DE1521313A1

DE1521313A1 - Verfahren zum Herstellen duenner Schichten

Info

Publication number: DE1521313A1
Application number: DE19651521313
Authority: DE
Inventors: Dasilva Edward Martin; Bogardus Richard Thomas
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1964-06-24
Filing date: 1965-06-19
Publication date: 1969-11-06
Also published as: US3406040A; GB1092744A; FR1439444A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen dünner Schichten auf ein starres Substrat, bei dem eine Strömung von verdampftem Material auf die Oberfläche des Substrats geleitet wird.

Für die Herstellung von Bauelementen in Dünnschichttechnik ist es notwendig, zuverlässige Verfahren für die Bildung gleichmäßiger dünner Schichten, sowohl polymerer als auch metallischer Art, zu besitzen. Diese dünnen Schichten spielen eine große Rolle bei der Herstellung aktiver und passiver Schaltelemente, Ferner dienen sie als Basis für die Herstellung integrierter Schaltungen.

Es sind bereits verschiedene Verfahren zur Herstellung dünner Schichtensowohl polymerer als auch metallischer Art bekannt. Neben der bekanntenAufdampftechnik sind in letzter Zeit Verfahren bekannt geworden, welche mit Elektronenstrahlen, Ionenstrahlen, sowie durch

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Photolyse organischer und anorganischer Stoffe auf einem Substrat arbeiten.

Für die Herstellung dünner Schichten sind hohe Ablagerungsgeschwindigkeiten erwünscht, damit die Herstellungszeit und damit die Kosten reduziert werden. Ferner sind leicht reproduzierbare Parameter erwünscht, damit sich gleichmäßige Schichten einer bestimmten gewünschten Stärke herstellen lassen= Ferner sollen die Verunreinigungen innerhalb des Systemes während der Herstellung der Schicht möglichst gering sein, damit gleichmäßige Schichten erhalten werden. Bei sehr dünnen leitenden Schichten beispielsweise in der Größenordnung von 5000 S bis 10 000 8, wirken sich schon leichte Verunreinigungen der Schichten sehr stark auf die Arbeitsweise der herzustellenden Schaltung aus. Ebenso können in dünnen polymeren Schichten Verunreinigungen die Wahrscheinlichkeit für das Entstehen von Störstellen oder winsigen Löchern stark heraufsetzen. Schon ein einziger solcher Defekt bei der Herstellung einer integrierten Schaltung kann die ganze Anordnung unbrauchbar machen.

Bei den bekannten Verfahren werden Ladungsträger zur Auslösung des Ablagerungsvorganges direkt auf die Substratoberfläche gelenkt. Bei solch einem Verfahren, das üblicherweise in Niederdruckkammern durchgeführt wird, wird das zu verdampfende Material mit einem bestimmten Partialdruck in die Kammer eingeführt, um sich auf dem Substrat als dünne Schicht abzulagern» Durch die Ausrichtung der Ladungsträger auf bestimmte stellen der Substratoberfläche läßt sich die Schicht in einem bestimmten Muster aufbringen. Dieses Verfahren benötigt einen höheren Druck innerhalb des Systems, der dann vor einer Wiederholung des Verfahrens erneut gesenkt werden muß. Durch diese Druckänderungen entstehen außerdem Verunreinigungen auf eier abgelagerten Fläche. Außerdem hat sich der direkte Beschluß der Substratoberfläche mit Ladungsträgern als nachteilig erwiesen, da die Rückverdampfung von der Substratoberfläche sich stark bemerkbar macht.

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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, welches die genannten Nachteile umgeht. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das verdampfte Material vor seiner Ablagerung auf dem Substrat ionisiert wird, daß das Substrat oder dessen Halterung elektrisch so vorgespannt werden, daß die Ionen auf dem Substrat auf Grund des Ladungsmechanismus haften bleiben und daß die abgelagerten Ionen Kristallisationskerne für die weitere Ablagerung sowohl ionisierter wie auch nicht ionisierter Teilchen bilden.

Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrisch leitendes Substrat gegenüber der elektrisch vorgespannten Halterung isoliert ist und daß eine .weitere Elektrode zum Auffangen der von dem Substrat emittierten Sekundärelektronen zwischen Ionisierungsraum und Substrat angeordnet ist.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann durch Einschalten einer Maske zwischen dem Substrat und dem Ionisierungsraum ein bestimmtes Schichtmuster auf dem Substrat erzeugt werden.

Insbesondere können als Verdampfungsmaterialien Metalle oder Polymere gewählt werden. ·

Vorteilhafterweise wird zur Ionisierung ein Elektronenstrahl benutzt, der so gerichtet ist, daß er die Oberfläche des Substrats nicht trifft.

Durch das vorgeschlagene Verfahren werden Verunreinigungen während des Ablagerungsvorganges stark herabgesetzt. Außerdem wird der Druck innerhalb des Systems konstant gehalten. Ferner ist die Anordnung der ■■Elektronenschleuder in Bezug auf die anderen Metallteilenicht kritisch. Schließlich läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren mit anderen Ablagerungsverfahren kombinieren. Es kann dabei aas gleiche Reaktionsgefäß verwendet werden.

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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig; 2 die Abhängigkeit der Beschichtungsrate von dem Druck des Verdampfungsmaterials in der Nähe des Substrats.

Eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in'Fig. 1 dargestellt. Sie besteht aus einer Niederdruckkammer 1, die von einer Vakuumglocke 3 gebildet wird, deren Rand von einer ringförmigen Nut 5 des Gummidichtungsringes 7 aufgenommen wird. Der Gummidichtungsring 7 liegt auf der Grundplatte 9 auf und bildet eine wirksame Vakuumdichtung bis zu Drücken in der Größenordnung von 10 Torr. Die Niederdruckkammer 1 wird durch die Hochieitungs-Vakuumpumpe 1j5 über das Pumploch 11 evakuiert. Ein als Verdampfungsquelle 15 dienendes Gefäß liegt auf einem Keramikträger 17, welcher die Quelle von der Grundplatte 9 trennt. Die Verdampfungsquelle 15 wird elektrisch beheizt. Die Heizung umfasst ein Widerstandsheizelement 19, das über durch die Grundplatte.9 hindurchgehende Leitungen 20 mit einer steuerbaren Stromquelle 21 verbunden ist. Die Verdampfungsquelle 15 enthält ein Verdampfungsmaterial 23, das so gewählt ist, daß es bei normalen Systemdrücken und -temperaturen nicht flüchtig ist. Bei Erregung des Widerstandselementes 19 durch die Stromquelle 21 steigt die Temperatur des Verdampfungsmaterials 27j über dessen Verdampfungspunkt hinaus an, so daß es sich verflüchtigt und von der Quelle 15 aus als Verdampfungsmaterialströmung abzieht.

Eine zylindrische Blende 25 aus Isoliermaterial ist über der Verdampfungsquelle 15 angebracht. Sie hat den Zweck, die Verdampfungsströmung von der Quelle 15 aus in eine bei 27 allgemein angedeutete

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Elektronenschleuder zu lenken. In der hier gezeigten Form ist die Elektronenschleuder 27 symmetrisch zu der Form der Verdampfungsquelle 15 und der zylindrischen Blende 25· Die Elektronenschleuder 27 besteht aus einer Anode .29* die hohl sein kann und die mit einem ringförmigen Heizfaden 31 an ihrem Platz gehalten wird; beide sind axial zu der zylindrischen Blende 25 angeordnet. Außerdem ist ein netzförmiges Gitter .55 koaxial zwischen der Anode 29 und dem Heizfaden 5¹ angeordnet. Der dazwischenliegende Abstand ist so gewählt, daß während eines Besehichtungsprozesses hohe Stromdichten erreicht werden, wobei zwischen Heizfaden und Anode relativ niedrige Elektronenbeschleunigungspotentiale angelegt werden. Gemäß der Zeichnung ist die Anode 29 an die positive Klemme der Anodenspannungsquelle A angeschlossen. Der Heizfaden 31 1st an die Heizspannungsquelle B angeschlossen, und das Gitter 33 ist mit der positiven Klemme der ßitterspannungsquelle C verbunden. Die Spannungsquellen A, B und C sind als veränderlich dargestellt, damit sich die Dichte des Elektronenstrahls zwischen Heizfaden 31 und Anode 29 steuern läßt.

