FI124524B - Järjestely ja menetelmä puolijohteen valmistamiseksi - Google Patents

Description

Järjestelyjä menetelmä puolijohteen valmistamiseksi Keksinnön ala

Esillä oleva keksintö kohdistuu yleisesti puolijohteisiin, puolijohteisiin ja integroi-5 tuihin piireihin liittyviin materiaalikerroksiin, puolijohteiden valmistusmenetelmään ja tuotantojärjestelyyn puolijohteiden tuottamiseksi. Tarkemmin ilmaistuna esillä oleva keksintö liittyy siihen, mitä on esitetty itsenäisten vaatimusten johdanto-osissa.

10 Tausta

Puolijohteita käytetään useimmissa elektronisissa laitteissa. Puolijohteiden tavanomainen käyttö on sisältänyt elektronisten komponenttien tuottamisen piirilevyille sisältäen esim. transistoreja, integroituja piirejä kuten muisteja ja prosessoreita.

15 Puolijohteet valmistetaan yleensä piialustalle. Muut puolijohtavat, johtavat ja eristävät materiaalit, mahdollisesti myös optiset materiaalit, valmistetaan piisubstraa-tille, ja toiminnalliset puolijohdepiirit/komponentit tehdään kuvioimalla ja johdotta-malla kerrokset.

20 Puolijohteille on kuitenkin kehittynyt uudenlaisia tarpeita. Elektroniset litteät näytöt ja muut uudenaikaiset käyttöliittymät tarvitsevat suurikokoisia piirejä, joiden tulisi olla painoltaan kevyitä kestäviä jokapäiväistä käyttöä varten. Piisubstraateille perustuvat puolijohdepiirit ovat kuitenkin liian kalliita suurikokoisia sovelluksia varten eivätkä ne ole riittävän kestäviä.

Ξ 25 ° On ehdotettu puolijohdepiirien valmistusta käyttämällä substraattina muita, hai- i o vempia materiaaleja ja muodostamalla puolijohdemateriaaleja ohutkalvokerroksi- i g na. Substraatti voisi olla esim. lasi- tai muovi- tai jopa kuitumateriaaleja. Tällainen x teknologia sallisi suurikokoiset puolijohdepiirit, jotka ovat kevyempiä eivätkä ole 30 niin herkkiä mekaanisille rasituksille. Olisi myös mahdollista käyttää muita puoli- 5 johdemateriaaleja, joilla on erikoisominaisuuksia. Nykyisillä teknologioilla ei kuiri? tenkaan ole ollut mahdollista tuottaa materiaalikerroksia, joilla on riittävän korkea

O

^ laatu, suurikokoisina ja teollisissa määrissä. Lisäksi puolijohdekerrosten epäho- mogeenisuus aiheuttaa puolijohteiden epäideaalista suorituskykyä.

35 2

Hakija on tutkinut mahdollisuuksia laserkylmäablaation käyttämiseen puolijohteiden valmistuksessa. Viime vuosina laserteknologian merkittävä edistyminen on luonut keinon valmistaa hyvin korkeatehoisia, puolijohdekuituihin perustuvia la-serjärjestelmiä, mikä tukee niin kutsuttujen kylmäablaatiomenetelmien kehitystä.

5 Kylmäablaatio perustuu korkeaenergisten, lyhytkestoisten, kuten pikosekuntien suuruusluokkaa olevien, laserpulssien muodostamiseen, ja pulssien ohjaamiseen kohtiomateriaalin pintaan. Näin plasmapilvi ablatoituu alueesta, jossa lasersäde osuu kohtioon. Kylmäablaation sovelluskohteisiin kuuluu mm. pinnoitus ja työstäminen.

10

Uutta kylmäablaatioa käytettäessä sekä kvalitatiivisia että tuotantomäärään liittyviä ongelmia, jotka liittyvät pinnoitukseen, ohutkalvovalmistukseen ja leikkaami-seen/uurtamiseen/kaivertamiseen jne., on lähestytty keskittymällä laserin tehon lisäämiseen ja lasersäteen osumapisteen pienentämiseen kohtiolla. Kuitenkin 15 suurin osa tehonlisäyksestä kului kohinaan. Kvalitatiiviset ja tuotantomäärään liittyvät ongelmat olivat yhä olemassa, vaikkakin jotkut laservalmistajat ratkaisivat laserin tehoon liittyvän ongelman. Tyypillisiä näytteitä sekä pinnoitukses-sa/ohutkalvossa että leikkaamisessa/uurtamisessa/kaivertamisessa jne. voitiin valmistaa vain matalilla toistonopeuksilla, ohuilla pyyhkäisyleveyksillä ja pitkillä 20 työajoilla, jotka ovat sellaisenaan käyttökelvottomia teollisuuteen, mikä korostuu erityisesti suurilla kappaleilla.

Pulssin energiasisällön vuoksi pulssin teho kasvaa pulssin keston pienentyessä, ja ongelman merkitys kasvaa pulssin keston lyhentyessä. Ongelmat ilmenevät 25 merkittävässä määrin jopa nanosekunnin pulsseja tuottavilla lasereilla, vaikka niitä ei sellaisenaan käytetäkään kylmäablaatiomenetelmissä.

™ Pulssin keston laskeminen edelleen femto- tai jopa attosekuntien suuruusluokin kaan tekee ongelmasta lähes ratkaisemattoman. Esimerkiksi pikosekuntilaserjär- g 30 jestelmässä, jonka pulssin kesto on 10-15 ps pulssin energian tulisi olla 5 pj 10- i 30 pm kokoiselle osumapisteelle, kun laserin kokonaisteho on 100 W ja toistono- peus 20 MHz. Tällaisen pulssin kestävää kuitua ei esillä olevan hakemuksen etu-5 oikeuspäivänä kirjoittajan kyseisen hetken tietämyksen mukaan ole saatavilla.

LO

r-- o ^ 35 Tekniikan tason mukaisissa laserkäsittelysysteemeissä on yleensä optiset skan nerit, jotka perustuvat täriseviin peileihin. Tällainen optinen skanneri on esitetty esimerkiksi dokumentissa DE10343080. Värisevä peili oskilloi kahden määrätyn kulman välillä suhteessa akseliin, joka on peilin suuntainen. Kun lasersäde ohja 3 taan peiliin, se heijastuu kulmassa joka riippuu peilin senhetkisestä sijainnista. Siten värisevä peili heijastaa tai ’’skannaa” lasersäteen kohtiomateriaalin pinnalla olevan viivan pisteisiin.

5 Esimerkki tärisevästä skannerista tai ’’galvano-skannerista” on esitetty kuvassa 1a. Siinä on kaksi värisevää peiliä, joista toinen skannaa sädettä suhteessa x-akseliin ja toinen skannaa sädettä suhteessa ortogonaaliseen y-akseliin.

Tuotantonopeus on suoraan verrannollinen toistonopeuteen tai toistotaajuuteen. 10 Toisaalta tunnetut peili/kalvoskannerit (galvano-skannerit tai taakse- ja eteenpäin värisevä skannerityyppi), jotka suorittavat tehtäväsyklinsä tavalla, jota kuvaa eteen- ja taaksepäin suuntautuva liike, peilin pysäyttäminen tehtäväsyklin molemmissa päissä on jokseenkin ongelmallista samoin kuin kiihdytys ja hidastaminen, jotka liittyvät kääntymispisteeseen ja siihen liittyvään hetkelliseen pysähdyk-15 seen, mikä rajoittaa peilin käytettävyyttä skannerina, mutta erityisesti myös skan-nausleveyttä. Tämänhetkiset pinnoitusmenetelmät, jotka käyttävät galvano-skannereita, voivat tuottaa enintään 10 cm:n skannausleveyden, edullisesti vähemmän. Jos tuotantonopeutta yritettäisiin kasvattaa kasvattamalla toistonopeut-ta, kiihtyvyys ja hidastuvuus aiheuttaisivat joko kapean skannausalan, tai säteilyn, 20 ja siten plasman, epätasaista jakautumista kohtiossa kun säteily osuu kohtioon kiihtyvän ja/tai hidastuvan peilin kautta.

