DE1295957B

DE1295957B - Verfahren zum Herstellen einer duennen elektrisch leitenden Metallschicht geringer Breitenausdehnung durch Aufdampfen im Hochvakuum

Info

Publication number: DE1295957B
Application number: DEI23961A
Authority: DE
Inventors: Ames Irving; Leiner Alan Lewine; Toxin Arnold Martin; Gregor Lawrence Vincent
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1962-06-28
Filing date: 1963-06-27
Publication date: 1969-05-22
Also published as: US3239374A; NL294438A; FR1365609A; GB1000570A

Description

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Die Erfindung betrifft ein insbesondere für den terialteilchen getroffen wird. Dazwischen existieren Aufbau von Speicher- und Steuereinrichtungen elek- weitere Übergangsgebiete, die von Molekülen getroftronischer Rechenmaschinen und anderer Geräte zur fen werden, deren Anzahl mit wachsendem Abstand automatischen Datenverarbeitung geeignetes Verfah- vom ersten Gebiet stetig von dem in diesem vorliegenren zum Herstellen einer dünnen elektrisch leitenden 5 den Maximalbetrag bis auf Null abnimmt. Wie in der Metallschicht geringer Breitenausdehnung durch Auf- Strahlenoptik sei das erste Gebiet im folgenden mit dampfen im Vakuum. schattenlosem Gebiet, das zweite als Haupt- oder

Beim Aufdampfen eines dünnen Films im Vakuum Kernschattengebiet und die Übergangsgebiete als durch eine mit Schlitzen versehene Schablone sind Halbschattengebiete bezeichnet, im allgemeinen die geringsten erreichbaren Abmes- io Wegen der stetigen Abnahme der aufgedampften sungen dieses Films durch die Verunreinigungen und Schichtdicke im Nebenschattengebiet von einer maxi-Beschädigungen der Schablone bestimmt, die auch malen Dicke auf Null wird nun in jedem Nebenbei sorgfältigster Behandlung nicht zu vermeiden schattengebiet ein Bereich existieren, in dem eine sind, da die Breite der schmälsten Schlitze der Scha- monomolekulare Schichtdicke vorliegt. Die Breite blone höchstens in der Größenordnung der Abmes- 15 dieser monomolekularen Schicht läßt sich nun leicht sungen dieser Störstellen liegen darf. durch passende Wahl der Aufdampfparameter, z. B.

Es ist bereits bekannt, zur Herstellung einer be- der Wahl des Abstandes zwischen Blende und zu musterten Metallisierung von Gegenständen oder bedampfender Unterlage sowie zwischen Monekular-Unterlagen durch Vakuumaufdampfen zunächst eine strahlenquelle und Blende, steuern. Bekeimungsschicht auf die zu überziehende Unter- 20 Entsprechend einem wesentlichen Merkmal der lage aufzubringen. Bei der nachfolgenden Bedamp- vorliegenden Erfindung benutzt man nun diese bef ung legt sich das Metall nur auf diesen vorbekannten züglich ihrer Breitenabmessung in der obengenannten Gebieten nieder, während die nichtbekannten Ge- Weise steuerbaren Gebiete monomolekularer Dickenbiete metallfrei bleiben. abmessung als Vorbekeimungsschicht. Da, wie später

Es ist weiterhin bekannt, daß z.B. eine aufge- 25 noch näher gezeigt wird, die anschließend aufgedampfte dünne Silberschicht unter der Einwirkung dampfte Metallisierungsschicht nur im Bereich der der Oberflächenspannung Tröpfchen bildet und die Vorbekeimungsschicht eine elektrische Leitfähigkeit so entstehende Schicht infolge mangelnder Kontinui- aufweist, ist ersichtlich, daß ζ. B. die Randschärfe tat ihrer Elementarbereiche keine elektrische Leit- eines nach der Lehre der vorliegenden Erfindung fähigkeit aufweist. Erst durch Unterschichten einer 30 erstellten Metallisierungsmusters völlig unabhängig sehr dünnen monomolekularen Zwischenschicht aus von der Qualität bzw. von den unvermeidlichen einem anderen Metall, z.B. aus Kupfer, wird es Randfehlern der hierzu benutzten Aufdampfblende möglich, eine zusammenhängende und damit eine oder Schablone ist.

