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Vorrichtung zur Herstellung dünner isolierender Schichten mittels
Ionenzerstäubung Die -rSindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung dünner
isolierender Schichten mittels Ionenzerstäubung. Dünne e isolierende Schichten finden
in zunehmendem Maße in der Dechnik Anwendung als Passivierungsschichten und Dielektrika,
z.B. in elektronischen Bauelementen sowie als Schutz- und Veredlungsschichten hochwertiger
Geräte- und Anlagenteile.
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Auf Grund der besonderen Qualitäten der durch Ionenzerstäubung herfflestellten
Schichten besteht im allgemeinen ein wachsendes Interesse am Einsatz dieses Verfahrens.
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Zur Herstellung dünner isolierender Schichten sind verschiedenartige
Vorrichtungen und Verfahren entwickelt worden. Vorwiegend benutzt man heute die
Plasma-Zerstäubung, eine Ionenzerstäubung in Edelgasatmosphäre bei kleinem Druck.
Dabei legt man an das zu zerstäubende Target eine hochfrequente Wechselspannung.
Dieses Verfahren wird als RF-Sputtering bezeichnet. Die Bogenentladung über dem
Target kann dabei entweder von der RF-Iargetspannunc selbst oder von einer Gleichspannung
zwischen zusätzlich angebrachten Elektroden gespeist werden. Dementsprechend unterscheidet
man verschiedenartige Zerstäubungsvorrichtungen mit zwei oder mehreren Elektroden.
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Der Nachteil der Apparaturen, die bisher zur Herstellung dünner isolierender
Schichten entwickelt wurden, ist ihr relativ großer technischer Aufwand. Das betrifft
den vakuumtechnischen wie auch den elektrischen Anlagenteil. Ferner muß im Zerstäubungsraum
ein Inertgasdruck von mindestens
10 Torr aufrechterhalten werden,
was zu Gaseinschlüssen in den Schichten fuhren kann. Infolge der speziellen Elektrodenanordnungen
sind der Identität von Zntladangs- und Zerstäubungsraum ist es schwierig, solche
Anlagen mit Wechseleinrichtungen fir Targets, Masken und Substrate auszustatten
oder spezielle Meßeinrichtungen anzubringen. Die Apparaturen gestatten es jedoch,
Schichten mit großer Wachstumsrate bei hoher Gleichmäßigkeit auf einer größeren
Fläche abzuscheiden.
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Es ist ferner bekannt, dünne Isolatorschichten mit Hilfe der Ionenstrahlzerstäubung
herzustellen. In den dazu entwickelten Anlagen werden die Ionen in einer Ionenquelle
erzeugt tixid mit Hilfe spezieller Elektrodensysteme extrahiert und als Strahlen
auf das Target geschossen. Ist das zu zerstaubende Target ein Isolator, so kommt
es während des Betrieb bes infolge der Aufladung des Targets und der angrenzenden
gebiete zu einer Abbremsung und Ablenkung der lonenstrahlen, wodurch eine Verringerung
der Aufstäubungsrate und eine Beeinträchtigung der Schichtqualität hervorgerufen
werden.
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Die Ionenstrahlmethode konnte deshalb bisher nur in beschränktem umfangs
zur Herstellung dünner Isolatorschichten eingesetzt werden.
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ebenfalls wurde bereits eine Vorrichtung zur wahlweisen Zerstäubung
fester Substanzen nach der Plasma- oder Ionenstrahlmethode vorgeschlagen, die ein
kompaktes Entladungssystem besitzt, das in einer Kombination sowohl Bauteile zur
Durchführung der Ionenstrahlzerstäubung als auch der Plasmazerstäubung enthält.
Diese Vorrichtung ist fr die Herstellung dünner isolierender Schichten von besonderem
Interesse, da sie vielseitig einsetzbar ist und ohne besonderen technischen Aufwand
an kommerzielle Hochvakuumapparaturen ohne Beeinträchtigung der Funktion der Innenaufbauten
angeschlossen werden kann. Im Betrieb ergeben sich jedoch als Folge der Targetaufladung
auch hier die Nachteile, die von der Plasma- und der Ionenstrahlzerstäubung her
bekannt und bereits beschrieben sind.
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Weiterhin ist bekannt, die Kompensation von positiven Raum-bzw. Flächenladungen
mit Hilfe freier Elektronen durchzufahren,
beispielsweise f-ar meBtechnische
Zwecke durch Anordnung von Heizkatoden in der Umgebung des Ionenauffängers.
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Zweck der Erfindung ist die Verminderung bzw. Beseitigung der genannten
I'ngel, insbesondere die Senkung des Aufwandes bei der Herstellung von dünnen isolierenden
Schichten durch Ionenzerstäubung sowie die Verringerung der aufladung des Targets
und der angrenzenden Gebiete zur Verbesserung der Schichtqualität.
