DE3507337C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung von
Prozessen im Vakuum gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1. Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich insbesondere
zur Bildung eines Dünnfilms auf einem zu bearbeitenden Substrat
durch den in einem Plasma ablaufenden chemischen Aufdampfprozeß
(nachstehend als "Plasma-CVD-Prozeß" bezeichnet).
Bekannte Prozesse zur Bildung von Dünnfilmen, die in den letz
ten Jahren in zunehmendem Maße angewandt werden, sind der reak
tive Zerstäubungsprozeß und der Plasma-CVD-Prozeß. Beim Plasma-
CVD-Prozeß wird in einer Reaktionskammer ein gewünschtes Vakuum
hergestellt und der Reaktionskammer ein gasförmiges Ausgangsma
terial zugeführt. Das gasförmige Ausgangsmaterial wird dann
durch Glimm- oder Bogenentladung unter Erzeugung eines Plasmas
zersetzt bzw. dissoziiert, und auf einem in der Reaktionskammer
angeordneten Substrat wird ein Dünnfilm gebildet. Durch den
Plasma-CVD-Prozeß kann beispielsweise unter Anwendung eines Si
lans (SiH4 oder Si2H6) als Ausgangsmaterial ein Dünnfilm aus
amorphem Silicium (nachstehend als "a-Si" bezeichnet) gebildet
werden. Bei a-Si ist die Zahl der in der verbotenen Zone vor
handenen lokalisierten Niveaus verhältnismäßig klein, so daß es
möglich ist, die Elektronen durch Dotieren mit substituierenden
Fremdatomen zu steuern. Ein aus a-Si gebildeter Dünnfilm kann
deshalb auch als photoleitfähige Schicht eines elektrophotogra
phischen Aufzeichnungsmaterials verwendet werden.
Zur Erläuterung des Standes der Technik, von dem die Erfindung
ausgeht, wird auf die beigefügten Fig. 1 und 2 Bezug genommen.
Fig. 1 ist eine schematische Schnittzeichnung einer bekannten
periodisch arbeitenden Plasma-CVD-Vorrichtung.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer bekannten mit
Schleusen ausgestatteten Vorrichtung zur Durchführung
von Prozessen im Vakuum.
Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung dient dazu, auf einem zylin
drischen Substrat 3, das in einem einzelnen Vakuumbehälter 10,
der durch einen Deckel 1 hermetisch verschlossen werden kann,
angeordnet ist, einen a-Si-Dünnfilm zu bilden. In der Mitte des
Bodens des Vakuumbehälters 10 ist ein von einem Motor M ange
triebener Drehmechanismus 5 angeordnet, an dem das von einem
inneren Heizkörper 4 erhitzte Substrat 3 befestigt ist. Das Er
hitzen des Substrats 3 durch den inneren Heizkörper 4 ist not
wendig, um das Substrat 3 auf einer hohen Temperatur (z. B. 250°C)
zu halten, damit auf dem Substrat 3 ein stabiler a-Si-
Dünnfilm gebildet wird.
Eine zylindrische Kathode 2, die an eine Hochfrequenz-Span
nungsquelle 7 angeschlossen ist, ist um das Substrat 3 herum
angeordnet, und eine zylindrische Abschirmung 6, die zum Um
schließen des Plasmas dient, umgibt die Kathode 2. Ein Gaszu
führungssystem 8 für die Zuführung des gasförmigen Ausgangsma
terials (Silangas) zu der von der Abschirmung 6 gebildeten Re
aktionskammer ist einlaßseitig an den Boden der Abschirmung 6
angeschlossen, während ein Evakuiersystem 9, das dazu dient, in
der Reaktionskammer ein Vakuum zu erzeugen, am Boden des Vaku
umbehälters 10 angeschlossen ist.