Tavallisesti galvanometrisiä skannereita käytetään skannaamaan lasersädettä n. 2-3 m/s maksiminopeudella, käytännössä n. 1 m/s. Jos pinnoitus-/ohutkalvon-25 tuottonopeutta yritetään lisätä yksinkertaisesti pulssin toistonopeutta kasvattamalla, nykyiset, yllämainitut tunnetut skannerit ohjaavat pulssit kontrolloimattomalla ^ tavalla päällekkäisiin pisteisiin kohtiomateriaalissa jo matalilla, kHz-luokassa ole- ™ villa toistonopeuksilla. 2 MHz:n toistonopeudella jopa 40-60 peräkkäistä pulssia o osuu päällekkäin. Pisteiden päällekkäin osuminen 111 tällaisessa tilanteessa on g 30 esitetty kuvassa 1 b.

X

CC

“ Pahimmillaan tällainen lähestymistapa johtaa siihen, että kohtiomateriaalista irto- 5 aa partikkeleita plasman sijaan, mutta vähintään se johtaa partikkelien muodos- tumiseen plasmaan. Kun useat perättäiset laserpulssit ohjataan samaan paikkaan o ^ 35 kohtion pinnalla, kumulatiivinen efekti näyttää kuluttavan kohtiomateriaalia epäta saisesti ja voi johtaa kohtiomateriaalin kuumenemiseen, jolloin kylmäablaation hyödyt menetetään.

4

Samat ongelmat pätevät myös nanosekunnin mittakaavan lasereille, jolloin ongelma luonnollisesti on entistä vakavampi korkeaenergisen pulssin pitkän keston vuoksi. Tässä kohtiomateriaali kuumenee aina, ja kohtiomateriaalin lämpötila | nousee suunnilleen 5000 kelviniin. Näin_ollen jopa yksi ainoa nanosekunnin suu-5 ruusluokan pulssi kuluttaa kohtiomateriaalia äärimmäisen paljon, mistä seuraa yllämainittuja ongelmia.

Tunnetuissa tekniikoissa kohtio voi epätasaisen kulumisen lisäksi myös fragmen-toitua helposti ja heikentää plasman laatua. Siten tällaisella plasmalla pinnoitetta-10 va pinta kärsii myös plasman haitallisista efekteistä. Pinta voi käsittää fragmentteja, plasma ei välttämättä ole jakautunut tasaisesti muodostaakseen tällaisen pinnoituksen jne, mikä on ongelmallista tarkkuutta vaativissa sovelluksissa, mutta ei välttämättä ole ongelmallista esimerkiksi maalin tai pigmentin tapauksessa, olettaen että virheet pysyvät kyseisen sovelluksen havaitsemisrajan alapuolella.

15

Nykyiset menetelmät kuluttavat kohtion loppuun yhdellä käyttökerralla, joten samaa kohtiota ei ole enää saatavilla samasta pinnasta lisäkäyttöä varten. Tämä ongelma on selvitetty käyttämällä vain kohtion neitseellistä pintaa, liikuttamalla kohtiomateriaalia ja/tai sädepistettä vastaavasti.

20

Työstämisessä ja työstöperäisissä sovelluksissa ylijäämät tai jäte, joka käsittää joitain fragmentteja, voi myös tehdä leikkausreunasta epätasaisen ja siten epäsopivan, kuten esimerkiksi virtauksensäätöporauksissa. Pinta voi myös muodostua siten, että siinä on satunnainen, epätasainen ulkomuoto johtuen irronneista frag-25 menteista, mikä voi olla haitallista puolijohteiden valmistuksessa.

Lisäksi peili-kalvoskannerit, jotka liikkuvat eteen ja taakse, tuottavat inertiaalivoi-° mia, jotka rasittavat itse rakennetta, mutta myös laakereita, joihin peili on kiinnitet- i o ty ja/tai jotka saavat aikaan peilin liikkeen. Tällainen inertia voi vähän kerrallaan i g 30 löysyttää peilin kiinnitystä, etenkin jos tällainen peili liikkuu lähes mahdollisten x käyttöasetusten äärirajoilla, ja voi johtaa pitkällä tähtäimellä asetusten muuttumi seen, mikä voi näkyä tuotteen laadussa epäsäännöllisenä toistettavuutena. Py-5 sähdysten, samoin kuin suunnan ja niihin liittyvien nopeuksien muutoksien vuoksi tällaisella peili-kalvoskannerilla on hyvin rajoitettu skannausleveys ablaatioon ja ^ 35 plasman tuotantoon. Efektiivinen tehtäväsykli on suhteellisen lyhyt koko sykliin verrattuna, vaikkakin käyttö on joka tapauksessa melko hidasta. Peili-kalvoskannereita käyttävän järjestelmän tuotannon lisäyksen näkökulmasta katsottuna plasman tuottonopeus on välttämättä hidas, skannausleveys kapea, käyt 5 tö epästabiilia pitkillä aikaskaaloilla, ja sisältää myös hyvin suuren todennäköisyyden, että plasmaan, ja siitä johtuen myös tuotteisiin, jotka ovat yhteydessä plasmaan työstön ja/tai pinnoituksen kautta, joutuu ei-toivottuja partikkeleita.

5 Uudet korkeateknologiset pinnoitusmenetelmät sen paremmin kuin nykyiset lase-rablaatioon, joko nanosekuntiluokassa tai kylmäablaatioluokassa (piko- tai fem-tosekuntilaserit), perustuvat pinnoitusmenetelmät eivät voi tarjota teollisessa mittakaavassa toteutettavissa olevaa suurempia pintoja käsittävien tuotteiden pinnoitusmenetelmää. Nykyiset CVD- ja PVD-pinnoitustekniikat tarvitsevat korkealaatui-10 set tyhjiöolosuhteet, mikä tekee pinnoitusprosessista erissä tehtävän, ja siten epäsoveliaan puolijohteiden valmistukseen teollisessa mittakaavassa. Lisäksi pinnoitettavan materiaalin ja ablatoitavan pinnoitusmateriaalin välinen etäisyys on pitkä, yleensä yli 50 cm, mikä tekee pinnoituskammioista isokokoisia ja tyhjiön pumppauksista aikaa ja energiaa kuluttavia. Tällaiset suuritilavuuksiset vakuumi-15 kammiot myös kontaminoituvat helposti pinnoitusmateriaaleista itse pinnoituspro-sessissa, ja vaativat jatkuvia ja aikaavieviä puhdistusprosesseja.

Kun nykyisten laservälitteisten pinnoitusmenetelmien tuotantonopeutta yritetään parantaa, syntyy erilaisia vikoja kuten oikosulun aiheuttavia vikatekijöitä, pieniä 20 reikiä, lisääntynyttä pinnankarheutta, vähentynyttä tai katoavaa optista läpinäkyvyyttä optisissa toteutuksissa, pieniä partikkeleita kerroksen pinnalla, korroo-sioreitteihin vaikuttavia pieniä partikkeleita pintarakenteessa, pinnan tasalaatuisuuden vähentymistä, vähentynyttä adheesiota jne.

25 Plasmaan liittyviä laatuongelmia on esitetty kuvissa 2a ja 2b, jotka kuvaavat plasman tuotantoa tunnettujen tekniikoiden mukaisesti. Laserpulssi 214 osuu koh-tiopintaan 211. Koska pulssi on pitkä pulssi, syvyys h ja säteen halkaisija d ovat ° samaa suuruusluokkaa, sillä pulssin 214 lämpö lämmittää myös osumapistekoh- i o dan pintaa, mutta myös pinnan 211 alapuolelta, syvemmältä kuin syvyys h. Järjes- i g 30 telmä kokee termisen shokin ja jännitykset, jotka hajoamisessa tuottavat F:Mä ku- x vatut fragmentit, kasvavat. Koska plasma voi olla esimerkissä melko huonolaatuis ta, näyttäisi siinä olevan myös molekyylejä ja molekyyliklustereita, jotka näkyvät 5 pieninä pisteinä kohdassa 215, missä numero 215 viittaa ytimiin tai samanlaisten rakenteiden klustereihin, jotka muodostuvat kaasuista 216 kuten on esitetty ku-o ^ 35 vassa 2b. Kirjain o kuvaa hiukkasia jotka voivat muodostua ja kasvaa kaasuista ja/tai agglomeraation kautta. Vapautuneet fragmentit voivat myös kasvaa konden-saation ja/tai agglomeraation kautta, mikä on kuvattu pisteistä F-kohtaan ja o-kohdasta F-kohtaan kulkevilla, kaarevilla nuolilla. Kaarevat nuolet kuvaavat myös 6 faasitransitioa plasmasta 213 kaasuun 216 ja edelleen hiukkasiin 215 ja kookkaampiin hiukkasiin 217. Ablaatiopilvi kuvassa 2b voi käsittää fragmentteja F samoin kuin partikkeleita, jotka ovat muodostuneet höyryistä ja kaasuista, huonon plasman muodostuksesta johtuen, plasma ei ole jatkuva plasma-alue, ja sen täh-5 den laadun vaihtelua voi tapahtua yhden pulssipilven sisällä. Syvyyden h alla olevien kompositio- ja/tai rakennevikojen samoin kuin näistä seuraavien syvyysvaih-teluiden takia (kuva 2a) kohtiopinta 211 kuvassa 2b ei ole enää käytettävissä li-säablaatioa varten, ja kohtio on käyttökelvoton, vaikka jonkin verran materiaalia onkin jäljellä.

