DE69005938T2 - Vorrichtung zur Herstellung von einer dünnen diamantartigen Kohlenstoffschicht. - Google Patents

Vorrichtung zur Herstellung von einer dünnen diamantartigen Kohlenstoffschicht.

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Description

    Hintergrund der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft im wesentlichen eine Vorrichtung für die Synthese einer diamantartigen Dünnschicht unter Verwendung eines Kohlenwasserstoffgasplasmas, insbesondere in der Weise, daß eine hervorragende diamantartige Dünnschicht in gleicher Weise auf einem Isolationssubstrat und auf einem elektrisch leitenden Substrat synthetisiert werden kann.
  • Eine diamantartige Dünnschicht besitzt hervorragende Eigenschaften in Bezug auf Härte, elektrischen Widerstand, Lichtdurchlässigkeit usw., die denen eines Diamanten gleichkommen; sie kommt als Beschichtung für verschleißarme Schutzfilme für zahlreiche elektronische Geräte oder Bauelemente und für Passivierungsfilme zur Anwendung. Es sind mehrere Verfahren und Vorrichtungen für die Synthese einer diamantartigen Dünnschicht bekannt.
  • EP-A 0 183 254 offenbart eine Vorrichtung mit einem ersten Vakuumgefäß, das einen Einströmbereich und einen Ausströmbereich für Kohlenwasserstoffgas enthaltendes Gas besitzt, mit einer Plasmaerzeugungseinrichtung zur Umwandlung des Gases in Plasma im ersten Vakuumgefäß und mit einem zweiten Vakuumgefäß, das mit dem ersten Vakuumgefäß so verbunden ist, daß zwischen dem ersten und dem zweiten Vakuumgefäß Gas strömen kann. Das Substrat ist so plaziert, daß der Druck im zweiten Vakuumgefäß niedriger ist als im ersten Vakuumgefäß. Zur Anlegung einer Wechselspannung ist eine Wechselstromquelle vorgesehen. Diese bekannte Vorrichtung besitzt außerdem eine gitterartige Elektrode, die oberhalb des Substrats im Strömungsweg des Gases zwischen dem ersten Vakuumgefäß und dem zweiten Vakuumgefäß angenrdnet ist.
  • Bei einer anderen Vorrichtung, bei der während der Synthese der diamantartigen Dünnschicht auf dem Substrat auch auf der gitterartigen Elektrode eine diamantartige Dünnschicht synthetisiert wird, löst sich diese diamantartige Dünnschicht, wenn sie eine gewisse Dicke erreicht hat, leicht von der gitterartigen Elektrode, so daß Stücke der diamantartigen Dünnschicht auf das Substrat gelangen. Diese abgelösten Stücke bilden dann unerwünschte Einschlüsse in der auf dem Substrat synthetisierten Dünnschicht.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Eine wesentliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es also, den vorstehend beschriebenen Nachteil zu beseitigen und eine Vorrichtung zur Synthese diamantartiger Dünnschichten zur Verfügung zu stellen, bei der der unerwünschte Einschluß von von der gitterartigen Elektrode abgetrennten Stücken der diamantartigen Dünnschicht in die auf dem Substrat synthetisierte Dünnschicht vermieden wird.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß mit der Erfindung eine Vorrichtung für die Synthese einer diamantartigen Dünnschicht auf einem Substrat zur Verfügung gestellt wird, die folgendes aufweist: ein erstes Vakuumgefäß mit einem Einström- und einem Ausströmbereich für Kohlenwasserstoffgas enthaltendes Gas, eine Plasmaerzeugungseinrichtung für die Umwandlung des Gases in Plasma in dem ersten Vakuumgefäß, ein zweites Vakuumgefäß, das mit dem ersten Vakuumgefäß so verbunden ist, daß vom Ausströmbereich des ersten Vakuumgefässes Gas in das zweite Vakuumgefäß strömen kann, und in dem ein geringerer Druck herrscht als im ersten Vakuumgefäß und in dem das Substrat untergebracht ist, eine gitterartige Elektrode oberhalb des Substrats im Strömungsweg des Gases zwischen dem ersten und dem zweiten Vakuumgefäß und eine Spannungsquelle zum Anlegen einer Spannung an die gitterartige Elektrode, gekennzeichnet durch eine Zuführungseinrichtung zum kontinuierlichen Zuführen eines sauberen Bereiches der gitterartigen Elektrode zu einer Vorderseite des Substrats.
