DE10393678B4

DE10393678B4 - Verfahren zum Bilden einer Schicht auf einem Substrat

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Publication number: DE10393678B4
Application number: DE10393678T
Authority: DE
Inventors: Shigeki Sakai
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2002-11-08
Filing date: 2003-11-07
Publication date: 2013-11-21
Anticipated expiration: 2023-11-08
Also published as: JPWO2004042110A1; KR100821810B1; DE10393678T5; US20060246211A1; CN100519827C; AU2003277601A1; JP4441687B2; US7608307B2; WO2004042110A1; CN1726300A; KR20050086435A

Abstract

Verfahren zum Bilden einer Schicht auf einem Substrat mittels des Laserverdampfungsverfahrens, bei dem ein Laserstrahl auf ein Target strahlt, das in einer evakuierten Abscheidungskammer angeordnet ist, so dass Targetmaterial in dem Abschnitt der Targetoberfläche, der von dem Laserstrahl bestrahlt wird, verdampft, und das verdampfte Targetmaterial auf der Oberfläche eines Substrats, das von einem Substrathalter abgestützt wird, innerhalb der Abscheidungskammer abgeschieden wird, wobei das Verfahren zum Bilden einer Schicht auf einem Substrat dadurch gekennzeichnet ist, dass es die Schritte umfasst, dass: in einem Vorarbeitsschritt im Voraus Information beschafft wird über die Dicke einer Schicht, die über eine feste Bestrahlungszeit auf einem Testsubstrat abgeschieden wird, welches zum Sammeln der Information verwendet wird, während der Laserstrahl auf das Target strahlt, in dem Zustand, in welchem die Anordnung zwischen den räumlichen Positionen des Testsubstrats und dem Einfallspunkt des Laserstrahls auf das Target fest ist, oder während der Laserstrahl auf das Target strahlt, während das Testsubstrat rotiert, und dann in einem Hauptschritt bei jeder relativen Anordnung die Abscheidungszeit auf der Basis der im Voraus in dem Vorarbeitsschritt beschafften Schichtdickenverteilungsinformation eingestellt wird, während das Substrat oder der Substrathalter relativ zu dem Einfallspunkt des Laserstrahls auf das Target räumlich bewegt und/oder um eine spezifische Drehmittelachse gedreht wird, wobei bei jeder relativen Anordnung die Abscheidungszeit dadurch bestimmt wird, dass unter Verwendung einer gleichmäßigen oder gewünschten Schichtdickenverteilung und der bei jeder relativen Anordnung im Voraus beschafften Schichtdickenverteilungsinformation ein inverses Problem gelöst wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbesserung bei der Bildung einer Schicht, die nachfolgend auch als Film bezeichnet wird, auf einem Substrat unter Verwendung eines Filmbildungsverfahrens, das durch ein Laserverdampfungsverfahren repräsentiert ist, das Laserablationsverfahren genannt wird, oder im Fall, dass der Laser ein gepulster Laser ist, PLD-Verfahren (Pulsed Laser Deposition-Verfahren).
Technischer Hintergrund
Das oben beschriebene Laserverdampfungsverfahren wird insbesondere in der Forschung auf breitem Gebiet angewandt, um Dünnfilme aus vielen unterschiedlichen Materialien zu bilden, die umfassen: ferroelektrische Oxidsubstanzen, Isolatoren, leitende Oxide, Oxidsupraleiter, magnetische Oxidmaterialien usw. Dies ist der Fall, da es zahlreiche Vorteile hat und sehr viel versprechend ist.
7 veranschaulicht ein Beispiel der grundlegenden Beschaffenheit der Vorrichtung, die bei diesem Verfahren verwendet wird. So seien zunächst deren grundlegende Punkte erläutert. Ein Laserstrahl LB strahlt von außen durch ein Laserstrahl-Einleitungsfenster auf ein oder mehrere Targets 12, die in einer Abscheidungskammer 13 angeordnet sind, die bis zu einem festgelegten Grad an Vakuum mittels eines Vakuumluftabsaugers 14 evakuiert wird. Daraufhin verdampft das Material, das das Target bildet, in der Nähe der Oberfläche des Targets, auf die der Laserstrahl LB strahlt (es wird abgetragen), und dieses Targetmaterial wird in der Form einer Art von nebelartiger Masse, die Plasmawolke 15 genannt und nachfolgend auch als Plume bezeichnet wird, verteilt, welche der durch Licht erregte Zustand des verdampften Materials ist, das sich in eine Richtung senkrecht zu dem Target erstreckt und grob symmetrisch zentriert um dessen Normale ausdehnt, und diese wird auf einem Substrat 11, das von einem Substrathalter 21 abgestützt ist, abgeschieden. Gegebenenfalls kann ein Gas Gs in die Abscheidungskammer 13 eingeleitet werden. Beispielsweise wird häufig Sauerstoff eingeleitet, um Oxide zu bilden, oder Stickstoff, um Nitride zu bilden. Gegebenenfalls wird zusätzlich wieder das Substrat 11 typischerweise durch eine Heizung 16 erwärmt, die an dem Substrathalter 21 vorgesehen ist.
Mit einem derartigen Laserverdampfungsverfahren werden nur diejenigen Abschnitte des Targets 12, auf die das Licht einfällt, stellenweise abgetragen. So ist es erwünscht, dass es eine Tendenz gibt, dass der Verbindungszustand des Target-Materials gerade in den Zustand der Zusammensetzung, die auf dem Substrat abgeschieden wird, reflektiert wird. Zusätzlich gibt es einen Vorteil darin, dass der optimale Wert für den Druck von Sauerstoff oder anderem Gas, das in das Gefäß eingeleitet wird, sehr leicht in einem weiten Bereich von einem Zustand mit einem niedrigen Vakuum bis zu einem Zustand mit einem hohen Vakuum ausgewählt werden kann. Ein Filmbildungsverfahren, das oft mit dieser Technik verglichen wird, ist das Sputterverfahren, aber dieses erfordert, dass eine Entladung in dem Gefäß induziert wird, und das Hauptgas darin ist Argon. Wenn dementsprechend Sauerstoff eingeleitet wird, ist der variable Bereich von Drücken schmal, und wenn es das Ziel ist, einen Oxidfilm zu bilden, können häufig nicht die richtigen Bedingungen ausgewählt werden. Tatsächlich weist beispielsweise ein Oxidsupraleiter, der durch das Laserverdampfungsverfahren hergestellt wird, eine kritische Übergangstemperatur T_c auf, die gleich den physikalischen Eigenschaften der Masse ist, und in dem Fall der Bildung eines Dünnfilms aus einer ferroelektrischen Substanz ist deren Polaritätswert groß, und sie ist strukturell dicht mit einem kleinen Leckstrom, so dass häufig ausgezeichnete Dünnfilmcharakteristiken erhalten werden können.
Auf diese Weise hat das Laserverdampfungsverfahren viele ausgezeichnete Vorteile, wie etwa die Überlegenheit bei der Steuerung der physikalischen Eigenschaften und den Charakteristiken des gebildeten Dünnfilms, die gute Vielseitigkeit, indem eine beträchtliche Anzahl von Typen von Dünnfilmen hergestellt werden können, und dergleichen, aber es gab noch Probleme, die zu lösen waren. Dies waren Probleme mit der Gleichmäßigkeit der Dicke des gebildeten Dünnfilms, dadurch dass die Verteilung der Dicken von auf dem Substrat gebildeten Dünnfilmen bis heute einen beträchtlichen Schwankungsbereich aufwies. Dies war der Fall, da, wie es oben beschrieben wurde, die Plume 15 von dem Fleck auf dem Target aus auf den der Laser strahlt (der Target-Fleck) in einer Richtung nahezu senkrecht zu dem Target gebildet wird, so dass die Abscheidungsmenge an dem Abschnitt des Substrats, der den Flächen entlang der Mittellinie der Plume 15 entspricht, am größten ist, wobei die Abscheidung von der Mittellinie weg stark abnimmt. Dieser Nachteil wird natürlich umso merklicher, je größer die Substratoberfläche wird, so dass die gegenwärtige Situation derart ist, dass es für die Filmbildung über große Oberflächen vollständig ungeeignet ist.
