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DE102022000838A1 - Anlage zum Herstellen von wenigstens einer dünnsten Schicht - Google Patents

Anlage zum Herstellen von wenigstens einer dünnsten Schicht Download PDF

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DE102022000838A1
DE102022000838A1 DE102022000838.6A DE102022000838A DE102022000838A1 DE 102022000838 A1 DE102022000838 A1 DE 102022000838A1 DE 102022000838 A DE102022000838 A DE 102022000838A DE 102022000838 A1 DE102022000838 A1 DE 102022000838A1
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anlage zum Herstellen von wenigstens einer dünnsten Schicht, wobei die dünnste Schicht aus einer Gasphase auf einem Substrat abscheidend ausgebildet ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anlage bereitzustellen, mit der dünnste Schichten, etwa Graphen, höchst effizient zu fertigen sind. Diese Aufgabe ist mit einer Anlage der genannten Art durch das im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 genannte Merkmal gelöst. Nach der Erfindung ist also vorgesehen, dass das Substrat benachbart zu wenigstens einer rotierbar gelagerten Rolle angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anlage zum Herstellen von wenigstens einer dünnsten Schicht, wobei die dünnste Schicht aus einer Gasphase auf einem Substrat abscheidend ausgebildet ist.
  • Die dünnste Schicht kann beispielsweise aus Graphen bestehen. Graphen ist eine allotrope Form von Kohlenstoff, welche aus einer zweidimensionalen Schicht von Kohlenstoffatomen besteht, welche in einem hexagonalen Gitter angeordnet sind, ähnlich Bienenwaben. Graphen wird zunehmend als Halbleitermaterial genutzt und weist einzigartige optische, thermische und elektrische Eigenschaften auf. Graphen kann beispielsweise durch mechanische Exfolation, chemische Abblätterung mithilfe organischer Lösungsmittel oder chemische Gasphasenabscheidung hergestellt werden. Ideales Graphen weist nur eine Atomlage Kohlenstoff auf, man sprich aber auch bei einer dünnen Graphenschicht von zwei bis zehn Atomlagen noch von Graphen. Alternativ kann die dünnste Schicht aber auch jedes andere Material sein, welches sich durch chemische Gasphasenabscheidung auf einem Substrat bilden lässt, beispielsweise Silicen oder andere Materialien aus Atomen in einem hexagonalen Gitter, etwa aus Bor und Stickstoff oder Bor, Stickstoff und Silicium.
  • Eine Anlage eingangs genannter Art ist beispielsweise aus der WO 2020/187896 A1 bekannt. Dort ist ein System zur Herstellung von Graphen auf einem Substrat gezeigt, welches eine Kammer zum Bereitstellen einer Gasatmosphäre aufweist. In der Kammer ist eine erste Substratrolle für das Substrat vor einer Beschichtung mit Graphen vorhanden sowie eine zweite Substratrolle für das Substrat nach der Beschichtung mit Graphen. Zwischen den Substratrollen ist die Reaktionszone angeordnet, in der die Beschichtung des Substrats mit Graphen stattfindet. Die Abscheidung des Graphens aus der Gasphase findet bei Atmosphärendruck statt. Als Reaktionsgas dient ein Gemisch aus Kohlenstoffquellgas, Wasserstoff und Inertgas. Als mögliches Kohlenstoffquellqas wird insbesondere Methan, Ethan, Propan, Ethen, Propen, Benzen, Naphthalen oder Anthracen genannt. Als Inertgas werden insbesondere Argon, Xenon, Helium oder Stickstoff vorgeschlagen. Als Materialien für das Substrat werden verschiedene Metalle vorgeschlagen, etwa Nickel, Kobalt, Eisen, Platin, Gold, Aluminium, Chrom, Kupfer, Magnesium, Mangan, Molybdän, Rhodium, Silicium, Tantal, Titan, Wolfram, Uran, Vanadium, Zirkon, Messing, Bronze oder Stahl.
