DE112006001005T5

DE112006001005T5 - Verdampfungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112006001005T5
Application number: DE112006001005T
Authority: DE
Inventors: Hiroki Funabashi Nakamura; Hiroshi Watanabe
Original assignee: Futaba Corp
Current assignee: Futaba Corp
Priority date: 2005-04-21
Filing date: 2006-04-18
Publication date: 2008-04-30
Also published as: CN101198715A; WO2006115236A1; JP4845416B2; JP2008063590A; US20090145361A1

Abstract

Verdampfungsvorrichtung, bei der aus einer Ausstoßöffnung einer abgedichteten Verdampfungsquelle ausgestoßene Dampf über einem Substrat abgeschieden wird, um einen abgeschiedenen Film zu bilden, wobei die Verdampfungsvorrichtung Mittel aufweist, um den ausgestoßenen Dampf in einen Plasmazustand umzusetzen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verdampfungsvorrichtung, die Plasma verwendet.
Stand der Technik
Als Vakuumverdampfungsverfahren unter Verwendung von Ionen gibt es das Verfahren zur Erzeugung eines Plasmas in einer Vakuumkammer und zum Extrahieren von Ionen und das Verfahren zur Vermeidung der Erzeugung eines Plasmas. Das Erstere ist das so genannte Ionenplattierungsverfahren und das Letztere ist das so genannte Clusterionenstrahlverfahren.
Als erstes wird eine Verdampfungsvorrichtung zur Plasma-Erzeugung unter Bezugnahme auf 6 erläutert.
Eine Verdampfungsquelle vom offenen Typ (ein Tiegel oder ein Tiegelboot) 11, das ein Verdampfungsmaterial 14 enthält, ist in der Vakuumkammer 12 angeordnet. Ein Gaszufuhrabschnitt 122 zur Zufuhr eines Plasmaerzeugungsgases und eine Hochfrequenzspule 131 zur Erzeugung eines Ionisierungseffektes sind in der Vakuumkammer 12 angeordnet, um darin einen Plasmazustand zu erzeugen. Ein Substrattrageteil 132 zur festen Anbringung des Bedampfungssubstrats 133 ist auf dem oberen Teil der Vakuumkammer 12 befestigt.
Im Allgemeinen wird Argon als zuzuführendes Hilfsgas verwendet. Die Zufuhrmenge an Argon wird gesteuert. Nicht benötigtes Gas wird aus der Vakuumkammer 12 durch die Abführungsöffnung 121 evakuiert. Eine geeignete Menge an Argon bleibt in der Vakuumkammer 12 zurück.
Eine Hochfrequenz-Energiequelle 152 ist mit der Hochfrequenzspule 131 verbunden, um die für die Plasma-Erzeugung geeignete Frequenz und Spannung anzulegen.
Eine Gleichstromquelle 151 ist mit der Verdampfungsquelle 11 und dem Substrat 133 und dem Substrattrageteil 132 verbunden. Die negative Spannung der Gleichstromquelle wird an das Substrat 133 und den Substrattrageteil 132 angelegt.
Nachdem die Vakuumkammer 12 einmal auf einen Hochvakuumzustand evakuiert worden ist, wird das Plasmaerzeugungsgas durch den Gaszufuhrabschnitt 122 in die Vakuumkammer eingeführt. Das Maß des Vakuums wird bis zu dem Ausmaß des Druckes reduziert, an dem Plasma leicht erzeugt werden kann (grob gesagt auf ein Niveau von 10^–1 Pa). Wenn eine Hochfrequenzspannung an die Hochfrequenzspule 131 angelegt wird, erzeugt in diesem Zustand das Plasmaerzeugungsgas ein Plasma durch Glimmentladung, und das Plasma erstreckt sich über den Plasma-Erzeugungsbereich 142.
Wenn das Verdampfungsmaterial 14 in der offenen Verdampfungsquelle 11 aufgeheizt und verdampft wird, wird verdampftes Gas (Dampf) erzeugt und oberhalb der Verdampfungsquelle 11 (grob gesagt oberhalb der Linie 141) in der Vakuumkammer 12 diffus verteilt. Der diffus verteilte Dampf kollidiert mit den Elektronen und Radikalen (ionisierte Atome) des Plasmaerzeugungsgases in dem Plasma-Erzeugungsbereich 142, wodurch er in positive Ionen umgesetzt wird. Der resultierende Dampf wird eingeführt und in Richtung auf den Substrattrageteil beschleunigt, an dem eine negative Spannung angelegt ist, und er gelangt als Strahl auf das Substrat 133, um einen Abscheidungsfilm zu bilden. Dampf in neutralem Zustand wird als Strahl zusammen mit dem ionisierten Dampf auf das Substrat 133 gerichtet, um einen Abscheidungsfilm zu bilden.
Bei der Verdampfung nach dem oben erwähnten Verfahren ist das Maß der Adhäsion eines Verdampfungsmaterials an dem Substrat viel stärker als bei der herkömmlichen Verdampfung, und die Adhäsionsbedingungen können selbst an einem Substrat mit einer komplizierten Form erhalten werden. Das verbesserte Maß an Adhäsion eines Verdampfungsmaterials auf dem Substrat resultiert aus dem Substratoberflächen-Reinigungseffekt durch Ionen in dem Plasmaerzeugungsgas und von der beschleunigten Bestrahlung von Ionen des verdampften Materials. Darüber hinaus ergibt sich die außerordentlich gute Adhäsionseigenschaft auf dem Dampf, der mit dem Plasmaerzeugungsgas gemischt ist, was die Füllung nahe dem Substrat darstellt.