Um diesen Nachteil zu beseitigen, sind in der Vergangenheit zahlreiche Verbesserungen vorgeschlagen worden, wie etwa das Bewegen oder Drehen des Substrats, das Abtasten des Laserstrahls relativ zu dem Substrat und dergleichen. Als repräsentative Dokumente des Standes der Technik haben zwar Dokument 1: JP H05-255842 A und Dokument 2: JP H11-246965 A und andere Verbesserungen gezeigt, jedoch sind zufrieden stellende Ergebnisse noch nicht erhalten worden, und obwohl der Schwankungsbereich in der Filmdickenverteilung in dem ersteren Dokument 10% oder weniger betrug, ist es schwierig gewesen, diesen auf einen Bereich von 1–2% zu verringern, und betrug selbst in dem letzteren Dokument nur grob 6%, so dass keine gleichmäßige Filmdicke erhalten worden ist.
Natürlich ist das Erzielen einer gleichmäßigen Filmdickenverteilung ein Problem, das nicht nur in dem PLD-Verfahren gelöst werden muss, sondern auch in dem oben beschriebenen Sputterverfahren und anderen Filmbildungsverfahren.
Verschiedene Verfahren zum Bilden einer Schicht auf einem Substrat sind aus den Dokumenten JP 2001-140059 A , JP S62-180063 A , JP H02-163374 JP S62-180063 A , JP H02-163374 , G. Deppisch, ”Schichtdickengleichmäßigkeit von aufgestäubten Schichten-Vergleich zwischen Berechnungen und praktischen Ergebnissen”, Vakuum-Technik, Vol. 30, 1981, Heft 4, S. 106–114, J. A. Greer et al., ”Large-area pulsed laser deposition”, J. Vac. Sci Technol. A 13(3), 1995, S. 1175–1181, und R. Dietsch et al., ”Large area PLD of nanometer-multilayers”, Applied Surface Science, 197–198, 2002, S. 169–174, bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Um das vorstehende Ziel zu erreichen, schlägt die vorliegende Erfindung vor als ein Verfahren zum Bilden einer Schicht auf einem Substrat mittels des Laserverdampfungsverfahrens, bei dem ein Laserstrahl auf ein Target strahlt, das in einer evakuierten Abscheidungskammer angeordnet ist, so dass Targetmaterial in dem Abschnitt der Targetoberfläche, der von dem Laserstrahl bestrahlt wird, verdampft, und das verdampfte Targetmaterial auf der Oberfläche eines Substrats, das von einem Substrathalter in der Abscheidungskammer abgestützt wird, abgeschieden wird, dass, bevor der Hauptschritt begonnen wird, bei dem auf einem Substrat ein Dünnfilm gefertigt wird, der für die abschließende Verwendung vorgesehen sein kann (der Produktdünnfilm), in einem Vorarbeitsschritt im Voraus Information beschafft wird über die Dicke einer Schicht, die über eine feste Bestrahlungszeit auf einem Testsubstrat abgeschieden wird, das zum Sammeln der Information verwendet wird, während der Laserstrahl auf das Target strahlt, in dem Zustand, in dem die Anordnung zwischen den räumlichen Positionen des Testsubstrats und des Einfallspunks des Laserstrahls auf das Target fest ist, oder während der Laserstrahl auf das Target strahlt, während das Testsubstrat rotiert, und dann in dem Hauptschritt bei jeder relativen Anordnung die Abscheidungszeit, die nachfolgend auch als Materialzufuhrzeit bezeichnet wird, auf der Basis der im Voraus in dem Vorarbeitsschritt beschafften Schichtdickenverteilungsinformation eingestellt wird, während das Substrat oder der Substrathalter relativ zu dem Einfallspunkt des Laserstrahls auf das Target räumlich bewegt und/oder um eine spezifische Mitteldrehachse gedreht wird, wobei bei jeder relativen Anordnung die Abscheidungszeit dadurch bestimmt wird, dass unter Verwendung einer gleichmäßigen oder gewünschten Schichtdickenverteilung und der bei jeder relativen Anordnung im Voraus beschafften Schichtdickenverteilungsinformation ein inverses Problem gelöst wird. Es ist anzumerken, dass in dem Vorarbeitsschritt, falls die Filmdickenverteilungsinformation, die im Voraus beschafft wird, mehrmals gesammelt wird, wobei die feste Anordnung, die nachfolgend auch als Positionsbeziehung bezeichnet wird, selbst zwischen dem Testsubstrat und dem Einfallspunkt des Laserstrahls auf das Target verändert wird, dann eine noch genauere Filmdickensteuerung in dem Hauptschritt möglich ist.
Falls hier die Positionsbeziehung derart ist, dass die Mittellinie der Plume, die von dem Target verdampft, das Substrat nicht schneidet, ist dies bei der Anwendung der vorliegenden Erfindung häufig bevorzugt.
Zusätzlich kann die Einstellung der Abscheidungszeit auf einer Einstellung der Bestrahlungszeit des Laserstrahls basiert werden, oder sie kann auf einer Einstellung der Umlaufgeschwindigkeit, wenn das Substrat kontinuierlich gedreht wird, und/oder einer Einstellung der Bewegungsgeschwindigkeit, wenn eine Relativbewegung des Substrats durchgeführt wird, basiert werden.
Es ist anzumerken, dass die vorstehend erwähnte Relativdrehung typischerweise durch Drehen des Substrats oder des Substrathalters um seine Mitte erzielt wird. Sie kann aber auch erzielt werden, indem das Substrat oder der Substrathalter als Ganzes bewegt wird (oder der Laserstrahl-Einfallspunkt räumlich um eine festgelegte Achse gedreht wird), obwohl dies bewirken wird, dass die Anordnung der Vorrichtung groß wird. Die Relativbewegung kann auch erzielt werden, indem der Lichtweg des Laserstrahls verändert und die räumliche Position des Einfallspunkts auf das Target bewegt wird. In dem letzteren Fall muss natürlich, wenn der Bewegungsbereich groß ist, das Target selbst ebenfalls zusammen mit dem variablen Lichtweg des Laserstrahls bewegt werden. Dies ist der Fall, da es bedeutungslos ist, wenn der Laserstrahl nicht konstant auf das Target strahlt. Folglich kann das Target fest bleiben, wenn der Bewegungsbereich gering ist. Der Lichtweg des Laserlichtes ist in dem Bereich variabel, in dem der Einfall auf das Target mit seiner räumlich festen Position erhalten bleibt.
Um das so genannte lokale „Ausgraben” des Targets zu verhindern, selbst in dem Fall, in dem die räumliche Position des Einfallspunktes des Laserlichtes während der Abscheidung fest ist, wird darüber hinaus das Target in der Ebene, die das Target enthält, bewegt.
Es kann eine Vielzahl von Laserstrahlen, die auf das Target scheinen, verwendet werden, und es kann auch eine Vielzahl von Targets geben, wobei zumindest ein oder mehrere Laserstrahlen auf ein jedes der Vielzahl von Targets strahlt, und es kann auch nicht eins sondern eine Vielzahl von Substraten durch den Substrathalter abgestützt sein, und in jedem Fall kann der grundlegenden Beschaffenheit des oben beschriebenen Filmbildungsverfahrens der vorliegenden Erfindung gefolgt werden.
