DE2113375A1

DE2113375A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Beschichtung eines duennen Grundmaterials mit einem duennen Film

Info

Publication number: DE2113375A1
Application number: DE19712113375
Authority: DE
Inventors: Sol Aisenberg
Original assignee: Whittaker Corp
Current assignee: Whittaker Corp
Priority date: 1970-03-20
Filing date: 1971-03-19
Publication date: 1971-10-07
Also published as: ES389693A1; GB1341759A; FR2084956A5; ZA711702B

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Beschichtung eines dünnen Grundmaterials mit einem dünnen Film

Die Erfindung befasst sich mit einem Verfahren und einer zugehörigen Vorrichtung zur Erzeugung eines dünnen Filmauftrags«

Es werden bereits zahlreiche Arbeitstechniken zur Aufbringung dünner Filme angewendet, von denen die meisten ein Grundmaterial oder Substrat benutzen, da_s auf eine verhältnismässig hohe Temperatur erwärmt oder auf einer solchen Temperatur gehalten wird. Diese hohe Grundmaterialtemperatur wurde bisher für das Auftragen des dünnen Films für notwendig gehalten, um dadurch die Beweglichkeit der Atome des aufzutragenden Materials zu vergrössern. Diese hohe Grundmaterialtemperatur wirft jedoch gewisse Probleme auf. Beispielsweise besteht ein Nachteil des Dampfniederschlags auf heisses Grundmaterial darin, daß Verunreinigungen veranlasst werden, aus dem Grundmaterial herauszudiffundieren, wodurch sie die Zusammensetzung des dünnen aufzutragenden oder abzulagernden Films beeinträchtigen. Ferner wird durch die zu hohen Temperaturen an der Verbindungsstelle zwischen dem Film und dem Grundmaterial eine

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Patentanwälte Dipl.-Ing. Martin Licht, Dipl.-wirfsch.^ng. Axel nansmann, Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann

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geringe Materialgiite erreicht.

Bekanntermassen lässt sich die erforderliche Beweglichkeit der Atome des Grundmaterials durch Erhitzen der einfallenden Ionen bewirken, die von der Grundmaterialoberfläche eher abgelagert werden sollen als das Grundmaterial selbst, die hier beschriebene Vorrichtung stellt diese Tatsache in Rechnung und erlaubt eine geringere Erwärmung des Grundmaterials dadurch, daß das Grundmaterial innerhalb einer getrennten Kammer, die sich neben der Plasma-Ionenquelle befindet, isoliert wird, Ferner ist die Vorrichtung so konstruiert, daß sie die Energie der auftretenden Ionen durch eine geeignete Spannungseinrichtung steuert, die an das Grundmaterial angeschlossen ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein verbessertes Verfahren und eine zugehörige Vorrichtung zur Ablagerung dünner Filme zu schaffen. Diese Vorrichtung soll es ermöglichen, daß das Grundmaterial oder Substrat auf einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur gehalten werden kann. Ferner soll sich der Film mit einer hohen Geschwindigkeit und auf eine bestimmte, gesteuerte Weise aufbringen bzw. niederlegen lassen» Die erfindungsgemäße Verfahrensweise soll den Vorteil bieten, daß keine oder eine nur geringe Diffusion von verunreinigenden Stoffen aus dem Grundmaterial stattfindet.und den auf ihm niedergeschlagenen dünnen Film beeinträchtigt. Des weiteren soll das zu schaffende, aus dem dünnen Film und dem Grundmaterial bestehende Gefüge an der Verbindungsstelle bzw. im Verbindungsbereich zwischen diesen beiden Substanzen von bestimmter Beschaffenheit sein«

Dies wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung erreicht, die mit Einrichtungen ausgestattet ist, durch die der dünne Film sich dadurch auf einem Grundmaterial ausbilden lässt, daß ein Strahl aus Atomteilchen des Materials, das auf dem Grundmaterial als dünner Film aufgebracht werden soll, ionisiert und elektrostatisch beschleunigt wird. Eine Plasma-Ionenquelle dient ala

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Quelle für die Atome des niederzuschlagenden Materials. Innerhalb dieser Ionenquelle findet eine elektrische Entladung statt, und das gewünschte Material wird in Plasmaform umgewandelt, wobei die niederzuschlagenden Ionen in einem Gemisch zusammen mit hochenergetischen Elektronen auftreten. Um die Elektronen auf Kreisbahnen zu zwingen und die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen* daß die Atome des betreffenden Materials ionisieren, kann ein axiales Magnetfeld benutzt werden. Dieses I.larnetfeld ermöglicht, daß die elektrische Entladung bei einem niedrigeren Gasdruck stattfindet, als er ohne dieses Magnetfeld benutzt werden kann* Somit befindet sich in der Ionenquellen- Entlad ungskammer ein Plasma, das eine hohe Ionenkonzentration derart enthält, die danach auf das Grundmaterial niedergeschlagen werden soll.

