DE1917406A1

DE1917406A1 - Verfahren und Geraet zur Materialbedampfung

Info

Publication number: DE1917406A1
Application number: DE19691917406
Authority: DE
Inventors: Roman Leonard Frank; Elliott George Hamilton
Original assignee: ISOFILM INTERNATIONAL CHATSWOR
Current assignee: ISOFILM INTERNATIONAL CHATSWOR
Priority date: 1969-04-03
Filing date: 1969-04-03
Publication date: 1970-10-15
Also published as: NL6905343A; FR2036831A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und Gerät zum Aufdampfen von Materialien und insbesondere ein verbessertes Gerät und Beschichtungsverfahren im Ultrahochvakuum, mit dem kohärente, mono-atomare' Schichten aus leitenden, nicht-leitenden und halbleitenden Materialien gebildet werden können. Es sind Vorrichtungen vorgesehen, mit denen mehrere, dünne Schichten aus vordotierten Halbleitermaterialien aufgedampft werden können, die zur Herstellung elektronischer Bauelemente verwendet werden können.

Bei herkömmlichen Bedampfungsverfähren ergeben sich Probleme und Schwierigkeiten, da mit den herkömmlichen Apparaturen keine reine, staubfreie Umgebung geschaffen

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if, Dipl.-Wirtiai.-Tng. Axel Hansmann, Dipl.-Phys.!

Patentanwalt« Dipl.-Ing. Martin Licht", Dipl.-Wirtsdi.-Tng. Axel Hansmann, Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann OppenauerBOro. PATENTANWALT DR. BiJNHOlD SCHMIDT

und der Reinheitsgrad des verdampften Materials nicht in dem Maß aufrechterhalten werden kann, wie für dünne Halbleiterschiehten erforderlieh ist, da die Ionen-Beschichtungsverfahren im Ultrahoehvakuum nicht durchgeführt werden können· Ein weiteres Problem dieser herkömmlichen Technik besteht darin, daß sich die Auffangelektrode elektrisch auflädt und den aus der lonenwolke erzeugten Ionenstrom abstößt. Wenn die Auffangelektrode in herkömmlicher Weise geerdet wird, fließt in dem neugebildeten Film ein Strom, der das zur Kristallisation dienende Feld unterbricht und dadurch Störungen der Schichtstruktur verursacht. Dieses sind nur einige der zahlreichen, im Zusammenhang, mit den herkömmlichen Anlagen auftretenden Probleme.

Die vorliegende Erfindung bietet eine Lösung dieser Schwierigkeiten und !Probleme, indem sie ein neuartiges Verfahren und Gerät schafft, das eine Dampf wolke aus dem aufzudampfenden Material erzeugt und daraus eine kohärente Schicht auf einer Sulbstratplatte bildet. Hierfür enthält die Apparatur eine Vakuumkammer, in der sich an ihrem einen Ende eine Substratplatte oder Auffangelektrode und au ihrem anderen Ende ein neuartiger Behälter für das Schichtmaterial befindet· Der Behälter für das Schichtmaterial kann Materialien verschiedener Leitfähigkeitselgenscbaften aufnehmen und ist in der Vakuumkammer beweglich angebrachtj, so daß ausgewähltes Schichtmaterial einer neuartiges Vorrichtung zum Erhitzen des Materials ausgesetzt werden kann,.die eine starke,

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örtliche Erhitzung der Oberfläche des Schichtmaterials bewirkt. Die Heizvorrichtung erzeugt einen Elektronenstrom mit konischer Hüllkurve, wodurch die Anzahl an erzeugten Elektronen größer ist, als auf andere Weise müglich wäre, ohne daß dadurch die Entstehung einer Dampfwolke verhindert würde. Der konische Elektronenstrom wird auf die Oberfläche des aufzudampfenden Schichtmaterials fokussiert, so daß durch die starke Erhitzung eine Materialschmelze und daraus die Dampfwolke entsteht. Auf die Dampfwolke wirkt ein Ionisator, der aus dem dampfförmigen Schichtmaterial auf elektrischem Wege eine Ionenwolke erzeugt· Der Ionisator gestaltet die Ionenwolke und transportiert sie in einen Laufraum innerhalb der Vakuumkammer, so daß die Ionen aus der Ionenwolke auf die Substratplatte gelangen können. Um zu verhindern, daß die Substratplatte und die zugehörige Befestigungsvorriehtung zu stark positiv aufgeladen werden, ist eine Elektronenquelle vorgesehen, die an die Auffangelektrode und die Haltevorrichtung Elektronen abgibt, die die Wirkung der positiv geladenen Ionen kompensiert.

Ein Erfindungsmerkmal betrifft einen in der Apparatur vorgesehenen, ringförmigen Elektromagneten, der ein homogenes Magnetfeld in Richtung der zentralen Achse der Vakuumkammer erzeugt. Das Feld begrenzt und gestaltet das Ionenplasma im Bereich des Ionisators, was dazu beiträgt, den Eaumladujgsdruck im Ionisationsbereicis aufrechtzuerhalten« Auch im Bereich der Auffangelektrode ist äas Feld homogen

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und trägt dazu bei, daß sich auf der nicht reagierenden, kristallinen Substratplatte eine homogene, kohärente Schichtstruktur bilden kann, die im wesentlichen parallel zur Substratoberfläche verläuft·

Bei der vorliegenden Erfindung ist eine hohe Energie erforderlich, um den Film auf die Substratplatte aufzubringen, wodurch ein Film geschaffen wird, der fest an der Oberfläche der reinen Substratplatte anhaftet. Ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung betrifft die Möglichkeit, große Mengen an Material mit sehr hoher Energie unter verschiedenen Einfallswinkeln oder senkrecht zur Substratplatte auf die Oberfläche aufzubringen, und zwar nicht als rissige Schicht sondern als Film, der eine homogene, kohärente Struktur maximaler Dichte besitzt und aus halbleitenden, leitenden und nichtleitenden Materialien bestehen kann. Es ist nicht ungewöhnlich, mit dem vorliegenden Verfahren Strukturen zu bilden, die über die gesamte Substratoberfläche kohärent sind.

Eine weitere Aufgabenstellung der Erfindung betrifft einen neuartigen Tiegel zur Aufnahme des geschmolzenen Schichtmaterials, das sehr hohe Temperaturen, etwa 1700 ⁰C, erreicht, ohne daß zwischen dem Schichtmaterial und dem Material des Tiegels Diffusion eintritt oder aber das Schichtmaterial als solches verunreinigt wird.

Weitere Erfindungsmerkmale ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnungen.

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Figur 1 ist -ein Schnitt durch ein typisches, elektrisches Produkt aus kohärenten Schichten, die auf einer Substratplatte gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebracht sind.

Figur 2 ist ein stark vergrößerter Ausschnitt des in Figur 1 dargestellten, elektrischen Produkts und zeigt das Erscheinungsbild der auf winzige Unebenheiten in der Substratoberfläche aufgedampften Schicht.

Figur 3 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der neuartigen Apparatur zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und enthält Vorrichtungen zum Erzeugen einer Ionenwolke aus dem aufzudampfenden Material, Vorrichtungen zum Transport der Ionen aus der innerhalb der Apparatur befindlichen Ionenwolke und Vorrichtungen zur Steuerung der Richtung der auf die Substratoberfläche aufgedampften, atomaren Struktur.

Figur 4 ist eine vergrößerte, schematische Darstellung der in Figur 3 gezeigten Vorrichtung zur-Erzeugung der Ionenwolke einschließlich einer Vorrichtung für'Elektronenbeschuß, wodurch die zur Verdampfung des Schichtmaterials erforderliche, örtliche Erhitzung erzeugt wird.

Figur 5 ist eine Seitenansicht der in Figur 3 gezeigten Apparatur.

Figur 6 1st ein Ausschnitt einer Aufsicht der Apparatur in Richtung der Pfeile 6-6 aus Figur 5.

Figur 7 ist ein vergrößerter Schnitt durch die

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in der Apparatur aus Figur 5 enthaltene Vakuumkammer und zeigt die Vorrichtung zur Erzeugung und zum Transport der dampfförmigen Ioneuwolke·

Figur 8 ist ein vergrößerter Teilschnitt der in Figur 7 dargestellten Vorrichtung zur Erzeugung der- Ionenwolke und zeigt die Elektronenquelle für den Beschüß des ^ üchichtmaterials.

Figur 9 ist eine Sehnittdarstellung durch die in Figur 7 dargestellte Apparatur in !Richtung der Pfeile 9-9 aus Figur 7 und zeigt eine Ausführungsform der Haltevorrichtung für verschiedene Sorten von Schichtmaterial während des Verdampfungsvorgangs.

Figur 10 ist eine Sehnittdarstellung der Apparatur in Richtung der Pfeile 10-10 aus Figur 7 und zeigt die Auffangfläche, auf der die Substratplatten während des ■■ Beschichtungsvorgangs getragen werden·

Figur 11 ist eine schaubildliche Darstellung der in Figur 7 gezeigten Elektronenquelle für den Beschüß des Schichtmaterials. ·

Figur 12 ist eine vergrößerte und teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht der in Figur 7 und 11 dargestellten Elektronenquelle.

