DE1446186A1

DE1446186A1 - Verfahren zum praezisen Aufdampfen durch Schablonen

Info

Publication number: DE1446186A1
Application number: DE19621446186
Authority: DE
Inventors: Irving Ames
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1961-11-24
Filing date: 1962-11-24
Publication date: 1968-11-14
Also published as: GB1002359A; JPS404394B1; US3228794A; FR1339920A; NL285523A

Description

Böblingen, 2j5. November 1962 gü-wg

Anmelder: International Business Machines Corporation

• - New York

Amtl. Aktenzeichen: Neuanmeldung

Aktenz. d. Anmelderin: Docket 10 598

Verfahren zum präzisen Aufdampfen durch Schablonen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum präzisen Aufdampfen mehrerer übereinander anzuordnender Muster geringer Abmessungen durch Schablonen, wie es in der Mikrominiaturtechnik zur Herstellung sogenannter integrierter Halbleiterschaltungen, ferromagnetischer und ferroelektrischer Dünnschichtspeicher sowie flächenhafter Kryotronschaltungen Verwendung findet.

Bekannte derartige Verfahren haben den Nachteil, daß bei ihnen die Schablonen zur Erzielung einer guten Übereinstimmung der einzelnen Muster sehr genau hergestellt und gegenüber der die Muster aufnehmenden Unterlage ausgerichtet sein müssen.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren der eingangs genannten Art, bei welchem hierfür die Einhaltung enger mechanischer Toleranzen nicht erforderlich ist. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß den Schablonen für die einzelnen nacheinander aufzudampfenden Muster mindestens eine allen oder mehreren Mustern

809808/0464

-2 --■- ■-,'■'■

gemeinsame weitere Schablone vorgeschaltet wird, deren Öffnungen mindestens bei den kritischen Abmessungen enger sind als die entsprechenden öffnungen der übrigen Schablonen, so daß die kritischen Abmessungen nur von dieser weiteren Schablone bestimmt werden*

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles, in welchem die Herstellung eines sogenannten Parallelkryotrons beschrieben wird,, näher erläutert.

Fig. 1A zeigt eine Anordnung, die sich bei der- praktischen Ausübung der Erfindung vorteilhaft benutzen läßt. Die Vakuumkammer besteht aus einer Glocke 12, welche an einer Grundplatte 14 befestigt is to Um den Zugang zum oberen Teil der Vakuumkammer 10 zu erleichtern, ist der obere Teil 15 der Glocke 12 abnehmbar ausgebildet. In der Grundplatte 14 befindet.sich eine öffnung 16, die durch einen Schlauch 18 mit einer Vakuumpumpe 20 verbunden ist;, die es gestattet, den Druck in der Vakuumkammer 10 auf einen vorherbestimmten Wert zu reduzieren. Um den Druck in' der" Vakuumkam-

-6 '
mer 10 auf etwa 10 mm Hg zu evakuieren, i^t es im allgemeinen erforderlich, die Vakuumpumpe 20 aus mehreren Pumpen aufzubauen, z. B. aus einer mechanische^ Umlaufpumpe und einer öldiffusions-; pumpe. Im unteren Teil der Vakuumkammer 10 befindet sich eine Trägerplatte 22, die durch mehrere Stäbe 24, 26 und 28 über der Grundplatte 14 gehalten wird» Auf der Trägerplatte 22 sind mehrere Ver·*· dampfungsquellen 30, 32 und 34 angeordnet. Im oberen Teil der Vakuumkammer 10 befindet sich die'Unterlage 38, auf der das aus den Verdampfungsquellen verdampfte Material niedergeschlagen wird, so-; wie ein Schablonenträger 40. Von dem Schablonenträger 40 wird eine Schablonenhalter 42 verschiebbar getragen, mit dessen Hilfe eine von mehreren Schablonen 44, 46, 48 und 50 in die Nähe der Unterlage 38 gebracht werden kann* Wie aus Fig.^ 1A ersichtlich .ist, ist die am weitesten links liegende Schablonenstelle des Schablonenhälters 42 leer,-wie es unten noch im einzelnen beschrieben wird«. Die Unterlage 38 ist mit Hilfe zweier Bügel 52 und 54 und zweier

80 9 8 0 8/0 4.5-4-

Bolzen 56 und 58 starr an dem Schablonenträger 40 befestigt.

