DE3521549C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung und/oder Regelung eines Teilchenstromes nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a method for measuring and / or Regulation of a particle flow according to the preamble of Claim 1.

Insbesondere bei der Herstellung integrierter Halbleiter­ schaltungen, z. B. sogenannter I²L-Schaltungen, ist es erforderlich, zunächst ein Substrat, z. B. eine kreisförmi­ ge Siliziumscheibe mit einem Durchmesser von ungefähr 100 mm sowie einer Dicke von ungefähr 1 mm, auf einer Seite möglichst gleichmäßig mit mindestens einer dotierten oder undotierten Si-Schicht zu beschichten. Insbesondere bei einer industriellen Massenfertigung ist es erforder­ lich, daß die Schichtdicke in genau reproduzierbarer Weise einstellbar ist.In particular in the manufacture of integrated semiconductor circuits, for. B. so-called I ² L circuits, it is necessary to first a substrate, for. B. to coat a circular ge silicon wafer with a diameter of approximately 100 mm and a thickness of approximately 1 mm, on one side as evenly as possible with at least one doped or undoped Si layer. Particularly in industrial mass production, it is required that the layer thickness can be adjusted in a precisely reproducible manner.

Es sind verschiedene Verfahren bekannt zur Messung und/oder Regelung der Schichtdicke während des Abscheidens der Schicht auf dem Substrat. Beispielsweise ist es be­ kannt, in dem für die Beschichtung erforderlichen Teil­ chenstrom einen Schwingquarz anzuordnen. Gleichzeitig mit dem Substrat wird dieser Schwingquarz beschichtet, so daß sich dessen Resonanzfrequenz fortlaufend verringert. Daraus wird die abgeschiedene Schichtdicke bestimmt.Various methods for measuring are known and / or regulating the layer thickness during the deposition the layer on the substrate. For example, it is be knows, in the part required for the coating chenstrom to arrange a quartz crystal. At the same time with this quartz crystal is coated on the substrate so that its resonance frequency decreases continuously. The deposited layer thickness is determined from this.

Weiterhin ist es bekannt, den Teilchenstrom beispielsweise mit Hilfe eines Massenspektrometers zu messen.It is also known, for example, the particle flow to measure with the help of a mass spectrometer.

Ein Nachteil derartiger Verfahren besteht darin, daß es nicht möglich ist, den Teilchenstrom unmittelbar am Ab­ scheidungsort, d. h. dem Substrat, zu messen, da dieser ansonsten teilweise durch die Meßeinrichtung, z. B. den Schwingquarz, verdeckt würde. Eine Messung außerhalb des Abscheidungsortes, z. B. neben dem Substrat, hat jedoch den Nachteil, daß die Messung nicht zuverlässig ist, da es möglich ist, daß sich die Richtungscharakteristik der Teilchenquelle unbeabsichtigt sowie unmerklich geändert hat, z. B. durch Veränderungen in der Teilchenquelle infol­ ge Alterung.A disadvantage of such methods is that it is not possible to stop the particle flow directly at the Ab place of divorce, d. H. the substrate to measure because of this otherwise partly through the measuring device, e.g. B. the Quartz crystal, would be covered. A measurement outside of Deposition site, e.g. B. next to the substrate, but has the Disadvantage that the measurement is not reliable because it it is possible that the directional characteristic of the Particle source changed unintentionally and imperceptibly has, e.g. B. by changes in the particle source infol aging.

Aus JP-A 58-1 30 272, Pat.Abstr. J P C-192 (1983) Vol. 7, No. 242 ist eine Vakuumbeschichtungsanlage bekannt, in der ein Substrat mit Hilfe eines Teilchenstromes beschichtet wird. From JP-A 58-1 30 272, Pat. Abstr. J P C-192 (1983) Vol. 7, No. 242 a vacuum coating system is known in which a Substrate is coated with the aid of a particle stream.  

Dabei ist zwischen Substrat und Teilchenquelle eine Ionisierungsquelle angeordnet, durch welche der Teilchenstrom teilweise ionisiert wird. Zwischen Teilchenquelle und Substrat ist eine elektrische Spannungsquelle angeschlossen, mit der der durch die Spannungsquelle fließende Strom gemessen wird.There is a between the substrate and the particle source Ionization source arranged through which the Particle stream is partially ionized. Between Particle source and substrate is an electrical one Voltage source connected to the through the voltage source flowing current is measured.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren anzugeben, das die Messung und/oder Regelung eines Teilchenstromes unmittelbar am Abscheidungsort ermöglicht, ohne diesen zu ver­ decken und das eine von äußeren Einflüssen ungestörte Abscheidung gewährleistet. The invention is therefore based on the object Specify generic method that the measurement and / or regulation of a particle flow directly made possible at the deposition site without ver cover and the one undisturbed by external influences Deposition guaranteed.  