10

Keksinnön yhteenveto

Esillä olevan keksinnön kohteena on luoda edellytykset puolijohteille, samoin kuin järjestely ja menetelmä niiden tuottamiseksi, missä tekniikan tason kuvatut haitta-15 puolet on vältetty tai niitä on vähennetty.

Keksinnön kohteena on sen vuoksi luoda edellytykset tekniikalle tietyn pinnan omaavien kerrosten tuottamiseksi puolijohteisiin passitetulla laserkasvatuksella siten, että pinnoitettavan pinnan yhtenäinen ala käsittää vähintään 0,2 dm2.

20

Keksinnön toisena kohteena on luoda edellytykset uusille puolijohteille, joissa kerrokset on valmistettu passitetulla laserkasvatuksella siten, että kerroksen pinnan yhtenäinen ala käsittää vähintään 0,2 dm2 suuruisen alan. 1

Keksinnön kolmantena kohteena on ratkaista käytännöllisellä tavalla ongelma niin hienolaatuisen plasman tuottamiseksi puolijohdetuotteita varten, että kohtiomate-^ riaali ei muodosta plasmaan joko lainkaan hiukkasfragmentteja, toisin sanoen ™ plasma on puhdasta plasmaa, tai fragmentit, mikäli niitä on, ovat harvassa ja vä- o hintään pienempikokoisia kuin ablaatiosyvyys, johon asti plasmaa tuotetaan g 30 ablaatiolla mainitusta kohtiosta.

X

CC

“ Keksinnön neljäntenä kohteena on tuottaa vähintään uusi menetelmä ja/tai yhtey- 5 dessä olevat keinot sen ratkaisemiseksi, miten voidaan tuottaa kerroksen yhtenäi- selle pinta-alueelle puolijohdetuotteessa korkealaatuista plasmaa ilman hiukkasen g 35 fragmentteja, jotka ovat kooltaan suurempia kuin ablaatiosyvyys, johon asti plas maa tuotetaan ablaatiolla mainitusta kohtiosta, toisin sanoen substraattien pinnoittamiseksi puhtaalla plasmalla.

7

Keksinnön viidentenä kohteena on hyvän adheesion järjestäminen pinnoitukselle yhtenäiseen pinta-alueeseen mainitulla puhtaalla plasmalla, niin että kineettisen energian haaskaaminen hiukkasfragmentteihin ehkäistään rajoittamalla hiukkas-fragmenttien ilmenemistä tai niiden kokoa pienemmäksi kuin mainittu ablaatio-5 syvyys. Samanaikaisesti hiukkasfragmentit, koska eivät ilmene merkittävässä määrin, eivät muodosta kylmiä pintoja jotka voisivat vaikuttaa plasmapilven homogeenisyyteen tiivistymiskeskuksien muodostumiseen ja kondensaatioon liittyvien ilmiöiden kautta.

10 Keksinnön kuudentena kohteena on järjestää vähintään uusi menetelmä ja/tai yhteydessä olevat keinot sen ratkaisemiseksi, kuinka voidaan tuottaa leveä skan-nausleveys yhtäaikaisesti hienolaatuisen plasman kanssa, ja laaja pinnoitus jopa suurille puolijohdekappaleille teollisella menetelmällä.

15 Keksinnön seitsemäntenä kohteena on järjestää vähintään uusi menetelmä ja/tai yhteydessä olevat keinot sen ratkaisemiseksi, kuinka voidaan tuottaa korkea tois-tonopeus käytettäväksi teollisen mittakaavan sovellusten järjestämiseksi keksinnön yllämainittujen kohteiden mukaisesti.

20 Keksinnön kahdeksantena kohteena on järjestää vähintään uusi menetelmä ja/tai vastaavat keinot sen ratkaisemiseksi, kuinka voidaan tuottaa hyvälaatuista plasmaa kerrosten/pintojen muodostamiseksi puolijohdetuotteiden tuottamiseksi ensimmäisestä seitsemänteen kohteen mukaisesti, mutta siltikin säästää kohtioma-teriaalia kasvatusvaiheita varten käytettäväksi samanlaatuisten pinnoitus- 25 ten/ohutkalvojen tuottamiseksi tarvittaessa.

^ Lisäksi keksinnön kohteena on käyttää sellaista menetelmää ja keinoja edellisten ™ kohteiden mukaisesti sen ratkaisemiseksi, kuinka kylmätyöstää ja/tai tuottaa puoli- i £ johteen kerroksia.

δ 30 x Esillä oleva keksintö perustuu siihen yllättävään löytöön, että puolijohdetuotteiden kerroksia, jotka käsittävät laajoja pintoja, voidaan valmistaa teollisilla tuotantono-5 peuksilla ja erinomaisilla laaduilla koskien yhtä tai useampaa teknistä ominaisuutta ta, kuten optinen läpinäkyvyys, kemiallinen ja/tai kulumisen sietokyky, naarmuun- o £3 35 tumaton pinta, terminen vastustuskyky ja/tai johtavuus, resistiivisyys, pinnoituksen adheesio, hiukkasvapaat pinnoitukset, pienistä aukoista vapaat pinnoitukset ja sähköinen johtavuus käyttämällä ultralyhytpulssista laserpinnoitusta tavalla, missä pulssitettua lasersädettä skannataan pyörivällä optisella skannerilla joka käsittää 8 vähintään yhden peilin mainitun lasersäteen heijastamiseksi. Lisäksi esillä oleva menetelmä saa aikaan kohtiomateriaalien taloudellisen käytön, koska ne ablatoi-daan tavalla, joka mahdollistaa jo käytössä olleiden materiaalien uudelleenkäytön pinnoitustulosten pysyessä korkealaatuisina. Esillä oleva keksintö mahdollistaa 5 lisäksi tuotekerrosten tuottamisen matalissa tyhjiöolosuhteissa samanaikaisesti kun pinnoitusominaisuudet pysyvät korkealaatuisina. Tällaiset ominaisuudet laskevat laitteiston kokonaishintaa dramaattisesti ja lisäävät pinnoituksen tuottono-peutta. Monissa edullisissa tapauksissa pinnoitusvälineistö voidaan sijoittaa suoraan tuotantolinjalle.

10

Tarkemmin keksinnön kohde saavutetaan järjestämällä menetelmä useita materi-aalikerroksia käsittävän puolijohteen tuottamiseksi laserkasvatuksella, jolle menetelmälle on tunnusomaista se, mitä on esitetty itsenäisen patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

15

Keksintö koskee myös järjestelyä vähintään puolijohteen osan tuottamiseksi, jolle järjestelylle on tunnusomaista se, mitä on esitetty itsenäisen patenttivaatimuksen 19 tunnusmerkkiosassa.

20 Keksinnön eräitä suoritusmuotoja kuvataan epäitsenäisissä vaatimuksissa.

Tässä patenttihakemuksessa termi ’’valo” tarkoittaa mitä hyvänsä sähkömagneettista säteilyä jota voidaan käyttää kylmäablaatioon ja ’’laser” tarkoittaa valoa, joka on koherenttia, tai tällaista valoa tuottavaa valolähdettä, ’’valo” ja ’’laser” eivät si-25 ten ole millään tavoin rajoitettuja spektrin näkyvän valon osaan.