Wie aus Fig. 1B, einer vergrößerten Darstellung der in Fig. IA gezeigten Anordnung, hervorgeht, befindet sich zwischen der Unterlage 38 und der Schablone 48 eine weitere Schablone, die Hauptschablone 60. Der Schablonenhalter 42 kann durch eine mi.t einem Knopf 64 versehene Stange 62 in Längsrichtung eingestellt werden. Wenn der Schablonenhalter 42 die äußerste rechte Lage geschoben worden ist, steht die Hauptschablone 60, die sich zunächst in der äußersten linken Aussparung des Schablonenhalters 42 befunden hat, in derselben Lage unterhalb der Unterlage 38, wie die Schablone 48 in Fig. 1A und 1B. Danach wird durch Erregen eines Magneten 66 die aus magnetischem Material bestehende Hauptschablone 60 in die in der Zeichnung dargestellten Lage gezogen und darin während des Aufdampfvorganges starr festgehalten. Der Magnet 66 ist an einem Arm 68 befestigt, der verschiebbar auf einem Bügel 70 angeordnet ist. Durch eine Längsbewegung der mit dem Arm 68 verbundenen Stange 72 durch einen außerhalb der Vakuumkammer 10 befindlichen Knopf 75 wird der Magnet 66 aus der gezeigten Lage herausbewegt und so der Zugang zum Austausch der Unterlage 38 ermöglicht. Der Schablonenträger 40 wird von zwei Seitenträgern 74 und 76 festgehalten· Den Verdampfungsquellen 30* 32 und Jk wird von den elektrischen Energiequellen 78, 80 und 82 die zum Verdampfen des in ihnen befindlichen Materials erforderliche Energie zugeführt.

Das Verfahren nach der Erfindung eignet sich ganz allgemein für di· Herstellung aus mehreren Schichten bestehender Festkörperschaltungen. Hier wird es im einzelnen in Verbindung mit der Herstellung eines Parallelkryotrons beschrieben. Ein Kryotron besteht aus einem ersten oder Torleiter, dessen Widerstand durch die Größe des Magnetfeldes eines in einem zweiten oder Steuerleiter fließenden Stromes bestimmt wird. Das Kryotron wird bei einer Temperatur be-· trieben» bei der der Torleiter supraleitend ist, wenn kein Strom durch den Steuerleiter fließt. Ein durch den Steuerleiter fite- . ßender Strom bestimmter Größe erzeugt dann ein Magnetfeld» das.· den Torleiter vom supraleitenden Zustand in den normalleitenden Zustand überführt, so daß der Torleiter dann einen normalen elektri-

8 0 9808/046 4

1446188

sehen Widerstand aufweist. Durch Verbindung der Tor- und Steuerleiter mehrerer Kryotrons miteinander können Verstärker, Oszillatoren und logische Schaltungen aufgebaut werden.

Ursprünglich bestanden die Kryotrons aus einem drahtförmigen Torleiter, um den der Steuerleiter als einlagige Spule gewickelt war. Aus schaltungstechnisehen Überlegungen heraus sowie zur Verringerung ihres Kaumbedarfes und Erhöhung ihrer Arbeitsgeschwindigkeit werden die Kryotrons heutzutage·aus dünnen Schichten hergestellt. Eine Abart dieser Kryotrons sind die Parallelkryotrons, bei denen Torleiter und ein oder mehrere Steuerleiter parallel zueinander verlaufen und untereinander gleich breit sind. Diese ParalleIkryotrons arbeiten im allgemeinen schneller als die üblichen Kryotrons, bei denen der Steuerleiter rechtwinkelig ,zum Torleiter verläuft, weil bei ihnen bei gegebener Induktivität des Steuerleiters in den Torleiter ein größerer Widerstand eingeführt werden kann. Normalerweise weist ein Parallelkryotron keine Stromr verstärkung auf, unter der man das Verhältnis des größtmöglichen Stromes im Torleiter, den dieser ohne Einwirkung eines Steuerstromes führen kann, bevor er in den norrnälleltenden Zustand übergeht, zu dem kritischen Steuerstrom versteht, bei dem es sich um den. geringstmöglichen Steuerstrom handelt, der den supraleitenden Zustand in dem Torleiter ohne die Einwirkung eines durch den Torleiter fließenden Stromes aufzuheben vermag. Eine solche Stromverstärkung ist jedoch erforderlich, wenn ein Kryotron ein zweites steuern soll. Sie kann auch in einem Parallelkryotron erreicht werden, wenn an einem der Steuerleiter des Parallelkryotrons ein Vorspannstrom angelegt wird. Bei der Herstellung von Schaltungen, die mehrere ,. Parallelkryotrons verwenden, muß sichergestellt sein, daß alle Steuerleiter eines Parallelkryotrons genau zueinander und zu dem Torleiter ausgerichtet sind, damit alle Parallelkryotrons genau die gleichen Eigenschaften aufweisen. Weil nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung· ohne weiteres eine genaue Ausrichtung aller Leiter eines Parallelkryotrons gewährleistet ist, eignet sich dieses Verfahren besonders für die Herstellung von Schaltungen, die ParallelkryotrOns enthalten. .

