DE1621306A1 - Verfahren zum Aufdampfen von duennen Schichten hoechster Reinheit und Anordnung zur Durchfuehrung des Verfahrens - Google Patents

Description

• Verfahren. zum Aufdampfen von dünnen Schichten höchster Reinheit und Anordnung zur Ichführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren. zum Aufdampfen von dünnen Schichten höchster Reinheit sowie eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens. Zu diesem Zweck sind bereits verschiedene Verfahren bekannt. So verwendet ein erstes bekanntes Verfahren einen Ofen. Nachteilig ist dabei $ - daß sich Verunreinigungen selbst bei besten, Ofenmaterialien kaum vermeiden lassen: und Werte erreichen,-die dieses Verfahren von vielen Anwendungen in der Halbleitertechnologie ausschließen. ' Ein weiteres bekanntes Verfahren bedient sich der ,tho® denzerstäubung, die insbesondere für die Herstellung hochreiner dünner Schichten. bedeutungsvoll ist. Nachteilig ist dabei der sehr hohe Aufwand und die Tatsache, daß ein bestimmter Gasdruck nicht unterschritten werden kann.
• Weiterhin.ist die Verwendung des Blektroiaenstrahls als Energiequelle bekannt® Nachteilig ist dabei, daß die Blektronenkanone mit im Vakuumgefäß untergebracht werden muß. Außerdem besteht die Gefahr, daß durch die glühende Kathode Verunreinigungen in die herzustellende Schicht gelangen, falls man nicht erheblichen Aufwand treibt, Schließlich ist die Verwendung gepulster Zaser bekannt. Diese liefern zwar für die Dauer des Impulses eine hinreichend: hohe Leistungsdichte im Brennpunkt einer geeigneten Linse, um sehr viele Materialien zu verdampfen, aber die über längere Zeit im Mittel abgegebene Leistung ist verhältnismäßig'gering.'Entsprechend klein ist die mittlere Verdampfungerate. Außerdem erzeugt jeder einzelne Laserimpuls eine aufgedampfte Schicht nur sehr geringer Dicke. Bei den zur Verfügung stehenden Impulsfolgefrequenzen und dem erreichbaren Vakuum besteht überdies die Gefahr, daß sich zwischen den einzelnen Schichten Verunreinigungen ansammeln. Außerdem wird die Substanz in vielen Fällen während der kurzen Impulsdauer quaei adiabatisch so stark aufgeheizt, daß sie nicht nur verdampft, sondern auch flüssige und feste Teilchen in die Umgebung geschleudert werden, die die Qualität des aufgedampften Films beeinträchtigen. Eine Abschwächung der Impulsleistung würde nur die ohnehin schon kleine Verdampfungsrate noch weiter verringern. Schließlich setzt die geringe mittlere Leistung des gepulsten Lasers voraus, ds;ß die Strahlung mit Hilfe eines kurzbrennweitigen.Abbildungssystems fokussiert wird, das sich in der Nähe der Oberfläche des Verdampfungsgutes befinden mufl. Es läßt sieh daher kaum vermeiden, daß durch den Verdampfungsprozeß auch die optischen Komponenten in Mitleidenschaft gezogen werden.
• Die-geschilderten Nachteile bekannter Verfahren werden erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß als Energiequelle ein kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich emittierender Hoehleistungslaser verwendet ist: Ein solcher Hochleistungslaser muß folgenden Forderungen entsprechen: 1. Sein Wirkungsgrad muß möglichst hoch liegen (z.Bo : 10%) , so daß er in der Lagen ist, eine- Leistung in der Größenordnung von 40 W und mehr kontinuierlich abzugeben, ohne unlösbare Kühlprobleme aufzuwerfen.
• 2. Die Wellenlänge der von dem Hochleistungslaser emittierten Strahlung soll in einem Bereich liegen, in. dem möglichst viele Substanzen stark absorbieren.
