DE3786237T2

DE3786237T2 - Vorrichtung fuer vakuumverdampfung.

Info

Publication number: DE3786237T2
Application number: DE8787310900T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Fujiyasu; Hiroshi Noma
Original assignee: Fuji Seiki KK
Current assignee: Fuji Seiki KK
Priority date: 1986-12-10
Filing date: 1987-12-10
Publication date: 1993-09-23
Anticipated expiration: 2007-12-11
Also published as: EP0271351A2; EP0271351A3; US4854264A; KR930007853B1; EP0271351B1; KR890007708A; DE3786237D1

Description

Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung für Vakuumverdampfung bei der Herstellung dünner Schichten, insbesondere mit einem Ofen vom Vakuumrohr-Typ mit Elektrodenstiften für den Heizdraht und Thermoelemente.
Heutzutage gibt es eine zunehmende Anforderung, dünne Schichten aus Metall, Halbleiter, Supraleiter usw. auf einem Substrat nicht nur in der Elektronik, sondern auch auf verschiedenen anderen Gebieten herzustellen. In der Elektronik ist, um Hochqualitätsschichten zu erhalten, die Molekularstrahl-Epitaxie eines der leistungsfähigsten Verfahren, bei dem ein System für die Vakuumverdampfung verwendet wird. Selbst synthetische Materialien, wie Supergitter, können unter Verwendung einer Wachstumssteuerung im atomaren Maßstab gemacht werden.
Das Niederschlagen von Gas, Elementen oder Molekülen, die von Quellenmaterialien verdampft sind, wird weit verbreitet für das übliche Vakuumverdampfungsverfahren verwendet. Als Ergebnis eines großen Fortschritts des chemischen Vakuumaufdampfungsverfahrens, wurden metallorganische Gase kürzlich zunehmend für das Vakuumverdampfungsverfahren ebenfalls verwendet, was eine metallorganische Molekularstrahl-Epitaxie ergab. Für diese Epitaxie sollten die metallorganischen Moleküle gespalten werden, um Metallmoleküle und organische Moleküle zu werden, bevor sie das Substrat erreichen. Somit muß beispielsweise das System mit einer beheizten Kammer ausgerüstet sein, um den metallorganischen Molekülen Energie zuzuführen, damit sie gespalten werden.
Heißwand-Epitaxie ist eine Art von Molekularstrahl-Epitaxie.
Mit Hilfe dieser Epitaxie sind Kristallschichten aus einer III-V Verbindung, ausgezeichnete Infrarothalbleiterlasereinrichtungen, die aus einer IV-VI Verbindung bestehen, und Halbleitersupergitter aus II-VI Verbindung erzeugt worden. Diese Heißwand-Epitaxie ist beschrieben in dem US-Patent 4,662,981. Weitere Beispiele von Molekularstrahl-Epitaxie und Heißwand-Epitaxie sind beschrieben in JP-A-6197190, JP- A-59 152296 und in Journal of Vacuum Sequence and Technology/A, Bd. 4, Nr. 3, Teil 1, Mai-Juni 1986, Seiten 602-605.
Das epitaxiale Schichtaufwachsen wird stets unter Verwendung einer beheizten Kammer (Ofen) durchgeführt, der einige Tiegel für Quellenmaterialien enthält. Die von den Tiegeln verdampften Gase strömen durch den von einer heißen Wand umgebenen Raum hindurch zu einem Substrat. Photonen von der heißen Wand, die sich unmittelbar unterhalb des Substrats befindet, bestrahlen die wachsende Schichtoberfläche und ermöglichen, daß Hochqualitätsschichten auf dem Substrat wegen der den Oberflächenatomen, insbesondere den lose gebundenen, instabilen Atomen auf dem Substrat, gegebenen Energie und Impulse wachsen.
Ein Teil des Niederschlagsgases schließt durch einen kleinen Spalt zwischen der Substrathalteplatte und dem offenen, oberen Bereich des Heizwandrohrs hinaus. Dies blockiert den Eintritt von restlichen Gasmolekülen, wie O&sub2;, auf die wachsende Schichtoberfläche, führt aber manchmal zu solchen Schwierigkeiten, wie elektrischen Kurzschluß, Brechen des Heizdrahts und Verschmutzung anderer Teile des Heizwandofens.
Die vorgenannte Heißwand-Epitaxie wird bei einer herkömmlichen Technik unter Verwendung eines "Heißwand-Ofens" durchgeführt, der in einer Vorrichtung für Vakuumverdampfung angeordnet ist, wie es in Fig. 6 gezeigt ist.
