DE19711986C1 - Effusionszelle und Verfahren zur Substanzerwärmung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Effusionszelle, insbesondere für den Niedertemperaturbereich, bei der zur Erzeugung des Molekular- oder des Atomstrahles die zu verdampfenden Substanzen in einem als Vorratsbehälter dienenden Tiegel erwärmt werden sowie ein Verfahren zur Substanzerwärmung.

Bei der Herstellung dünner Schichten durch Aufdampfen eines gewünschten Materials auf ein Substrat unter Ultrahochvakuumbedingungen werden häufig sogenannte Effusionszellen zur Erzeugung eines Molekularstrahles des gewünschten Materials verwendet.

Bei den konventionellen Effusionszellen im unteren Temperaturbereich bis etwa 600°C erfolgt die Erwärmung der Tiegelsubstanz hauptsächlich unter Ausnutzung der Wärmeleitung innerhalb der Substanz.

Die Heizung des Tiegels erfolgt dabei durch Widerstandsdrähte, beispielsweise Tantaldrähte, die zur Verringerung des Temperaturgradienten an der Öffnung des Tiegels auch dichter angeordnet sein können als am Boden (T. J. Mattord et al.: J. Vac. SciTechnology B7 (1989) 214: A single-filament effusion cell with reduced thermal gradient for molecular-beam epitaxy). Effusionszellen mit indirekter Erwärmung über die Wärmeleitung sind mit dem großen Mangel behaftet, daß es wegen der granularen Struktur vieler fester und praktisch relevanter Substanzen (auch insbesondere organischer Substanzen), unter Ultrahochvakuum- Bedingungen zu einer ungleichmäßigen Erwärmung der Einsatzsubstanz und damit zu einer unregelmäßigen Verdampfung kommt.

Dies führt aber zu einer unerwünschten, nicht mehr kontrollierbaren Schwankung der Aufdampfrate.

Neben der Energiezuführung über die Wärmeleitung ist auch die direkte Erwärmung des Einsatzgutes möglich. So z. B. mit Hilfe von Laserstrahlen, die direkt durch die Tiegelöffnung oder über Lichtleiter ins Innere des Tiegels auf die Substanz gelenkt werden, wie es beispielsweise in der DE 38 40 042 A1 bei einem Beschichtungskopf für laserunterstütztes CVD beschrieben ist.

Problematisch und daher für viele Anwendungen ungeeignet ist bei dieser Erwärmungsart die recht hohe Temperatur an der Oberfläche (T = 1400-3200°C), bei der sich organische Substanzen zersetzen oder ihre für die vorgesehene Anwendung wichtige Funktionalität verlieren würden.

Den gleichen Nachteil besitzen Elektronenstrahlheizun­ gen. Die durch ein z. B. Wolfram-Filament erzeugten Elektronen werden dabei magnetisch abgelenkt und fokus­ siert und vergleichbar den Laserstrahlen direkt auf die Substanz im Tiegel ausgerichtet. Bei 5-10 kV kommt es zu Temperaturen über 3000°C an der Substanzoberfläche.

In der US 5 540 780 wird eine Effusionszelle zum Aufdampfen dünner Schichten mittels Molekülstrahlepitaxie beschrieben, die einen Tiegel aus pyrolytischem BN aufweist. Die Tiegelheizung erfolgt durch IR-Strahlung von einer äußeren Heizspule aus. Bezüglich Heizung und Tiegel bildet sich aufgrund der sehr guten Wärmeleitfähigkeit des verwendeten Tiegelmaterials ein thermodynamisches Gleichgewicht heraus. Bei den angegebenen Arbeitstemperaturen ist die Wärmestrahlung der Heizelemente und des Tiegels vergleichsweise gering gegenüber dem Effekt der Wärmeleitung vom Tiegel auf die Substanz. Damit wird die Substanz im Tiegel hauptsächlich über Wärmeleitung erwärmt mit den bereits beschriebenen Nachteilen bezüglich der ungleichmäßigen Erwärmung der Substanz, wodurch unerwünschte Schwankungen der Aufdampfungsrate entstehen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine effektiv beheizte Effusionszelle, insbesondere für den Niedertemperaturbereich zu schaffen, die eine gleichmäßige Erwärmung der Einsatzsubstanz sicherstellt und leicht einstellbar ist, so daß eine kontrollierbare und reproduzierbare Aufdampfrate gewährleistet wird. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein rationelles Verfahren zur Substanzerwärmung anzugeben.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil der Patentansprüche 1 und 11 gelöst. Die zweckmäßigen Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, die zu verdampfende Substanz im Tiegel direkt mit Wärmestrahlen zu erwärmen. Ein Infrarotlaser ist für diesen Zweck allerdings nicht geeignet, da er zu selektiv mit einer Frequenz die Substanz anregen würde und somit die Gefahr besteht, daß die chemischen Bindungen in der Substanz zerstört werden.