• Unter quasikontinuierlich ist zu verstehen, daß die Spitzenleistung der Impulse höchstens soviel größer ist als die mittlere Leistung, daß noch keine Überhitzüng der Substanz im oben geschilderten- Sinne erfolgt. Diese Anforderungen werden in hervorragendem Maße von einem C02-Zaser erfüllt.
• Das erfindungsgemäße Verfahren bietet verschiedene Vorteile. Die hohe Ausgangsleistung eines solchen Lasers gewährleistet hohe Verdampfungsraten.-Dadurch, daß der Laser eine Strahlung sehr hoher Leistung kontinuierlich abgibt, ist es möglich, die zugeführte Verdampfungsenergie auf die Eigenschaften der zu verdampfenden Substanzen abzustimmen. Durch die quasi punktförmige Zuführung der Verdampfungsenergie wird nur das Verdampfungsgut selbst lokal erhitzt. Die Gefäßwände bleiben kalt und können erforderlichenfalls noch zusätzlich gekühlt werden. Verunreinigungen durch die Gefäßwände oder ehemische Reaktionen mit dem Tiegelmaterial werden vermieden. Ferner kann bei beliebig niedrigen Drücken gearbeitet werden,-wie es für die Herstellung hochwertiger Schichten erforderlich ist. Schließlich ist man unabhängig von der elektrischen Zeitfähigkeit des Verdampfungsgutes. Selbstverständlich lassen sich auch hochisolierende Substanzen verdampfen.
• Besonders vorteilhaft hinsichtlich der Einfachheit und der-Möglichkeit, sehr hohe Reinheitsgrade zu erreichen, ist das erfindungsgemäße Verfahren bei der Herstellung von Siliciumnitridschichten. Außerdem bietet das erfindungsgemäße verfahren die Möglicbkeit, Siliciümdioxydschichteri herzustellen, da aus einem kalten Tiegel heraus verdampft wird und somit Tiegelrfaktionen vermieden werden. Eine mögliche Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt die Figur. Die Strahlung des Hochleistungslasers A passiert einen kontinuierlich einstellbaren Abschwäoher B und wird durch ein geeignetes optisches System C (Zinse, Hohlspiegel oder-dgl.) auf das Verdampfungsgut D im Hochvakuumgefäß E fokussiert, das ein für die laserstrahlung transparentes Fenster F besitzt, welches z.B. aus Na0l, K01 oder aus Ge mit einem spezifischen Widerstand von mehr als 40 Ohm.cm besteht, - Die Bestrahlungsstärke kann entweder mit dem Abschwäche" B oder mit der Pokussiereinrichtung 0 eingestellt werden. In letzterem Falle wird die -Zaserausgangeleistung voll genutzt" während man -sich im ersteren Falle die bekannten Vorteile der fast punktförmigen Verdampfungsquelle (Aufdampfen durch Masken) bewahrt. Die erfindungsgemäße Anordnung bietet dabei den Vorteil, daß die optischen Elemente (Abschwächen B, Abbildungssystem 0 und gegebenenfalls eine Ablenkvorrichturig X) außerhalb des Vakuumgefäßes E angeordnet werden-können. Das das Verdampfungsgut aufnehmende Gefäß G ist zweckmäßigerweise mit einer -Kühlvorrichtung versehen. Um jede Aufheizung der Gefäßwände G zu vermeiden, sind diese so beschaffen, daß: sie die Laserstrahlung möglichst vollständig reflektieren. Während des Ausheizens-ist das Trägermaterial H, auf dem die dünne Schicht gebildet werden soll, in bekannter Weise mit einen Drehschieber d abgedeckt.
• Stark reflektierende Materialien können ebenfalls verdampft werden, wenn sie in. genügend fein verteilter Form vorliegen. Um zu verhindern, daß wesentliche Teile der Strahlung an der entsprechenden freien Oberfläche der geschmolzenen Substanz reflektiert werden, ist es zweckmäßig, das Verdampfungsgefäß oder den Laserstrahl zu bewegen und auf diese Weise ständig neue, diffus reflektierende Oberflächen dem haserstrahl zuzuführen.
• Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildüng der erfindungsgemäßen Anordnung können zwei oder mehr Verdampfungsquellen dadurch erzeugt werden, daß der Laserstrahl mit einem oder mehreren hinsichtlich ihrer Teilverhältnisse einstellbaren Strahlenteiler in zwei oder mehr Strahlen aufgespalten wird. Ein solcher Strahlenteiler, der z.B, auf dem Prinzip der gestörten.Totalreflezion beruht, läßt sich für eine Strahlung mit der Wellenlänge 10,6J-z.B. mit zwei Na01-Prismen verwirklichen. Die beiden Strahlen werden dann durch ein geeignetes optisches System auf-die Verdampfungsquellen fokussiert. Mit Hilfe des (der) Strahlenteiler(s) kann das Verhältnis der Verdampfungsraten optimal eingestellt werden.
• Anstelle einer solchen Anordnung mit Strahlenteilern kann.auch ein multifokales Abbildungssystem verwendet werden,@als das gegebenenfalls das Fenster F ausgebildet ist. Unter einem multifokalen Abbildungssystem wird dabei eine Anordnung verstanden, die mehrere Brennpunkte besitzt. Ein solches System kann z.B. dadurch hergestellt werden,. daß man Fresnel'sche Zonenplatten in geeigneter Weise überlagert und als Phasenstruktur z.B. in hochreines Germanium ätzt.
• Eine derartige Anordnung dient zur Brzeugung spezieller Schichten durch Kondensation aus Dampfgemischen. Diese Möglichkeit hat in letzter Zeit im Zusammenhang mit der Erzeugung dünner Schichten von Verbindungen wie z.B. Cadmiumselenid, Wismuttellurid und von III-V- Verbindungen zunehmend an Bedeutung gewonnen, da sich diese Verbindungen aufgrund der unterschiedlichen Dampfdrücke ihrer Komponenten beim Aufheizen normalerweise thermisch-zersetzen*

Claims (12)

1. Patentansprüche: 1. Verfahren zum Aufdampfen von dünnen Schichten, dadurch gekennzeichnet, daß als Energiequelle ein kontinuierlich oder quasikontinuierlich emittierender Hochleistungslaser verwendet ist.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch-gekennzeichnet, daß der Zaser ein C02-Laser ist.
3. 3. Anordnung zur »urchführung-des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ,gekennzeichnet, daß das an sich bekannte Hochvakuumgefäß (B) ein Fenster (F) für den Eintritt des von einer außerhalb des Hochvakuumgefäßes (E) angeordneten,Hochleistungslasers (A) emittierten Strahles aufweist.
4. 4. Anordnung-nach Ansprach 3, dadurch gekennzeichnetf daß außerhalb des Hochvakuumgefäßes (E) ein Abschwächer (B) vorgesehen ist.
5. 5: Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb des Hochvaküumgefäßes (B) eineFokussiereinrichtung (0) vorgesehen ist.
6. 6. Anordnung nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekenn-# zeichnet, daß außerhalb des Hochvakuumgeiäßes (E) eine steuerbare Ablenkvorrichtung, z.B. ein Spiegel. (K), vorgesehen ist.
7. 7. Anordnung nach Anspruch 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdampfungsgefäß (G) kühlbar ist. B.
8. Anordnung nach Anspruch 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwände des Verdampfungsgefäßes (G) eine die Laserstrahlung reflektierende Oberfläche aufweisen.
9. 9.Anordnung nach Anspruch 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Strahlenteiler vorgesehen sind.
10. 10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das (die) Teilverhältnis (se) des (der) Strahlenteiler (s) einstellbar ist (sind).
11. 11. Anordnung nach Anspruch 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein ein- oder multifokales-Abbildungssystem vorgesehen ist.
12. 12. Anordnung nach Anspruch 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (F) als ein- oder multifokales Abbildungssystem ausgebildet ist.