DE4030675C2

DE4030675C2 - Vorrichtung und Verfahren zur Abscheidung von Materialien auf einem Substrat

Info

Publication number: DE4030675C2
Application number: DE19904030675
Authority: DE
Inventors: Peter Klaus Dr Bachmann; Hans-Juergen Dr Lydtin
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1990-09-28
Filing date: 1990-09-28
Publication date: 1998-10-29
Anticipated expiration: 2010-09-29
Also published as: DE4030675A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem Reaktor mit einer eine lokalisierte Abscheidezone zur Abscheidung von Materialien auf einem Substrat erzeugenden Materialquelle.

Weiterhin betrifft die Erfindung noch ein Verfahren zur Abscheidung von Materia lien auf einem Substrat aus einer mittels einer Materialquelle in einem Reaktor erzeugten lokalisierten Abscheidezone.

Die Herstellung von Diamantschichten durch Abscheidung aus Gasphasen bei relativ niedrigen Drücken ist z. B. aus der US-PS 4 767 608 sowie aus Metallurgical Transactions 20 A (1989) 1282-1284, Japanese Journal of Applied Physics 28 (1989) 1718-1724, Materials Letters 8 (1989) 369-374, Appl. Phys. Lett. 56 (1990) 134-136 und J. Appl. Phys. 67 (1990) 2596-2602 bekannt. Durch einige dieser Verfahren werden mit Hilfe strahlförmig fokussierter Abscheidezonen auf kleinen Flächen Diamantschichten mit sehr hohen Raten von 50 bis 1000 µm/Stunde erzeugt. Zu diesen Verfahren gehören die Abscheidung von Diamant durch Plasmaspritztech niken und durch chemische Flammen, z. B. von Acetylen/Sauerstoffbrennern.

Bei der Abscheidung von Diamantschichten und -partikeln bilden sich außerhalb des Zentralbereichs der Abscheidezone sehr leicht unerwünschte Mischphasen aus Dia mant und anderen Kohlenstoffmodifikationen. Dies kann mit Variationen der Tempe ratur der Substratoberfläche erklärt werden, die außerhalb des Zentralbereichs der Abscheidezone stark abfallen kann. In Gegenwart von Luft oder anderen nicht direkt für die Abscheidung notwendigen Gasen kann es beispielsweise bei der Flammen synthese von Diamant außerhalb des Zentralbereichs der Abscheidezone zu unerwünschten Nebenreaktionen kommen, die zu einer Graphitisierung der gerade erzeugten Diamantschicht führen können oder diese infolge des Sauerstoffüberschus ses an der Peripherie der Abscheidezone oxidativ zerstören. Diese Nachteile des Standes der Technik sind besonders dann gravierend, wenn die strahlförmige gebün delte Abscheidezone zur Vergrößerung der Abscheidefläche über das Substrat be wegt wird. Dann werden nämlich die unerwünschten Nebenprodukte, die außerhalb des Zentralbereichs der Abscheidezone abgelagert wurden, unter der durch die Bewegung sich bildenden neuen Beschichtung begraben oder in die neu sich bildende Schicht eingeschleppt und verschlechtern so die an sich guten Eigenschaften des im Zentralbereich der Abscheidezone gebildeten Materials. Beispielsweise können diese Mischphasen in Transmissionsfenstern zu unerwünschten Absorptionen und Streuun gen führen oder die Wärmeleitfähigkeit der Diamantschichten verringern.