Der Zustand, bei dem Gas mit einem Plasmaerzeugungsgas gemischt wird, bedeutet eine kleine, mittlere freie Weglänge der Dampfmoleküle. Der Ankunfts- oder Niederschlagungsfaktor von Dampf auf einem Substrat wird auf Grund der Streuung der Dampfmoleküle bemerkenswert klein. Daher ist der Ausnutzungs-Wirkungsgrad eines Verdampfungsmaterials zwangsweise vermindert. Im Hinblick auf den Bewegungszustand des Dampfes wird die Bewegung des Dampfes in Abhängigkeit von der ther mischen Energie und des Vorwärtsbewegung parallel zu einem Substrat auf Grund der Kollision gegen das Plasmaerzeugungsgas zerstreut und verliert die Translations- oder Vorwärtsbewegungseigenschaften. Bei der Ionenplattierung muss das Plasmaerzeugungsgas Ionenkräfte ausnutzen. Das Plasmaerzeugungsgas trägt dazu bei, das Maß der Adhäsion und die Adhäsionsstärke zu verbessern, der Ausnutzungswirkungsgrad des Verdampfungsmaterials ist jedoch reduziert. Als Ergebnis ist es schwierig, die Verdampfungsrate zu erhöhen. Daher ist es bei diesem Verfahren wichtig, dass das Plasma selbst dann erzeugt werden kann, wenn die Menge an Plasmaerzeugungsgas soweit wie möglich reduziert wird. Ein elektrisches Hochfrequenzfeld mit einem Ionisierungseffekt großer Energie wird als Plasmaerzeugungsmittel verwendet.
Argongas, das als Plasmaerzeugungsgas verwendet werden soll, ist kostenintensiv und die Ausbildung eines Abscheidungsfilmes durch Ionenplattierung bedeutet hohe Kosten bei gleichzeitiger langsamer Verdampfungsrate. Folglich ist es schwierig, das Produktionsvolumen der Verdampfung zu erhöhen.
Als nächstes wird die Clusterionenstrahlverdampfung, bei der die Erzeugung eines Plasmas vermieden wird, unter Bezugnahme auf 7 erläutert (siehe beispielsweise das Patentdokument 1).
Eine abgedichtete Verdampfungsquelle 21, in der ein Verdampfungsmaterial 24 geladen ist, ein Glühfaden 231 zur thermischen Elektronenemission in der Nachbarschaft der abgedichteten Verdampfungsquelle, ein Gitter (Extraktionselektrode) 232 zum Extrahieren thermischer Elektronen, eine Beschleunigungselektrode 233, die zwischen dem Glühfaden und dem Substrat liegt, und ein Substrattrageteil 234 zum Fixieren des Substrats 235 auf der Beschleunigungselektrode sind in der Vakuumkammer 22 angeordnet.
Eine Gleichstromquelle 252 ist zwischen der abgedichteten Verdampfungsquelle 21 und dem Substrat 235 (Substrattrageteil 234) angeschlossen, wobei eine negative Spannung an das Substrat 235 und den Substrattrageteil 234 geliefert wird. Eine Gleichstromquelle 251 ist zwischen dem Glühfaden 231 und dem Gitter 232 angeschlossen, während die Gleichstromquelle 252 zwischen dem Gitter 232 und der Beschleunigungselektrode 233 angeschlossen ist. Die Beschleunigungselektrode 233 und das Substrat 235 und der Substrattrageteil 234 haben das gleiche Potential.
Das Verdampfungsmaterial 23 in der abgedichteten Verdampfungsquelle 21 wird durch Aufheizung zu einem verdampften Gas (Dampf) 241. Die Öffnung (Düse) 211 ist jedoch sehr klein und der Dampf erzeugt eine thermische Störbewegung in der abgedichteten Verdampfungsquelle 21, wodurch der Dampfdruck erhöht wird. Der Dampfdruck in der Verdampfungsquelle 21 wird mit den Aufheizungstemperaturen aufgebaut. Wenn jedoch beispielsweise Kupfer (Cu) auf 1600°C oder mehr aufgeheizt wird, steigt der Dampfdruck in der Verdampfungsquelle 21 bis auf etwa 1,33 × 10² Pa. Wenn das Maß des Vakuums in der Vakuumkammer 22 gleich 1,33 × 10³ Pa ist, wird der Druck in der abgedichteten Verdampfungsquelle 21 um 10⁵ mal so hoch wie der externe Druck, so dass der Dampf mit einer sehr hohen Geschwindigkeit aus der Öffnung 211 ausgestoßen wird. Der ausgestoßene Dampf 242 expandiert adiabatisch. Im Zuge der Ausdehnung verliert jedes der Moleküle seine Temperatur und seine kinetische Energie, die es durch die Aufheizung erhalten hat. Die Moleküle ziehen sich einfach durch den Verlust an Energie durch den Einfluss von van der Wals Kräften gegenseitig an, so dass eine beachtliche Anzahl von Molekülclustern erzeugt werden. Die Cluster nähern sich dem Substrat 235 durch die thermischen Elektronen. Auf dem Weg, wenn die thermischen Elektronen mit den Clustern kollidieren, werden sie in Clusterionen 243 (positive Ionen) umgesetzt. Die Clusterionen 243 beschleunigen ihre Ausstoßgeschwindigkeit durch das (negative) Potential der Beschleunigungselektrode 233 und des Substrats 235 (Substrattrageteil 234), und sie werden somit auf das Substrat 235 als Strahl geführt.
