DE4120941C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aufbringen von Dünnschichten nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Fig. 3 zeigt schematisch eine herkömmliche Vorrichtung zum Aufbringen von Dünnschichten, die beispielsweise aus der US.Z. J.Vac.Sci.Technol., B2(3), Juli-September 1984, S. 306-312 bekannt ist. Gemäß Fig. 3 ist ein Tiegel 3 vom einge­ schlossenen Typ in dem unteren Bereich einer Dampferzeugungs­ quelle 7 einer Ionenquelle ange­ ordnet, die im Inneren eines nicht dargestellten Verdampfungsraums, nämlich einer Vakuumkammer angeordnet ist, deren Innenraum auf einem vorgegebenen Vakuum gehalten wird. Eine Öffnung 4 ist oberhalb des Tiegels 3 gebil­ det. Abscheidungsmaterial 5 ist in dem Tiegel 3 untergebracht. Eine Heizung 6 beheizt den Tiegel 3. Der Tiegel 3, die Öffnung 4 und die Heizung 6 bilden die Dampf­ erzeugungsquelle 7.

Ein als Kathode wirkender ein Glühfaden 10, aus dem ein Elektronenstrahl emittiert wird, und eine Anode 11, welche Elektronen von der Kathode 10 anzieht, bilden eine Ionisierungseinrichtung 12. Eine Beschleunigungselektrode 16 und eine geerdete Elektrode 17 bilden eine Beschleunigungseinrichtung 19, um Abschei­ dungsmaterial, das von der Ionisierungseinrichtung 12 ionisiert worden ist, in einem elektrischen Feld zu beschleunigen.

Mit der vorstehend beschriebenen Konstruktion wird die Vakuum­ kammer von einer Vakuumpumpe evakuiert, bis in der Vakuumkammer ein Druck von etwa 1.333 · 10^-6 mbar erreicht ist. An­ schließend wird der Tiegel 3 von der Heizung 6 aufgeheizt. In­ folgedessen wird das Abscheidungsmaterial 5 im Innenraum des Tiegels 3 verdampft und durch die Öffnung 4 hin­ durch zu der Ionisierungseinrichtung 12 transportiert. Der Dampf des Abscheidungsmaterials 5 kollidiert mit einem Elektro­ nenstrahl, der von der Kathode 10 emittiert wird, so daß er ionisiert wird. Der ionisierte Dampf des Abscheidungsmaterials 5 wird von einem elektrischen Feld, das von der Beschleunigungs­ elektrode 16 der Beschleunigungseinrichtung 19 und einer geer­ deten Elektrode 17 angelegt wird, beschleunigt und prallt auf die Oberfläche eines nicht dargestellten Substrats. Auf diese Weise wird eine Dünnschicht gebildet.

Eine derartige herkömmliche Vorrichtung zum Aufbringen von Dünnschichten bringt jedoch das Problem mit sich, daß dann, wenn ein Abscheidungsmaterial mit einer guten Benetzbarkeit mit einem Tiegelmaterial, wie z. B. Silizium (Si) oder Aluminium (Al) verwendet wird, das Phänomen auftritt, daß das geschmolzene Abscheidungsmaterial auf der Seite der Öffnung nach oben kriecht oder um den Tiegel 3 herum entweicht. Somit kann die Ionenquelle nicht in stabiler Weise arbeiten. Ein weiteres Problem tritt insofern auf, als die geschmolzenen Metalle eine heftige Reaktion mit einem die Ionenquelle bildenden Mate­ rial zeigen, wobei ein Bereich, der mit dem geschmolzenen Mate­ rial benetzt ist, korrodiert, so daß die Lebensdauer der Vor­ richtung extrem kurz ist.

Ein anderes Problem bei dem herkömmlichen Abscheidungsverfahren besteht darin, daß Ionen mit niedriger Energie von 20 bis 500 eV verwendet werden, wobei der Anteil eines erzeugten Ionenstrahls innerhalb des Dampfes höchstens 5% beträgt; außer­ dem ist der Anteil von Ionen klein, die verwendet werden können, und somit bestehen Einschränkungen hinsichtlich des Leistungs­ vermögens bei der Bildung von entsprechenden Anordnungen auf einem Substrat.