Aus EP 0 324 538 ist ein Verfahren zur Herstellung von Diamant mittels Abschei dung aus der Gasphase (CVD) bekannt, das daraus besteht, eine Rohmaterialverbin dung zur Synthese von Diamant unter Bildung einer Verbrennungsflamme zu ver brennen, ein Substrat zur Abscheidung von Diamant in der Verbrennungsflamme zu positionieren und das Substrat auf einer vorgegebenen Temperatur zu halten. Gemäß der Offenbarung kann das Substrat vorzugsweise in einem ungesättigten Teil der Verbrennungsflamme positioniert werden. Die Abscheidung von Diamant auf dem Substrat kann jedoch auch durch Positionieren des Substrates im gesättigten Teil der Verbrennungsflamme erfolgen. Des weiteren kann die Abscheidung von Diamant auch erfolgen, indem ein Teil des Substrates in dem Teil der Verbrennungsflamme mit Suaerstoffüberschuß positioniert wird. Damit wird ein Verfahren offenbart, bei dem eine Abscheidung von Material in jedem Teil der Verbrennungsflamme statt findet. Daher werden auch bei diesem Verfahren die oben geschilderten Mischpha sen aus Diamant und anderen Kohlenstoffmodifikationen bei der Abscheidung ge bildet. Nur das nach Patentanspruch 2 eingeschränkte Verfahren vermeidet diese Nachteile, indem das Substrat in den ungesättigten Teil der Verbrennungsflamme (Zentralbereich) gebracht wird. Das erfordert jedoch eine nicht offenbarte, genaue Kontrolle der Einhaltung der Position und eine Begrenzung der maximalen Größe des Substrates auf die Ausdehnung des ungesättigten Teiles der Verbrennungs flamme.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Abscheidung erwünschter Materialien auch auf großen Substraten durch einfachen Ausschluß unerwünschter Reaktionspro dukte zu erreichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art die Abscheidezone auf eine Öffnung in der gegenüberliegen den Reaktorwand gerichtet ist, wobei das Substrat in dieser Öffnung derart angeord net ist, daß es einen Teil der Wand bildet.

Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen und Ausführungsformen der erfin dungsgemäßen Vorrichtung bestehen darin,

- daß das Substrat derart angeordnet ist, daß es in den Reaktor hineinragt und eine Wandüberhöhung bildet,
- daß das Substrat und die Abscheidezone relativ zueinander beweglich ange ordnet sind,
- daß die Wandüberhöhung des Substrates zeitlich, insbesondere mit konstanter Geschwindigkeit oder in Stufen, veränderlich ist,
- daß das Substrat an einem drehbaren, radförmigen Substrathalter in der Abscheidezone angebracht ist,
- oder daß ein Förderband zum Einbringen des Substrates in die Abscheidezone vorgesehen ist,
- daß die Teile des Substrates, die nicht der Abscheidezone ausgesetzt sind, in eine Schutzgasatmosphäre eingebracht sind,
- daß sich die nicht der Abscheidezone ausgesetzten Substratteile in einem Raum befinden, der von einem Schutzgas durchspült ist,
- daß zumindest ein Teil des Schutzgases im Bereich der Abschirmblende in den die Abscheidezone enthaltenen Reaktor eintritt,
- daß der Bereich um die Abscheidezone einer definierten Atmosphäre einschließlich einer Unterdruckzone ausgesetzt ist,
- daß die Substrattemperatur durch die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Abscheidezone und Substratoberfläche einstellbar ist,
- daß die Temperatureinstellung durch das Einbringen von Heiz- und Kühl zonen zusätzlich beeinflußbar ist,
- daß die Substratoberfläche nacheinander verschiedenen Abscheidezonen ausgesetzt ist,
- wobei die Abscheidezonen nach dem gleichen Grundprinzip arbeiten und gleiche oder verschiedene Materialien erzeugen, oder nach verschiedenen Grundprinzipien, z. B. CVD und Tauchverfahren, arbeiten und verschiedene Materialien erzeugen,
- daß das der Abscheidezone zugeführte Substrat entweder aus einer einzigen Materialsorte
- oder aus unterschiedlichen Materialien besteht.

Weiterhin wird die Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, bei dem die mittels einer Materialquelle in einem Reaktor erzeugte lokalisierte Abscheidezone auf eine Öffnung in der gegenüberliegenden Reaktorwand gerichtet ist, wobei in dieser Öffnung das Substrat angeordnet wird und Bereiche der Abscheidezone mittels eines Schalbleches vom Substrat ferngehalten werden.