Erfindungsgemäß wurde gefunden, daß für die Erwärmung von Substanzen vor allem der mittlere Infrarot-Bereich, der wie der typische Bereich für die Infrarot- Spektroskopie bei etwa 2,5-25 µm bzw. 4000-400 cm^-1 liegt, weil hier die größten Absorptionsbanden lokalisiert sind, interessant ist.

Der zur Analyse benutzte substanzspezifische Charakter der Infrarot-Spektren im sogenannten "Fingerprint- Bereich" von 1800-400 cm^-1 ist nicht zur Erwärmung verschiedener Substanzklassen mittels einer ausgewählten Frequenz geeignet. Die Lage der den funktionellen Gruppen entsprechenden Absorptionsbanden ist stark von der unmittelbaren chemischen Umgebung abhängig. Das gleiche gilt für den Bereich zwischen 4000-2500 cm^-1, in dem zwar breitere Banden vorherrschen, ihre Lage jedoch variiert.

Nur eine entsprechende Anregung möglichst vieler Schwingungsmoden in der Substanz mit entsprechend hoher Intensität ermöglicht das Koppeln aller Schwingungsfreiheitsgrade in der Substanz und damit die allseitige Erwärmung des Tiegeleinsatzmaterials.

Deshalb ist eine Erwärmung der Substanz nur durch eine relativ breitbandige Anregung mit möglichst hoher Intensität besonders erfolgversprechend. Geeignet sind breitbandige Strahler, wo evtl. das UV-VIS Spektrum ausgeblendet werden muß, um das Lösen von Bindungen zu verhindern.

Diese breitbandigen Strahler sind außen um den Tiegel plaziert, der aus infrarotdurchlässigem Material besteht und so die Infrarot-Strahlung durchläßt.

Eine Möglichkeit zur Erzeugung eines breitbandigen Infrarot-Strahlungsfeldes ist die Ausnutzung der natürlichen Strahlung eines erwärmten Körpers. Hierzu kann zweckmäßig der Tiegel selbst herangezogen werden, der z. B. durch Lampenheizung erwärmt wird, so die gewünschte Strahlung selbst erzeugt und gleichzeitig einen Teil der Wärmestrahlung der Lampenheizung ins Tiegelinnere hindurchläßt.

Dem gleichen Ziel würde aber auch ein den Tiegel umgebender erhitzter Mantel beispielsweise aus Silizium dienen, der die Wärmestrahlung selbst erzeugt und einen Teil der Wärmestrahlen der Wärmequelle, z. B. der Lampenheizung, hindurchläßt. Insbesondere bei der gleichzeitigen Verwendung des Tiegels oder eines ihn umgebenden Mantels als Wärmestrahler würde sich an den Innenwänden des Tiegels eine Temperatur einstellen, die über der der zu verdampfenden Substanz liegt. Damit wird aber die Substanz hauptsächlich über Wärmeleitung erwärmt - mit den einleitend bei diesem Prinzip herausgestellten Nachteilen der ungleichmäßigen Erwärmung mit ihren Folgen.

Es ist ein weiterer wesentlicher Gedanke der Erfindung, die Wärmeleitung zu unterdrücken. Dies wird durch Kühlung des Tiegels erreicht, die seine innere Wandtemperatur auf eine geringere Temperatur als die der zu verdampfenden Substanz im thermischen Gleich­ gewicht mit dem Infrarot-Strahlungsfeld absenkt.