^ Tässä patenttihakemuksessa ’’ultralyhytpulssinen laserpinnoitus” tarkoittaa, että

O

™ tiettyä pistettä kohtiopinnalla säteilytetään lasersäteellä 1 ns lyhyemmän ajanjak- o son ajan, mielellään alle 100 ps kerrallaan. Tällainen altistus voidaan toistaa sa- 0 30 massa kohdassa kohtiota.

CC

CL

Tässä patenttihakemuksessa termi ’’pinnoitus” tarkoittaa minkä hyvänsä paksui- sen materiaalikerroksen muodostamisesta substraatille. Pinnoitus voi siten tarkoitin £ taa myös kalvojen, joiden paksuus on esimerkiksi < 1 pm, valmistamista.

° -5« c\j 35 Tässä patenttihakemuksessa termi ’’pinta” voi tarkoittaa kerroksen pintaa, ja/tai pinnoitetta, missä pinta voi olla ulkopinta tai se voi muodostaa liitoksen toisen ker- 9 roksen/pinnoitteen/substraatin kanssa. Pinta voi myös olla puolivalmiin tuotteen pinta, jota voidaan prosessoida edelleen valmiin tuotteen saavuttamiseksi.

5 Piirustusten lyhyt kuvaus

Keksinnön kuvatut ja muut edut käyvät selviksi seuraavassa yksityiskohtaisessa kuvauksessa ja viitatuista kuvista, joissa: 10 Kuva 1a kuvaa esimerkin galvano-skannerijärjestelystä, jollaista käytetään modernissa kylmäablaatiopinnoitus/ohutkalvonvalmistustuotannossa ja työstämisessä ja muissa työstöön liittyvissä sovelluksissa; kuviossa 1 esitetyt lyhenteet vastaavat seuraaviin viittauksiin: LS - Lasersäde, TS - Taittunut säde; SS - Suorakulmainen skannausalue; GX - Gal-15 vanometri skannaa X-akselin; GY - Galvanometri skannaa Y-akselin.

Kuva 1b kuvaa tilanteen, jossa tekniikan tason mukaista galvanometristä skanneria käytetään skannaamaan lasersädettä laserpisteen skannausno-peudella noin 1 m/s, mistä seuraa pulssien voimakas päällekkäinme-20 neminen 2 MHz:n toistonopeudella.

Kuva 2a kuvaa tunnettujen tekniikoiden plasmaan liittyviä ongelmia.

Kuva 2b kuvaa lisää tunnettujen tekniikoiden plasmaan liittyviä ongelmia.

25

Kuva 3 kuvaa esimerkkikerroksia, joita tuotetaan puolijohdetta varten.

™ Kuva 4 kuvaa keksinnön mukaisen esimerkkijärjestelyn kerroksen tuottamisek- £5 si puolijohteeseen pulssitettua lasertekniikkaa käyttämällä.

8 30 i Kuva 5 kuvaa keksinnön mukaisen esimerkkijärjestelyn puolijohteen useiden “ kerrosten tuottamiseksi pulssitettua lasertekniikkaa käyttämällä.

't

Kuva 6a kuvaa erään mahdollisen turbiiniskanneripeilin, jota käytetään keksin-o ^ 35 nön mukaisella tavalla,

Kuva 6b kuvaa ablatoitavan säteen liikkeen, jonka aikaansaa kukin kuvan 6a esimerkin peileistä.

10

Kuva 7 kuvaa säteen ohjausta yhden mahdollisen pyörivän skannerin läpi keksinnön mukaisesti käytettäväksi.

5 Kuva 8a kuvaa säteen ohjausta toisen mahdollisen pyörivän skannerin läpi keksinnön mukaisesti käytettäväksi.

Kuva 8b kuvaa säteen ohjausta mahdollisen pyörivän lisäskannerin läpi keksinnön mukaisesti käytettäväksi.

10

Kuva 10a kuvaa keksinnön mukaisen sovelluksen, missä kohtiomateriaali abla-toidaan skannaamalla lasersädettä pyörivällä skannerilla (turbiiniskan-nerilla).

15 Kuva 10b kuvaa esimerkkiosaa kuvan 10a kohtiomateriaalista.

Kuva 10c kuvaa esimerkin kuvan 10b kohtiomateriaalin ablatoidusta pisteestä, jossa x = 1 pm - 1000 pm, esimerkiksi 45 pm ja y = 50 -200 nm, esimerkiksi 100 nm.

20

Kuva 11 kuvaa keksinnön mukaisen esimerkkikeinon kohtiomateriaalin skan-naamiseksi ja ablatoimiseksi pyörivällä skannerilla.

Yksityiskohtainen kuvaus 25

Kuvat 1a, 1b, 2a ja 2b selostettiin jo yllä tekniikan tason kuvauksessa.

° Kuva 3 kuvaa kalvokerrostekniikkaan perustuvan puolijohteen esimerkkikerroksia.

i o Substraatti 360 voi olla esimerkiksi lasi- tai muovimateriaalia tai jopa kuitumateri- i g 30 aalia, ja substraatti voi myös olla joustavaa. Optisessa piirissä, kuten näytössä, x saattaa olla heijastussuojakerros 362. Siinä voi olla myös muita kerroksia tai lisä- kerroksia ulkopinnan pitämiseksi puhtaana ja suojattuna ympäristön rasitteilta. 5 Substraatin 360 sisäpinnalla on sähköisesti johtava kerros 364, joka voi olla kuvioi oitu virtapiirin rakenteen ja puolijohteen jaottelun mukaisesti. Johtava kerros voi ^ 35 olla läpinäkyvä sovelluksesta riippuen. Seuraavana, johtavan kerroksen yläpuolel la, on yksi tai useampia puolijohtavia kerroksia 366. Päätteeksi on toinen johtava kerros 368 lisäkytkentöjen tuottamiseksi. Lisäksi voi myös olla suojaava kerros toisen johtavan kerroksen pinnalla.

11

Jos puolijohde tuotettaisiin puolijohtavalle substraatille, ovat samanlaiset kerrokset olemassa samassa järjestyksessä, mutta valmistus toteutetaan aloittamalla puolijohtavalla substraatilla ja tuottamalla muut kerrokset tuon substraatin päälle.

5

Kuva 4 esittää esimerkkijärjestelmän materiaalien käsittelylle laserablaatiolla. Lasersäde muodostetaan laserlähteellä 44 ja skannataan pyörivällä optisella skannerilla 10 kohtion suuntaan. Kohtio 47 on muodoltaan nauha, jota kelataan syöttö-rullasta 48 poistorullaan 46. Kohtiota tuetaan tukilevyllä 51, jossa on aukko 52 10 ablaatiokohdassa. Kohtio voi kuitenkin olla myös joku muu kuin nauha, kuten koh-tiomateriaalinen pyörivä sylinteri. Kun skannerista saapuva lasersäde 49 osuu kohtioon, materiaalia ablatoituu, ja syntyy plasmapilvi. Substraatti 50 on järjestetty plasmapilveen. Siten substraatti tulee pinnoitetuksi kerroksella kohtiomateriaalia. Jos kerros tullaan työstämään kasvatuksen jälkeen, voidaan tämä tehdä lasersä-15 teellä.

On myös mahdollista tuottaa laserablaatioa monilla muilla, vaihtoehtoisilla rakenteilla ja järjestelyillä. On esimerkiksi luonnollisesti mahdollista järjestää kasvatus joko substraatin ylä- tai alapuolelta tai molemmista. On myös mahdollista käyttää 20 kohtiomateriaalia, joka on tuotettu läpinäkyvälle levylle. Tällaisessa järjestelyssä on mahdollista järjestää kohtiomateriaali hyvin lähelle substraattia ja tuottaa lasersäde kohtiomateriaaliin levyn läpinäkyvän osan läpi. Jos kohtiomateriaali on ohut kalvo levyllä, se ablatoituu kohti substraattia. Kohtiolevy voidaan ensin tuottaa ablatoimalla kohtiomateriaalia läpinäkyvälle levylle.