  • Nach der EP 3 632 846 A1 hingegen ist bekannt, zum Bilden von Graphen durch chemische Gasphasenabscheidung eine Oberfläche eines in einer Reaktionskammer angeordneten Substrats mit Plasma zu behandeln, während eine Spannung an das Substrat angelegt wird. Gemäß dieser Veröffentlichung herrscht bei der Gasphasenabscheidung ein Druck von 0,02-5 Torr. Das Plasma kann beispielsweise durch einen Radiofrequenzgenerator (RF-Plasma) oder durch eine Mikrowelle (MW-Plasma) erzeugt werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anlage bereitzustellen, mit der dünnste Schichten, etwa Graphen, höchst effizient zu fertigen sind.
  • Diese Aufgabe ist mit einer Anlage der genannten Art durch das im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 genannte Merkmal gelöst.
  • Nach der Erfindung ist also vorgesehen, dass das Substrat benachbart zu wenigstens einer rotierbar gelagerten Rolle angeordnet ist. Die Rolle ist dabei derart zum Substrat positioniert, dass die Rolle das Substrat nicht berührt, sondern beabstandet zum Substrat angeordnet ist. Die Rolle ist dabei rotierbar gelagert, kann sich also drehen. Vorteilhaft ist hierbei, wenn die Rolle derart drehbar ist, dass eine Mittelachse der Rolle parallel zum Substrat orientiert ist und der Abstand der Mittelachse der Rolle zum Substrat bei einer Drehung konstant bleibt.
  • Besonders vorteilhaft ist die Rolle mit einem elektrischen Potenzial zur Ausbildung eines Plasmas beaufschlagbar ausgebildet. Das heißt, in einer erfindungsgemäßen Anlage wird das Plasma bevorzugt durch ein hohes elektrisches Potenzial gebildet und nicht durch angelegte Mikrowellen, Radiofrequenz oder induktive Kopplung. Alternativ kann eine erfindungsgemäße Anlage aber auch so, ausgestaltet werden, dass das Plasma durch einen Mikrowellenerzeuger zur Bildung eines MW-Plasmas oder durch einen Radiofrequenzerzeuger zur Bildung eines RF-Plasmas oder durch eine Spule zur Bildung eines induktiv gekoppelten Plasmas bzw. ICP erzeugt wird.
  • Besonders vorteilhaft sind wenigstens zwei Rollen vorgesehen, welche derart angeordnet sind, dass das Substrat mittig zwischen den Rollen positioniert ist. Auch hierbei sind die Rollen so angeordnet, dass sie das Substrat - auch bei Drehung - nicht berühren. In diesem Fall können beide Rollen mit einem elektrischen Potenzial zur Bildung eines Plasmas beaufschlagt werden, und zwar eine Rolle als Anode und eine Rolle als Kathode, wenn an die Rollen Gleichspannung angelegt wird. Alternativ kann an die beiden Rollen auch Wechselspannung angelegt werden, wobei auch hier die beiden Rollen jeweils als Gegenpol geschaltet werden können. Diese Anordnung empfiehlt sich insbesondere, wenn das Substrat bandförmig ist. Dann können die Rollen, welche idealisiert als Zylinder vorstellbar sind, mit einer Umfangseite parallel benachbart zu einer flächigen Oberfläche des band- oder folienförmigen Substrats angeordnet sein.
  • Alternativ kann aber auch nur eine Rolle vorhanden sein, welche erfindungsgemäß aber ebenfalls mit einem elektrischen Potenzial, entweder mit Gleichspannung oder Wechselspannung, beaufschlagbar ist. Als Gegenpol kann in diesem Fall beispielsweise ein Gehäuse der Anlage dienen. Andererseits kann in der Anlage auch ein Blech vorgesehen sein, welches als Gegenpol zu der Rolle mit elektrischem Potenzial beaufschlagbar ist.