elektrisch leitende Silberschicht zu erzielen. Das Verfahren nach der Lehre der vorliegenden

Es ist auch bereits bekannt, durch eine zusätzliche 35 Erfindung, welche die Herstellung einer dünnen elek-Wärmebehandlung die genannte Tröpfchenbildung irisch leitenden Metallschicht sehr geringer Breitenzu begünstigen und so in selektiver Weise die Kon- abmessung bzw. ein aus derartigen Schichten betinuität und damit in dafinierten Bereichen die Leit- stehendes Muster gestattet, ist dadurch gekennzeichfähigkeit der dünnen Schicht zu zerstören. net, daß die effektiv leitende Breitenausdehnung der

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Auf- 40 Metallschicht durch Variation des Dickenabfalls gäbe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer innerhalb des Nebenschattengebietes des durch den dünnen elektrisch leitenden Metallschicht bzw. von Schlitz einer Maske aufzudampfenden Vorbekei-Mustern derartiger Schichten anzugeben, welches die mungsmaterials gesteuert wird und daß der Dickenobengenannten Mängel nicht aufweist, bei dem sich abfall bzw. die Flächenausdehnung des Nebenschatinsbesondere unvermeidbare Mängel der Schablonen 45 tengebietes der Vorbekeimungsschicht jederseits bzw. der Aufdampfblenden nicht unmittelbar auf die durch geeignete Wahl der Parameter Abstand UnterGüte der Konturen des zu erstellenden Musters aus- lage—Maskenblende, Abstand Maskenblende—Aufwirkt, dampfquelle für das Vorbekeimungsmaterial sowie Das die genannte Aufgabe lösende Verfahren stützt durch die Schichtdicke der Vorbekeimungsschicht im sich außer auf einen Teil der soeben genannten be- 50 schattenlosen Gebiet gesteuert wird, kannten physikalischen Tatsachen bzw. Maßnahmen Das Verfahren nach der Lehre der vorliegenden wesentlich auf die Tatsache, daß der durch Auf- Erfindung weist die eingangs genannten Mängel und dampfvorgänge im Hochvakuum bewirkte Material- Nachteile nicht auf und gestattet, Abmessungen des transport Gesetzmäßigkeiten unterliegt, wie sie von Films zu erreichen, die Größenordnungen unter den der Physik der Molekularstrahlen her bekannt sind. 55 bisher üblichen liegen.

Als solche bezeichnet man bekanntlich einen Strom Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird

neutraler Materialteilchen, die im allgemeinen aus die Anordnung nach dem Aufdampfen kurzzeitig Molekülen bestehen und sich mit thermischer Ge- stark erhitzt, wodurch der Kontrast zwischen zusamschwindigkeit nach den Gesetzen der Strahlenoptik menhängenden und nicht zusammenhängenden Teilen geradlinig innerhalb des Hochvakuums ausbreiten. 60 des Leiterfilmmaterials noch vergrößert wird.

Wie eine Lichtstrahlenquelle besitzt eine Mole- Im folgenden wird die Erfindung an Hand einiger

kularstrahlenquelle stets eine endliche Ausdehnung, in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeiso daß man in Analogie zur Bestrahlung eines spiele näher beschrieben.

Schirms mit Licht auch bei der Bedampfung einer Der Zusammenhang innerhalb bestimmter dünner

Unterlage ein erstes Gebiet unterscheiden kann, wel- 65 Schichten wird durch das Vorhandensein von Kriches von einer maximalen Anzahl von Molekülen stallisationskeimen auf der Unterlage und von der getroffen wird, sowie ein zweites Gebiet, das wegen Dicke der Schicht dieser Kristallisationskeime beeinder Abschattung durch die Blende von keinerlei Ma- flußt. Zum Beispiel ist für eine dünne Indiumschicht