Infolge des Einführens der Technik in dem Vorarbeitsschritt, wie es oben beschrieben wurde, wurde herausgefunden, dass die vorliegende Erfindung auch auf andere Filmverdampfungstechniken anwendbar ist, nämlich Widerstandsverdampfung, Elektronenstrahlverdampfung, Ionenstrahlverdampfung, Sputterverdampfung und dergleichen. Das heißt allgemein gesagt, in einem Verfahren zum Bilden einer Schicht auf einem Substrat, bei dem die Abscheidung durchgeführt wird, während ein Substrat oder ein Substrathalter, der dieses Substrat abstützt, in einer Abscheidungskammer relativ zu der Beschichtungsquelle, die nachfolgend auch als Zufuhrquelle von Abscheidungsmaterial bezeichnet wird, räumlich bewegt und/oder um eine spezifische Drehachse gedreht wird, wird mit der vorliegenden Erfindung in einem Vorarbeitsschritt im Voraus Information beschafft über die Dicke einer Schicht, die über eine feste Abscheidungszeit auf ein Testsubstrat abgeschieden wird, das zum Sammeln der Information verwendet wird, während es sich in dem Zustand befindet, in dem die Anordnung zwischen den räumlichen Positionen des Testsubstrats und einem Referenzpunkt auf der Beschichtungsquelle fest ist, oder während das Testsubstrat gedreht wird, und dann in einem Hauptschritt bei jeder relativen Anordnung die Abscheidungszeit auf der Basis der im Voraus in dem Vorarbeitsschritt beschafften Schichtdickenverteilungsinformation eingestellt wird, während das Substrat oder der Substrathalter relativ zu der Beschichtungsquelle räumlich bewegt und/oder um eine spezifische Drehmittelachse gedreht wird, wobei bei jeder relativen Anordnung die Abscheidungszeit dadurch bestimmt wird, dass unter Verwendung einer gleichmäßigen oder gewünschten Schichtdickenverteilung und der bei jeder relativen Anordnung im Voraus beschafften Schichtdickenverteilungsinformation ein inverses Problem gelöst wird.
Hier wird auch die Filmdickenverteilungsinformation vorzugsweise mehrmals gesammelt, wobei die Positionsbeziehung selbst zwischen dem Testsubstrat und der Zufuhrquelle für Abscheidungsmaterial verändert wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen:
1(A) ist ein schematisches strukturelles Schaubild einer Ausführungsform einer Vorrichtung, die das Verfahren der vorliegenden Erfindung einsetzt.
1(B) ist ein erläuterndes Schaubild, das dazu verwendet wird, die Verteilung in der Ebene von Filmdicken in einem auf einem Substrat gebildeten Dünnfilm zu veranschaulichen.
2(A) ist ein Ausdruck der Filmdickenverteilung, die in dem Vorarbeitsschritt in Ausführungsform 1, der die vorliegende Erfindung anwendet, erhalten wird.
2(B) ist ähnlich ein Filmdickenverteilungsausdruck, der eine andere Filmdickenverteilung veranschaulicht, die durch Verändern der Bedingungen in dem Vorarbeitsschritt erhalten wird.
2(C) ist ein Filmdickenverteilungsausdruck, der als Ergebnis einer Anwendung der vorliegenden Erfindung auf der Basis der Filmdickenverteilungsinformation, die in dem Vorarbeitsschritt beschafft wird, erhalten wird.
3(A) ist ein Filmdickenverteilungsausdruck, der eine Vielzahl von Ausdrücken von Filmdickenverteilungsinformation veranschaulicht, die in dem Vorarbeitsschritt bei einem anderen Beispiel einer Fertigung unter Verwendung der vorliegenden Erfindung beschafft wird.
3(B) ist ein Filmdickenverteilungsausdruck, der durch Anwendung der vorliegenden Erfindung in dieser anderen Ausführungsform erhalten wird.
4 ist ein schematisches strukturelles Schaubild einer Ausführungsform, bei der das Verfahren der vorliegenden Erfindung auf ein anderes Verdampfungsverfahren als das Laserverdampfungsverfahren angewandt wird.
5 ist ein Beispiel des Aufbaus eines Vorrichtungssystems, das für den Einsatz des Verfahrens der vorliegenden Erfindung geeignet ist.
6 ist ein anderes Beispiel des Aufbaus eines Vorrichtungssystems, das für den Einsatz des Verfahrens der vorliegenden Erfindung geeignet ist.
7 ist ein schematisches strukturelles Schaubild, das ein bekanntes Grundbeispiel der Beschaffenheit einer Vorrichtung veranschaulicht, die ein typisches Laserverdampfungsverfahren anwendet, um auf einem Substrat einen Dünnfilm zu bilden.
Beste Ausführungsart der Erfindung:
Hier folgt eine detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung, die anhand der beigefügten Zeichnungen vorgenommen wird.
1(A) zeigt nur den Aufbau in einer evakuierten Abscheidungskammer, die zuvor beschrieben wurde aber in diesem Schaubild nicht gezeigt ist. Im Besonderen zeigt sie das Substrat 11 und den Substrathalter 21, der das Substrat hält, zusammen mit einem verallgemeinerten Beispiel der Relativpositionsbeziehung zwischen dem Laserstrahl LB und den Targets 12, auf die der Laserstrahl LB strahlt.
In dem veranschaulichten Beispiel wird angenommen, dass das Substrat 11 die typische Kreisform eines Wafers aufweist, aber dies ist nicht notwendigerweise so. Zusätzlich kann der Substrathalter 21, der das Substrat 11 hält, eine Beschaffenheit gemäß dem Stand der Technik besitzen und kann eine Form annehmen, die ein großes Substrat 11 hält, oder, wie es in dem Schaubild in gestrichelten Linien gezeigt ist, kann er einer sein, der mehrere relativ kleine Substrate 11 in einer festgelegten Anordnung hält.
Wenn das Target 12 den Substraten 11 zugewandt ist, gibt es keine Notwendigkeit, dass seine Oberfläche (nämlich die Ebene F, die dieses Target 12 enthält) parallel zu der Ebene S_f liegt, die die Substrate enthält, sondern vielmehr in dem Fall, in dem eine Laserverdampfung mittels der vorliegenden Erfindung auf ein Substrat mit großem Durchmesser 11 anwendbar ist (selbst in dem Fall von mehreren Substraten, wobei die Gesamtfläche infolgedessen, dass die Anzahl der Substrate erhöht wird, groß wird) ist die Anordnung unter einer Schrägstellung, wie sie in der Figur gezeigt ist, typisch, so dass der Lichtweg des Laserstrahls LB durch dieses Substrat 11 nicht behindert wird.
Zur Vereinfachung des Folgenden wird angenommen, dass der Laserstrahl LB ein typischer gepulster Laser ist, und dementsprechend wird die Beschreibung hier unter der Annahme fortgesetzt, dass das Laserverdampfungsverfahren im Besonderen das vorstehend genannte PLD-Verfahren ist, aber falls die Positionsbeziehung im Voraus beschrieben wird, fällt der Laserstrahl LB unter einem beliebigen Winkel auf das Target 12. Es wird jedoch angenommen, dass die vorstehend erwähnte Plume 15 (7), die durch das Verdampfen von Target-Material gebildet wird, sich grob in die Richtung senkrecht zu dem Target an dem Laserstrahl-Einfallspunkt T_o erstreckt. Mit anderen Worten steht die Mittellinie der Plume 15 ungeachtet des Einfallswinkels des Laserstrahls LB typischerweise senkrecht oder nahezu senkrecht zur Targetoberfläche.
Wie es in der Figur gezeigt ist, sei θ der Winkel zwischen dem Laserstrahl LB und der Targetoberfläche an diesem Target-Einfallspunkt T_o (Einfallswinkel genannt), und sei ρ der Punkt, an dem die Linie senkrecht zu dem Target 12 von dem Laserstrahl-Einfallspunkt T_o (der räumlich eine spezifische Position einnimmt) die Ebene S_f, die dieses Substrat 11 enthält, schneidet. Somit kann man den Vektor r_a betrachten, der sich von diesem Punkt ρ in Richtung des Laserstrahl-Einfallspunktes T_o des Targets 12 erstreckt. In diesem Dokument ist das Symbol „r_a” einfach durch Kleinbuchstaben dargestellt, und obwohl sich dies von der Vektorbezeichnung der gewöhnlichen mathematischen Bezeichnung unterscheidet, wurde dies bei der Bezeichnung als zweckmäßig erachtet.
