DE1521363B2 - Vorrichtung zur Überwachung der Aufdampfung in einer Vakuumanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Überwachung der Aufdampfung in einer Vakuumanlage.-'.■.-.■■■..■.. ■ :' . . ... ;··.·■.

Bei der Aufdampfung in einer Vakuumanlage ist es bekannt, einen das zu verdampfende Material aufnehmenden Tiegel, eine Elektronenkanone und eine magnetische, den Elektronenstrahl in einem Bogen in den Tiegel leitende Fokussiereinrichtung zu verwenden. Eine Vorrichtung zur Überwachung der Aufdampfung ist bei dieser Ausführungsform nicht bekannt (US-PS 31 77 535).

Bei einer anderen, der Aufdampfung in einer Vakuumanlage dienenden Anordnung gemäß US-PS 31 68 418 wird die Verdampfungsgeschwindigkeit des zu verdampfenden Materials gemessen und zur Steuerung der Erhitzung des Tiegels benutzt. Bei dieser Ausführungsform findet keine magnetische Fokussiereinrichtung für den Elektronenstrahl Anwendung, sondern in der Vakuumanlage ist eine Beheizungszone und eine von dieser getrennte Meßzone vorgesehen. Die Beheizungszone besteht aus einem als Anode dienenden, das zu verdampfende Material aufnehmenden Tiegels und aus einer diesen unterhalb seiner oberen öffnung umgebenden als Kathode dienenden Drahtschleife, wobei der Tiegel die von der Drahtschleife ausgehenden Elektroden zum Zwecke der Beheizung aufnimmt. Die Meßzone besteht aus zwei kommunizierenden Ionisationskammern, wobei die eine Kammer im Weg des aus dem Tiegel aufsteigenden verdampften Materials und die andere Kammer außerhalb dieses Weges liegt. Durch die beiden Kammern wird ein Elektronenstrahl gerichtet, der den Dampf in den beiden Kammern ionisiert. Der Ionenstrom in der einen Kammer ist eine Funktion der Verdampfungsgeschwindigkeit und des Gasdruckes, während der Ionenstrom in der anderen Kammer eine Funktion lediglich des Gasdruckes ist. Die Differenz zwischen den beiden lonenströmen ist proportional der Verdampfungsgeschwindigkeit. Eine Dichtmessung des dampfförmigen Materials erfolgt also nicht.

Die Dichte der aus dem Tiegel aufsteigenden Dampfwolke ist aber insoweit besonders kritisch, als sie die Niederschlagsgeschwindigkeit des Aufdampfungsguts auf den Schichtträger wesentlich beeinträchtigt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einer der Aufdampfung in einer Vakuumlage dienenden Einrichtung, die eine magnetische, den Elektronenstrahl in einem Bogen in den Tiegel leitende Fokussiereinrichtung besitzt, eine Vorrichtung zur Überwachung der Dampfdichte zu schaffen, die eine Einrichtung zum Sammeln von Sekundärelektronen benutzt, um eine Anzeige der Dampfdichte im Inneren der Vakuumanlage zu erhalten.

Diese Aufgabe kennzeichnet sich erfindungsgemäß durch wenigstens ein elektrisch leitendes, quer zu den Linien des Magnetfeldes der Fokussiereinrichtung liegendes und benachbart zur Dampfwolke angeordnetes Element, das eine positive Spannung aufweist, um lediglich die durch Ionisation der Dampfwolke oberhalb des Tiegels gebildeten sekundären Elektronen niedriger Geschwindigkeit aufzufangen, wobei der über das Element fließende Strom ein Maß für die Dampfdichte ist.

Weitere Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis der Anmelderin, daß bei einer magnetischen, den von einer Elektronenkanone erzeugten Elektronenstrahl dem Tiegel zuführenden Fokussiereinrichtung diese die durch Ionisation der Dampfwolke erzeugten sekundären Elektronen in ihrem elektrischen Feld auffängt, wobei sich diese sekundären Elektronen in einer Schraubenlinie entlang der Kraftlinien des elektrischen Feldes bewegen, und diese sekundären Elektronen, wenn sie zur Dichtmessung verwendet werden, einen höheren und damit besser geeigneten Meßwert erhalten, als wenn die von der Elektronenkanone erzeugten Primärelektronen, die eine wesentlich höhere Geschwindigkeit als die Sekundärelektronen besitzen, zur Dichtmessung verwendet werden. .

