VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR SUBMOLEKULAREN TROCKENREINIGUNG UND/ODER ZUR HYDROPHILISIERUNG DER OBERFLÄCHE VON FESTKÖRPERN

Abstract

 Es wird eine Vorrichtung und ein Verfahren (100) zur submolekularen Trockenreinigung und/oder Hydrophilisierung der Oberfläche von Festkörpern bereitgestellt aufweisend eine gegenüber der Umgebung gasdicht abgeschlossene oder abschließbare Prozesskammer (10) zur Aufnahme eines Festkörpers (22), eine Lampe (26) mit einem Spektralbereich von 120 bis 800 nm, die eingerichtet ist, in die Prozesskammer (10) einzustrahlen, und ein Gasführungssystem, das zur Zu- und Ableitung von einem oder mehreren Prozessgasen in die und aus der Prozesskammer (10) eingerichtet ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur submolekularen Trockenreinigung und/oder zur Hydrophilisierung der Oberfläche von Festkörpern.

[0002] Durch eine Abscheidung von Molekülen aus der Luft unter Normalbedingungen oder auch aus Restgas im Vakuum wird die Oberfläche von Festkörpern kontinuierlich verschmutzt. Selbst nach einer Nassreinigung der Oberfläche mit Reinigungs-/Lösungsmittel und Wasser finden sich noch Moleküle der Verunreinigung und zudem des Reinigungsmittels auf der Oberfläche.

[0003] Die auf der Oberfläche von Festkörpern abgeschiedenen, üblicherweise organischen Moleküle verändern die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Oberfläche, d. h. diese verfälschen deren Zusammensetzung, reduzieren eine Adhäsion, verursachen Hydrophobizität und dergleichen, so dass bei vielen industriellen Verfahren, denen Festkörper unterzogen werden können, wie beispielsweise Dünnschichtabscheidung, Verklebung und Lithographie, eine störende und zerstörende Wirkung gegeben ist.

[0004] Um die Reste der organischen Reinigungsmittel sowie die adsorbierten Molekülen der ursprünglichen Verunreinigung zu eliminieren und damit eine saubere und hydrophilisierte Oberfläche für beispielsweise eine Beschichtung optischer Elemente, eine Verklebung, d. h. eine Beschichtung mit einem Kleber, Aufbringung einer Lithographiestruktur, empfindliche Analytik und chemische Mikroskopieverfahren bereitzustellen, werden nach dem Stand der Technik VUV-UV Licht und freie sauerstoffhaltige Radikale eingesetzt.

[0005] Solche Reinigungsprozesse sind als beispielsweise "Ozon-Reinigung", "UV-Ozon-Reinigung" oder eine "UV-Licht-Reinigung" bekannt. Bei diesen Reinigungsprozessen sind UV-Strahlung, Ozon (O₃), mit der UV-Strahlung aktivierte Sauerstoffradikale (O^•) oder auch andere sauerstoffhaltige Radikale wie das hochreaktive Hydroxyl-Radikal (^•OH)·beteiligt.

[0006] Durch Absorption harter VUVA/akuum-Ultravioletter-Strahlung durch O₂-Moleküle (Absorptionskante des Sauerstoffs definiert die 196 nm Grenze des Vakuum-Ultraviolett-Spektralbereiches, VUV) entsteht atomarer Sauerstoff in Form einzelner Sauerstoffatome, der schnell mit O₂ Molekülen reagiert und O₃ Ozonmoleküle bildet. Die O₃ Ozonmoleküle sind relativ stabil und weisen unter Normalbedingungen eine Lebensdauer von ca. 20 min auf. Bei der Bestrahlung der Ozon-Moleküle mit UV-Licht mit einer Wellenlänge innerhalb des Spektralbereiches von 200-300 nm findet deren starke Photodissoziation statt (Hartley-Absorptionsbande mit ca. 250 nm Maximum). Bei der Photodissoziation des Ozons (O₃) entstehen wesentlich mehr freie Sauerstoffradikale (O^•) als bei der Photodissoziation des Sauerstoffs (O₂). Das Hydroxyl-Radikal (^•OH) entsteht aus Ozon und Wassermolekülen beim Auftreffen von UV-Strahlen.

[0007] Mit der VUV-UV-Strahlung aktivierte freie Sauerstoffradikale (O^•) sind reaktiv und können Oberflächen organischer Proben sowie auf einer Oberfläche adsorbierte organische Moleküle oxidieren und diese sogar vollständig bis zu flüchtigen CO₂ und H₂O umsetzen.

[0008] Jedoch ist die auf dem Markt verfügbare Ausrüstung zu diesen Verfahren nicht zur Reinigung der Oberfläche empfindlicher Substrate, wie beispielsweise bei Dünnschicht-Polymeren, wie Formvar (Polyvinylformal) und Quantifoil®, die zudem hydrophilisiert werden sollen, geeignet. Diese Polymerfolien werden beispielsweise auf TEM-Netzchen (TEM: Transmissionselektronenmikroskopie) mit einem Durchmesser von 3,05 mm) aufgebracht, um darauf mikrobielle Zellen zu immobilisieren. Dazu wird eine Zellsuspension auf das Dünnschicht-Polymer aufgebracht und anschließend einer Tauchfrierung unterzogen. Die polymere Dünnschicht muss dabei hydrophilisiert vorliegen, da sonst die Zellen nicht haften. Bei den UV-Ozon-Reinigungsverfahren mit auf dem Markt verfügbaren Geräten werden die polymeren Dünnschichten sowie die Oberflächen organischer Proben mit kontinuierlicher UV-Strahlung üblicherweise thermisch überlastet, beschädigt und sogar zerstört.