Das Substrat 11 ist in diesem Fall rund, so dass, wenn die x-Achse und die y-Achse in den zweidimensionalen Richtungen in der Ebene, und die z-Achse in der Richtung senkrecht dazu angeordnet wird, angenommen wird, dass der Mittelpunkt dieses kreisförmigen Substrats 11 der Ursprung o (0,0,0) ist und dementsprechend der vorstehend erwähnte Punkt ρ an den Koordinaten (X,Y,O) liegt. In dem veranschaulichten Fall schneidet dieser Punkt ρ die Oberfläche des Substrats 11, aber er kann tatsächlich, solange er auf der Ebene S_f, die das Substrat 11 enthält, liegt, sich auch an einer Position außerhalb des Substrats 11 befinden, die das Substrat 11 nicht schneidet. Vereinfacht kann die Relativpositionsbeziehung derart sein, dass die senkrechte Linie an dem Targeteinfallspunkt T_o, auf den der Laserstrahl LB strahlt, das Substrat 11 nicht schneiden muss, sondern vielmehr die Ebene S_f schneidet, die das Substrat 11 enthält, jedoch außerhalb desselben. Tatsächlich ergibt eine solche Anordnung häufig bessere Ergebnisse.
Nun unter der Annahme, dass eine beliebige einzelne Anordnung, die durch einen Satz aus den Koordinaten (X,Y), dem Vektor r_a und dem Winkel θ dargestellt ist, gewählt ist, wird zunächst die Beschreibung unter der Bedingung fortgesetzt, dass das Substrat 11 nicht rotiert, während das in 1(B) gezeigte ebene schematische Schaubild betrachtet wird. Wenn das PLD-Verfahren angewandt wird, wobei nur die bislang verwendeten Techniken verwendet werden, ist unter den jeweiligen spezifizierten Temperaturbedingungen, Laserenergie, Zeit, über die ausgesetzt wird, Vakuumatmosphäre und atmosphärische Gasatmosphäre, die Verteilung der Dicke der Abscheidung (Dünnfilm) in der Ebene, welche auf dem Substrat 11 in einer Zeiteinheit erzeugt wird, eine Funktion der Position in dieser Ebene. Nimmt man diese Funktion als A, wie es in 1(B) gezeigt ist, kann die Position eines beliebigen Punktes in Polarkoordinaten als r, θ_f von dem Drehmittelpunkt des Substrathalters oder des Substrats dargestellt werden, und diese Funktion A kann dargestellt werden durch die Formel:
In diesem Fall wird die Streuung der Filmdicke beträchtlich groß, wie es beispielsweise in 2(A) gezeigt ist, welche später wieder beschrieben wird. In 1(B) wird die Plumenkonzentration typischerweise in der Nähe der Mitte größer. So schwankt dementsprechend die Verteilung der Filmdicke in der Ebene tatsächlich kontinuierlich, aber für die Zweckmäßigkeit bei der Darstellung wird diese Änderung der Verteilung in der Ebene durch die Punktdichte oder Dunkelheit in Stufen dargestellt. Natürlich ist der Einfachheit halber die Verteilung in der Figur kreissymmetrisch gezeigt, aber tatsächlich ist dies üblicherweise nicht so.
Somit wird bei der vorliegenden Erfindung zunächst die Durchführung der Filmbildung betrachtet, während das Substrat 11 gedreht wird (einfach mit einer gleichmäßigen Umlaufgeschwindigkeit). Wie es später beschrieben wird, kann diese Drehung eine Drehung relativ zu dem Target 12 sein, aber typischerweise wird das Substrat 11 oder der Substrathalter 21 um seine Mittelachse gedreht. In diesem Fall kann die Filmdickenverteilung B in einer Zeiteinheit durch die Gleichung (2) unten als Funktion des Radiusvektors r dargestellt werden.
Es ist anzumerken, dass die Positionen der Indizes, die den Integrationsbereich angeben, oben wegen der gedruckten Darstellung unter Verwendung einer Textverarbeitung geringfügig verschoben sind, aber es klar ist, dass der Integrationsbereich von 0 bis 2π reicht.
Bei jeder von einer geeigneten Anzahl von Positionen N, die durch die Koordinaten X,Y, den Vektor r_a und θ dargestellt werden, (jeweils Anordnung 1, ... Anordnung i, ... Anordnung N genannt), falls die Filmdickenverteilung pro Zeiteinheit ohne das Substrat zu drehen, zumindest einmal bei jeder dieser jeweiligen Anordnungen in einem Testsubstrat herausgefunden wird, das als ein Vorarbeitsschritt vorbereitet wird, ist es aus der obigen Gleichung dann in diesem Schritt möglich, einen Dünnfilm mit einer beträchtlich gleichmäßigen Dickenverteilung zu bilden, indem die Länge eines Parameters, z. B. der Abscheidungszeit, an jeder Position eingestellt wird, während mit einer gleichmäßigen Umlaufgeschwindigkeit gedreht wird. Wenn die Funktionen A und B der Gleichungen (1) und (2) für jede Anordnung i mit Indizes als A_i und B_i für den Index i dargestellt werden, und die Abscheidungszeit bei Anordnung i als t_i dargestellt wird, ist die Filmdickenverteilung C zu dieser Zeit wieder eine Funktion des Radiusvektors r, wie es in Gleichung (3) unten gezeigt ist.
Hier sind ebenfalls die Positionen der Indizes i = 1 unter dem Σ-Symbol und der Index N oben wegen der gedruckten Darstellung geringfügig verschoben.
Natürlich ist die Einstellung der Abscheidungszeit (Zeit, über die dem Plumen ausgesetzt wird) als der eingestellte Parameter der einfachste und am besten ausführbare, es ist aber auch möglich, andere Filmbildungsparameter, die mit der Filmdicke in Beziehung stehen, einzustellen. Z. B. können die bestrahlte Laserenergie oder dergleichen, oder beide von diesen gemeinsam eingestellt werden. Aus den Experimenten der Erfinder wurde herausgefunden, dass die Filmdickenverteilung sich fallabhängig auch ändern wird, indem der Einfallswinkel θ des Laserstrahls LB zu den Targets 12 verändert wird. So kann durch Beschaffen von Filmdickenverteilungsinformation in Bezug auf die Änderung in θ im Voraus in Vorarbeitsschritten die Veränderung und Einstellung dieses θ dazu verwendet werden, die Filmdickenverteilung einzustellen. Selbst bei nicht gleichmäßiger Umlaufgeschwindigkeit ist darüber hinaus der Prozess, um die Filmdicke gleichmäßig herzustellen, theoretisch möglich, obwohl die Berechnungen komplex werden. Die Tatsache, dass die Filmdicke mittels der vorliegenden Erfindung gleichmäßig hergestellt werden kann, oder die Filmdicke eingestellt werden kann, bedeutet, dass es im Gegensatz dazu natürlich auch möglich ist, eine gewünschte Filmdickenverteilung zu erhalten, die keine gleichmäßige Filmdickenverteilung ist. Insbesondere ist es mit der vorliegenden Erfindung auf einmal möglich, die beabsichtigte Filmdickenverteilung zu erhalten.
Nichtsdestoweniger gibt es Fälle, wenn r_a und θ fest eingerichtet werden und X,Y allein verändert werden, in denen dies vorteilhaft ist, wie etwa durch Vereinfachen des Bewegungsmechanismus. Für eine Anordnung, in der X = X₀ und Y = Y₀ wird die Filmdickenverteilung pro Zeiteinheit A(r, θf) einmal in einem Vorarbeitsschritt in dem Zustand herausgefunden, in dem der Substrathalter 21 angehalten ist. Wie es durch Vorstellung der obigen Anordnung zu verstehen ist, wobei berücksichtigt wird, dass dieses Substrat 11 relativ zu dem Target gedreht wird, während die Anordnung von X = X₀, Y = Y₀ zu X = X_j, Y = Y_j verändert wird, kann hier die Filmdickenverteilung B_j pro Zeiteinheit durch Gleichung (4) unten dargestellt werden.
wobei, r' = {(r cos θ_f – x_s)² + (r sin θ_f – γ_s)²}^1/2 tan θ'_f = (r sin θ_f – γ_s)/(r cos θ_f – x_s) und x_s, y_s stellt das Ausmaß an Bewegung dar. Nämlich x_s = X_j – X₀ y_s = Y_j – Y₀.
