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Verfahren zum Aufdampfen eines Musters
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen eines scharf begrenzten Musters geringer Ab- messungen auf eine als Träger dienende Unterlage durch Aufdampfen im Vakuum, wie es in der Mikro- modultechnik, in der Technik der integrierten Schaltungen und beim Herstellen von Supraleiterschaltun- gen verwendet wird.
Bekannte derartige Verfahren, bei denen das Muster durch eine Schablone aufgedampft wird, haben den Nachteil, dass sie sich wenig für eine industrielle Fertigung eignen, weil die Schablone durch das auf ihr niedergeschlagene Material schnell verstopft wird. Darüber hinaus besitzen durch Schablonen aufge- dampfte Muster im allgemeinen keine grosse Gleichmässigkeit ; besonders an den Kanten ist durch die bekannte Schattenwirkung der Schablonenränder die Schichtdicke oft unregelmässig verringert.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile der bekannten Verfahren durch Verringern der Menge des mit hoher Präzision aufzutragenden Materials zu beseitigen. Dies wird in einer Anordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass das Muster vor dem Aufdampfen durch kurzzeitiges Bestrahlen mit elektrisch geladenen Teilchen auf die Unterlage vorgezeichnet wird und Verdampfungstemperatur, Druck der Restgase und Dauer des Aufdampfens so gewählt werden, dass das aufgedampfte Material nur an den vorgezeichneten Stellen eine zusammenhängende Schicht bildet.
Die elektrisch geladenen Teilchen sind dabei vorteilhafterweise Ionen entweder eines Materials (z. B.
Silber, Kupfer oder Gold), das eine grosse Affinität zu dem aufzudampfenden Material (z. B. Zinn) besitzt und von diesem gut benetzt wird, so dass das aufgedampfte Material bevorzugt an den vorgezeichneten Stellen kondensiert, oder solche eines inerten Materials (z. B. Argon oder Xenon), welche die Unterlage beim Vorzeichnen aufrauhen, so dass die Oberflächenbeweglichkeit des aufgedampften Materials an den vorgezeichneten Stellen herabgesetzt wird.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, das Aufdampfen eines solchen Musters ganz ohne die bisher übliche, nur sehr schwierig in geringen Abmessungen herstellbare Schablone durchzuführen. Dies wird gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung dadurch erreicht, dass das kurzzeitige Bestrahlen mit elektrisch geladenen Teilchen mit Hilfe eines scharf gebündelten Strahles erfolgt und dieser Strahl durch aus der Bildröhrentechnik her bekannte Ablenkeinrichtungen den Linienzügen des aufzudampfenden Musters entlang geführt wird.
Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Ausfuh- rungsbeispieles, in welchem das Aufdampfen eines Musters aus Zinn für Supraleiterschaltungen gezeigt wird, näher beschrieben.
Fig. l zeigt das Schema einer Vakuum-Aufdampfanlage. Die Verdampfungskammer 1 hat die Form einer Glocke. Sie ist mit einer Vakuumpumpe 3 ausgerüstet, die das gewünschte Vakuum im Inneren der Kammer aufrecht erhält. In der Kammer 1 ist ein Aggregat 5 zur Erzeugung eines lonenstrahles angebracht, das in bekannter Art aufgebaut ist. Ein System 7 von Ablenkelektroden wird durch die ausserhalb der Kammer 1 befindliche Steuerschaltung 9 mit Betriebsspannungen versehen und gesteuert.
Eine Platte 11, welche an einem drehbaren Stab 13 angebracht ist, dient als Träger für die Unterla- ge 15. Mit Hilfe der gezeigten Konstruktion kann die Unterlage 15 dem von dem Aggregat 5 ausgehenden
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Ionenstrahl 17 ausgesetzt werden, wenn die Platte 11 durch Drehung des Stabes 13 in die durch die gestrichelten Linien angedeutete Stellung gebracht wird.
Auf dem Boden der Kammer 1 ist mittels der Stützen 21 und 23 ein meist als Schiffchen bekannter Behälter 19 für die Aufnahme des zu verdampfenden Materials angebracht. Die Stützen 21 und 23 dienen ) gleichzeitig als Zuführungen für den zum Verdampfen des Inhaltes dieses Behälters erforderlichen Strom.