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteil­ hafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.This problem is solved by the in the characteristic Part of claim 1 specified features. Advantage sticky refinements and / or further training are the Removable subclaims.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch eine verdeckungsfreie Messung des Teilchenstromes am Abschei­ dungsort eine genaue Bestimmung der Abscheidungsgeschwindigkeit der Teilchen möglich wird, so daß eine genaue und reproduzier­ bare Einhaltung einer gewünschten Schichtdicke erreichbar ist.An advantage of the invention is that Mask-free measurement of the particle flow at the separator a precise determination of the deposition rate of the Particle becomes possible, so that an accurate and reproducible Obtainable compliance with a desired layer thickness is.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungs­ beispiels näher erläutert unter Bezugnahme auf eine sche­ matische Zeichnung. Es zeigen:The invention is based on an embodiment exemplified with reference to a cal matic drawing. Show it:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Ausführungs­ beispiels; Fig. 1 is a schematic representation of the execution example;

Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung des Ausführungs­ beispiels. Fig. 2 is a diagram for explaining the execution example.

Fig. 1 zeigt schematisch eine beispielhafte Vakuum-Be­ schichtungsanlage, z. B. eine Molekularstrahl-Epitaxieanla­ ge zur Beschichtung von Silizium-Scheiben. Diese besteht aus einer Ultrahoch-Vakuumkammer 1 (Vakuum ungefähr 10^-10 mbar), in der eine Teilchenquelle 2 angeordnet ist. Diese enthält Beschichtungsmaterial 3, z. B. hochreines einkristallines Silizium, das verdampft wird, z. B. durch Elektronenbeschuß aus einer nicht dargestellten Elektro­ nenstrahlkanone. Es entsteht zunächst ein im wesentlichen elektrisch neutraler Teilchenstrom 4, der Silizium(Si)- Atome und/oder Si-Moleküle enthält. Dieser Teilchenstrom besitzt im allgemeinen eine keulenförmige Richtungsver­ teilung und breitet sich geradlinig in Richtung des zu beschichtenden Substrates 5, z. B. eine Si-Scheibe mit einem Durchmesser von ungefähr 100 mm, einer Dicke von ungefähr 1 mm sowie einer (100)-Kristallorientierung, aus. Das Substrat 5 wird in einem Abstand von ungefähr 300 mm von der Teilchenquelle 2 angeordnet. Der Teilchenstrom 4 wird senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung (Pfeil) seitlich begrenzt durch eine Blende 6, z. B. einer Molybdän­ platte mit einer Bohrung von ungefähr 60 mm Durchmesser. Die Blende 6 besitzt von der Teilchenquelle 2 einen Ab­ stand von ungefähr 50 mm und ist elektrisch leitend mit dieser verbunden. Der Durchmesser der Bohrung der Blende ist dabei abhängig von der zu beschichtenden Fläche des Substrates. Es ist zweckmäßig, die Bohrung derart zu wählen, daß der Querschnitt des Teilchenstromes 4 am Ort des Substrates 5 einen etwas größeren Durchmesser als dieses besitzt. Unmittelbar hinter der Blende 6, bezogen auf die Ausbreitungsrichtung, wird eine Ionisierungsquelle 7 angeordnet, z. B. eine ringförmige Elektronenquelle, welche den Teilchenstrom 4 im wesentlichen senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung mit Elektronen durchstrahlt. Dabei besitzen diese Elektronen e^- eine so große kineti­ sche Energie, daß der Teilchenstrom 4 durch Stoßionisation zumindest teilweise ionisiert wird. Es entstehen z. B. positiv geladene Si⁺-Ionen. Wird nun an das elektrisch leitfähige Substrat 5 eine bezüglich der Teilchenquelle 2 elektrisch negative Spannung gelegt, z. B. mit Hilfe der elektrischen Spannungsquelle U_S, so hat sich nun über­ raschenderweise herausgestellt, daß der dabei fließende elektrische Strom I_S ein sehr genaues Maß ist für die Abscheidungsgeschwindigkeit A, gemessen in nm/s, der Si-Teilchen. Fig. 1 shows schematically an exemplary vacuum coating system, z. B. a molecular beam Epitaxieanla ge for coating silicon wafers. This consists of an ultra-high vacuum chamber 1 (vacuum approximately 10 ^-10 mbar) in which a particle source 2 is arranged. This contains coating material 3 , e.g. B. high-purity single-crystal silicon that is evaporated, e.g. B. by electron bombardment from an electric nenstrahlkanone, not shown. An essentially electrically neutral particle stream 4 , which contains silicon (Si) atoms and / or Si molecules, is initially produced. This particle stream generally has a club-shaped Richtungsver distribution and spreads straight in the direction of the substrate 5 to be coated, z. B. a Si disk with a diameter of approximately 100 mm, a thickness of approximately 1 mm and a (100) crystal orientation. The substrate 5 is arranged at a distance of approximately 300 mm from the particle source 2 . The particle stream 4 is laterally limited perpendicular to its direction of propagation (arrow) by an aperture 6 , z. B. a molybdenum plate with a bore of about 60 mm in diameter. The aperture 6 has from the particle source 2 was from about 50 mm and is electrically connected to it. The diameter of the hole in the screen is dependent on the surface of the substrate to be coated. It is expedient to choose the bore such that the cross section of the particle stream 4 at the location of the substrate 5 has a somewhat larger diameter than this. Immediately behind the aperture 6 , based on the direction of propagation, an ionization source 7 is arranged, for. B. an annular electron source which radiates the particle stream 4 substantially perpendicular to its direction of propagation with electrons. Thereby possess these electrons e ^- such a large kineti specific energy that the particle stream 4 is ionized by impact ionization, at least partially. There arise z. B. positively charged Si⁺ ions. If an electrically negative voltage with respect to the particle source 2 is now applied to the electrically conductive substrate 5 , for. B. with the aid of the electrical voltage source U _S , it has now surprisingly been found that the electrical current I _S flowing thereby is a very precise measure of the deposition rate A, measured in nm / s, of the Si particles.