"-. . ■ . ^: \ ■. .---_--- ■ BAD ORIGINAL .

809808/G46/, ■ .

Fig· 2A zeigt die Ansicht eines solchen Paralleikryotrons. Dieses Kryotron umfaßt einen Torleiter 88, über den zwei Steuerleiter 90 und 92 angeordnet sind, die durch Isolierschicht 94 und 96 voneinander elektrisch getrennt sind. Jeder Leiter ist mit zwei Anschlußklemmen versehen: Der Torleiter 88 mit den Klemmen 98 und 100, der Steuerleiter 90 mit den Klemmen 102 und 104 und der Steuerleiter 92 mit den Klemmen IO6 und I08. Das ganze Parallelkryotron ist auf einer Unterlage 38 angeordnet. Pig. 2B stellt einen Querschnitt durch das Parallelkryotron nach Fig. 2A dar, aus welchem zu ersehen ist, daß die Steuerleiter genau senkrecht übereinander und über dem Torleiter 88 ausgerichtet sind.

Die Herstellung des in Fig. 2A gezeigten Parallelkryotrons geschaht nun gemäß der Erfindung folgendermaßen: In die Verdampfungsquellen J50, J>2 und ;54 nach Fig. 1A werden die für den Torleiter, die Steuerleiter und die Isolierschichten benötigten Verdampfungsmaterialien eingebracht. Der Torleiter kann dabei aus Zinn, die Steuerleiter aus Blei und die Isolierschichten aus Silizium Monoxyd bestehen. Dann werden die Schablonen 44, 46, 48, 50 und 60 in den Schablonenhalter 42 eingesetzt und die Unterlage 38 wird am Schablonenträger 40 befestigt. Dann wird die Vakuumkammer 10 luftdicht abgeschlossen und vermittels der Vakuumpumpe 20 bis auf einen Druck von etwa 10~ mm Hg evakuiert· Mittels des Knopfes 64 wird der Schablonenhalter 42 in die äußerste rechte Lage gebracht, in welcher die Hauptschablone 60 senkrecht unter der Unterlage 58 steht· Jetzt wird der Magnet 66 erregt, so daß die magnetische Hauptschablone 60 vom Schablonenhalter 42 abgehoben und unmittelbar unter die Unterlage 38 gebracht wird (Fig. 1B). In dieser Lage wird die Hauptschablone 60 während des ganzen Aufdampfungsprozesses gehalten· Schritt I in Fig. JA zeigt die Unterlage 38 und die Hauptschablone 60. Auf der Unterlage 58 sind bereits die Klemmenpaare 98, 100; 102, 104 und 106, I08 vorgeformt. Die öffnung 110 in der Hauptschablone 60 ist gerade so lang wie der Abstand zwischen den äußersten Enden des Klemmenpaares I06 und IO8. Sie hat die Breite W, die der Breite der Tor- und Steuerleiter des herzustellenden Parallelkryotrons entspricht. Im Schritt I von Fig. JA befindet sich nur die Hauptschablone 60 unmittelbar unter der Unterlage 38. Schritt II

809808/0464

zeigt die Herstellung des Torleiters 88. Hierzu wird durch den Schablonenhalter 42 die Schablone 44, die eine öffnung 112 enthält, unter die Hauptschablone 60 gebracht. Die öffnung 112 ist etwas breiter als die Öffnung 110 in der Hauptschablone βθ; ihre Länge wird durch den Abstand zwischen den äußeren Kanten des Klemmenpaares 98 und 100 bestimmt. Auf diese Weise werden die Torleiterdimensionen durch die Kombination der öffnungen 110 und 112 bestimmt, und zwar entspricht die Breite des'Torleiters der Breite der öffnung 110 und seine Länge derjenigen der öffnung 112. Jetzt wird die das Zinnlenthaltende Verdampfungsquelle so lange erhitzt, bis der Torleiter in der erforderlichen Stärke aufgetragen ist. Fig. 5B zeigt die Querschnitte der in den einzelnen Schritten aufgebrachten Schichten.