[0009] Eine Nassreinigung ist für die mit Formvar oder Quantifoil® bedeckten TEM-Netzchen ausgeschlossen, weil die Polymerdünnschicht sehr leicht durch die Kräfte der Oberflächenspannung des Wassers zerstört wird.

[0010] Plasmareinigungsverfahren haben den Nachteil, dass eine Übertragung des Plasmaumgebungsmaterials auf die Oberfläche des Netzchens erfolgt, so dass keine wirklich gereinigte Oberfläche vorliegt. Zudem bleibt die Oberfläche nach der Reinigung nur ca. 30 bis 60 sec hydrophil.

[0011] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Reinigung von Oberflächen von Festkörpern zu schaffen, die bzw. das zumindest teilweise die Nachteile des Standes der Technik überwindet.

[0012] Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

[0013] Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren bieten vorteilhafterweise eine Optimierungsmöglichkeit des Reinigungsprozess für verschiedene Materialien und auch eine Optimierungsmöglichkeit der Prozessparameter während des Verfahrens. Nachstehend werden diese Aspekte noch eingehend erläutert.

[0014] Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur submolekularen Trockenreinigung und/oder zur Hydrophilisierung der Oberfläche von Festkörpern bereitgestellt, die folgende Merkmale aufweist:

• eine gegenüber der Umgebung gasdicht abgeschlossene oder abschließbare Prozesskammer zur Aufnahme eines Festkörpers, dessen Oberfläche behandelt werden soll,
• eine Lampe mit einem Spektralbereich von 120-800 nm, die eingerichtet ist, in die Prozesskammer einzustrahlen, und
• ein Gasführungssystem, das eingerichtet ist, ein oder mehrere Prozessgase in die Prozesskammer und eine resultierende Gasmischung mit Reaktionsprodukten aus der Prozesskammer zu leiten.

[0015] Es wird weiterhin ein Verfahren zur submolekularen Trockenreinigung und/oder zur Hydrophilisierung der Oberfläche von Festkörpern bereitgestellt, aufweisend die nachfolgenden Schritte in der angegebenen Reihenfolge:

• Bereitstellen des Festkörpers,
• Herstellen einer den Festkörper umgebenden Gasatmosphäre aus einem oder mehreren Prozessgasen,
• Aufrechterhalten der Gasatmosphäre während einer Bestrahlung der Gasatmosphäre mit Licht im Spektralbereich von 120-800 nm.

[0016] Trockenreinigung bedeutet, dass die Oberfläche nicht mit Lösungsmitteln oder dgl. gereinigt wird, sondern dass eine Entfernung bzw. Zersetzung der Verunreinigungen auf der Oberfläche des zu reinigenden Festkörpers mittels der Prozessgase in Verbindung mit einer geeigneten Strahlung erfolgt.

[0017] Nachstehende Ausführungen betreffen, auch wenn es nicht explizit beschrieben ist, die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren gleichermaßen.

[0018] Submolekular bedeutet in diesem Kontext, dass die auf der zu reinigenden Oberfläche befindlichen organischen Moleküle (Verunreinigung) und auch deren bei der Reinigung entstehenden Fragmente durch vollständige Oxidation zu CO₂ und H₂O entfernt werden.

[0019] In die Prozesskammer kann nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Prozesszelle eingebracht sein.

[0020] Der Vorteil der Verwendung einer Prozesszelle besteht darin, dass insbesondere empfindliche, organische Materialien, beispielsweise in Form von Dünnschichten, da ausschließlich eine Oberflächenoxidation erfolgt, gereinigt werden können, ohne dass es zu einer wie auch immer gearteten Schädigung des organischen Festkörpers durch UV-Bestrahlung kommen kann. Auch kann die Prozesszelle vorteilhafterweise für die UV-Licht stimulierte Abscheidung von Dünnschichten, beispielsweise Kohlenstoffschichten oder organische Dünnschichten, verwendet werden. Harte Proben oder sonstige unempfindliche, zu reinigende Materialien, beispielsweise Messer oder anorganische Substrate für spezielle Anwendungen, können in der Prozesskammer auch ohne die Prozesszelle gereinigt werden.

[0021] Die Funktion der Prozesszelle wird im Rahmen der Beschreibung noch näher erläutert.

[0022] Als Prozessgase werden Sauerstoff und Stickstoff, Argon oder ein anderes inertes Gas als Stoßpartner für die Bildung von Ozon und Radikalen verwendet.

[0023] Optional wird über einen Precursorspender Wasserdampf als weitere Prozessgaskomponente zur Erzeugung von Hydroxyl-Radikalen (^•OH) oder Dampf niedermolekularer Ketone (Aceton) zur UV-induzierten Abscheidung Kohlenstoff-Dünnschichten in die Prozessgase eingemischt. Andere Beimischungen können je nach Bedarf zur Erzeugung spezifischer Schichten vorgenommen werden.

[0024] Die Prozessgase werden vorzugsweise vor Einleitung in die Prozesskammer in erforderlicher Weise mittels einer Mischeinrichtung gemischt und vorzugsweise mittels eines Wärmetauschers oder dergleichen temperiert.

[0025] Um einen übermäßigen Temperaturabfall beim Auftreffen der Prozessgase auf den zu reinigenden Festkörper, insbesondere zum Anfang des Reinigungsverfahrens zu vermeiden, kann der Probentisch ebenfalls über eine Heizungseinrichtung temperierbar sein. Zudem können dadurch Materialspannungen im Festkörper vermieden werden.