Es wird auf die Fig. 6 bezug genommen, gemäß der ein "Heißwand-Ofen", der im wesentlichen aus einer Heizeinrichtung 2 besteht, umfaßt, ein Quarzglasrohr, das mit einer ersten Ausnehmung 3 zum Halten eines ersten Materials als Quelle versehen ist, das verdampft werden soll, im folgenden als Verdampfungsquellenmaterial bezeichnet, und eine zweite Ausnehmung 4, die koaxial unterhalb der ersten Ausnehmung 3 zum Halten eines zweiten Verdampfungsquellenmaterial angeordnet ist, wobei eine erste und eine zweite Heizeinrichtung 5 und 6 um die erste und die zweite Ausnehmung 3 bzw. 4 herum unabhängig angeordnet sind, um die Temperaturen der entsprechenden Ausnehmungen 3 und 4 zu steuern, und ein erstes und ein zweites Thermoelement 7 und 8 für die jeweiligen Heizeinrichtungen 5 und 6.
Innerhalb der Heizeinrichtung 2 ist ein Schmelzgefäß 11 angeordnet, das mit einem ersten und zweiten Schmelztiegel 9 und 10 zur Aufnahme des ersten bzw. zweiten Verdampfungsquellenmaterials versehen ist, wie es in Fig. 7 gezeigt ist, um eine dünne Schicht aus mehr als einer Art Metall, Nichtmetall oder Verbindungen auf dem Substrat zu bilden, das oberhalb des Heizofens angeordnet ist. Der obere Teil des Tiegels 9 wirkt als eine heiße Wand.
Bei der herkömmlichen Heizeinrichtung 2, die die obenbeschriebene Konstruktion aufweist, kann das Schmelzgefäß 11 ohne weiteres ausgetauscht werden, jedoch kann der Austausch der Heizeinrichtung 2 im Falle ihrer Verschmutzung oder der Unterbrechung der Heizung und der Austausch der Heizelemente und der an der Heizeinrichtung 2 befestigten Thermoelemente nicht einfach durchgeführt werden. Aus diesem Grund wird als ein Beispiel hervorgehoben, daß sich die Thermoelemente nach außerhalb der Heizeinrichtung 2 erstrecken und mit den Thermoelementen verbundene Ausgleichsverbindungsdrähte mit dem Heizofen verbunden sind. Diese Verdrahtung oder Verbindung erschwert, ohne weiteres die Heizeinrichtung und die ähnlichen Elemente des Heißwand-Ofens 1 auszutauschen.
Leitungsverbindungen machen es schwierig, ohne weiteres den Heißwand-Ofen 1 im Falle der obengenannten Schwierigkeiten auszutauschen. Diese herkömmliche Vorrichtung für Vakuumverdampfung oder dieses Verfahren sind für die Massenherstellung von aufgedampften, dünnen Schichten nicht geeignet, wobei dies ein bedeutendes Problem bei der herkömmlichen Technik ist.
Gemäß dieser Erfindung wird geschaffen eine Vorrichtung für Vakuumverdampfung zum Niederschlagen dünner Schichten auf einem Substrat, umfassend:
einen Vakuumtank;
eine Mehrzahl von Heißwand-Öfen, die in dem genannten Vakuumtank zum Heizen und Verdampfen einer Mehrzahl von Verdampfungsquellenmaterialien zum Aufdampfen als eine dünne Schicht auf einem Substrat angeordnet sind, wobei jeder der Heißwand-Öfen der Mehrzahl einschließt:
ein austauschbares, im wesentlichen vertikales Tiegelgefäß zum Halten eines Verdampfungsquellenmaterials, wobei das genannte Tiegelgefäß ein hitzebeständiges, transparentes oder halbtransparentes Rohr ist, das genannte Tiegelgefäß eine Mehrzahl koaxialer, vertikal beabstandeter Nebentiegel zum Halten einer Mehrzahl von Verdampfungsquellenmaterialien hat;
ein Heizrohr, das zu dem genannten austauschbaren Tiegelgefäß paßt und es lösbar hält, und das genannte Heizrohr ein hitzebeständiges, transparentes oder halbtransparentes Rohr ist;
eine Mehrzahl Heizeinrichtungen, wobei jede der genannten Mehrzahl von Heizeinrichtungen im wesentlichen einen Abschnitt der äußeren Umfangsoberfläche des genannten Heizrohres und einem jeweiligen der genannten Mehrzahl von Nebentiegeln zu dessen Erhitzung benachbart umgibt;
eine Mehrzahl von Thermoelementen, wobei jeweils eines der genannten Mehrzahl von Thermoelementen einer der genannten Mehrzahl von Heizrichtungen zu ihrem unabhängigen Betreiben benachbart ist, um unabhängig die Temperatur eines jeden der genannten Mehrzahl von Nebentiegeln zu steuern;
eine erste Mehrzahl von Sockelstiften, die über Verbindungsdrähte mit den genannten Heizeinrichtungen verbunden und in dem Boden von jedem genannten Heißwand-Ofen angeordnet sind;
eine zweite Mehrzahl von Sockelstiften, die mit den genannten Thermoelementen verbunden sind und in dem Boden von jedem genannten Heißwand-Ofen angeordnet sind;