Dieser beispielhafte Zusammenhang ist in Fig. 2 darge­ stellt. Dabei ist auf der Abzisse die Abscheidungsge­ schwindigkeit A aufgetragen, auf der Ordinate ist der Strom I_S, gemessen in µA, dargestellt. Die Kurve 8 zeigt dabei eine im wesentlichen lineare Abhängigkeit. Dabei erzeugt die Spannungsquelle U_S eine Gleichspannung von -500 V, die Ionisierungsquelle 7 erzeugt einen im wesentlichen konstanten Ionisierungsstrom I_K = 100 mA. Zur Änderung des Stromes I_S wurde in diesem Ausführungs­ beispiel die Temperatur der Teilchenquelle 2 geändert.This exemplary relationship is shown in Fig. 2 Darge. The Abscheidungsge speed A is plotted on the ordinate, the current I _S , measured in µA, is shown on the ordinate. Curve 8 shows an essentially linear dependency. The voltage source U _S generates a direct voltage of -500 V, the ionization source 7 generates an essentially constant ionization current I _K = 100 mA. To change the current I _S , the temperature of the particle source 2 was changed in this embodiment example.

Für eine bestimmte Abscheidungsgeschwindigkeit A ist es daher lediglich erforderlich, den Strom I_S konstant zu halten. Dieses ist beispielsweise nach Fig. 1 dadurch möglich, daß der Strom I_S in einer Strom-Meßeinrichtung 9 gemessen wird. Eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung St erzeugt daraus ein Steuer- und/oder Regelsignal, welches den Teilchenausstoß der Teilchenquelle 2 derart steuert und/oder regelt, daß der eingestellte Strom I_S er­ halten bleibt, z. B. durch Änderung der Temperatur der Teilchenquelle 2. Über eine Zeitmessung ist dann mit Hilfe der Kurve 8 (Fig. 2) eine genaue Bestimmung der Schichtdicke der abgeschiedenen Schicht möglich. Diese beschriebene Steuer- und/oder Regeleinrichtung ermög­ licht, daß die Abscheidungsgeschwindigkeit im wesent­ lichen unabhängig ist von unerwünschten Störungen, z. B. der Änderung der Richtcharakteristik der Teilchenquelle.For a certain deposition rate A, it is therefore only necessary to keep the current I _S constant. This is possible, for example, according to FIG. 1 in that the current I _{S is} measured in a current measuring device 9 . A control and / or regulating device St generates therefrom a control and / or regulating signal which controls and / or regulates the particle output of the particle source 2 in such a way that the set current I _{S is} maintained, e.g. B. by changing the temperature of the particle source 2 . A precise measurement of the layer thickness of the deposited layer is then possible via a time measurement with the aid of curve 8 ( FIG. 2). The control and / or regulating device described enables light that the deposition speed is essentially independent of undesirable interference, for. B. the change in the directional characteristic of the particle source.

