DE2407924A1

DE2407924A1 - Vorrichtung zur herstellung eines ueberzugs durch ionenbeschuss

Info

Publication number: DE2407924A1
Application number: DE19742407924
Authority: DE
Inventors: Albert Bobenrieth
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1973-02-20
Filing date: 1974-02-19
Publication date: 1974-08-22
Also published as: US3895602A; FR2218652B1; JPS49114583A; FR2218652A1

Description

173» Bd. Haus smann

Paris Frankreich

Unser Zeichen; T 1525

Vorrichtung zur Herstellung eines Überzugs durch Ionenbeschuß

Um auf der Oberfläche eines Substrats, beispielsweise aus einem Halbleitermaterial, einen Überzug oder Niederschlag aus einem vorbestimmten, festhaftenden und selbst an der Grenzfläche sehr reinen Material zu erhalten, ist es wünschenswert, folgende Operationen auszuführen:

- Halten des Substrats auf einer zweckmäßigen Temperatur, d.h. Vorsehen von Heiz- oder Kühleinrichtungen auf dem Träger, auf welchem das Substrat festgehalten ist; . ' ·

Ab/Pe

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- Oberflächenvorbehandeln des Substrats durch einen Ionenbeschuß, beispielsweise mittels positiver Argonionen, deren Ladung man durch eine Elektronenwolke neutralisiert, um die Bildung von elektrischen Ladungen auf den isolierenden Zonen der Oberfläche des Substrats zu vermeiden (diese Gefahr besteht beispielsweise bei einer Siliziumscheibe, bei welcher bestimmte Zonen oxidiert werden);

- Aufrechterhalten eines möglichst niedrigen Druckes in dem umschlossenen Raum, um die Verunreinigung zu begrenzen, und zwar zuerst der Oberfüllhe des Substrats, die die zukünftige Grenzfläche bildet (deren Reinheitszustand wesentlich ist» beispielsweise in dem Fall von Schottky-Dioden), dann der Niederschlagsschicht.

Die bekannten Vorrichtungen zum gleichzeitigen Ausführen dieser Art von Operationen arbeiten mit Trioden-Katodenzerstäubung .

Die Anordnung aus Fangelektrode und Substrat befindet sich in einem Bereich mit starkem elektrischem Feld. Für das Oberflächenvorbehandeln wird ein zweckmäßiges Potential an die Probe angelegt. Für die Katodenzerstäubung wird dieses Potential an die Fangelektrode angelegt. In dem Fall eines Substrats, welches teilweise mit Isoliermaterial bedeckt ist, lädt sich das Isoliermaterial durch das Ankommen von positiven Ionen und den Austritt von Sekundärelektronen positiv auf, wodurch eine Ionenkonzentration in den mit Isoliermaterial bedeckten Bereichen hervorgerufen wird. Außerdem ist es bei solchen Vorrichtungen schwierig, in der Nähe des Substrats einen Druck unter 10 Torr zu erreichen.

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Durch die Erfindung soll eine neue Vorrichtung zur Herstellung eines Überzugs durch Ionenbeschuß geschaffen werden, die es ermöglicht, nacheinander das Oberflächenvorbehandeln durch Ionenbeschuß und anschließend das Niederschlagen von Material der Fangelektrode auf diesem Substrat auszuführen, und die von dem genannten Nachteil befreit ist.

Die Ionenbeschußvorrichtung nach der Erfindung, die eine Vakuumzelle und Einrichtungen zum Zuführen von Inertgas aufweist, ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß eine Ionenkanone vorgesehen ist, die eine Anode und mehrere Beschleunigungsgitter zum Beschleunigen der in der Kanone gebildeten Ionen aufweist, daß ein Substratträger und eine Fangelektrode aus niederzuschlagendem Material vorgesehen sind, die so angeordnet sind, daß sie die beschleunigten ionen empfangen, und daß Einrichtungen vorgesehen sind, um nacheinander das Substrat der Einwirkung der beschleunigten Ionen und dem Fluß von Atomen auszusetzen, die aus der Zerstäubung der Fangelektrode durch die Ionen stammen.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen besser verständlich. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 schematisch den Substratträger und seine Zubehörteile,

Fig. 3 eines der Gitternder in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung, und

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Fig. 4 im Querschnitt eine weitere Ausführungsform der Erfindung.

Die Vorrichtung von Fig. 1 weist eine Vakuumzelle 1 auf. Diese Zelle wird durch das Rohr 2 ausgepumpt. Sie trägt eine Ionenkanone 3> in welche eine Leitung 30 mündet, die zu ionisierendes Gas, beispielsweise Argon, zuführt.

Diese Kanone einer bekannten Bauart weist einen Glühfaden 31 aus Violfram auf, der in der Lage ist, Elektronen auszusenden. Dieser Glühfaden ist durch den oberen Teil 111 der Kanone 3 gehaltert. Diener obere Teil wird auf ein Potential in der Größenordnung von 1000 V gebracht und ist von der übrigen Zelle durch einen isolierenden Ring 112 isoliert. Ein Vakuummeter 42 kontrolliert den Restdruck in der Kanone, der in der Größenordnung von 10" Torr liegen muß.

Die Kanone weist außerdem eine Beschleunigungsanode 32 auf, die auf ein Potential gebracht wird, welches geringfügig höher ist als das des Teils 111 (ungefähr 40 V). Eine Klemme des Wolframfadens 31 ist mit dem Teil 111 verbunden, während seine andere Klemme mit einer Gleichspannungsquelle verbunden ist, die eine Spannung in der Größenordnung von 30V liefert.