ein Drehtisch, der drehbar an dem genannten Vakuumtank angebracht ist, wobei der genannte Drehtisch innerhalb des genannten Vakuumtanks und vertikal oberhalb der genannten Mehrzahl von Heißwand-Öfen beabstandet angeordnet ist, Einrichtungen an dem genannten Drehtisch zum lösbaren Halten einer Mehrzahl von Substraten oberhalb der genannten Mehrzahl von Heißwand-Öfen, damit dünne Schichten von Verdampfungsquellenmaterialien auf einer Mehrzahl von Substraten dadurch niedergeschlagen werden, eine Substratheizeinrichtungen an dem genannten Drehtisch zum vorausgehenden Aufheizen einer Mehrzahl von Substraten, um eine Mehrzahl von Substraten vorzubereiten, auf denen eine dünne Schicht durch die genannte Mehrzahl von Heißwand-Öfen niedergeschlagen wird und eine Einrichtung zum nichtfortlaufenden Drehen des genannten Drehtisches zum nichtfortlaufenden Bewegen eines einer Mehrzahl von Substraten, die von dem genannten Drehtisch gehalten werden, aus einer Aufdampfungsstellung unmittelbar oberhalb von einem der genannten Mehrzahl von Heißwand-Öfen in eine Ruhestellung zwischen benachbarten der genannten Mehrzahl von Heißwand-Öfen, um das Aufdampfen einer dünnen Schicht auf einer Mehrzahl von Substraten zu steuern;
eine Hilfsvakuumkammer, die fluidmäßig mit dem genannten Vakuumtank verbunden ist; und
eine der genannten Hilfsvakuumkammer benachbarte Subtrataustauscheinrichtung zum Austauschen eines neuen Substrats durch die genannte Hilfsvakuumkammer hindurch gegen ein Substrat, auf dem eine dünne Schicht niedergeschlagen worden ist und das lösbar von dem genannten Drehtisch gehalten wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind der Vakuumtank und die Hilfsvakuumkammer über ein Absperrventil verbunden, um den Vakuumzustand wirkungsvoll in dem Vakuumtank aufrechtzuerhalten. Die Sockelstifte können aus denselben Materialien wie jene gemacht werden, die die Metallabschnitte der jeweiligen Themoelemente bilden.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun als Beispiel und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung für Vakuumverdampfung gemäß dieser Erfindung ist;
Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines Vakuumtanks und zugeordneter Einheiten oder Mechanismen der Verdampfungsvorrichtung ist, die in Fig. 1 gezeigt ist;
Fig. 3 eine Querschnittsansicht eines Substrataustauschmechanismus der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung ist;
Fig. 4 eine vertikale Schnittansicht eines Heißwand-Ofens ist, der in dem Vakuumtank der Vorrichtung für Vakuumverdampfung anzuordnen ist;
Fig. 5 eine schematische Ansicht des in Fig. 4 gezeigten Heißwand-Ofens ist, um die Verbindungsbeziehung zwischen den ihn bildenden Elementen zu zeigen;
Fig. 6 eine schematische Ansicht einer herkömmlichen Heizeinrichtung ist, die in dem Heißwand-Ofen anzuordnen ist; und
Fig. 7 eine schematische Ansicht eines in dem Heißwand- Ofen anzuordnenden Tiegelgefäßes ist, in dem Verdampfungsquellenmaterialien aufgenommen werden.
Es wird auf die Fig. 1 bezug genommen, der gemäß eine Vorrichtung für Vakuumverdampfung 20, die diese Erfindung verkörpert, allgemein umfaßt einen Vakuumtank 21, eine Hilfsvakuumkammer 22, die betriebsmäßig mit dem Vakuumtank 21 über einen Absperrschieber GV verbunden ist, einen Substrataustauschmechanismus 23, der arbeitet, ein Substrat W aus dem Vakuumtank 21 herauszunehmen und ein benutztes Substrat gegen ein neues Substrat auszutauschen, Heißwand-Öfen 54 (Fig. 2), die in dem Vakuumtank 21 angeordnet sind, eine Substratüberführungseinheit 25 (Fig. 2) zum Drehen des Substrats W über die Heißwand-Öfen 54 und eine Substratheizeinrichtung 26.
Eine Steuertafel 27 ist unterhalb des Vakuumtanks 21 zur Steuerung des Betriebs einer Absaugeeinheit, einer Heizeinheit und ähnlichem, angeordnet. Eine Grobpumpe 29 und eine Vorpumpe 30 sind auf einer Rolleinrichtung 28 befestigt, die in Fig. 1 als getrennte Einheit an der Seite des Körpers der Vorrichtung für Vakuumverdampfung 20 gezeigt ist. Die Grobpumpe 29 und die Vorpumpe 30 bestehen beispielsweise aus Rotationspumpen. Um den Vakuumtank 21 herum ist ein Wasserkühlrohr 31 angeordnet. Die Bezugszeichen 32 und 33 bezeichnen ein Flüssigstickstoff-Einlaßrohr bzw. ein Flüssigstickstoff-Auslaßrohr, und das Bezugszeichen 34 bezeichnet Sichteinrichtungen.