  • Mit der Erfindung wird der obenerwähnte Nachteil dadurch beseitigt, daß eine Zuführungseinrichtung zum kontinuierlichen Zuführen eines sauberen Bereiches der gitterartigen Elektrode zu einer Vorderseite des Substrats zum Verfügung gestellt wird. Da die saubere und von Fremdkörpern freie gitterartige Elektrode dem Substrat jederzeit gegenübersteht, kommt es nicht vor, daß abgelöste Stücke der diamantartigen Dünnschicht von der gitterartigen Elektrode auf das Substrat fallen, so daß auf dem Substrat eine hochwertige und lange Zeit von Fremdkörpereinschlüssen weitgehend freie diamantartige Dünnschicht synthetisiert werden kann.
  • Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, daß selbst auf einem Substrat aus isolierendem Werkstoff mit hoher Geschwindigkeit eine hochwertige diamantartige Dünnschicht gleichmäßiger [)icke und Eigenschaften synthetisiert werden kann.
  • Außerdem sind bei der vorliegenden Erfindung keine besonderen Wartungsmaßnahmen, wie beispielsweise das Reinigen des Vakuumgefäßes, erforderlich, was zu einer Verbesserung der Betriebsbedingungen führt. Entsprechend der vorliegenden Erfindung kann die industrielle Anwendung der diamantartigen Dünnschicht auf verschleißfeste Schutzfilme für zahlreiche elektronische Geräte oder Bauelemente, Passivierungsfilme usw. ausgedehnt werden.
    • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Die Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Die Zeichnungen zeigen:
  • Fig. 1: eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung für die Synthese einer diamantartigen Dünnschicht und
  • Fig. 2: eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung für die Synthese einer diamantartigen Dünnschicht.
    • Ausführliche Beschreibung der Erfindung
  • Fig. 1 der Zeichnungen zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung für die Synthese einer diamantartigen Dünnschicht. Diese Vorrichtung besitzt ein erstes Vakuumgefäß 73 und ein zweites Vakuumgefäß 78. Das Ausgangsende des ersten Vakuumgefäßes 73 ist düsenartig gezeichnet. Ein Gasgemisch 75, bestehend aus Methangas als Ausgangsstoff und Argongas als Zusatzstoff, wird durch den Einströmbereich 74 in das erste Vakuumgefäß 73 eingespeist. Im ersten Vakuumgefäß 73 befindet sich die gitterartige Elektrode 76.
  • Das erste Vakuumgefäß 73 ist mit dem zweiten Vakuumgefäß 78 über einen Flansch so verbunden, daß das erste Vakuumgefäß 73 und das zweite Vakuumgefäß 78 mit der Vakuumpumpe 79 entleert werden können. Im zweiten Vakuumgefäß 78 ist ein Substrat 66 vor dem Ausströmbereich 69 des ersten Vakuumgefäßes 73 angeordnet.
  • Zwischen dem Ausströmbereich 69 und dem Substrat 66 ist eine gitterartige Elektrode 68 angeordnet.
  • Die gitterartige Elektrode 68 hat eine längliche bandartige Form. Während der Synthese der diamantartigen Dünnschicht wird die gitterartige Elektrode 68 durch ein Paar als Elektrodenzuführeinrichtung dienende kontinuierlich gegenläufig arbeitende Rollen 67 in Richtung des Pfeiles A in Fig. 1 bewegt. Somit befindet sich vor dem Substrat stets eine neue, saubere gitterartige Elektrode ohne diamantartige Dünnschicht.
  • Im folgenden wird ein Beispiel einer Synthese einer diamantartigen Dünnschicht mit der Vorrichtung beschrieben. Als Substrat 66 dient ein Film aus organischem lichtempfindlichem Material. Zunächst wird der Film 66 in einen Filmtransportmechanismus 65 im zweiten Vakuumgefäß 78 eingelegt. Dann werden das erste und das zweite Vakuumgefäß (73 und 78) mit der Druckpumpe 79 bis auf einen Druck von 1,33 x 10&supmin;³ Pa (1 x 10&supmin;&sup5; Torr) entleert. Anschließend wird die gitterartige Elektrode von den kontinuierlich gegenläufig arbeitenden Rollen 67 in Richtung des Pfeiles A bewegt, und der Film 66 wird vom Filmtransportmechnanismus 65 in Richtung des Pfeil es B bewegt. Danach wird das Gasgemisch 75 von Methangas und Argongas durch den Einströmbereich 74 in das erste Vakuumgefäß 73 eingelassen, wodurch der Druck im ersten Vakuumgefäß einen Wert von 40 Pa (0,3 Torr) annimmt. Außerdem wird mittels der Gleichspannungsquelle 77 an die gitterartige Elektrode 68 eine Gleichspannung von - 500 V bezogen auf die Innenelektrode 76 angelegt. Währenddessen wird im ersten Vakuumgefäß 73, wenn an die Erregerelektrode 71 mittels einer Hochfrequenzenergiequelle 72 eine Hochfrequenzenergie von 170 W angelegt wird, Plasma 70 erzeugt, so daß auf dem Film 66 eine diamantartige Dünnschicht synthetisiert wird. Dabei beträgt der Druck im zweiten Vakuumgefäß 9,31 x 10&supmin;² Pa (7 x 10&supmin;&sup4; Torr); im zweiten Vakuumgefäß 78 wird kein Plasma erzeugt.