25

Kuva 5 esittää esimerkin tuotantolinjajärjestelystä kerrosten tuottamiseksi puoli-^ johteeseen. Järjestely käsittää viisi laserprosessointiyksikköä 571-575 saman ° prosessointikammion 510 sisällä. Prosessointiyksikön yläpuolella on liukuhihna o 591 substraattien 581-585 kuljettamiseksi linjaa pitkin. Kukin prosessointiyksikkö g 30 tuottaa tietyn prosessin substraatille. Prosessointiyksiköt voivat tuottaa kerroksia x tai ne voivat toteuttaa substraatin tai tuotettujen kerrosten lasertyöstöä. Luonnolli- sesti tuotantolinjalla voi myös olla muuntyyppisiä prosessointiyksiköltä. Keksinnön 5 tärkeä hyöty on, että kerroksia eri materiaaleista voidaan kasvattaa samassa rC kammiossa samalla tuotantolinjalla. On jopa mahdollista tuottaa mahdollisesti tar- ^ 35 vittava laserkuviointi. Kun kaikki tai suurin osa kerroksista tuotetaan samassa kammiossa, kontaminaation tai muiden vikojen riski puolivalmiiden tuotteiden käsittelystä johtuen on minimaalinen.

12

Seuraavaksi kuvataan sopivien pyörivien skannereiden fysikaalinen perusta ja rakenne.

Keksinnön mukaisesti on järjestetty menetelmä tuottamaan puolijohteelle tietynlai-5 sen pinnan omaava kerros laserablaatiolla, jossa pinnoitettava pinta-ala käsittää vähintään 0,2 dm2 ja kasvatus suoritetaan käyttämällä ultalyhytpulssista laserkas-vatusta, missä pulssitettua lasersädettä skannataan pyörivällä optisella skannerilla joka käsittää vähintään yhden peilin mainitun lasersäteen heijastamiseksi.

10 Ultralyhytpulssinen laserkasvatus lyhennetään usein muotoon USPLD. Mainittua kasvatusta kutsutaan myös kylmäablaatioksi, jonka yksi tunnusomainen piirre on vastakkainen kuin esimerkiksi kilpailevissa nanosekuntilasereissa, eli käytännössä lämmönsiirtoa altistetusta alueesta tämän alueen ympäristöön ei tapahdu lainkaan, laserpulssienergioiden ollessa yhä riittäviä kohtiomateriaalin ablaatiorajan 15 ylittämiseksi. Pulssinpituudet ovat yleensä alle 50 ps, kuten 5-30 ps, toisinsanoen ultralyhyitä, kylmäablaatioilmiö saavutetaan passitetuilla pikosekunti-, mutta myös femtosekunti- ja attosekuntilasereilla. Kohtiosta laserablaatiolla kasvatettavaa materiaali laskeutuu substraatille, jota voidaan pitää lähes huoneenlämpötilassa. Silti plasman lämpötila saavuttaa 100 000 K altistetulla kohtioalueella. Plasman 20 nopeus on ylivertainen, saavuttaen 100 000 m/s ja johtaen siten tuotettavan pin-noituksen/ohutkalvon parempaan adheesioon. Keksinnön edullisemmassa sovelluksessa mainittu yhtenäinen pinnan alue käsittää vähintään 0,5 dm2 Vielä edullisemmassa suoritusmuodossa mainittu yhtenäinen pinnan alue käsittää vähintään 1,0 dm2. Keksinnöllä voidaan helposti pinnoittaa myös tuotteita, jotka käsittävät 25 yhtenäisiä pinnoitettuja pinta-aloja, jotka ovat suurempia kuin 0,5 m2, esimerkiksi 1 m2 ja suurempia. Prosessi on erityisen edullinen kerrosten laajojen pintojen pin- ^ noittamiseksi puolijohteille korkealaatuisella plasmalla.

o

CvJ

o Teollisissa sovelluksissa on tärkeää saavuttaa laserkäsittelylle korkea hyötysuh- i g 30 de. Kylmäablaatiossa laserpulssien intensiteettien tulee ylittää ennalta määrätty x raja-arvo kylmäablaatioilmiön saavuttamiseksi. Raja-arvo riippuu kohtiomateriaa- lista. Korkean tuotantotehon, ja siten teollisen tuotettavuuden, saavuttamiseksi 5 pulssien toistonopeuden tulisi olla korkea, kuten 1 MHz, edullisesti yli 2 MHz ja vielä edullisemmin yli 5 MHz. Kuten aiemmin on mainittu, on edullista olla ohjaa-

O

^ 35 matta useita pulsseja samaan kohtaan kohtiopinnalle, koska tämä aiheuttaa koh- tiomateriaalissa kumulatiivisia efektejä, kun hiukkasten kasvatus johtaa huonoon plasman laatuun ja siten huonolaatuisiin pinnoitteisiin ja ohutkalvoihin, kohtiomateriaalin ei-toivottuun kulumiseen, mahdollisesti kohtiomateriaalin kuumenemi- 13 seen jne. Sen vuoksi käsittelyn korkean tehon saavuttamiseksi on myös välttämätöntä käyttää lasersäteelle korkeaa skannausnopeutta. Keksinnön mukaisesti säteen nopeuden kohtion pinnalla tulisi yleisesti olla enemmän kuin 10 m/s tehokkaan prosessoinnin saavuttamiseksi, ja edullisesti enemmän kuin 50 m/s ja vielä 5 edullisemmin enemmän kuin 100 m/s, jopa sellaisia nopeuksia kuin 2000 m/s.

Kuva 6a kuvaa esimerkin pyörivästä turbiiniskannerista, jota voidaan käyttää keksinnön toteuttamiseksi. Tämän suoritusmuodon mukaan pyörivä optinen skanneri käsittää vähintään kolme peiliä lasersäteen heijastamiseksi. Eräässä keksinnön 10 suoritusmuodossa pinnoitusmenetelmässä käytetään kuvassa 5 kuvattua polygo-naalista prismaa. Tässä polygonaalisella prismalla on tahkot 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27 ja 28. Nuoli 20 osoittaa, että prismaa voidaan pyörittää sen akselin 19, joka on prisman symmetria-akseli, ympäri. Kun kuvan 6a prisman tahkot ovat peilipintoja, edullisesti kaltevia skannausviivan saavuttamiseksi, järjestettynä siten, että 15 kukin pinta vuorollaan heijastamalla muuttaa tulevan säteilyn suuntaa peilinpin-nalla kun prismaa pyöritetään akselinsa ympäri, prisma on sovellettavissa menetelmässä keksinnön sovelluskohteen mukaisesti, sen säteilyn transmissioviivassa, osana pyörivää skanneria, toisinsanoen turbiiniskanneria. Kuvassa 6a näkyy 8 tahkoa, mutta tahkoja voi olla myös merkittävästi tätä enemmän, jopa kymmenit-20 täin tai sadoittain. Kuvassa 6a näkyy myös, että tahkot ovat samassa kulmassa akseliin nähden, mutta erityisesti useita peilejä sisältävissä sovelluskohteissa mainittu kulma voi vaihdella askelittain siten, että liikkumalla tietyssä alueessa kohtion työpistettä saadaan liikutettua askelittain, kuten kuvassa 6b esitetään. Keksinnön eri sovelluskohteita ei tule rajoittaa erilaisiin turbiiniskanneripeilijärjes-25 telyihin esimerkiksi kokoon, muotoon tai lasersädettä heijastavien peilien lukumäärän mukaan.

° Turbiiniskannerin rakenne, kuva 6a, käsittää vähintään 2 peiliä, edullisesti enem- o män kuin 6 peiliä, esimerkiksi 8 peiliä (21 - 28), jotka on sijoitettu symmetrisesti g 30 keskusakselin 19 ympärille. Kun prisma 21 turbiiniskannerissa pyörii 20 keskus- x akselin 19 ympäri, peilit ohjaavat säteilyn, esimerkiksi pisteestä 29 heijastuvan lasersäteen, tarkasti viivanmuotoiselle alueelle, aina yhdestä ja samasta suunnas- 5 ta alkaen (kuva 6b). Turbiiniskannerin peilijärjestelmä voi olla kallistamaton (kuva 7), tai se voi olla halutussa kulmassa kallistettu, esim. kuvat 8a ja 8b. Turbiinis-o ^ 35 kannerin koko ja mittasuhteet voidaan valita vapaasti. Eräässä pinnoitusmenetel män edullisessa sovelluksessa sen ulkoreuna on 30 cm, halkaisija 12 cm ja korkeus 5 cm.