Wie es in Fig. 2 gezeigt ist, umfaßt der Vakuumtank 21 einen Körper 37, der an beiden Enden durch eine obere und eine untere Abdeckung 35 und 36 geschlossen ist, und eine Mehrzahl (vier bei der dargestellten Ausführungsform) von "Heißwand-Öfen" die im folgenden im einzelnen beschrieben werden und die in dem Körper 37 in einem aufrechten Zustand angeordnet sind, wobei die unteren Enden durch die untere Abdeckung 36 abgestützt werden.
Die Heißwand-Öfen 54 sind so angeordnet, daß sie eine Flüssigstickstoffalle 38 umgeben, durch die Flüssig- oder Gasbestandteile in dem Vakuumtank 21 außen herum kondensiert werden, um den Vakuumgrad in dem Tank 21 zu verbessern.
Die Flüssigstickstoffalle 38 wird auch an dem Ende durch die untere Abdeckung 36 über einen Tragtisch 39 gehalten, und die untere Platte 36 ist mit einer Durchgangsöffnung 40 versehen, mit der die Vorpumpe 30 betriebsmäßig über ein Ventil 41 und eine Hauptpumpe 42 verbunden ist. Die Hauptpumpe 42 besteht beispielsweise aus einer Turbo-Molekularpumpe.
Ein Drehtisch 43 ist oberhalb der Flüssigstickstoffalle 38 angeordnet, und, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, sind Kegelräder 44, ein Platnetengetriebe 45 und ein Impulsmotor M mit dem Drehtisch 43 gekoppelt, um dadurch insgesamt die Substratüberführungseinheit 25 zu bilden.
Der Drehtisch 43 ist mit einer Mehrzahl von Durchgangsöffnungen 46 versehen, in die das von einem Rahmen 47 gehaltene Substrat W eingepaßt wird, wobei das Substrat W durch Drehungen oberhalb des Heißwand-Ofens 54 entlanggeführt wird.
Der Substrataustauschmechanismus 23, dessen Vorderabschnitt im einzelnen in Fig. 3 gezeigt ist, schließt eine Anhaftungs-Einrichtung 48 ein, die durch elektromagnetische Kraft betrieben wird, und der erste Anhaftungs-Abschnitt 48a der Anhaftungs-Einrichtung 48 arbeitet derart, daß das Substrat W, das von dem Rahmen 47 gehalten wird, daran haftet, um es von diesem zu trennen, und der zweite Anhaftungs-Abschnitt 48b der Anhaftungs-Einrichtung 48 arbeitet, an der Substratheizeinrichtung 26 anzuhaften und zu trennen. Die Anhaftungs-Einrichtung 48 wird von einem Arm 50 getragen, damit sie von außerhalb des Vakuumtanks 21 von Hand oder elektrisch betrieben werden kann.
Die Substratheizeinrichtung 26 umfaßt ein Gehäuse 51 und eine Heizlampe 53, und die Substratheizeinrichtung 26 dient dazu, das Substrat W zur wirkungsvollen Vakuumverdampfung vorzuheizen, während das Substrat zusammen mit dem Drehtisch 43 gedreht wird.
Die Heißwand-Öfen 54 sind in einer bevorzugten Ausführungsform gemäß dieser Erfindung in Fig. 4 gezeigt. In einer Mehrzahl sind Heißwand-Öfen, von denen jeder vorzugsweise eine zylindrische Außengestalt aufweist, vertikal, koaxial in dem Vakuumtank 21 angeordnet, so daß sie jeweils unabhängig gesteuert werden können.
Der Heißwand-Ofen 54 umfaßt einen Halter 73, eine Heizeinrichtung 72 und ein Tiegelgefäß 55. Vorzugsweise ist der Halter 73 aus einem rostfreien Rohr oder anderen hitzbeständigen Rohren gemacht. Der Halter kann aus einem transparenten Silikatglasrohr, einem transparenten Quarzglasrohr oder einem anderen transparenten oder halb transparenten Rohr gemacht sein. In diesem Fall sind Wärmeabschirmungen erforderlich.
Der Halter 73 hält darin die Heizeinrichtung 72. Die Heizeinrichtung hält in sich austauschbar das Tiegelgefäß 55. Der in Fig. 4 gezeigte Halter 73 besitzt darin keine abzudichtende Öffnung wegen des Schutzes der Heizeinrichtungen 58 und 59. Jedoch kann der Halter 73 auf seinem Umfang Öffnungen haben, um in ihm einen Vakuumgrad zu erzeugen, wenn der Dampfdruck in dem Vakuumtank 21 nicht so hoch ist.