Indem bei der vorliegenden Erfindung nur X,Y verändert wird und die Filmdickenverteilung herausgefunden wird, die durch eine festgelegte Zeit oder in einer Zeiteinheit, wenn die Drehung angehalten wird, bei der Anordnung X₀,Y₀ einmal an einem Testsubstrat erzeugt wird, indem die Abscheidungszeit t_j bei der Anordnung j eingestellt wird, während in Kompensation dafür gedreht wird, ist es bei diesem Schritt möglich, eine gleichmäßige oder gewünschte Filmdickenverteilung auf dem Substrat zu erhalten. Die Filmdickenverteilung zu diesem Zeitpunkt kann durch Gleichung (5) unten dargestellt werden.
Es ist anzumerken, dass in Obigem das Substrat 11 gedreht oder umgesetzt wird, aber dies kann natürlich eine Bewegung relativ zu dem Target 12 oder zu dem Einfallspunkt T_o des Laserstrahls LB sein. Im Besonderen kann man sehen, dass das Substrat 11 fest sein kann, und dass der beleuchtete Punkt T_o gedreht oder bewegt werden kann. Darüber hinaus kann die Einstellung der Abscheidungszeit t_j im Wesentlichen bewerkstelligt werden, indem die Beleuchtungszeit des Laserstrahls LB eingestellt wird, oder indem ansonsten die Umlaufgeschwindigkeit während der Relativdrehung eingestellt wird, oder indem die Bewegungsgeschwindigkeit während der Relativbewegung eingestellt wird.
Selbst in dem Vorarbeitsschritt gilt es auch, die Filmdickenverteilungsinformation im Voraus zu beschaffen, indem der Substrathalter 21 mit einer gleichmäßigen Umlaufgeschwindigkeit gedreht wird, anstelle dass er angehalten wird. Die Filmdickenverteilung des Produkts pro Zeiteinheit wird bei einer bestimmten Anordnung herausgefunden, die durch den Satz von Koordinaten (X,Y), den Vektor r_a und den Winkel θ dargestellt wird. Somit wird B in Gleichung (2) direkt in dem Vorarbeitsschritt herausgefunden. Indem die Filmdickenverteilung an mehreren erforderlichen Anordnungen herausgefunden wird, während das Substrat 11 mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit gedreht wird, ist es möglich, die Abscheidungszeiten bei jeder jeweiligen Anordnung einzustellen und somit die gleichmäßige und gewünschte Filmdickenverteilung zu erhalten.
Indem eine geeignete Anzahl von Anordnungen j ausgewählt wird und für jede dieser Anordnungen j unter Verwendung der Verteilung B_j(r) zu dem Zeitpunkt, zu dem der Substrathalter 21 gedreht wird, und der eingestellten Abscheidungszeit t_j, wird die gleichmäßige und gewünschte Filmdickenverteilung erhalten, wie sie zuvor in Gleichung (5) ausgedrückt wurde. Dementsprechend kann als ein Beispiel einer anderen Technik unter der Annahme, dass B_j(r) und C(r) in Gleichung (5) bekannt sind, die Abscheidungszeit t_j bei jeder der Anordnungen auf die Art und Weise der Lösung eines inversen Problems bestimmt werden. Obwohl dies keine Beschränkung für diese Lösung ist, ist beispielsweise die Verwendung der folgenden Technik zweckmäßig.
Es sei M die Anzahl von ausgewählten Anordnungen. Der Index j, der die verschiedenen Anordnungen darstellt, nimmt Werte von j = 1 bis j = M an. Der Bereich von Radien auf dem Substrathalter, über den diese gewünschte Filmdickenverteilung erhalten werden soll, kann die gesamte Oberfläche sein, aber sie sei eher unter Berücksichtigung des Falls, in dem ein kreisringförmiger Oberflächenbereich erwünscht ist, 0 ≤ r_u ≤ r ≤ r_v. Es sei hier ein geeigneter Radius r_s innerhalb des Bereiches r_u ≤ r ≤ r_v gewählt, und es sei dort die gewünschte Filmdicke C(r_s). Dieses C(r_s) ist die Summe des Betrags, der bei jeder von M Anordnungen abgeschieden wird, was die Gleichung (6) unten erzeugt.
Hier ist C'_j(r_s) die bei jeder Anordnung j abgeschiedene Menge, und dieser Wert kann durch Versuche im Voraus herausgefunden werden. Darüber hinaus wird die Abscheidungszeit t'_j zu diesem Zeitpunkt durch Gleichung (7) unten unter Verwendung der Filmdickenverteilung pro Zeiteinheit B_j(r) gemäß Gleichung (4) oben herausgefunden.
Dann wird dieses t'_j(j = 1, 2, ..., M) dazu verwendet, die Filmdicke C'_j(r) in Bezug auf r in dem Bereich r_u ≤ r ≤ r_v zu berechnen, wobei nicht r = r_s. Als Nächstes werden andere Kombinationen von C'_j(r_s) ausgewählt, so dass Gleichung (6) oben erfüllt ist und es wird eine ähnliche Berechnung vorgenommen, um C'_j(r) herauszufinden.
Diese Prozedur wird wiederholt, und es werden aus der somit beschafften Information geeignete Beurteilungen vorgenommen, um die Abscheidungszeit t'_j in Bezug auf die Kombination von C'_j(r_s) oder die Anordnung j, die der gewünschten Filmdickenverteilung am Nächsten liegt, auszuwählen. Wenn dieser Prozedur gefolgt wird, wird dieses t'_j nicht anders werden als das t_j von Gleichung (5).
Es ist anzumerken, dass für die Anzahl von Anordnungen M in dem obigen Vorarbeitsschritt zum Erhalten einer gleichmäßigen oder gewünschten Filmdickenverteilung C(r) gilt, dass je größer die Anzahl ist, es desto besser ist, aber gemäß den Experimenten der Erfinder realistisch grob 2–5 ausreichend ist.
Selbst wenn zusätzlich die räumliche Position des Einfallspunktes T_o fest ist, ist ein Drehen oder Umsetzen des Targets 12 in der Ebene F, die dieses Target 12 enthält, so dass der Laserstrahl LB relativ über die Oberfläche des Targets 12 hinweg abtastet, auch eine sehr effektive Erwägung für die praktische Verwendung. Dies ist der Fall, weil es möglich ist, das ”Ausgraben” von nur einem Abschnitt des Targets 12 zu verhindern. Insbesondere dann, wenn der Laserstrahl LB entlang eines festen Lichtweges strahlt, selbst wenn die räumliche Position des Einfallspunkts T_o fest ist, ist es effektiv, dass der Abtragungspunkt selbst auf der Targetoberfläche konstant verändert wird. Die Anzahl von Laserstrahlen ist auch nicht auf Eins begrenzt. Es kann mehr als ein Laserstrahl auf einmal verwendet werden, und auch in diesem Fall kann mittels der vorhergehenden Technik ein Dünnfilm mit einer gleichmäßigen oder gewünschten Filmdickenverteilung erzeugt werden, indem die Abscheidungsparameter, hauptsächlich die Laserstrahl-Bestrahlungszeit t_i an verschiedenen Stellen und verschiedene Positionen einer Winkeldrehung auf der Basis der Produktverteilungsinformation (Filmdickenverteilungsinformation) in Vorarbeitsschritten, die in Zeiteinheiten in dem Zustand ohne Relativdrehung oder -bewegung zwischen dem Substrat 11 und dem Targetbestrahlungspunkt (Ursprung der Erzeugung der Plume) T_o und Filmdickenverteilungsinformation, die mehrmals erhalten wird, indem die Positionsbeziehungen verändert werden, eingestellt werden,.
