Einrichtung zur Herstellung dünner Schichten auf einem Träger mittels Ionenstrahl-Zerstäubung Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Herstel lung dünner Schichten auf einem Träger mittelst Ionen strahl-Zerstäubung, insbesondere von Bauelementen der Elektrotechnik.
Es sind bereits Zerstäubungseinrichtungen zur Her stellung von dünnen Schichten auf einem Träger bekannt, bei denen in einer Gasentladungsanordnung die Substrate an geeigneten Orten angeordnet sind. Es wird dabei in einem Druckbereich von 10-1 bis 10-3 Torr, in Sonder fällen durch Anwendung von Hilfsmagnetfeldern bei 10-4 Torr, die Kathode der Gasentladung, die gleichzeitig das von den Ionen zu beschliessende Target darstellt, zerstäubt.
Der auf die Kathode auftreffende Ionenstrom, der die Zerstäubung bewirkt, ist sehr klein gegenüber dem Ge samtstrom der Gasentladung. In grober Näherung gilt nach den Gesetzen der Gasentladungsphysik für den Ionenstrom:
EMI0001.0013
In dieser Gleichung bezeichnen: J; den Ionenstrom auf die Kathode, Je den gesamten Entladungsstrom, m; die Masse der Ionen und in. die Elektronenmasse.
Der Hauptanteil des Entladungsstro- mes, meistens mehr als 95%, wird von den Elektronen gebildet. Nur ein Bruchteil der Entladungsleistung dient somit der Zerstäubung. Da die Substrate entweder direkt auf Anodenpotential oder in dessen Nähe angeordnet sind, werden sie durch auftreffende Elektronen stark er hitzt. Aus diesem Grunde ist trotz Kühlung die Ent ladungsleistung beschränkt.
Um dennoch in grosser Stückzahl fertigen zu können, wird eine Anzahl von Sub straten gleichzeitig in der Gasentladungsanordnung be stäubt.
Dies hat den Nachteil, dass bei der Anordnung von Substratgruppen die Gleichmässigkeit der Schichtdicke auf den einzelnen Substraten nicht gewährleistet ist. Je doch ist die Einzelbestäubung infolge des geringen Ionen- anteiles des Gesamtstromes, die für die einzelnen Sub strate reproduzierbare Ergebnisse liefern kann, sehr zeit raubend. Der an der Substratoberfläche herrschende Druck bestimmt unter anderem mit die Schichtstruktur und damit die elektrischen Eigenschaften der Schich ten. Häufig ist es notwendig, bei möglichst kleinen Drücken zu bestäuben, was kleine Entladungsströme und damit kleine Bestäubungsraten zur Folge hat.
Die Be- stäubungsrate selbst ist ebenfalls mit bestimmend für die Schichteigenschaften. Die Bestäubung von Substraten in einer Gasentladung hat ausserdem den Nachteil, dass der Druck in der Entladung nicht unabhängig von der Bestäubungsrate eingestellt werden kann. Die Art und die Reinheit des Entladungsgases haben ausserdem eben falls Einfluss auf die Schichteigenschaften. Es ist erfor derlich, sehr reine Gase zu verwenden, was unter techni schen Serienbedingungen meist Schwierigkeiten bereitet.
Durch die bekannte Anordnung einer Ionenquelle und einer Ionenabsaugelektrode kann ein Ionenstrahl erzeugt werden, der zur Targetzerstäubung ausgenutzt werden kann. Mit einer solchen Anordnung sind eben falls Schichten durch Bestäuben herstellbar. Die Bestäu bung der Substrate mit hohen Bestäubungsraten kann bei den bisher bekannten Ionenstrahlzerstäubungs-An- ordnungen technisch verwertbar nur bei einem Druck von 10-4 Torr erfolgen.