Die Gefäße 55 nehmen Materialien auf, die als Verdampfungsquellenmaterialien verdampft werden sollen. Das Quellentiegelgefäß 55 umfaßt einen ersten, oberen Tiegel 56, der einen großen Durchmesser aufweist, und einen zweiten, unteren Tiegel 57, der koaxial zu dem oberen Abschnitt durchgehend gebildet ist und einen kleineren Durchmesser als derjenige des oberen Abschnittes 56 aufweist, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Der erste, obere und der zweite, untere Tiegel 56 und 57 nehmen jeweils das erste und das zweite Verdampfungsquellenmaterial 70 und 71 auf. Die Quellenmaterialien 70 und 71 können nicht nur feste Metalle, sondern auch Metallgase sein. Wenn die Quellenmaterialien 70 und 71 Metallgase sind, werden die Quellenmaterialien 70 und 71 durch Zufuhrrohre (nicht gezeigt) zugeführt, die sich nach außerhalb des Vakuumtanks 21 erstrecken. Eine erste Heizeinrichtung 58 (eine Heizspule, die im vergrößerten Maßstab in Fig. 4 dargestellt ist) ist um die äußere Umfangsoberfläche des oberen Tiegels 56 der Heizeinrichtung 72 angeordnet, um den Tiegel 56 auf die vorbestimmte Temperatur aufzuheizen, und eine zweite Heizeinrichtung 59 (ebenfalls eine Heizspule, die im vergrößerten Maßstab in Fig. 4 dargestellt ist) ist um die äußere Umfangsoberfläche des unteren Abschnitts 57 der Heizeinrichtung 72 angeordnet, um den Tiegel 57 auf die vorbestimmte Temperatur aufzuheizen. Vorzugsweise sind die erste und die zweite Heizeinrichtung 58 und 59 aus Wolframheizspulen gemacht. Der Halter 55 und die Heizeinrichtung 72 sind aus einem transparenten Silikatglasrohr oder anderen hitzebeständigen, transparenten oder halbtransparenten Rohren gemacht. Photonen von den Heizeinrichtungen 58 und 59 sollten auf der Oberfläche eines Substrats (in Fig. 3 gezeigt) durch den Halter 55 und die Heizeinrichtung 72 hindurch ankommen. Durch Empfangen der Photonen kann eine höhere Reinheit und günstigere Kristallinität der Oberflächenschicht auf dem Substrat erreicht werden.
Elektrische Leitungs-Verbindungsdrähte 58a und 59a sind mit der ersten und der zweiten Heizeinrichtung 58 bzw. 59 so verbunden, daß die Heiztemperaturen der Heizeinrichtungen 58 und 59 unabhängig gesteuert werden können.
Ein erstes Thermoelement, das aus zwei Metallabschnitten 60a und 60b besteht, ist in dem Inneren des Rohrgliedes 54 nahe dem Mittelbereich des ersten Tiegels 56 angeordnet, um die Temperatur des Tiegels 56 zu messen, und ein zweites Thermoelement das aus den Metallabschnitten 61a und 61b besteht, ist in dem Inneren des Rohrgliedes 54 nahe dem Mittelbereich des zweiten Tiegels 57 angeordnet, um die Temperatur des Tiegels 57 zu messen.
Das erste und das zweite Thermoelement 60a, 60b und 61a und 61b sind jeweils mit Sockelstiften verbunden, die aus denselben Materialien wie jene entsprechenden Thermoelemente an dem Boden des Heißwand-Ofens 54 hergestellt sind, wobei bei der dargestellten Ausführungsform, die in Fig. 4 gezeigt ist, nur die Sockelstifte 62a und 62b für das Thermoelement 61a und 61b gezeigt sind. Wenn beispielsweise die Metallabschnitte 61a und 61b, die das zweite Thermoelement bilden, aus einem Alumel-Draht bzw. einem Chromel-Draht gemacht sind, wird der Sockelstift 62a, der mit dem Metallabschnitt 61a des Thermoelements verbunden ist, aus dem Alumel-Draht hergestellt, und daher wird der Sockelstift 62b, der mit dem Metallabschnitt 61b des Thermoelements verbunden ist, aus dem Chromel-Draht hergestellt. Dasselbe Vorgehen kann bei dem ersten Thermoelement angewendet werden.
Die Sockelstifte 62a und 62b sind über Verbindungsdrähte mit einer Temperatursteuerung verbunden, die nicht gezeigt ist.
Die erste und die zweite Heizeinrichtung 58 und 59 sind über Verbindungsdrähte 58a bzw. 59a mit den Sockelstiften verbunden, aber bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform sind nur die Sockelstifte 63a für die zweite Heizeinrichtung 59 mit den Bezugszeichen 63a bezeichnet. Die Sockelstifte 63a sind wiederum mit einer elektrischen Stromquelle über Leitungsdrähte verbunden, was nicht gezeigt ist.