Hier folgen Beispiele einer tatsächlichen Fertigung, die gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird. Als das Substrat 11 wurde ein Siliziumsubstrat mit 10 cm Durchmesser ausgewählt, und dieses wurde auf einem Substrathalter mit grob dem gleichen Durchmesser abgestützt. Das Material des Targets 12 ist HfO₂. Das Atmosphärengas ist ein Gasgemisch aus Sauerstoff und Stickstoff, und das Innere der Abscheidungskammer ist auf ein Vakuum von 13,3322 Pa (0,1 Torr) evakuiert. Der verwendete Laserstrahl LB ist ein KrF-Excimer-Laserpuls mit einer Wellenlänge von 248 nm.
Zunächst wurden als Vergleichsbeispiel des Verfahrens aus dem Stand der Technik die Parameter für die Relativpositionsbeziehungen festgelegt auf: die Schrägstellung θ des Targets 12 beträgt 30°, die Länge des Vektors r beträgt 5 cm, die Koordinaten (X,Y) des Punktes A, wo die Normale des Targets die Ebene S_f, die das Substrat enthält, schneidet, betragen (–5,0) in cm-Einheiten, oder in Vektordarstellung beträgt der Vektor r (5 cos 60°, 0, –5 sin 60°) und die Abscheidung wurde für 86 Minuten durchgeführt, während das Substrat 11 gedreht wurde.
Wenn danach die Filmdicke mittels spektroskopischer Ellipsometrie gemessen wurde, sind die Ergebnisse wie in 2(A) gezeigt, wobei die Filmdicke um grob 20 nm (200 Å) zwischen dem Mittelpunkt und dem äußersten Umfang schwankt, wodurch eine extrem große Ungleichmäßigkeit gezeigt wird. Es ist anzumerken, dass dieser Arbeitsgang gleichwertig ist einem Beschaffen von Filmdickenverteilungsinformation in dem Vorarbeitsschritt, wenn die vorliegende Erfindung angewendet werden soll, um diese Situation zu verbessern.
Als Nächstes kann man in Folge eines Versuchs der Abscheidung unter den gleichen Bedingungen wie oben, wobei aber der Punkt, an dem das Target die Ebene S_f, die das Substrat enthält, normal schneidet, von dem Substrat 11 entfernt ist und bei (X,Y) = (–7,0) (Einheiten sind ähnlich cm) außerhalb des Substrats festgesetzt wird, sagen, dass es eine gewisse Verbesserung gab, wie es in 2(B) gezeigt ist, aber dennoch 30 nm Streuung in der Filmdicke vorlagen. Dies wäre ein nicht tolerierbarer Zustand, wenn das Substrat irgendeinen größeren Radius hätte. Diese Charakteristik kann auch eine separate Filmdickenverteilungsinformation werden, die bei einem separaten Testsubstrat in dem Vorarbeitsschritt beschafft wird.
Somit wurden gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung, das soweit beschrieben wurde, wenn eine Kompensation durch einen Schritt, der äquivalent ist zu dem Hauptschritt, auf der Basis von Filmdickenverteilungsinformation, die von 2(A) und (B) oben beschafft wird, durchgeführt wurde, und eine Einstellung der Abscheidungszeiten an verschiedenen Positionen durchgeführt wurde, während das Substrat 11 gedreht wurde, wie es in 2(C) gezeigt ist, extrem gute Ergebnisse im Hinblick auf die Filmdickengleichmäßigkeit erhalten, wobei der Bereich von Filmdickenschwankung innerhalb von nur ±1% gehalten wurde. Es ist anzumerken, dass in den Figuren die Positionsmessergebnisse, die einen Bereich aufweisen, der sich von der gleichen Mittelposition nach oben und nach unten erstreckt, eine Streuung ist, die durch Messung mit dem spektroskopischen Ellipsometrieverfahren hervorgerufen wird.
Um eine noch andere Ausführungsform der Erfindung vorzustellen, wurde als das Substrat 11 ein noch größeres Siliziumsubstrat mit 20 cm Durchmesser ausgewählt, und dieses wurde wieder von einem Substrathalter mit grob dem gleichen Durchmesser abgestützt. Auf die gleiche Weise wie das obige Fertigungsbeispiel ist das Material des Targets 12 HfO₂, das Atmosphärengas ist ein Gasgemisch aus Sauerstoff und Stickstoff, und das Innere der Abscheidungskammer ist auf ein Vakuum von 13,3322 Pa (0,1 Torr) evakuiert. Der verwendete Laserstrahl LB ist wieder ein KrF-Excimer-Laserpuls mit einer Wellenlänge von 248 nm.
Die Parameter für die Relativpositionsbeziehungen wurden festgesetzt auf: die Schrägstellung θ des Targets 12 beträgt 30°, die Länge des Vektors r beträgt 5 cm, die Koordinaten (X,Y) des Punktes A, wo die Normale des Targets die Ebene S_f, die das Substrat enthält, schneidet, sind (–4,5,0) in cm-Einheiten, und die Abscheidung wurde durchgeführt, während das Substrat 11 gedreht wurde. Danach, wenn die Filmdicke mittels spektroskopischer Ellipsometrie gemessen wurde, wurden die Ergebnisse als ausgefüllte Quadrate in 3(A) gezeigt. Hier wurde die abgeschiedene Filmdicke durch die Abscheidungszeit dividiert, um die pro Minute abgeschiedene Filmdicke anzugeben. Wenn der gleiche Vorgang bei den Anordnungen von (X,Y) = (–6,5,0), (X,Y) = (–8,5,0) bzw. (X,Y) = (–11,5,0) durchgeführt wurde, wurden wieder die in 3(A) gezeigten Ergebnisse erhalten.
Abschließend wurde, indem Filmdickenverteilungsinformation mehrmals durch Verändern der Anordnung in dem Vorarbeitsschritt gesammelt wurde, eine Einstellung der Abscheidungszeiten bei verschiedenen Positionen, während das Substrat 11 gedreht wurde, gemäß dieser Information und dem vorstehend erwähnten Verfahren der vorliegenden Erfindung durchgeführt.
Genauer gesagt wurden, wenn die zu erhaltende gewünschte Filmdicke auf 30 nm (300 Å) festgelegt wurde, indem die Abscheidungszeiten bei jeder der Anordnungen von (X,Y) = (–4,5,0), (X,Y) = (–6,5,0), (X,Y) = (–8,5,0) und (X,Y) = (–11,5,0) auf 17 Minuten 37 Sekunden, 17 Minuten 37 Sekunden, 10 Minuten 42 Sekunden bzw. 123 Minuten 45 Sekunden festgesetzt wurden, wie es in 3(B) gezeigt ist, extrem gute Ergebnisse erhalten.
Obwohl dies ein Wafer mit großem Durchmesser von 20 cm war, betrug der Durchschnittswert der Filmdicke in der Ebene 29,63 nm (296,3 Å), und der Schwankungsbereich in der Oberfläche betrug nur ±2,4%. Auch als Schwankungskoeffizient in Bezug auf die gewünschte Filmdicke von 30 nm (300 Å) ausgedrückt, betrug diese nicht mehr als 1,2%. Es ist anzumerken, dass, wie es zuvor beschrieben wurde, die Anordnung von (X,Y) = (–11,5,0) eine Anordnung ist, bei der die Mittelllinie des Plumens, das aus dem Target verdampft ist, das Substrat mit dem Radius von 10 cm nicht schneidet.