Eine Plasmaentladung von dieser Plasma-Ionenquelle findet in eine Vakuumbeschichtungskammer hinein statt, in der sich das Grundmaterial befindet. Dies kann dadurch geschehen, daß in der Vakuumablagerungskammer eine Extraktionselektrode angeordnet wird und daß eine EinschnUreinrichtung verwendet wird, die die unter dem höheren Druck stehende Plasmaionenkammer von der unter dem tieferen Druck stehenden Vakuumablagerungskammer trennt. Die Ionen wurden durch eine in der Einschntirvorrichtung vorhandene öffnung mit Hilfe des aufgedrückten elektrischen Feldes herausgezogen, das zwischen der Plasmaquelle, die als Kathode fungiert, und der Extraktionselektrode, die in der Vakuumablagerungskammer angeordnet ist, eine Entladung aufrechterhält. Der Zweck der EinschnUreinrichtung besteht darin, die Vakuuraablagerungskammer gegen die höheren Drlicke zu isolieren, die in der Plasmaionenkammer herrschen, während die Extraktionselektrode die positiven Ionen in der Plasmaquelle in Richtung auf das das Ziel darstellende Grundmaterial zieht.

Gemäß einer anderen AusfUhrungsform des hier beschriebenen Gegenstandes kann der beschleunigte Strahl aus einem Inertgas bestehen, und die anzulagernden Ionen können von einer in der

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Ablagerungskammer vorhandenen Hilfsquelle geliefert werden. Der Strahl bringt die Energie, die zur Ablagerung der von der Quelle stammenden Ionen notwendig ist, die mit. den Ionen zusammentreffen.

Die Erfindung befasst sich also mit einer Vorrichtung zum Auftrag eines dünnen Materialfilms auf ein Grundmaterial oder Substrat, zu der eine Plasmaionenquelle gehört, die diejenigen Ionen erzeugt, die danach auf dem Grundmaterial abgelagert werden, zu der ferner eine Vakuumablagerungskammer gehört, in der sich das Grundmaterial befindet, und die schließlich zwischen der Plasmaionenquelle und der Vakuumablagerungskammer eine Einschntirelektrode zur Isolierung der Ablagerungskammer von der Ionenkammer aufweist, sowie eine anodische Elektrode zum Herausziehen der Ionen aus der Plasmaionenquelle, die dann in Richtung auf das das Ziel darstellende Grundmaterial wandern.Ausserdem wird in der neuartigen Vorrichtung ein Magnetfeld erzeugt, und zwar durch Verwendung einer aussen-gewickelten Magnetspule, so daß es der Plasmaionenquelle möglich ist, bei einem tieferen Druck zu arbeiten und den in Richtung auf das Grundmaterial fliessenden Plasmaionenstrom einzuschnüren.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung beispielshalber näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Pig« 1 eine Querschnittsansicht des Ablagerungssystems und

Pig. 2 eine Querschnittsansicht eines Teils einer anderen Ausführungsform des in Fig. 1 gezeigten Ablagerungssystems, die jedoch der Ausführungsform von Fig. 1 ähnlich ist.

Mit Hilfe des neuartigen Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung werden also dünne Filme durch eine Ionenstrahlquelle, die in Verbindung mit einer Vakuumablagerungskammer. verwendet wird, besser als bisher abgelagert bzw. niedergeschlagen»

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Bei der Ausführungsform nach Fig» 1 wird ein Siliziumfilm 21 auf einem Einkristallsiliziumsubstrat 22 abgelagert. Der Film 21 ist in Fig. 1 übertrieben dick dargestellt.