  • Bei einem bandförmigen Substrat ist es vorteilhaft, wenn die Rolle bzw. die Rollen als Zylinder geformt sind, wobei eine Grundfläche des Zylinders senkrecht zum Substrat orientiert ist und eine Mittelachse des Zylinders parallel zu dem Substrat angeordnet ist. Hierbei ist vorteilhaft, dass wenn eine Höhe des Zylinders mindestens der Breite des Substrats entspricht. Somit ist die Rolle wenigstens genau so breit wie das Substrat, idealerweise ist die Rolle sogar breiter als das Substrat. Dies führt dazu, dass das Plasma über die gesamte Breite des Substrats gebildet wird, idealerweise sogar darüber hinaus.
  • Als bandförmiges Substrat kann beispielsweise eine Metallfolie, z.B. aus Aluminium, Chrom, Gold, Palladium, Rhodium, Vanadium oder einem anderen Metall, dienen. Alternativ kann das Substrat aber auch eine Kunststofffolie, z.B. aus Polyethylen, Polypropylen oder einem anderen Polymer, sein. Ebenfalls ist denkbar, dass das Substrat durch einen Flüssigkeitsfilm gebildet wird, der beispielsweise durch Fäden oder Drähte begrenzt wird. Ebenfalls ist denkbar, das Substrat nur initial zur Unterstützung einer Abscheidung einzusetzen, sodass nach einem Anfahren eines Abscheidungsprozesses die sich bildende dünnste Schicht fortan selbst das weitere Substrat bildet. Es ist außerdem denkbar, dass das Substrat Impfstrukturen für den Abscheidungsprozess enthält.
  • Außerdem ist auch vorstellbar, dass das Substrat draht- bzw. fadenförmig ausgebildet ist. In diesem Fall ist es vorstellbar, dass mehr als 2 Rollen, beispielsweise 3 oder 4 oder 5 Rollen, um das drahtförmige Substrat anzuordnen. Auch in diesem Fall können die Rollen als Zylinder ausgebildet sein, deren Grundfläche senkrecht zum Substrat orientiert ist. Je nach Anzahl der Rollen gibt es verschiedene Möglichkeiten, eine, mehrere oder alle der Rollen mit elektrischem Potenzial zu beaufschlagen. Zum Beispiel kann eine Spannungsquelle mit mehr als zwei Phasen verwendet werden und jeder Rolle wird eine Phase der Spannungsquelle zugeordnet. Beispielsweise kann dreiphasiger Drehstrom verwendet werden und bei drei Rollen um ein drahtförmiges Substrat kann an jede Rolle eine andere Phase verschaltet werden, wobei die Phasen jeweils um 120° versetzt zueinander sind. Für den Fachmann sind noch zahlreiche weitere Möglichkeiten offensichtlich umsetzbar, welche hier nicht alle einzeln aufgeführt werden müssen.
  • Es hat sich außerdem als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Rolle Erhebungen und/oder Einkerbungen aufweist. Somit ist eine Oberfläche der Umfangseite der Rolle nicht glatt ausgeführt, sondern weist berg- und/oder talartige Strukturen auf. Diese helfen gemeinsam mit einer Rotation der Rolle um die parallel zum Substrat angeordnete Mittelachse dabei, reaktionsfreudige Bestandteile des Plasmas zum Substrat hinzubefördern, in der Wirkung ähnlich einem Schaufelrad.
  • Als vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn wenigstens ein Gaseinlass benachbart zu der Rolle auf einer dem Substrat gegenüberliegend Seite angeordnet ist. Somit kann ein Gas, welches für eine Abscheidung auf dem Substrat benötigt wird, neben der Rolle eingeleitet werden und kann diese umströmen, um in der Nähe der Rolle zu einem Plasma angeregt zu werden und anschließend in Form eines Plasmas auf das Substrat treffen.