Was die Clusterionen betrifft, so ist nur ein Ionenmolekül unter den Clustern ein positives Ion, und die restlichen Moleküle sind neutral. Das Beschleunigungspotential wirkt nur auf ein positives Ion, reagiert jedoch nicht auf neutrale Moleküle. Folglich nimmt die Auftreffgeschwindigkeit auf dem Substrat den Wert an, der durch Teilung der Geschwindigkeit von einem Ion durch die Molekularzahl des Clusters erhalten wird. Unter dem Gesichtspunkt der Masse wirkt das Potential auf die Gesamtheit der Cluster, die Einfallsenergie ist weit größer im Vergleich zu der Energie bei der herkömmlichen Verdampfung. Die Cluster zerfallen in dem Moment, wenn sie auf das Substrat auftreffen, so dass eine Migration entsteht. Als Ergebnis kann ein Abscheidungsfilm mit einer ausgezeichneten Kristalleigenschaft erhalten werden. Weil die Mehrzahl der einfallenden Moleküle neutral ist, ist die elektrostatische Ladungsmenge auf Grund der Ionen sehr klein.
Zur Erzeugung der Clusterionen sollte jedoch die Steuerung der Verdampfungsmenge und die Konfiguration und Anordnung der Fäden und Gitter für die Ionisation optimiert werden. Bei der Erläuterung der Ionenplattierung wird der Druck, bei dem das Gas sich in ein Plasma verwandelt, bei einem Niveau von etwa 10^–1 Pa angegeben. Bei dem Druck der Verdampfungsquelle, der etwa 1,3 × 10² Pa (wie oben beschrieben) beträgt, ist jedoch der Druck nahe bei der Gasdichte in dem Moment des Ausstoßes. In solch einer Situation kann das Gas durch die empfangenen thermischen Elektronen leicht in ein Plasma umgesetzt werden. Da die Anzahl der Ionen sehr groß ist, sind in diesem Fall die meisten Cluster in mono-molekulare Zustände aufgeteilt und sie werden zu einer kleinen Anzahl molekularer Ansammlungen. Daher kann der Migrationseffekt, der mit einer Erhöhung oder dem Auseinanderfallen der Masse aufgrund der Bildung von Cluster nicht erwartet werden. Das elektrostatische Potential eines abgeschiednen Films, der ausgebildet werden soll, wird nicht reduziert.
Bei der Abscheidung eines elektrischen Isolators, beispielsweise SiO, wenn das verdampfte SiO an dem Gitter oder der Beschleunigungselektrode haftet, werden das Gitter und die Beschleunigungselektrode sofort unwirksam. Darüber hinaus stößt das elektrostatische Potential, das an dem abgeschiedenen Film auftritt, einfallende Ionen ab. In der Clusterionenstrahl-Abscheidung ist es sehr schwierig, das Verdampfungsmaterial auszuwählen und die Erfordernisse einzustellen.

Patentdokument 1: Japanische Patentveröffentlichung Nr. 5-41698

Offenbarung der Erfindung
Die herkömmliche Ionenplattierung, die in 6 gezeigt ist, nutzt den Ioneneffekt wirksam aus. Es ergeben sich jedoch der Nachteil, der sich auf den niedrigen Abscheidungswirkungsgrad bezieht, und Einschränkungen, die mit der Hochfrequenzstromquelle zusammenhängen. Der niedrige Abscheidungswirkungsgrad ist das wesentliche Problem, das bei einer Verdampfungsquelle des offenen Typs involviert ist, dass der Gasdruck, der für die Plasmaerzeugung notwendig ist, nur durch die Verwendung des Plasmaerzeugungsgases erhalten werden kann. Die Hochfrequenz-Energiequelle, das Mittel zur Verminderung des Plasmaerzeugungsgases, kann nicht unbedenklich verwendet werden, weil die Vorrichtung teuer ist und in ihrer Verwendung durch Gesetze eingeschränkt ist.
Der herkömmliche Clusterionenstrahl, der in 6 gezeigt ist, hat viele technologische Einschränkungen bei der grundlegenden Filmausbildung, und es ist nahezu unmöglich, optimale Bedingungen in der praktischen Verwendung aufrecht zu erhalten. Mit anderen Worten wird, da eine Unsicherheit bei der Aufrechterhaltung der Dampfdichte nicht mit Sicherheit in einem konstanten Zustand stabilisiert werden kann, die Beziehung zwischen der Konfiguration und der Anordnung der Ionisie rungsvorrichtung unstabil. Darüber hinaus besteht eine ernsthafte technische Einschränkung darin, dass die Abscheidung eines elektrischen Isolators unmöglich ist.
Daher zielt die vorliegende Erfindung darauf ab, den Ioneneffekt in dem Plasma zu berücksichtigen, der sich bei der herkömmlichen Ionenplattierung bewährt hat, und das Plasmaphänomen mit Absicht auszunutzen, das bei der Clusterionenstrahltechnik vermieden wird, und die Ionen wirksam über das herkömmliche Ionenplattierungsverfahren hinaus auszunutzen.
Mittel zur Lösung der Probleme
Gemäß der vorliegenden Erfindung, um das vorstehende Ziel zu erreichen, weist die Verdampfungsvorrichtung nach Anspruch 1 Mittel auf, um den ausgestoßenen Dampf in einen Plasmazustand umzusetzen, wobei der aus der Ausstoßöffnung einer abgedichteten Verdampfungsquelle ausgestoßene Dampf über einem Substrat abgeschieden wird, um einen abgeschiedenen Film zu bilden.
Anspruch 2 bezieht sich auf die Verdampfungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mittel zur Umsetzung des ausgestoßenen Dampfes in den Plasmazustand eine Energiequelle aufweist, die zwischen der abgedichteten Verdampfungsquelle und dem Substrat angeschlossen ist.
