DE4016352C2 - - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Laser-Aufdampf
verfahren mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen
Merkmalen und betrifft außerdem eine Einrichtung zur Durchführung
eines solchen Verfahrens.
In DE 38 00 680 A1 ist bereits ein Laser-Aufdampfverfahren
der eingangs genannten Art vorgeschlagen worden, bei dem die
Laserstrahlung durch ein optisches Fenster in eine Vakuumkammer,
in der ein zu beschichtendes Substrat angeordnet
ist, eingeführt und auf ein zu verdampfendes Targetmaterial
gerichtet wird. Die Bildung eines Niederschlages auf dem
Fenster wird durch Einführen eines Gases in die Vakuumkammer
verhindert. Das Gas kann dabei auf das Target gerichtet
werden und ein Prozeßgas enthalten, das mit dem Targetmaterial
unter Bildung eines gewünschten Beschichtungsmaterials
reagiert.
Aus WO 89/08 605 ist eine Laser-Aufdampfeinrichtung bekannt,
bei der durch Zuführung von Sauerstoff in die Nähe eines
Targets ein oxidischer Supraleiter hergestellt wird.
Aus der JA-59-1 16 373 A ist ein Laser-Aufdampfverfahren bekannt,
bei welchem ein aus einer chemischen Verbindung bestehendes
Target mittels eines Laserstrahles verdampft und der Dampf
als dünne Schicht auf einem zu bedampfenden Substrat niedergeschlagen
wird.
Die bekannten Laser-Aufdampfverfahren der oben genannten Art
haben den Nachteil, daß sich die physikalischen Eigenschaften,
wie der Absorptionskoeffizient für die Laserstrahlung
und die Wärmeleitfähigkeit an der Oberfläche des
bestrahlten Targetmaterials im Laufe der Bestrahlung mit der
Laserstrahlung ändern, so daß die Aufdampfrate und die
Zusammensetzung des auf dem Substrat niedergeschlagenen
Materials während des Aufdampfprozesses nicht konstant
gehalten werden können.
Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe
zugrunde, ein Laser-Aufdampfverfahren anzugeben, bei dem die
Aufdampfrate des niedergeschlagenen Materials und auch die
Zusammensetzung der niedergeschlagenen Schicht während des
Aufdampfens im wesentlichen konstant gehalten werden können.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Oberbegriff
des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen erfindungsgemäß mit
den im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen
gelöst.
Weiterbildungen dieses Verfahrens und eine Einrichtung zu
seiner Durchführung sind Gegenstand von weiteren
Ansprüchen.
Bei dem vorliegenden Verfahren werden Änderungen der Eigenschaften
des Target-Materials im wesentlichen verhindert, so
daß sich eine gleichbleibende Aufdampfrate und eine gleichbleibende
Zusammensetzung der aufgedampften Schicht ergeben.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Laser-Aufdampfeinrichtung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bekannten Laser-
Aufdampfeinrichtung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Laser-Aufdampf
einrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 3a und 3b jeweils eine Draufsicht zweier Beispiele von
Gaszuführungsröhren, deren Form an die Konfiguration eines
zu verdampfenden Materials angepaßt ist und die in einer
Einrichtung gemäß der Erfindung verwendet werden können;
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Laser-Aufdampf
einrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
bei der ein zusätzlicher Laserstrahl dazu verwendet wird,
die Reaktionsfähigkeit des von der Gaszuführungsröhre abge
gebenen Gases zu erhöhen und
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Laser-Aufdampf
einrichtung gemäß wieder einer anderen Ausführungsform der
Erfindung, bei der eine andere Gaszuführungsanordnung verwendet
wird.
Bei der in Fig. 1 dargestellten, bekannten Laser-Aufdampf
einrichtung, die der oben bereits erwähnten JA-A-59-1 16 373
entspricht, wird ein Laserstrahl 1 durch einen ersten ebenen
Spiegel 2 umgelenkt und durch eine Linse 3 fokussiert. Der
fokussierte Laserstrahl 1 fällt in eine Vakuumkammer 4 durch
ein in einer Wand dieser Kammer vorgesehenes transparentes
Fenster 5. In der Vakuumkammer 4 wird der Laserstrahl durch
einen zweiten ebenen Spiegel 7, der in der Kammer 4 angeordnet
ist, erneut umgelenkt, so daß er auf die Oberfläche eines mit
dem Strahl 1 zu bestrahlenden zylinderförmigen Materials 6
fällt. Das in der Vakuumkammer 4 angeordnete Material 6
rotiert in Richtung des Pfeiles A und wird als Ganzes durch
eine Heizvorrichtung 8 erwärmt. Gegenüber dem Material 6 ist
ein Substrat 9 angeordnet. Zwischen dem Material 6 und dem
Substrat 9 befindet sich ein Verschluß.