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ber Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dieses durch eine Vorrichtung
zur Ionenzerstäubung zu erreichen, bei der eine Kompensation der positiven Aufladung
des Targets und der angrenzenden Gebiete durch Elektronenströme erforderlicher Intensität
und Richtung erfolgt.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit hilfe einer Vorrichtung gelöst,
die aus der Kombination eines an sich bekannten Ionenzerstäubungssystems, vorzugsweise
eines bereits vorgeschlagenen Systems zur wahlweisen Zerst:iubung nach der Plasma-
oder Ionenstrahlmethode, mit einer oder mehreren Elektronenstrahlquellen besteht.
Die Elektronerlstrahl quellen sind in unmittelbarer Umgebung des Targets, vorzugsweise
in metallischem Kontakt auf dem gekühlten Targethalter, angeordnet. Sie bestehen
aus einem metallischen Gehause, in dem sich eine Katode befindet iuid das eine oder
mehrere Smissionsöffnungen besitzt, die vorzugsweise schlitzförmig ausgebildet sind
und in Richtung des Targets weisen sowie einer vorzugsweise am Gehäuse isoliert
angebrachten Blende oder einem Blendensystem. Die Blende oder das Blendensystem
dienen zur Absaugung und Strahlerzeugung der Elektronen in Richtung Ionenstrahl
bzw. Target. Die Anbringung der Elektronenstrahlquellen auf dem Targethalter bietet
den Vorteil, daß dire'ster Kontakt mit der Targetkühlung vorhanden ist.
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bei der Auslegung sind folgende Dimensionierungen wesentlich: - Die
Intensitit der Elektronenstrahlen muß annähernd mit der der Ionenstrahlen übereinstimmen.
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- Die Beschleunigungsspannung muß so gewählt werden, daß die Elektronen
einmal nicht in wesentlichem Umfang in das Ionenerzeugungssystem zurück diffundieren
und zum anderen
nicht Aber die zu kompensierende Targetzone hinausschießen.
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- Die relative Anordnung des oder der Blektronenstrahlen zum Target
ist so zu wählen, daß eine möglichst vollständige und gleichmäßige Kompensation
der Ladungen im oder am Brennfleck erzielt wird. Das läßt sich vorzugsweise durch
eine einseitig angeordnete Quelle mit breitem bandförmigen Strahl oder durch mehrere
um das Target herum angeordnete Quellen erreichen.
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung bestehen darin, daß eine
zur lIochfreq-uenzzerstiubung (RF-Sputtering) gleichwertige Lösung hinsichtlich
Zerstäubungsrate und Schichtqualität entwickelt wurd, die darüber hinaus folgende
Nachteile der Hochfrequenzzerstäubung aufweist: - Der Betrieb mit Hochfrequenz erfordert
einen beträchtlichen apparativen Aufwand.
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- Im Zerstäubungsraum muß ein Inertgasdruck von mindestens 10-4 Torr
aufrechterhalten werden, was zu Gaseinschlüssen in den Schichten führen kann.
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- Infolge der speziellen Elektrodenanordnungen und der Identität von
bntladungs- und Zerstäub-ungsraum ist es schwierig, solche Anlagen mit Wechseleinrichtungen
für Targets, Masken und Substrate auszustatten oder spezielle Meßeinrichtungen anzubringen.
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Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher
erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen: Fig. 1: die perspektivische
Ansicht einer Elektronenstrahl quelle auf dem Targethalter mit einem Target, auf
das der Ionenstrahl fällt, Fig. 2: einen Schnitt senkrecht zur Katodenachse gemäß
Fig. 1 Die beispielsweise einseitig angeordnete Elektronenstrahlquelle mit bahdförinigem
Elektronenstrahl 1 besitzt eine leicht auswechselbare Katode 2 konzentrisch im Metallgehause
3. Die Austrittsöffnung sowie die Offnung der Blende 4
sind schlitzförmig
gestaltet. Die gesamte Quelle ist auf dem Targethalter 5 aufgeschraubt und wird
mit dem Target 6 durch einen Wasserkühlkreislauf im Inneren des Targethal ters gekühlt.
Beim Betrieb dieser Anordnung bildet sich direkt vor der Quelle eine von der Geometrie
und den Betriebsparametern abhängige negative Ladungszone aus. Darauf folgt die
eigentliche vom Ionenstrahl 7 erzeugte positive Ladungszone, in die die Elektronen
hineingezogen werden.
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Im angeftihrten Beispiel wird eine optimale Kompensation der Targetaufladung
durch einen Elektronenstrahl erreicht, der annähernd die gleiche Intensität besitzt
wie der Ionenstrahl bei einer Elektronen-Beschleunigungsspannung von 150 V.