Anspruch 3 bezieht sich auf die Verdampfungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin die Mittel zur Umsetzung des ausgestoßenen Dampfes in einen Plasmazustand einen thermischen, Elektronen erzeugenden Glühfaden aufweist, der nahe der abgedichteten Verdampfungsquelle angeordnet ist.
Anspruch 4 bezieht sich auf eine Verdampfungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mittel zur Umsetzung des ausgestoßenen Dampfes in einen Plasmazustand eine Hochfrequenzspule aufweisen, die nahe bei der abgedichteten Verdampfungsquelle angeordnet ist.
Anspruch 5 bezieht sich auf die Verdampfungsvorrichtung nach Anspruch 2, worin die Energiequelle eine gepulste Energiequelle aufweist.
Anspruch 6 bezieht sich auf die Verdampfungsvorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, die des Weiteren eine Ausstoßöffnung für ein Reaktionsgas aufweist, die nahe der Ausstoßöffnung der abgedichteten Verdampfungsquelle angeordnet ist.
Wirkung der Erfindung
Bei der Ionenplattierung ist das Plasmaerzeugungsgas wesentlich. Die vorliegende Erfindung erfordert jedoch kein Plasmaerzeugungsgas. Das herkömmliche Clusterionenstrahlverfahren erfordert den Ionisierungsabschnitt, der in der konstruktiven Anordnung kompliziert ist, während die Plasmaausbildungsmittel der vorliegenden Erfindung sehr vereinfacht sind. Darüber hinaus kann die Erfindung einen abgeschiedenen Film mit einer starken Adhäsionsfestigkeit an einem Substrat erzeugen und eine hohe Produktivität bereitstellen.
Die vorliegende Erfindung erzeugt das Plasma einfach dadurch, dass die hohe Dichte des Dampfes in der abgedichteten Verdampfungsquelle vorteilhaft ausgenutzt wird. Darüber hinaus wurde durch Extraktion von Ionen aus dem Plasma der abgeschiedene Film mit einer außergewöhnlichen Adhäsionsfestigkeit erfolgreich unter hoher Produktivität und mit niedrigen Kosten hergestellt. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Plasmaerzeugungsgas, das bei der Ionenplattierungstechnik verwendet wird, und die komplizierte Struktur, die in der herkömmlichen Ionenplattierungssrahltechnik verwendet wird, nicht erforderlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Diagramm, das die Konfiguration einer Verdampfungsvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
2 ist ein Diagramm, das die Konfiguration einer Verdampfungsvorrichtung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 ist ein Diagramm, das die Konfiguration einer Verdampfungsvorrichtung nach einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 ist ein Diagramm, das die Konfiguration einer Verdampfungsvorrichtung nach einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 ist ein Diagramm, das die Konfiguration einer Verdampfungsvorrichtung nach einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
6 ist ein Diagramm, das die Konfiguration einer herkömmlichen Verdampfungsvorrichtung zeigt, die ein Plasma verwendet; und
7 ist ein Diagramm, das die Konfiguration einer herkömmlichen Clusterionenstrahl-Verdampfungsvorrichtung zeigt.
Beste Art der Ausführung der Erfindung
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 erläutert. Gleiche Bezugszahlen sind an den gleichen Elementen in den 1 bis 5 als solche angebracht.
(Ausführungsbeispiel 1)
1 zeigt die Konfiguration einer Verdampfungsvorrichtung in dem ersten Ausführungsbeispiel.
Das Verdampfungsmaterial 34, beispielsweise Cu, wird in der abgedichteten Verdampfungsquelle 31 in der Vakuumkammer 32 platziert. Nachdem Gase in der Vakuumkammer durch den Abführungsauslass 321 evakuiert sind, wird die Verdampfungsquelle 31 aufgeheizt. Der Dampf 341 des Kupfers füllt die abgedichtete Verdampfungsquelle 31. Die Auswahl des Aufheizungsverfahrens ist nicht speziell ein kritisches Problem. Das Aufheizverfahren kann ein Elektronen-Bombardementverfahren oder ein Widerstands-Aufheizungsverfahren (nicht gezeigt) sein. Cu oder ein elektrischer Leiter ermöglicht es, dass eine ausreichende Menge an Dampf ohne Isolation der abgedichteten Verdampfungsquelle 31 zu erhalten. Wenn die Heiztemperatur bei 1600°C ankommt, ist der Druck in der abgedichteten Verdampfungsquelle 31 näherungsweise 1,33 × 10² Pa. Die Ausstoßöffnung ist eine Düse 311, die einen Durchmesser von 1mm und einen Abstand von Innenwand zu Außenwand von 1mm hat.
Der Dampf 342, der von der Düse 311 in die Vakuumkammer 32 ausgestoßen wird, wird auf das Substrat (Aufdampfsubstrat) 333 ausgestoßen, das auf dem Substrattrageteil (Substrattrageteil) 332 montiert ist. Der Abstand zwischen der Düse 311 und dem Substrat ist beispielsweise 600 mm. Wenn die Gleichspannungs-Stromquelle 351, die als Plasma-Erzeugungsmittel wirkt, eine Spannung von 1 kV zwischen der abgedichteten Verdampfungsquelle 31 und dem Substrat 310 anlegt, bringt der Dampf 342, der in einem Plasmazustand ist und eine umgekehrt konische Form 344 (Flugform des Dampfes 342) hat, zu dem Substrat 333 vor. Der abgeschiedene Kupferfilm, der durch solch ein Verfahren erhalten wird, hat ein extrem hohes Maß an Adhäsion. Die angelegte Spannung von 1 kV entspricht der Plasma-Erzeugungsenergie und ist eine Beschleunigungsspannung. Das Maß des Vakuums vor der Verdampfung war 3,5 × 10^–3 Pa. Das Maß des Vakuums während der Verdampfung war 5,5 × 10^–3 Pa. Dieser Wert ist ein ausreichend hohes Vakuum und zeigt einen kontrollierten Plasma-Bereich.