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von 2000 Angströmeinheiten Dicke, die mit einer gend. An allen anderen Stellen ist die Schicht 23

Geschwindigkeit von 60 Angströmeinheiten pro Se- zusammenhanglos und daher effektiv ein Nichtleiter,

künde in einer auf 10~⁷ Torr evakuierten Kammer auf Der zusammenhängende Teil der Schicht 23 bildet

eine Schicht von Kristallisationskeimen aus Gold auf- den sehr schmalen Leiter 25, er ist etwa 5 bis 10 μ gebracht wird, der Zusammenhang der Indiumschicht 5 breit.

eine Funktion der Dicke dieser Goldschicht, wie es F i g. 3 A und 3 B zeigen, wie ein Leiter 35 in

F i g. 1 zeigt. Ohne eine solche Schicht von Kristalli- Form eines schmalen geschlossenen Ringes herge-

sationskeimen backt die dünne Schicht zusammen, so stellt werden kann. Zunächst wird eine Kalotte 32 aus

daß sie nicht mehr zusammenhängend ist. Bei Ver- Kristallisationskeimen aufgebracht, die etwa

Wendung einer zwischen 5 und 10 Angströmeinheiten io 100 Angströmeinheiten dick ist. Dann wird diese mit

dicken Schicht von Kristallisationskeimen wird die der dünnen Schicht 33 bedeckt, die 2000 Ängström-

Neigung zum Zusammenbacken verringert und die einheiten dick ist und unter Bedingungen aufgebracht

Kontinuität der dünnen Schicht merklich verbessert. wird, durch die sie die in F i g. 1 gezeigten physika-

Wenn die Dicke dieser Schicht außerhalb des Be- lischen Eigenschaften erhält. In einem Bereich ent-

reichs zwischen 5 und 10 Angströmeinheiten liegt, 15 lang der Ränder der Kalotte 32 befindet sich ein

backt die auf ihr aufgedampfte dünne Schicht zu- schmaler Ring 32 a, dessen Stärke zwischen 5 und

sammen und verliert ihren Zusammenhang. Der zwi- 10 Angströmeinheiten liegt. Über diesem schmalen

sehen 0 und 5 Angströmeinheiten liegende Teil der Ring ist die Schicht 33 zusammenhängend, und an

Kurve ist gestrichelt gezeichnet worden, da es nicht allen anderen Stellen ist sie unzusammenhängend,

möglich ist, die Form dieses Kurventeils genau zu 20 Die Breite der Leiter 25 und 35 läßt sich durch

bestimmen. geeignete Wahl der Abschrägung der Ränder der

Es gibt kein leicht zu definierendes, quantitatives Schicht von Kristallisationskeimen verändern. Dies

Maß für den Zusammenhang einer dünnen Schicht, kann auf zwei Arten erfolgen: Erstens durch die

fest steht nur, daß eine Schicht, die über einen be- Wahl der Dicke des Mittelteils der Schicht von Kri-

stimmten Grad hinaus unzusammenhängend ist, 35 stallisationskeimen und zweitens durch die Wahl der

praktisch ein Nichtleiter ist. In der graphischen Dar- Breite der abgeschrägten Ränder,

stellung von F i g. 1 ist eine Schicht, deren Zusam- Wenn der Mittelteil der Schicht von Kristallisa-

menhang unter dem Wert α liegt, effektiv ein Nicht- tionskeimen sehr dünn ist, weisen ihre Ränder eine

leiter, und eine Schicht, deren Zusammenhang dar- sehr geringe Abschrägung auf. Wenn daher die Dicke

überliegt, effektiv ein Leiter. Es gibt zwar keinen ab- 30 des Mittelteils nur wenig über derjenigen liegt, die

soluten und abrupten Übergang von Nichtleiter zu nötig ist, um eine feine Körnung zu erreichen, sind

Leiter, aber man kann sagen, daß eine Schicht mit die Leiter 25 und 35 relativ breit. Wenn sie dagegen

zunehmendem Zusammenhang ein besserer Leiter weit über diesen Wert hinausgeht, weisen die Ränder

wird. eine relativ starke Abschrägung auf, und die Leiter

Beim Aufbringen einer dünnen Schicht auf ein 35 25 und 35 sind relativ schmal.