Das Verfahren kann bevorzugt deart ausgestaltet werden, daß das Substrat in den Reaktor hineinragt und eine Wandüberhöhung bildet, und daß die Wandüberhöhung des Substrates zeitlich, mit konstanter Geschwindigkeit oder in Stufen, verändert wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das entsprechende Verfahren ermöglichen eine selektive und kontinuierliche Beschichtung eines Substrates mit Materialien gleicher oder unterschiedlicher Art. Unter selektiver Beschichtung ist hier die innerhalb eines Reaktors erfolgende räumlich selektive Abscheidung auf einem Substrat zu verstehen. Mit kontinuierlicher Beschichtung ist gemeint, daß das Substrat kontinuierlich nur in einem bestimmten Teil (räumliche Selektion) des Reaktors ein- und ausgeführt (eingetaucht) wird, ohne benachbarte Bereiche zu berühren.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht außerdem die Beschichtung dotierter und strukturierter Materialien und erlaubt, daß die Oberflächentemperatur des Substrates von den Reaktionsbedingungen weitgehend entkoppelt werden kann.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der Abscheideprozeß so geführt, daß die Substratoberfläche trotz der Relativbewegung zwischen Substrat und Abscheide zone nur mit den Teilbereichen der Zone in Kontakt kommt, die die erwünschten Materiakien zu erzeugen erlauben. Die Teilbereiche, in denen unerwünschte Nebenprodukte erzeugt werden können, werden vom Substratmaterial ferngehalten.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht, daß die Bereiche der Abscheidezone, in denen unerwünschte Nebenprodukte entstehen oder unerwünschte Nebenreaktio nen ablaufen können, durch die als Blende oder Schalblech wirkende Wand des Reaktors vom Substrat ferngehalten werden, wobei gleichzeitig die Substratoberflä che den Teilen der Abscheidezone ausgesetzt wird, die die gewünschten Materialien oder deren Vorstufen enthalten.

Als Generator zur Erzeugung der zur Abscheidung kommenden Materialien wird zweckmäßigerweise ein Sauerstoff/Acetylen-Brenner, wie er zur Herstellung von Diamanten verwendet werden kann, gewählt. An dessen Stelle kann aber auch beispielsweise eine Plasmazone oder jede andere, eine lokalisierte Abscheidezone erzeugende Materialquelle gesetzt werden. Auch ist das Verfahren nicht auf die Herstellung von Diamantschichten beschränkt, sondern kann überall dort eingesetzt werden, wo in Teilen der Abscheidezone unerwünschte Reaktionen zu nicht ver wendbarem Material führen, der Zentralbereich der Abscheidezone aber die erwünschten Materialien anliefert.

Diese und andere (im einzelnen angegebene) Gesichtspunkte der Erfindung werden in den nachfolgenden Ausgestaltungen der Erfindung offenbart und erläutert.

Ferner sind Ausführungsbeispiele der Erfindung in einer Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 schematisch einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung zur Abscheidung von Materialien auf einem Substrat,

Fig. 2 schematisch eine Aufsicht auf einen Teil der Vorrichtung entlang der Schnittlinie A-A in Fig. 1,

Fig. 3 schematisch eine Detailansicht der Abscheidezone in einer Abwandlung der Vorrichtung nach Fig. 1 und

Fig. 4 ein Raman-Spektrum einer durch Abscheidung herge stellten Diamantschicht.

Gemäß Fig. 1 ist ein Brenner 1 an Zuleitungen 2 und 3 für Sauerstoff und Acetylen mit Ventilen 4 und 5 ange schlossen. Der Brenner 1 ist in einem Behälter 6 ange ordnet, in dessen Boden 7 eine Öffnung 8 dergestalt einge bracht worden ist, daß der Bereich 9 der Abscheidezone, der erwünschtes Material 10 liefert (für den Fall der Diamantsynthese der reduzierende Teil einer Sauerstoff/Acetylen-Flamme), die Öffnung 8 abdeckt. In die Öffnung 8 wird von unten ein Substrat 11 derart eingebracht, daß es lediglich in den Bereich 9 der Abscheidezone eintauchen kann. Die Teilbereiche 12 und 13 der Abscheidezone, in denen das bereits abgeschiedene Material wieder zerstört werden kann, z. B. durch Oxidation, oder in denen unerwünschte Nebenprodukte mitgeführt werden, wird durch den als Schalblech wirkenden Boden 7 vom Substrat 11 ferngehalten und die Nebenprodukte können zusätzlich durch eine Absaugung 14 entfernt werden. Das Substrat selbst kann auf einem Trägerrad 15 mit Antrieb 16 oder einer ähnlichen Transportvorrichtung montiert sein, wobei seine Oberfläche fortlaufend oder in einzelnen Teilen und Schritten der Abscheidezone 9 zuge führt werden kann. Auch ist die Montage verschiedener Substrate aus unterschiedlichen Materialien möglich. Neben einem Transportrad kommen ein über Transportrollen laufendes Band oder auch ein an der Substrat-Montagestelle abgeflachtes Polygon in Frage.