Ein weiteres Problem besteht darin, daß auch dann, wenn man ver­ sucht, die Eigenschaften von Dünnschichten durch eine Beschleu­ nigungsspannung zu steuern, die Menge von Ionen, welche das Sub­ strat erreichen können, sehr klein ist, insbesondere dann, wenn die Beschleunigungsspannung klein ist; somit können keine Dünnschich­ ten hoher Qualität gebildet werden, wenn man die Eigen­ schaften von niederenergetischen Ionen zu berücksichtigen hat.

Ein weiteres Problem besteht darin, daß dann, wenn die Beschleu­ nigungsspannung gegen Null geht, die von der Kathode emittierten Elektronen beginnen, gegen das Substrat zu prallen, was Beschädigungen des Substrats hervorrufen kann.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist aus einer der folgenden Druckschriften bekannt:

J. Nuclear Instr. Meth., 35(1965), S. 165-166

JP-A 63-2 77 754, Pat. Abstr. JP. C-575, 13. 3. 84, Vol. 13, No. 105

DE-OS 40 27 896

US-PS 44 24 104.

Insbesondere ist in der JP-A 63-2 77 754 eine Dünnschichtbil­ dungsvorrichtung bekannt, die neben den zwingend erforderli­ chen Bauteilen eine mit Glühdraht beheizte Verdampferquelle in einer thermischen Abschirmung sowie eine Einrichtung zur Ionisierung der verdampften Teilchen aufweist. Weiterhin zeigt die Vorrichtung nach der US-PS 44 24 104 neben einer Dampfquelle einen zur Oberflächenbeheizung und Dampfionisie­ rung benutzten Glühdraht, der sich im Quellenraum befindet, sowie Extraktions- und Beschleunigungselektronen.

Aus der GB-PS 15 18 911 ist eine Vorrichtung zur Dünn­ schichtherstellung bekannt, die ein Vakuumgefäß, ein darüber angeordnetes Substrat im Substrathalter und eine Dampfquelle aufweist, die innerhalb einer Abschirmung mit Elektronen­ beschuß beheizt wird. Der austretende Dampf wird mit Glüh­ elektronen ionisiert. Die Ionen werden extrahiert und be­ schleunigt.

Darüber hinaus ist es aus der GB-PS 6 85 269 bekannt, zum Ver­ hindern des Kriechens von Abscheidungsmaterial den Tiegelrand stärker zu beheizen als das Hauptvolumen des Tiegels.

Problematisch bei den bekannten Anordnungen ist der Umstand, daß bei Verwendung eines Abscheidungsmaterials mit guter Benetzbarkeit die Lebensdauer der Vorrichtung gering ist. Insbesondere wird durch das Kriechen des Abscheidungsmate­ rials und dessen Abscheidung auf der Anode diese Lebensdauer­ verlängerung verursacht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß in konstruktiv einfacher Weise ein stabiles Arbeiten sicherge­ stellt wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Ein wesentlicher Punkt der Erfindung liegt darin, daß die Heizvorrichtung zum einen den Tiegel mit darin enthaltenem Abscheidungsmaterial und dessen Oberrand (in an sich bekann­ ter Weise) auf eine höhere Temperatur aufheizt, andererseits dadurch, daß die Anode rings um die Heizung (den Tiegel) angeordnet ist, deren Temperatur hoch gehalten werden kann, und zwar so, daß verdampftes Material sich dort nicht nieder­ schlagen kann.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbei­ spielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrich­ tung zum Aufbringen von Dünnschichten gemäß einer er­ sten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht einer ande­ ren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Aufbringen von Dünnschichten; und in

Fig. 3 eine schematische Seitenansicht einer her­ kömmlichen Vorrichtung zum Aufbringen von Dünnschichten.