In Figur 1 ist ein nach der vorliegenden Erfindung hergestelltes, typisches Halbleiterprodukt gezeigt, das allgemein mit 10 bezeichnet wird. Das Halbleiterprodukt kann jede beliebige, für die Elektroindustrie geeignete Form.

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annehmen, so daß das Produkt für Transistoren, Gleichrichter, Sonnenzellen, Dioden, thermoelektrische Konverter und Generatoren, etc. verwendet werden kann. Es ist ersichtlich, daß das im folgenden beschriebene Produkt und Verfahren nur in der hier dargestellten Ausführungsform eine einzige Schicht aus einem Halbleitermaterial, nämlich Silizium, enthält und daß zusätzliche Schichten aus anderen Halbleitermaterialien, verwendet werden können. Außerdem werden im folgenden nur die positive Ionisation und die entsprechenden Spannungspolaritäten betrachtet· Deshalb betrifft ein zugehöriges Erfindungsmerkmal das Verfahren und Gerät, mit dem ein homogener, geordneter Schichtaufbau, der keine Anomalien aufweist und nicht amorph ist, Bereiche oder Filme aus abgeschiedenem Material hergestellt werden können, einschließlich Halbleitermaterialien verschiedener Leitfähigkeitseigenschaften, Metallen und Nicht-Metallen mit positiven oder negativen Valenzen. -

Das Halbleiterprodukt 10 besteht in der dargestellten Ausführungsform aus einem Grundmaterial 11, etwa kristallines Quarz, dessen eine Oberfläche eine bochpolierte, reine Fläche darstellt, auf die eine dünne Schicht aus Halbleitermaterial 15, etwa Silizium, aufgebracht wird. Das in Figur 1 dargestellte Produkt ist stark vergrößert, und das aus Quarz bestehende Grundmaterial kann eine Dicke von etwa 0,025 mm (10 mils) hab«äXi. Sie Siliziumschiciit 13 stellt einen geoi'dneten Aufbau aus abgeschiedenem Material dar und weist eine Dicke

von etwa 1Cr AE auf. Me Quarzplatte stellt die Substratplatte dar, auf die das Siliziummaterial aufgebracht wird. Figur 2 ist eine noch stärker vergrößerte Teilansicht der Grenzfläche zwischen der Siliziumschicht 13 und dem Quarz 11. Die Quarzoberfläche zeigt einige unregelmäßige, winzige Störungen oder Verunreinigungen auf, ,die mit her-

^ kömmlichen Beschichtungsverfahren außerordentlich schwierig auszufüllen sind· Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden diese winzigen Störstellen oder Vertiefungen durch die Siliziumschicht 13 nicht nur überdeckt, sondern nahezu vollständig überbrückt.

Figur 3 zeigt die erfindungsgemäße, neuartige Apparatur zur Neubildung der kristallinen Struktur eines Schichtmaterials auf der Oberfläche der Substratplatte. Wie schon erwähnt wurde, wird das vorliegende Verfahren im allgemeinen im Hochvakuum durchgeführt und besteht im Wesent-

P liehen aus drei Verfahrensschrittent Erzeugen von Ionen aus dem abzuscheidenden Schichtmaterial, Transport der Ionen zur Substratplatte und Ablagerung auf der Platte, und Kristalli-. sation oder Neubildung des Schichtmaterials auf der Substratplatte gemäß den bestimmten Dimensionen und Eigenschaften des gewünschten Kristallwachstums. Eine Vakuumkammer 15 wird verwendet, die geeignet abgedichtet und für ein guten Vakuum evakuiert wird. Ein Ionisator 16 befindet sich am unteren Ende oder am Boden der Vakuumkammer 15 und dient dazu, die aus dem Schichtmaterial gebildete Dampfwölk® zu formen ■ uad

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zu ionisieren. In der Vakuumkammer befindet sich außerdem direkt unterhalb des Ionisators 16 ein Tiegel 1?» der das Schichtmaterial 17' enthält, das auf die zusammengesetzte • Substratplatte 11 und 13» die sich auf einer schwenkbaren . Haltevorrichtung 18 am oberen Ende der Vakuumkammer 15 befindet, aufgebracht werden soll. Die Haltevorrichtung und die Substratplatte, die auch als Auffangelektrode bezeichnet werden kann, befindet sich mit dem Tiegel 17 auf der gleichen Achse und weist einen festen Abstand zu diesem auf. Außen um das obere Ende der Vakuumkammer befindet sich eine Vorrichtung, zum Erzeugen eines elektromagnetischen Feldes, die aus einem ringförmigen Elektromagneten 19 besteht, der koaxial zur Vakuumkammer 15 und zum Tiegel 17 angeordnet ist. Die elektromagnetischen Feldwicklungen und die zugehörige Gleichspannungsvolle 20 befinden sich ebenso wie der Elektromagnet selbst außerhalb der Vakuumkammer. Ein zwischen den gestrichelten linien 21 abgegrenzter Raum zwischen dem Ionisator 16 und der Auffangelektrode 18 kann als -lonenlaufraum oder -Bereich bezeichnet werden.

Zwischen dem Ionisator 16 und dem Tiegel 17 sind Vorrichtungen vorgesehen, die das im Tiegel 17 befindliche Schichtmaterial zum Schmelzen bringen. Diese Vorrichtungen bestehen in der hier beschriebenen Ausfiihrungsform aus einer Elektronenkanone 22, die einen konisch geformten Elektronenstrahl erzeugtρ d©as@n ipits© in der Mitte der Oberfläche des lsi Tl8g©X 17 befiiadllciie-n Materials konvergierte-Die

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Elektronenkanone enthält außerdem Fokussierungsvorriehtungen, die durch die Spulen 23 dargestellt sind und dazu dienen, des. konischen Elektronenstrahl so einzustellen, daß maximale Elektronendiehte auf die Mitte des Schichtmaterials auftrifft. .',"_-.".. Aus dem geschmolzenen Schichtmaterial bildet sich

^ eine Dampfwolke 24, die den unteren Abschnitt der Vakuumkammer direkt oberhalb des Tiegels einnimmt. Die Dampfwolke wird dann vom Ionisator 1β ionisiert, wodurch eine lonenwolke 25 entsteht. Ein elektrostatisch aufgeladenes Gitter 26, das den laufraum 21 umgibt, unterstützt den Transport der positiven Ionen aus der lonenwölke 25 durch den üaufraum 21 zur Auffangelektrode 18. Da die Auffangelektrode' durch die abgeschiedenen, positiven Ionen rasch positiv aufgeladen wird, besteht ein wesentliches Erfindungsmerkmal darin, daß eine Elektronenquelle 27 Elektronen an die Auffangelektrode ab-

* gibt und dadurch die positive Aufladung kompensiert.

Der Magnet 19 ist ein großer Eingmagnet, in dessen Mittelpunkt .sich die Substratplatte und Auffangelektrode 18 in einem nahezu homogenen Magnetfeld befindet, wobei durch die Bezugsziffer 28 verschiedene, vom Elektromagneten erzeugte Feldlinien bezeichnet werden. Der Elektromagnet besteht vorzugsweise aus kupfer und hat etwa 1000 Wicklungen, die mit einer geeigneten EpoxydverbiBtapg beschiel*tet sind, um di© Wicklungen zu schützen und abzudichten ο Die Wicklungen uns llektromagneten 19 slad an eiiae geeignete Spaimungsqueils

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angeschlossen, so daß ein Gleichstrommagnet entsteht, der eine Flußdichte von etwa 50 Gauß in der Mitte des Magnetrings erzeugt, wobei im Bereich des Ionisators 16 eine Feldstärke von etwa 15 oder 20 Gauß herrscht.

Am unteren Ende der Vakuumkammer befindet sich eine geeignete Leitung 29, so daß die Vakuumkammer 15 durch eine übliche Vakuumpumpe (nicht dargestellt) geeignet evakuiert werden kann.

Die Arbeitsweise der in Figur 3 dargestellten Apparatur kann folgendermaßen beschrieben werden? Zuerst wird die Vakuumkammer 15 auf sehr niedrigen Druck evakuiert, bis ein Hochvakuum mit einem Druck von etwa 2,5*10 ^J mm Hg (10 Zoll Hg) oder weniger entsteht. Dieses Hochvakuum hat den Zweck, Zusammenstöße der freien Ionen mit etwa vorhandenen Gaspartikeln beim Durchlaufen des Laufraums 21 und eine Verunreinigung der Filmschicht zu verringern und um eine Koronaentladung au vermeiden, die durch fremde Gaspartikel in dem hohen Potentialfeld hervorgerufen werden könnte« Wenn das gewünschte Vakuum in der Kammer 15 erreicht ist, wird der Elektronenkanone 22 von einer geeigneten Quelle 30 Spannung zugeführt, so daß das im Tiegel 17 befindliche Schichtmaterial 17^! durch Elektronenbeschuß rasch zum Schmelzen gebracht wird. Von der Quelle 32 wird den zum Fokussieren des Elektronenstrahls dienenden, elektromagnetischen Spulen 23 Spannung zugeführt, wodurch der konische Elektronenstrahl so gerichtet werden kann, daß das Schicht-