Wenn bei dieser Vorrichtung das Substrat 3 erhitzt und das gas
förmige Ausgangsmaterial von unten nach oben in die Abschirmung
6 der Reaktionskammer eingeführt wird, wird von der Spannungs
quelle 7 an die Kathode 2 eine Hochfrequenzspannung angelegt
und zwischen der Kathode 2 sowie dem Substrat 3, das die Anode
darstellt, eine Plasmaentladung hervorgerufen, wobei das Silan
gas unter Erzeugung eines Plasmas zersetzt bzw. dissoziiert und
auf der Oberfläche des Substrats 3 ein a-Si-Dünnfilm gebildet
wird.
Das nach der Reaktion übrigbleibende Gas wird über eine an der
Oberseite der Abschirmung 6 gebildete Öffnung 6a abgezogen; es
strömt zwischen der Außenwand der Abschirmung 6 und der Innen
wand des Vakuumbehälters 10 nach unten und wird durch das Eva
kuiersystem 9 aus der Vorrichtung abgesaugt.
Bei der vorstehend beschriebenen Plasma-CVD-Vorrichtung kann
jedoch nur ein einzelnes Substrat in einer einzelnen Reaktions
kammer mit einem Dünnfilm beschichtet werden, so daß sich diese
Vorrichtung nicht zur Massenfertigung von Dünnfilmen eignet.
Ferner wird die Reaktionskammer bei dieser Vorrichtung jedesmal
der Atmosphäre ausgesetzt, wenn das Substrat, das mit dem Dünn
film beschichtet worden ist, entnommen wird. Dies führt dazu,
daß der Dünnfilm Feuchtigkeit oder Gase, die in der Atmosphäre
enthalten sind, adsorbiert, so daß seine Qualität herabgesetzt
oder instabil wird.
Fig. 2 zeigt eine bekannte mit Schleusen ausgestattete Vorrich
tung zur Durchführung von Prozessen im Vakuum, durch die die
Nachteile der vorstehend beschriebenen Plasma-CVD-Vorrichtung
beseitigt werden. Die in Fig. 2 veranschaulichte Vorrichtung
weist einen Substrataufnahme-Vakuumbehälter 21, einen Reakti
onskammer-Vakuumbehälter 22 und einen Substratentnahme-Vakuum
behälter 23 auf. In dem Substrataufnahme-Vakuumbehälter 21 fin
den vorbereitende Prozesse statt, z. B. die Behandlung des Sub
strats 26 zwischen der Atmosphäre und dem Vakuum sowie ein Er
hitzen des Substrats 26. Dann wird das Substrat 26 durch eine
zwischen dem Substrataufnahme-Vakuumbehälter 21 und dem Reakti
onskammer-Vakuumbehälter 22 angeordnete Schleuse 24 in den Re
aktionskammer-Vakuumbehälter 22 eingebracht, während die Vaku
umbehälter 21 und 22 im evakuierten Zustand gehalten werden.
Das Substrat 26, auf dem in dem Reaktionskammer-Vakuumbehälter
22 ein Dünnfilm gebildet worden ist, wird dann durch eine
gleichartige, zwischen dem Reaktionskammer-Vakuumbehälter 22
und dem Substratentnahme-Vakuumbehälter 23 angeordnete Schleuse
24 hindurchtransportiert und in dem Substratentnahme-Vakuumbe
hälter 23 weiteren Prozessen unterzogen, z. B. gekühlt, worauf
die Atmosphäre in den Substratentnahme-Vakuumbehälter 23 ein
treten gelassen wird und das mit dem Dünnfilm beschichtete Sub
strat daraus entnommen wird. Die Vakuumbehälter 21, 22 und 23
werden jeweils durch Evakuiersysteme 25 evakuiert.
Eine Vorrichtung der in Fig. 2 veranschaulichten Art ist im
Vergleich zu der in Fig. 1 gezeigten Plasma-CVD-Vorrichtung
leistungsfähiger, ist jedoch beispielsweise nicht zur Herstel
lung einer photoleitfähigen Siliciumschicht für ein elektropho
tographisches Aufzeichnungsmaterial geeignet, weil sie die fol
genden Nachteile aufweist: Die Vakuumbehälter 21, 22 und 23 ha
ben jeweils ein großes Volumen, weil sie eine Anzahl von Sub
straten, z. B. für die Herstellung von elektrophotographischen
Aufzeichnungsmaterialien, aufnehmen müssen; dies führt zu einer
Erhöhung der Kosten der Vorrichtung. Andererseits werden die
zylindrischen Substrate jeweils von ihrer Innenseite her er
hitzt, so daß die Transporteinrichtung für das zylindrische
Substrat kompliziert wird.