Nachstehend wird eine erste Ausführungsform unter Bezugnahme auf Fig. 1 näher erläutert. In Fig. 1 ist ein Tiegel 3 unter­ halb einer wendelförmigen Kathode 10 innerhalb einer Ionisie­ rungseinrichtung 12 angeordnet. Eine Heizung 6 ist um den Tie­ gel 3 herum angeordnet. Eine Dampferzeugungsquelle 7 besteht aus dem Tiegel 3 und der Heizung 6. Die Dampferzeugungsquelle 7 ist im Inneren der Ionisierungseinrichtung 12 angeordnet, die aus einer Kathode 10 und einer zylindrischen Anode 11 besteht. Eine Einrichtung 13 zum Anlegen eines Magnetfeldes ist außer­ halb der Ionisierungseinrichtung 12 vorgesehen. Eine Beschleu­ nigungselektrode 16, eine Absaugelektrode 18, die gegenüber der Beschleunigungselektrode 16 negativ vorgespannt ist, und eine geerdete Elektrode 17 bilden eine Beschleunigungseinrich­ tung 19.

Der Dampf des Abscheidungsmaterials 5 wird im Inneren des Tie­ gels 3 der Dampferzeugungsquelle 7 gebildet, die in gleicher Weise beheizt wird wie die oben beschriebene herkömmliche Vor­ richtung. In diesem Falle wird aber der obere Bereich des Tie­ gels 3 durch die Wärme von dem Glühfaden beheizt, der die Kathode 10 bildet, und somit auf einer Temperatur gehalten, die höher ist als die Temperatur im unteren Bereich des Tiegels 3, hervorgerufen durch die Heizung 6.

Somit kann das Kriechen von geschmolzenem Metall guter Benetz­ barkeit unterdrückt werden, so daß die Ionenquelle in stabiler Weise arbeiten kann. Die Temperatur der Anode 11 wird auf einem höheren Wert gehalten als dem Schmelzpunkt des Abscheidungsma­ terials 5, und zwar durch die Wärme von dem beheizten Tiegel 3, welcher die Dampferzeugungsquelle 7 innerhalb der Ionisierungs­ einrichtung 12 bildet. Infolgedessen tritt das Phänomen nicht auf, daß das Abscheidungsmaterial 5 kondensiert und sich auf der Anode 11 niederschlägt. Somit tritt in der Vorrichtung das Problem nicht auf, daß diese durch die Reaktion zwischen dem Abscheidungsmaterial 5 und dem Ionenquellenmaterial korrodiert, so daß die Lebensdauer der Vorrichtung nicht durch diesen Effekt verkürzt wird. Außerdem werden die Elektronen, die von der Katho­ de 10 emittiert werden, direkt in den Dampf hineingeschossen, der von dem Tiegel 3 aufsteigt und ionisiert wird.

Die Einrichtung 13 zum Anlegen eines Magnetfeldes zur Erhöhung der Plasmadichte der Glimmentladung, die sich in der Vakuum­ kammer ausbildet, befindet sich in der Ionisierungseinrichtung 12. Dabei wird ein Magnetfeld in der Größenordnung von einigen hundert Gauß angelegt, so daß die Elektronen zwischen der Ano­ de 11 und der Kathode 10 rotieren. Infolgedessen kann ein hoher Ionisierungswirkungsgrad von 70% oder mehr erreicht werden. In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen A ein Magnet­ feld, während das Bezugszeichen B ein elektrisches Feld be­ zeichnet.

Diese Ionen werden von der Beschleunigungseinrichtung 19 be­ schleunigt und auf der Oberfläche eines nicht dargestellten Substrats abgeschieden, so daß dort eine Dünnschicht gebildet wird. Da die Absaugelektrode 18 gegenüber der Beschleunigungselektrode 16 negativ vorgespannt ist, wer­ den die abgesaugten Ionen zwischen der Absaugelektrode 18 und der Beschleunigungselektrode 16 beschleunigt und dann von der geerdeten Elektrode 17 abgebremst. Im Endeffekt werden die Ionen gegen das Substrat mit einer kinetischen Energie geschos­ sen, die gleich dem elektrischen Potential bzw. der Beschleuni­ gungsspannung zwischen der Beschleunigungselektrode 16 und der geerdeten Elektrode 17 ist.