14

Keksinnön eräässä suoritusmuodossa on edullista, että turbiiniskannerin peilit 21-28 on edullisesti sijoitettu vinoon kulmaan keskiakseliin 19 nähden, koska silloin lasersäde on helposti johdettavissa skannerijärjestelmään.

5 Keksinnön erään suoritusmuodon (kuva 6a) mukaisesti käytettävässä turbiinis-kannerissa peilit 21-28 voivat erota toisistaan sillä tavalla, että yhden pyörähdyksen aikana skannataan yhtä monta viivan muotoista aluetta (kuva 6b) kuin mitä on peilejä 21 - 28.

10 Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan pyörivällä optiikalla tarkoitetaan tässä skannereita jotka käsittävät vähintään yhden peilin lasersäteen heijastamiseksi. Tällainen skanneri ja sen sovelluksia on kuvattu patenttihakemuksessa F120065867. Kuva 9 esittää skannerin 910, jossa on yksi pyörivä peili. Peili 914 on järjestetty pyörimään pyörimisakselin 916 ympäri. Kuva 9 esittää myös sivu-ja 15 päätykuvan peilistä. Peili on muodoltaan sylinteri, joka on hieman kallistettu suhteessa pyörimisakseliin 916. Peili on esitetty kallistettuna sylinterinä jotta peilin muoto olisi paremmin visualisoitavissa, ja peilin päädyt ovat sen tähden vinossa. Olisi kuitenkin myös mahdollista järjestää päädyt, jotka ovat kohtisuorassa pyörimisakseliin nähden. Optisella skannerilla on pyörimisakselilla akseli, johon peili 20 on kiinnitetty. Peili voi olla kiinnitetty pyörivään akseliin esim. päätylevyillä tai tangoilla (ei näytetty kuvassa).

Kuva 10a demonstroi kohtiomateriaalin ablatoimista pikosekuntiluokan passitetulla laserilla käyttäen pyörivää skanneria nopeudella, joka mahdollistaa kohtiomate-25 haalin ablaation peräkkäisten pulssien vähäisellä päällekkäinmenemisellä, näin välttäen ongelmat, jotka liittyvät tekniikan tason mukaisiin galvanoskannereihin.

^ Kuva 10b esittää suurennoksen yhdestä kohdasta ablatoitua materiaalia, esittäen ° selvästi materiaalin tasaisen ja kontrolloidun ablaation sekä x- että y-akselilla ja i o siten korkealaatuisen, partikkelittoman plasman tuottamisen ja myöhempänä kor- i g 30 kealaatuisten ohutkalvojen ja pinnoitteiden tuottamisen. Kuva 10c kuvaa esimer- x kin yhden ainoan ablaatiopisteen, joka on muodostettu yhdellä tai muutamalla pulssilla, mahdollisista x- ja y-mitoista. Tässä voidaan selvästi nähdä, että keksin- 5 tö saavuttaa materiaalin ablatoimisen tavalla, jossa ablatoidun pisteen leveys on aina paljon suurempi kuin ablatoidun kohdan syvyys. Teoriassa mahdollisilla par-

O

^ 35 tikkeleilla (mikäli niitä syntyisi) voisi olla pisteen syvyyttä vastaava maksimikoko.

Nyt pyörivä skanneri saa aikaan hyvälaatuisen, partikkelittoman plasman tuottamisen suurella tuotantonopeudella, samanaikaisesti kun skannausleveys on suuri, mikä on erityisen hyödyllistä laajoja pinnoitettavia pintoja käsittäville substraateil 15 le. Lisäksi kuvat 10a, 10b ja 10c osoittavat selvästi, että päinvastoin kuin nykyisissä tekniikoissa, jo ablatoitu kohtiomateriaalialue voidaan ablatoida uuden korkealaatuisen plasmasukupolven luomiseksi - siten vähentäen pinnoituk-sen/ohutkalvontuotannon kokonaiskustannuksia radikaalisti.

5

Kuva 11 esittää esimerkin, jossa pinnoittaminen on suoritettu käyttäen pikosekunti USPLD-laseria ja skannaamalla pulsseja turbiiniskannerilla. Tässä skannausno-peus on 30 m/s laserin säteenleveyden ollessa 30 pm. Tässä esimerkissä vierekkäiset pulssit menevät päällekkäin 1/3 verran.

10

Seuraavaksi kuvataan joitain materiaaleja, jotka ovat soveltuvia kohtiomateriaa-leiksi puolijohteen kerrosten tuottamiseen. Johtavan, läpinäkyvän materiaalin kerros voidaan tehdä esimerkiksi indiumtinaoksidista, sinkkioksidista johon on lisätty pieniä määriä alumiinia, tinaoksidista tai tinaoksidista, johon on lisätty pieniä mää-15 riä fluoria. Johtavan, läpinäkymättömän materiaalin kerros voidaan tehdä esimerkiksi alumiinista, kuparista tai hopeasta. Puolijohtavan materiaalin kerros voidaan valmistaa esimerkiksi piistä, germanium-indiumtinaoksidista, sinkkioksidista, johon on lisätty pieniä määriä alumiinia, tinaoksidista tai tinaoksidista, johon on lisätty pieniä määriä fluoria. Heijastamattoman pinnoituksen kerros voidaan valmistaa 20 esim. piinitridistä tai titaniumoksidista. Nämä ovat kuitenkin vain joitain esimerkkejä yleisesti käytetyistä materiaaleista. Seuraavaksi käsitellään joitain lisävaihtoehtoja tarkemmin.

Edulliset metallioksidit käsittävät esimerkiksi alumiinioksidin ja sen eri komposiitit 25 kuten alumiinititaanioksidi (ATO). Resistiivisyytensä tähden korkean optisen läpinäkyvyyden omaava korkealaatuinen indiumtinaoksidi (ITO) on erityisen edulli-^ nen sovelluksissa, joissa pinnoitetta voidaan käyttää pinnoitetun pinnan lämmit- ° tämiseksi. Sitä voidaan myös käyttää aurinkosuojauksessa. Yttriumilla stabiloitu 0 sirkonioksidi on toinen esimerkki erilaisista oksideista, joilla on sekä erinomaiset g 30 optiset että kulutusta kestävät ominaisuudet.

CC

Lisäksi joitain muita metalleja voidaan käyttää puolijohdesovelluksissa. Tässä me-5 talleista saatujen ohutkalvojen optiset ominaisuudet eroavat jossain määrin bulk- r£ kimetallin ominaisuuksista. Hyvin ohuissa kalvoissa (<100 A paksuja) variaatiot

O

^ 35 tekevät optisen vakion käsitteestä ongelmallisen, pinnoitteen (ohutkalvon) laadun ja pinnankarheuden ollessa täten kriittisiä teknisiä ominaisuuksia. Tällaisia pinnoitteita voidaan valmistaa esillä olevan keksinnön menetelmällä helposti.

16

Nykyisissä sovelluksissa käytettävät dielektriset materiaalit käsittävät fluoridit (esim. MgF2, CeF3), oksidit (esim. AI2O3, "ΠΟ2, S1O2), sulfidit (esim. ZnS, CdS) sekä valikoituja yhdisteitä kuten ZnSe ja ZnTe. Dielektristen optisten materiaalien välttämätön, yleinen ominaisuus on niiden erittäin matala absorptio (a < 103/cm) 5 jossain spektrin oleellisessa osassa; tässä alueessa ne ovat käytännössä läpinäkyviä (esim. fluoridit ja oksidit näkyvän valon ja infrapunan alueella, kalko-genidit infrapuna-alueella). Dielektrisiä pinnoitteita voidaan edullisesti valmistaa esillä olevan keksinnön menetelmällä.

10 Läpinäkyvät, johtavat kalvot voivat koostua joko hyvin ohuista metalleista tai puoli-johtavista oksideista ja viime aikoina jopa nitrideistä, kuten indiumgalliumnitridistä, puolijohteen etuelektrodeissa.