Wenn ein Elektron in das Magnetfeld auf einer zu den Feldlinien senkrechten Richtung eintritt, wird seine Bewegungsbahn in einen Kreis umgewandelt. Der Radius dieses Kreises ist eine Funktion der Geschwindigkeit des Elektrons und der Intensität des Magnetfeldes. Die Primärelektronen aus der Elektronenkanone treten bei so hoher Geschwindigkeit in das Magnetfeld ein, daß ihre Bewegungsbahn die Form eines Bogens an Stelle eines vollständigen Kreises erhält. Jedoch bewegen sich sich langsamer vorbewegende Elektronen mit einer Energie in der Größenordnung von 100 eV, die in eine Magnetflußdichte von 200G eintreten, auf einer kreisrunden Bewegungsbahn mit einem Krümmungsradius von etwa 1,69 mm. Wenn ein Elektron in das Magnetfeld auf einer zu den Feldlinien sowohl parallele als auch senkrechte Komponenten aufweisenden Bewegungsbahn eingebracht wird, hat die Bewegungsbahn des Elektrons in dem Magnetfeld bei zu den Magnetflußlinien paralleler Mittelebene die Form einer Schraubenlinie.

Beim Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird beim Eintreten der durch die Elektronenkanone

erzeugten Primärelektronen in die dichte Dampfwolke oberhalb des Tiegels ein geringer Prozentsatz der neutralen Dampfatome durch einen Zusammenstoß zwischen den neutralen Dampfatomen und den Primärelektronen ionisiert. Die so erzeugten Dampfionen zeigen auf Grund ihrer erheblichen Masse gegenüber der Masse der auf sie auftreffenden Primärelektronen eine sehr geringe Veränderung ihres Energieinhalts als Auswirkung dieses Zusammenstoßes. Die durch die kollidierenden Primärelekironen aus den neutralen Dampfatomen freigesetzten Sekundärelektronen nehmen fast immer etwas mehr kinetische Energie auf, als für ihre Freisetzung aus den einzelnen Dampfatomen erforderlich ist. Da sich die Sekundärelektronen langsamer bewegen als die Primärelektronen, hält sie der Magnetfluß in der Dampfwolke länger fest, und sie sind somit bei der Erzeugung einer weiteren Ionisierung anderer neutraler Dampfatome wirksamer als die Primärelektronen.

Die Sekundärelektronen werden aus den Atomen in allen möglichen Richtungen freigesetzt. Als Folge des geringen Krümmungsradius ihrer Bewegungsbahn ist es ihnen unmöglich, aus dem Magnetfeld in einer zu den Feldlinien senkrechten Richtung zu entkommen. Die Sekundärelektronen bewegen sich daher entlang Schraubenlinien, deren Richtung zu den Feldlinien parallel verläuft, so daß sie auf die elektrisch leitende Platte auftreffen. Diese schraubenförmige Bewegung der freigesetzten Elektronen führt zu einer größeren Bahnlänge und somit zu einer größeren Möglichkeit zu mehr Ionisierungszusammenstößen, bevor die Sekundärelektronen die Platte erreichen.

Um das Auffangen der Sekundärelektronen zu unterstützen, wird an die in der Nähe der Polflächen angeordneten elektrisch leitenden Platten ein positives Potential angelegt. Durch Erhöhung der Spannung bis auf ein Mehrfaches der Spannung des Ionisierungspotentials wird eine Verstärkung erreicht, die mehrere Größenordnungen höher sein kann als der Primärelektronenstrom. Durch Anordnung der elektrisch leitenden Platten an beiden Enden des Magnetfeldes werden die freigesetzten Sekundärelektronen bei ihrer Bewegung entlang der Kraftlinien des Magnetfeldes aus der Dampfwolke heraus an den Platten gesammelt. Die an den Platten gesammelten Elektronen fließen über ein Amperemeter, dessen Ausschlag der Intensität der Dampfwolke proportional ist.

Die Zeichnungen zeigen eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung, und es bedeutet

F i g. 1 Ansicht einer der Aufdampfung dienenden Einrichtung im Schnitt,

F i g. 2 Aufsicht gemäß Linie 2-2 der F i g. 1,

F i g. 3 graphische Darstellung der Betriebskenndaten'.

Wie die F i g. 1 und 2 zeigen, ist in einem geschlossenen Gehäuse 25 ein Tiegel 13 angeordnet, in dem ein aufzudampfendes Material 15, beispielsweise Kupfer, aufgenommen ist. Um das Aufdampfmaterial 15 zu erhitzen, ist eine Elektronenkanone 17 vorgesehen, deren Elektronenstrahl mit einer magnetischen Fokussiereinrichtung 19,41 in den Tiegel 13 gelenkt wird.

