DE2700979C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Kontrolle von Aufdampfprozessen - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Kontrolle von AufdampfprozessenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kontrolle der Aufdampfrate und/oder der Zusammensetzung
des aufzudampfenden Materials während eines Aufdampfprozesses im Vakuum, bei dem ein Anteil des
aufzudampfenden Materials eine Meßzone durchströmt, in der das aufzudampfende Material einer Strahlung
ausgesetzt wird, sowie auf eine geeignete Vorrichtung dafür.
Eine Mehrzahl von Aufdampfraten-Anzeigegeräten ist bisher entwickelt worden. Diese haben sich jedoch
als unzulänglich erwiesen, insbesondere wenn sie in Hochleistungssystemen angewendet werden. Bei
Quarz-Kristall-Detektoren weist der Kristall eine
empfindliche Fläche auf, auf dem die aufzudampfenden Teilchen kondensieren. Die natürliche Schwingungsfre-
-;uenz des Quarzes wird durch diese Kondensation beeinfiußt, und die Frequenzänderung ist ein Maß für
die Masse des kondensierten Materials. Quarz-Kristall-Detektoren haben deshalb nur eine ι ehr begrenzte
Lebensdauer, da die auf dem Kristall aufwachsende Schicht nach kurzer Zeit zu stark ist.
Eine andere Anzeigemethode ist entwickelt worden, die auf der Ionisierung des Stromes der aufzudampfenden
Teilchen -lurch Elektronen-Beschüß beruht (US-PS 3168 418). Die Größe des sich daraus ergebenden
lonenstroms ist dabei ein Maß für die Aufdampfrate. Dieses Verfahren benötigt äußerst empfindliche lonenstrom-Meßgeräte
in der Vakuumkammer, welche sehr empfänglich für elektrische Störungen sind. Weiterhin
ist es nicht möglich, damit verschiedene Materialien zu unterscheiden.
Außerdem ist es bei Vakuum-Aufdampfprozessen, bei denen die Verdampfung des Materials mit hilfe einer
Elektronenstrahlkanone bewirkt wird, bekannt, die Intensität des emittierten Lichtes, das von der
ionisierten Dampfwolke direkt oberhalb der Verdampfungsquelle ausgeht, zu beobachten. Wegen der sich
schnell ändernden Dampfdichte nahe der Verdampfungsquelle, dem unkontrollierbaren Ionisationszustand
und dem gestreuten Licht von vielen möglichen Störquellen variiert das ausgesendete Licht ständig und
ist deshalb zur Kontrolle der Aufdampf rate ungeeignet.
Schließlich wurde noch versucht, die Teilchen in der Aufdampfkammer derart zu bombardieren, daß si?
Röntgenstrahlen aussenden, die für besondere Teilchen charakteristisch sind. Die zur Erzeugung der Röntgenstrahlung
notwendige Spannung und die zum Schutz der Benutzer notwendigen Abschirmungen sind dabei
derart aufwendig, daß ein solches Verfahren nicht mehr wirtschaftlich realisiert werden kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art
anzugeben, mit dem eine kontinuierliche Kontrolle der Aufdampfrate und/oder der Zusammensetzung des
aufzudampfenden Materials genau und weitgehend störungsfrei möglich ist. Außerdem sol! eine relativ
einfache und unempfindliche Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens geschaffen werden. 4;
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in den Patentansprüchen enthaltenen Maßnahmen gelöst.
Mit einem Verfahren bzw. mit einer Vorrichtung nach der Erfindung ist die kontinuierliche Messung der
Aufdampfrate und die Analyse der aufzudampfenden so Materialien in weiten Bereichen möglich.
Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung sind unabhängig davon anwendbar, ob die
aufzudampfenden Materialien aus Dielektrika oder Metallen bestehen bzw. ob die Verdampfung des
Materials mit Hilfe einer Elektronenkanone, Induktionsheizung, Widerstandsheizung oder dergleichen vorgenommen
wird. Das Ausgangssignal ist relativ linear zur Aufdampfrate und nicht durch Störungen von elektrischen
Ladungen, geladene Teilchen und Schwankungen des Kammerdruckes beeinflußt. Weiterhin ist es
möglich, beim Gegenstand der Erfindung mit einem Elektronenstrahl mit relativ niedriger Energie auszukommen,
der keine aufwendigen Abschirmungen benötigt, so daß in einfacher Weise eine genaue
Messung der Aufdampfrate und Analyse der Eigenschaften des aufzudampfenden Materials, insbesondere
bei Hochleistungsanlagen, erfolgen kann. Da die Meßzone klein ist und darüber hinaus den aus
aufzudampfenden Teilchen bestehendtn Strom nur wenig beeinflußt, ist der in der Kammer ablaufende
Aufdampfprozeß durch die erfindungsgemäße Überwachung nahezu nicht gestört.
Das von dem das Licht registrierenden Detektor gelieferte Signal kann in den verschiedensten bekannten
Meßgeräten zwecks Feststellung der Art des aufzudampfenden Materials oder auch der Restgaszusammensetzung
in der Kammer analysiert werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit mit diesem Signal die
Aufdampfrate und damit auch die Dicke der aufgedampften Schicht zu überwachen sowie den Verdampfer
zu steuern bzw. zu schalten.
Einzelheiten eines bevorzugten Ausführungsbeispieles
der Erfindung soll anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert werden.
Es zeigt
Fig. 1 eine schematische, perspektivische Ansicht eines Sensors nach der Erfindung, bei dem die Wände
teilweise entfernt sind;
F i g. 2 eine schematische Ansicht eines Sensors nach F i g. 1, angeordnet in einer Vakuumaufdampfapparatur;
F i g. 3 ein Blockdiagramm für die Verarbeitung der vom Sensor gelieferten Signale.
In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Sensor 10 ist in F i g. 1
schematisch als rechteckförmiges Gebilde mit einem Boden 12, einer nicht dargestellten Deckenwand, zwei
einander gegenüberliegenden Seitenwänden 14 und 15 (die Wand 15 ist nur teilweise sichtbar) und Stirnwänden
16 und 17 (die Stirnwand 17 ist ebenfalls mir teilweise
sichtbar) dargestellt. Der Boden 12 und die Deckenwand weisen Durchgänge 20 auf. durch die eine beschränkte
Menge der aufzudampfenden, zu kontrollierenden Materialien in definierter Weise strömen (Teilchenstrom
U).
Die Seitenwand 15 weist eine öffnung 22 auf, die den
Durchtritt von senkrecht zum Teilchenstrom emittierter
Licht (Lichtstrom 23) zuläßt.
Mit 25 ist eine Wendel bezeichnet, die als Quelle für einen Elektronenstrahl zur Anregung der aufzudampfenden
Teilchen dient. Die erzeugten Elektronen haben relativ niedrige Energie, und zwar in der Größenordnung
von weniger als 300 eV, was genügt um die Elektronen der äußeren Schale der Atome des
aufzudampfenden Materials anzuregen. Am entgegengesetzten Ende des Sensor-Gehäuses ist eine Anode 27
vorgesehen, so daß der der Anregung dienende Elektronenstrahl 24, der von der Wendel 25 erzeugt
wird, den aus aufzudampfenden Teilchen bestehenden Strahl kreuzt, wie schematisch in F i g. 1 gezeigt. Um
den Elektronenstrahl 24 eine definierte Energie und eine relativ gut definierte Form zu geben, sind positiv
geladene Fokussierelektronen 28 und 29 im Wege des Elektronenstrahls vorgesehen, und zwar vorzugsweise
mit rechteckigem Querschnitt. Dadurch wird außerdem sichergestellt, daß sich der Elektronenstrahl und der aus
aufzudampfenden Teilchen bestehende Strahl in definierte Weise kreuzen.
Beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 ist der Sensor 10 in der Vakuum-Aufdampfkammer 35 angeordnet. In
dieser Kammer befindet sich ebenfalls die Quelle für das aufzuaampfende Material (Verdampfer ??) die schematisch
als elektrisch beheizt dargestellt ist. Die Versorgungseinheit ist mit 65 bezeichnet. Dargestellt ist
weiterhin ein Quarz-Kristall-Sensor 38. der zur Kalibration des Sensors 10 benutzt werden kann. Der Sensor 10
ist oberhalb des Verdampfers 37 angeordnet, und zwar mit einem Abstand, der sicherstellt, daß der Sensor von
einem typischen Anteil des aufzudampfenden Materials durchströmt wird ;r, ' nicht von den schnell sich
ändernden Dampfdichten nahe des Verdampfers 37 heeintiiiüt wird. In der Wand der Verdampferkaminer
35 isi eine optische und elektrische Durchführung 39 vo; gesehen, durch oie die elektrischen Verbindungen zu
den Elementen des Sensors hindurchgefuhrl sind und durch üie sich eine Lichtübertragungsleitung 41 in Form
einer starren Lichtröhre oder eines flexiblen Fiberglaskabels erstreckt.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel fuhrt die Lichtleitung zu einem optischen Fenster 43 und dann
durch ein Filter 45 (oder Monochromator), der z. B. nur solche Wellenlängen des emittierten Lichtes durchläßt,
die von den interessierenden, zu überwachenden Komponenten des aufzudampfenden Materials ausgehen.
Das gefilterte Licht mit der interessierenden Wellenlänge wird dann dem Photo-Detektor 47
zugeführt. Das Signal des Photodetektors 47 kann einer Vielzahl von Meß- und Kontrolleinrichtung zugeführt
werden. Das in der Fig. 3 dargestellte Blockdiagramm
zeigt ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel für eine solche Kontrolleinheit.
Die Meß- und Kontrolleinheit 50 (gestrichelte Linie) kann z. B. Stromversorgungseinrichtungen 52 und 53 für
den Photodetektor 47 bzw. für die Wendel 25 enthalten. Das Signal des Photodetektors 47 wird einer Strom/
Spannungs-Schalteinheit 54 zugeführt, deren Ausgangssignal über einen Verstärker 55 mit variabler Verstärkung
einem phasenempfindlichen Detektor 56 zugeführt wird. Zur Erzeugung einer modul'erten Frequenz
ist ein Modulator 58, z. B. ein Oszillator oder dergleichen vorgesehen. Diese wird dem phasenempfindlichen
Detektor 56 sowie — über eine Anodenspannungskontrolleinheit
59 — einer Emissionsstromkontrolleinheit 60 zugeführt, die mit der Stromversorgungseinheit 53 für die Wendel 25 und mit dem Sensor 10
verbunden ist. Die Modulatorfrequenz ist so gewählt, daß die Auswertung nicht durch aus der Umgebung
stammende Störstrahlen gestört wird. Frequenzen in der Größenordnung von mehr als 200 Hz haben sich als
besonders geeignet erwiesen. Das modulierte Ausgangssignal des phasenempfindlichen Detektors 56 wird
einem Differenz-Signal-Detektor 61 zugeführt, der noch mit einer die Aufdampfrate festlegenden Einheit 62
verbunden ist. Das Ausgangssignal wird über eine Steuereinheit 63 einer Summeneinheit 64 zugeführt, die
ein Korrektursignal in Abhängigkeit von der Abweichung
zwischen der kontrollierten Aufdampfrate und der gewünschten Aufdampfrate cizxügt. Mit diesem
Signal erfolgt eine Kontrolle und Steuerung der Versorgungseinheit 65 für den Verdampfer 37.
Ein Sensor 10 nach der Erfindung wird — wie in F i g. 2 dargestellt — derart in die Verdampferkammer
35 eingebracht, daß seine Öffnung 20 mil ausreichei.deir
Abstand oberhalb des Verdampfers 37 liegt Diüch d".