Zum Schutz des sich außerhalb der Abscheidezone befind lichen Teils der Substrathalterung und des Substrates (oder von Substratteilen) kann die Transportvorrichtung in einen Behälter 17 eingebaut werden, der reit Schutz- oder Spülgas (Pfeil 18) beaufschlagt werden kann. Hierbei ist sowohl eine statische Befüllung des Behälters 17 als auch ein Durchströmen des Behälters 17 möglich. Im Fall der Durchströmung kann das Spülgas an jeder beliebigen Stelle des Behälters 17 diesen verlassen oder aber vorzugsweise, wie in Fig. 1 gezeigt, an die Öffnung 8 und zwischen Substrat 11 und Schalblech 7 hindurchgeführt werden (Pfeile 19 bis 22) und dort in den Behälter 6 austreten. Die Schutzwirkung des Schalblechs 7 kann auf diese Weise noch erhöht werden.

In der Aufsicht auf die Abscheidezone und deren Umgebung nach Fig. 2 haben die Bezugszeichen dieselbe Bedeutung nach Fig. 1.

Die Dimensionierung der Vorrichtung ist in der Detail darstellung in Fig. 3 noch etwas näher erläutert. Dort ist gezeigt, daß der Durchmesser d_B der Öffnung 8 kleiner oder maximal gleich groß wie die Abmessung d_R der die gewünschten Materialien erzeugenden Abscheidezone 9 sein muß, um die genannte Schutzwirkung zu erzielen. Der Abstand z zwischen Substrat und Schälblechoberfläche ist vorzugsweise größer, mindestens aber gleich Null, keines falls aber kleiner als Null. Wenn z größer als Null ist, liegt eine Wandüberhöhung des Subtrates vor. Die lineare Abmessung d_{S, I} des Substrates 11 muß natürlich kleiner als d_B sein, um die Substratoberfläche, wie beschrieben, der geeigneten Abscheidezone 9 selektiv zuführen zu können. Darüber hinaus spielt, wie der Vergleich von Fig. 1 und Fig. 2 zeigt, die relative Orientierung des bewegten Substrates keine weitere Rolle.

Die Substrattemperatur kann durch Variation der Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Substrat und der Abscheidezone auf einfache Weise eingestellt werden. Ist beispielsweise die Brennerflamme sehr energiereich, so kann die Substratoberfläche durch schnelleres Hindurch bewegen durch die Abscheidezone in ihrer Temperatur niedrig gehalten werden. Dieser Temperaturregelvorgang kann, wie ebenfalls in Fig. 1 beispielhaft dargestellt, durch das Einbringen eines kühlenden oder, falls notwendig, auch eines heizenden Tauchbades 23, den Einbau von Reflektor-, Heiz- oder Kühlflächen 24 unterschied licher Ausdehnung oder durch die Länge der Transport strecke, d. h. beispielsweise durch den Durchmesser des Trägerrades 15, beeinflußt werden.

Es ist auch möglich, den schichtweisen Materialauftrag so zu bewerkstelligen, daß mehrere Abscheidezonen nacheinander aufgebaut werden und das Substrat in der genannten Weise durch mehrere dieser Zonen gefahren wird. Dabei können gleich artige Materialien oder, z. B. zur Erzeugung von Vielschichtstrukturen, unterschied liche Materialien aufgebracht werden. Die Beschichtungstechnik kann für die unter schiedlichen Zonen identisch oder verschieden sein. Beispielsweise kann sich in dem in Fig. 1 gezeigten Tauchbad 23 noch ein Material befinden, das während des Tauchvorgangs auf das Substrat aufgebracht wird und dort als Teil der Schichtstruk tur verbleibt oder beim Durchlaufen der nächsten Reaktionszone chemisch oder physikalisch verändert wird, z. B. Zersetzung, Sinterung, partielle Verdampfung. Es ist auch möglich, die Temperatur des Substrates beim Eintauchen in die Abscheide zone durch Vorheizen in nichtreaktiven Zonen, z. B. mittels Strahlung, auf einen gewünschten Wert zu bringen, so daß die Abscheidung auf zu kalten Substratober flächen, die beispielsweise bei der Diamantsynthese zu einer Verschlechterung der Materialeigenschaften führen kann, vermieden wird. Selbstverständlich ist, falls dies gewünscht ist, auch der Einbau nichtreaktiver Vorkühlzonen möglich.