Eine weitere Möglichkeit zur Erzielung eines Strah­ lungsfeldes mit den gewünschten Wellenlängen läßt sich durch geeignete Strahlungsquellen unter Zwischenschal­ tung auf die gewünschten Wellenlängen abgestimmter Transformer- und Filterelemente zwischen Heizer und Tiegel erzielen, wie in Fig. 1 schematisch dargestellt ist.

Da es auf eine gute Infrarot-Strahlungsdurchlässigkeit ankommt, kommen als mögliches Tiegelmaterial Silizium, Germanium oder bestimmte Salze, wie BaF₂, CaF₂ oder ZnSe, in Frage.

Das Strahlungsfeld wird im Tiegel von einem Pyrometer gemessen, das auch zur Temperaturregelung dient. Getestete erfindungsgemäß hergestellte Niedertempera­ tureffusionzellen besitzen eine hohe Regeldynamik, und konstante Aufdampfraten lassen sich schnell und exakt einstellen. Damit erschließen sich weite Anwendungsmöglichkeiten für eine sehr genaue definierte Präparation dünner, insbesondere organischer Schichtsysteme mit verbesserten Eigenschaften und geringeren Defektdichten. Derartige Schichtsysteme besitzen als innovative, neuartige Materialsysteme mit teilweise komplexer Funktionalität u. a. Bedeutung für die Entwicklung von Sensoren und optoelektronischen Bauelementen. Sie haben möglicherweise auch erhebliche Bedeutung bei der Entwicklung flacher Bildschirmsysteme, da blaue und weiße Leuchtdioden sich so präparieren lassen.

Zur Temperaturmessung in der Niedertemperatureffusions­ zelle ist wesentlich, daß die Wärmestrahlung zuverläs­ sig, insbesondere über Pyrometer gemessen werden kann. Eine konstruktive Besonderheit der Wärmestrahlungsmeß­ vorrichtung ist ein langes Rohr zwischen Pyrometer und Tiegelboden. Das Verhältnis von Rohrdicke zu Rohrlänge ist so optimiert, daß das Pyrometer zusätzlich durch das polierte Rohrinnere fokussiert wird auf das Tiegelinnere. Außerdem wird das Rohr selbst ebenfalls extern gekühlt, um Wärmestrahlung von anderen Quellen vom Pyrometer abzuschirmen und so die Zuverlässigkeit der Temperaturmessung zu erhöhen.

Die Erfindung soll nachstehend an Hand eines Ausfüh­ rungsbeispieles der in der Fig. 2 dargestellten Effu­ sionszelle näher erläutert werden.

Das nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiel ist auf einem CF63/CF35-Edelstahlflansch 1 montiert und kann an standardisierte Ultrahochvakuum(UHV)-Anlagen mit einem entsprechend freien CF63-Flansch angeschlossen werden.

Alle verwendeten Materialien sind UHV-tauglich.

Am CF63-Flansch 1 befinden sich elektrische Durchführungen zur Versorgung der Lampen 2. Der Flansch besitzt weiterhin Zu- und Abführungen für ein flüssiges Kühlmittel, im vorliegenden Ausführungsbeispiel H₂O oder LN₂, die in einem doppelwandigen Kühlmantel 3 um die Lampen 2 herum enden.

Ein innerer Tiegel 4 aus Polysilizium nimmt die Substanzen auf und hat die Form eines einseitig geschlossenen, aufrecht stehenden Zylinders. Der Tiegel 4 wird umhüllt von einem zweiten Mantel 5 aus Polysilizium, welcher nicht an den Enden geschlossen ist. Die Lampen 2 sind symetrisch um diesen äußeren Mantel 5 herum angeordnet.

Der innere Tiegel 4 wird oben durch einen Trichter 6 fortgeführt, der sich konisch erweitert und nach Montage den Tiegel 4 in Position hält. Die obere, erweiterte Öffnung des Trichters 6 wird durch einen beweglichen Shutter 7 verschlossen bzw. bei Bedarf freigegeben. Dieser Shutter 7 kann über einen entsprechenden Mechanismus 8 und eine Durchführung durch den Flansch 1 von außen geöffnet bzw. geschlossen werden.