  • Bevorzugt ist wenigstens ein Gasauslass benachbart zu der Rolle und benachbart zum Substrat angeordnet. Damit strömt das Gas, nachdem es das Substrat passiert hat, direkt zum Gasauslass. Gaseinlass und Gasauslass sind also so angeordnet, dass das Gas nach Möglichkeit nur zum Substrat geleitet wird und anschließend direkt abgepumpt bzw. aus der Anlage heraus geleitet werden kann.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist benachbart zu der Rolle wenigstens eine Ebene vorhanden, welche beabstandet zu der Rolle die Rolle gekrümmt ausgehend vom Gaseinlass bis kurz vor das Substrat einen Abstand zum Substrat bildend umschließt. Die Ebene kann beispielsweise aus Blech ausgebildet sein. Die Ebene wirkt somit wie ein Strömungsleitblech, welches das Gas vom Gaseinlass hin zu dem Substrat leitet und begünstigt, dass das Gas nahe der Rolle zu einem Plasma angeregt werden kann. Also bildet sich zwischen der Ebene und der Rolle ein Strömungskanal von dem Gaseinlass bis zum Substrat. Die Ebene verhindert weiterhin, dass das Plasma sich überall in der Anlage ausdehnt und dient somit auch als Schutz beispielsweise des Gehäuses der Anlage vor Plasma und übermäßiger Abscheidung der dünnsten Schicht - beispielsweise Graphen - an Stellen in der Anlage, wo eine Abscheidung unerwünscht ist. Somit begünstigt das Vorhandensein der Ebene eine konzentrierte Schichtbildung auf dem Substrat.
  • Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, die Ebene elektrisch geerdet auszubilden. Somit kann sich ein Plasma entkoppelt von einem Depositionsort sauber, d.h. ohne Ares, bilden. Somit wird ein elektrischer Lichtbogen durch das Plasma vermieden. Die notwendigen gasförmigen, teilweise ionisierten Moleküle bzw. Ionen können so für die Abscheidung bereits im Vorfeld erzeugt werden, d.h. bevor das Gas bzw. Plasma auf das Substrat trifft. Das Plasma bleibt somit innerhalb eines definierten Bereichs stabil, also im durch die Ebene und die Rolle begrenzten Strömungskanal.
  • Bevorzugt ist eine erste Substratrolle auf einer dem Gaseinlass und dem Gasauslass gegenüberliegenden Seite angeordnet, während eine zweite Substratrolle auf einer gleichen Seite wie der Gaseinlass und der Gasauslass angeordnet ist. Dabei sind die erste Substratrolle zum Abrollen des Substrats und die zweite Substratrolle zum Aufrollen des Substrats ausgebildet. Somit kann das Substrat durch die erste und zweite Substratrolle straff gespannt an der Rolle vorbei befördert werden, wo die Abscheidung stattfindet. Beispielsweise kann sowohl die erste Substratrolle als auch die zweite Substratrolle rotatorisch angetrieben werden. Alternativ kann auch die erste Substratrolle frei drehend gelagert sein und nur die zweite Substratrolle ist rotatorisch angetrieben ausgebildet.
  • Die erfindungsgemäße Anlage einschließlich seiner vorteilhaften Weiterbildungen gemäß der abhängigen Patentansprüche wird nachfolgend anhand zeichnerischer Darstellungen näher erläutert.
  • Es zeigt:
    • 1 schematisch eine erfindungsgemäße Anlage in einem Querschnitt;
    • 2 schematisch zwei verschiedene Ausführungsformen für die Rolle.
  • In 1 ist eine mögliche Ausführungsform der Anlage 1 schematisch im Querschnitt dargestellt. Die Anlage 1 weist zwei Rollen 5 auf. Zwischen den Rollen 5 ist mittig das Substrat 4 derart angeordnet, dass das Substrat 4 keine der Rollen 5 berührt. Das Substrat 4 reicht dabei von der ersten Substratrolle 8 zur zweiten Substratrolle 9, wobei das Substrat 4 von der ersten Substratrolle 8 abgerollt und auf die zweite Substratrolle 9 aufgerollt werden kann. Auf dem Substrat 4 wird die dünnste Schicht 2 gebildet.