Grundmaterial wird dieses im allgemeinen durch die Die Breite der abgeschrägten Ränder der Schicht Schicht nicht benetzt. Daher neigen die zuerst aufge- von Kristallisationskeimen wird durch die Wahl des brachten Teilchen der dünnen Schicht dazu, sich um Abstandes zwischen (a) der Quelle des Aufdampleichte Unregelmäßigkeiten oder Kristallisationskeime fungsmaterials, (b) der Schablone, durch die das Aufauf dem Grundmaterial herum zusammenzuballen. 40 dampfungsmaterial hindurchgeht, und (c) der UnterWenn die Dichte dieser Stellen groß ist, bilden die lage, auf die das Aufdampfungsmaterial aufgebracht ersten Teilchen einer dünnen Schicht bei ihrer Auf- wird, verändert. Wenn die Quelle relativ nahe an der bringung eine große Zahl relativ kleiner Zusammen- Schablone liegt und diese relativ weit von der Unterballungen anstatt einer kleinen Zahl relativ großer lage entfernt ist, findet eine starke Abschattung statt, Zusammenballungen. Durch die kleinen Zusammen- 45 und die Ränder werden sehr breit. Auch andere Paraballungen erhält das Material eine feinere Körnung meter, wie z. B. die Form der öffnungen in der und wird zusammenhängender. Schablone, ihre Temperatur usw., wirken sich auf

F i g. 2 zeigt, wie ein sehr schmaler Indiumleiter die Stärke der Abschattung aus. Wenn die Ränder nach der Erfindung hergestellt werden kann. Das in der Schicht von Kristallisationskeimen, d. h. die F i g. 2 gezeigte Gebilde besteht aus einer Unterlage 50 Halbschattengebiete, relativ breit sind, werden die 20, die mit einer Schicht aus Isoliermaterial 21 be- Leiter 25 und 35 relativ breit. Wenn die Schablone deckt ist. Auf dem Isoliermaterial 21 befinden sich relativ nahe an der Unterlage liegt und die Quelle eine Schicht von Kristallisationskeimen 22 aus Gold, relativ weit von der Unterlage entfernt ist, sind die die eine Stärke von 100 Angströmeinheiten hat, und Ränder der Schicht von Kristallisationskeimen relaeine dünne Schicht 23, die 2000 Angströmeinheiten 55 tiv schmal, daher werden die Leiter 25 und 35 ebendick ist. Die Schicht 23 ist unter Bedingungen aufge- falls relativ schmal.

bracht worden, die ihr die in Fig. 1 gezeigten physi- Die Breite der Leiter 25 und 35 wird nicht merk-

kalischen Eigenschaften gegeben haben. lieh durch Unregelmäßigkeiten in der Form der

Die Schicht von Kristallisationskeimen 22 aus Schicht von Kristallisationskeimen, d. h. durch UnGold ist in herkömmlicher Weise durch eine Scha- 60 regelmäßigkeiten in den Rändern des Schlitzes in der blone hindurch aufgebracht worden. Die Ränder 22 α Schablone beeinflußt. Diese können höchstens einen und 22 b der Goldschicht 22 liegen im Halbschatten- Knick in den Leitern 25 oder 35 bewirken, sie beeingebiet und sind daher von keilförmig abnehmender flüssen jedoch den Zusammenhang des Leiters nicht. Dicke, was eingangs bereits näher erläutert wurde. Die Erfindung ist nicht auf eine bestimmte Art

In einem bestimmten Bereich entlang der schrägen 65 dünner Schichten oder auf ein bestimmtes Material

Kante 22 α der Goldschicht 22 liegt die Dicke der für die Kristallisationskeime beschränkt. Es können

Schicht 22 zwischen 5 und 10 Ängströmeinheiten. alle Materialien verwendet werden, die die in F i g. 1

Hier ist die dünne Indiumschicht 23 zusammenhän- gezeigten physikalischen Eigenschaften aufweisen.