Außerdem ist eine Überwachungsvorrichtung 20 vorgesehen, die aus wenigstens einem in der Nähe des Teils 41 der Fokussiereinrichtung 19 angeordneten elektrischen Teils 21 besteht. Eine Stromquelle 23 führt dem elektrisch leitenden Teil 21 eine positive Spannung zu, so daß während des Betriebs Elektronen dem leitenden Teil 21 zufließen. Der so erzeugte Elektronenstrom steht zu der Verdampfungsgeschwindigkeit des Aufdampfguts 15 in funktioneller Beziehung.

Die gesamten der Aufdampfung und der Überwachung dienenden Teile sind in einem eine Kammer 27 bildenden geschlossenen Gehäuse 25 aufgenommen, die mit einer Vakuumpumpe 29 versehen ist; die Vakuumpumpe 29 dient der Evakuierung der Kammer 27, so daß in ihr ein Vakuum in der Größenordnung von 1,1O^-3 Torr unterhalten werden kann. Im Inneren der Kammer 27 ist auf einer an der Decke befestigten Plattform 33 ein durch Aufdampfung zu beschichtender Schichtträger 31 angeordnet.

■ Der Tiegel 13 ist im Inneren der Kammer 27 so angeordnet, daß die aus dem Tiegel aufsteigenden Dämpfe des Aufdampfungsgutes auf dem Schichtträger 31 niederschlagen. Der Tiegel 13 besteht aus inertem Material und kann auf seiner Außenseite mit Wasserkühlung versehen sein, um eine Reaktion des Tiegelmaterials mit dem in dem Tiegel enthaltenen erhitzten Aufdampfgut 15 zu verhindern.

Das Aufdampfgut 15 wird mit Hilfe des durch die Elektronenkanone 17 erzeugten Elektronenstrahls verdampft. Die Elektronenkanone 17 besitzt eine als Kathode ausgebildete Emissionsfläche 36, die durch eine Stromquelle 37 gespeist wird. Die erzeugten Elektronen werden mit Hilfe einer gegenüber der Kathode positiven Anode 39 auf eine Geschwindigkeit beschleunigt und in einem Strahl in den Tiegel 13 hineingelenkt. Die Anode 39 wird gespeist über einen anderen Anschluß aus der Stromquelle 37. Die durch die Elektronenkanone 17 erzeugten Elektronen sind Primärelektronen Wie in F i g. 1 gzeigt ist, ist jede Elektronenkanone unterhalb der oberen öffnung des Tiegels 13 angeordnet, so daß ein Mindestmaß an Kontakt mit den aus dem Tiegel 13 aufsteigenden Dämpfen gegeben ist.

Die magnetische Fokussiereinrichtung 19 ist zum Tiegel 13 so angeordnet, daß sie den Strahl aus Primärelektronen über den Rand des Tiegels hinweg auf das in ihm befindliche Aufdampfgut 15 richtet. Die Fokussiereinrichtung 19 erzeugt ein Magnetfeld, das die offene Oberseite des Tiegels 13 überbrückt und zur Richtung des Elektronenstrahls quer verläuft. Zu diesem Zweck enthält die Fokussiereinrichtung einen hufeisenförmigen Magnetkern 41 mit einander gegenüberliegend angeordneten Polflächen 43 und 45. Der Eisenmagnetkern hat einen rechteckigen Querschnitt. Der Mittelabschnitt des Kerns 41 ist mit einer umwickelten Spüle versehen, die aus einer nicht dargestellten Stromquelle mit Gleichstrom gespeist wird, so daß zwischen den Polflächen 43,45 ein Magnetfeld entsteht. Die Polflächen des Kerns 41 sind so angeordnet, daß das erzeugte Magnetfeld die obere Seite des Tiegels 13 überbrückt.

Die elektrisch leitenden Teile 21, 21a der Überwachungsvorrichtung besitzen die Form von zwei rechtekkigen, elektrisch leitenden Platten. Die Platten 21, 21a bestehen aus einem nicht magnetischen Werkstoff, der eine ausreichende Hitzebeständigkeit besitzt. Als Material sind insbesondere Wolfram oder Tantal geeignet. Die Platten sind elektrisch leitend, müssen jedoch aus einem Werkstoff bestehen, der die Linie des Magnetfelds hindurchtreten läßt. Die Platten 21,21a sind rechteckig und etwas größer als die Polflächen 43, 45. Wie F i g. 2 zeigt, sind die beiden Platten 21, 21a jeweils zu der Polfläche 43, 45 parallel und von ihr in geringem Abstand angeordnet, wobei sie mit Hilfe geeigneter Isolatoren von den Polflächen gehalten werden. An Stelle von zwei elektrisch leitenden Platten 21, 21a

kann auch eine oder mehr als zwei Platten angeordnet werden. Der Kern 4t kann von dem ihn umgebenden Gerät in geeigneter Weise isoliert sein, und die Polflächen 43,45 können auch an Stelle der elektrisch leitenden Platten 21,21a verwendet werden.