Die Plasmaionenquelle 10 enthält ganz allgemein eine Kammer 11, an die eine Vakuumleitung 13 und eine Ga_seintrittsleitung 12 angeschlossen sind. Die Vakuumleitung 13 steht mit einer nicht gezeigten Vakuumpumpe in Verbindung, die den Druck in der Quelle 10 steuert. Ausserdem befinden sich in der Ionenquelle 10 Siliziumelektroden 14 und 15, die aussen an eine Stromquelle 34 und einen Widerstand 38 angeschlossen sind. Wenn in der Plasmaionenquelle 10 eine elektrische Entladung stattfindet, so wird das Material, das in diesem Falle Silizium ist, von den hochenergetischen Elektronen in einen Plasmazustand tibergeflihrt. Ein von einer Magnetspule 30 aufgebautes Magnetfeld beeinflusst die Bildung der Ionen innerhalb der Plasmaionenquelle 10, indem es auf die Umlaufbahnen der Elektronen Zwangskräfte ausübt und die Wahrscheinlichkeit der Ionisierung der Siliziumatome vergrössert wird. Dieses äussere Magnetfeld ermöglicht es, daß die elektrische Entladung bei einem Gasdruck stattfindet, der tiefer ist als er ohne Verwendung des Magnetfeldes sein könnte.

Die Erzeugung eines ionisierten Plasmas kann gewöhnlich durch ein neutrales Gag, beispielsweise Argon, Wasserstoff oder Helium, oder durch ein reaktionsfreudigeres Gas, beispielsweise Stickstoff oder Sauerstoff oder ein Gemisch aus diesen Bestandteilen erfolgen, das über die Leitung 12 eingeführt wird. Die In dieser Ionenquelle für die Ablagerungskammer erzeugten Ionen treffen ihrerseits" auf der Kathode (Elektroden 14 und 15) auf und zerstäuben oder verdampfen Atome des Materials in einen Entladungsraum hinein, in dem sie ionisiert werden können. Somit wird in der Plasmaionenquelle 10 ein Plasma erzeugt, das grosse Ionenkonzentrationen von dem Stoff oder Material enthält, der auf dem Substrat oder Grundmaterial 22 abgelagert werden soll,

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Oftmals werden Ionengemische verlangt, die beispielsweise aus Aluminium und Sauerstoff, Silizium und Sauerstoff oder Silizium und Stickstoff bestehen und als Isolierschichten, beispielsweise Aluminiumoxyd, Siliziumdioxyd oder Siliziumnitriä niedergeschlagen werden sollen. In diesen Fällen gibt es im allgemeinen zwei verschiedene Arbeitsmöglichkeiten. Die eine Möglichkeit besteht darin, ein Elektrodenmaterial zu verwenden, das aus Silizium oder Aluminium besteht und das notwendige Sauerstoff- oder Stickstoffgas mit Hilfe der geeigneten Gaszufuhrleitung 12 in das Plasma einzuführen, so daß dieses

fc Ionenplasma aufrechterhalten wird. Diese Verfahrensmöglichkeit kann jedoch mit Schwierigkeiten verbunden sein, weil die Einstellung der Partialdriicke von Sauerstoff oder Stickstoff zur Aufrechterhaltung der korrekten Filmstöehionietrie schwierig zu sein scheint. Eine andere mehr Erfolg versprechende Möglichkeit besteht darin, die Elektroden aus den erforderlichen Materialien herzustellen, beispielsweise Siliziumoxyd oder Nitrid. Darauf wird das richtige Gemisch in die Plasmaquelle eingeleitet, indem zwischen den beiden Elektroden in der Ionenquellenkammer 10 eine Glimmentladung stattfindet. Betrachtungen über andere Filmarten werden später angestellt, nachdem die Betriebsweise der Ablagerungskammer erläutert worden ist.

Der nächste Schritt beim Betrieb der neuartigen Vorrichtung besteht darin, die Plasmaentladung aus der Plasmaionenquelle 10 in die Vakuumablagerungsquelle 20 hineinzuziehen, in der das Substrat 22 angeordnet ist. Um dies zu erleichtern, ist in der Ablagerungskammer 20 zusammen mit einer Einschnürelektrode 26 eine Extraktionselektrode 24 angeordnet. Die Aufgabe der Einschnürelektrode 26 besteht grundsätzlich darin, die unter höherem Druck stehende Zerstäubungsionenquellenkammer 10 von der unter niedrigerem Druck stehenden Filmablagerungskammer 20 zu trennen. Die Ionen werden durch die Einschnürelektrode 26 mit Hilfe eines aussen aufgedrückten elektrischen Feldes (das zwischen der Plasmaquelle 10, die als Kathode wirkt, und der Extraktionsanode 24» die der Ablagerungskammer 20 zugeordnet ist) eine Entladung aufrechterhält, herausgezogen.