[0026] Vorteilhafterweise wird durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Spektralbereich der Bereich von 140 bis 160 nm abgedeckt, in dem der Absorptionskoeffizient von Sauerstoff (O₂) bis zu 100x größer als bei einer Wellenlänge von 183 nm ist, einer Wellenlänge, die beispielsweise mit einer Quecksilberlampe bereitstellt werden kann. Zudem ist bei einer kontinuierlichen Quecksilberlampe nachteilig, dass damit empfindliche Materialien, wie organische Dünnschichten, leicht überhitzt und zerstört werden können. Erzeugung des Ozons durch die elektrischen Entladungen zwischen Elektroden ist mit Staubproduktion und damit Materialübertragungen begleitet, d. h., dass Verunreinigungen auf den Festkörper gelangen können.

[0027] Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt der Spektralbereich zwischen 120 und 300 nm und besonders bevorzugt wird dazu eine Xe-Lampe eingesetzt, deren Emission den Bereich von 120 bis 196 nm abdeckt, also den Bereich, in dem ein besonders hoher Absorptionskoeffizient molekularen Sauerstoffs gegeben ist. Gleichzeitig wird während der Sauerstoffspaltung produziertes Ozon in dem Spektralbereich von 200 bis 300 nm aufgespalten und sauerstoffhaltige Radikale gebildet. Dabei wird durch Begrenzung des Spektralbereichs der effektive Energieeintrag in den Festkörper limitiert, so dass dieser materialschonend gereinigt werden kann.

[0028] Diese schonende Behandlung kann zudem durch eine gepulste Strahlung optimiert werden. Daher ist eine Xe-Blitzlampe besonders bevorzugt. Erfindungsgemäß ist aber auch eine Lampe mit einer kontinuierlichen Strahlung geeignet.

[0029] Durch den Einsatz von gepulstem Licht kann zudem die Reaktionsführung beeinflusst werden, da eine Abstimmung von Wiederholungsrate, Energie des Lichtpulses und dem Prozessgasfluss dazu führt, dass gebildetes Ozon in der Prozesskammer bzw. der Prozesszelle nicht frühzeitig, sondern erst an der Oberfläche des Festkörpers durch die Bestrahlung zu sauerstoffhaltigen Radikalen umgesetzt werden kann.

[0030] Die Pulsdauer liegt vorzugsweise zwischen 1 und 8 µs, besonders bevorzugt zwischen 2 und 4 µs und weist eine einstellbare Pulsenergie im Bereich von 0.08 bis 0.5 J auf und vorzugsweise eine einstellbare Pulswiederholungsrate im Bereich von 1 bis 250 Hz.

[0031] Die Prozesskammer der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform zwischen einem Lampenmodul, in dem die Lampe angeordnet ist, und einem Probentisch zur unmittelbaren oder mittelbaren Aufnahme des Festkörpers ausgebildet, wobei die Prozesskammer vorzugsweise mittels eines flexiblen Kammerbalgs, der an dem Lampenmodul und dem Probentisch dichtend anliegt, gegenüber der Umgebung abdichtbar ist. Vorzugsweise ist der Kammerbalg am Lampenmodul über geeignete Mittel festgelegt und dichtet beim Aufsetzen auf dem Probentisch ab.

[0032] Bei der mittelbaren Anordnung des Festkörpers kann dieser beispielsweise auf einem Träger oder dergleichen in die Prozesskammer eingebracht und entnommen werden, um die Handhabung bei Bedarf zu erleichtern.

[0033] Vorzugsweise ist der flexible Kammerbalg aus einem polymeren Werkstoff ausgebildet, der gegenüber den aktivierten/aggressiven Prozessgasen (Ozon, sauerstoffhaltige Radikale) innerhalb der Prozesskammer beständig sein muss. Vorzugsweise sind dies ein Silikon oder andere transparente Materialien, die gegenüber Ozon und sauerstoffhaltigen Radikalen beständig sind.

[0034] Das Lampenmodul dient, wie bereits ausgeführt, der reversiblen Festlegung bzw. Aufnahme einer Lampe, wobei über das Lampenmodul auch eine elektrische Kontaktierung der Lampe erfolgt.

[0035] Eine Halterung zur Fixierung der Lampe, vorzugsweise in einem Lampengehäuse, sowie elektrische Anschlüsse sind vorzugsweise im Inneren des Lampenmoduls vorgesehen. Der eigentliche Lampenkörper, der das Licht abgibt, ragt aus dem Lampenmodul heraus.

[0036] Um die Ausbeute an Licht zu optimieren, weist die Lampe im Lampengehäuse auf der von dem Festkörper abgewandten Seite ein Element, vorzugsweise einen Reflektor auf, der den entsprechenden Teil des Lichts, vorzugsweise im gesamten Spektralbereich reflektiert und in Richtung des Festkörpers umlenkt.

[0037] Zudem ist das Lampenmodul Teil des Gasführungssystems, das über mindestens eine, bevorzugt zwei symmetrisch platzierte Durchgangsöffnungen im Lampenmodul die schon temperierte Prozessgasmischung in die Prozesskammer leitet. Daher weist das Lampenmodul mindestens einen Anschluss auf, über den das gemischte Prozessgas zugeführt wird.

[0038] Vorzugsweise kann das Lampenmodul ein Manometer aufweisen, vorzugsweise ein digitales Manometer, das über das Lampenmodul mit der Prozesskammer verbunden ist.