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material rasch und wirksam bis zur Verdampfung erhitzt wird. Während die Temperatur des Schichtmaterials durch die starke, örtliche Erhitzung mittels des Elektronenstrahls von der Elektronenkanone erhöht wird, schmilzt das Schichtmaterial und bildet eine Dampfwolke 24 über dem schmelzflüssigen Material. Einzelheiten der neuartigen Elektronenkanone und der Fokussierungsvorrichtung werden später erläutert. Ute kontinuierliche Erhitzung des Schichtmaterials und der aus dem geschmolzenen Material gebildeten Dampfwolke 24 setzt innerhalb der Wolke 24 Atome frei, die durch die Punkte in Figur 3 dargestellt sein sollen. Durch den Elektronenbeschuß werden einige der Atome ionisiert. Zu diesem Zeitpunkt ist jedoch die überwiegende Mehrheit der Atome nicht geladen, noch weisen die Atome eine Orientierung oder bevorzugte Bewegungsrichtung auf, sondern dispergieren in einer willkürlichen Verteilung. Eine solche willkürliche Verteilung wird in gewisser Weise durch die kontinuierliche Zufuhr weiterer Atome aus der Dampfwolke beeinflußt, wobei der herrschende Dampfdruck die Atome etwas außerhalb der Dampfwolke ansammelt,

Die in der Dampfwolke 24 enthaltenen Atome werden durch den Ionisator 16 ionisiert, der seine lonisierungsspannung von einer geeigneten lonisierungs-Spannuisgsquelle 33 erhält. Mit anderen Wörtern Gemäß der herrschenden Theorie entzieht der Ionisator 16 federn Atom innerhalb der Wolke 24» das in das Ionisationsfeld des Ionisators gelangt? eia Elektron. Jedes Ion besitzt nun eine positive Ladung, ta

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ihm ein Elektron fehlt. Da die Ionen positiv geladen sind, werden sie von dem positiven Potential des Ionisators abgestoßen und zum Mittelpunkt der lonenwolke gedrängt. Da der Ionisator der Wolke 24 kontinuierlich Elektronen entzieht, entsteht eine zusammenhängende lonenwolke 25. Wenn keine äußeren Kräfte einwirken, wird die Wolke im unteren Ende des Laufrauma 21 in der Nähe des Ionisators zusammengezogen. Durch den Spannungsgradienten werden einige Ionen in die Schmelze zurückgestoßen, wobei diese zurückgestoßenen Atome durch neue Atome ersetzt werden, so daß die Wolke erhalten bleibt. Der Spannungsgradient und die zugehörigen Magnetfelder schnüren die Wolke so ein, daß sie sich nur nach oben, in der gewünschten Richtung vom Ionisator fort, ausdehnen kann.

Hun wird das Gitter 26 mit einer hohen Gleichspannungsquelle 34 verbunden und auf ein negatives Potential von etwa 50.000 Volt aufgeladen, so daß über den Laufraum 21 der Spannungagradient eines elektrostatischen Feldes verläuft, das sich vom Ionisator 16 innerhalb des ringförmigen Gitters 26 bis zur Auffangelektrode 18 erstreckt, die sich am oberen Ende dee Laufraums befindet. Das Ladungsgitter wird mit bezug auf den Ionisator negativ gehalten, so daß die Ionen in der lonenwolke 25» die aufgrund des Druckes durch die konstant zunehmende Anzahl von Ionen in der lonenwolke innerhalb des !aufräume am Ionisator 16 vorbeigelangt sind, nun rasch durch d©23 Laufkran 21 iaa Hiahtung auf das Ladungsgittoz· 26 bewegt das ©©gea s©iasr sogstiν©a Ssdiiag die positiv geladenen

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Ionen anzieht, Me "Anziehungskraft" ist nur eine andere Bezeichnung für den Potentialgradienten des elektrostatischen Feldes, δ.ΒΏ das Ladungsgitter und der Ionisator im Lauf raum 21 aufrechterhalten. Im einzelnen "bewirkt der elektrostatische Spannungsgradients der in dem Raum zwischen dem, Ionisator 16 UBd dem unteres _t engeren Abschnitt des ringförmigen Ladungsgitters In der Nähe der Ionenwolke herrscht, den Beginn der Ionenbewegung und lenkt diese Bewegung in eine gewünschte Richtungο Der obere oder Hauptabschnitt des Gitters hält ein . einheitliches Potential Ms zur Auffangelektrode aufrecht, so daß die ia Bewegung befindlichen Ionen nicht gebremst werden» Da ein Ultrahochvakuum der beste, bekannte Isolator ist, stellt ein Spannungsdurchbruch kein Problem dar_o Außerdem erreichen nur sehr wenige der Ionen das Ladungsgitter«, Die Geschwindigkeit der wandernden Ionen läßt sich einstellen

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und liegt bei etwa 10 bis 10 m/see.

Bs sei daran erinnert, daß das Magnetfeld des riagförmigen Elektromagneten 19 durch den gesamten Laufraum 21 verläuft, so .daß die Flußlinien 28 im wesentlichen senkrecht zur Auffangelektrode 18 und parallel zur zentralen, senkr^eaten Achs© der Vakuumkammer verlaufen. Diese Flußlinien werden von den Ionen auf ihrem Weg zur Auffangelektrode nicht ge» schnitten· Bine mehr ins einzelne gehende, Beschreibung des . Magnetfeld©® waä. des Gerätes zur Erzeugung des Pelcfes ©rfolgt anhand tob figur 7 ο Dia magnetised©» Plia&liaieia TCrIa^-BfOT s©Bte©ciit era? Ofee^fläelie des¹ Bubstratplatt©₉ .auf i±@ sia Ulm

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oder Filme aufgedampft werden sollen. Die Kombination aus magnetostatischen und elektrostatischen Kräften bewirkt eine sehr gleichmäßige Verteilung und Orientierung der Ionen bei ihrer Annäherung an die Substratplatte 18. Di ο Elektronenquelle 27 lädt die Auffangelektrode auf einen stärker negativen Wert auf als das Ladungsgitter. Beispielsweise kann ein negatives Potential von etwa 60.000 Volt verwendet werden. Ein Spannungspegel in dieser Höhe schaltet die Elektronenquelle ab. Die Ionen werden auf der Auffangelektrode abgelagert, wenn die Elektronenquelle ausgeschaltet ist. Wenn die ankommenden Ionen die Substratplatte 18 erreichen, nehmen sie ein Elektron aus der Substratplatte auf und werden auf diese Weise entladen oder in ihren ursprünglichen, atomaren Valenzzustand zurückgebracht· Die Ionen sind also in den atomaren Zustand zurückgekehrt, der durch die Punktierung innerhalb der Hillkurve 24 angegeben worden war, und sind nur aus der Atomwolke des-dampfförmigen und geschmolzenen Schichtmaterials 1?⁵ zur .Substratplatte 18 transportiert und mit der Oberfläche in Berührung gebracht worden, wobei im Augenblick der Einfluß der kinetischen Energie der bewegten Atome vernachlässigt werden soll. Nach einer ersten Ablagerung von Ionen auf der Substratoberfläche wird diese positiv, wodurch die Elektronenquelle 27 erneut aktiviert wird und weitere Elektronen an die Auffangelektrode abgibt. Wenn das nicht der Pell wäre, ließe sich eine weitere Beschichtung nur unter großen Schwierigkeiten durchführen.

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Eine Spann'ungsquelle 35 liefert zusätzliche Elektronen an die Auffangelektrode und ihre Haltevorrichtung_s und zwar über ein ringförmiges Gitter 27» das die Ladungskompensation unterstützt. Wenn die Ionen und die sofort, entladenen Atome auf der Oberflache der Substratplatte aufprallen, besitzen sie immer noch ihre Verdampfungswärme. Diese Wärme wird durch direkte Strahlung abgegeben. Es soll erwähnt werden, daß die Höhe des von der Quelle 34 und dem Gitter 26 gelieferten 'Transportpoteatials auf einen Wert begrenzt wird,'der■ ' dafür sorgt, daß die auftreffenden Ionen nicht zurückprallen oder auf andere Weise die Oberfläche der 13ubstratplatte aufgrund ihrer eigenen Aufprallenergie oder nach der Ablagerung durch &&3?efe später auf treffende Ionen verlassen Tor der eigentlichen Ablagerung des Pilms oder der Schicht kömsea jefioch die Ionen dazu verwendet werden, die Bubstratoberfläche durch Aufprall zu reinigen oder auf andere Weise Torzubereiten_o

Die entladenen Atome, die die Schicht auf der Substratplatte bilden, beginnen augenblicklich auf der Oberfläche der Substratplatte eine Struktur kleinster Energie aufzubauen» Haeh der Entladung werden die neutralen Atom® auf der Oberfläche der Substratplatte nicht mehr durch das elektrostatische PeId des Transportpotentials beeinflußt. STormalerwtiss haben die neutralen Atome ciine willkürliche Orientierung uai Yer-= teilung untereinander; da Jedoch die parallelen Flußlisiiea 28 ₉ die der Elektromagnet 19 ersseugt, senkrecht zur SiehiolitMl-» dungsefaene oder Kriatalliaationseben© verlaufen, wird