Ausführungsbeispiel

Es wurden Diamantschichten und Diamantpartikel unter Einhaltung folgender Randbedingungen hergestellt:
Substrat-Temperatur:
etwa 700°C; Substrat durch Rotation gekühlt.
Substrat-Material:
einkristallines Silizium-Wafer.
Rohgasgemisch:
Acetylen/Sauerstoff; Gesamtfluß 2000 cm³ unter Standardbedingungen; O/C- Verhältnis 0,82.

Die erzielte lineare Abscheiderate auf dem sich drehenden und durch die Flamme geführten Substrat lag im Maximum bei 0,1 mm pro Stunde. Die Morphologie einer auf diese Weise hergestellten Diamantschicht zeigt die typische < 100 < Facettierung von Diamant. In dem in Fig. 4 gezeigten Raman-Spektrum einer solchen Schicht beträgt die Halbwertsbreite des bei 1332 cm^-1 lokalisierten Diamant typischen Peaks nur 3 cm^-1. Dies zeigt zusammen mit dem Fehlen der typischen Graphit-Peaks bei etwa 1360 cm^-1 die Phasenreinheit des erfindungsgemäß abgeschiedenen Materials an.

Claims

1. Vorrichtung mit einem Reaktor mit einer eine lokalisierte Abscheidezone zur Abscheidung von Materialien auf einem Substrat erzeugenden Materialquelle, die auf eine Öffnung in der gegenüberliegenden Reaktorwand gerichtet ist, wobei das Substrat in dieser Öffnung derart angeordnet ist, daß es einen Teil der Wand bildet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat derart angeordnet ist, daß es in den Reaktor hineinragt und eine Wandüberhöhung bildet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat und die Abscheidezone relativ zueinander beweglich angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandüberhöhung des Substrates zeitlich, insbesondere mit konstanter Geschwindigkeit oder in Stufen, veränderlich ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat an einem drehbaren, radförmigen Substrathalter in der Abscheidezone angebracht ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Förderband zum Einbringen des Substrates in die Abscheidezone vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile des Substrates, die nicht der Abscheidezone ausgesetzt sind, in eine Schutzgasatmosphäre eingebracht sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich die nicht der Abscheidezone ausgesetzten Substratteile in einem Raum befinden, der von einem Schutzgas durchspült ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil des Schutzgases im Bereich der Abschirmblende in den die Abscheidezone enthaltenen Reaktor eintritt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich um die Abscheidezone einer definierten Atmosphäre einschließlich einer Unterdruckzone ausgesetzt ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Substrattemperatur durch die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Abscheidezone und Substratoberfläche einstellbar ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatureinstellung durch das Einbringen von Heiz- und Kühlzonen zusätzlich beeinflußbar ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratoberfläche nacheinander verschiedenen Abscheidezonen ausgesetzt ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das der Abscheidezone zugeführte Substrat aus einer einzigen Materialsorte besteht.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das der Abscheidezone zugeführte Substrat aus unterschiedlichen Materialien besteht.

16. Verfahren zur Abscheidung von Materialien auf einem Substrat aus einer mittels einer Materialquelle in einem Reaktor erzeugten lokalisierten Abscheidezone, die auf eine Öffnung in der gegenüberliegenden Reaktorwand gerichtet ist, wobei in dieser Öffnung das Substrat angeordnet wird und Bereiche der Abscheidezone mittels eines Schalbleches vom Substrat ferngehalten werden.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat in den Reaktor hineinragt und eine Wandüberhöhung bildet, und daß die Wandüberhöhung des Substrates zeitlich, mit konstanter Geschwindigkeit oder in Stufen, verändert wird.