  • Wenn bei dieser Ausführungsform die 0,1 um dicke diamantartige Dünnschicht auf dem Film 66, der 100 m lang und 30 cm breit ist, gleichmäßig synthetisiert wird, indem für die gitterartige Elektrode 68 eine Zuführungsgeschwindigkeit von 0,1 m/min oder darüber eingestellt wird, werden in die auf dem Film 66 synthetisierte Dünnschicht keine Fremdkörper, wie beispielsweise von der gitterartigen Elektrode 68 abgelöste Teile der diamantartigen Dünnschicht, aufgenommen. Wenn die Zuführungsgeschwindigkeit der gitterartigen Elektrode 68 zu klein ist, kommt es zum unerwünschten Einschluß von Fremdkörpern. Wenn, wie vorstehend beschrieben, auf einer Seite des ganzen Films 66 eine diamantartige Dünnschicht synthetisiert worden ist, wird in das erste und in das zweite Vakuumgefäß (73 und 78) Luft eingelassen, und der Film 66 wird aus dem Filmtransportmechanismus entnommen, so daß der nächste Film 66 bearbeitet werden kann. Zu diesem Zeitpunkt ist auf der gitterartigen Elektrode 68 bereits eine diamantartige Dünnschicht synthetisiert worden. Die gitterartige Elektrode 68 sollte daher durch eine neue Elektrode ersetzt werden.
  • Mittlerweile ist bei dieser Ausführungsform mittels der Hochfrequenzquelle 72 und der Erregerspule 71 Plasma erzeugt worden, und die Ionen werden von der Gleichspannungsquelle 77 und der gitterartigen Elektode 68 entfernt. Es können jedoch auch Vorkehrungen getroffen werden, daß die Gleichspannungsquelle und die gitterartige Elektrode nicht nur zur Erzeugung des Plasmas dienen, sondern auch zur Entfernung der Ionen.
  • Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Bei dieser Vorrichtung kann die gitterartige Elektrode 68 aus der Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform wiederholt verwendet werden, weil die an der gitterartigen Elektrode 68 anhaftenden Substanzen entfernt werden, so daß die diamantartige Dünnschicht auf dem weiteren längeren Film synthetisiert werden kann. Bei der zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein ähnlicher Ablauf der Synthese der diamantartigen Dünnschicht gegeben wie bei der ersten.
  • Die Vorrichtung besitzt Entfernungseinrichtungen 87 und 87a zur Entfernung von an der gitterartigen Elektrode 82 anhaftenden Substanzen. Die Entfernungseinrichtungen 87 und 87a sind von dem zweiten Vakuumgefäß 99 durch die Trennwände 91 bzw. 91a getrennt. Die Trennwände 91 und 91a besitzen Öffnungen 92 und 92a, durch die die gitterartige Elektrode 82 hindurchgeschoben werden kann. Die Entfernungseinrichtungen 87 und 87a funktionieren nach dem Prinzip des Sauerstoff-Plasmaätzens.
  • Die Entfernungseinrichtungen 87 und 87a werden jeweils von den Vakuumpumpen 88 und 88a entleert, und zwar gleichzeitig mit der Entleerung des ersten Vakuumgefäßes 94 und des zweiten Vakuumgefäßes 99 durch die Vakuumpumpe 102. Anschließend werden die Sauerstoffgase 83 und 83a in die Entfernungseinrichtungen 87 bzw. 87a geleitet, bis dort ein Druck von 13,3 Pa (0,1 Torr) herrscht. Anschließend wird an die Elektroden 89 und 89a der Entfernungseinrichtungen 87 und 87a über die Gleichspannungsquellen 90 und 90a eine Gleichspannung angelegt, so daß in den Entfernungsbereichen 87 und 87a das Plasma 84 bzw. 84a erzeugt wird. in den Sauerstoffplasmen 84 und 84a sind eine Reihe von Teilchen vorhanden, beispielsweise Sauerstoffradikale und Sauerstoffionen, die heftige Oxidationsreaktionen mit Kohlenstoff, einem Bestandteil der diamantartigen Dünnschicht bewirken, wobei Kohlenmonoxid, Kohlendioxid usw. entstehen, die in die Entfernungseinrichtungen 87 und 87a geleitet werden. Da diese heftige Oxidationsreaktion bei einer positiven Spannung abläuft, sollte die gitterartige Elektrode 82 gegenüber den in Fig. 2 abgebildeten Elektroden 89 und 89a eine positive Spannung aufweisen.