Wenn die Spannung zwischen der Beschleunigungselektrode 16 und der Absaugelektrode 18 festgelegt ist, kann die erforderliche Menge von Ionen sichergestellt werden, auch wenn die Beschleunigungsspannung selbst geändert wird. Infolgedessen wird die Herstellung von Dünnschichten ermöglicht, bei denen die Eigenschaften von nie­ derenergetischen Ionen verwendet werden, auch wenn die Be­ schleunigungsspannung klein ist. Da außerdem die Absaugelektro­ de 18 gegenüber der geerdeten Elektrode stets negativ vorge­ spannt ist, besteht der Vorteil, daß eine Bestrahlung mit Elek­ tronen, die von der Kathode 10 emittiert werden, gegen die Platte unterdrückt werden kann.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform handelt es sich um einen Fall, bei dem der Tiegel 3 mit der Heizung 6 beheizt wird. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, die eine andere Ausführungs­ form zeigt, kann hinsichtlich der Beheizung des Tiegels 3 eine ähnliche Wirkung erzielt werden, wenn das Abscheidungsmaterial 5 durch einen Elektronenstrahl, der von der Kathode bzw. dem Glühfaden 10 emittiert wird, ge­ schmolzen wird und verdampft, wodurch die Vorrichtung weiter vereinfacht werden kann.

Da die Dampferzeugungsquelle innerhalb der Ionisierungseinrichtung und der Tiegel unter­ halb der Kathode angeordnet ist, arbeitet die Vorrichtung in sta­ biler Weise mit einem hohen Wirkungsgrad der Ionisierung, auch wenn ein Abscheidungsmaterial mit guter Benetzbarkeit und stark ausgeprägter Korrosionswirkung verwen­ det wird, und auch dann, wenn die Beschleunigungsspannung niedrig ist. Somit können Dünn­ schichten hoher Qualität gebildet werden, auch wenn die Be­ schleunigungsspannung niedrig ist, also eine niederenergetische Ionenbeschleunigung realisiert wird, was derzeit bei elektroni­ schen Einrichtungen zu berücksichtigen ist. Da weiterhin die Bestrahlung eines Substrats mit Elektronen unterdrückt werden kann, sind keine Beschädigungen des Substrats zu befürchten.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Aufbringen von Dünnschichten mit einer Vakuumkammer mit darin angeordnetem Substrat, einem Tiegel mit darin enthaltenem Abscheidungsmaterial, der gegenüber dem Substrat in der Vakuumkammer angeordnet ist und über eine Heizung, die den Tiegel umgibt, beheizt wird, sowie mit einer Kathode, die in der Nähe der Tiegelöffnung angeordnet ist und einer Anode, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (11) den Tiegel (3), die Heizung (6) und die Kathode (10) umgibt, wobei die Anordnung der Heizung (6) und der Anode (11) derart ist, daß der obere Bereich des Tiegels (3) auf einer höheren Temperatur als der untere Bereich des Tiegels (3) und die Anode (11) auf einer höheren Temperatur als der Schmelzpunkt des Abscheidungsmaterials (5) gehalten werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Beschleunigungseinrichtung (19) zum Beschleunigen des ionisierten Abscheidungsmaterials (5).

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungseinrichtung (19) eine Beschleunigungs­ elektrode (16), deren elektrisches Potential das gleiche ist wie das der Anode (11), eine negativ vorgespannte Absaugelek­ trode (18) und eine geerdete Elektrode (17) aufweist, wobei diese Elektroden (16-18) zwischen der Kathode (10) und dem Substrat angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine externe Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung (13) zur Erhöhung der Plasmadichte im Verdampfungsraum angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (10) als Glühfaden-Wendel ausgebildet ist, der oberhalb der Öffnung des Tiegels (3) angeordnet ist, welcher das Abscheidungsmaterial (5) enthält.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizung für das Abscheidungsmaterial (5) von der Kathode (10) gebildet wird, die oberhalb des Tiegels (3) angeordnet ist.