Im Betrieb wird der Laserstrahl 1 durch den ersten ebenen
Spiegel 2 umgelenkt, so daß er durch die Linse 3, die ihn
konvergent macht, fällt und durch das transparente Fenster 5
in die Vakuumkammer 4 eintritt. Er wird dann durch den zweiten
ebenen Spiegel 7 auf die Oberfläche des Materials 6 gerichtet,
das durch die Heizvorrichtung 8 auf eine vorgegebene Tempera
tur erwärmt worden ist. Die Brennweite und die Position der
Kondensor-Linse 3 sind so gewählt, daß sich der Brennpunkt
auf oder in der Nähe eines durch den Laserstrahl 1 zu be
strahlenden Punktes des Materials 6 befindet. Anfänglich,
solange die Verhältnisse noch nicht stabil sind, wird die
Oberfläche des Substrats 9 durch den Verschluß 10 abgeschirmt.
Nach der Stabilisierung verschiedener Bedingungen wird der
Verschluß 10 entfernt oder geöffnet, so daß die Substratober
fläche dem Material 6 frei zugewandt ist. Die Temperatur an
der mit dem Laserstrahl 1 bestrahlten Oberfläche des Materials
6 nimmt dann rasch zu, so daß das Material 6 verdampft. Das
Material 6 wird in Richtung auf das Substrat 9 verdampft oder
zerstäubt und auf dem Substrat 9 niedergeschlagen. Der
zylindrische Körper aus dem Material 6 rotiert in der Richtung
des Pfeiles A und der Laserstrahl bestrahlt dadurch nachein
ander verschiedene Teile der Oberfläche des Materials 6, wobei
Material verdampft und in Form eines Filmes oder einer dünnen
Schicht auf dem Substrat 9 niedergeschlagen wird. Bei diesem
Prozeß wird ein Teil der Oberflächenschicht des Materials 6,
der durch den Laserstrahl 1 bestrahlt wird, thermisch zersetzt.
Die Zersetzungsprodukte, die leichter verdampfbar sind, dampfen
von der Oberfläche des Materials 6 zuerst ab, verteilen sich
in der Vakuumkammer 4 und werden aus der Vakuumkammer 4 abge
pumpt. Auch wenn das Material 6 rotiert, so daß sich der
Teil, der bestrahlt worden ist, aus dem Brennpunkt des Laser
strahls 1 herausbewegt, was ein Absinken der Temperatur an
diesem Teil und dementsprechend eine Diskontinuität der
thermischen Zersetzung an der Oberfläche des Materials 6
zur Folge hat, ist dann die Zusammensetzung der Oberflächen
schicht des Materials 6, die durch den Laserstrahl 1 be
strahlt wird, nicht mehr die gleiche wie zu Beginn. Dies hat,
wie erwähnt, zur Folge, daß sich die Aufdampfbedingungen
ändern, insbesondere der Absorptionskoeffizient für die Laser
strahlung, die thermische Leitfähigkeit und dementsprechend
die Aufdampfrate und die Zusammensetzung des aufgedampften
Materials.
Diese Nachteile werden bei den vorliegenden Laser-Aufdampf
einrichtungen vermieden. Ein erstes Ausführungsbeispiel
für eine solche Laser-Aufdampfeinrichtung ist in Fig. 2
dargestellt. Die Fig. 3a und 3b zeigen Gaszuführungsröhren,
wie sie in einer Einrichtung gemäß der Erfindung verwendet
werden können. Diese Gaszuführungsröhren haben eine Form,
die der Konfiguration des zu verdampfenden Materials angepaßt
ist. Bei Fig. 3a hat das Material die Form einer Kreisscheibe
während es bei Fig. 3b rechteckig, insbesondere quadratisch
ist.