Der Zweck der Erfindung besteht darin, die vorste hend beschriebenen Nachteile des Standes der Technik bei der Herstellung von dünnen Schichten in einer Gas entladung zu vermeiden, eine grosse Anzahl von Sub straten pro Zeiteinheit reproduzierbar bei sehr niedrigem Druck oder in definierter Gasatmosphäre zu bestäuben und neue Möglichkeiten der Schichtherstellung zu er- schliessen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei defi nierten Druckbedingungen und vom Druck unabhängi ger Bestäubungsrate zu bestäuben. Insbesondere soll bei möglichst niedrigen Drücken das Substrat bestäubt wer den. Die Bestäubungsraten sollen so gross gewählt werden können, dass selbst eine Einzelbestäubung trotz grosser Stückzahl pro Zeiteinheit möglich ist.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass erfindungs- gemäss eine Ionenquelle, vorzugsweise eine Duoplasma- tron-Ionenquelle, an einem Beschleunigungsraum ange ordnet ist, der über einen Strömungswiderstand, vorzugs weise ein den Ionen-Strahlabmessungen angepasstes Rohr, mit einem gesondert evakuierbaren Substratraum verbunden ist, in dem ausser einem zu zerstäubenden Target und den Substraten ein Messauffänger angeordnet ist,
und dass das Target kontinuierlich oder diskonti nuierlich senkrecht zur Achse des Ionenstrahles ver schiebbar ist und dass ausserdem die Substrate einzeln oder zu mehreren, kontinuierlich oder diskontinuierlich senkrecht zur Achse des Ionenstrahles verschiebbar sind.
Der Strömungswiderstand, der den Beschleunigungs raum von dem Substratraum trennt und vakuumtech nisch entkoppelt, kann entsprechend der Strahlführung in seinem Querschnitt auch quadratisch, rechteckig oder in einer anderen Querschnittform ausgebildet sein.
Damit in dem Substratraum auch unter definierter Gasatmo sphäre gearbeitet werden kann, kann in der Wandung des Substratraumes ein Gaseinlassventil angeordnet sein, Der Messauffänger kann ausserhalb der Ionenstrahl- achse, zweckmässigerweise nahe dem Strömungswider stand, im Substratraum angeordnet sein.
Ausserdem ist es zweckmässig, vor dem Target ein magnetisches oder ein elektrostatisches Umlenkfeld anzuordnen, mit dem der Ionenstrahl wahlweise auf das Target oder auf das Substrat ablenkbar ist. Um das Target auf einer kon stanten Temperatur zu halten, ist es vorteilhaft, dieses mittels einer bekannten Kühlmethode, wie beispielsweise einer Wasserkühlung zu kühlen oder mittels einer be kannten Heizvorrichtung zu heizen.
Eine weitere zweck- mässige Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass der Durchmesser des Ionenstrahles den Abmessungen des zu bestäubenden Substrates entspricht und dass der Abstand des Targets zum Substrat einige Zentimeter, vorzugsweise drei Zentimeter, beträgt. Weiterhin ist das Target zur Achse des Ionenstrahles zweckmässig um ca. 45 geneigt angeordnet.
Eine weitere zweckmässige Ausbildung der Einrich tung besteht darin, dass der Ionenstrahldurchmesser auf dem Target klein gegenüber den Substratabmessungen und/oder klein gegenüber dem Abstand zwischen dem Substrat und dem Target ist. Um reproduzierbare Zer- stäubungsbedingungen am Target einzuhalten, wird das aus einem Streifen bestehende Target kontinuierlich oder in kleinen Schritten senkrecht zur Ionenstrahlrich- tung verschoben.
Durch die Inhomogenität der Ionen stromdichte im Ionenstrahl würde sonst durch kalotten- förmige Abtragung des Targets die Zerstäubungsgeome- trie nach entsprechender Betriebszeit kritisch verändert. Ferner kann das Target gekühlt bzw. auf konstanter Temperatur gehalten werden. Damit wird bei sonst kon stanten Bedingungen die Bestäubungsreste ebenfalls konstant gehalten und die thermische Dissoziation des Targetmaterials vermieden.
Zur besseren Gewährleistung reproduzierbarer Schicht eigenschaften auf dem Substrat, ist es zweckmässig, die Substrathalterung mit einer elektrischen Heizung zu ver sehen. Der technische Fortschritt sowie die technisch ökonomischen Auswirkungen der Erfindung sind darin zu erblicken, dass es möglich ist, sowohl bei Einzel- wie auch bei Mehrfach- oder kontinuierlicher Bestäubung reproduzierbare Schichteigenschaften zu erzielen und eine hohe Stückzahl pro Zeiteinheit zu fertigen.