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Die Anodenstromquelle 36 erleichtert den obigen Vorgang dadurch, daß die. Anode in Bezug auf die Ionenquelle 10 vorgespannt wird. Das von der Stromquelle 36 erzeugte äussere elektrische Feld ist entlang dem äusseren magnetischen Feld ausgerichtet, das von der Magnetspule 30 verursacht wird, so daß das Plasma entlang der magnetischen Feldlinien herausgezogen wird. Dies dient dazu, das Plasma in einem eingeschnürten Zustand zu halten, so daß es wirksamer die öffnung 26A in der Einschnlirelektrode 26 passieren kann. Die Anodenelektrode 24 zieht aus der Plasmaquelle Elektronen heraus, und das von den herausgezogenen Elektronen erzeugte elektrische Feld zieht zusammen mit den Elektronen die positiven Ionen aus der Plasmaquelle 10. Die Anode 24 weist eine Öffnung 24A auf, die längs der Achse angeordnet ist, die von dem von der Magnetspule 30 erzeugten elektrischen Feld bestimmt wird, und dies wiederum dient zur Aufrechterhaltung der Plasmaeinschnürung und ermöglicht es, einen grossen Anteil der herausgezogenen positiven Ionen, die danach auf das Substrat 22 auftreffen, durch die Anodenöffnung hindurehzusehik- ken t Die in den Elektroden 24 und 26 vorhandenen Öffnungen lassen zu, daß sich ein Differentialpumpeffekt ergibt, wodurch ein gutes Vakuum von etwa 10" Torr in der Ablagerungskammer 20 aufrechterhalten wird, das Über die Vakuumleitung 29 erzeugt wird, während ein etwas höherer Druck in der Plasmaionenkammer 10 beibehalten wird. Es wird daraufhingewiesen, daß das Magnetfeld drei Zwecken dient. Zunächst ermöglicht es der Plasmaionenquelle, bei tieferen Drücken zu arbeiten! ferner unterstützt es das Einschnüren des Plasmas durch die Einschnürelektrode; und schließlich hilft es mit, das Plasma auf seinem Weg zu dem Substrat in einer eingeschnürten Bahn zu halten.

Die Einschnürelektrode 26 kann durch einen Widerstand 46 mit hoher Impedanz zu einem geeigneten Potential, beispielsweise demjenigen, das von den Widerständen 40 und 42 bestimmt wird, im wesentlichen elektrisch schwebend gelassen werden. Für die

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Ausftihrungsform nach Fig_e 1 liegt dieses Potential in der Mitte zwischen dem Potential der Kathode in der Quelle 10 und der Anode in der Kammer 20. In ähnlicher Weise kann der zwischen den Elektroden 24 und 26 angeordnete Isolierschirm 17 schweben bleiben» Der Isolierschirm 17 beschränkt die Neigung der Entladung, auch an anderen Stellerkls den gewünschten haften zu bleiben, auf ein Mindestmaße Eine Fokusierungselektrode 19 lässt sich ebenfalls zwischen der Anode 24 und dem Substrat 22 verwenden» Die Elektrode 19 steht, wie aus der Zeichnung ersichtlich, mit der Anode 24 in Verbindung, sie kann jedoch auch an eine separate Spannungsquelle angeschlossen werden, " falls dies gewünscht wird, um dadurch die letzte Strecke des. Ionenstrahls zu steuern.

Das auf dem Substrat 22 vorhandene Potential, bezogen auf dasjenige der Plasmaionenquelle 10 und der Extraktionsanode 24, bestimmt weitgehend die kinetische Energie, mit der die positiven Ionen auf dag Substrat 22 auftreffen. Es wird auf die Substratstromquelle 50 hingewiesen, die über die Sekundärwicklung des Transformators 52 an das Substrat 22 angeschlossen ist.

Die Kombination aus der Gleichstromspannungsquelle 50 und dem fc, ÜberbrÜckungskondensator 51 ermöglicht, daß dem Substrat eine G-leichstromspannung aufgedrückt wird, während die Spannungsquelle auf einer niedrigen Impedanz relativ zur Erde gehalten wird. Der G-leichstromspannung wird mit Hilfe des Oszillators 54 und des Transformators 52 eine Wechselstrom- oder Hochfrequenzspannung überlagert. Die Verwendung des Transformators ermöglicht die Anwendung einer zusätzlichen WechseIstromspannung ohne Änderung der von der Gleichstromquelle 50 erzeugten Gleichstromspannung.