Die Moleküle des verdampften Materials können durch den Schirm 25, welcher auf einer drehbaren Stange 27 angebracht ist, abgefangen und die Unterlage 15 somit gegen deren Einwirkung abgeschirmt werden. Der Schirm 25 kann von aussen durch den gerillten Knopf 29 bedient werden.
Fig. 2 zeigt die Anordnung des Aggregates 5 zur Erzeugung eines Ionenstrahls, des Systems 7 von ) Ablenkelektroden und der Unterlage 15 während des Vorzeichnens des aufzudampfenden Musters. Durch den Ionenstrahl 17 werden ausgewählte Stellen der Unterlage 15 bestrahlt, um dort Kondensationskerne für das aufzudampfende Material zu bilden. Das System 7 von Ablenkelektroden besteht aus den plattenförmigen Elektroden 36 - 39, die ein elektrostatisches Ablenksystem bilden. Von der Steuerschaltung 9 werden den plattenförmigen Elektroden nach einem bestimmten Programm Spannungen zugeführt, um die 5Aufzeichnung des gewünschten Musters auf der Unterlage 15 zu bewirken. Das Aggregat 5 zur Erzeugung des lonenstrahles und die Unterlage 15 sind so angeordnet, dass beim Fehlen der Steuerspannung der lonen- strahl 17 nicht auf die Unterlage 15 auftreffen kann.
Diese Anordnung ist erforderlich, da aus dem Aggregat 5 auch ungeladene Teilchen austreten, die nicht auf die Unterlage 15 auftreffen dürfen. An Stelle des elektrostatischen Ablenksystems kann ohne weiteres auch ein magnetisches Ablenksystem verwendet werden. Weiterhin kann beim Vorzeichnen gleichzeitig auch ein Strahl freier Elektronen auf die Unterlage 15 gerichtet werden, um die sich ablagernde monoatomare Ionenschicht zu neutralisieren und damit der Bildung einer Raumladung entgegenzuwirken.
Auf die Unterlage 15 seien Kryotron-Torleiter 40, 41 und 42 aus Zinn aufzubringen. Dann wird für den Metalldampf, der von dem Ionenstrahlgenerator 5 in ionisierter Form hergestellt wird, vorteilhafterweise Silber, Kupfer oder Gold verwendet, da diese Metalle gegenüber Zinn eine grosse Affinität besitzen und von diesem gutbenetzt werden. Es können jedoch auch inerte Ionenstrahlenvon Argon oder Xenon benutzt werden, die die Oberfläche der Unterlage 15 auch an bestimmten Stellen aufrauhen. Die Auswahl der im lonenstrahlgenerator 5 zu verwendenden Materialien hängt lediglich davon ab, dass die sich ausbildende monoatomare Schicht die Oberflächenbeweglichkeit des aus dem Behälter 19 verdampften Materials herabgesetzt werden muss, so dass bevorzugte ellen für eine Kristallbildung entstehen.
Es ist an sich auch möglich, das supraleitfähige Material unmittelbar durch den lonenstrahlgenerator auf die Unterlage aufzutragen. Dies Verfahren hat sich jedoch in der Praxis nicht bewährt. Um nämlich eine supraleitfähige Schicht der gewünschten Stärke durch Ionenbeschuss abzulagern, wäre wegen des langsamen Aufbaues dieser Schicht eine untragbar lange Zeitspanne erforderlich. Ausserdem würden die zwischen der Ionenquelle und der Unterlage entstehenden Raumladungen sowie die Aufladungen auf der Unterlage selbst beträchtliche Ungenauigkeiten bei der Aufzeichnung hervorrufen, wenn sie nicht durch freie Elektronen einer weiteren Ladungsträgerquelle neutralisiert werden. Weiterhin würden auch hier Unregelmässigkeiten an den Kanten des aufzudampfenden Musters auftreten.
Diese Nachteile treten bei dem Verfahren der Erfindung nicht auf, da der Ionenstrahlgenerator nur eine monoatomare Schicht niederschlägt und sich während dieses Vorganges keine schädlichen Raumladungen aufbauen können. Dazu kommt noch, dass der Ionenstrahl gerade die Breite eines aufzudampfenden Elementes haben kann, so dass auch bei Mikrominiaturschaltungen eine beträchtliche Genauigkeit erreicht werden kann. Schliesslich fallen durch die Verwendung eines kristallbildenden Niederschlages unter der supraleitfähigen Schicht auch die Probleme des vorerwähnten Kanteneffektes fort.