Um das Auffangen der Sekundärelektronen aus den Platten 21, 21a zu erleichtern, ist eine Gleichstromquelle 23 vorgesehen, die an die Platten eine positive Spannung anlegt. Die Stromquelle 23 liefert ein positives Potential, das von einem Bruchteil eines Voltes bis zu mehr als die Ionisierungsspannung der Dampfatome beträgt. Der Minuspol der Stromquelle 23 ist geerdet. Zwischen der Stromquelle 23 und den Platten 21, 21a ist ein Milliamperemeter 55 angeordnet.

Beim Betrieb wird der durch Aufdampfung zu beschichtende Schichtträger 31, sich mit der offenen Seite des Tiegels 13 deckend, an der Plattform 33 befestigt. Das Aufdampfgut 15 wird in den Tiegel 13 eingebracht, worauf die Elektronenkanone 17 aus der Stromquelle 37 gespeist wird. Gleichzeitig wird der Spule 47 Gleichstrom zugeführt, so daß quer zur Oberseite des Tiegels ein Magnetfeld erzeugt wird. Das so erzeugte in Querrichtung verlaufende Magnetfeld lenkt den Strahl aus Primärelektronen über die Kante des Tiegels 13 auf das Aufdampfgut, so daß über dem Tiegel eine Dampfwolke entsteht, die in dem Gehäuse 25 der Kammer 27 hochsteigt und sich auf dem Schichtträger 31 niederschlägt.

Die Eichung des Milliamperemeters 55 erfolgt vorzugsweise empirisch. Hierbei ist zu empfehlen, gesteuerte Verdampfungsvorgänge durchzuführen, um den an den Platten 21, 21a gesammelten Strom zu gemessenen Aufdampfungsmengen bzw. Aufdampfungsgeschwindigkeiten in Beziehung zu setzen. Nachdem das Verhältnis ermittel worden ist, braucht die Intensitat der Elektronenkanone 17 nur noch auf die Soll-Ablesung des Amperemeters eingestellt zu werden, um die erforderliche Aufdampfungsgeschwindigkeit zu erhalten.
F i g. 3 zeigt eine empirisch ermittelte Eichkurve. Der beim Festlegen dieser Kurve benutzte Ofen erhielt einen Kohlenstofftiegel mit einem Durchmesser von 25,4 mm, in dem als Audampfgut Kupfer vorhanden war. Zum Audampfen wurde ein 5-kV-ElektronenstrahI mit einem Strom von 10OmA benutzt. Die elektrisch leitenden Platten 21, 21a wurden auf einem positiven Potential von etwa 100V gehalten. Die in Fig.3 dargestellte Kurve 57 zeigt das Verhältnis zwischen dem Anodenstrom der Platten (Ordinate) und der Aufdampfung pro Zeiteinheit für die besondere Versuchseinrichtung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Überwachung der Aufdampfung in einer Vakuumanlage, bestehend aus einem das zu verdampfende Material aufnehmenden Tiegel, einer Elektronenkanone und einer magnetischen, den Elektronenstrahl in einem Bogen in den Tiegel leitenden Fokussiereinrichtung, gekennzeichnet durch wenigstens ein elektrisch lei- tendes, quer zu den Linien des Magnetfeldes der Fokussiereinrichtung liegendes und benachbart zur Dampfwolke angeordnetes Element (21), das eine positive Spannung aufweist, um lediglich die durch Ionisation der Dampfwolke oberhalb des Tiegels gebildeten sekundären Elektronen niedriger Geschwindigkeit aufzufangen, wobei der über das Element fließende Strom ein Maß für die Dampfdichte ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß zwei aus nicht magnetischem Material bestehende Elemente (21,21a) vorgesehen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die magnetische Fokussiereinrichtung zwei einander gegenüberliegende Polflächen aufweist, zwischen denen ein Magnetfeld erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (21, 21a) parallel zu den Polflächen angeordnet sind und die Gleichstromspannungsquelle (23) an beiden Elementen (21, 21a) angeschlossen ist.