Die tatsächlichen Verbindungen des ersten und des zweiten Thermoelements 60a, 60b und 61a, 61b mit den Sockelstiften 65a, 65b und 62a, 62b und der ersten und der zweiten Heizeinrichtung 58 und 59 mit den Sockelstiften 64a und 63a am Boden des Heißwand-Ofens 54 sind kurz in Fig. 5 gezeigt.
Diese Figur zeigt eine vereinfachte Heizeinrichtung 72. Tatsächlich gibt es viele Heizverbindungsstufen. Beispielsweise kann die erste Heizeinrichtung 58 oder die zweite Heizeinrichtung 59 mehr als zwei Heizeinrichtungen umfassen, die jeweils unabhängig steuerbar sind. Wo die erste Heizeinrichtung 58 oder die zweite Heizeinrichtung 59 mehr als zwei Heizeinrichtungen umfaßt, kann eine differenziertere Verdampfungssteuerung durchgeführt werden. In diesem Fall sollten Thermoelemente an jeder der Heizeinrichtungen angebracht sein.
Die Vorrichtung für Vakuumverdampfung, die die obenbeschriebene Konstruktion aufweist, arbeitet in der folgenden Weise.
Die Verdampfungsquellenmaterialien werden zuerst in den jeweiligen Heißwand-Ofen 54 eingesetzt, die daraufhin an den vorbestimmten Stellen in dem Vakuumtank 21 angeordnet werden, und in diesem Zustand wird die obere Abdeckung 35 geschlossen, um den Vakuumtank 21 einzuhüllen.
Die Vorpumpe 30 wird dann betrieben, um den Vakuumzustand in dem Vakuumtank 21 zu erzeugen, und bei diesem Betrieb kann das Vakuummaß weiter verstärkt werden, indem Flüssigstickstoff der Flüssigstickstoffalle 38 zugeführt wird, um dadurch hauptsächlich den Wasseranteil und verdampfte Materialien, die in dem Vakuumtank enthalten sind, auf der äußeren Umfangsoberfläche der Falle 38 zu kondensieren. Die Grobpumpe 29 wird zu diesem Zeitpunkt auch betrieben, um den Vakuumzustand in der Hilfsvakuumkammer 22 zu erzeugen.
Bei dem nachfolgenden Schritt wird der Substrataustauschmechanismus 23 betrieben, um das Rahmenglied 47, von dem das Substrat W gehalten wird, an dem ersten Anhaftungs-Abschnitt 48a anzubringen und dann den Absperrschieber WV zu öffnen, um es in den Vakuumtank 21 einzuführen. Die elektrische Stromleitung zu dem ersten Anhaftungs-Abschnitt 48a wird unterbrochen und das Rahmenglied 47 mit dem Substrat W wird in die Durchgangsöffnung 46 des Drehtisches 43 eingesetzt.
Bei dem nächsten Schritt wird elektrischer Strom zu dem zweiten Anhaftungs-Abschnitt 48b geschickt, um die Substratheizeinrichtung 26 aufzunehmen, die aus der Heizlampe 53 besteht, die dann auf dem Rahmenglied 47 angeordnet wird.
Anschließend wird der Schrittmotor M angetrieben, um die Substratüberführungseinheit 25 so zu betreiben, daß das Substrat W in einer genauen Lage unmittelbar oberhalb des Rohrgliedes 54 angeordnet wird. Die Verdampfungsquellenmaterialien werden durch die erste und die zweite Heizeinrichtung 58 und 59 aufgeheizt, um zu verdampfen und die verdampfte Quelle auf der Substratoberfläche niederzuschlagen, bis die Dicke der aufgedampften Schicht den vorbestimmten Wert auf dem Substrat W erreicht.
Dann wird der Drehtisch 43 gedreht, um das Substrat W in die Ruhestellung zwischen Heißwand-Öfen zu überführen, und der Tisch 43 wird während einer vorbestimmten Zeitdauer angehalten. Dann wird der Drehtisch 43 gedreht, um das Substrat W in die vorherige Lage unmittelbar oberhalb des Heißwand- Ofens 54 zu überführen und wird während einer vorbestimmten Zeitdauer angehalten. Die vorgenannte Drehung des Tisches 43 wird viele Male wiederholt.
Deshalb wird das Substrat W abwechselnd verdampften Gasen und der Ruhe ausgesetzt. Dieses abwechselnde Aussetzungsverfahren ist das, was als Flip-Flop-Verfahren bezeichnet wird. Mittels des Flip-Flop-Verfahrens kann eine hohe Reinheit und Kristallinität der Schicht auf dem Substrat W erreicht werden.
Nach der Flip-Flop-Wirkung des Drehtisches wird der Drehtisch gedreht, um das Substrat W zu einer anderen Station zu überführen, an der andere Verdampfungsquellenmaterialien verdampft und auf dem Substrat W im wesentlichen in derselben Weise niedergeschlagen werden, wie es vorhergehend beschrieben worden ist. Gemäß dieser Ausführungsform, bei der vier Heißwand-Öfen 54 angeordnet sind, können vier Schichtarten auf das Substrat W aufgedampft werden.
