according to one of the preceding claims, characterized in that an exhaust gas suction (5, 5 ') is connected.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spül- gaszuführung (4, 4') vorhanden ist.9. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a purge gas supply (4, 4 ') is present.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Spülgas in einen Spalt (7) zwischen Substratoberfläche und Reaktionskammerbereich (11) zuführbar ist und dadurch eine Abdichtung gegenüber der Umgebungs- atmosphäre ausgebildet ist.10. Device according to one of the preceding claims, characterized in that purge gas in a gap (7) between the substrate surface and the reaction chamber region (11) can be fed and thereby a seal against the ambient atmosphere is formed.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaquelle (2) eine Lichtbogen- oder Mikrowel- lenplasmaquelle ist.11. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the plasma source (2) is an arc or microwave lenplasmaquelle.
12. Verfahren zur Ausbildung dünner Schichten auf Substratoberflächen, bei dem mindestens ein gasförmiger Precursor oberhalb der jeweiligen Substratoberfläche in einen Reaktionskammerbereich zugeführt wird; im Reaktionskammerbereich (11) eine Plasmaquelle12. A method for forming thin layers on substrate surfaces, wherein at least one gaseous precursor is supplied above the respective substrate surface in a reaction chamber area; in the reaction chamber area (11) a plasma source
(2) so angeordnet und betrieben wird, dass die Ausbildung einer dünnen Schicht ausschließlich in Folge photolytischer Aktivierung von Atomen und/oder Molekülen des/der Precursor(s) durch von der Plasmaquelle (2) emittierte elektromag- netische Strahlung erreicht wird.(2) arranged and operated in such a way that the Formation of a thin layer exclusively as a result of photolytic activation of atoms and / or molecules of the / the precursor (s) by the plasma source (2) emitted electromagnetic radiation is achieved.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbildung der Schicht bei Atmosphärendruck durchgeführt wird.13. The method according to claim 12, characterized in that the formation of the layer is carried out at atmospheric pressure.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch ge- kennzeichnet, dass das Plasma mit einem Plasmagas gebildet wird, mit dem elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen kleiner als 230 nm emittiert wird.14. The method according to claim 12 or 13, character- ized in that the plasma is formed with a plasma gas, is emitted with the electromagnetic radiation having wavelengths less than 230 nm.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung Si- licium enthaltender Schichten eine gasförmige organische Siliciumverbindung, als Precursor zugeführt wird.15. The method according to any one of claims 12 to 14, characterized in that for the formation of silicon-containing layers, a gaseous organic silicon compound is supplied as a precursor.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich- net, dass ein Silan und/oder ein Halogensilan zugeführt wird/werden.16. The method according to claim 15, marked thereby, that a silane and / or a halosilane is / are supplied.
17. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung Kohlenstoff enthaltender Schichten ein gasförmiger Precur- sor, der ausgewählt ist aus gesättigten oder ungesättigten Kohlenwasserstoffen und Halogenkohlenwasserstoffen zugeführt wird.17. The method according to claim 12 or 13, characterized in that the formation of carbon-containing layers, a gaseous precursor, which is selected from saturated or unsaturated hydrocarbons and halogenated hydrocarbons is supplied.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass für die Plasmabil- düng der Volumenstrom von der Plasmaquelle (2) zugeführtem Plasmagas temporär erhöht und dabei eine abweichende Parameter aufweisende Schicht- ausbildung unter diesen Bedingungen erreicht wird.18. The method according to any one of claims 12 to 17, characterized in that for the Plasmabil- düng the volume flow from the plasma source (2) supplied plasma gas temporarily increased and thereby a different parameters having layered education under these conditions.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass für die Plasmabil- düng ein Gas, das ausgewählt ist aus Argon,19. The method according to any one of claims 12 to 18, characterized in that for the Plasmabil- fertil gas, which is selected from argon,
Stickstoff, Ammoniak, Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid, Stickstoffdioxid und Wasser eingesetzt wird.Nitrogen, ammonia, hydrogen, oxygen, carbon dioxide, nitrogen dioxide and water is used.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass gasförmige Reaktionsprodukte als Abgas abgesaugt werden.20. The method according to any one of claims 12 to 19, characterized in that gaseous reaction products are removed by suction as exhaust gas.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem zugeführten inerten Spülgas eine Abdichtung zwischen Substratoberfläche, Reaktionskammerbereich (11) und Umgebungsatmosphäre erreicht wird. 21. The method according to any one of claims 12 to 20, characterized in that with a supplied inert purge gas, a seal between the substrate surface, the reaction chamber area (11) and ambient atmosphere is achieved.
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