Fig. 3 zeigt im einzelnen die Struktur eines supraleitfähigen Niederschlages. Hiebei ist die Struktur an der Kante besonders hervorgehoben. Vor Ablagerung der Zinnschicht 47 wurde auf die Unterlage 59 eine monoatomare Silberschicht 45 aufgetragen. In dem über der Silberschicht 45 befindlichen Teil der Zinnschicht 47 hat diese die Form von kleinen Kristalliten 49. An der Kante der Zinnschicht 47, neben der Silberschicht 45, nimmt die kristalline Struktur des Zinns die Form von grossen Körnern 51 an. Die Körner 51 sind ungleichmässig geformt und bieten dem elektrischen Strom einen hohen Widerstand dar.
Im Gegensatz dazu sind die kleinen Kristalliten 49 eng gepackt, so dass sie guten elektrischen Kontakt geben. Die Zinnschicht 47 stellt daher oberhalb der Silberschicht 45 einen guten Leiter dar. Seitlich dieser Silberschicht 45 zeigt sie einen scharfen und deutlich ausgeprägten Abfall der Leitfähigkeit.
Unter Bezugnahme auf Fig. l sei nun die Wirkungsweise der Anlage beschrieben. Die Unterlage 15 wird in der in Fig. 1 gestrichelt angedeuteten Position auf den Träger 11 aufgelegt. In dem Ionenstrahlgenerator 5 wird Silberdampf durch Beschuss mit Elektronen ionisiert, welche durch ein geeignetes Poten-
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tial beschleunigt worden sind. Wenn die Silberionen das von der Steuerschaltung 9 her erregte System 7 von Ablenkelektroden durchlaufen, werden sie derart abgelenkt, dass der Ionenstrahl 17 auf der Unterlage 15 ein vorherbestimmtes Muster aufzeichnet. Dieses Muster hat die Form einer monoatomaren Silberschicht, welche für das nachfolgend aufzubringende Zinn die Kristallisationskerne liefert.
Wenn das gesamte Muster auf der Unterlage 15 aufgezeichnet ist, wird der lonenstrahlgenerator 5 abgeschaltet und die Stange 13 derart gedreht, dass die Unterlage 15 über den Behälter 19 gelangt, welcher das aufzudampfende metallische Zinn enthält. Der Schirm 25 bleibt so lange in der gestrichelten Stellung, bis mit dem Aufdampfen des Zinns begonnen werden soll. Dann wird der Schirm 25 zwischen Unterlage 15 und Behälter 19 entfernt, so dass sich das in dem Behälter 19 auf seine Verdampfungstemperatur erhitzte Zinn auf der Unterlage 15 niederschlagen kann. Es hat sich herausgestellt, dass bei Verdampfungstemperaturen in der Nähe von 1000C das Zinn sich an den nichtbestrahlten Stellen der Unterlage 15 in gewünschter Weise in nicht zusammenhängenden Inseln niederschlägt.
In einem sehr hohen Vakuum von etwa 10'9 Torr können Verdampfungsgeschwindigkeiten bis herab zu 50 A/sec erreicht werden. Die erreichbare Dicke der Zinnschicht auf der auf Zimmertemperatur gehaltenen Unterlage aus Glas, amorphem Quarz oder Quarz-Einkristall beträgt einige 1000 .
PATENTANSPRÜCHE : 1. Verfahren zum Aufbringen eines scharf begrenzten Musters geringer Abmessungen auf eine als Tra- ger dienende Unterlage durch Aufdampfen im Vakuum, dadurch gekennzeichnet, dass das Muster (40-42) vor dem Aufdampfen durch kurzzeitiges Bestrahlen mit elektrisch geladenen Teilchen auf die Unterlage (15) vorgezeichnet wird und Verdampfungstemperatur, Druck der Restgase und Dauer des Aufdampfens so gewählt werden, dass das aufgedampfte Material (49,51) nur an den vorgezeichneten Stellen (45) eine zusammenhängende Schicht (49) bildet.