Im Falle des Austauschens des Substrats wird der Absperrschieber GV geöffnet und gemäß dem Betrieb des Substrataustauschmechanismus 23, wird ein neues Substrat W, das von dem ersten Anhaftungs-Abschnitt 48a gehalten wird, auf den Drehtisch 43 übertragen.
Nach diesen Betriebsvorgängen wird der Absperrschieber GV geschlossen, um die leitende Verbindung zwischen der Hilfsvakuumkammer 22 und dem Vakuumtank 21 zu unterbrechen. Die Hilfsvakuumkammer 22 wird dann geöffnet, um das vakuumbedampfte Substrat W heraus zunehmen und gegen ein neues Substrat auszutauschen und dieses an dem ersten Anhaftungs-Abschnitt 48a anzubringen.
Die Grobpumpe 29 wird unmittelbar nach dem Anbringen des neuen Substrats W betrieben, um die Luft in der Hilfsvakuumkammer 22 herauszupumpen.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, können gemäß der Vorrichtung für Vakuumverdampfung in dieser Ausführungsform Substrate ausgetauscht werden, während der wesentliche Vakuumzustand in dem Vakuumtank aufrechterhalten wird, so daß der gesamte Verdampfungsbetrieb glatt mit verbessertem hohen Wirkungsgrad durchgeführt werden kann.
Ferner ist der Heißwand-Ofen 54, der für die obenbeschriebene Verdampfungsvorrichtung verwendet wird, mit dem ersten und dem zweiten Thermoelement 60a, 60b bzw. 61a, 61b zum Messen der Temperatur des ersten und des zweiten Ausnehmungsabschnittes 56 und 57 und mit Sockelstiften versehen, die aus denselben Materialien wie jene der entsprechenden Thermoelemente hergestellt sind, die mit den Sockelstiften verbunden werden sollen, so daß die Temperaturen der jeweiligen Tiegel genau beobachtet werden können und demgemäß die Temperaturen der jeweiligen Abschnitte genau gesteuert werden können.
Die Verbindungen der Thermoelemente 60a, 60b und 61a, 61b und der elektrischen, stromleitenden Drähte 58a und 59a mit den Sockelstiften 61a und 64a ermöglichen, diese Glieder oder Elemente in dem Fall ohne weiteres auszutauschen, daß die Wandoberfläche des Heißwand-Ofens 54 äußerst verschmutzt ist, die Heizeinrichtung unterbrochen ist oder die Verdampfungsquellenmaterialien ausgetauscht werden sollen.
Auf diese Weise können die dünnen Schichten, zwei oder mehrere Arten, wirkungsvoll verdampft und auf das Substrat bei der Verwendung der Verdampfungsvorrichtung dieser Erfindung aufgedampft werden.
Gemäß dieser Ausführungsform ist eine Verdampfungsvorrichtung mit Heißwand-Öfen ausgerüstet, die Heizeinrichtungen bilden, die betriebsmäßig mit Sockelstiften von Sockeln verbunden sind, die aus denselben Materialien wie jene der Thermoelemente gemacht sind, so daß der Austausch der Heißwand-Öfen äußerst einfach durchgeführt werden kann, und demgemäß eine dünne Schicht, die aus mehr als einer Art von Metall, Nichtmetall oder Verbindung gemacht ist, auf einem Substrat wirkungsvoll gebildet werden kann. Die Temperaturen der Materialien, die als Verdampfungsquellenmaterialien verdampft werden sollen, können genau gesteuert werden.
Da ferner Heißwand-Öfen in einer Mehrzahl in dem Vakuumtank angeordnet sind und Substrate aufeinanderfolgend über die Mehrzahl von Heißwand-Öfen aufeinanderfolgend entlanggeführt werden, kann eine Mehrzahl von Verdampfungsquellenmaterialien wirkungsvoll verdampft werden, und ferner können die Substrate während dieser Verdampfungsschritte auf die erwünschte Temperatur aufgeheizt werden, so daß die verbesserte Aufdampfungsabscheidung erzielt wird.
Man sieht somit, daß die vorliegende Erfindung zumindest in ihren bevorzugten Formen die Mittel liefert, um Schwierigkeiten und Fehler auszuschließen oder wenigstens zu verringern, denen auf diesem Gebiet bei der früheren Technik begegnet worden ist, und eine Vorrichtung für Vakuumverdampfung schafft, bei der ohne weiteres ein neu erfundener Heißwand-Ofen der Vorrichtung ausgetauscht werden kann; und ferner eine Verdampfungsvorrichtung schafft, die mehrere Arten Metalle, Nichtmetalle oder Verbindungen in einer ausgezeichneten Weise verdampfen kann, um die Verdampfungstemperatur zu steuern und auch Substrate austauschen kann, ohne das Vakuum zu unterbrechen.