Wie bereits erwähnt wurde, unterstützt das axiale Magnetfeld die Aufrechterhaltung des säulenartigen Ionenstrahls, nachdem dieser durch die in der Anode 24 befindliche öffnung hindurchgezogen worden ist, und sie beschränkt die Raumladungsaus-

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breitung auf ein Mindestmaß« Auf diese Weise lässt sich eine höhere Ablagerungs- oder Niederschlagsgeschwindigkeit erzielen, als sie sonst zu erwarten wäre, wenn kein säulenartiges Magnetfeld vorhanden wäre.

Es gibt gewisse Abänderungen des hier beschriebenen Ablagerungssystems, die die Ablagerung von leitenden Filmen oder isolierenden Substraten oder auch die Ablagerung von Isolierfilmen auf leitenden oder isolierenden Substraten ermöglichen. Die Notwendigkeit derartiger Systemmodifikationen stellt sich auf Grund der Tatsache, daß für den Fall der Ablagerung eines isolierenden Substrats in Filmform es schwieriger ist, die Energie der unter Substrat 22 auftreffenden Ionen zu steuern_e Deshalb muss verhindert werden, daß die Oberfläche einen Zustand annimmt, in dem sie sich durch positiv geladene Abstoßkräfte kennzeichnet« Bei dem hier vorgeschlagenen Verfahren und seiner Vorrichtung, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, wird dies durch Verwendung einer Radiofrequenz- oder Hochfrequenzspannungsquelle 54 vermieden.

Die Wechselstrom- oder Hochfrequenzquelle, die über den Transformator 52 an das Substrat 22 angeschlossen ist, arbeitet mit einer Frequenz von etwa beispielsweise 15 kHz oder 13 MHz und wird dazu verwendet, die Substratoberfläche abwechselnd positiv und negativ vorzuspannen, wobei der Verschiebungsstrom benutzt wird, der durch den Isolierfilm oder das Substrat fliesst. Das abwechselnd positive und negative Potential, das dem Substrat aufgedrückt wird, dient zum Herausziehen der positiven Ionen und Elektronen aus dem Plasma, so daß der Reststrom zur Oberfläche Null ist. Dabei können jedoch gleichzeitig während gewisser Schwingungsabschnitte positive Ionen von der Oberfläche angezogen werden. Die dem Substrat aufgedrückte Radiofrequenz- oder Hochfrequenzamplitude bestimmt die Energie der positiven Ionen, die von der Oberfläche angezogen werden und lässt sich zur steuerung der Energieabgabe verwenden.

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In Fig. 2 ist eine Teilsicht des in Fig. 1 dargestellten Systems gezeigt, mit der sich eine etwas abgeänderte Verfahrensweise praktizieren lässt. Eine Verdampfungsquelle 62 und eine zugehörige Spannungsquelle 60 werden dem Aufbau von Fig„1 zugefügt. Die Spannungsquelle 62 ist in der Kammer 20 in der Nähe des Substrats 22 angeordnet. Bei der Durchführung des neuartigen Verfahrens wird die Aufgabe der Energieeinleitung in die Oberflächenatome von der Aufgabe der tatsächlichen Ablagerung zusätzlicher Oberflächenatome getrennt. Dies kann beispielsweise durch Verwendung eines von der Plasmaquelle er-

ψ zeugten Argonstrahls erfolgen, in Verbindung mit einer Quel-. Ie der Atome, die in der Kammer 20 niedergeschlagen und abgelagert werden sollen. Auf diese Weise trifft ein energetischer Strahl G-asionen, beispielsweise Argonionen oder Ionen eines anderen Gases, auf der Substratoberfläche mit den von der Quelle 62 gelieferten Atomen zusammen« Bei einer oder zwei Kollisionen wird die hohe kinetische Energie des Argonionenstrahls auf die neutralen, auf die Substratoberfläche abgelagerten Filmatome geringerer Energie übertragen und gibt ihnen die notwendige Bewegungsenergie, so daß sie sich zusammenlagern und einen verbesserten Film bilden können. So können beispielsweise bei der AusfUhrungsform nach Fig. 2 Siliziumfilme auf einem Substrat mit Hilfe einer thermischen

Verdampfung des aus der Quelle 62 stammenden Siliziums gleichzeitig mit dem Auftreffen eines hochenergetischen Argonstrahls auf die Oberfläche auf einem Substrat abgelagert werden. Die-, ser Strahl sollte dann die zum Transport der Siliziumatome erforderliche kinetische Energie durch Argon-Silizium-Kollisionen auf der Oberfläche liefern.