Durchführungsöffnung 39 hindurch erfolgt die elektrische und optische Verbindung der in der Verdampfer
kaminer 35 angeordneten Elemente. Mit Hilfe der Wende1 2S wird ein Elektronenstrahl rirla"" niedrigei
Energie ..zeugt, der es ermöglicht, t!ie Elektronen der
außen η Sei.Je der Atome des aufzudampfender
Materials anzuregen. Das Gehäuse des Sensors 10, dit
.j Ar.oJc 27 und die Fokussierionselektrode 28 und 29 sine
.ur^ugbweise Bestandteile einer gemeisamen, auch die
Wendel 2> umfassenden elektrischen Einheit. In einerr
bevoiTugTer. Ausiührungsbeispiel wird die Wendel 25
auf negativem Potential gehalten. DL Anode 27, die Fokussierelek'.rodcn 28 und 29 sowie das Gehäuse
haben alle das gleiche positive Potential.
Der Elektronenstrahl, der infolge der Potential-Differenz
zwischen der Wend?l 25 und der Anode 2
p-zeugt wird, ist vorzugsweise elektronisch gepulst, und
zwar mit Hilfe des Modulators 58 bei einer Frequenz um 200 Hz, so daß jedes Störsignal mit Hilfe konventioneller
phasenempfindlicher Detektoren eliminiert werden kann. Der relativ niederenergetische Elektronenstrah
reicht aus, um die Elektronen der äußeren Schale der Atome des aufzudampfenden Materials innerhalb der
Vakuumkammer 35 anzuregen. Dadurch werden einige Elektronen der äußeren Schale auf höhere Energie
niveaus angehoben. Danach gehen sie wieder über in den Gnmdzustand und emittieren dabei Photonen mit
einer bestimmten Wellenlänge, die charakteristisch ist für die Art des angeregten Atoms oder Moleküls.
Wenn die F.mission mit Hilfe eines skannenden Monochromators analysiert wird, erhält man ein
charakteristisches Spektrum der aufzudampfender Materie. Dadurch erhält man die Möglichkeit über das
emiiterte Licht das aufzudampfende Material und auch das noch in der Anlage befindliche Restgas zu
identifizieren. Für bestimmte Emissionslinien ist die Intensität gegenüber der Energiekurve der Elektronen
als optische Anregungsfunktion bekannt. Um die Atome anzuregen, muß die Elektronenenergie größer sein als
die Schwellenenergie. Die Erzeugung brauchbarer Spektrallinien wird durch Auswahl einer angemessenen
Elektronenenergie oberhalb des Schwellenwertes er-
■ii reicht. Bei fester Wellenlänge und fester Elektronenenergie
ist die Intensität der emittierten Photonen proportional zur Dichte des den Sensor durchströmenden
Dampfes des aufzudampfenden Materials.
Durch Beschränkung des Flugweges des aufzudampfenden Materials mit Hilfe der vom Sensor gebildeten
Meßzone und durch Ablenkung des Photonenweges im Sensor aus dem Weg des strömenden Dampfes erhält
man klare Spektrallinien ausreichender Intensität, und zwar bei bereits relativ niedriger Anregungsenergie der
Elektronen des Elektronenstrahls.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (17)
1. Verfahren zur Komrolle der Aufdampfrate
und/oder der Zusammensetzung des aufzudampfenden Materials während eines Aufdampfprozesses im
Vakuum, bei dem ein Anteil des aufzudampfenden Materials eine Meßzone durchströmt, in der das
aufzudampfende Material einer Strahlung ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
die Art der Strahlung se gewählt wird, daß die Elektronen von zumindest einem Teil der die
Meßzone durchströmenden Atome des aufzudampfenden Materials auf ein höheres Energieniveau
gehoben werden und daß die beim Rück-Übergang in den niedrigen Energiezustand entstehenden
Photonen als Maß für die Aufdampfrate bzw. als Informationssignal für die Zusammensetzung des
aufzudampfenden Materials registriert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der aufzudampfenden
Materie auf einem definierten, linearen Weg durch die Meßzone geführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregung des aufzudampfenden
Materials mit Hilfe eines die Meßzone durchströmenden Elektronenstroms bewirkt wird,
dessen Elektronen eine Energie kleiner als 300 eV haben.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Maßnahme zur Anregung der