Der Tiegel 4 wird von unten und teilweise an der seitlichen Mantelfläche von einem Rohr 9 umhüllt und getragen. Dieses Rohr 9 ist ebenfalls doppelwandig und besitzt Zu- und Abführungen für ein flüssiges Kühlmittel (im vorliegenden Ausführungsbeispiel H₂O oder LN₂). Das Rohr 9 ist aus Edelstahl und innen poliert. Das Verhältnis von Rohrlänge zu Rohrquerschnitt ist so ausgewählt, daß Strahlung aus dem Inneren des Tiegels 4 an den Seitenwänden reflektiert und auf das andere Ende des Rohres 9 fokussiert wird.

Den Abschluß des Rohres 9 bildet nach unten ein optisches, Infrarot-durchlässiges Fenster 10, welches aus ZnSe besteht und das gleichzeitig den Abschluß der Baugruppen bildet. An das Fenster 10 schließt sich unmittelbar ein Pyrometer 11 an. Das Rohr 9 wird über ein zylindrisches Anschlußstück 12 an den CF63-Flansch 1 und ein CF35-Flanschende in Position gehalten.

Zum funktionsfähigen Ausführungsbeispiel gehören weiterhin 2 Kühlkreisläufe (je eines für Kühlmantel 3 und Rohr 9) sowie die entsprechenden internen und externen elektrischen Anschlüsse zum Betrieb der Lampen 2 und des Pyrometers 11 sowie ein regelbares Netzteil zur Ansteuerung der Lampen 2.

Nach Bestückung des Tiegels 4 mit den zu verdampfenden Substanzen durch Einfüllen z. B. in den Trichter 6, wird die gesamte Baugruppe stehend oder schräg an eine UHV- Anlage angeschlossen. Der Betrieb der Zelle erfolgt typischerweise unter Hochvakuum(HV)- oder Ultrahochvakuum(UHV)-bedingungen. Dazu müssen die beiden Kühlkreisläufe zum Kühlen des Kühlmantels 3 und des Rohres 9 in Betrieb genommen werden, so daß ein kontinuierlicher Zu- und Abfluß des Kühlmittels gewährleistet ist.

Das Pyrometer 11 wird in Betrieb genommen und die gemessene Temperatur im Tiegelinneren über eine Anzeige ausgegeben. Der Shutter 7 befindet sich zunächst in geschlossener Position.

Ist der entsprechende Umgebungsdruck (HV oder UHV) durch externe Pumpen der UHV-Anlage erreicht, kann die gewünschte Temperatur zum Verdampfen der Substanzen eingestellt werden. Über einen entsprechenden handelsüblichen Regler oder per Hand wird dann die Versorgungsspannung an den Lampen 2 über ein Netzteil allmählich erhöht, bis die Solltemperatur erreicht ist.

Dabei erwärmen die Lampen 2 den äußeren Mantel 5 gleichmäßig. Dieser Mantel 5 gibt entsprechend seiner Temperatur eine charakteristische Strahlungsintensität und Verteilung gleichmäßig an seine Umgebung ab und erzeugt so ein gleichmäßiges und wohldefiniertes Infrarot-Strahlungsfeld. Der äußere Kühlmantel 3 verringert die abgestrahlte Wärme an die Außenwände der UHV-Anlage. Der innere Tiegel 4 wird durch die Kühlflüssigkeit des Rohres 9 gekühlt und befindet sich deshalb nicht im Gleichgewicht mit dem äußeren Mantel 5.