Ferner ist es möglich, hohe Bestäubungsraten auch bei nied rigen Drücken zu realisieren, so dass in die erzeugte Schicht nur wenige Fremdatome eingebaut sind. Aus- serdem ist es möglich, über längere Zeiten von zum Beispiel mehreren Stunden bei der Zerstäubung von Legierungen den Erhalt der prozentualen Zusammen setzung der Schichten zu gewährleisten.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass bei der Zerstäubung von Legierungen eine Disso ziation der Verbindungen vermieden wird.
Anhand eines Ausführungsbeispieles und der Zeich nung soll der Gegenstand der Erfindung näher beschrie ben werden.
In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung der erfindungs gemässen Einrichtung im Schnitt; Fig.2 die Wiedergabe des Targets mit der durch den Ionenstrahl abgetragenen Werkstoffspur.
Eine an sich bekannte Ionenstrahlanordnung, be stehend aus einer Ionenquelle 1, vorzugsweise einer Duoplasmatron-Ionenquelle ist mittels eines Isolators 2 an einen Beschleunigungsraum 3 angekoppelt. Zur ge sonderten Evakuierung ist der Beschleunigungsraum 3 mit einem Anschluss 4 für eine nicht in der Zeichnung dargestellte Vakuumpumpe versehen.
An den Beschleu nigungsraum 3 schliesst sich ein Substratraum 5 an, der ebenfalls mit einem Anschluss 6 für eine weitere, in der Zeichnung nicht dargestellten Vakuumpumpe versehen und mittels einer Trennwand 3' von dem Beschleuni gungsraum 3 getrennt ist. In einer der Wandungen des Substratraumes 5 ist ein Gaseinlassventil 7 angeordnet. Die aus der Ionenquelle 1 austretenden Ionen werden mittels einer Absaugelektrode 8, die sich vor der Ionen quelle 1 befindet, beschleunigt und bilden so einen Ionenstrahl 9.
Der beschleunigte Ionenstrahl 9 wird durch einen Strömungswiderstand 10, bestehend aus beispielsweise einem Rohr, mit einem der Ionenstrahlapertur angepass- ten Durchmesser in den Substratraum 5 geschossen, in dem sich ein Target 11 und ein Substrat 12 befindet. Das Target 11 ist eine Scheibe, die aus einem Material besteht, welches durch den auftreffenden Ionenstrahl 9 zerstäubt und auf das Substrat 12 aufgebracht wird.
Der Strömungswiderstand 10 dient zur vakuummässigen Ent- kopplung des Beschleunigungsraumes 3 von dem Sub- stratraum 5. Beide Räume werden durch getrennte Hoch vakuumpumpen evakuiert. Auf diese Weise kann man im Substratraum bei geeignet dimensionierten Hoch vakuumpumpen auch bei grossen Ionenströmen (einige Milliampere bis einige hundert Milliampere) im Bereich vom 10-3 bis 10-8 Torr bestäuben.
Ferner ist es möglich, im Substratraum einen definierten Partialdruck von zum Beispiel 10-3 Torr eines entsprechenden Gases einzustel len und gleichzeitig im Beschleunigungsraum Drücke von 10-4 bis 10-5 Torr zur Gewährleistung der Ionen strahlerzeugung aufrechtzuerhalten. Der Strömungswi derstand 10 kann auch die Form eines Quadrates oder Rechteckes in bezug auf seinen Querschnitt besitzen. Durch Einschliessen des Ionenstrahles in definierte Gas atmosphäre, z.
B. in Sauerstoff, der über das Gaseinlass ventil 7 in den Substratraum 5 gelangt, sollen Reaktio nen des zerstäubten Materials mit der definierten Gas atmosphäre und dabei besondere Schichteigenschaften erzielt werden. Eine hohe Bestäubungsrate wird erreicht durch einen hohen Ionenstrom, eine Fokussiereinrich- tung 13 und eine geeignete Anordnung des Targets 11 und des Substrates 12.
Zur Erreichung eines hohen Ionenstromes wird ins besondere eine Ionenquelle 1 nach dem Duoplasmatron- Prinzip eingesetzt. Für kleinere Ionenströme sind auch die Verwendung anderer bekannter Ionenquellen mög lich. Zur Beschleunigung der Ionen werden Absaug- spannungen im Bereich von ca. 10 bis 40 kV verwendet.