Aus der JP-A 56-21 637 ist eine Vorrichtung zur Durchführung
von Prozessen im Vakuum an Substraten für die Bildung von Dünn
filmen bekannt, bei denen die zu bearbeitenden Substrate ab
satzweise zwischen ausschließlich für eine Behandlungsstufe
vorgesehenen Vakuumbehältern transportiert werden. Zu diesem
Zweck sind eine Transporteinrichtung zum Transport der Substra
te und ein feststehender, ausschließlich für den Transport der
Substrate vorgesehener Transport-Vakuumbehälter, der die Trans
porteinrichtung umgibt, vorgesehen. Da der Transport-Vakuumbe
hälter nicht bewegbar ist, muß er verhältnismäßig groß sein,
damit die Substrate über den Transport-Vakuumbehälter zwischen
den ausschließlich für eine Behandlungsstufe vorgesehenen Va
kuumbehältern, d. h., einem Evakuier- und Erhitzungs-Vakuumbe
hälter, einem Zerstäubungs- und Ätz-Vakuumbehälter, einem Zer
stäubungs-Vakuumbehälter und einem Abkühl-Vakuumbehälter,
transportiert werden, wobei zur Aufrechterhaltung eines ausrei
chenden Vakuums in dem Transport-Vakuumbehälter eine hohe Ener
gie erforderlich ist.
Aus der US-PS 39 15 117 ist eine Vorrichtung zur Beschichtung
von Substraten im Vakuum bekannt, bei der die zu bearbeitenden
Substrate zwischen für eine Behandlungsstufe vorgesehenen Va
kuumkammern transportiert werden, die durch Bewegung von Ring
elementen in einer feststehenden Hauptkammer gebildet werden.
Sowohl die feststehende Hauptkammer als auch die durch die
Ringelemente über Abdichtungsplatten gebildeten, für eine Be
handlungsstufe vorgesehenen Vakuumkammern sind evakuierbar. Bei
dem Transport der Substrate von einer zur anderen Behandlungs
stufe wird das durch ein Ringelement und eine Aufdampfkammer
gehaltene Vakuum und das durch ein anderes Ringelement und eine
Substrataufnahmekammer gehaltene Vakuum unterbrochen. Da die
Aufdampfkammer und die Substrataufnahmekammer über die Haupt
kammer miteinander in Verbindung stehen, werden Verunreinigun
gen die beim Abscheiden einer Schicht in der Aufdampfkammer
gebildet werden, in der Hauptkammer und damit auch in der Sub
strataufnahmekammer verteilt. D.h., daß das Vakuum nicht in
stabiler Weise aufrechterhalten werden kann. Darüber hinaus
können die Ringelemente, die als Behälterwandung der Vakuumkam
mern dienen, weder in stabiler Weise ein Vakuum halten, noch
ist ein Transport der Substrate unter Vakuum möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur
Durchführung von Prozessen im Vakuum der im Oberbegriff des Pa
tentanspruchs 1 angegebenen Art derart zu verbessern, daß Sub
strate individuell zu den für eine Behandlungsstufe vorgesehe
nen Vakuumbehältern transportiert werden können, so daß eine
Aufnahme und eine Entnahme von Substraten unter Vakuum in ein
facher und stabiler Weise möglich ist, ohne daß der Vakuumzu
stand während des Verfahrens gestört wird und ohne daß während
der Dünnfilmbildung Verunreinigungen wie z. B. Feuchtigkeit oder
Gase, die in der Atmosphäre enthalten sind, in die Vakuumbehäl
ter eindringen können.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den im kennzeich
nenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Durch die Erfindung ist gewährleistet, daß bei der Aufnahme und
Entnahme des Substrats Feuchtigkeit oder Gase, die in der Atmo
sphäre enthalten sind, nicht in die Vakuumbehälter gelangen
können, so daß ein guter Vakuumbearbeitungszustand aufrechter
halten wird. Darüber hinaus kann der ausschließlich für den
Transport vorgesehene Vakuumbehälter relativ zu den ausschließ
lich für eine Behandlungsstufe vorgesehenen Vakuumbehältern
kompakt gestaltet werden, so daß die erfindungsgemäße Vorrich
tung vereinfacht wird und die Energie für die Erzeugung des Va
kuums klein gehalten werden kann.
Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden
nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
näher erläutert.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vor
richtung, bei der der für den Transport des Substrats
vorgesehene Vakuumbehälter linear bewegbar ist.
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vor
richtung mit Revolverkopf, bei der für den Transport des
Substrats vorgesehene Vakuumbehälter in einem Umlauf be
wegbar sind.
Die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung weist eine Gruppe von Substrataufnahme-Vakuumbehäl
tern 31, die ausschließlich dafür angeordnet und vorgesehen
sind, ein Substrat aufzunehmen, evakuiert zu werden sowie eine
vorbereitende Behandlung des Substrats durchzuführen, eine
Gruppe von Reaktionskammer-Vakuumbehältern 32, die aus
schließlich dafür angeordnet und vorgesehen sind, eine Behand
lung oder Bearbeitung wie z. B. einen Plasma-CVD-Prozeß durchzu
führen, und eine Gruppe von Substratentnahme-Vakuumbehältern
33, die ausschließlich für eine Nachbehandlung, z. B. ein Küh
len, des mit einem Dünnfilm beschichteten Substrats sowie für
dessen Entnahme nach außen angeordnet und vorgesehen sind, auf.
Die erwähnten Vakuumbehälter sind in einer Linie in der Reihen
folge der Behandlungsstufen angeordnet. Jeder der Vakuumbehäl
ter 31, 32 und 33, deren Innenräume durch jeweilige Evakuiersy
steme 36b, 36c bzw. 36d luftleer gemacht werden können, ist mit
einer Öffnungs-/Schließ-Schleuse 37b ausgestattet.
Ein Vakuumbehälter 34, dessen Innenraum durch ein Evakuiersy
stem 36a luftleer gemacht werden kann, ist ausschließlich für
einen Transport des Substrats vorgesehen und ist an einer
Transporteinrichtung 35 zwischen den ausschließlich für eine
Behandlungsstufe vorgesehenen Vakuumbehältern 31, 32 und 33 be
wegbar, wobei sein evakuierter Zustand aufrechterhalten wird.
Der Vakuumbehälter 34 ist mit einer Öffnungs-/Schließ-Schleuse
37a ausgestattet, die über ein Ventil 30e mit dem Evakuiersy
stem 36a und über ein Ventil 39a mit der Atmosphäre zu verbin
den ist sowie mit den Schleusen 37b der für die Behandlungsstu
fen vorgesehenen Vakuumbehälter 31, 32 und 33 koppelbar ist.
Nachstehend wird ein Beispiel für die Bildung eines amorphen
Dünnfilms auf einem zu behandelnden Substrat unter Verwendung
der ausschließlich für eine Behandlungsstufe vorgesehenen Vaku
umbehälter 31, 32 und 33 und des ausschließlich für den Trans
port des Substrats vorgesehenen Vakuumbehälters 34 beschrieben.