[0039] Die Lampe bzw. das Lampengehäuse weist ein Fenster auf, durch das das Licht in die Prozesskammer austritt. Als Fenstermaterial wird vorzugsweise MgF₂ gewählt, das für das Licht mit Wellenlänge ab 120 nm durchlässig ist.

[0040] Die bereits genannte Prozesszelle, die vorteilhafterweise in der Prozesskammer, vorzugsweise mit Hilfe einer Schnellkupplung (Magnetkupplung) oder dergleichen angeordnet werden kann, ist zur Führung der Prozessgase zum Festkörper, zur Halterung eines Zwischenfilterelements im Strahlengang ausgebildet und dient somit der Umwandlung der Zusammensetzung der Prozessgase und der spektralen Zusammensetzung ausgehend von der Lampe in Richtung des zu reinigenden Festkörpers.

[0041] So kann vorzugsweise mittels der Prozesszelle zumindest ein Zwischenfilterelement im Strahlengang der Lampe und dem Festkörper angeordnet werden.

[0042] Das Zwischenfilterelement kann aus unterschiedlichen Materialien bestehen, vorzugsweise ist das Material ausgewählt aus nachfolgender Gruppe: MgF₂ (transparent ab 120 nm), Quarz (transparent ab 160 nm), Saphir (transparent ab 210 nm) und Bandpassfilter (210 bis 300 nm).

[0043] Durch das Zwischenfilterelement wird der Strahlengang bzw. der Raum zwischen der Lampe, gegebenenfalls deren Fenster und dem Festkörper (der Oberfläche des zu reinigenden Objekts) in zwei Bereiche mit unterschiedlichen Funktionen eingeteilt.

[0044] In dem ersten Bereich zwischen der Lampe, gegebenenfalls dem Fenster und dem Zwischenfilterelement wird molekularer Sauerstoff (O₂) mit harter VUV-Strahlung (120 bis 196 nm), vorzugsweise von der Xe-Blitzlampe in atomaren Sauerstoff aufgespalten. Der atomare Sauerstoff (O) reagiert in diesem Bereich schnell mit anderen Sauerstoffmolekülen und Stickstoff oder einem anderen als dritten Stoßpartner fungierendem Gas und bildet Ozon-Moleküle (O₃). Das Ozon verlässt diesen ersten Bereich und wird in den zweiten Bereich zwischen dem Zwischenfilterelement und dem Festkörper geleitet. Das Zwischenfilterelement (Quartz, Saphir oder Bandpassfilter) lässt die Strahlung ab ca. 160 nm bzw. 210 nm durch, um beispielsweise eine empfindliche organische Probe nicht direkt mit der harten VUV-Strahlung zu beschädigen. Das Zwischenfilterelement beschränkt den Raum der Prozessgasmischung auf eine Höhe von vorzugsweise ca. 3 bis 5 mm des ersten Bereichs, dies entspricht einem zu ionisierendem Gasvolumen von ca. 2 ml, und sichert somit eine effektive Ionisierung des Sauerstoffs und Ozonbildung in der Prozessgasmischung sowie eine Abschwächung der harten VUV-Strahlung bei einem Gasfluss von vorzugsweise 0,2 bis 5 L/min und einer Blitzwiederholungsrate von vorzugsweise 5 bis 50 Hz.

[0045] Die mit dem Zwischenfilterelement durchgelassene Strahlung ab 160 nm bzw. ab 210 nm bewirkt in dem zweiten Bereich der Prozesszelle über der Oberfläche des Festkörpers die Bildung von Ozon-Molekülen. Dadurch entstehen Sauerstoffradikale, welche die Verunreinigungen an der Oberfläche des Festkörpers/zu reinigenden Objektes oxidieren.

[0046] Bei der Verwendung eines Bandpassfilters (210 bis 300 nm) als Zwischenfilterelement wird ein unnötiger Energieeintrag in den Festkörper durch die Lichteinstrahlung vermieden, sodass dieser ausschließlich durch die Oberflächenoxidierung gereinigt und damit eine Schädigung aufgrund der Bestrahlung mit dem VUV-UV-Licht verhindert wird.

[0047] Die Prozesszelle ist nach einer bevorzugten Ausführungsform aus einem vorzugsweise zylindrischen Hohlkörper ausgebildet, der an gegenüberliegenden Seiten offen ist und der vorzugsweise an den freien Enden einen Flansch oder dergleichen aufweist, um eine Sicherheit gegen ein Verkippen bei der Montage zu haben und im montierten Zustand die Prozesskammer zwischen Lampenmodul und Probentisch abzudichten.

[0048] Die Lampe bzw. deren Lampengehäuse ragen vorzugsweise in die Prozesszelle hinein, wobei vorzugsweise das Lampengehäuse mit dem Querschnitt, vorzugsweise dem Innendurchmesser des zylindrischen Hohlkörpers korrespondiert, so dass sich das Lampengehäuse in den Hohlkörper erstreckt.

[0049] Dies erleichtert vorteilhafterweise die Montage und Demontage der Prozesszelle und gibt eine präzise Anordnung der Prozesszelle vor.

[0050] Vorzugsweise wird die Prozesszelle am Lampenmodul über ein Mittel zur Fixierung gehalten, vorzugsweise erfolgt dies über magnetische Mittel.

[0051] In der Mantelfläche des Hohlkörpers sind zumindest 1, vorzugsweise 2 oder mehrere radialverteilte Einlassöffnungen mit vorzugsweise zumindest 70 mm² Gesamtquerschnitt vorgesehen, durch die die Prozessgase aus der Prozesskammer in den Hohlkörper der Prozesszelle unterhalb der Lampe bzw. des Lampengehäuses eintreten können.

