DE4016352C2

DE4016352C2 -

Info

Publication number: DE4016352C2
Application number: DE4016352A
Authority: DE
Inventors: Kazuhiro Oka; Takeshi Morita; Seigo Hiramoto; Toshio Amagasaki Jp Kagawa
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1989-05-24
Filing date: 1990-05-21
Publication date: 1991-11-21
Also published as: JPH02310363A; US5085166A; DE4016352A1

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

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.