Zum Beispiel können die Schichten von Kristallisationskeimen 22 und 32 aus Silber oder Kupfer und die dünnen Schichten 23 und 33 aus Zinn oder Blei bestehen.

Die Dicke der dünnen Schichten 23 und 33 ist abhängig von dem Kontrast im Zusammenhang, der zwischen den Leitern 25 bzw. 35 und den übrigen Teilen der dünnen Schichten 23 bzw. 33 gewünscht wird. Der stärkste Kontrast wird erreicht, wenn die Schichten 23 und 33 zwischen 1000 und 3000 Ängström stark sind. Die unzusammenhängenden Teile der dünnen Schicht können dadurch noch zusammenhangloser gemacht werden, wenn das ganze Gebilde nach Aufbringen der dünnen Schichten erhitzt wird.

Die Dicke der Schicht von Kristallisationskeimen, die nötig ist, um eine dünne Schicht zusammenhängend zu machen, ist nur ein angenäherter Wert, da Stärken von 5 und 10 Angströmeinheiten nicht direkt meßbar sind. Es steht jedoch fest, daß (a) ohne eine solche Schicht die dünnen Schichten 23 ao und 33 unzusammenhängend und daher nichtleitend sind, daß (b) bei Verwendung einer sehr dicken Schicht von Kristallisationskeimen die Filme 23 und 33 unzusammenhängend und daher nichtleitend sind und daß (c) zwischen diesen beiden Bereichen ein sehr kleiner Bereich liegt, bei denen die dünnen Schichten 23 und 33 zusammenhängend sind. Dieser Bereich liegt etwa bei 5 bis 10 Angströmeinheiten, der genaue Wert ist ohne Bedeutung für die Erfindung, es ist lediglich erforderlich, daß die Dicke der Schicht von Kristallisationskeimen über die obere Grenze des Bereichs hinausgeht. Eine Goldschicht mit einer Stärke von 5 bis 10 Angströmeinheiten ist annähernd eine monoatomare Schicht.

Zusammensetzung und Dicke der Isolierschichten 21 und 31 sind für die Erfindung nicht von wesentlicher Bedeutung. Sie können etwa eine Dicke von einigen tausend Angströmeinheiten aufweisen. Sie haben den Zweck, eine relativ saubere Oberfläche für die Kristallisationskeime herzustellen.

Fig. 4A und 4B zeigen, wie ein Leiter 46 von einer gewissen Mindestbreite hergestellt werden kann. Das Gebilde besteht aus der Unterlage 40, einer Schicht aus Isoliermaterial 41, einer dünnen Schicht 42 von Kristallisationskeimen, die zwischen 5 und 10 Angström dick ist und die ganze Unterlage bedeckt, zwei Wülste 43 und 44 aus Kristallisationskeimen, die 50 Angstrom stark sind, und einem Angström starken Film 44. Die dünne Schicht ist mit Ausnahme des I-förmigen Bereichs zusammenhanglos. Die Schichten 42, 43 und 44 können z. B. aus Gold und die Schicht 46 aus Indium bestehen.

Das dargestellte Gebilde kann auf zwei verschiedene Arten hergestellt werden. Nach dem ersten Verfahren werden die Schichten 41 und 42 auf den gesamten interessierenden Bereich aufgebracht. Dann werden die Wülste 43 und 44 auf konventionelle Art und Weise durch eine Schablone hindurch aufgedampft. Schließlich wird die Schicht 45 aufgebracht. Sie ballt sich überall, mit Ausnahme des Bereichs 46, zusammen und wird unzusammenhängend. Die einzigen kritischen Schablonenabmessungen sind diejenigen, die für die Aufbringung der Wülste 43 und 44 von Bedeutung sind. Wenn die Schlitze in diesen Schablonen an den Rändern Haare oder Grate aufweisen, werden dadurch die Wülste 43 und 44 verkleinert. Jede Verkleinerung dieser Bereiche entlang ihrer Innenkante bewirkt eine Verbreiterung des Leiters 46, da die Breite des Leiters 46 durch den Teil der Schicht 42 bestimmt wird, der nicht von den Wülsten 43 und 44 bedeckt ist.