Eine zylindrische Metallabschirmung 37 umschließt die Elektronenschleuder 27. Die. Abschirmung 37 ist mit dem Heizfaden 31 leitend verbunden und dient außerdem als Wärmestrahlungsabschirmung. Sie engt die elektrischen Felder so ein, daß die Elektronenbesehleunigungsfeider zwischen dem Heizfaden 31 und der Anode 29 begrenzt werden. Die Abschirmung 37 wird von der zylindrischen Blende 25 getragen und besitzt obere und untere ringförmige Ansätze 37A bzw. 57B; die von den Ansätzen 37A bzw. 37B abgegrenzten kreisförmigen Öffnungen sind koaxial zu der zylindrischen Blende 25 ausgerichtet. Dementsprechend streicht die von der Quelle 15 ausgehende Verdampf ungs strömung aufwärts an der zylindrischen Blende 25 entlang, .durch die öffnung im Ansatz 37A und in die Elektronenschleuder ZJ hinein, wo sie dem Elektronenstrahl ausgesetzt wird, und gelangt dann über den Ansatz 37B zum Substrat 35. Ein Drahtnetz 39 ist über

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der Öffnung in dem Ansatz 37B angeordnet. Aus der Zeichnung 1st zu ersehen, daß das Drahtnetz 39 und der Substrathalter 45 gemeinsam an die positive Klemme der veränderlichen Spannungsquelle D (Erdanschluß des Systems) angeschlossen sind, um einen feldfreien Raum über der Oberfläche des Substrates 35 sicherzustellen, das auf dem Substrathalter 45 liegt. Die elektrischen Felder für die Elektronenbahn, die durch die Elektronenschleuder 27 erzeugt werden, sind nahezu vollständig auf den Raum innerhalb der zylindrischen Abschirmung 37 beschränkt. Die Anordnung der Schleuder bezüglich anderer Metallteile innerhalb des Beschichtungssystems ist nicht kritisch. Außerdem wandern nahezu alle Elektronen bei ihrer Anziehung durch die Anode 29 vom Heizfaden 31 aus durch den Verdampfungsstrom hindurch, während dieser nach oben auf das Substrat 35 zu strömt.

Vor dem Substrat 35 befindet sieh ein beweglicher Verschluß 41, der den von der Elektronenschleuder 27 nach oben gelenkten Verdampfungsmaterialstrom auffängt. Der Verschluß 41 gibt das Substrat 35 nur während des Beschichtungsprozesses frei, nachdem die gewünschten Systemparameter eingestellt sind, z. B. die Verdampfungsquelle 15 auf eine gewünschte Temperatur gebracht worden ist, die Strahlstromdichte in der Elektronenschleuder 27 erreicht ist usw. Der Verschluß 4T sorgt dafür, daß das Verdampfungsmaterial bei konstanten Systemparametern auf das Substrat 35 aufgebracht wird, damit die Reproduzierbarkeit gewährleistet ist. Außerdem ist eine Maske 43* die ein erwünschtes Besehichtungsmuster enthält, nahe der Oberfläche des Substrats 35 angeordnet. Das Drahtnetz 39, die Maske 43 und der Substrathalter 45 sind leitend miteinander verbunden, damit sie während des Beschichtungsprozesses positiv vorgespannt werden können.