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willkürliche Orientierung und Verteilung gemäß einem Merkmal der Erfindung abgeändert. Die magnetischen Flußlinien erzwingen eine planparallele, filmartige Verteilung der neutralen Atome auf der Oberfläche der Substratplatte· Auf diese Weise, wird verhindert, daß sich die neutralen Atome zufällig an einer Stelle anhäufen oder auf andere Weise ein ETiveau bilden, das keine homogene Filmschicht dar'stellt. Jedes neutrale Atom wird sich aufgrund seiner magnetischen Kernmomente gemäß der Richtung der magnetischen Flußlinien ausrichten. Jedes neutrale Atom wird eine belastungsfreie Orientierung bezüglich jedem anderen, neutralen Atom innerhalb des Films annehmen. Eine solche Orientierung gestattet ein Strukturwachstum gemäß dem bekannten, geordneten Aufbau der Atome innerhalb eines Kristalls,

In Figur 4 sind Einzelheiten des Tiegels 17» der Elektronenheizquelle 22 und des Ionisators 16 gezeigt. Höchster Reinheitsgrad der Schmelze ist eine Grundvoraussetzung beim Schmelzen des Schichtmaterials, insbesondere bei Silizium, um Halbleiterkristalle herstellen zu können. Bei Verwendung von !Tiegeln erhöht sich die Gefahr einer Verunreinigung, da Material des Tiegels in die Schmelze gelangen könnte. Ein Verfahren, mit dem diese Gefahr vermieden wird, ist in dem U. S. Patent No. 3,051,555 dargelegt, indem ein !Tiegel aus Kupfer verwendet wird, dessen Schmelzpunkt niedriger ist als d@v der Schmelze. Der Tiegelkörper iet an seiner Innenseite mit ©.in©r Beaie&t oder einem Überzug aus

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reinstem Silizium ausgekleidet· Durch den Tiegelkörper wird eis Kühlmittel hindurchgeleitet. Voll zufriedenstellende Er-. gebnisse werden jedoch nach diesem Verfahren nicht erzielt_? da zur Verdampfung von Silizium als Schichtmaterial außero-rdentlieh hohe Temperaturen erforderlieh sind» Beispielsweise wird eine Temperatur von etwa 1700 ⁰C benötigt, um Silizium soweit zu verdampfen, daß Methoden für Kristallwachstum anwendbar werden. Unter diesen Umständen zeigte sich, daß das Material des Tiegelkörpers, insbesondere Kupfer, mit. der Kante der Siliziumauskleidung verschmilzt _a EiB !Temperaturbereich von etwa 800-1000 ⁰G herrscht in dem Kontaktbereieh zwischen dem Silizium und dem Kupfer, und das stellt den DiffiisioEsbereich für Silizium dar, so daß aas Kupfer aus der ,Tiegelvertiefung langsam in das zu verdampfende Schichtmaterial eindiffundiert. Unter diesen hohen Temperaturbedingongen &eigt die Siliziuiaauskleidung, unabhängig davon_? ob sie reines Silizium oder ein Siliziumoxyd ist, eine Tendenz zur Verfärbung, was die Konzentration der Hitze im Mittelpunkt des zu schmelzenden Materials negativ beeinflußt, wenn das Schichtmaterial in einem Tiegel gehalten wird_e Da Silizium hitsedurchlässig ist, wird die am Verdampfungsort erzeugte Hitze zur Oberfläche des die Schmelze enthaltenden Siegels geleitet, wo die Hitze in die Schmelze srariieteeflektiert werden sollte, was die !riiitzung am Ort &®τ ■unterstiitzt _e line verfärbte Oberfläche oder swi θ ©la oa ioa Tiegel und- dem Hehmoi&zieierial

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jedoch die Hitze nicht genügend stark, so daß am Verdampfungsort, wo maximale Hitze erwünscht ist, ein Hitzeyerlust auftritt. Um maximale Temperatur zu erreichen, muß der Tiegel optisch geeignet geformt sein.

Diese Probleme werden bei dem neuartigen, erfindungsgemäßen Tiegel vermieden. Eine Ausführungsform eines solchen Tiegels zum Schmelzen von Silizium ist mit der Bezugsziffer 17 bezeichnet und besteht aus einem Kupferkörper nit einer polierten CJhromauskleidung 36 in einer halbkugelförmigen Vertiefung 37. Das zur Beschichtung dienende SiXisiira 17' befindet sieli in der halbkugelför-migen Chromausklei&iang 36 und bildet vorzugsweise eine ebene_y sasammenhängeHde Oberfläche 38, deren Mittelpunkt auf der senkrechten Hauptachse der- Vakuumkammer liegt· Der Tiegel 17 wird auf eiser relativ niedrigen Temperatur gehalten, vorzugsweise unter 350 C, miu. znBT üMTCih Yerweactasg eisaes neuartigen Wärmekapplungs- vgiTioliTQiiB*)' mit dein Terschiefleii® Sehichtmaterialqiaellen oder' Reservoire unter &qt ElektroaeBkanone bewegt und. gegenseitig ausgetauscht werden können, ohne daß biegsame Wasserführungsrohre oder aufwendige Blasebalganordnungen erforderlich wären. Die Wärmeenergie wird an einen als Wärmeableitung dienenden, großen wassergekühlten Kupferblock abgegeben, der für die Kupfertiegel entsprechende Vertiefungen enthält* Ein Unter *ys-4®s» außerordentlich hohem Druck stehender Kupfer/j£upfer-Kontakt leitet di© überschüssige Wärmeenergie an daß als Kühlmittel dieaexjäe Yiasser ab. Den sehr hohen Druckkontakt

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erzielt man durch die thermische Expansion des Tiegels gegen die sehr viel kühlere Kupferwanne. Wenn der Tiegel auf. unter 150 ⁰C abgekühlt ist, läßt er sich "bequem unter der Elektronenkanone fortbewegen, und stattdessen kann mit einem einfachen, von außen zu bedienenden Antriebsmechanismus eine neue Quelle für Beschichtungsmaterial eingesetzt werden. Wegen der reflektierenden Oberfläche der Chromauskleidung besitzt das zu verdampfende Silizium einen Wärmegradienten, der sich von der Auskleidung bis zum Schiaelzbereich in der Mitte der Oberfläche 38 erstreckt. Da der Tiegel halbkugeiiörmig ist, wirkt der Wärmegradient in sämtlichen Richtungen als lokussierungsliiiie zum Mittelpunkt der Kugel, d* h. dem Schmelzteereich. Der Durchmesser der hier dargestellten Halbkugel beträgt vorzugsweise 7 cm (2³/4 Zoll)» Wenn ein Elektronenstrahl hoher Intensität von der Heizquelle 22 auf den Mittelpunkt der Oberfläche des aufzudampfenden Materials gelenkt wird, wird eine starke, örtliche Erhitzung gewünschter Temperatur erzeugt, wodurch das Material geschmolzen und verdampft wird. Der Vorteil der halbkugelförmigen Wärmeableitungswanne mit der einsprechend geformten Auskleidung beruht auf der Tatsache, daß zusätzlich zu der Erhitzung durch den Elektronenstrahl eins optische Heizvorrichtung geschaffen wird, durch die die SSaergie, die an die polierte Oberfläche der Chromschicht 36 abgestrahlt wird, zu dem örtlichen Erhitzungspunkt in der Mitte der Oberfläche des Schichtmaterials zurückreflektiert wird und dadurch zur Erhöhung der

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örtlichen Erhitzung und zum Verdampfen des Schiebtmaterials beiträgt·

Die Heizvorrichtung ist schematisch in Figur 4 dargestellt und mit mehr Einzelheiten in den Figuren 8₉ 11 und 12. Obwohl Elektronenquellen, etwa Elektronenkanonen, auch bisher schon dazu verwendet wurden, ein Material örtlich stark zu erhitzen, gab es bei den bisherigen Vorrichtungen verschiedene Probleme. Eines dieser herkömmlichen Geräte ist in dem U. S. Patent No· 2,754,259 dargelegt. Um eine Erhitzung zu schaffen, die zur Verdampfung eines schwerschmelzbaren Materials, etwa Silizium, ausreicht, genügt nicht ein einziger Elektronenstrahl, da hierdurch nicht genügend viele Elektronen zum Mittelpunkt der Oberfläche des zu verdampfendeis Materials gelangen, die eine so hohe örtliche Erhitzung hervorrufen, daß das Material nicht nur schmilzt sondern auch verdampft. Auch muß der Elektronenstrahl durch die Dampfwolke laufen, um das Material zu erreichen, was die Bildung und Steuerung einer Ionenwolke negativ beeinflußt. In einigen Fällen, wie beispielsweise in dem ü. S. Patent Ko. 3»235» 647 dargelegt ist, wurden aufwendige Apparaturen und Vorrichtungen geschaffen, um den Elektronenstrahl um die Dampfwolke herum abzulenken und dadurch die negative Beeinflussung zu. vermeiden» Dieses Prinzip kompliziert jedoch die Bündelung des Elektronenstrahls erheblich und verlangsamt eventuell auch die Elektronen, was sich wiederum nachteilig für die örtliche Erhitzung auswirkt· Diese Probleme werden bei der vorliegenden

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Erfindung dadurch vermieden, daß eine ringförmige Elektronenkanone 22 vorgesehen ist, die das Material 17 · umgibt und einen konisch geformten Elektronenstrahl auf den Mittelpunkt der Materialoberfläche richtet. Die Elektronenkanone ist koaxial zur zentralen, senkrechten Achse der Vakuumkammer angeordnet und enthält ein kreisförmiges oder ringförmiges Gitter 39, das vorzugsweise aus Thorium, Wolf ram oder dergleichen besteht und das die Elektronen emittiert. Wie Figur 8 zeigt, ist das Gitter auf elektrischen Abstandsisolatoren 39\ montiert. Die Spitze des konischen Elektronenstrahls ist auf den Mittelpunkt des zu verdampfenden Materials gerichtet und erzeugt an diesem Punkt eine starke, örtliche Erhitzung* Um diese konische Form und die gesamte Ausrichtung des Elektronenstrahls zu erreichen, verwendet die Elektronenkanone eine Feldformerelektrode außerhalb des Gitters und zwei Beschleunigungselektroden, die so angebracht und voneinander getrennt sind, daß sie den Strahl richten und mit Energie versorgen. Sämtliche Elektroden sind ringförmig und so ausgelegt, daß sie die elektrischen Felder des DampfIonisators- und der das Plasma erzeugenden Vorrichtung geeignet formen können. Durch diese Anordnung in Verbindung mit schwachen magnetostatischen Feldern kann eine dichte Plasmawolke aufrechterhalten und in einem Ultrahochvakuum abgegrenzt werden. Die Spannung für die Elektronenkanone liefert eine geeignete SpannungscLuelle 30, die etwa 3500 Watt schafft, was ausreicht, um äae Silizium bei beispielsweise 2000 Watt zu verdampfen.