Die Laser-Aufdampfeinrichtung gemäß Fig. 2 weist eine Vakuum
kammer 4 auf, die durch einen Auslaßanschluß 41 evakuierbar
ist. In ihr ist ein Körper aus einem zu verdampfenden Mate
rial 6 angeordnet, bei dem es sich beispielsweise um ein
Oxid, wie CuO handeln kann, das beispielsweise die Form einer
Kreisscheibe hat. Das scheibenförmige Material 6 rotiert in
einer durch einen Pfeil B angedeuteten Richtung, wobei sich
die Drehachse nach vorne und hinten sowie rechts und links
bewegt. In der Vakuumkammer 4 befindet sich ein Gehäuse 11,
in dem das zu verdampfende Material 6 angeordnet ist. Eine
Wand des Gehäuses 11 ist mit einem Auslaßanschluß 12 und
einer Vakuumleitung versehen. Das Gehäuse 11 weist ferner eine
Öffnung 13 auf, durch die Dampf des Materials 6 auf ein
Substrat 9 gerichtet wird, welches ebenfalls in der Kammer 4
angeordnet ist. Die Vakuumkammer 4 und das Gehäuse 11 sind
mit einem integralen, rohrförmigen Bauteil 14 verbunden, das
zur Einführung eines Laserstrahls 1 dient. Das rohrförmige
Bauteil 14 weist am oberen Ende ein transparentes Fenster 5
auf, durch das ein Strahlungsbündel 1 von einem CO2-Laser
in das rohrförmige Bauteil 14 eintritt, um schließlich auf
das zu verdampfende Material 6 aufzutreffen. Vom Äußeren der
Kammer 4 erstreckt sich eine Gaszuführungsröhre 15 in das
Gehäuse 11, welche Öffnungen an ihrem inneren Ende hat, das
so geformt ist, daß es das Material 6 im Gehäuse umgibt und
Gas auf die Oberfläche des Materials 6 geliefert wird. Der
innere Endteil der Röhre 5 ist bei diesem Beispiel ringförmig,
wie es in Fig. 3a dargestellt ist. Bei dem vorliegenden
Beispiel tritt O2-Gas aus den Öffnungen in der Röhre 15 aus.
Die übrigen Teile der Apparatur entsprechen denen der bekann
ten Einrichtung gemäß Fig. 1, so daß sich eine weitere
Erläuterung erübrigt.
Im Betrieb wird das zu verdampfende Material 6 in das Gehäuse
11 eingebracht und die Vakuumkammer 4 wird durch den Pump-
oder Auslaßanschluß 41 auf ein Vakuum von etwa 1,33 × 10-2 Pa
evakuiert. Dann werden das Gehäuse 11 und
dementsprechend die Kammer 4 durch den Auslaßanschluß 12
mit einer größeren Absauggeschwindigkeit wie am Anschluß 41
evakuiert während das O2-Gas von den Öffnungen in der Röhre 15
in Richtung auf die Oberfläche des Materials 6 ausgelassen
wird. Als nächstes wird der CO2-Laserstrahl 1 auf die Ober
fläche des Materials 6 gerichtet, um es zu verdampfen. Der
Dampf des Materials 6 tritt durch die Öffnung 13 hindurch und
schlägt sich in Form eines Films oder einer dünnen Schicht
auf dem Substrat 9 nieder.
Bei diesem Prozeß kann eine thermische Zersetzung des Ober
flächenteils des Materials 6 eintreten, dessen Temperatur
durch die Bestrahlung mit dem CO2-Laserstrahl 1 erhöht worden
war. Von den Zersetzungsprodukten wird das leichter ver
dampfbare, wie der Sauerstoff, sich über das Innere der
Kammer 4 verteilen oder durch die Auslaßanschlüsse 41 und 12
abgesaugt werden was zur Folge haben kann, daß der Ober
flächenteil des Materials 6 an Sauerstoff verarmt. D.h. daß
der oberflächliche Teil des Materials infolge dieser Ände
rungen beispielsweise Cu2O und Cu enthalten könnte. Da jedoch
O2 durch die in der Nähe der Oberfläche des Materials 6
angeordnete Gaszuführungsröhre 15 zugeführt wird, wenn die
Temperatur der durch den Laserstrahl 1 bestrahlten Oberfläche
des Materials bei der Drehung und der Hin- und Herbewegung
des Zentrums des Materials abnimmt, so daß der Laserstrahl 1
auf einen anderen Teil des Materials auffällt, tritt die
umgekehrte Reaktion ein, so daß die Oberfläche wieder ihre
ursprüngliche Zusammensetzung CuO2 annimmt, d.h. daß das
Material wieder die gleichen physikalischen Eigenschaften,
wie Absorptionskoeffizient für die Laserstrahlung, thermische
Leitfähigkeit usw. wie die des Materials vor der Bestrahlung
aufweist. Während des ganzen Prozesses wird dann Material
mit den gleichen Eigenschaften durch den Laserstrahl 1
bestrahlt. Die Verdampfung des Materials 6 kann daher stabil
gehalten werden. Der verbleibende Teil des O2-Gases, der
nicht für die Reaktion an der Oberfläche des Materials ver
braucht wird, wird augenblicklich durch den Auslaßanschluß 12
abgepumpt und es wird daher kein O2-Gas das Substrat erreichen
oder in die Dampfatmosphäre vor dem Substrat 9 gelangen. Die
Eigenschaften der auf dem Substrat 9 gebildeten Verbindung
und die Rate des Aufdampfens werden dementsprechend auch nicht
ungünstig beeinflußt.