Die Quelle 62 ist schematisch dargestellt und kann irgendeine der verschiedenartigen Atomquellen sein. So kann sie beispielsweise eine Zerstäubungsquelle, eine Verdampfungsquelle des Tiegeltyps oder sogar ein widerstandsbeheiztes Band sein_e

Es gibt auch noch andere Wege, um ein Ablagerungen^terial in

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das Quellenplasma hineinzuführen. Bei dem einen geschieht dies durch Zerstäuben oder Zerapratzen des von den Elektroden 14 und 15 (Pig. 1) gelieferten Materials«, So könnte eine Siliziumelektrode zur Ablagerung von Siliziumfilmen verwendet werden, während eine Kohlenstoffelektrode zur Ablagerung von Kohlenstoffilmen dienen würde. Metallische Elektroden lassen sich natürlich zur Ablagerung metallischer Filme verwenden. Ein anderer Y/eg zur Einführung des Ablagerungsmaterials in das Plasma mit einer sehr viel höheren Geschwindigkeit bietet sich, wenn da_s Ablagerungsmaterial in Dampfoder G-agform eingeleitet und danach mit Hilfe der Energie des Plasmas in die geeigneten Ionen zerlegt wird. Diee ist eine Form der Plasmapyrolyse. Die Verwendung eines Kohlenwasserstoff gases,beispielsweise in der Kammer 10,kann die Ablagerung von Kohlenstoffilmen auf dem Substrat ermöglichen, da die von der Ionenquelle abgegebenen Ionen aus Kohlenstoffionen und Viasserstoffionen bestehen. Die Wasserstoffionen, die auf das Substrat auftreffen, helfen mit, die restlichen Sauerstoffionen zu entfernen, die sich auf dem Substrat befinden können, und verstärken dadurch die nachfolgende Ablagerung der Kohlenstoffionen.

Die Verwendung dieser Ionenstrahlablagerungstechnik zeigt nun beispielsweise, daß Isolierfilme aus Kohlenstoff mit Materialeigenschaften abgelagert werden können, die sehr ähnlich denjenigen von Kohlenstoff in Diamantform sind. Die beobachteten Ähnlichkeitspunkte zwischen der durch Ionenstrahl abgelagerten Kohlenstofform und einem diamantähnlichen Material sind folgende: 1.) hoher Brechungsindex, 2.) hoher elektrischer Y/iderstand, 3.) Transparenz im sichtbaren Bereich, 4„) hohe Dielektrizitätskonstante, 5·) die Eigenschaft, Glas zu zerkratzen. Diese isolierenden Kohlenstoffilme zeigen auch einen hohen Widersta_wnd gegen ätzende Fluorwasserstoffsäure. Ein Vorteil der isolierenden Kohlenstoffilme besteht darin, daß solche Filme ziemlich resistent gegen durch diese Filme erfolgende Natriumionendiffusion sind, die bei erhöhten Temperaturen auftritt. Dies steht in Übereinstimmung mit der

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Eigenschaft, die für ein dicht gepacktes, diamantähnliches Kohlenstoffgefüge erwartet wird, das dicht gepackte Kalkgrenzen aufweist und sich der Bewegung relativ grosser Alkaliionen widersetzt. Stabile Isolier- und Halbleiterkohlenstofffilme lassen sich daher mit der beschriebenen Verfahrensweise herstellen, so daß erwartet werden kann, daß sich diese Verfahrensweise auf dem Gebiete der Halbleiter technisch weitgehend durchsetzt .

Gemische aus Ga_Ben oder Dämpfen können ebenfalls zur Ablagerung verschiedenartiger Filmzusammensetzungen benutzt werden. So lassen sich beispielsweise Wolfram- und Kohlenstoffgemische oder deren Verbindungen in der Wolframcarbidform ablagern, wobei entweder Wolfram- und Kohlenstoffelektroden benutzt werden oder für eine raschere Ablagerung eine Wolframverbindung in Gasform sowie eine gasförmige Kohlenwasserstoffverbindung in den Plasmaionenquellenbereich eingeleitet wird₀

Eine der in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung ähnliche Vorrichtung lässt sich zur Ablagerung eines Kohlenstoff-Diamant-Films benutzen. Die Elektroden H und 15 können aus Kohlenstoff bestehen, und das Mischungsgas kann beispielsweise Methan (ein Kohlenwasserstoffgas) sein» Die Kohlenstoffionen werden in ein in der Ionenquelle 10 vorhandenes Plasma eingeleitet, und zwar entweder durch Zerstäuben bzw. Abspratzen von den Elektroden selbst oder aus dem Gas.