[0052] Benachbart zu den Einlassöffnungen auf der der Lampe abgewandten Seite ist vorzugsweise ein Mittel vorgesehen, um die eintretenden Prozessgase zu lenken, vorzugsweise in die Mitte des Hohlkörpers, so dass diese direkt in den Strahlengang des Lichtes gelangen. Vorzugsweise ist dieses Mittel ein umlaufender Absatz, so dass im Zentrum Raum bleibt, um die Prozessgase weiter in Richtung Probentisch zu leiten.

[0053] In Richtung des Probentisches wird dieser Raum durch das Zwischenfilterelement begrenzt, das durch Mittel im Innenraum des Hohlkörpers gehalten wird. Diese Mittel können unterschiedlich ausgestaltet sein, wesentlich dabei ist, dass zwischen dem Zwischenfilterelement und der Innenwandung des Hohlkörpers Platz verbleibt, in dem zumindest eine, vorzugsweise zwei oder mehrere Durchgangsöffnungen in Richtung des Probentisches befindlich sind. Vorzugsweise ist dieses Mittel wiederum ein umlaufender Absatz, auf dem das Zwischenfilterelement aufliegt und in dem zumindest eine, vorzugsweise zwei oder mehrere Durchgangsöffnungen mit vorzugsweise zumindest 45 mm² Gesamtquerschnitt vorgesehen sind. Durch die axialen Durchgangsöffnungen dringen die Prozessgase weiter bis zum Festkörper vor. Auch hier werden die Prozessgase vorzugsweise durch ein Mittel in Richtung des Festkörpers, also in das Zentrum gelenkt. Vorzugsweise ist dies wiederum ein umlaufender Absatz, der vorzugsweise eine abgeschrägte Seite zur Leitung der Prozessgase aufweist.

[0054] Das Gasführungssystem der Vorrichtung ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass die Zusammensetzung des oder der Prozessgase, deren Druck und deren Temperatur vor und während des Verfahrens steuerbar ist, wobei die Prozessgase in die bzw. aus der Prozesskammer zu- bzw. abgeführt werden.

[0055] Dazu weist das Gasführungssystem verschiedene Mittel, wie vorzugsweise Mischeinrichtungen, Gasflussmesser, Wärmetauscher, Ventile, Pumpen und dergleichen auf.

[0056] Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Gasführungssystem einen Anschluss für eine oder mehrere Analyseeinrichtungen, vorzugsweise eines Spektralphotometers und Restgasanalysators (RGA) zur Analyse der Reaktionsprodukte bei der Optimierung der Reinigungs- und Dünnschichtabscheidungsprozesse in der Reaktionskammer/-zelle des Gerätes auf.

[0057] Vorzugsweise weist das Gasführungssystem Gasflussmesser auf, mit denen die Flüsse von jedem Prozessgas separat sowie der Ablassfluss einstellbar sind. Vorzugsweise liegen die Gasflüsse im Bereich von 0,2 bis 15 L/min. Eine Optimierung des Gasflusses und der Wiederholungsrate des Lichtpulses erfolgt in Abhängigkeit vom Ozongehalt im abgeleiteten Prozessgas. Bei der Optimierung können auch der Gasdruck und der Arbeitsabstand zwischen der Lampe und dem Festkörper angepasst werden.

[0058] Die Prozessgase werden vorzugsweise nach der Prozesskammer über Gasflussmesser entweder mithilfe einer Saugdüse abgesaugt oder frei abgelassen.

[0059] Vorzugsweise kann mit Ventilen, vorzugsweise Nadelventilen, und der Saugdüse der Druck in der Prozesskammer eingestellt werden.

[0060] Eine Spül-/Schildgasmischung (1/1, z. B. O₂/N₂ oder O₂/Ar) mit einem Durchfluss von bis ca. 15 L/min kann mit dem Öffnen der Einzelgasventile der unterschiedlichen Prozessgase direkt an den Anschluss der Prozesskammer zur deren Spülung und zum Schutz der Probe geleitet werden.

[0061] Das Einleiten der Prozessgase dauert von ein paar Sekunden (zum Schutz der Probe während der Ein- und Ausschleusung / Anordnung und Entnahme) bis mehreren Stunden (Spülung). Die Dauer der Schildgasströmung kann auf z. B. 2 min mit einem geeigneten Mittel, beispielsweise mittels eines Zeitrelais beschränkt werden, um im Fall der Ausschleusung/Entnahme der Probe die Hände frei zu haben.

[0062] Die Vorrichtung weist vorzugsweise Mittel zur Steuerung der einzelnen Komponenten der Vorrichtung auf, die manuell oder auch durch eine rechnergestützte Steuereinrichtung bedient werden können.

[0063] Besonders vorteilhaft ist dabei die Steuerung in Abhängigkeit von den Ergebnissen einer Spektralanalyse der Lichtabsorption in der Abgasleitung und/oder einer Restgasanalyse mit z. B. einem Quadrupolmassenspektrometer, also der Prozessgase sowie der Desorptions- und Reaktionsprodukte, die aus der Prozesskammer abgeleitet werden. Anhand der Zusammensetzung des Abgases kann eine Zusammensetzung der obersten Probenschicht analysiert, das Verfahren optimiert und auch ein Ende des Reinigungs- und/oder Hydrophilsierungsvorganges bestimmt werden.

[0064] Weiterhin dient die Steuereinrichtung zur Steuerung des Gasführungssystems und der Lampe, um ein auf den entsprechenden Festkörper ausgerichtetes Vorgehen beim Verfahren zu gewährleisten.