In der vorliegenden Erfindung ist die Adhäsionskraft von Kupfer an rostfreiem Stahl sehr stark. Bei einem Ablösetest (Peelingtest), der mit verschiedenen Streifen einschließlich eines hoch-klebenden Streifens ausgeführt wurde, trat keine Filmablösung auf.
(Ausführungsbeispiel 2)
2 zeigt die Konfiguration einer Verdampfungsvorrichtung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Diese Konfiguration unterscheidet sich von der, die in 1 gezeigt ist, darin, dass ein Glühfaden 331 als Plasma-Erzeugungsmittel nahe der Düse (Ausstoßöffnung) 311 hinzugefügt ist. Daher wird die anzulegende Spannung in zwei Spannungen unterteilt. Das heißt, dass die erste Spannung von der Gleichstromquelle 351 von dem Glühfaden 331 angelegt wird, während die zweite Spannung an das Substrat 333 unabhängig von der Gleichstromquelle 351 angelegt wird. Wenn der Glühfaden 331 mit einer Stromquelle (nicht gezeigt) aufgeheizt wird, imitiert der Glühfaden 331 thermische Elektronen zu der abgedichteten Verdampfungsquelle 31. Bei einer Spannung von 0,2 kV von der Gleichstromquelle 351 wird der Dampf 342 in einen Plasmazustand umgesetzt. Die Gleichspannunsgquelle 352 wird zur Beschleunigung der Ionen in dem Plasma verwendet.
Die anderen Betriebsvorgänge sind ähnlich wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Adhäsionsfestigkeit von Cu an rostfreiem Stahl 333 sehr stark. In dem Ablösetest bei verschiedenen Streifen einschließlich eines hoch-klebenden Streifens, trat keine Filmablösung auf.
(Ausführungsbeispiel 3)
3 zeigt die Konfiguration einer Verdampfungsvorrichtung nach einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Diese Konfiguration unterscheidet sich von der, die in 2 gezeigt ist, darin, dass eine Hochfrequenzspule 61, kein Glühfaden, als Plasmaerzeugungsmittel nahe der Düse 1 angeordnet ist, so dass sie den ausgestoßenen Dampf 342 umgibt. Die Hochfrequenz-Energiequelle 353 liefert eine vorgegebene Frequenz an die Hochfrequenz-Spule 61. In dem Ausführungsbeispiel wird ein Plasmazustand bei einer Frequenz von 13,56 MHz erhalten. Die Gleichstromquelle 352 liefert eine Beschleu nigungsspannung an das Substrat 333. Andere Erläuterungen sind ähnlich zu denen in dem ersten Ausführungsbeispiel.
In diesem Ausführungsbeispiel war die Adhäsionsstärke von Kupfer an rostfreiem Stahl 333 sehr stark. In dem Ablösetest mit verschiedenen Streifen einschließlich eines hoch-klebenden Streifens trat keine Filmablösung auf.
(Ausführungsbeispiel 4)
4 zeigt die Konfiguration einer Verdampfungsvorrichtung nach einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Das Substrat 433 ist aus einem elektrischen Isolator, beispielsweise aus einem Polyesterfilm, gebildet. Das Verdampfungsmaterial 441 ist ein SiO-Gas. Eine Abscheidung, die nur auf der thermischen Energie beruht, führt nicht zu einer statischen Elektrizitätsaufladung auf dem Polyesterfilm. Wenn jedoch ionisiertes SiO gemäß den ersten bis dritten Ausführungsbeispielen abgeschieden wird, wird das Substrat 433 positiv (+) aufgeladen. Als Ergebnis wird das ankommende SiO⁺ von dem Substrat 433 abgestoßen. Dieses Phänomen löscht den Plasma-Erzeugungseffekt aus. Wenn jedoch das elektrische Feld in dem ersten Ausführungsbeispiel ein gepulstes, positives/negatives oder negatives/0 elektrisches Feld ist, wird die Aufladung des Substrats 433 neutralisiert, so dass das SiO⁺ weiterhin ankommt.
Die gepulste Stromquelle 452 oder das Plasma-Erzeugungsmittel liefert eine Pulsspannung an die Verdampfungsquelle 411 und das Substrat 433.
In einem Experiment wurde ein stabiler Plasmazustand mit positiven/negativen Pulsen mit einem Lasszyklus von 1/5, 10 KHz und 1 KV erreicht. Die Adhäsionsstärke von SiO auf der Polyesterfilmoberfläche war sehr stark. Bei Filmablösungstests mit verschiedenen Streifen einschließlich eines hochklebenden Streifens trat keine Filmablösung auf.
Die Bezugszahlen 4111 und 4112 stellen Ausstoßöffnungen dar, 42 stellt eine Vakuumkammer dar, 421 stellt eine Abführungsöffnung dar, 432 stellt einen Substratträger (Substrattrageteil) dar und 442 stellt einen umgekehrt konischen Dampfbereich (Flugform des Verdampfungsmaterials) dar.
(Ausführungsbeispiel 5)
5 zeigt die Konfiguration eines fünften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Das Substrat 433 ist aus einem elektrischen Isolator, beispielsweise einem Polyesterfilm, gebildet. Das Verdampfungsmaterial 441 ist SiO-Gas. SiO, das ursprünglich schwarz ist, und das die Farbe Sepia annimmt, liefert einen Abscheidungsfilm in der Farbe Sepia. Der abgeschiedene Film wird oxidiert, bis er transparent ist, so dass der resultierende Film als Gasbarrierefilm für die Verpackung verwendet werden kann.