1500 Watt sind also zusätzlich vorhanden, die dazu dienen können, den Beginn der Verdampfung des Materials zu beschleunigen. Die Elektronenkanone ist an ein negatives Poten-? tial von größenordnungsmäßig 6000 Volt angeschlossen, und das Material wird auf Erdpotential gehalten, so daß eine Gesamtheschleunigung von 6000 Volt erzielt wird. Die erste Beschleunigerplatte 4-1 wird auf einem negativen Potential von 5900 Volt gehalten, während die zweite Beschleunigerplatte 42 auf Erdpotential liegt. Ein nach unten ragendes Teil 43 einer Ringflache 44, die einen Teil des Ionisators bildet, liegt auf +300 Volt und trägt dazu bei, den Elektronenstrom in seiner konischen Konfiguration zu fokussieren. Der Winkel des Elektronenstroms liegt vorzugsweise bei etwa 30-37 von der Spitze aus gerechnet. Der Ionisator 16 enthält außerdem eine Platte 45, die in einem festen Abstand zur Ringplatte 44 angebracht ist.

Im Zwischenraum.zwischen der oberen Platte 45 und der unteren Platte 44 des Ionisators befindet sich eine elektromagnetische Ringspule 46, die die Fokussierungsvorrichtung 23 darstellt und dazu dient, die Spitze des konischen Elektronenstrahls auf den Mittelpunkt der Oberfläche des zu verdampfenden Materials zu fokussieren. Obwohl der Elektronenstrahl auf diesen Mittelpunkt elektrostatisch abgelenkt wird, ist ein variables magnetisches PeId vorhanden, das zu dem von dem Ringmagneten 19 erzeugten PeId gehört. In der Nähe der Elektronenkanone und des zu verdampfenden

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Materials herrscht eine Feldstärke von etwa 15 Gauß, wenn im Bereich der Auffangelektrode 50 Gauß vorhanden sind. Dieses Magnetfeld hat einen nachteiligen Einfluß auf den konischen' Elektronenstrahl, da dieser durch das Feld herabgezogen wird, so daß die Spitze des Strahls normalerweise unterhalb der Oberfläche des Materials liegen würde. Der ursprünglich auf

^ den Mittelpunkt fokussierte Elektronenstrahl wird unter einem größeren Winkel nach unten abgelenkt und auf der Oberfläche des Materials nach außen gestreut, was unerwünscht ist. Der Elektronenstrahl muß deshalb nach oben zurückgelenkt werden, so daß die Spitze des Strahls im Mittelpunkt auf das Material auftrifft. Hierfür dient der ringförmige Elektromagnet 46 _β Das von dieser Spule erzeugte Magnetfeld, dargestellt durch die Bezugsziffer 47» verläuft in unmittelbarer Nähe des Gitters 39 rechtwinklig zu dem von dem Hingmagneten 19 erzeugten Feld, wodurch der Elektronenstrahl nach oben und

P nicht nach unten abgelenkt wird. Durch Abgleichen dieses Magnetfeldes gegen ^ede spezielle Einstellung des variablen Feldes des Elektromagneten 19 kann der Elektronenstrahl auf . den Mittelpunkt des Materials fokussiert werden. Auf diese Weise erreicht man durch den Fokussierungsmagneten 46 eine variable Fokussierung des konischen Elektronenstrahls. Es soll hier !besonders darauf hingewiesen werden, daß das Magnetfeld der Fokussierungsspule auf den Elektronenstrahl nahezu sofort nach Emission der Elektronen aus dem Gitter 39 einwirkt, und zwar in einem Bereich neben diesem Gitter 39

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und ehe der zweistufige Beschleuniger auf den Strahl einwirkt. Das Magnetfeld bewirkt außerdem eine Einschnürung oder Begrenzung des verdampften Materials in der Mitte des Raums, wodurch das Schichtmaterial mit dem unteren Abschnitt des Laufraums 21 in Verbindung gebracht wird. Der Einschnüreffekt bewirkt, daß der Dampf zu einer Dampfsäule vereinigt und als solche nach oben transportiert wird. Das von der Spule 46 erzeugte, elektromagnetische TFeId hält das ionisierte Material in einem begrenzten Raum, so daß das ionisierte Material nicht dadurch verunreinigt werden kann, daß es· auf die Oberfläche der Elektronenkanone aufprallt.

In !Figur 5 ist eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Apparatur gezeigt, in der die Vakuumkammer 15 auf einem Sockel 49 montiert ist, der von einem geeigneten Boden 51 getragen wird. Der Sockel 49 ist mit verschiedenen Zuleitungen und Anschlüssen versehen, die von außen einen Zugang zur Vakuumkammer ermöglichen und notwendig sind, um ein Ultrahochvakuum in der Kammer 15 zu erzeugen. Außen um den Sockel 49 sind an seinem unteren Ende mehrere Magnete vorgesehen, wie sie für eine herkömmliche Vakuumanlage verwendet werden. Außen um die Vakuumkammer 15 verläuft ein Schutzschirm oder Gitter 52 und bietet Schutz für den Fall» daß der aus Glas bestehende Abschnitt der Vakuumkammer 15 platzen sollte. Das Gitter 52 wird durch Befestigungsvorrichtungen 53 in geiner Lage außerhalb der Kammer 15 gehalten· Koaxial us die Vakuumkammer ferläuft Ö#r ringförmige Elektro-

1 § 14 2 / 1-408 ORlGfNAL

magnet 19, der durch Stützen 54 und 55 gehalten wird. Eine senkrechte Justierung des Elektromagneten nach oben und unten kann durch Drehung der Befestigungsvorrichtungen 56 bewirkt werden, die auf einem Gewinde 57· laufen, das auf ,den Stützen 58 vorgesehen ist. Neben der Apparatur befindet sich das Steuerpult 60, das eine Reihe geeigneter Ableseskalen,

_ Wählscheiben, Knöpfe, Aufzeichnungsvorrichtungen und dergleichen enthält. Ein Merkmal der Erfindung betrifft die Vakuumkammer 15, die nicht die übliche Grlockenform aufweist, sondern einen abnehmbaren, flachen Deckel 61 enthält, der in den oberen Rand der Kammer 15 eingepaßt ist. Auf diese Weise kann der Deckel 61 von der ringförmigen, tragenden Wand der Kammer entfernt werden, so daß die verschiedenen,\in der Kammer enthaltenen Elemente und Bestandteile zugänglich sind und die Substratplatten auf der Rückseite der Auffangelektrode aufgebracht werden können. Der Deckel 61 ist mit

" mehreren, abgeschlossenen Zugängen 62 versehen, mit deren Hilfe nach Wunsch verschiedene Ausführungsformen von Auffangelektroden montiert werden können.

Figur 6 verdeutlicht den Aufbau des Deckels 61, der die Zugänge 62 enthält, von wo aus die Auffangelektroden oder andere Anordnungen in der Vakuumkammer angebracht werden können.

Wie Figur 7 zeigt, enthält der Sockel 49 ©±se Montagevorrichtung 63 ₉ die die verschiedenen, in äer va&uum-• kammer 15 asitlial.tenen SLeiwrate trägt. Unmittelbar a»f · ä@r

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Halterung 63 "befindet sieh der Tiegel 17» der an einer beweglichen Platte 64 befestigt ist, die auf einem Tiegelsockel 65 gleitet. Der Sockel und die bewegliehe Platte 64 werden durch seitliche Träger 66 gehalten, die auf gegenüberliegenden Seiten des Sockels und der Platte vorgesehen sind und nach innen ragende Ansätze 67 enthalten, die eine Führung für die auf dem Sockel 65 gradlinig gleitende Platte bilden. Der Tiegel 17 wird im Zusammenhang mit Figur 9 noch näher beschrieben.