Oben wurde die Einstellung der Abscheidungszeit an jeder Position der Winkeldrehung durchgeführt, indem die Laserbestrahlungszeit an jeder Position genau eingestellt wurde, aber wie es zuvor angesprochen wurde, wird auch eine Einstellung der Umlaufgeschwindigkeit in dem kontinuierlich drehenden Zustand die Abscheidungszeit an jeder Stelle äquivalent einstellen. Natürlich können sowohl die Laserbestrahlungszeit als auch die Umlaufgeschwindigkeit gemeinsam eingestellt werden, und darüber hinaus kann ein seitliches Umsetzen des Substrats 11 ebenfalls angewandt werden (aber tatsächlich wird dies eine Bewegung des Substrathalters 21 oder eine Relativbewegung der Targets 12 sein), und die Bewegungsgeschwindigkeit zu diesem Zeitpunkt kann ebenfalls als Parameter zum Einstellen der Abscheidungszeit gemacht werden. Zusätzlich ist es leicht zu verstehen, dass die vorliegende Erfindung angewandt werden kann, um nicht nur eine gleichmäßige, sondern jede gewünschte Filmdickenverteilung zu erhalten.
Nichtsdestoweniger wurde, wie es oben beschrieben wurde, infolge der Betrachtung des Laserverdampfungsverfahrens herausgefunden, dass das Verfahren der vorliegenden Erfindung ebenso gut auch auf andere Filmbildungstechniken anwendbar ist. Das heißt, es ist gleichermaßen anwendbar, solange es sich um ein Filmbildungsverfahren handelt, bei dem die Abscheidung durchgeführt wird, während das Substrat oder der Substrathalter relativ zu der Verdampfungsquelle von Abscheidungsmaterialien (Zufuhrquelle) um eine spezifische Drehachse auch äquivalent gedreht wird, oder während sowohl eine Relativdrehung als auch eine Relativbewegung durchgeführt werden. Es ist somit auf Widerstandsverdampfung, Elektronenstrahlverdampfung, Ionenstrahlverdampfung, Sputterverdampfung und dergleichen anwendbar.
Um einen Dünnfilm gleichmäßig über eine große Oberfläche zu bilden, wurde es herkömmlich als notwendig erachtet, einen angemessenen Abstand zwischen der Materialzufuhrquelle und dem Substrat, auf das der Dünnfilm abzuscheiden ist, aufrechtzuerhalten. Wenn dies aber so ist, muss natürlich, wenn das Substrat größer wird, die Vorrichtung (Abscheidungskammer) ebenfalls kontinuierlich größer werden. Wenn jedoch das Konzept der vorliegenden Erfindung hier angewandt wird, muss die Vorrichtung nicht so groß werden.
Obwohl der Abstand zwischen der Materialzufuhrquelle 31 und dem Substrat 11 oder Substrathalter 21, wie es beispielsweise in 4 gezeigt ist, kurz ist, ist es gemäß der Technik der vorliegenden Erfindung auf die gleiche Weise, wie es oben im Hinblick auf das Laserverdampfungsverfahren beschrieben wurde, ausreichend, nach dem Durchführen der Filmbildung auf einem Testsubstrat in einem Vorarbeitsschritt und dem Beschaffen von Filmdickenverteilungsinformation in dem Hauptschritt die Abscheidungszeit (Materialzufuhrzeit) bei jeder Relativpositionsbeziehung einzustellen auf der Basis der Filmdickenverteilungsinformation (vorzugsweise mehrmals davon), die im Voraus in dem Vorarbeitsschritt beschafft wurde, während das Substrat 11 oder der Substrathalter 21 relativ zu dem Referenzpunkt der Materialfreigabe (Sprühnebel) räumlich bewegt (M2 und/oder M1) oder um eine spezifische Drehmittelachse z gedreht (R) wird, welcher im Voraus an der Materialzufuhrquelle 31 festgelegt wird, oder während sowohl eine derartige Relativdrehung R als auch Relativbewegung (M2 und/oder M1) durchgeführt wird. Die verschiedenen oben beschriebenen Erwägungen hinsichtlich des Sammelns von Information können auch hier einfach angenommen werden. Natürlich ist während des Umsetzens des Substrats 11 oder des Substrathalters 21 relativ zu der Materialzufuhrquelle 31 entlang der Pfeile M2 und/oder M1 der Vektor r_b, der die Positionsbeziehung zwischen der Materialzufuhrquelle 31 und der Ebene S_f, die das Substrat 11 oder den Substrathalter 21 enthält, fest, während der Schnittpunkt ρ zwischen diesem Vektor r_b und der Ebene S_f derart eingerichtet wird, dass er sich auf der Ebene S_f bewegt. Im Hinblick auf Erwägungen zur Zeit der Fertigung ist es möglich, der zuvor in Bezug auf die 2 und 3 dargelegten Erläuterung zu folgen.
Mit einer derartigen Beschaffenheit können, selbst wenn das Substrat 11 oder der Substrathalter 21 einen großen Durchmesser haben, die Vorrichtungsabmessungen in der Richtung senkrecht zu der Ebene S_f, die das Substrat 11 enthält, merklich kleiner als bei der herkömmlichen Beschaffenheit eingerichtet werden, und die gesamte Vorrichtung kann kompakt gehalten werden. Legt man das Verhältnis des Durchmessers des Substrats (Substrathalters) zu dem Abstand von dem Substrat (Substrathalter) zu der Materialzufuhrquelle 31 fest als:
Durchmesser Substrat (Substrathalter):Abstand von Substrat (Substrathalter) zu Materialzufuhrquelle 31 ist 1:d
wobei d = 2 bis 10 in einer herkömmlichen widerstandsbeheizten Vorrichtung oder Elektronenstrahlverdampfungsvorrichtung, ist mit der vorliegenden Erfindung d < 1 möglich. Wenn die Umsetzrichtung in einer einzigen Richtung vorliegt, ist dann natürlich die Ausgestaltung der Vorrichtung merklich vereinfacht. Aber gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung kann selbst mit dieser Ausgestaltung ein Dünnfilm mit einer gleichmäßigen oder gewünschten Filmdickenverteilung gebildet werden. Es ist anzumerken, dass im Fall des Sputterns im Wesentlichen ein Paar Elektroden einander zugewandt ist. So ist das Substrat auf einer Seite von einer Elektrode angeordnet. Der geometrische Bezugspunkt, an dem der Vektor r_b von der Seite der anderen Elektrode schneidet, kann aber auch an der Materialzufuhrquelle bestimmt werden. So ist es möglich, die Technik der vorliegenden Erfindung auf die gleiche Weise, wie sie oben beschrieben wurde, anzuwenden. Dies ist natürlich exakt das gleiche für das Elektronenstrahlverdampfungsverfahren und das Ionenstrahlverdampfungsverfahren, so dass der geometrische Bezugspunkt auf der Oberfläche des Tiegels, der geschmolzenes Material enthält, festgelegt werden kann.
Wenn eine Vorrichtung zusammengesetzt wird, um das Verfahren der vorliegenden Erfindung einzusetzen, ist es zweckmäßig, wenn die Arbeit bei den verschiedenen Schritten in der Vakuumumgebung und der Nicht-Vakuumumgebung kontinuierlich durchgeführt werden kann. Somit ist ein System, wie das, das in 5 gezeigt ist, in Betracht zu ziehen. Es umfasst eine Abscheidungskammer 51, die typischerweise in einer Vakuumumgebung angeordnet ist, in der das Vakuum tatsächlich mittels eines Verdampfungsverfahrens durchgeführt wird, das aus Laserverdampfung, Widerstandsheizverdampfung, Elektronenstrahlverdampfung, Ionenstrahlverdampfung, Sputterverdampfung oder dergleichen ausgewählt ist, eine Speicherkammer 53, die mehrere Substrate oder Substrathalter, die mit Substraten beladen sind, speichert, und zwar vor oder nach der Filmbildung, und gegebenenfalls eine Lade-/Entladekammer 52 zwischen diesen beiden Kammern, die beschaffen ist, um die Substrate oder Substrathalter zu beladen und zu entladen, ohne das Vakuum auf der Seite der Vakuumumgebung zu unterbrechen, welche in einer Reihe verbunden sind.