Durch Anlegen der Pulsspannung mit der Pulsenergiequelle 452 wird das SiO in einen Plasmazustand gebracht. Inzwischen wird das Reaktionsgas 521 oder O₂ aufgeheizt, welches von der Reaktionsgas-Zufuhrleitung 511 zugeführt wird, die nahe bei den Ausstoßöffnungen 4111 und 4112 der Verdampfungsquelle 411 angeordnet ist. Auf diese Weise wird das aufgeheizte Reaktionsgas 511 in das SiO-Plasma über die Ausstoßöffnung 5111 ausgestoßen. In diesem Zustand wird das O₂ in einen Plasmazustand umgesetzt, so dass die Oxidationsreaktion zu SiO besser fortschreitet. Das Volumen des O₂ wird so gesteuert, dass die Reduktion in ausreichendem Masse stattfindet. Dieses Verfahren verschlechtert jedoch nicht das Maß des Vakuums in der Kammer 42.
Der abgeschiedene, nahezu transparente SiOx-Film, der in der vorliegenden Erfindung erhalten wird, hat eine Adhäsionsstärke so stark wie der abgeschiedene Film in dem vierten Ausführungsbeispiel und er liefert eine exzellente Gassperr-Charakteristik.
Die Bezugszahl 542 stellt eine umgekehrte, konische Form dar (Flugform des Verdampfungsmaterials).
Die Merkmale und die Funktion der Verdampfungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung zieht die Dichte des aus der abgedichteten Verdampfungsquelle ausgestoßenen Dampfes in Betracht. Der Dampf des Verdampfungsmaterials, der aus der abgedichteten Verdampfungsquelle ausgestoßen wird, wird ohne Verwendung eines Plasmaerzeugungsgases in einen Plasmazustand umgesetzt. Im Falle einer abgedichteten Verdampfungsquelle versetzt die Heiztemperatur den Dampf in der abgedichteten Verdampfungsquelle in einen thermischen Anregungszustand, wodurch die Temperatur der abgedichteten Verdampfungsquelle erhöht wird. Im Allgemeinen erfordert die Umsetzung von Gas in einen Plasmazustand einen Druck von etwa 10^–1 Pa (oder mehr als 10^–1 Pa). Die abgedichtete Verdampfungsquelle kann das interne Druckniveau leicht erzeugen, und die Temperatur davon wird angehoben, so dass 1,33 × 10² Pa erreicht wird.
Der interne Druck der abgedichteten Verdampfungsquelle wird bis zu dem Moment aufrechterhalten, an dem der Dampf aus der Öffnung ausgestoßen wird. Wenn die Plasma-Erzeugungsmittel eine Ionisations-Energie an der Ausstoßposition bereitstellen, wird somit der ausgestoßene Dampf leicht in ein Plasma umgesetzt. Da die Nachbarschaft der Eröffnung der abgedichteten Verdampfungsquelle eine hohe Dampfdichte hat, kann insbesondere die Ionisations-Energie selbst auf einen kleinen Wert eingestellt werden. Darüber hinaus, da überhaupt kein Plasmaerzeugungsgas erforderlich ist, geht die kinetische Energie, die durch die thermische Energie erhalten wird, nicht verloren, während das Verdampfungsmaterial nicht mit anderen Gasmolekülen im Laufe der Bewegung zu dem Substrat kollidiert. Daher ist die Einfallsenergie auf dem Substrat viel größer als bei der normalen Ionenplattierung. Da der Dampf des Verdampfungsmaterials nicht mit anderen Gasmolekülen kollidiert, tritt keine Störung des Dampfes auf, so dass der Ausnutzungswirkungsgrad des Verdampfungsmaterials groß ist.
Bei den Plasma-Erzeugungsmitteln der vorliegenden Erfindung sind die Konstruktion und die Position der Elektroden, die die Ionisations-Energie an den ausgestoßenen Dampf liefern, nicht kompliziert im Vergleich zu der Clusterionenstrahltechnik. Wenn eine Energiequelle, beispielsweise eine Gleichstromquelle, die zwischen der abgedichteten Verdampfungsquelle und dem Substrat angeschlossen ist, ein vorgegebenes Potential liefert, wird der ausgestoßene Dampf durch Glühentladung intensiv in der Nachbarschaft der Öffnung der abgedichteten Verdampfungsquelle aufgeladen und geht in einen Plasmazustand über. Der Glühfaden zur Emission von thermischen Elektroden wird als Plasma-Erzeugungsmittel verwendet. Der Glühfaden wird in dem Dampfausstoßbereich oder in der Nachbarschaft davon gehalten. Wenn ein positives Potential an die abgedichtete Verdampfungsquelle angelegt wird, geht in thermische Elektronen in die Fläche der abgedichteten Verdampfungsquelle ein und der ausgestoßene Dampf wird im Zuge davon in einen Plasmazustand umgesetzt. Eine Hochfrequenzspule oder eine gepulste Stromquelle können als Plasma-Erzeugungsmittel verwendet werden. Die Hochfrequenzspule, die bereits in der existierenden Ionenplattierungstechnik verwendet wird, kann jedoch die Ionisierungs-Energie auf einen größeren Wert einstellen als den der thermischen Elektronen, so dass der ausgestoßene Dampf leicht in einen Plasmazustand umgesetzt werden kann. Alternativ, wenn eine gepulste Stromquelle zwischen der abgedichteten Verdampfungsquelle und dem Substrat angeschlossen ist, um ein gepulstes Potential anzulegen, kann der ausgestoßene Dampf in einen Plasmazustand versetzt werden.