  • Konfiguration und Größe der Entfernungseinrichtungen 87 und 87a sowie die Betriebsbedingungen dafür werden so gewählt, daß durch die Entfernungseinrichtungen 87 und 87a ausreichend viel von der auf der gitterartigen Elektrode 82 synthetisierten diamantartigen Dünnschicht entfernt wird.
  • Wie vorstehend beschrieben sind bei dieser Ausführungsform Entfernungseinrichtungen zur effektiven Entfernung der auf der gitterartigen Elektrode 82 synthetisierten diamantartigen Dünnschicht vorgesehen. Da die gitterartige Elektrode 82 durch die kontinuierlich gegenläufig arbeitenden Rollen 86 und 86a hin- und herbewegt wird, während sie durch die Entfernungseinrichtungen 87 und 87a gereinigt wird, kann die gitterartige Elektrode 82 so eingerichtet werden, daß sie stets einer Seite des Films 81 gegenübersteht. Dadurch wird es möglich, auf dem Film 81 mit hoher Kapazität die diamantartige Dünnschicht zu synthetisieren.
  • Mit dieser Ausführungsform ist es somit möglich, auf dem 500 m langen und 30 cm breiten Film 81 eine 0,1 um dicke gleichmäßige diamantartige Dünnschicht zu synthetisieren, die frei von Fremdkörpern, wie beispielsweise von der gitterartigen Elektrode 82 abgelösten Stücken einer diamantartigen Dünnschicht, ist, indem die Zustellgeschwindigkeit der gitterartigen Elektrode 82 auf 0,1 m/min oder höher eingestellt wird. Ist die Zusteilgeschwindigkeit der gitterartigen Elektrode 82 zu klein, kommt es zum unerwünschten Einschluß von Fremdkörpern in der diamantartigen Dünnschicht.
  • Bei dieser Ausführungsform indessen ist das zweite Vakuumgefäß 99, in dem der Film 81, auf dem die diamantartige Dünnschicht synthetisiert wird, untergebracht ist, von den Entfernungseinrichtungen 87 und 87a durch die Trennwände 91 und 91a, die zum Durchführen der gitterartigen Elektrode 82 die Öffnungen 92 bzw. 92a aufweisen, abgetrennt. Die Trennwände 91 und 91a sollen hauptsächlich verhindern, daß Sauerstoffgas von den Entfernungseinrichtungen 87 und 87a in das zweite Vakuumgefäß 99 gelangt und die Synthese der diamantartigen Dünnschicht beeinträchtigt. Die Öffnungen 92 und 92a sollten daher vorzugsweise kleiner sein als die Summe aus der Dicke der gitterartigen Elektrode 82 und der mittleren freien Weglänge der unter Druck stehenden gasförmigen Moleküle in den Entfernungseinrichtungen 87 und 87a. Die Größe der Öffnungen 92 und 92a muß nicht unbedingt der vorstehenden Beschreibung entsprechen, sondern sie kann in Abhängigkeit von den Bedingungen für die Synthese der diamantartigen Dünnschicht, von den in den Entfernungseinrichtungen 87 und 87a eingesetzten Entfernungsverfahren von den Bedingungen für die Entfernung in den Entfernungseinrichtungen 87 und 87a usw. entsprechend gewählt werden.
  • Die vorstehend beschriebene Oxidationsreaktion in den Entfernungseinrichtungen 87 und 87a wird jedoch beispielsweise durch Erwärmung der gitterartigen Elektrode 82 mit einer Halogenlampe oder einer ähnlichen Wärmequelle gefördert. Durch Bereitstellung einer Wärmequelle in den Entfernungseinrichtungen 87 und 87a ist es daher auch möglich, die gitterartige Elektrode 82 kompakter zu machen. Außerdem arbeiten die Entfernungseinrichtungen 87 und 87a dieser Ausführungsform mit Sauerstoffplasmaätzen, jedoch kann stattdessen auch mit Plasmaätzen und Ionenstrahiätzen unter Verwendung von mindestens einem Element wie Wasserstoff oder Fluor und inerten Elementen gearbeitet werden. Außerdem kann zusätzlich beispielsweise eine Bürste aus rostfieiem Stahl vorgesehen werden, die in direktem Gleitkontakt mit der gitterartigen Elektrode 82 steht und somit die diamantartige Dünnschicht mechanisch von der gitterartigen Elektrode 82 abreibt.