Das Verfahren und die Anordnung nach der Erfindung eignen sich zum Aufbringen sowohl von polyrotreii als auch von metallischen dünnen Schichten, In jtde'm Falle wird dfcr verdampfte Strom aus Verdampfungsmaterial, ob nun polymerisierbar oder metallisch, einer Elektronen-

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Lombardierung innerhalb der Elektronenschleuder 27 ausgesetzt. Die aktive Verdampfungsmaterialströmung-tritt dann durch die Maske.45 hindurch und bildet ein aus einer durchgehenden dünnen Schicht bestehendes Muster auf dem Substrat 35· Aktivierte Teilchen von Verdampfungsmaterialien, die ionisierte Moleküle zu sein scheinen, neigen dazu, stärker an der Oberfläche des Substrats 35 zn haften, als es nichtaktivierte Teilchen tun. Da der Substrathalter 45 positiv vorgespannt ist, ergänzt der aufgeladene Zustand der aktivierten Teilchen die normalen Bindungskräfte zwischen ihnen und dem Substrat 35* so daß die Wahrscheinlichkeit der Wiederverdampfung verringert wird. An der Oberfläche des Substrats 35 haftende aktivierte Teilchen dienen als Kernpunkte für die Kristallisation, und die auf solche Punkte auftreffenden nichtaktivierten Teilchen werden mit in die dünne Schicht aufgenommen, wodurch die Wlederverdampfung des Verdampfungsmaterials von der Oberfläche aus verringert wird. Durch die aktivierten Teilchen des Verdampfungsmaterials werden die normalerweise auf der Oberfläche des Substrats 35 vorhandenen Kernpunkte für die Kristallisation ergänzt.

Gemäß einem Beispiel der Erfindung können durchgehende dünne polymere Schichten hergestellt werden, indem ein Strom aus verdampftem, polymerisierbarem Material einem transversalen Elektronenstrahl ausgesetzt wird. Die in dem beschriebenen Prozess vorteilhaften Merkmale polymerisierbarer Stoffe sind erstens, daß aktivierte Teilchen gebildet werden, wenn sie der Elektronenstrahlbombardierung ausgesetzt werden, die dazu dienen, die Polymerisatiorisreaktion an der Oberfläche des Substrats 35 einzuleiten; zweitens, daß ein solches Material einen Verdampfungsdruck hat, der unter normalen in der Kammer 1 aufrechterhaltenen Systemdrücken liegt, und drittens, daß die thermische Polymerisation des Materials bei den gewänlten Quellentetnpcratüren vorzugsweise minimal sein sollte. Diese erwünschten Eigenschaften hauen zahlreiche polymerisierbar Stoffe, wie z.B. bisphenol-A-Kpichlorhydrin-Additionsproctukt, Silikonöl, ResorzinäigycIiäyj.-Htiier usw. :

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Zum Aufbringen einer dünnen polymeren Schicht wird ein ausgewähltes Material, z. B. Bisphenol-A-Epichlorhydrin, in die Quelle 15 eingebracht und Über seinen Verdampfungspunkt hinaus erhitzt. Das Verdampfungsmaterial verflüchtigt sich und entweicht nach oben entlang der zylindrischen Blende 25 und durch das kreisförmige Gitter 33· Beim Durchgang durch das kreisförmige Gitter 33 wirkt ein kleiner Teil der Moleküle des Verdampfungsmaterials mit dem Elektronenstrahl in einem Kollisionsprozess zusammen, und es entstehen aktive Teilehen, d, h. ionisierte Moleküle des Verdampfungsmaterials. Das Aktivierungsverhältnis des Verdampfungsmaterials, d. h. das Verhältnis der aktivierten zu nichtaktivierten Teilchen, ist eine Funktion des Kollisionsquerschnitts, der abhängt von der Dichte der Verdampfungsmaterialströmung, d. h. der Temperatur der Quelle 15, sowie von der Dichte des Elektronenstrahls in der Elektronenschleuder 27. Daher ist das Aktivierungsverhältnis des Verdampfungsmaterialstroms durch die Temperatur der Verdampfungsquelle 15 sowie durch die von der Quelle C dem Gitter 33 zugeführten Vorspannungen genau steuerbar. Der aktivierte Verdampfungsmaterialstrom streicht durch das Drahtnetz 39 in einen feldfreien Bereich zwischen ihm und dem Substrat 35· Während des Aufheizens der Verdampfungsquelle I5 auf eine bestimmte Temperatur wird der Verschluß 41 über dem Substrat 35 geschlossen, wodurch das Eindringen von Verdampfungsmaterial auf das Substrat verhindert wird.