  • Eine derartige Anordnung wie in 1 ist insbesondere für ein bandförmiges Substrat 4 vorteilhaft. Alternativ ist die Anlage 1 auch nur mit einer Rolle 5 denkbar.
  • Auf der gleichen Seite wie die zweite Substratrolle 9 befinden sich - je Rolle - ein Gaseinlass 6 und ein Gasauslass 7. Der Gaseinlass 6 ist dabei jeweils auf der vom Substrat 4 abgewandten Seite der Rolle 5 angeordnet und der Gasauslass 7 ist an der vom Substrat 4 zugewandten Seite der Rolle 5 angeordnet. Somit sind die beiden Gasauslässe 7 benachbart zueinander nahe am Substrat 4 bzw. der zweiten Substratrolle 9 angeordnet.
  • Weiterhin ist die Ebene 10 ersichtlich, welche sich ausgehend vom Gaseinlass 6 einer Krümmung der Rolle 5 folgende um die Rolle 5 erstreckt bis kurz vor das Substrat 4, einen Abstand zum Substrat 4 bildend. Damit bildet sich zwischen der Ebene 10 und der Rolle 5 vom Gaseinlass 6 bis zum Substrat 4 ein Strömungskanal.
  • Die in 1 gezeigte Anlage 1 funktioniert folgendermaßen: Über den Gasauslass bzw. die Gasauslässe 7 kann die Anlage 1 evakuiert werden, das heißt ein Druck von beispielsweise 0,0001 bis 100 mbar ist gezielt einstellbar. Alternativ kann auch ein Druck von 100 bis 2000 mbar eingestellt werden. Über den Gaseinlass bzw. die Gaseinlässe 6 ist ein Gas in die Anlage 1 einleitbar. Das Gas kann eine Kohlenstoff enthaltende Verbindung sein, z.B. Methan, Ethan, Ethen, Acetylen, Propen, Propan, Benzen oder eine andere Kohlenstoffverbindung. Weiterhin kann das Gas eine inerte Komponente enthalten, etwa ein Edelgas wie Helium, Neon, Argon, Xenon oder Krypton oder ein anderes Inertgas wie Stickstoff. Des Weiteren kann das Gas auch eine reduzierende Komponente enthalten, etwa Wasserstoffgas. Verschiedene mögliche Zusammensetzungen dieser Komponenten für eine Graphengasphasenabscheidung sind im Stand der Technik bekannt.
  • Das eingeleitete Gas passiert die wenisgtens eine Rolle 5 und den durch die Rolle 5 und die Ebene 10 gebildeten Strömungskanal. Die Rolle 5 weist dabei ein hohes elektrisches Potenzial auf, wodurch das Gas ein Plasma bildet. Dabei kann eine erste Rolle 5 mit kathodischem Potenzial beaufschlagt sein und eine zweite Rolle 5 mit anodischem Potenzial. Alternativ können die beiden in 1 gezeigten Rollen 5 auch mit Wechselspannung beaufschlagt werden, wobei die erste Rolle 5 einen Gegenpol zu der zweiten Rolle 5 bildet.
  • Die Rollen 5 gemäß 1 weisen Erhebungen 12 an ihren Umfangsflächen auf. Durch die Rotation der Rollen 5 um ihre jeweilige Mittelachse 11 werden also die Erhebungen 12 mitgedreht, sodass die Rollen 5 ähnlich wie Schaufelräder wirken und das Gas bzw. Plasma in Richtung des Substrats 4 befördern können. Dabei erfolgt die Rotation der wenigstens einen Rolle 5 vorteilhaft derart, dass die Rolle 5 bzw. die Erhebungen 12 oder Vertiefungen 13 auf der Rolle 5 vom Gaseinlass 6 zum Gasauslass 7 hin gedreht werden. In der in 1 gezeigten Ausführungsform bedeutet das, dass die Rollen 5 sich gegenläufig drehen.