Wenn Ionen in einem Plasma als Abscheidungsfilm ausgebildet werden und wenn sich statische Elektrizität auf dem abgeschiedenen Film ansammelt, stößt die angesammelte statische Elektrizität die ankommenden Ionen ab, wenn der Dampf des Verdampfungsmaterials ein elektrischer Isolator ist. In solch einem Fall muss, da die Abscheidung unter Verwendung von Ionen nicht ausgeführt werden kann, die statische Elektrizität neutralisiert werden. Die Neutralisierung gestattet es, dass Ionen kontinuierlich auf das Substrat als Strahl zugeführt werden. Thermische Elektronen können für die Neutralisation verwendet werden. Wenn der Glühfaden in der Nachbarschaft des Substrats aufgeheizt wird, neutralisieren die thermischen Elektronen, die von dem Glühfaden zu dem Substrat hin emittiert werden, die positive statische Elektrizität. Durch Anlegen eines gepulsten Potentials durch die gepulste Stromquelle, die zwischen der abgedichteten Verdampfungsquelle und dem Substrat angeschlossen ist, wie noch beschrieben wird, kann zusätzlich die Neutralisation der statischen Elektrizität ausgeführt werden.
Die vorliegende Erfindung ist grundlegend dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungsquelle von dem abgedichteten Typ ist, und dass der interne Druck in der abgedichteten Verdampfungsquelle erzeugt wird. Wenn der interne Druck in der abgedichteten Verdampfungsquelle nicht auftritt, führt dies dazu, dass kein Dampf aus der Öffnung der abgedichteten Verdampfungsquelle ausgestoßen wird. Der Plasma-Bereich des ausgestoßenen Dampfes auf Grund des Ausstoß-Phänomens weitet sich nicht über die gesamte Vakuumkammer hinweg aus und bleibt in dem Dampfausstoßbereich (Flugbereich mit einer umgekehrt konischen Form).
Die Öffnung der abgedichteten Verdampfungsquelle ist im Allgemeinen eine Düse, sie sollte jedoch nicht nur auf die Düse beschränkt sein. Die Öffnung kann ein Schlitz sein. Die Ausstoßgeschwindigkeit des ausgestoßenen Dampfes ist am höchsten in der Mitte der Öffnung. Die Ausstoßgeschwindigkeiten an den anderen Positionen sind langsam auf Grund des Kontaktwiderstandes mit den Wandflächen der Öffnung. Da der ausgestoßene Dampf den geringsten statischen Druck bei der höchsten Geschwindigkeit hat und da andere Strömungen mit der schnellsten Geschwindigkeit konvergieren, kann die Öffnung ein Schlitz und keine Düse sein.
Wenn Mittel leicht in der Vakuumabscheidung verwendet werden können, können herkömmliche Plasma-Erzeugungsmittel unabhängig von verschiedenen Typen verwendet werden. Um die Ionen in dem Plasma intensiv als Strahl auf das Substrat zu bringen, muss das Substrat jedoch auf einem negativen Potential gehalten werden. Daher ist in dieser Konfiguration das Schema der Anwendung einer Potentialdifferenz mit Hilfe einer Stromquelle, die zwischen der Verdampfungsquelle und dem Substrat angeschlossen ist, wie oben beschrieben wurde, bevorzugt.
In dem ein Glühfaden in der Nachbarschaft der Ausstoßöffnung der abgedichteten Verdampfungsquelle angeordnet wird und thermische Elektronen in den ausgestoßenen Dampf abgestrahlt werden, kann das Plasma wie oben beschrieben erhalten werden. Dieses Verfahren erfordert kein Elektronen anziehendes Gitter wie das Clusterionenstrahlschema, und die abgedichtete Verdampfungsquelle hat eine äquivalente Funktion wie das Gitter. Die Anordnung des Gitters führt zu einem Verlust der die Elektronen anziehenden Funktion des Gitters auf Grund des Dampfes, der an dem Gitter haftet, wenn ein elektrischer Leiter verdampft wird. Wenn die abgedichtete Verdampfungsquelle selbst als Gitter verwendet wird, kann jedoch die Wärme der abgedichteten Verdampfungsquelle verhindern, dass Dampf an dem Gitter haftet, selbst wenn Dampf die abgedichtete Verdampfungsquelle erreicht. Die vorliegende Erfindung kann das Plasma selbst dann erzeugen, wenn das Gitter vorgesehen ist. In diesem Fall bestimmt die Potentialdifferenz zwischen dem Substrat und der abgedichteten Verdampfungsquelle eine Beschleunigung der Ionen in dem Plasma.
Die Hochfrequenz-Spule wurde in weitem Umfang als Plasma-Erzeugungsmittel in der sog. Ionenplattierung verwendet. Die vorliegende Erfindung kann jedoch die Hochfrequenzspule in der oben beschriebenen Weise anwenden. In diesem Fall kann die vorliegende Erfindung die Ionisations-Energie im Vergleich zu der Ionenplattierungstechnik reduzieren.
Die gepulste Stromquelle kann Pulse anwenden, statt eine Potentialdifferenz mit der Gleichstromquelle anzulegen, die zwischen dem Substrat und der abgedichteten Verdampfungsquelle angeschlossen ist. In diesem Fall ist keine besondere Sorgfalt bei der Pulsform erforderlich. Durch Anlagen der Pulsspannung kann der ausgestoßene Dampf in einen Plasmazustand versetzt werden. Selbst wenn statische Energie auf dem Substrat auf Grund der Ionen erzeugt wird, kann alternativ durch Anlagen eines positiven/negativen Pulses oder eines negativen/0 Pulses die statische Elektrizität neutralisiert werden. Auf diese Weise können positive Ionen kontinuierlich auf dem Substrat ohne Einwirkung statischer Elektrizität auftreffen.