Atome unabhängig ist von der Maßnahme für die Erzeugung des Dampfes.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß störende
Strahlungen durch Verwendung eines gepulsten Elektronenstrahls und eines phasenempfindlichen
Detektors eliminiert werden.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Vakuumkammer sowie
einem darin befindlichen Verdampfer und mindestens einem zu bedampfenden Substrat, dadurch
gekennzeichnet, daß in der Vakuumkammer (35) ein von einem Teil des Dampfes durchströmter Sensor
(to) vorgesehen ist, der eine Meßzone bildet, daß eine Strahlungsquelle (25, 27, 28, 29) zur Anregung
der Elektronen der äußeren Schale der Atome des die Meßzone durchströmenden Dampfes im Sensor
vorgesehen ist, und daß eine Meß- und Kontrolleinrichtung (45, 47, 50) zur Registrierung des beim
Rück-Übergang in den niedrigeren Energiezustand von den Atomen ausgehenden Lichts vorhanden ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle zur Anregung der
Atome von einer Elektronenquelle (35) und geeigneten Beschleunigungselektroden (27, 28, 29) gebildet
wird und daß zur Registrierung des ausgesandten Lichts ein senkrecht zur Richtung des Elektronenstrahls
angeordneter Photodetektor (47) vorgesehen ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (10) im wesentlichen
quaderförmig ausgebildet ist, daß der Boden (12) und die obere Wand öffnungen (20) für den Durchtritt
des Anteils des zu verdampfenden Materials aufweisen, daß die Elektronenquelle (25) und die
Beschleunigungs- und Fokussierelektroden (27, 28, 29) derart angeordnet sind, daß der Elektronenstrahl
senkrecht zum Teilchenstrahl aus aufzudampfender
Materie gerichtet ist und daß die Optik-Öffnung (22) derart in einer Seitenwand (15) angeordnet ist, daß
das senkrecht zur Ebene der beiden Ströme (Teilchen und Elektronen) gerichtete Licht registriert
wird.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Erzeugung eines
gepulsten Elektronenstrahls ermöglichende Elektronenquelle vorgesehen ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der
Elektronen auf der einen Seite des Sensorgehäuses eine Wendel (25) vorgesehen ist und daß auf der
anderen Seite des Gehäuses die Anode (27) angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis
12, dadurch gekennzeichnet, daß die Wendel (25) zur Erzeugung der Elektronen Bestandteil eines von
dem Verdampfer unabhängigen elektronischen Steuerkreises ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch II, dadurch
gekennzeichnet, daß die Stromversorgung für die Wendel (25) einen Modulator zur Frequenzkontrolle
umfaßt und daß der Photodetektor (47) Bestandteil eines elektrischen Stromkreises ist, der einen
phasenempfindlichen Detektor aufweist
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis
12, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zur
Steuerung der Verdampferleistung in Abhängigkeit vom Signal des Photodetektors vorgesehen sind.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis
13, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zur Analyse der Wellenlänge des durch Photoemission
entstandenen Lichts vorgesehen sind.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis
14, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Registrierung des emittierten Lichts aus einem
Photodetektor (47) und einem diesem Detektor vorgelagerten Filter (45) bzw. Monochromator
bestehen.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis
15, dadurch gekennzeichnet, daß zur Übertragung des Lichts vom Innern der Vakuumkammer nach
außen zum Photodetektor ein aus einem starren Rohr (41) oder aus einem Fiberglaskabel bestehender
Lichtleiter vorgesehen ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis
16, dadurch gekennzeichnet, daß zur Eichung des Sensors (10) ein Quarzkristall-Sensor vorzugsweise
verschiebbar in der Vakuumkammer (35) angeordnet ist.
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