Die Form des zu verdampfenden Materials 6 unterliegt keinen
speziellen Einschränkungen und der innere Endteil der Gas
zuführungsröhre 15 kann irgendeine geeignete Form entsprechend
der Konfiguration des Materials 6 haben. Wenn beispielsweise
das Material 6 die Form einer rechteckigen oder quadratischen
Platte hat, kann der innere Endteil der Gaszuführungsröhre 15
entsprechend rechteckig oder quadratisch geformt sein. Letzteres
ist in Fig. 3b dargestellt.
Anstelle der Strahlung eines CO2-Lasers kann auch irgend
welche andere hochenergetische oder hochintesive Strahlung
verwendet werden, wie YAG-Laserstrahlung oder ArF- oder
KrF-Eximer-Laserstrahlung. Es kann mit kontinuierlicher
Strahlung oder mit gepulster Strahlung gearbeitet werden.
Um die Position des Auftreffpunktes des Laserstrahls 1 auf
dem Material 6 zu ändern, kann letzteres in irgendeiner be
liebigen Weise bewegt werden, z.B. zickzackförmig oder man
kann statt dessen auch die Kondensorlinse 3 so bewegen, daß
der Laserstrahl 1 die Oberfläche des zu verdampfenden
Materials 6 abtastet.
Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde O2
durch die Gaszuführungsröhre 15 zugeführt. Man kann jedoch
auch irgendein anderes oxidierendes Gas, wie N2O oder O3
verwenden.
Anstelle von CuO als zu verdampfendes Material 6 kann man
bei dem obigen Beispiel auch Cu verwenden, da die Oberfläche
von Kupfer unter Bildung von CuO oxidiert ist. Auf dem
Substrat 9 kann daher die gleiche Verbindung gebildet werden,
wie im Falle daß CuO per se als Material 6 verwendet wird.
Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist das zu verdampfende Material 6 ein Oxid. Man kann jedoch
auch Niederschläge anderer Verbindungen, wie von Nitriden
und Carbiden in entsprechender Weise bilden, wenn man ein
geeignet gewähltes Gas aus den Öffnungen der Gaszuführungs
röhre 15 ausströmen läßt. Für Nitride wird man beispielsweise
N2-Gas verwenden und für Carbide C2H2- oder CCl4-Gas.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird,
wie in Fig. 4 dargestellt ist, ein zusätzlicher Laserstrahl 17
von beispielsweise einem ArF-Eximer-Laser oder einem KrF-
Eximer-Laser, der das aus der Gaszuführungsröhre 15 austreten
de Gas dissoziieren kann, durch laserstrahlungsdurchlässige
Fenster 16 in die Kammer 4 und das Gehäuse 11 in das Gas in
der Nähe der Oberfläche des zu verdampfenden Materials
eingestrahlt, so daß die Reaktionsfähigkeit des Gases erhöht
wird.
Gemäß wieder einer anderen Weiterbildung der Erfindung
können Elektroden zum Erzeugen eines elektrischen Gleich
feldes oder eines elektrischen Wechselfeldes zwischen der
Gaszuführungsröhre 15 und dem zu verdampfenden Material 6
angeordnet werden, um auf das Gas ein elektrisches Feld
zur Einwirkung zu bringen, durch das das Gas in ein Plasma
verwandelt wird.