[0065] Vorzugsweise verfügt die Vorrichtung über ein Stativ, an dem das Lampenmodul und der Probentisch angeordnet sind und das derart ausgebildet ist, den Abstand zwischen dem Lampenmodul und dem Probentisch zu variieren. Vorzugsweise liegt der einstellbare Arbeitsabstand, d. h. der Abstand zwischen der Lampe und der Probe zwischen 1 und 25 mm. Bei dem angegebenen Arbeitsbereich liegt der Kammerbalg stets dichtend am Lampenmodul, an dem der Kammerbalg vorzugsweise festgelegt ist, und dem Probentisch an.

[0066] Der Arbeitsbereich ist jedoch nicht durch das Stativ limitiert, sondern durch den elastischen Kammerbalg, der natürlich durch eine entsprechende Ausbildung der Geometrie angepasst werden kann.

[0067] Der gesamte Einstellbereich des Stativs, der größer als der Arbeitsbereich ist, ermöglicht eine Anordnung und Entnahme des Festkörpers vom Probentisch und/oder der Prozesszelle, da dafür der Abstand derart vergrößerbar ist, dass sich der Kammerbalg vom Probentisch abhebt und der Festkörper bzw. Prozesszelle zugänglich sind.

[0068] Die Vorrichtung weist verschiedene Mittel auf, die dem Fachmann grundsätzlich bekannt sind und die dieser auswählt, um vorbeschriebene Vorrichtung mit den erforderlichen Funktionen bereitzustellen und das Verfahren auszuführen.

[0069] Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das Verfahren lassen sich vorteilhafterweise in vielfältiger Weise einsetzen, so beispielsweise zur Reinigung eines Si-Substrates vor dessen Rotationsbeschichtung oder Beladung mit Dünnschnitten, zur Hydrophilisierung von Quantifoil-TEM-Grids und zur Reinigung/Hydrophilisierung eines Messers für Ultramikrotomie.

[0070] Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung und Erfindungsgegenstände sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar bzw. die Ausführungen zu einem Erfindungsgegenstand gelten für den anderen sinngemäß und umgekehrt.

[0071] Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Figur 1

eine Prozesskammer der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur submolekularen Trockenreinigung.

[0072] In Figur 1 ist eine Prozesskammer 10 für eine erfindungsgemäße, ansonsten nicht dargestellte Vorrichtung, gezeigt. Die Prozesskammer 10 ist zwischen einem Lampenmodul 12 und einem Probentisch 14 ausgebildet und durch einen elastischen Kammerbalg 16, vorzugsweise aus Silicon, gegenüber der Umgebung abgegrenzt und abgedichtet. Das Lampenmodul 12 weist zwei Gaseinlässe 13 für Prozessgase (Gasströme sind durch Pfeile dargestellt) auf, die vor dem Einleiten in die Prozesskammer 10 gemischt und temperiert werden.

[0073] Im Inneren der Prozesskammer 10 ist eine Prozesszelle 18, die aus einem zylindrischen Hohlkörper 20 ausgebildet ist, angeordnet. In der Prozesszelle 18 ist der zu behandelnde Festkörper 22 auf dem Probentisch 14 liegend angeordnet. Der zylindrische Hohlkörper 20 weist an beiden Enden, die zum Lampenmodul 12 bzw. dem Probentisch 14 ausgerichtet sind, jeweils einen Flansch 24 auf, um einen sicheren Stand und eine sichere Abstützung ohne Verkanten gegenüber dem Lampenmodul 12 und dem Probentisch 14 zu gewährleisten.

[0074] An dem Lampenmodul 12 ist eine Lampe 26, vorzugsweise eine Xe-Blitzlampe, die in einem zylindrischen Lampengehäuse 28 angeordnet ist, vorgesehen, wobei der Durchmesser des Lampengehäuses 28 dem Innendurchmesser des zylindrischen Hohlkörpers 20 entspricht, so dass sich das Lampengehäuse 28 in den zylindrischen Hohlkörper 20 erstreckt. Zur Erleichterung der Montage bzw. der Demontage der Prozesszelle 18 in der Prozesskammer 10 wird die Prozesszelle 18 am Lampenmodul 12 über magnetische Mittel 19 gehalten. Die Positionierung der Prozesszelle 18 erfolgt durch das Aufschieben auf das Lampengehäuse 28. So kann die Prozesszelle 18 ohne Werkzeug leicht positioniert und wieder aus der Prozesskammer 10 entfernt werden.

[0075] Die Lampe 26 weist zwei Elektroden 30 auf, zwischen denen die Blitzentladung 32 erfolgt. Auf der zum Lampenmodul 12 gewandten Seite der Lampe 26 ist ein Reflektor 34 angeordnet, so dass das erzeugte Licht 36 (angedeutet durch Pfeile) entweder direkt oder durch Reflektion in Richtung des Probentischs 14 geleitet wird. Im Lampengehäuse 28 ist in Richtung des Probentischs 14 zum Austritt des Lichts 36 eine Austrittsöffnung 38 vorgesehen, die mit einem Fenster 39 aus MgF₂ verschlossen ist, um den Spektralbereich der Lampenemission ab 120 nm zu leisten.

[0076] Der zylindrische Hohlkörper 20 weist in seiner Mantelfläche unterhalb des Lampengehäuses 28 Einlassöffnungen 40 für die Prozessgase auf, die aus der Prozesskammer 10 in den Innenraum der Prozesszelle 18 eintreten. In Richtung des Probentischs 14 sind im Inneren der Prozesszelle 18 bzw. im zylindrischen Hohlkörper 20 drei zueinander beabstandet umlaufende Absätze 42, 44, 46 ausgebildet, wobei lediglich im Bereich der Absätze 42, 44, 46 der Innendurchmesser des Hohlkörpers 20 verringert ist.