Der Trichter 6 oberhalb des Tiegels 4 preßt den Tiegel 4 dabei fest gegen das gekühlte Rohr 9 und garantiert so einen guten Wärmekontakt und optimale Kühlung des Tiegels 4. Seine geringere Temperatur vermindert so die Wärmeleitung von den Wänden des Tiegels 4 zu den Substanzen im Tiegel 4. Der Tiegel 4 ist teilweise infrarot-durchlässig, so daß das Strahlungsfeld (um einen entsprechenden Transmissionsfaktor geschwächt) sich auch im Inneren des Tiegels 4 homogen ausbildet. Dieses Strahlungsfeld erwärmt die Substanzen im Tiegel 4. Es bildet sich ein gewisser Dampfdruck an Substanzen in der Gasphase im Tiegelinneren heraus. Bei Erreichen der eingestellten Temperatur (Messung erfolgt durch das geeichte Pyrometer 11) kann der Shutter 7 durch den entsprechenden Mechanismus 8 geöffnet werden. Durch das Freigeben der Trichteröffnung kann dann ein Molekular- oder Atomstrahl entweichen und auf ein geeignetes Substrat aufgebracht werden. Durch Schließen des Shutters läßt sich dieser Strahl je nach Bedarf unterbrechen. Die Strahlintensität wird abhängig von den Eigenschaften der Substanzen im Tiegel vor allem durch die Intensität des Strahlungsfeldes und damit letztendlich durch die an den Lampen 2 angelegte Spannung geregelt. Durch Variation der Lampenspannung lassen sich so bei geöffnetem Shutter 7 entsprechende Änderungen der Aufdampfrate realisieren.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist es möglich, durch Kombination der Merkmale weitere Ausführungsbeispiele zu realisieren, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims (17)

1. Effusionszelle für Aufdampfprozesse, insbesondere im Niedertemperaturbereich, bestehend aus einem Tiegel aus IR-durchlässigem Material, insbesondere Si, der mit breitbandiger Strahlung erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung der Substanzen im Tiegel direkt durch das breitbandige Infrarot-Strahlungsfeld erfolgt und daß der Tiegel durch Kühlelemente gekühlt wird derart, daß seine inneren Wände eine Temperatur annehmen, die gleich oder vorzugsweise geringer ist als die der zu verdampfenden Substanzen im thermischen Gleichgewicht mit dem Infrarot-Strahlungsfeld.

2. Effusionszelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß außen am oder um den Tiegel ein oder mehrere breitbandige Infrarot-Strahlungsquellen positio­ niert sind, durch die das Strahlungsfeld im Innern des Tiegels erzeugt wird.

3. Effusionszelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Infrarot-Strahlungsquellen Infrarot-Lampen sind.

4. Effusionszelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Strahlungsquellen und Tiegel auf die gewünschte Wellenlänge oder auf den gewünschten Wellenlängenbereich abgestimmte Transformer- und/oder Filterelemente angeordnet sind.

5. Effusionszelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel selbst oder ein ihn umgebender Mantel durch Aufheizen mittels eines Heizers als breitbandiger Infrarot-Strahler dient, wobei bei Verwendung eines Mantels dieser ebenfalls aus Infrarot-durchlässigem Material besteht und so einen Teil der Wärmestrahlung des Heizers durchläßt.

6. Effusionszelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Heizer handelsübliche Lampen verwendet werden.

7. Effusionszelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Wärmestrahlung mindestens ein Pyrometer angeordnet ist.

8. Effusionszelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Pyrometer und Tiegelboden ein relativ langes metallisches Rohr angeordnet ist.

9. Effusionszelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrinnere poliert ist.

10. Effusionszelle nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr extern gekühlt wird.

11. Verfahren zur Substanzerwärmung von in Tiegeln von Effusionszellen angeordneten zu verdampfenden Substanzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiezuführung an die Substanzen direkt durch Infrarot-Strahlung erfolgt und die Wärmeleitung zwischen Tiegel und Substanzen und/oder innerhalb der Substanzen gezielt unterdrückt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Infrarot-Strahlung ein breitbandiges Strahlungsfeld bildet.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Infrarotstrahlungsfeldes im Tiegel mit mindestens einem Pyrometer gemessen und die Meßwerte zur Temperaturregelung verwendet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturmessung berührungslos erfolgt derart, daß über ein optisches Fenster durch die Wände des Tiegels hindurch gemessen wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Pyrometer Kontakt zum Strahlungsfeld nur durch das Innere eines gekühlten Rohres hat, wobei das eine Ende des Rohres durch das optische Fenster und das andere Ende durch die Wand oder den Boden des Tiegels abgeschlossen wird.

16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Messwerte zur Regelung der Temperatur des Strahlungsfeldes verwendet werden, indem die Betriebsspannung an der (den) Lampe(n) oder der Heizung entsprechend variiert wird.

17. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlungsfeld zur Erwärmung des Materials nach außen durch Kühlung abgeschirmt wird.