  • Erfindungsgemäß dient die wenigstens eine Rolle 5 also sowohl zur Erzeugung des Plasmas als auch zur Beförderung des Plasmas hin zum Substrat 4, insbesondere zu einer Reaktionszone zwischen der Ebene 10 und dem Gasauslass 7. In einem Bereich dieser Reaktionszone findet benachbart zu der wenigstens einen Rolle 5 die Abscheidung der dünnsten Schicht 2 auf dem Substrat 4 statt, beispielsweise von Graphen. Da diese Abscheidung durch ein Plasma unterstützt wird, ist dies eine plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung bzw. Plasma-Enhanced Physical Vapor Deposition, PE-CVD.
  • In 2 sind schematisch zwei verschiedene Ausführungsformen für die Rolle 5, 5' gezeigt. Die rechte Ausführungsform mit Erhebungen entspricht der Rolle 5 mit Erhebungen 12, wie sie auch in 1 zu sehen ist. Die linke Ausführungsform der Rolle 5' stellt einen Zylinder im Querschnitt dar, der Einkerbungen 13 aufweist. Die Einkerbungen 13 entsprechen also Ausnehmungen bzw. Dellen an der Umfangseite des Zylinders. Alternativ sind auch Rollen 5, 5' denkbar, welche sowohl Erhebungen als auch Einkerbungen aufweisen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Anlage
    2
    dünnste Schicht
    3
    Gasphase
    4
    Substrat
    5
    Rolle
    5'
    Rolle
    6
    Gaseinlass
    7
    Gasauslass
    8
    erste Substratrolle
    9
    zweite Substratrolle
    10
    Ebene
    11
    Mittelachse
    12
    Erhebungen
    13
    Einkerbungen
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2020/187896 A1 [0003]
    • EP 3632846 A1 [0004]

Claims (11)

  1. Anlage (1) zum Herstellen von wenigstens einer dünnsten Schicht (2), wobei die dünnste Schicht (2) aus einer Gasphase (3) auf einem Substrat (4) abscheidend ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (4) benachbart zu wenigstens einer rotierbar gelagerten Rolle (5) angeordnet ist.
  2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rolle (5) mit einem elektrischen Potenzial zur Ausbildung eines Plasmas beaufschlagbar ausgebildet ist.
  3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Gaseinlass (6) benachbart zu der Rolle (5) auf einer dem Substrat (4) gegenüberliegend Seite angeordnet ist.
  4. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Gasauslass (7) benachbart zu der Rolle (5) und benachbart zum Substrat (4) angeordnet ist.
  5. Anlage nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Substratrolle (8) auf einer dem Gaseinlass (6) und dem Gasauslass (7) gegenüberliegenden Seite angeordnet ist.
  6. Anlage nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Substratrolle (9) auf einer gleichen Seite wie der Gaseinlass (6) und der Gasauslass (7) angeordnet ist.
  7. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rolle (5) Erhebungen (12) und/oder Einkerbungen (13) aufweist.
  8. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Substratrolle (8) zum Abrollen des Substrats (4) und die zweite Substratrolle (9) zum Aufrollen des Substrats (4) ausgebildet sind.
  9. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass benachbart zu der Rolle (5) wenigstens eine Ebene (10) vorhanden ist, welche beabstandet zu der Rolle (5) die Rolle (5) gekrümmt ausgehend vom Gaseinlass (6) bis kurz vor das Substrat (4) einen Abstand zum Substrat (4) bildend umschließt.
  10. Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ebene (10) elektrisch geerdet ausgebildet ist.
  11. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Rollen (5) vorgesehen sind, welche derart angeordnet sind, dass das Substrat (4) mittig zwischen den Rollen (5) positioniert ist.
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