Mit Hilfe des auf das Substrat einwirkenden Beschleunigungspotentials ist es möglich, die Ionen mit einer ziemlich hohen kinetischen Energie (beispielsweise 100 eV) hereinkommen zu lassen. Als Folge dieser grossen kinetischen Energie der einfallenden Ionen behalten diese Ionen, sobald sie auf die Ablagerungsoberfläche aufschlagen, eine sehr hohe Oberflächenbeweglichkeit bei und können sich so umherbewegen, daß sie sich zu einem Einkristallgefiige zusammenlagern bzw. kristallisieren. Gleichzeitig nehmen die bereits auf der

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AblagerungBoberfläche vorhandenen Kohlenstoffatome während des Zerstreuens der einfallenden Ionen selbst kinetische Energie auf und werden beweglich,, Somit weisen die einfallenden bzw. auftreffenden Ionen und die ersten wenigen Oberflächenmonoschichten der Oberflächenablagerung eine im Vergleich zu derjenigen des Grundmaterialsubstrates verhältnismässig hohe Energie auf. Diese Oberflächenatome behalten genug Energie zurück, so daß sie sich durch eine Kristallisationskernbildung zu einem diamantähnlichen Einkristallgefüge wandeln können»

Die hier beschriebene, neuartige Vorrichtung lässt sich demnach zur Ablagerung verschiedenartiger Filmtypen aus unterschiedlichen Substraten benutzen, und zwar mit Hilfe einer Ionenstrahltechnik, bei der der Grad und die Gleichförmigkeit der Ablagerung gesteuert werden. Die Vorrichtung lässt sich auch in Verbindung mit einer Dampfquelle einsetzen, die gewöhnlich in der Ablagerungskammer angeordnet ist. Eine derartige Anordnung ist auch zur Ergänzung der durch den Ionenstrahl erfolgenden Ablagerung angewendet worden. Mit anderen Worten, ein Siliziumionen enthaltender Strahl Hesse sich zusammen mit einer Siliziumdampfquelle verwenden. Es wurde auch bereits ein MolybdÄnfilm abgelagert. M

Ein weiteres Merkmal des hier beschriebenen Gegenstandes ist darin zu sehen, daß verhältnismässig kleine Schichten aus diamantähnlichea Kohlenstoff abgelagert werden können. Damit sich Kohlenstoff in eine diamantähnliohe kristallographische Struktur verwandelt, ist es gewöhnlioh notwendig, daß die Kohlenstoffatome ausreichend lang in einer eine hohe Temperatur und einen hohen Druck aufweisenden Umgebung sind, so daß die Kristallisation in eine Diamantform vor sich gehen kann. Die hier benutzte Verfahrenstechnik verwendet einen energetischen Ionenstrahl, der keine hohen Drücke erfordert, weil zu einer bestimmten Zeit nur ein kleiner Teil des Kohlenstoffs auf eine hohe Temperatur erwärmt wird.

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Claims

Patentansprüche

1, y Vorrichtung zur Ablagerung eines verhältnismäßig dünneiTTiIms auf einem ein Substrat bildenden Grundmaterial, gekennzeichnet durch eine Quelle energiereicher Ionen (10), eine Ablagefungskammer (20) mit einer Einrichtung zur Aufnahme eines Grundmaterialsubstrats (22), eine zwischen der Ionenquelle (10) und der Ablagerungskammer (20) angeordnete Einschnürvorrichtung (26), in der sich eine öffnung ('26A) P befindet, durch die Ionen von der Ionenquelle (10) in die Ablagerungskammer (20) strömen, eine zwischen der Einschnlirvorrichtung (26) und der Vorrichtung zur Aufnahme des Grundmaterialsubstrates (22) befindliche Extraktionselektrode (24), in der sich eine öffnung (24A) befindet, durch die der Ionenstrom hindurchgeht, und durch eine an die Ionenquelle (10) angeschlossene und innerhalb der Ablagerungskammer (20) befindliche Vorspannungsquelle (34»36), die dazu dient, zwischen der Ionenquelle und der das Grundmaterialsubstrat (22) enthaltenden Vorrichtung eine Entladung zu verursachen, um dadurch einen dünnen Film (21) auf dem Grundmaterialsubstrat (22) abzulagern.

2„ Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine ein Magnetfeld erzeugende Einrichtung (30), wobei das Magnetfeld in der Lage ist, den durch die Extraktionselektrode (24) und die Einschnürvorrichtung (26) in Richtung auf das Grundmaterialsubstrat (22) erfolgenden Ionenstrom einzuschnüren.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die das Magnetfeld erzeugende Einrichtung (30) eine gewickelte Spule ist, die die Ablagerungskammer (20) umgibt und so angeordnet ist, daß das durch sie errichtete Magnetfeld den Ionenfluß unterstützt.