Metallit, joita on perinteisesti käytetty läpinäkyvinä johteina, käsittävät Au:n, Pt:n, 15 Rh:n, Ag:n, Cu:n, Fe:n ja Ni:n. Johtavuuden ja läpinäkyvyyden yhtäaikainen optimointi aiheuttaa merkittäviä haasteita kalvojen kasvatuksessa. Yhdessä ääripäässä ovat merkittävän läpinäkyvät, mutta korkean resistiivisyyden omaavat epäjatkuvat saarekkeet, toisessa ääripäässä kalvot, jotka yhtyvät aikaisin ja ovat jatkuvia, omaten korkean johtavuuden mutta heikon läpinäkyvyyden. Näistä syistä puo-20 lijohtavat oksidit kuten SnC>2, Ir^Ch, CdO, ja yleisemmin niiden seokset (esim. ITO), epäpuhtauksilla varustettu In203 (Sn:n ja Sb:n kanssa), ja epäpuhtauksilla varustettu SnC>2 (F:n, Cl:n, jne kanssa) ovat käytössä.

Metallioksidipinnoituksia voidaan tuottaa joko ablatoimalla metallia tai metalleja 25 aktiivisessa happi-ilmakehässä tai ablatoimalla oksidimateriaaleja. Jopa jälkimmäisessä vaihtoehdossa on mahdollista parantaa pinnoituksen laatua ja/tai tuo-^ tantonopeutta järjestämällä ablaatio reaktiivisessa hapessa. Nitridejä tuotettaessa ° on keksinnön mukaisesti mahdollista käyttää typpi-ilmakehää tai nesteammoniak- 0 kia pinnoitteen laadun parantamiseksi. Kuvaava esimerkki keksinnöstä on kar- g 30 bonitridin (C3N4 kalvojen) tuotanto.

CC

Keksinnön toisen suoritusmuodon mukaisesti puolijohdekerroksen mainittu yhte- 5 näinen pinta tuotetaan hiilimateriaalilla, joka käsittää yli 90 atomiprosenttia hiiltä, josta yli 70% on sp3-sitoutunut. Sellaiset materiaalit käsittävät esimerkiksi amorfi-o ^ 35 sen timantin, nanokristallisen timantin tai jopa pseudo-monokristallisen timantin.

Erilaiset timanttipinnoitteet antavat erinomaiset tribologiset, kesto- ja naarmuun-tumattomuusominaisuudet mutta lisäävät myös lämmönjohtavuutta ja resistanssia.

17

Timanttipinnoitteita voidaan käyttää erityisen edullisesti puolijohteissa, jos ne ovat korkealaatuisia ts. kidemuodossa.

Vielä toisessa keksinnön suoritusmuodossa mainittu yhtenäinen pinta-alue voi-5 daan tuottaa hiiltä, typpeä ja/tai booria eri suhteissa käsittävästä materiaalista. Tällaiset materiaalit käsittävät boorikarbonitridin, karbonitridin (sekä C2N2 että C3N4), boorinitridin, boorikarbidin tai faaseja eri B-N, B-C ja C-N hybridisaatioiden faaseista. Mainitut materiaalit ovat kidemäisiä materiaaleja joilla on matala tiheys, ovat äärimmäisen kestäviä kulutukselle ja ovat yleisesti kemiallisesti inerttejä. 10 Esimerkiksi karbonitridejä voidaan käyttää pinnoitteina puolijohteissa suojaamaan valmisteita syövyttäviltä olosuhteilta.

Mahdolliset materiaalit sisältävät edelleen galliumnitridin, kupari-indiumgalliumselenidin, piioksidin, 6H piikarbidin (heksagonaalinen) ja kadmium-15 telluridin.

Olisi myös huomattava, että puolijohteen kerros/pinta on mahdollista tuottaa abla-toimalla vähintään kahta eri materiaalia. Yksi materiaaleista voi olla seostusaine.

20 Keksinnön yhden suoritusmuodon mukaan puolijohteen ulkopinta on pinnoitettu vain yhdellä ainoalla pinnoitteella. Keksinnön toisen suoritusmuodon mukaan puolijohteen mainittu yhtenäinen pinta on pinnoitettu monikerroksisella pinnoitteella. Useita pinnoitteita voidaan tehdä eri syistä. Lisäksi monikerroksisella pinnoitteella voi olla useita funktioita jotka eivät ole saavutettavissa ilman mainittua 25 rakennetta. Esillä oleva keksintö saavuttaa useiden pinnoitteiden tuottamisen yhdessä ainoassa pinnoituskammiossa tai peräkkäisissä kammioissa.

° Esillä oleva keksintö saavuttaa lisäksi komposiittikerros- o ten/komposiittipinnoitteiden tuottamisen puolijohteille ablatoimalla samanaikaises- g 30 ti yhtä komposiittimateriaalikohtiota tai kahta tai useampaa kohtiomateriaalia, jot- x ka käsittävät yhtä tai useampia aineita.

CL

5 Sopiva ablatoidun kerroksen paksuus on esim. 20 nm - 20 pm, edullisesti 100 nm - 5 pm. Pinnoituspaksuuksia ei tule rajoittaa näihin, sillä esillä oleva keksintö

O

^ 35 mahdollistaa toisaalta molekyylitason pinnoitteiden, toisaalta taas hyvin paksujen pinnoitusten, kuten 100 pm ja enemmän, valmistamisen.

18

Keksinnön mukaisella menetelmällä voidaan myös tuottaa puolijohdetuote, joka käsittää tietyn pinnan, joka on pinnoitettu laserablaatiolla, missä pinnoitettu yhtenäinen pinta käsittää vähintään 0,2 dm2, ja missä pinnoitus on suoritettu käyttämällä ultalyhytpulssista laserkasvatusta, missä pulssitettua lasersädettä skanna-5 taan pyörivällä optisella skannerilla, joka käsittää vähintään yhden peilin mainitun säteen heijastamiseksi. Näillä tuotteilla saavutetut edut on kuvattu tarkemmin aiemmassa menetelmän kuvauksessa.

Keksinnön edullisemmassa suoritusmuodossa mainittu yhtenäinen pinta-alue kä-10 sittää vähintään 0,5 dm2. Keksinnön vielä edullisemmassa suoritusmuodossa mainittu yhtenäinen pinta-alue käsittää vähintään 1,0 dm2. Keksintö aikaansaa helposti myös tuotteet, joiden yhtenäinen pinnoitettu pinta-alue käsittää yli 0,5 m2, kuten 1 m2 ja enemmän.

15 Keksinnön erään suoritusmuodon mukaan mainitulle yhtenäiselle pinnalle tuotetun pinnoitteen pinnan karheus on alle 100 nm yli 100 pm2 alueelta atomivoima-mikroskoopilla (AFM) skannattuna.

Keksinnön toisen suoritusmuodon mukaisesti mainitulle yhtenäiselle pinta-20 alueelle tuotetun päällystyksen optinen läpäisevyys ei ole alle 88%, edullisesti ei alle 90% ja vielä edullisimmin ei alle 92%. Joissain tapauksissa optinen läpäisevyys voi ylittää 98%.

Keksinnön erään toisen suoritusmuodon mukaan mainittu yhtenäinen pinta pinnoi-25 tetaan tavalla, jossa ensimmäinen 50% mainitusta pinnoitteesta mainitulla yhtenäisellä pinnalla ei sisällä lainkaan partikkeleita, joiden halkaisija ylittäisi 1000 nm, edullisesti 100 nm ja edullisimmin 30 nm.

δ c\j i 0 Keksinnön yhden suoritusmuodon mukaan mainittu kerros käsittää metallia, me- i g 30 tallioksidia, metallinitridiä, metallikarbidia tai näiden sekoituksia. Mahdolliset me- 1 tallit kuvattiin aiemmin nyt keksityn pinnoitusmenetelmän kuvauksessa.

CL

5 Keksinnön toisen suoritusmuodon mukaan puolijohdetuotteen mainittu kerros muodostetaan hiilimateriaalilla, joka käsittää yli 90 atomi% hiiltä, josta yli 70% on

O

^ 35 sp3-sitoutunut. Mahdolliset hiilimateriaalit kuvattiin aiemmin nyt keksityn pinnoi tusmenetelmän kuvauksessa.