Zuerst wird das zu behandelnde Substrat in einen der Atmosphäre
ausgesetzten Substrataufnahme-Vakuumbehälter 31 eingebracht,
dessen Innenraum anschließend durch das Evakuiersystem 36b über
ein Ventil 30a luftleer gemacht wird. Gleichzeitig wird das
Substrat durch einen Heizkörper 35a im Substrataufnahme-Va
kuumbehälter 31 erhitzt. Dann wird der ausschließlich für den
Transport des Substrats vorgesehene Vakuumbehälter 34 zu dem
das vorbereitete Substrat enthaltenden Substrataufnahme-Vakuum
behälter 31 transportiert, worauf die Schleuse 37a des Vakuum
behälters 34 und die Schleuse 37b des Substrataufnahme-Vakuum
behälters 31 miteinander gekoppelt und durch das Evakuiersystem
36a über ein Ventil 30e luftleer gemacht werden. Anschließend
werden die Schleusen 37a und 37b geöffnet; das Substrat wird
durch eine Hebeeinrichtung 38, die in dem durch das Evakuiersy
stem 36a über das Ventil 30d luftleer gemachten Vakuumbehälter
34 vorgesehen ist, in den Vakuumbehälter 34 überführt; die
Schleusen 37a und 37b werden geschlossen, und dann werden die
Vakuumbehälter 31 und 34 voneinander gelöst.
Der Vakuumbehälter 34, in dem jetzt das Substrat enthalten ist,
wird über einen Reaktionskammer-Vakuumbehälter 32 transpor
tiert. In dieser Zeit kann die Außenluft (Atmosphäre) über ein
Ventil 39b wieder in den Substrataufnahme-Vakuumbehälter 31
eintreten, der damit für die Aufnahme des nächsten Substrats
bereit ist.
Aus dem über den Reaktionskammer-Vakuumbehälter 32 transpor
tierten Vakuumbehälter 34 wird das Substrat in einem Vorgang,
der der Entnahme aus dem Substrataufnahme-Vakuumbehälter 31
ähnlich ist, in den Reaktionskammer-Vakuumbehälter 32 einge
bracht, in dem es, während es von dem Heizkörper 35b in dem Re
aktionskammer-Vakuumbehälter 32 erhitzt wird, dem Dünnfilmbil
dungsprozeß unterzogen wird.
Nach Abschluß des Dünnfilmbildungsprozesses laufen eine Schleu
senbetätigung und ein Transport in der vorstehend beschriebenen
Weise ab, so daß das Substrat aus dem Reaktionskammer-Vakuumbe
hälter 32 entnommen und in einen Substratentnahme-Vakuumbehäl
ter 33 überführt wird, worauf das Substrat durch eine Kühlein
richtung 36 abgekühlt wird und die Umgebungsluft über ein Ven
til 39c in den Substratentnahme-Vakuumbehälter 33 eintritt, aus
dem dann das mit einem Dünnfilm beschichtete Substrat entnommen
wird.
Die Anzahl der Substrataufnahme-Vakuumbehälter 31, der Reakti
onskammer-Vakuumbehälter 32 und der Substratentnahme-Vakuumbe
hälter 33 und deren Kombination werden in Abhängigkeit von den
jeweiligen Behandlungszeiten derart gewählt, daß kein Leerlauf
entsteht und Zeit nicht nutzlos verstreicht. Eine Hochfrequenz-
Spannungsquelle 52, eine Evakuierpumpe 36c, ein Gaszuführungs
system 51 für die Zuführung des gasförmigen Ausgangsmaterials,
Ventile 30b und 47, Vakuummeßgeräte und Schalter 48, die bei
der Gruppe von Reaktionskammer-Vakuumbehältern 32 zur Anwendung
kommen, können, wie es für ihre Verwendungszwecke am besten ge
eignet ist, einzeln oder gemeinsam vorgesehen sein.
Die Substrataufnahme-Vakuumbehälter 31 können in einem staub
freien Raum angeordnet sein, wobei die vorbereitende Behandlung
durch die erfindungsgemäße Vorrichtung in ihrem sauberen Zu
stand unmittelbar nach dem Waschen (Reinigen) des Substrats be
gonnen werden kann. Der Heizvorgang in den Substrataufnahme-Va
kuumbehältern 31 und der Kühlvorgang in den Substratentnahme-
Vakuumbehältern 33 müssen nicht immer im Vakuum durchgeführt
werden, sondern diese Vorgänge können auch an der Luft oder in
inertem Gas ablaufen, wobei im letztgenannten Fall die Heiz-
und Kühlzeiten verkürzt werden können.
Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform der erfindungsge
mäßen Vorrichtung erfolgt keine lineare Bewegung der aus
schließlich für den Transport des Substrats vorgesehenen Vaku
umbehälter, vielmehr sind die Vakuumbehälter in einem Kreis an
geordnet, wobei wenigstens ein ausschließlich für den Transport
des Substrats vorgesehener Vakuumbehälter wie bei einem Revol
verkopf bewegt werden kann. Bei dieser Ausführungsform sind
ausschließlich für den Transport vorgesehene Vakuumbehälter 41,
die eine Hebeeinrichtung 45 aufweisen, an einer drehbaren
Transporteinrichtung 44 angebracht. Substrataufnahme-Vakuumbe
hälter 42 und Substratentnahme-Vakuumbehälter 43 sowie Reakti
onskammer-Vakuumbehälter 46 sind in der jeweils erforderlichen
Anzahl auf einem Kreis angeordnet, über den die drehbare Trans
porteinrichtung 44 mit den ausschließlich für den Transport
vorgesehenen Vakuumbehältern 41 bewegt wird.
Bei der in Fig. 4 veranschaulichten Ausführungsform werden im
Vergleich zu der Ausführungsform mit linearer Bewegung des für
den Transport vorgesehenen Vakuumbehälters eine Verminderung
der Installationsfläche und eine Vereinfachung der Transport
einrichtung erreicht. Was den Transport betrifft, so können
mehrere ausschließlich für den Transport vorgesehene Vakuumbe
hälter so angeordnet werden, daß mehrere Substrate gleichzeitig
bewegt werden, wodurch eine wirksame Steigerung der Massenfer
tigung erzielt werden kann.
Obwohl bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen nur
auf die Durchführung des Plasma-CVD-Prozesses Bezug genommen
worden ist, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch auf an
dere im Vakuum durchgeführte Prozesse vorteilhaft angewandt
werden und beispielsweise als Vorrichtung zur Durchführung ei
nes gewöhnlichen Aufdampfprozesses, als Sprüh- oder Zerstäu
bungsvorrichtung, als Ätzvorrichtung oder als Kombination sol
cher Vorrichtungen dienen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist bezüglich ihrer Fähigkeit
zur Durchführung von Prozessen im Vakuum an einem Substrat her
vorragend; die Kosten der Vorrichtung werden auf einem Minimum
gehalten. Die Vorrichtung kann Prozesse im Vakuum ohne Unter
brechung durchführen. Darüber hinaus werden die Vakuumbehälter,
in denen der Dünnfilm gebildet wird, immer in einem evakuierten
Zustand gehalten, so daß die Instabilität des Dünnfilms, die z. B.
auf die Adsorption von Feuchtigkeit oder Gasen zurückzufüh
ren ist, restlos beseitigt wird und somit Substrate mit einem
darauf gebildeten Dünnfilm von höchster Qualität erhalten wer
den können.
Claims (3)
1. Vorrichtung zur Durchführung von Prozessen im Vakuum an
einem in mehr als einer Behandlungsstufe zu bearbeitenden Sub
strat, wobei diese Vorrichtung jeder der Behandlungsstufen je
weils zugeordnete Vakuumbehälter und wenigstens einen weiteren
Vakuumbehälter aufweist, der ausschließlich für einen Transport
des Substrats zwischen den ausschließlich für eine Behandlungs
stufe vorgesehenen Vakuumbehältern bestimmt ist, dadurch ge
kennzeichnet, daß der wenigstens eine für den Transport des
Substrats vorgesehene Vakuumbehälter (34; 41) bewegbar ausge
staltet ist, wobei die Vakuumbehälter (34, 31, 32, 33) mit mit
einander koppelbaren Öffnungs-/Schließ-Schleusen (37a, 37b) aus
gestattet sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
für den Transport des Substrats vorgesehene Vakuumbehälter (34)
linear bewegbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
für den Transport des Substrats vorgesehene Vakuumbehälter (41)
in einem Umlauf bewegbar ist.
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