Wenn der Verschluß 41 vor dem Substrat 35 geöffnet wird, werden ausgewählte Teile des aktivierten Verdampfungsmittelstroms durch die Maske 43 aufgefangen, wodurch der Rest in einem gewünschten Muster auf dem Substrat 35 niedergeschlagen wird. Durch die Gegenwart aktivierter Teilchen des Verdarnpfungsmaterials wird der Beschichtungsprozess beschleunigt, da diese leichter an der Oberfläche des Substrats 35 haften als die nichtaktivierten.Moleküle des Verdampfungsmaterials. Die aktivierten oder ionisierten Moleküle auf der Oberfläche des Substrats 35 erzeugen Kernpunkte für die Kristallisation,

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von denen»der Polymerisationsprozess ausgeht. Damit wird die Wahrscheinlichkeit des Wiederverdampfens von Verdampfungsmaterial aus der Oberfläche des Substrats 35 reduziert. Bei Fortsetzung der Aufbringung des Verdampfungsmaterials auf dem Substrat 35 entsteht eine gleichmäßige, geschlossene polymere Schicht.

Durch entsprechende Steuerung der Beschichtungsparameter, d. h. der an das Gitter 33 gelegten Spannungen und der Temperatur der Aufdampfungsquelle 15* wird das Aktivierungsverhältnis des Verdampfungsmit- f telstroms so bestimmt, daß das ganze auf das Substrat 35 gerichtete Verdampfungsmaterial an der Formierung der polymeren Schicht beteiligt ist. Daher brauchen die Drücke in der Kammer 1 während des Beschiohtungsprozesses nicht wesentlich geändert zu werden, und die Verunreinigung 1st minimal. Wenn z. B. die an das Gitter 33 gelegte positive Vorpjsannung erhöht wird, erhöht sich auch die bahrscheinliehkeit von Kollisionen zwischen Elektronen und Molekülen des Verdampfungsmaterials innerhalb der Elektronenschleuder 27, und damit wächst entsprechend die Zahl der entstehenden aktiven Teilchen. Ähnliche Effekte werden auch erreicht, indem die Temperatur der Verdampfurigsquelle 15 erhöht wird, um so die Dichte der Moleküle des Verdampfungsmaterials innerhalb der Elektronenschleuder pro Zeiteinheit zu steigern. Fig. 2 zeigt eine typische Kurve der Beschich- " tungsrate als Funktion des Logarithmus des Drucks des Verdampfungsmaterials in dem Bereich des Substrats 35 für einen gegebenen Bereich der Stromdichte in der Elektronenschleuder 27 (i = 0,1 bis 0,6 mA/crn ). Die Temperatur des Substrats beträgt dabei 25°G. Die erreichten Beschichtungsraten sind um mehrere Größenordnungen höher als die mit den bekannten Verfahren erreichbaren, bei denen der Elektronenstranl unmittelbar auf die Oberfläche des Substrats 35 auftrifft.