Das zweite für die Herstellung des Gebildes verwendbare Verfahren besteht darin, daß die Schicht 41 und die Wülste 43 und 44 gleichzeitig aufgebracht werden. Es wird eine Schablone verwendet, die einen relativ breiten Schlitz von der kombinierten Größe der Wülste 43 und 44 aufweist, über dessen Mitte ein dünner Draht gespannt ist. Bei Aufbringung der Kristallisationskeime durch diesen Schlitz empfängt der direkt unter dem Draht liegende Bereich weniger Gold als die Wülste 43 und 44. Das resultierende Gebilde ist in F i g. 4 A und 4 B gezeigt. Es besteht aus zwei Bereichen mit relativ dicken Schichten von Kristallisationskeimen, die durch einen schmalen Streifen getrennt sind, auf dem sich eine relativ dünne Schicht von Kristallisationskeimen befindet. Abschließend wird die Schicht 45 aufgebracht, die sich an allen Stellen mit Ausnehme des schmalen Streifens 46 zusammenballt und unzusammenhängend wird. Nach diesem Verfahren kann ein viel schmalerer Leiter hergestellt werden als bei Verwendung einer Schablone mit schmalem Schlitz, weil ein schmaler gleichmäßiger Draht einfacher erreicht werden kann als ein schmaler gleichmäßiger Schlitz. Die hier beschriebenen Verfahren stellen eine Umkehrung der herkömmlichen Verfahren dar, da hier ein Leiter entsteht, wo die Schablone keinen Schlitz enthält, während bei den herkömmlichen Verfahren gerade am Ort des Schlitzes in der Schablone ein Leiter entsteht.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen einer dünnen elektrisch leitenden Metallschicht geringer Breitenausdehnung durch Aufdampfen im Hochvakuum unter Anordnen einer monomulekularen Vorbekeimungsschicht aus einem gegenüber dem Metall der leitenden Schicht unterschiedlichen Metall, dadurch gekennzeichnet, daß die effektiv leitende Breitenausdehnung der Metallschicht durch Variation des Dickenabfalls innerhalb des Nebenschattengebietes des durch den Schlitz einer Maske aufzudampfenden Vorbekeimungsmaterials gesteuert wird und daß der Dickenabfall bzw. die Flächenausdehnung des Nebenschattengebietes der Vorbekeimungsschicht ihrerseits durch geeignete Wahl der Parameter Abstand Unterlage—Maskenblende, Abstand Maskenblende—Aufdampfquelle für das Vorbekeimungsmaterial sowie durch die Schichtdicke der Vorbekeimungsschicht im schattenlosen Gebiet gesteuert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung nach dem Aufdampfen kurzzeitig stark erhitzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbekeimungsschicht (32) in Form einer Kalotte aufgebracht wird, so daß sich beim darauffolgenden Aufdampfen des Leiterfilmmaterials (33) eine sehr schmale ringförmige geschlossene elektrisch leitende Metallschicht (35) ausbildet.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbekeimungsschicht (43

bis 44) in Form eines beiderseits von dickeren Wulsten (43, 44) begrenzten Streifens (42) aufgebracht wird, dessen Schichtdicke innerhalb des genannten engen Bereiches liegt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbekeimungsschicht (42 bis 44) zunächst durch Aufdampfen einer gleichmäßig starken Schicht (42), deren Dicke innerhalb des genannten engen Bereichs liegt, und daran anschließend durch Aufdampfen der dickeren Wülste (43,44) aufgebracht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbekeimungsschicht (42 bis 44) durch eine Schablone hindurch aufgedampft wird, die für die beiden dickeren Wülste (43, 44) eine gemeinsame öffnung aufweist, über deren Mitte ein dünner Draht gespannt ist.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für den Leiterfilm Indium, Zinn oder Blei und für die Vorbekeimungsschicht Gold, Silber oder Kupfer verwendet wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 909521/480