Bei der Abscheidung wird ein oxidierter Film oder ein Nitritfilm oft durch eine Reaktion von Sauerstoff oder Stickstoff mit Dampf ausgebildet. Herkömmlicher Weise wird das Reaktionsgas, bei spielsweise Sauerstoff oder Stickstoff, mit einer extrem kleinen Menge an einer Stelle nahe bei dem Substrat diffus verteilt. In solch einem Fall läuft die Reaktion, beispielsweise die Oxidation, oft auf dem Substrat ab. Andererseits ist es unvermeidbar, dass die kinetische Energie zu einem gewissen Maß verloren geht auf Grund einer Kollision des Dampfes eines Verdampfungsmaterials (Abscheidungsmaterial) mit dem Reaktionsgas. Daher ist es bevorzug, das Reaktionsgas in der Nähe der Verdampfungsquelle zuzuführen. Im Falle einer offenen Verdampfungsquelle, da der Bereich des Dampfes groß ist, ist es jedoch schwierig, die Stelle der Zufuhr des Reaktionsgases nahe bei der Verdampfungsquelle anzuordnen. Aus diesem Grund wurde bisher angenommen, dass der Verlust der kinetischen Energie unvermeidbar ist.
Im Gegensatz dazu kann, weil die abgedichtete Verdampfungsquelle, die in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, eine kleine Ausstoßöffnung hat, der Reaktionsgas-Auslaß in der Nähe der Ausstoßöffnung angeordnet werden. In solch einer Konfiguration wird die Reaktionsgas-Leitung (oder die Reaktionsgas-Zufuhrquelle) durch die Wärme der abgedichteten Verdampfungsquelle aufgeheizt, so dass das Ausstoßphänomen des Reaktionsgases realisiert wird. Der Dampf des Verdampfungsmaterials (oder eines Abscheidungsmaterials) und das Reaktionsgas werden chemisch miteinander kombiniert, bevor sie an dem Substrat ankommen. Da der chemische Kombinationsbereich in einem Plasmazustand ist, geht die Reaktion sehr glatt von statten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung, die oben beschrieben wurde, kann das Plasma leicht unter Verwendung einer abgedichteten Verdampfungsquelle erhalten werden. Das Innere der Vakuumkammer ist in einen Hochvakuumbereich und einen Bereich mit existierendem, ausgestoßenem Dampf (mit einem umgekehrt konischen Flugbereich) aufgeteilt. Das Plasma existiert nur in dem Bereich in dem ausgestoßener Dampf existiert. Der Dampf bewegt sich als Ganzes zu dem Substrat innerhalb eines kleinen Winkels, und die Ionen werden durch Anziehung durch das Substratpotential beschleunigt, so dass sie auf dem Substrat mit einer hohen Geschwindigkeit auftreffen. Folglich kann ein glatter Abscheidungsfilm mit einer hohen Migrationsenergie leicht erhalten werden. Eine sehr hohe Adhäsionsstärke eines abgeschiedenen Films auf dem Substrat kann entsprechend der angelegten Spannung erhalten werden. In der Oxidations- und Nitrierungs-Reaktion kann die Abscheidung durchgeführt werden, während das Maß des Vakuums so hoch wie möglich gehalten wird.
Zusammenfassung
Thermische Elektronen, die von dem Glühfaden 331 emittiert werden, werden in der Nachbarschaft der Öffnung der Düse 311 einer abgedichteten Verdampfungsquelle 31 abgestrahlt. Der Dampf 242 eines Verdampfungsmaterials (Cu), das in die Vakuumkammer 32 durch die Düse 311 der abgedichteten Verdampfungsquelle 31 emittiert wird, wird in der Nachbarschaft der Öffnung der Düse 311 durch thermische Elektronen ionisiert, die von dem Glühfaden 331 emittiert werden. Darüber hinaus erzeugt die Ionisation eine Elektronenlawine, wodurch sich ein Plasmazustand ergibt. Somit legt sich das Verdampfungsmaterial (Cu) zu dem Substrat (rostfreie Platte 333) in Form eines umgekehrt konischen Dampfes (in einer Flugform des Verdampfungsmaterials) 344, um einen abgeschiedenen Film des Verdampfungsmaterials (Cu) zu bilden.

Claims

Verdampfungsvorrichtung, bei der aus einer Ausstoßöffnung einer abgedichteten Verdampfungsquelle ausgestoßene Dampf über einem Substrat abgeschieden wird, um einen abgeschiedenen Film zu bilden, wobei die Verdampfungsvorrichtung Mittel aufweist, um den ausgestoßenen Dampf in einen Plasmazustand umzusetzen.
Verdampfungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mittel zur Umsetzung des ausgestoßenen Dampfes in den Plasmazustand eine Energiequelle aufweist, die zwischen der abgedichteten Verdampfungsquelle und dem Substrat angeschlossen ist.
Verdampfungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin die Mittel zur Umsetzung des ausgestoßenen Dampfes in einen Plasmazustand einen thermischen, Elektronen erzeugenden Glühfaden aufweist, der nahe der abgedichteten Verdampfungsquelle angeordnet ist.
Verdampfungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mittel zur Umsetzung des ausgestoßenen Dampfes in einen Plasmazustand eine Hochfrequenzspule aufweisen, die nahe bei der abgedichteten Verdampfungsquelle angeordnet ist.
Verdampfungsvorrichtung nach Anspruch 2, worin die Energiequelle eine gepulste Energiequelle aufweist.
Verdampfungsvorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, die des Weiteren eine Ausstoßöffnung für ein Reaktionsgas aufweist, die nahe der Ausstoßöffnung der abgedichteten Verdampfungsquelle angeordnet ist.