Die den zweistufigen Beschleuniger bildenden Platten 41 und 42 hängen von elektrischen Abstandsisolatoren 68 nach unten, die an der Eingplatte 44 aes Ionisators 16 befestigt sind. Der Ionisator 16 und die Elektronenkanone 22 werden von der Montagevorrichtung 63 mittels Abstandsisolatoren getragen, die den Ionisator und die Elektronenkanone nicht nur in einem testen Abstand zum Tiegel sondern auch koaxial zum Tiegel und zur zentralen Achse der Vakuumkammer 15 halten. Die Platte 44 des Ionisators wird durch Träger 71 gehalten, die an ihrem einen Ende mit dem äußeren Eand der senkrechten Wand 69 der Ringplatte und an ihrem anderen Ende mittels Befestigungsvorrichtungen 72 an aem Ende der Abstandsisolatoren 70 befestigt sind. Der untere Abschnitt des Ladungsgitters 26, der einen kleineren Durchmesser aufweist und mit der Bezugsziffer 73 bezeichnet ist, ist in einem festgelegten Abstand zur senkrechten Wand der Eingplatte des Ionisators angebracht, und der untere äußere Abschnitt befindet sich

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unterhalb der Kante 74 der senkrechten Ringwand. Diese Anordnung bildet einen ringförmigen Durchgang zwischen der Innenfläche des unteren Abschnitts 73 des ladungsgitters und .der Kante 74 der Ringplatte 44. Wenn an dem Ladungsgitter und dem Ionisator die entsprechenden Spannungen anliegen, entstehen auf diese Weise zur Beschleunigung dienende, elektrostatische Potentialgradienten, die allgemein entlang der gestrichelten Linien 75 verlaufen. Durch diesen Potentialgradienten werden die Ionen aus der Wolke 25 durch den Lauf- ■ raum 21 in Richtung auf die Auffangelektrode 18 bewegt.

. Der untere Abschnitt 73 kann mit dem Hauptteil des Ladungsgitters durch beliebige, geeignete Vorrichtungen verbunden sein. Es soll Jedoch erwähnt werden, daß das Ladungsgitter 26 innerhalb der Vakuumkammer 15 durch Abstandsisolatoren 76 gehalten wird, die auf Trägern 78 festgehalten werden, die mittels Befestigungsvorrichtungen 80 von der Wand des Sockels 49 getragen werden. Am oberen Ende des Ladungsgitters 26 befindet sich die auf Abstandsisolatoren 81 befestigte Elektronenquelle 27. Die Abstandsisolatoren isolieren zweckmäßigerweise das Gitter der Elektronenquelle 27 gegen das Ladungsgitter 26. Es soll erwähnt werden, daß die Elektronenquelle 27 ringförmig ist, so daß sie als ringförmige Elektronenkanone angesehen werden kann, deren Elektronenemission auf die Auffangele.ktrode 18 gerichtet ist, an der die Substratplatte 11 befestigt ist. Auf der Oberseite des Ladungsgitters, außerhalb der Elektronenquelle 27 befindet

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sich eine Kuppel 82, in. der eine Öffnung 85 vorgesehen ist, in der die Auffangelektrode 18 befestigt ist. Obwohl die Substratplatte 11 im vorliegenden Pail nur aus einer einzigen . Schicht besteht, ist ersichtlich, daß mehrere Substratplatten oder Schichten in geeigneter Weise befestigt und an der Unterseite der Auffangelektrode 18 gehalten werden können.

Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung betrifft die Tatsache, daß die Auffangelektrode 18 innerhalb der Offnung 83 mittels universeller Gelenkverbindungen 84, die die Auffangelektrode 18 mit einer Montierungswelle 85 verbinden, beliebig orientiert werden kann. Die Montierungswelle ragt durch die zentrale Öffnung im Deckel 61 und endet in einer luftdichten Abdeckung 62. Auf diese Weise kann die Auffangelektrode, auf der ein geordnetes Wachstum der Atome in einer gewünschten und durch die Ausrichtung des Magnetfeldes des Ringmagneten 19 bestimmten Richtung begonnen hat, auf einen anderen Winkel bezüglich der Bewegungsrichtung der Ionen eingestellt werden, so daß das begonnene Wachstum einer kohärenten Schicht fortgesetzt wird.

Zur Ergänzung der Vakuumanlage ist ein Heizelement 86 unterhalb der Montierung 63 vorgesehen. Außerdem ist ein konischer Ringmantel· 87 auf der Unterseite der Montierung 63 angebracht, der als Getter zum Entfernen von Verunreinigungen beim Auspumpen der Vakuumanlage Verwendung findet.

Der in Figur y gezeigte Tiegel 17 befindet sich auf der Gleitplatte 64 und 1st so angebracht, daß er koaxial

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zur zentralen, senkrechten Achse der Vakuumkammer liegt. In dem Tiegel 17 mag sich eine bestimmte Art von Halbleitermaterial, beispielsweise ein Material mit U-Leitung, befinden, und aus Atomen dieses Materials wird zuerst eine geordnete, kohärente Schicht auf der Substratoberi'läche gebildet. Jüin Erfindungsmerkmal betrifft nun jedoch die Tatsache, daß eine zweite Schicht aus einem zweiten Material, beispielsweise mit P-Ieitung, aus einem anderen Tiegel 90 aufgebracht werden kann, der sich ebenfalls auf der beweglichen Platte· 64 befin_r det. Auf der Gleitplatte 64 wird der Tiegel 17 aus seiner ursprünglichen Stellung herausgeschoben und stattdessen der Tiegel 90 an die vorher vom Tiegel 17 eingenommene Stelle gebracht. Die Platte 64 kann auf dem Sockel 65 durch ein Gestänge 91 verschoben werden, das an der Platte 64 befestigt ist und durch die Wand des Sockels 49 hindurchreicht, so daß die Stellung des Tiegels von außerhalb der Vakuumkammer, geändert werden kann, ohne das Vakuum zu zerstören. Das Gestänge 9.1 kann aus einer Spindel bestehen oder von einer Nockenanordnung angetrieben werden. Die wärmeableitende Tiegelanordnung besteht also aus zwei unabhängigen Tiegeln 17 und 90, wobei, verschiedene Materialien in den Tiegeln vorhanden sein könnejgt. In einem Fall könnte der Tiegel 17 beispielsweise Silizium.... vom N-Leitungstyp und der andere Tiegel 90 Silizium vom P-Leitungstyp enthalten. Auf Wunsch kann das Material, in_ dem Tiegel, der gerade nicht in Betrieb ist, mit einem geeigneten Deckel abgedeckt werden, der aus einem schwerschmelzbaren

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Material, beispielsweise Molybdän, Tantal, Wolfram oder dergleichen, bestehen kann, so daß der Deckel nicht schmilzt. Auf diese Weise wird jeweils immer nur ein Schichtmaterial ■ der Erhitzung durch die Elektronenquelle 22 ausgesetzt und verdampft.

In Figur 10 ist"die Unterseite der Auffangelektrode 18 dargestellt, wobei nahezu die gesamte Oberfläche gezeigt ist, die bei der vorliegenden Erfindung der Bedampfung ausgesetzt sein kann, um dadurch eine kohärente und geordnete Schichtanordnung zu erzielen. Es ist ersichtlich, daß die Befestigung für die Auffangelektrode so ausgelegt sein kann, daß mehrere Substratplatten zur Bedampfung befestigt werden können oder aber bequem eine einzige, ziemlich große Substratplatte gehalten werden kann. Außerdem können verschieden angeordnete Masken vor der zu beschichtenden Substratoberfläche 'verwendet werden, wodurch ausgewählte Flächenbereiche der Substratplatte eine Beschichtung erhalten.

Aus dem vorstehenden ist ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren und Gerät eine Dampfwolke aus einem Beschichtungsmaterial erzeugt und daraus eine kohärente Schicht auf einer Oberfläche bildet, wodurch ein elektrisches Bauelement geschaffen werden kann. Schichtmaterialien mit verschiedenen Leitfähigkeitseigenschaften lassen sich so verwenden, daß die Oberfläche der Substratplatte mit mehreren Schienteil oder Filmen bedeckt werden kann. Die niittlere Zeitdauer zur Ablagerung einer solchen^: Schicht beträgt für

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ein gegebenes Schichtmaterial, größenordnungsmäßig 1-2 Minuten. Unmittelbar danach kann ein anderes Schichtmaterial verdampft, ionisiert und zur Beschichtung transportiert werden, was ungefähr die gleiche Zeit erfordert. Diese Vorgänge können ohne Unterbrechung des Vakuums in der Vakuumkammer und ohne zusätzliche Schritte zur Entgiftung der Vakuumkammer durchgeführt werden.

Der strukturelle Zusammenhalt, der mit dem Schichtmaterial erzielt werden kann, hängt von den Oberflächeneigen- ■ schäften der Substratplatte und der Stärke des an der Oberfläche der Substratplatte vorhandenen Magnetfeldes und von der Wärmeenergie ab, die vorhanden ist oder durch die ankommenden Ionen geliefert wird. Wenn die Energie und die Schichtbildungskräfte für ein gegebenes Material optimiert sind, kann eine für Halbleiterelemente erforderliche, hohe Kohärenz erreicht werden. In den meisten Fällen ist die erforderliche, magnetostatische Feldstärke umgekehrt proportional zur kristallinen Struktur der zu beschichtenden Oberfläche und der entsprechenden Struktur der Schicht.

Obwohl im vorstehenden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, ist für Fachleute ersichtlich, daß Änderungen und Abwandlungen vorgenommen werden können, soweit sie in den Bereich der Erfindung fallen.