Durch den Schritt III von Fig."JA wird die Isolierschicht 94 aufgebracht« Hierzu wird der Schablonenhalter 42 so lange bewegt bis die Schablone" 46 unter der Hauptschablone 60 gebracht ist. Die. Schablone 46 enthält eine Öffnung 114, die wiederum breiter ist als die Öffnung"110 in der Hauptschablone 60 und länger als die Öffnung ■Ί12 in der Schablone 44, aber kurzer ist als der innere Abstand des Klemmenpaares 102 und 104. Jetzt wird die das Silizium " Monoxyd enthaltende Verdampfungsquelle erhitzt und die Schicht 94 auf die Unterlage 38 aufgebracht. Zum Schritt III Fig. ^C muß erwähnt werden, daß dort die Breite der Isolierschicht 94 größer ist als diejenige des vorher aufgebrachten Torleiters 88,"obwohl die Breite jeder dieser Schichten durch die öffnung 110 in der Hauptsöhablone 60 bestimmt wird. Dieses.Ergebnis, das erforderlich ist um die verschiedenen übereinanderliegenden Metallschichten voneinander zu isolieren, wird dadurch erreicht, daß das Silizium Monoxyd in einem relativ schlechten Vakuum aufgedampft wird, bei dem eine deutliche Streuung des verdampften Silizium Monoxyds durch ZusammehstQße der Silizium Mo-noxydmoleküle mit den GasmolekülerPder- Vakuumkammer 10 eintritt,. Andere Möglichkeiten, eine Verbreiterung der ^ ' aufgebrachten Isolierschicht herbeizuführen, bestehen daring ent- -"■" weder den Durchmesser der öffnung der das. Silizium Monoxyd'-'erithal-

980 8/04&Λ8 0

tenden Verdampfungsquelle größer zu machen als denjenigen der öffnung der das Metall enthaltenden Verdampfungsquellen, oder die das ■Silizium Monoxyd enthaltende Verdampfungsquelle näher an die Schablone 46 zu bringen. .

Schritt IV von Fig. ^A stellt die Herstellung des ersten' Steuerlei Gers 90 dar. Durch die Längsbewegung des Schablonenhalters 42 wird jetzt die Schablone 48 an die Hauptschablone 60 heraribewegt. Die öffnung 116 in der Schablone 48 ist wiederum breiter als die öffnung 110 in der Hauptschablone 60 und etwa so lang wie der Abstand zwischen den äußeren Enden der Klemmen 102 und 104. Jetzt entsteht; durc^ Aufdampfen von Blei der Steuerleiter 9O· Schritt IV von Fig„ >B läßt erkennen, daß der Steuerleiter 90 sehr genau die gleiche Breite hat wie der Torleiter 88 und daß er ->3«η diesen durch die Silizium Monoxydschicht 94 isoliert i^t. Es muß auch hier betont werden, daß die Breite aller drei Schichten durch die Öffnung 110 der Hauptschablone 60 bestimmt wird« Jedoch werden die Metallschichten 86 und 90 unter guten Aufdampfungsbedingungen aufgebracht, die Isolierschicht 94 dagegen unter Bedingungen, durch die der Schattierungseffekt der Musterschablone verstärkt wird.