Claims

1. Eine Vorrichtung für Vakuumverdampfung zum Niederschlagen dünner Schichten auf einem Substrat, umfassend:

einen Vakuumtank (21);

eine Mehrzahl von Heißwand-Öfen (54), die in dem genannten Vakuumtank zum Heizen und Verdampfen einer Mehrzahl von Verdampfungsquellenmaterialien zum Aufdampfen als eine dünne Schicht auf einem Substrat (W) angeordnet sind, wobei jeder der Heißwand-Öfen der Mehrzahl einschließt:

ein austauschbares, im wesentlichen vertikales Tiegelgefäß (55) zum Halten eines Verdampfungsquellenmaterials, wobei das genannte Tiegelgefäß ein hitzebeständiges, transparentes oder halbtransparentes Rohr ist, das genannte Tiegelgefäß (55) eine Mehrzahl koaxialer, vertikal beabstandeter Nebentiegel (56, 57) zum Halten einer Mehrzahl von Verdampfungsquellenmaterialien hat;

ein Heizrohr (72), das zu dem genannten austauschbaren Tiegelgefäß (55) paßt und es lösbar hält, und das genannte Heizrohr (72) ein hitzebeständiges, transparentes oder halbtransparentes Rohr ist;

eine Mehrzahl Heizeinrichtungen (58, 59), wobei jede der genannten Mehrzahl von Heizeinrichtungen im wesentlichen einen Abschnitt der äußeren Umfangsoberfläche des genannten Heizrohres (72) und einem jeweiligen der genannten Mehrzahl von Nebentiegeln (56, 57) zu dessen Erhitzung benachbart umgibt;

eine Mehrzahl von Thermoelementen (60,61), wobei jeweils eines der genannten Mehrzahl von Thermoelementen einer der genannten Mehrzahl von Heizrichtungen (58) zu ihrem unabhängigen Betreiben benachbart ist, um unabhängig die Temperatur eines jeden der genannten Mehrzahl von Nebentiegeln (56, 57) zu steuern;

eine erste Mehrzahl von Sockelstiften (63a, 64a), die über Verbindungsdrähte (58a, 59a) mit den genannten Heizeinrichtungen (58, 59) verbunden und in dem Boden von jedem genannten Heißwand-Ofen angeordnet sind;

eine zweite Mehrzahl von Sockelstiften (62a, 62b, 65a, 65b), die mit den genannten Thermoelementen (60a, 60b, 6la, 61b) verbunden sind und in dem Boden von jedem genannten Heißwand-Ofen angeordnet sind;

ein Drehtisch (43), der drehbar an dem genannten Vakuumtank (21) angebracht ist, wobei der genannte Drehtisch innerhalb des genannten Vakuumtanks (21) und vertikal oberhalb der genannten Mehrzahl von Heißwand- Öfen (54) beabstandet angeordnet ist, Einrichtungen an dem genannten Drehtisch (43) zum lösbaren Halten einer Mehrzahl von Substraten (W) oberhalb der genannten Mehrzahl von Heißwand-Öfen (54), damit dünne Schichten von Verdampfungsquellenmaterialien auf einer Mehrzahl von Substraten dadurch niedergeschlagen werden, eine Substratheizeinrichtungen (26) an dem genannten Drehtisch zum vorausgehenden Aufheizen einer Mehrzahl von Substraten, um eine Mehrzahl von Substraten vorzubereiten, auf denen eine dünne Schicht durch die genannte Mehrzahl von Heißwand-Öfen niedergeschlagen wird und eine Einrichtung (25) zum nichtfortlaufenden Drehen des genannten Drehtisches zum nichtfortlaufenden Bewegen eines einer Mehrzahl von Substraten, die von dem genannten Drehtisch gehalten werden, aus einer Aufdampfungsstellung unmittelbar oberhalb von einem der genannten Mehrzahl von Heißwand-Öfen (54) in eine Ruhestellung zwischen benachbarten der genannten Mehrzahl von Heißwand-Öfen (54), um das Aufdampfen einer dünnen Schicht auf einer Mehrzahl von Substraten zu steuern;

eine Hilfsvakuumkammer (22), die fluidmäßig mit dem genannten Vakuumtank (21) verbunden ist; und

eine der genannten Hilfsvakuumkammer (22) benachbarte Subtrataustauscheinrichtung (23) zum Austauschen eines neuen Substrats durch die genannte Hilfsvakuumkammer (72) hindurch gegen ein Substrat, auf dem eine dünne Schicht niedergeschlagen worden ist und das lösbar von dem genannten Drehtisch gehalten wird.

2. Eine Vorrichtung, wie sie in Anspruch 1 beansprucht ist, bei der der genannte Vakuumtank (21) und die genannte Hilfsvakuumkammer (22) über einen Absperrschieber (GV) so verbunden sind, daß ein Vakuum in dem genannten Vakuumtank während des Austausches eines Substrats durch die genannte Substrataustauscheinrichtung aufrechterhalten wird.

3. Eine Vorrichtung, wie sie in Anspruch 1 oder 2 beansprucht ist, bei der die genannte zweite Mehrzahl elektrischer Verbindungsstifte für die genannte Mehrzahl von Thermoelementen aus demselben Material wie das Material eines Metallabschnittes der genannten Mehrzahl von Thermoelementen ist.

4. Eine Vorrichtung, wie sie in irgendeinem vorhergehenden Anspruch beansprucht ist, bei der jede der genannten Mehrzahl von Heizeinrichtungen (58) eine Wolfram-Heizspule ist.