Anstatt Gas mittels einer Gaszuführungsröhre 15 zuzuführen,
können auch eine Ionenkanone oder ein Ozonisierer verwendet werden,
um ionisiertes Gas an die Oberfläche des zu verdampfenden
Materials zu liefern.
Bei der alternativen Ausführungsform gemäß Fig. 5 wird das
Gas nicht durch eine Gaszuführungsröhre 15 der beschriebenen
Art sondern durch eine Gaseinspeisungsröhre 18 zugeführt, wel
che in den für die Einführung des Laserstrahles dienenden
rohrförmigen Bauteil 14 mündet, das dann zusätzlich dazu
dient, Gas an die Oberfläche des zu verdampfenden Materials 6
zu liefern.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen ist das
Gehäuse 11 mit dem Pump- oder Auslaßanschluß 12 innerhalb
der Vakuumkammer angeordnet und überschüssiges Gas wird durch
den Anschluß 12 abgepumpt. Das Gehäuse 11 kann jedoch ent
fallen, wenn man den Pump- oder Auslaßanschluß 41 der Kammer 4
an einem vom Substrat 9 entfernten und den Öffnungen der Gas
zuführungsröhre 15 benachbarten Ort anordnet und die Absaug
kapazität durch den Anschluß 41 so erhöht, daß überschüssiges
Gas weder die Oberfläche des Substrats erreichen noch in die
Atmosphäre vor dem Substrat 9 lecken kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist also, wie oben erläutert
wurde, eine Gaszuführungsquelle- oder -anordnung in der Nähe
der mit einem Laserstrahl bestrahlten Oberfläche eines zu
verdampfenden Materials angeordnet um zu verhindern, daß sich
die Eigenschaften dieses Materials ändern. Bei der Laser-
Aufdampfeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann
daher die Aufdampfrate stabil gehalten werden und die
Zusammensetzung des Niederschlags auf dem Substrat kann
während des ganzen Niederschlagsprozesses unverändert ge
halten werden.
Claims (8)
1. Laser-Aufdampfverfahren zum Beschichten eines Substrats,
bei welchem ein Material im Vakuum durch Bestrahlen mit einem
Laserstrahl verdampft und während des Bestrahlens ein Strom
eines Gases auf die Oberfläche des Materials geleitet wird,
dadurch gekennzeichnet, daß das Material eine Verbindung
enthält, die durch die Bestrahlung zersetzt wird, wobei ein
flüchtiges Zersetzungsprodukt entsteht, und daß das Gas das
flüchtige Zersetzungsprodukt enthält, damit Änderungen von
Eigenschaften des Materials, welche durch die Bestrahlung mit
dem Laserstrahl verursacht werden können, verhindert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Substrat während instabiler Verdampfungsbedingungen
gegen das zu verdampfende Material abgeschirmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Gas durch einen zusätzlichen Laserstrahl dissoziiert
wird.
4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1
mit einer mit einem Auslaßanschluß (41) versehenen Vakuumkammer
(4) zur Aufnahme eines zu verdampfenden Materials (6) sowie
eines zu bedampfenden Substrats (9); ferner mit einer Laserstrahlungsquelle
zum Bestrahlen und Verdampfen des Materials
mittels eines Laserstrahls (1), und mit einer Gasquelle (15)
zum Zuführen eines Gases in die Nähe der Oberfläche des
Materials (6), dadurch gekennzeichnet, daß das Material eine
Verbindung enthält, die durch die Bestrahlung zersetzt wird,
wobei ein flüchtiges Zersetzungsprodukt entsteht und daß die
Gasquelle ein Gas liefert, das das flüchtige Zersetzungsprodukt
enthält, um Änderungen von Eigenschaften des bestrahlten
Materials (6) zu verhindern, welche durch die Bestrahlung mit
dem Laserstrahl (1) verursacht werden.
5. Laser-Aufdampfeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Verschluß (10) zwischen dem zu
verdampfenden Material (6) und dem Substrat (9) angeordnet
ist.
6. Laser-Aufdampfeinrichtung nach Anspruch 4 oder 5,
gekennzeichnet durch eine eine Anordnung zum Bestrahlen des Gases
in der Nähe der Oberfläche des Materials (6) mit einem
zusätzlichen Laserstrahl (17), der das Gas zu dissoziieren
vermag.
7. Laser-Aufdampfeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Gasquelle eine Ionenkanone ist.
8. Laser-Aufdampfeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Gasquelle einen Ozonisierer enthält.
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1990
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