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Claims

Patentanmeldung; Verfahren und Gerät zur Materialbedampfung.

PATENTANSPRÜCHE

1.) Verfahren zum Aufbringen'eines achmelzflüssigen Schichtmaterials, das aus einem ionisierten, dampfförmigen Zustand auf der Oberfläche einer Substratplatte in den festen Zustand übergeführt wird und eine im wesentlichen kohärente, dichte und durch Aufprall erzeugte, atomare Schicht darstellt, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: Erzeugen eines Magnetfeldes, dessen Magnetflußlinien durch die Substratoberfläche und das schmelzflüssige Material hindurchreichen} Erzeugen von Ionen aus dem schmelzflüssigen Material, das auf der Substratoberfläche abgeschieden werden soll; und Bilden einer kohärenten, atomaren Schicht aus Schichtmaterial im festen Aggregatzustand, und zwar unter dauerndem Einfluß des Magnetfeldes,

Patentanwälte Dipl.-Ing. Martin Licht, Dnn.«ivwtfch7lrig. Axel HaTIfMann, Pipl.-Phyi, Sebastian Herrmann

OpptMHWMrei PATENTANWALT OR, REINHOLO SCHMIDT

das dazu dient, die Richtung des ionisierten Schichtmaterials bei der Schichtbildung zu steuern,

2, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der Schichtformungsvorgang folgende Verfahrensschritte enthält: neutralisation der Ladung der Ionen vor, während ■ und unmittelbar nach dem Abscheiden, so daß die Ionen in ihren ursprünglichen, atomaren Valenzzustand zurückkehren, wodurch eine kohärente, atomare Schicht aus dem dichten,' aufgedampften Sehichtmaterial gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt zum Erzeugen eines Magnetfeldes dadurch erweitert wird, daß. die Oberfläche der. Substratplatte einer erheblich größeren Magnetflußdichte ausgesetzt wird als im Bereich des schmelzflüssigen Schichtmaterials herrscht.

4· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den dampfförmigen Zustand folgende Verfahrensschritte verwendet werden: Verdampfen des Schichtmaterials in einem Ultrahochvakuum, um eine Dampfwolke aus atomarem Schichtmaterial zu erzeugen; Ionisierung des atomaren Schichtmaterials, um eine gestaltete und begrenzte Ionenwplke zu schaffen; Transport der .in der Ionenwolke enthaltenen Ionen zur Substratplatte; wobei das Magnetfeld in der Weise erzeugt wird, "daß es im Bereich der Substratplatte homogen^?;1¥£ und·- ■ ^c seine Magnetflußlinien senkrecht zur Oberfläche- der'^S^s^rWt;^ ^Λ

ORtQtNAi, fNSPEGTED

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platte verlaufen, um die geordnete Ablagerung der ionisierten Atome gemäß einer bevorzugten Orientierung zu lenken.

5. Verfahren nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß nacheinander die vorstehenden Verfahrensschritte wiederholt werden, um. eine zweite, kohärente, atomare Schicht auf der ersten Schicht zu bilden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schichtanordnung aus Schichtmaterial gebildet wird, das andere elektrische Leitfähigkeitseigenschaften aufweist als das für die erste Schicht verwendete Schichtmaterial, um einen aus mehreren Schichten bestehenden Schichtaufbau auf der Substratplatte zu schaffen.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfungsschritt folgende Schritte enthält: Erhitzen des Schichtmaterials durch Elektronenemission, die von einer ringförmigen Elektronenquelle aus in konischer Form erfolgt; und Fokussieren der konischen Elektronenemission, so daß der Elektronenbeschuß an einem zentralen Punkt auf der Oberfläche des Schichtmaterials konzentriert wird, wodurch eine starke, örtliche Erhitzung erzielt wird_f ohne dadurch die Bildung der Ionenwolke zu stören.

8. Verfahren nach Anspruch 7* dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfungsschritt folgenden,weiteren Schritt enthält: Aufnahme des zu erhitzenden Schichtmaterials in einem

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Tiegel mit" halbkugelförmiger Wandung, die als optische Heizvorrichtung wirkt und durch die Strahlungswärme, die vom zentralen Punkt auf der Oberfläche des Schichtmaterials ausgeht, zum zentralen Punkt zurückreflektiert wird, wodurch die durch die Elektronenemission bewirkte Erhitzung des Materials unterstützt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß für die Fokussierung ein ringförmiges Magnetfeld erzeugt wird, das die Dampfwolke umgibt und die Gestaltung und Begrenzung der gebildeten Ionenwolke bewirkt·

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfungsschritt folgenden Schritt enthält: Kühlen des Teils des Schichtmaterials, das sich zwischen dem zentralen Punkt auf der Oberfläche und der halbkugelförmigen Wand befindet, indem eine durch die Halterung des Tiegels verlaufende, konstante Flüssigkeitsströmung aufrechterhalten wird, die dazu dient, die Temperatur im Tiegelkörper zu verringern.

11. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Neutralisationsschritt folgenden Schritt enthält« Zufuhr von Elektronen zur Substratplatte,ehe die Ionen darauf abgeschieden werden, so daß die Substratplatte ein gegenüber der Ionenwolke negatives Potential aufweist.

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12« Verfahren nach. Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Transportschritt folgenden Schritt enthalt: Errichten eines elektrostatischen Potentialgradienten, der dazu dient, die Ionenlsewegung einzuleiten und in einer bevorzugten Richtung zur Substratplatte hin zu tieschleunigen und außerdem die Geschwindigkeit der Ionen durch das Ultrahochvakuum aufrechtzuerhalten »

13* Verfahren nach Anspruch 5* gekennzeichnet durch den Verfahrensschrittί Zufuhr zusätzlicher Elektronen zur öubstiftplatte als Vorbereitung für eine nachfolgende Beschichtung mit einer zweiten, kohärenten, atomaren Anordnung aus Schichtmäte-eiäl.

14. Gerät zum Aufbringen eines schmelzflüssige« Schichtmaterials, das aus einem ionisierten, dampfförmigen Zustand auf der Oberfläche einer Sübstratplatte in den festen Zustand übergeführt wiM und dabei eine im wesentlichen kohärente, atomare Schicht aus Schichtmaterial bildet, gekennzeichnet durch eine Heizvorrichtung (22), um das Schichtmaterial im schmelzflüssige« Zustand zu halten und eine Dämpfwolke aus atomarem Schiöhtmaterial zu erzeugen j einen Ionisator (16) »oben der Dämpfwolke, um das atomare Söhichtmäterial zu iofiisiereü und eine Ionenwolke zu bilden; elektrostatische Tranepörtvöirlohtüügen (26), die in einem feste« Abstand zum Ionisator angebracht sind und Ionen m& der lonenwolke in Eiöhtung auf die Substiatplatte (18) bewege«}

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elektromagnetische Vorrichtungen (19)* die so angeordnet sind, daß sie mit der elektrostatischen Vorrichtung, in Beziehung stehen, um ein Magnetfeld im Bereich der Substratplatte und im Bereich des Ionisators zu erzeugen, wodurch e,ine geordnete Ablagerung der ionisierten Atome in einer bevorzugten Orientierung erfolgt j und Neutralisierüngsvörrichtungen (27) neben der Substratplatte, um die Ladung der abgeschiedenen Ionen zu neutralisieren und .eine Sehiöht zu bilden, die das ursprungliehe Schiehtmaterial im festen Zustand enthält.

15« Gerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet'$ daß die lieutralisierungsvörfichtung (27·)· zwischen de3* Substratplatte und dem Ionisator vorgesehen ist*

16. Gerat nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet«- daß die .elektromagnetische Vorrichtung (19) ein Magnetfeld erzeugt, das im Bereich der Substratplatte wesentliöh stärker ist als im Bereich des Ionisators*

17* Gerät nach Anspruch 14* dadurch gekennzeichnetι daß die Sübstratplatte in einer Vakuumkammer (15) vorgesehen ist; die elektrostatische Transportvorrichtting Vorrichtungen... (26) enthältf die einen elektrostatischen 2ötential|jra;dieateil zwischen dem Ioniaator (16) und der Substratplatte (18) ,ert·. , zeugen} um die ionisierten Atome zu beschleunigen uadikra,;. Bewegungsrichtung zu steuern? wobei die Neutralisierungä^

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vorrichtung (27) an die Substratplatte eine gewisse Menge Elektronen liefert; wobei die elektromagnetische Vorrichtung (19) mit dem Ionisator (16) und der elektrostatischen Transportvorrichtung (26) koaxial angeordnet ist, ^m ein Magnetfeld zu erzeugen, dessen Magnetflußlinien (28) senkrecht zur Oberfläche der Substratplatte verlaufen und dazu dienen, die Richtung der ionisierten Atome bei der Ablagerung in einer bevorzugten, geordneten Orientierung auf der Substratoberfläche rechtwinklig zu den Magnetflußlinien zu lenken, wodurch eine kohärente, atomare SchichtanOrdnung aus Schichtmaterial auf der Substratoberfläche gebildet wird.

18. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Erzeugung der Dampfwolke dienende Heizvorrichtung eine ringförmige Elektronenquelle (22) enthält, die koaxial zum Schichtmaterial verläuft und einen konischen Elektronenstrahl emittieren kann, der auf den Mittelpunkt der Oberfläche des Schichtmaterials,, die der ringförmigen Elektronenquelle ausgesetzt -ist, gerichtet ist; mit zweiten elektromagnetischen Vorrichtungen (46), die koaxial zur ringförmigen Elektronenquelle verlaufen und dazu dienen, den konischen Elektronenstrahl so zu fokussieren, daß der Elektronenbeschuß auf den Mittelpunkt der Oberfläche des Sehichtmaterials konzentriert ist, wodur-ch eine starke, örtliche ürhifzung geschaffen wird, die einen Bereich des Sehichtmaterials' schmilzt und verdampft, ohne die Bildung der ionenwolke zu behindern. -

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19. Gerät nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung zum Erzeugen der Dampfwolke eine optische Heizvorrichtung (37) enthält, die eine halbkugelförmige Wand bildet, in der das Schichtmaterial gehalten wird, wobei die vom Mittelpunkt der Oberfläche des Schichtmaterials ausgehende Strahlungswärme durch die halbkugelförmige Wand zum zentralen Punkt auf der Oberfläche des Schichtmaterials zurückreflektiert wird, was die durch die ringförmige Elektronenquelle hervorgerufene Materialerhitzung unterstützt. ,

20. Gerät nach Anspruch 17» dadurch gekennzeichnet, daß die elektrostatische Vorrichtung ein ringförmiges Ladungsgitter (26) enthält, das einen unteren Abschnitt (73) mit kleinerem Durchmesser bildet; wobei der untere Abschnitt des Ladungsgitters einen festen Abstand zum Ionisator (ΐ6) aufweist, so daß dazwischen ein ringförmiger Durchgang gebildet wird; und wobei die elektrostatische Vorrichtung und der Ionisator Spannungsversorgungsvorrichtungen (34, 33) enthalten, die unabhängig voneinander mit dem Ladungsgitter und dem Ionisator verbunden sind und dazu dienen, den zur Beschleunigung und Eichtungssteuerung dienenden elektrostatischen Potentialgradienten zu schaffen, der in dem ringförmigen Durchgang zwischen dem Ladungsgitter und dem Ionisator konzentriert ist und sich vom Ionisator bis zur Substratplatte erstreckt»

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21. - ü-erät nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung, die Elektronen an die Substratplatte, liefert, eine zweite, ringförmige Elektronenquelle (27) enthält, die einen festen Abstand zu demjenigen Ende der elektrostatischen Vorrichtung (26) aufweist, das dem am Ionisator befindlichen Ende entgegengesetzt ist, wodurch die Substratplatte ein Potential erhält, das gegenüber den a ionisierten Atomen negativ ist. '

22. Gerät nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet,

daß die zweite, elektromagnetische Vorrichtung ein ringförmiges, homogenes Magnetfeld erzeugt, das zur Bahn des Elektronenstrahls senkrecht verläuft und magnetische Kraftlinien schafft, die eine kontrollierbare Richtungsorientierung aufweisen und um die Elektronenquelle herumlaufen, damit der .Elektronenstrahl auf die Oberfläche des Schichtmaterials fokussiert werden kann, (

23· Gerät nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige, homogene, quer verlaufende Magnetfeld einen zentralen Durchgang bildet, der die Dampfwolke um schließt und dadurch die Gestaltung und Begrenzung der Ionenwolke bewirkt,

24· Gerät nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Heizvorrichtung (37) aus einer plazierten Chromauskleidung besteht, die der Kontur der halbkugelfürmigen Wand folgt und die Wand gegen das Schichtmaterial »baohirmt. 0$|i42/U96 ORiOlNALINSPECTED

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25. Gerät nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, ;, \-- daß die optische Heizvorrichtung Vorriehtungen zum Eühlen der Chromauskleidung enthält, während ein Ä%schni.ift¹des Schichtmaterials auf eine Temperatur erhitzt^ wird|^l~die ·' niedriger ist als die Schmelztemperatur der ChromäTiPskleidung und niedriger als die Schmelztemperatur des sehmelziTiissigen Schichtmaterials, wodurch die Chromauskleidung der eptisehen Heizvorrichtung im festen Aggregatzustand gehalten wird, so daß keine Verschmelzung zwischen dem Schichtmaterial und · der Chromauskleidung auftritt.

26. Gerät nach Anspruch 24, dadurchgekennzeichnet, daß die elektromagnetische Vorrichtung' ein Ringmagnet (19) mit einer zentralen Öffnung ist, in der sieh die Substratplatte befindet; wobei die Oberfläche der Substratpl.atte im wesentlichen in der gleichen waagerechten Ebene wie die elektromagnetische Vorrichtung liegt.

27. Gerät nach Anspruch 24, gekennzeichnet durch Vorrichtungen, die die elektromagnetische Vorrichtung ir* der Atmosphäre außerhalb der Vakuumkammer tragen.

28. Gerät nach Anspruch 14, dadurch gekenjizeiahmet, daß das Schichtmaterial, aus Silizium besteht. ^r" .

29, Gerät nach Anapruch 14» gekennzeichnet durc^ Tiegel (17, 90), die Schichtmaterial mit verschiedeiien Xteitfäuigkeitseigenschaften enthalten^ mit Betätigufagsvorrich«

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tungen :(91.}* die. mit den Tiegeln verbunden sind, so daß jeweils-eiüer. der Tiegel, selektiv so angebracht werden kann, daß der; Mittelpunkt der Oberfläche des darin enthaltenen Schichtmaterials im wesentlichen auf der zentralen, senkrechten Achse der Apparatur und koaxial zur Heizvorrichtung liegt.

30. Tiegel zur Aufnahme von Schichtmaterial, das an einer bestimmten Stelle geschmolzen und verdampft wird, gekennzeichnet durch einen Tiegelkörper, der aus einem Material besteht, das eine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit aufweist und sich als Element für einen elektrischen Stromkreis eignet} wobei der Tiegelkörper eine halbkugelförmige Vertiefung enthält, in der sich eine Chromauskleidung befindet, die den Tiegelkörper von dem Schichtmaterial trennt; mit Halterungsvorrichtungen für den Tiegelkörper; und Vorrichtungen, um ein Kühlmittel durch die Halterung des Tiegelkörpers fließen zu lassen, während der Schmelzvorgang abläuft, bei dem das Schichtmaterial eine Temperatur erreicht, die unter der Schmelztemperatur des Tiegelkörpers liegt, um eine thermische Unterbrechung zwischen dem Körper und der Halte-· rung zu schaffen, wobei die Temperatur außerdem niedriger ist als die Materialschmelze, so daß die Chromauskleidung im festen Aggregatzustand gehalten und ein Verschmelzen der Chromauskleidung mit der Schmelze verhindert wird.

31. Tiegel nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Chromauskleidung als optische Heizvorrichtung verwendet

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werden kaim₉ wodurch tie vom Ättelpunkt der Oberfläche dar HsteriaXsehmelze ausgehend© Wärmestrahlung zum Mittelpunkt der Oberfläche zurückreflektiert wird und dadurch die Erhitzung des Schichtmaterials unterstützt, so daß die Materialschmelze im Mittelpunkt der Oberfläche von relativ festem Ochichtmaterial umgeben ist, das sich zwischen der Schmelze und der öhromauskleiduag befindete - .

32» Kombination aus einer als Heizvorrichtung dienenden Elektronenquelle und einem Tiegel zur kontrollierbaren Erhitzung der Oberfläche ®ia@s in dem Siegel befindlichen Schichtmaterials, gekennzeichnet durch ein ringförmiges Drahtgitter, das koaxial und in festem Abstand zum Schichtmaterial angeordnet ist und dessen Durchmesser größer als der Durchmesser des Schichtmaterials ist? mit einer Spam-, nungsquelle«, die elektrisch mit dem Drahtgitter verbunden ist, um eine kontinuierliche Emission eines konisch geformten Elektronenstrahls zu erzeugen₉ der im Mittelpunkt der Ober-= fläche des Schichtmaterials konvergiert, so daß,durch Elektronenbeschuß eine starke, örtliche Erhitzung an einem Punkt in der kitte der Oberfläche des Üchichtmaterials erfolgt ₉-wodurch eine Dampfwolke entsteht=

33ο Kombination nach Anspruch 32, weiterhin gekennzeichnet durch eine elektromagnetische Fokussierungs- und Ionisationsvorrichtungj um eis Magnetfeld zu erzeugen, das magnetische Kraftlinien liefert, die d©n Elektronenstrahl auf

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die Oberfläche des Schi.ehtmaterials fokussieren und die Dampfwolke ionisieren.

34. Elektronenkanone, gekennzeichnet durch eine ringförmige Elektronenemissionsvorrichtung, die ein Drahtelement enthält; Spannungsversorgungsvorrichtungen, die mit dem Element elektrisch verbunden sind, um eine kontinuierliche Emission eines im wesentlichen konisch geformten Elektronen-Strahls zu bewirken, der in einer Spitze konvergiert; eine zweistufige, elektrostatische Beschleunigungsvorrichtung, um die Biehtung und Konfiguration der Elektronenemission zu steuern, und elektromagnetische "Vorrichtungen, die koaxial zum Emissionselement liegen, um den konischen Elektronenstrahl zu fokussieren.

O0M42/U96