[0077] Der erste Absatz 42 ist in Richtung des Probentischs 14 unterhalb der Einlassöffnungen 40 angeordnet, so dass die durch die Einlassöffnungen 40 einströmenden Prozessgase zur Mitte, d. h. in den Bereich unterhalb der Austrittsöffnung 38 für das Licht 36 geführt. Der durch den ersten Absatz 42 verringerte Innendurchmesser entspricht dem Durchmesser der Austrittsöffnung 38 für das Licht 36. Unterhalb des ersten Absatzes 42 wird der Raum für die eintretenden Prozessgase durch ein Zwischenfilterelement 48 begrenzt, das mit seinem Rand auf dem zweiten Absatz 44 aufliegt. In dem zweiten Absatz 44 sind zwischen der Innenwandung des zylindrischen Hohlkörpers 20 und dem Zwischenfilterelement 48, d. h. dem Bereich des zweiten Absatzes 44, der nicht vom Zwischenfilterelement 48 überdeckt wird, Durchgangsöffnungen 50 vorgesehen, die die Prozessgase weiter in Richtung des Festkörpers 22 auf dem Probentisch 14 führen. Dazu treffen die Prozessgase nach dem Durchtritt durch die Durchgangsöffnungen 50 senkrecht auf den dritten Absatz 46, dessen zum zweiten Absatz gewandte Seite angeschrägt ausgebildet ist. Durch diese Anschrägung des dritten Absatzes 46 werden die Prozessgase in die Mitte der Prozesszelle 18 geführt und treffen dadurch auf den Festkörper 22. Unterhalb des dritten Absatzes 46 gelangen die Prozessgase nach Überstreichen des Festkörpers 22 zu im Probentisch 14 vorgesehenen Auslassöffnungen 52, durch die die Prozessgase aus der Prozesskammer 10 abgeleitet werden und vorzugsweise hier nicht dargestellten analytischen Einrichtungen zur Bestimmung der Zusammensetzung der abgeleiteten Prozessgase mit Desorptions- und Reaktionsprodukten zugeführt werden.

[0078] Der Reinigungsvorgang erfolgt in der oben beschriebenen Reinigungskammer im Detail wie folgt.

[0079] Molekularer Sauerstoff (O₂) (Bestandteil der Prozessgasmischung) wird mittels harter VUV-Strahlung 36, die von der Xe-Blitzlampe 26 erzeugt wird, innerhalb der Prozesszelle 18 in atomaren Sauerstoff aufgespalten.

[0080] Der atomare Sauerstoff (O) reagiert in dem Bereich der Prozesszelle 18 zwischen dem Fenster 39 und dem Zwischenfilterelement 48 schnell mit anderen Sauerstoffmolekülen und mit Stickstoff (Bestandteil der Prozessgase) als dritten Stoßpartner und bildet Ozon-Moleküle (O₃).

[0081] Das Ozon verlässt zusammen mit den anderen Bestandteilen des Prozessgases diesen Bereich und gelangt durch die Durchgangsöffnungen 50 im dritten Absatz 46 rund um das Zwischenfilterelement 48. Das Zwischenfilterelement 48, beispielsweise aus Quartz oder Saphir, lässt hauptsächlich nur die UV-Strahlung, d. h. ab 160 nm oder 210 nm durch, um den Festkörper 22, der eine empfindliche organische Probe sein kann, nicht direkt mit der harten VUV-Strahlung zu schädigen.

[0082] Das Zwischenfilterelement 48 beschränkt die Höhe des Bereichs zwischen dem Fenster 39 und dem Zwischenfilterelement 48, beispielsweise auf ca. 3 bis 5 mm. Dadurch bietet dieser Bereich beispielsweise Raum für ca. 2 mL Prozessgas zur Ionisierung und ermöglicht somit eine effektive Ionisierung des Prozessgases und eine Abschwächung der harten VUV-Strahlung bei einem Gasfluss von beispielsweise 0,5 bis 5 L/min und beispielsweise einer Blitzwiederholungsrate von 5 bis 50 Hz.

[0083] Für eine Optimierung des Verfahrens kann das Material des Zwischenfilterelements 48 beispielsweise zwischen MgF₂, Quartz, Saphir oder auch einem Bandpassfilter (210 bis 300 nm) gewählt werden.

[0084] Die von dem Zwischenfilterelement 48 durchgelassene UV-Strahlung wird in dem vorbeschriebenen Bereich die Ozon-Moleküle ionisieren. Dadurch entstehende Sauerstoffradikale oxidieren die Verunreinigungen auf der Oberfläche des Festkörpers 22.

[0085] Harte Proben verschiedener Geometrie werden in der Prozesskammer auch ohne die Prozesszelle gereinigt. Die Prozesszelle 18 wird nur bei die Reinigung empfindlicher organischen Proben sowie bei der UV-Licht-stimulierten Abscheidung organischer Dünnschichten verwendet.

[0086] Die einzelnen Merkmale der voranstehend beschriebenen Ausführungsform der Prozesskammer bzw. des Lampenmoduls können mit den Merkmalen der Vorrichtung in der allgemeinen Beschreibung kombiniert und skaliert werden und sind nicht auf die konkrete in der Figurenbeschreibung beschriebene Ausführungsform beschränkt.