19

Keksinnön erään toisen suoritusmuodon mukaan mainittu yhtenäinen pinta käsittää hiiltä, typpeä ja/tai booria eri suhteissa. Tällaiset materiaalit kuvattiin aiemmin nyt keksityn pinnoitusmenetelmän kuvauksessa.

5 Keksinnön erään toisen suoritusmuodon mukaan tuotteen mainittu yhtenäinen pinta-alue on pinnoitettu orgaanisella polymeerimateriaalilla. Sellaiset materiaalit kuvattiin tarkemmin aiemmin nyt keksityn pinnoitusmenetelmän kuvauksessa.

Keksinnön yhden edullisen suoritusmuodon mukaan puolijohteen kerroksen yhte-10 näisen pinnan mainitun pinnoitteen paksuus on 20 nm - 20 pm, edullisesti 100 nm - 5 pm. Keksintö aikaansaa myös kerrokset, jotka käsittävät yhden tai useamman atomi kerroksen pinnoitteita ja paksuja pinnoitteita, kuten 100 pm ylittäviä, esimerkiksi 1 mm.

15 Tässä patentissa ei ole kuvattu laserablaatiolaitteiston erilaisten muiden komponenttien yksityiskohtia tarkemmin, sillä ne voidaan toteuttaa ylläolevan kuvauksen ja alan ammattilaisen yleisen tietämyksen avulla.

Edellä on kuvattu vain joitain keksinnön mukaisen ratkaisun sovelluskohteita. 20 Keksinnön mukaista periaatetta voidaan luonnollisesti muutella patenttivaatimusten mukaisen laajuuden rajoissa, esimerkiksi muokkaamalla toteutuksen yksityiskohtia ja käyttökohteita.

Esimerkiksi vain muutamia puolijohteiden rakenteita on käsitelty esimerkkeinä. On 25 myös monia muuntyyppisiä vaihtoehtoisia rakenteita, joissa rakenne käsittää yhden tai useampia kerroksia eri materiaaleja, yleensä puolijohtavia, johtavia, eristi täviä ja läpinäkyviä materiaaleja. On luonnollisesti mahdollista soveltaa esillä ole- ° vaa keksintöä myös sellaisissa muuntyyppisissä puolijohteiden rakenteissa.

i 1^ o g 30 Vaikka edellä on käsitelty suurikokoisia puolijohteita, on luonnollista, että valmis- x tettu suurikokoinen puolijohde voidaan jaotella pienemmiksi komponenteiksi. On myös mahdollista tehdä jaottelu käyttämällä maskeja ablatointiprosessissa.

LO

o o

CVJ

Claims (22)

1. Menetelmä useita materiaalikerroksia (362, 364, 366, 368) käsittävän puolijohteen tuottamiseksi laserkasvatuksella, jossa jokaisella kerroksella on pinta ja 5 jossa mainitun laserkasvatuksen pulssipituus on pienempi kuin 1 ns, tunnettu siitä, että tuotettava pinta-alue käsittää vähintään 0,2 dm2 suuruisen alueen ja jokainen kerros (362, 364, 366, 368) tuotetaan käyttämällä laserkasvatusta, missä pulssitaajuus on vähintään 1 MHz ja missä pulssitettu lasersäde (49) skannataan pyörivällä optisella skannerilla (10, 910), joka käsittää vähintään yhden peilin (21-10 28, 914) mainitun lasersäteen (49) heijastamiseksi, jolloin skannausnopeus on vähintään sen suuruinen, että tuotettava pinta on oleellisesti ilman partikkeleja ja oikosulun aiheuttavia vikatekijöitä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu 15 pinta-alue on yhtenäinen pinta-alue.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu pinta-alue käsittää vähintään 0,5 dm2 suuruisen alueen.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu pinta-alue käsittää vähintään 1,0 dm2 suuruisen alueen.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että laserablaatio toteutetaan 10'7 Pa - 10 kPa paineessa, ja edullisesti 10 Pa -25 10 kPa paineessa.

^ 6. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kohtiomate- riaalin ja tuotettavan yhtenäisen pinnan välinen etäisyys on alle 25 cm, edullisesti i o alle 15 cm ja edullisimmin alle 10 cm. g 30

7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kohtiomateriaalin ablatoitua pintaa voidaan ablatoida toistuvasti virheettömän kerroksen tuottamiseksi. LO N- o ^ 35

8. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että tuotetun kerroksen pinnan karheus mainitulla yhtenäisellä pinta-alueella on alle 100 nm 100 pm2 alueelta atomivoimamikroskoopilla (AFM) skannattuna.

9. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainitulle yhtenäiselle pinnalle tuotetun kerroksen optinen transmissio ei ole alle 88%, edullisesti ei alle 90% ja edullisimmin ei alle 92%.

10. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kerroksen pinta-alue tuotetaan tavalla, jossa ensimmäiset 50% mainitusta kerroksesta mainitulla yhtenäisellä pinta-alueella ei sisällä partikkeleita, joiden halkaisija ylittää 1000 nm, edullisesti 100 nm ja edullisimmin 30 nm.

11. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kerros (364, 368) on johtavan läpinäkyvän materiaalin kerros, joka on tehty indiumtinaoksidista, sinkkioksidista, johon on lisätty pieniä määriä alumiinia, tina-oksidista tai tinaoksidista, johon on lisätty pieniä määriä fluoria.

12. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 1-10 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kerros (364, 368) on johtavan, läpinäkymättömän materiaalin kerros, joka on tehty alumiinista tai kuparista.

13. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 20 että kerros (366) on puolijohtavan materiaalin kerros, joka on tehty piistä, ger- manium-indiumtinaoksidista, sinkkioksidista, johon on lisätty pieniä määriä alumiinia, tinaoksidista tai tinaoksidista, johon on lisätty pieniä määriä fluoria.

14. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 25 että kerros (362) on heijastamattoman päällystyksen kerros, joka on tehty piinitri- distä tai titaanioksidista.

° 15. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, i o että kerros käsittää vähintään 80% metallioksidia tai sen seosta. i en 30 o

16. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, CC että kerros on tehty hiilimateriaalista, joka käsittää yli 90 atomi% hiiltä, josta yli 5 70% on sp3-sitoutunut. LO o ^ 35

17. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu kerrosmateriaali käsittää hiiltä, typpeä tai booria.

18. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kerroksen paksuus on 20 nm - 20 pm, edullisesti 100 nm - 5 pm.

19. Järjestely vähintään puolijohteen osan tuottamiseksi, järjestelyn käsittäessä 5 välineet vähintään kerroksen (362, 364, 366, 368), jolla on pinta, valmistamiseksi laserkasvatuksella, jossa laserkasvatuksen pulssipituus on pienempi kuin 1 ns, tunnettu siitä, että tuotettava pinta-alue käsittää vähintään 0,2 dm2 suuruisen alueen, ja järjestely käsittää välineet (571-575) kerroksen (362, 364, 366, 368) tuottamiseksi ultralyhytpulssista laserkasvatusta käyttämällä, missä mainitun la-10 serkasvatuksen pulssitaajuus on vähintään 1 MHz ja missä järjestely käsittää pyörivän optisen skannerin (10, 910) pulssitetun lasersäteen (49) skannaamiseksi, pyörivän skannerin käsittäessä vähintään yhden peilin (21-28, 914) mainitun lasersäteen (49) heijastamiseksi, jolloin skannausnopeus on vähintään sen suuruinen, että tuotettava pinta on oleellisesti ilman partikkeleja ja oikosulun aiheuttavia 15 vikatekijöitä.

20. Patenttivaatimuksen 19 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että mainittu pinta-alue on yhtenäinen pinta-alue.

21. Patenttivaatimuksen 19 tai 20 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että järjes tely käsittää välineet (571-575) vähintään kahden kerroksen tuottamiseksi samaan puolijohteeseen samassa kammiossa (510).

22. Jonkin patenttivaatimuksen 19-21 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että 25 järjestely käsittää välineet (571-575) saman puolijohteen kerroksien tai substraatin työstämiseksi samassa kammiossa (510). δ CvJ i^. cp co o X X Q. δ o o CvJ