Für die Beschichtung können außerdem beliebige elektrisch leitfähige Substrate sowie Beschichtungsmaterialien, z. B. Metalle, verwendet werden.Any electrical can also be used for the coating conductive substrates as well as coating materials, e.g. B. Metals.

Claims (5)

1. Verfahren zur Messung und/oder Regelung eines Teil­ chenstromes, insbesondere für eine Vakuum-Beschichtungs­ anlage, in der ein Substrat mit Hilfe des Teilchenstro­ mes beschichtet wird, derart, daß zwischen einer Teilchen­ quelle (2) und dem leitfähigen Substrat (5) eine Ioni­ sierungsquelle (7) angeordnet wird, durch welche der Teilchenstrom (4) zumindest teilweise ionisiert wird, daß zwischen Teilchenquelle (2) und Substrat (5) eine elektri­ sche Spannungsquelle (U_S) angeschlossen wird und daß der durch die Spannungsquelle (U_S) fließende elektrische Strom (I_S) gemessen wird, dadurch gekennzeichnet,

• - daß zwischen der Teilchenquelle (2) für den Teilchen­ strom (4) und dem elektrisch leitfähigen Substrat (5) eine Blende (6) angeordnet wird, welche den Teilchen­ strom (4) im wesentlichen auf den zu beschichtenden Substratbereich begrenzt, und
• - daß der Strom (I_S) als Meß-bzw. Regelsignal für die Teilchenquelle (2) in Abhängigkeit von der Beschichtungs­ geschwindigkeit benutzt wird.

1. A method for measuring and / or regulating a particle stream, in particular for a vacuum coating system, in which a substrate is coated with the aid of the particle stream, such that between a particle source ( 2 ) and the conductive substrate ( 5 ) an ionization source ( 7 ) is arranged, through which the particle stream ( 4 ) is at least partially ionized, that between the particle source ( 2 ) and the substrate ( 5 ) an electrical voltage source (U _S ) is connected and that by the voltage source (U _S ) flowing electrical current (I _S ) is measured, characterized in

• - That between the particle source ( 2 ) for the particle stream ( 4 ) and the electrically conductive substrate ( 5 ), an aperture ( 6 ) is arranged, which limits the particle stream ( 4 ) substantially to the substrate area to be coated, and
• - That the current (I _S ) as a measuring or. Control signal for the particle source ( 2 ) is used depending on the coating speed.

2. Verfahren zur Messung und/oder Regelung eines Teil­ chenstromes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beschichtung des Substrates (5) in dem Teilchenstrom (4) positiv geladene Ionen erzeugt werden und daß das Substrat (5) mit dem negativen Pol der Spannungs- oder Stromquelle (U_S) verbunden wird.2. A method for measuring and / or regulating a partial current according to claim 1, characterized in that positively charged ions are generated for coating the substrate ( 5 ) in the particle stream ( 4 ) and that the substrate ( 5 ) with the negative pole of the Voltage or current source (U _S ) is connected. 3. Verfahren zur Messung und/oder Regelung eines Teil­ chenstromes nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilchenstrom (4) durch Stoßioni­ sation zumindest teilweise ionisiert wird durch beschleu­ nigte Teilchen (e^-), die in der Ionisierungsquelle (7) erzeugt werden.3. A method for measuring and / or regulating a partial stream according to claim 1 or claim 2, characterized in that the particle stream ( 4 ) is at least partially ionized by impact ionization by accelerated particles (e ^- ) which are present in the ionization source ( 7 ) be generated. 4. Verfahren zur Messung und/oder Regelung eines Teil­ chenstromes nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beschleunigten Teilchen (e^-) im wesentlichen aus Elektronen bestehen, die im we­ sentlichen senkrecht in den Teilchenstrom (4) eingestrahlt werden.4. A method for measuring and / or regulating a partial stream according to one of the preceding claims, characterized in that the accelerated particles (e ^- ) consist essentially of electrons which are radiated into the particle stream ( 4 ) substantially vertically. 5. Verfahren zur Messung und/oder Regelung eines Teil­ chenstromes nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Silizium-Substrat (5) verwendet wird, das mit Siliziumatomen und/oder -molekülen beschichtet wird.5. A method for measuring and / or regulating a partial stream according to one of the preceding claims, characterized in that a silicon substrate ( 5 ) is used which is coated with silicon atoms and / or molecules.