  • Außerdem wird bei dieser Ausführungsform Plasma 95 mittels einer Hochfrequenzquelle 97 und einer Erregerspule 96 erzeugt, während Ionen durch eine Gleichsspannungsquelle 101 und die gitterartige Elektrode 82 entfernt werden. Es läßt sich jedoch auch so einrichten, daß die Gleichspannungsquelle 101 und die gitterartige Elektrode 82 nicht nur das Plasma 95 erzeugen, sondern auch Ionen entfernen. Als Kohlenwasserstoffgas können bei dieser Ausführungsform Ethylen, Ethan, Butan, Benzol, Pentan und Propan - einzeln oder als Gemisch - verwendet werden. Außerdem können zu den vorgenannten Kohlenwasserstoffgasen Edelgase, wie Helium, Krypton oder Xenon, oder Hilfsgase, wie Wasserstoff, hinzugegeben werden. Das Substrat kann aus elektrisch leitendem Material, wie rostfreiem Stahl, oder aus isolierendem Material, wie Kunststoff usw., bestehen. Außerdem kann das Substrat blockförmig, plattenförmig oder filmförmig sein.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Synthetisieren einer diamantartigen Dünnschicht auf einem Substrat (66; 81), aufweisend:
ein erstes Vakuumgefäß (73; 94) mit einem Einströmbereich (74) und einem Ausströmbereich (69; 100) für Gas, welches Kohlenwasserstoffgas (75; 107) enthält;
eine Plasmaerzeugungseinrichtung (71, 72; 96, 97) zum Umwandeln des Gases in Plasma (70; 95) im ersten Vakuumgefäß (73; 94);
ein zweites Vakuumgefäß (78; 99), welches mit dem ersten Vakuumgefäß (73; 94) gekoppelt ist, damit das Gas zwischen dem Ausströmbereich (69; 100) des ersten Vakuumgefäßes (73; 94) und dem zweiten Vakuumgefäß (78; 99) strömen kann und einen Druck aufweist, der niedriger ist als der des ersten Vakuumgefäßes (73; 94);
wobei das Substrat (66; 81) in dem zweiten Vakuumgefäß (78; 99) untergebracht ist;
eine gitterartige Elektrode (68; 82), die strömungsaufwärts des Substrats (66; 81) in einem Strömungsweg des Gases zwischen dem ersten Vakuumgefäß (73; 94) und dem zweiten Vakuumgefäß (78; 99) angeordnet ist; und
eine Spannungsversorgungseinrichtung (77; 101) zum Anlegen einer Spannung an die gitterartige Elektrode (68; 82);
gekennzeichnet durch
eine Zuführungseinrichtung (67; 86, 86a) zum kontinuierlichen Zuführen eines sauberen Bereiches der gitterartigen Elektrode (68; 82) zu einer Vorderseite des Substrats (66; 81).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter aufweisend:
eine Entfernungseinrichtung (87, 87a) zum Entfernen der auf der gitterartigen Elektrode (82) synthetisierten, diamantartigen Dünnschicht, die von dem zweiten Vakuumgefäß (99) von einer Trennwand (91, 91a) abgetrennt ist, welche eine Öffnung (92, 92a) aufweist, um die gitterartige Elektrode (82) hindurchzuführen;
wobei die auf der gitterartigen Elektrode (82) synthetisierte, diamantartige Dünnschicht von der gitterartigen Elektrode (82) durch die Entfernungseinrichtung (87, 87a) entfernt wird, so daß der saubere Bereich der gitterartige Elektrode (82) kontinuierlich durch die Zuführungseinrichtung (86, 86a) der Vorderseite des Substrats (81) zugeführt wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei bei der Entfernungseinrichtung (87, 87a) Plasmaätzen unter Verwendung mindestens eines Vertreters aus Sauerstoff, Wasserstoff, Fluor oder inerten Elementen angewandt wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei bei der Entfernungseinrichtung (87, 87a) Ionenstrahlätzen unter Verwendung mindestens eines Vertreters aus Sauerstoff, Wasserstoff, Fluor oder inerten Elementen angewandt wird.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Substrat (66; 81) an einem solchen Ort angebracht ist, daß der Druck im zweiten Vakuumgefäß (78; 99) aufgrund des Strömungswiderstandes des Gases zwischen dem Ausströmbereich (69; 100) und dem Substrat um eine Größenordnung oder mehr niedriger ist als im ersten Vakuumgefäß (73; 94).
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