Um eine definierte Ionenstromdichte und einen definier ten Fleckdurchmesser auf dem Target und damit eine definierte Teilchenquelle für die Bestäubung zur erzie len, wird eine der bekannten elektrostatischen Fokus siereinrichtungen verwendet. Um den Durchmesser des Rohres des Strömungswiderstandes 10 möglichst klein zu halten, wird die Fokussiereinrichtung 13 im Beschleu nigungsraum 3 angeordnet.
Um zu gewährleisten, dass möglichst viele der zer stäubten Teilchen 14 des Targets 11 auf das Substrat 12 gelangen, ist es zweckmässig, den Fleckdurchmesser des Ionenstrahles 9 auf dem Target 11 von grössenordnungs- mässig gleichen Abmessungen einzustellen wie die Sub- stratabmessungen. Dadurch ist eine grossflächige Teil chenquelle im Verhältnis zu den Substratabmessungen und eine gleichmässige Schichtdicke auch bei kleinen Abständen von einigen Zentimetern zwischen dem Tar-
get 11 und dem Substrat 12 gegeben. Die Halbschatten gebiete der Bestäubung auf dem Substrat 12 werden grös- ser mit steigendem Durchmesser der Teilchenquelle. Sind kleine Halbschattengebiete erforderlich, so wird der Fleckdurchrnesser des Ionenstrahles 9 auf dem Target 11 entsprechend klein gegenüber den Substratabmessungen und dem Abstand des Substrates 12 zum Target 11, ein gestellt.
Ferner werden solche Winkel zwischen Ionen strahl 9, Targetnormale und Substratnormale eingestellt, bei denen eine maximale Bestäubungsdichte auf dem Substrat 12 gegeben ist. Der Winkel zwischen Ionen strahl 9 und Targetnormale und der Winkel zwischen Targetnormale und Substratnormale betragen etwa 45 .
Die einzelnen Substrate 12 werden mit Hilfe einer üblichen mechanischen Wechseleinrichtung aus einem nicht dargestellten Magazin in den Substratraum 5 oder durch Druckstufen von aussen in den Substratraum 5 gebracht. Der Ionenstrom bzw. die Ionenstromdichte werden in bestimmten Zeitabständen mittels eines be kannten Messauffängers 15 kontrolliert.
Um reproduzier- bare Zerstäubungsbedingungen am Target 11 einzuhal ten, wird das aus einem Streifen bestehende Target 11 kontinuierlich oder in kleinen Schritten quer zum Ionen strahl 9 verschoben. Durch die Inhomogenität der Ionen stromdichte im Ionenstrahl 9 würde sonst durch kalot- tenförmige Abtragung des Targets 11 die Zerstäubungs- geometrie nach entsprechender Betriebszeit kritisch ver ändert.
Ferner wird das Target 11 gekühlt bzw. auf kon stanter Temperatur gehalten. Dies geschieht beispiels weise entweder mittels einer bekannten Kühlung 16, bei spielsweise einer Wasserkühlung oder einer bekannten Heizvorrichtung. Damit wird bei sonst konstanten Be dingungen die Bestäubungsrate ebenfalls konstant ge halten. Bei der Kühlung wird die thermische Dissozia tion des Targetmaterials vermieden. Durch die Heizung können die Bestäubungsraten erhöht bzw. Reaktionen an der Oberfläche des Targets 11 erreicht werden.
Durch: Anordnung eines elektrischen oder magneti schen Umlenkfeldes 17 kann erforderlichenfalls der Ionenstrahl 9 auf das Substrat 12 abgelenkt werden, so dass vor dem Bestäuben das Substrat 12 durch den Ionenstrahl 9 gereinigt werden kann.
Das Target 11 ist in einem Targethalter 18 und das Substrat 12 in einer Substrathalterung 19 angeordnet. Zur besseren Reinigung des Substrates 12 ist in die Sub- strathalterung 19 eine elektrische Heizung 20 eingebaut.
In Fig. 2 ist das Target 11 in seiner Ansicht gezeigt. Durch die Verschiebung entsteht eine Spur 21, wenn das Target 11 in Richtung des Pfeiles quer zum Ionenstrahl 9 fortbewegt wird. Der Ionenstrahldurchmesser 22 ist durch eine karierte Fläche wiedergegeben.