Schi ^χ,ϋ V von Fig. 3A zeigt die Schablonenkombination, die erforderlich ist, um die Isolierschicht 96 aufzubringen. Hier definiert die Schablone 50 mit der öffnung 113, kombiniert mit der Hauptschablone 60 ine Öffnung der Breite W und einer der Länge der Öffnung HS entsprechenden Länge. Jetzt wird.durch diese Schablonenkombination Silizium Monoxyd aufgebracht, um die Schicht 96 zu bilden. Der letste Schritt VI von Fig« j?A ist die Aufbringung des zweiten Steuerleiters 92. Hier ist keine Hilfsschablone nötig, da die öffnung bereits die erforderliche Länge aufweist. Die öffnung 110 könnte natürlich auch langer als der Steuerleiter 92 sein; dann müßte eine weitere Hilfsschablone an die Haupt schablone 60 angelegt xierden, deren öffnung wieder breiter als vi ist und die erforderliche, durch den Steuerleiter 97 bestimmte Länge hat. Schritt VI von Fig. J5B

BAD ORIGINAL ⁿ9808/046 Λ

zeigt, daß alle Metallschichten gleich breit sind und genau übereinander, liegen und daß sie durch die Schichten 94 und 96 vollständig voneinander isoliert sind.

Es sei nochmals darauf hingewiesen, daß während alle Schritte des Aufdampfens die Hauptschablone öO gegenüber der Unterlage ~j>8 starr festgehalten wird, so daß das Problem, mehrere Einzelschablonen nacheinander genau auf die Unterlage auszurichten, um exakt übereinanderliegende Schichten zu erhalten, vollständig ausgeschaltet ist. In der Anordnung nach Fig. 1A ist ein Magnet 66 verwendet · worden, um die Hauptschablone 60 an der Unterlage j& festzuhalten. Natürlich kann jede beliebige Befestigung verwendet xferden, es muß dabei nur gewährleistet sein, daß während des Aufdampfens keine Bewegung der Hauptschablone 60 relativ zur Unterlage 38 stattfindet. Das Verfahren nach der Erfindung ist, obwohl es nur für die Herstellung eines einzigen Parallelkryotrons beschrieben worden ist, auch für das gleichzeitige Aufdampfen mehrerer solcher Parallelkryotrons , die eine umfangreiche elektrische Schaltung bilden, geeignet. In diesem Falle enthält die Hauptschablone 6ü mehrere Öffnungen, durch die zusammen mit deii erforderlichen Hllfsschablonen die Torleiter, die Steuerleiter und die Isolierschichten der Kryotrons aufgedampft werden. Nach beendeter Herstellung der Kryotrons wird die Hauptschablone entfernt, und ansöhließend werden weitere Schablonen verwendet, um die unkritischen Verbindungsleitungen zu bilden.

Das Verfahren nach der Erfindung wurde im Vorstehenden Tür die Herstellung von Parallelkryotrons beschrieben. Es kann jedoch für die Herstellung jeder beliebigen aus mehreren Schichten bestehenden Festkörperanordnung, die im Vakuum aufgedampft wird, benutzt; wer den. So kann es beispielsweise auch zur Herstellung der Bildschirme von Farbfernsehr obren mit ihren vielen eng nebene inaiiderl ie genden schrna- len Streifen sowie ihren "übereinanderliegenden'Schichten aus verschiedenen Materialien verwendet 'werden. "

BAD ORIGINAL

8Ό 9 8 ü-87 "C "4 6-Λ

Claims

Docket 1Q 398 '

23. 11. 1962

gü-wg ■

Patentansprüche

erfahren zum präzisen Aufdampfen mehrerer übereinander anzuordnender Muster geiinger Abmessungen durch Schablonen, dadurch gekennzeichnet, daß den Schablonen (44 bis 50) für die einzelnen nacheinander aufzudampfenden Muster (88 bis 96) mindestens eine allen oder mehreren Mustern gemeinsame weitere Schablone (60) vorgeschaltet wird, deren öffnungen (110) mindestens bei den kritischen Abmessungen (W) enger sind als die entsprechenden öffnungen (112 bis 118) "der übrigen Schablonen, so daß die kritischen Abmessungen nur von dieser weiteren Schablone bestimmt werden.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verbreitern einzelner, z. B. aus Isoliermaterial (SiQ) bestehender Muster (94, 96) an den Stellen mit kritischen Abmessungen (W) das Vakuum niedriger, die Austrittsöffnung des das zu verdämpfende Material (SiO) enthaltenden Schiffchens (30 bis 34) größer oder auch der Abstand dieses Schiffchens 00 bis 34) von der die Muster aufnehmenden Unterlage (38) geringer gewählt wird, als bei den übrigen Mustern.»

QQ98Q8/Q464