Gemäß einem anderen Beispiel der Erfindung sind die Potentialdifferenzen in einer mehrschichtigen Anordnung während des Beschichtungsprozesses sehr gering. Das als leitende dünne Schicht dargestellte

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Substrat 35 ist gegenüber dem Substrathalter 45 durch eine vorher aufgebrachte polymere Schicht 35* isoliert. Die Energie der auf die Oberfläche des Substrats 35 auftreffenden aktivierten Teilchen muß ausreichen, um eine Sekundärelektronenemission zu bewirken. Wenn daher das Aufbringen des Verdampfungsmaterials fortgesetzt wird, kann ein Oberflächenpotential entstehen, welches eine Punktion des Beschleunigungspotentials und des Sekundäremissions-Koeffizienten für die Elektronen der betreffenden Oberfläche ist. Die Maske 43 wird auf dem selben oder einem höheren positiven Vorspannungspotential als der Substrathalter 45 gehalten, um während eines Beschichtungsprozesses als Sammler für Sekundärelektronen zu dienen. Daher nimmt die Beschichtungsfläche infolge des Auffangens von Sekundärelektronen durch die Maske 43 eine positive Ladung an. Infolgedessen sind die erforderlichen elektrischen Felder, die zwischen ihr und dem Substrathalter 45 und an eine vorher aufgebrachte dünne polymere Schicht in dem mehrschichtigen Gebilde angelegt werden, gering. Das Auffangen von Sekundärelektronen, die von der Beschichtungsfläche während des Beschichtungsprozesses abgestrahlt werden, kann die Ausbeute des Herstellungsprozesses merklich erhöhen.

Die oben beschriebenen Prinzipien sind gleichermaßen auf die Aufbringung dünner Metallschichten anwendbar. Es sei z. B. angenommen, daß die Quelle 15 ein metallisches Verdampfungsmaterial enthält, welches verdampft und nach oben durch die Elektronenschleuder 27 gelenkt wird. Während des Durchgangs durch die Elektronenscnleuder 27 werden die Metallatome durch den Elektronenstrahl bombardiert, so daß aktive Teilchen entstehen. -Wie schon beschrieben, wird das Aktivierungsverhältnis der Strömung des metallischen Verdampfungsmaterials insbesondere so bestimmt, daß das ganze Verdampfungsmaterial an der Formierung der leitenden dünnen Schicht teilnimmt. Die aktiven Teilchen, d. h. die ionisierten Atome in dem Verdampfungsstrom, haften stärker an der Oberfläche des Substrats 35 und bilden

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zusätzliche Kernpunkte für die Kristallisation des Verdampfungsma terials. Daher wird die VJiederverdampfung des Metalls von der Beschichtungsflache des Substrats 55 aus reduziert,.und die Systemverunreinigung ist minimal.

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Claims

Patentansprüche

1· Verfahren zum Aufbringen dünner Schichten auf ein starres Substrat, bei dem eine Strömung von verdampftem Material auf die Oberfläche des Substrats geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das verdampfte Material vor seiner Ablagerung auf dem Substrat ionisiert wird, daß das Substrat oder dessen Halterung elektrisch so vorgespannt werden« daß die Ionen auf dem Substrat auf Grund des Ladungsmechanismus haften bleiben und daß die abgelagerten Ionen Kristallisationskerne für die weitere Ablagerung sowohl Ionisierter wie auch nichtionlslerter Teilchen bilden. .

2· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrisch leitendes Substrat gegenüber der elektrisch vorgespannten Halterung isoliert ist und daß eine weitere Elektrode zum AuXr. fangen der von den Substrat emittierten Sekundärelektronen zwischen Sonlslerungsraum und Substrat angeordnet ist*

3# Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daS durch Einschalten einer Maske zwischen dem Substrat und dem Xonlsltrungeraua ein bestiemtee Schichtmuster auf dem Substrat erzeugt wird·

4* Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dai ali Verdampfungaeaterial ein Metall gewählt wird.

$· Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dal alt Verdampfungtsmtfrial ein Polymer gewählt wird.

,6, Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dal lift* Ionisierung ein Elektronenstrahl benutzt wird, der so gerichtet ist, dad er die Oberfläche des Substrats nicht trifft.

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