Bezugszeichenliste

[0087] 

10

Prozesskammer

12

Lampenmodul

13

Gaseinlass

14

Probentisch

16

Kammerbalg

18

Prozesszelle

19

magnetische Mittel

20

zylindrischer Hohlkörper

22

Festkörper

24

Flansch

26

Lampe

28

zylindrisches Lampengehäuse

30

Elektroden

32

Blitzentladung

34

Reflektor

36

Licht

38

Austrittsöffnung

39

Fenster

40

Einlassöffnungen

42

erster Absatz

44

zweiter Absatz

46

dritter Absatz

48

Zwischenfilterelement

50

Durchgangsöffnungen

52

Auslassöffnungen

Ansprüche

1. Vorrichtung (100) zur submolekularen Trockenreinigung und/oder Hydrophilisierung der Oberfläche von Festkörpern aufweisend eine gegenüber der Umgebung gasdicht abgeschlossene oder abschließbare Prozesskammer (10) zur Aufnahme eines Festkörpers (22), eine Lampe (26) mit einem Spektralbereich von 120 bis 800 nm, die eingerichtet ist, in die Prozesskammer (10) einzustrahlen, und ein Gasführungssystem, das zur Zu- und Ableitung von einem oder mehreren Prozessgasen in die und aus der Prozesskammer (10) eingerichtet ist.

2. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasführungssystem ausgebildet ist, Zusammensetzung, Fluss, Druck und Temperatur des einen oder der mehreren Prozessgase in der Prozesskammer (10) zu steuern.

3. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Zwischenfilterelement (48) zwischen Lampe (26) und Festkörper (22) im Strahlungsgang der Lampe (26) angeordnet ist, wobei das zumindest eine Zwischenfilterelement (48) ausgewählt ist, aus nachfolgender Gruppe: MgF₂, Quarz, Saphir und Bandpassfilter.

4. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lampe (26) gepulst oder kontinuierlich Licht abstrahlt.

5. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lampe (26) eine Xe-Lampe ist, deren Strahlung vorzugsweise gepulst ist.

6. Vorrichtung (100) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsdauer zwischen 1 und 8 µs liegt, vorzugsweise zwischen 2 und 4 µs liegt, und/oder eine Pulsenergie im Bereich von 0.08 bis 0.5 J aufweist und/oder eine Pulswiederholungsrate im Bereich von 1 bis 250 Hz aufweist.

7. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesskammer (10) zwischen einem Lampenmodul (12), in dem die Lampe (26) angeordnet ist, und einem Probentisch (14) zur Aufnahme des Festkörpers (22) ausgebildet ist, wobei die Prozesskammer (10) mittels eines flexiblen Kammerbalgs (16), der an dem Lampenmodul (12) und dem Probentisch (14) dichtend anliegt, gegenüber der Umgebung abdichtbar ist.

8. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, das dass das Gasführungssystem mit einer Analyseeinrichtung verbunden ist, um die aus der Reaktionskammer (10) abgeleiteten Prozessgase, Reaktanten und Produkte zu bestimmen.

9. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung über eine Steuereinrichtung verfügt.

10. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100) eine Prozesszelle (18) verfügt, die in der Prozesskammer (10) und zwischen dem Lampenmodul (12) und dem Probentisch (14) angeordnet ist, und dass die Prozesszelle (18) ausgebildet ist, die Prozessgase zu führen und/oder zur Halterung des Zwischenfilterelements (48).

11. Vorrichtung (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesszelle (18) aus einem, vorzugsweise zylindrischen Hohlkörper (20) ausgebildet ist, dass die Prozesszelle (18) in einer Mantelfläche unterhalb des Lampengehäuses (28) zumindest eine, vorzugsweise zwei oder mehr Einlassöffnungen (40) aufweist, dass im Inneren der Prozesszelle (18) drei zueinander beabstandet umlaufende Absätze (42, 44, 46) ausgebildet sind, dass der erste Absatz (42) ist in Richtung des Probentischs (14) unterhalb der Einlassöffnungen (40) angeordnet, dass unterhalb des ersten Absatzes (42) das Zwischenfilterelement (48) vorgesehen ist, das mit seinem Rand auf dem zweiten Absatz (44) aufliegt, wobei in dem zweiten Absatz (44) zwischen der Innenwandung des zylindrischen Hohlkörpers (20) und dem Zwischenfilterelement (48) zumindest eine, vorzugsweise zwei oder mehr Durchgangsöffnungen (50) vorgesehen sind.

12. Verfahren zur Reinigung und/oder zur Hydrophilisierung der Oberfläche von Festkörpern aufweisend die nachfolgenden Schritte in der angegebenen Reihenfolge:

Bereitstellen des Festkörpers,

Herstellen einer den Festkörper umgebenden Gasatmosphäre aus Sauerstoff und Stickstoff sowie optional Wasserdampf,

Aufrechterhalten der Gasatmosphäre während des nachfolgenden Verfahrensschritts Bestrahlung der Gasatmosphäre mit Licht im Spektralbereich von 120 bis 800 nm und eines zu reinigenden Festkörpers.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht vor Auftreffen auf den Festkörper durch ein Zwischenfilterelement (48) geleitet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenfilterelement (48) aus MgF₂, Quarz, Saphir oder einem Bandpassfilter besteht.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Aufrechterhaltens der Gasatmosphäre eine Zuleitung und Ableitung der Prozessgase erfolgt, wobei die abgeleiteten Prozessgase sowie die Ablations-/Oxidationsprodukte optional hinsichtlich der Zusammensetzung analysiert werden und optional das Verfahren in Abhängigkeit der festgestellten Zusammensetzung geführt/optimiert wird.

Zeichnung