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4· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenquelle (10) eine kathodische Elektrode (14) aufweist, die aus einem Material aufgebaut ist, das seiner Art nach dem als dünnen Film (21) auf dem Grundmaterialsubstrat (22) abgelagerten Material entspricht«

5· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenquelle (iÖ)^em ionisiertes Gas enthaltende Kammer (11) aufweist.

6«, Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Spannungsteilereinrichtung, die an die Vorspannungsquelle angeschlossen ist, und deß die Einschniirvorrichtung (26) an die Spannungsteilereinrichtung so angeschlossen ist, daß die Einschniirvorrichtung auf einen bestimmten Wert vorgespannt werden kann.

7β Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Quelle (10) für geladene Teilchen, eine eine Ablegerungskammer (20) aufweisende Einrichtung, die das Substrat (22) enthält, eine zwischen der Quelle (10) und der Ablagerungskammer (20) befindliche Vorrichtung (26) zur Isolierung der Quelle von der Ablagerungskammer, eine iixtraktionsvorrichtung (24) zum Herausziehen der Teilchen aus der Quelle (10) und zur Hineinbeförderung in die Ablagerungskammer (20), und durch eine Beschleunigungsvorrichtung (34,36, 50,51,52),die auf die Quelle einwirkt, um energiereiche Teilchen aus der Quelle herauszuziehen und dadurch einen Film (21) auf dem Substrat (22) abzulagern.

8, Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Isoliervorrichtung (26) mit Mitteln versehen ist, die die Quelle (10) unter einem höheren Druck halten als die Ablagerungskammer (20)„

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9₉ Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle (10) erste und zweite Elektroden (14»15) aufweist, die so vorgespannt sind, daß sie zwischen sich eine Ionenzerstäubung bewirken.

10, Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen Oszillator (54)» der an das Substrat (22) angeschlossen ist, um es wechselweise vorzuspannen.

11« Vorrichtung nach Anspruch 7> dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle (10) von Halbleitermaterialien Ionen erzeugt, die beschleunigt und als Film (21) auf dem Substrat (22) abgelagert werden.

12« Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoffilm viele diamantähnliche Eigenschaften zeigt«

13· Vorrichtung nach Anspruch 7₉ gekennzeichnet durch einen zwischen der Quelle (10) und der Kammer (20) vorhandenen Schirm^(19) zur Lenkung der beschleunigten Teilchen.

14. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Isoliervorrichtung (26) eine Öffnung (26A) aufweist, um die herum sich Material von der gleichen Art befindet, wie es abgelagert v/erden soll«,

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch eine Ionenquelle (10) eines ersten Typs, eine Ablagerungskammer (20) mit Mitteln zur Aufnahme des Substrats (22), eine zwischen der Quelle (10) und der Kammer (20) befindliche Vorrichtung (26) zur Isolierung der Quelle von der Kammer, eine Vorrichtung (19»24) zur Lenkung eines Ionenstrahls eines ersten Typs aus der Quelle (10) in Richtung auf das Substrat (22), eine Atomquelle eines zweiten

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Typs, die dem ersten Typ entsprechen kann, deren Atome auf dem Substrat (22) abgelagert werden sollen und die sich in der Kammer (20) befindet, wobei der Strahl aus Ionen des ersten Typs und die Ionen des zweiten Typs so beschaffen sind, daß sie gleichzeitig auf dem Substrat auftreffen_o

16« Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle der Ionen eines ersten Typs Ionen eines Inertgases enthält.

17«. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Inertgas Argon ist«,

18. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle für die Atome des zweiten Typs Siliziumatome liefert.

19. Verfahren zur Ablagerung eines Films auf einem Substrat mit Hilfe einer Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 18, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: Erzeugen von Ablagerungsteilchen in Plasmaform,

Herausziehen des Plasmas durch eine Isoliervorrichtung in eine Ablagerungskammer,

Herausziehen der geladenen Teilchen des Plasmas und gleichzeitig Beschleunigen der geladenen Teilchen auf eine höhere Energiestufe und

Ablagern der Teilchen auf dem Substrat.

20_e Verfahren nach Anspruch 19» dadurch gekennzeichnet, daß in der Kammer Ablagerungsatome erzeugt werden, die mit den eine hohe Energie aufweisenden Teilchen zusammen auftreffen, und daß die Atome auf dem Substrat abgelagert werden.

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