Noch zweckmäßiger kann, wie es in 6 gezeigt ist, zusätzlich zu der Abscheidungskammer 51, Speicherkammer 53 und Lade-/Entladekammer 52, die oben beschrieben wurden, eine Bewertungskammer 54, die verwendet wird, um die Filmdickenverteilung in dem Vorarbeitsschritt zu bestimmen, und auch die Filmdickenverteilung in diesem Vorarbeitsschritt zu bewerten, um die Abscheidungszeiten und dergleichen zu bestimmen, auch mit der Lade-/Entladekammer 52 verbunden sein.
Als das Verfahren zum Bewerten der Filmdickenverteilung ist es zweckmäßig, die vorstehend erwähnte Technik zu verwenden, die ein Ellipsometer benutzt, aber dies ist keine Einschränkung. Als der Träger für ein Substrat oder Substrathalter, der das Vakuum nicht unterbricht, kann ein Mechanismus, der einen bekannten Roboterarm oder eine Trägerstange benutzt, verwendet werden.
Industrielle Anwendbarkeit
Wie es oben beschrieben wurde, kann mit der vorliegenden Erfindung die schlechte Steuerbarkeit der Filmdickenverteilung eines Films, der auf einem Substrat gebildet wird, stark verbessert werden, und eine extrem gleichmäßige Filmdickenverteilung kann erhalten werden, und es kann ebenfalls die gewünschte Filmdickenverteilung erhalten werden. Im Hinblick auf Anwendungen, bei denen eine gleichmäßige Filmdickenverteilung erhalten werden soll, ist es mit anderen Worten möglich, Substrate mit einem größeren Durchmesser als in der Vergangenheit zu verwenden. Die Beiträge der vorliegenden Erfindung zu verschiedenen erforderlichen Filmbildungsanwendungen sind äußerst groß.

Claims

Verfahren zum Bilden einer Schicht auf einem Substrat mittels des Laserverdampfungsverfahrens, bei dem ein Laserstrahl auf ein Target strahlt, das in einer evakuierten Abscheidungskammer angeordnet ist, so dass Targetmaterial in dem Abschnitt der Targetoberfläche, der von dem Laserstrahl bestrahlt wird, verdampft, und das verdampfte Targetmaterial auf der Oberfläche eines Substrats, das von einem Substrathalter abgestützt wird, innerhalb der Abscheidungskammer abgeschieden wird, wobei das Verfahren zum Bilden einer Schicht auf einem Substrat dadurch gekennzeichnet ist, dass es die Schritte umfasst, dass: in einem Vorarbeitsschritt im Voraus Information beschafft wird über die Dicke einer Schicht, die über eine feste Bestrahlungszeit auf einem Testsubstrat abgeschieden wird, welches zum Sammeln der Information verwendet wird, während der Laserstrahl auf das Target strahlt, in dem Zustand, in welchem die Anordnung zwischen den räumlichen Positionen des Testsubstrats und dem Einfallspunkt des Laserstrahls auf das Target fest ist, oder während der Laserstrahl auf das Target strahlt, während das Testsubstrat rotiert, und dann in einem Hauptschritt bei jeder relativen Anordnung die Abscheidungszeit auf der Basis der im Voraus in dem Vorarbeitsschritt beschafften Schichtdickenverteilungsinformation eingestellt wird, während das Substrat oder der Substrathalter relativ zu dem Einfallspunkt des Laserstrahls auf das Target räumlich bewegt und/oder um eine spezifische Drehmittelachse gedreht wird, wobei bei jeder relativen Anordnung die Abscheidungszeit dadurch bestimmt wird, dass unter Verwendung einer gleichmäßigen oder gewünschten Schichtdickenverteilung und der bei jeder relativen Anordnung im Voraus beschafften Schichtdickenverteilungsinformation ein inverses Problem gelöst wird.
Verfahren zum Bilden einer Schicht auf einem Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: die Anordnung derart ist, dass die Mittellinie der Plasmawolke, die von dem Target ausgeht, das Substrat nicht schneidet.
Verfahren zum Bilden einer Schicht auf einem Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: die Schichtdickenverteilungsinformation mehrmals gesammelt wird, wobei die feste Anordnung selbst zwischen dem Testsubstrat und dem Einfallspunkt des Laserstrahls auf das Target verändert wird.
Verfahren zum Bilden einer Schicht auf einem Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: die Einstellung der Abscheidungszeit auf einer Einstellung der Bestrahlungszeit des Laserstrahls beruht.
Verfahren zum Bilden einer Schicht auf einem Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: die Einstellung der Abscheidungszeit auf der Einstellung der Umlaufgeschwindigkeit, wenn das Substrat kontinuierlich gedreht wird, und/oder einer Einstellung der Bewegungsgeschwindigkeit, wenn die Relativbewegung des Substrats durchgeführt wird, beruht.
Verfahren zum Bilden einer Schicht auf einem Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: die Relativdrehung erzielt wird, indem das Substrat oder der Substrathalter um seinen Mittelpunkt gedreht wird.
Verfahren zum Bilden einer Schicht auf einem Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: die Relativbewegung erzielt wird, indem das Substrat oder der Substrathalter als Ganzes bewegt wird.
Verfahren zum Bilden einer Schicht auf einem Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: die Relativbewegung erzielt wird, indem der Lichtweg des Laserstrahls verändert wird und die räumliche Position des Einfallspunktes auf dem Target bewegt wird.
Verfahren zum Bilden einer Schicht auf einem Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: während des Abscheidens das Target in der Ebene, die das Target enthält, unter der Bedingung bewegt wird, dass der Laserstrahl konstant einfällt.
Verfahren zum Bilden einer Schicht auf einem Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: mehrere der Laserstrahlen verwendet werden.
Verfahren zum Bilden einer Schicht auf einem Substrat nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass: es auch mehrere Targets gibt, und zumindest ein oder mehrere Laserstrahlen auf ein jedes der Targets strahlen.
Verfahren zum Bilden einer Schicht auf einem Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: mehrere Substrate durch den Substrathalter abgestützt werden.
Verfahren zum Bilden einer Schicht auf einem Substrat, wobei die Abscheidung durchgeführt wird, während ein Substrat oder ein Substrathalter, der das Substrat abstützt, in einer Abscheidungskammer relativ zu einer Beschichtungsquelle bewegt und/oder um eine spezifische Drehachse gedreht wird, wobei das Verfahren zum Bilden einer Schicht auf einem Substrat dadurch gekennzeichnet ist, dass es die Schritte umfasst, dass: in einem Vorarbeitsschritt im Voraus Information beschafft wird über die Dicke einer Schicht, die über eine feste Abscheidungszeit auf einem Testsubstrat abgeschieden wird, welches zum Sammeln der Information verwendet wird, während es sich in dem Zustand befindet, in dem die Anordnung zwischen den räumlichen Positionen des Testsubstrats und einem Referenzpunkt auf der Beschichtungsquelle fest ist, oder während das Testsubstrat gedreht wird, und dann in einem Hauptschritt bei jeder relativen Anordnung die Abscheidungszeit auf der Basis der im Voraus in dem Vorarbeitsschritt beschafften Schichtdickenverteilungsinformation eingestellt wird, während das Substrat oder der Substrathalter relativ zu der Beschichtungsquelle räumlich bewegt und/oder um eine spezifische Drehmittelachse gedreht wird, wobei bei jeder relativen Anordnung die Abscheidungszeit dadurch bestimmt wird, dass unter Verwendung einer gleichmäßigen oder gewünschten Schichtdickenverteilung und der bei jeder relativen Anordnung im Voraus beschafften Schichtdickenverteilungsinformation ein inverses Problem gelöst wird.
Verfahren zum Bilden einer Schicht auf einem Substrat nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass: die Schichtdickenverteilungsinformation mehrmals gesammelt wird, wobei die Anordnung selbst zwischen dem Testsubstrat und der Beschichtungsquelle verändert wird.