Der Teil 111 der Zelle trägt ein Gitter 33» welches von einigen Hundert Löchern durchbrochen ist undwelches mit dem Teil 111 elektrisch verbunden ist. Es sind zwei weitere Gitter 34 und 35 vorgesehen, die mit Löchern durchbrochen sind, welche denen des Gitters 33 gegenüberliegen. Das Gitter 34 wird auf ein negatives Potential in der Größenordnung von -200 V gebracht; das Gitter 35 liegt auf Masse.

Ein Solenoid 100 umgibt den Teil 111 und erzeugt ein Feld,

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welches gemäß der Achse der Kanone gerichtet ist. Aus diesem Grund haben die von dem Glühfaden ausgesandten Elektronen eine langgestreckte Bahn und sie ermöglichen eine vollständige Ionisation des Argons, Das auf ein negatives Potential gebrachte Gitter 34 verhindert, daß die von dem Glühfaden 31 kommenden Elektronen in die Zelle 1 eindringen, und beschleunigt die Ionen,

Diese Kanone schafft eine gleichmäßige Ionendichte in

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der Größenordnung von ImA/cm und mit geringer Energie (kleiner oder gleich 1 KeV).

In der Kammer 1 findet man nacheinander einen weiteren Glühfaden 400 aus Wolfram. Dieser Glühfaden sendet, wenn er aufgeheizt ist, "eine Elektronenwolke aus, die die positiven Ladungen der aus der Kanone 3 kommenden Ionen kompensiert.

Danach findet man den Objektträger 39, der das zu überziehende Substrat 40 trägt. Das Substrat ist so angeordnet, daß es in eine Lage gebracht werden kann, in welcher es dem Mittelteil der Kanone zugewandt ist. Den · Objektträger trägt eine Welle 41, die zu der Achse der Ionenkanone senkrecht ist und die mittels einer Kurbel und eines Getrxebesystems 42 um 180° gedreht werden kann. Das Substrat kann deshalb nach Belieben dem Ionenbeschuß ausgesetzt werden. Diese Welle ist mittels einer Dichtung durch die Umhüllung hindurchgeführt. Die Fangelektrode 38 aus zu zerstäubendem Material ist auf der Achse der Kanone jenseits des Substratträgers angeordnet. Sie hat die Form eines Hohlkegelstumpfes, dessen kleine Grundfläche denselben Durchmesser aufweist wie der Objektträger 39.

Eine wegschwenkbare Maske 51 ermöglicht es, vor jeder Operation die Kanone einzustellen, ohne daß dabei ein

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Beschüß des Substrats stattfindet.

Fig. 2 zeigt den Objektträger, der ein Heizelement 45, mit welchem er auf eine zweckmäßige Temperatur (beispielsweise 600 °C oder 700 °C) gebracht werden kann, um das Substrat zu entgasen, und ein Leitungssystem aufweist, welches den Umlauf eines Kühlmittels ermöglicht, um diese Temperatur während des Beschüsses auf einen geeigneten Wert zurückzubringen. Dieses Leitungssystem weist an seinen beiden Enden elastische Leitungen 46 und 47 auf, die spiralförmig angeordnet und in der Lage sind, eine Drehung um 180 auszuhalten.

Die Anordnung arbeitet folgendermaßen:

Nachdem das Substrat auf dem Objektträger befestigt und die Fangelektrode in Stellung gebracht worden ist, erzeugt man in der Zelle das Vakuum (Druck von 1O Torr). Man bringt das durch die Maske 51 geschützte Substrat in eine Lage, in welcher es der Kanone zugewandt ist. Letztere wird an Spannung gelegt. Man öffnet nun den Argonhahn unter Aufrechterhaltung eines Druckes von 10 · Torr.

Unter der Wirkung des Glühfadens 31 bildet sich das Plasma. Nach dem Wegschwenken der Maske wird das Substrat mit den Ionen A beschossen und gebeizt,

Der Glühfaden 400 sendet in den feldfreien Bereich Elektronen aus, die die positiven Ladungen der Ionen neutralisieren und verhindern, daß sich die isolierenden Zonen der Oberfläche des Substrats positiv aufladen.

Nach dem Vorbehandeln wird der Objektträger um 180° gedreht und das Substrat ist nun der Fangelektrode zugewandt, die dem Beschüß durch den Teil des Ionenbündels ausgesetzt

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ist, der nicht durch das Substrat abgedeckt ist. Die Atome, die sie aussendet, schlagen sich nun auf dem Substrat nieder.

Als Beispiel, welches nicht als Einschränkung zu ver~ stehen ist, werden folgende Abmessungen bzw. Ströme verwendet:

Für die Kanone:

- Durchmesser des Bündels 100 mm. Die Stromdichte ist homogen, und zwar mit 5% nahezu auf 50 mm (Mittelteil).

- Stromdichte: I = 10~³ A/cm².

- Energie der Ionen: E = IO eV.

Durchmesser des Objektträgers: 0 = 40 mm.

Die erzielten Niederschlagsgeschwindigkeiten betragen 200 S/min, für Molybdän und 1000 S/min, für Gold.

Um während des Niederschlags den Beschüß der Rückseite des Substrats durch den Mittelteil des Bündels zu vermeiden, ist es möglich, die Kanone abzuwandeln, indem . das Gitter 33 in zwei Teile unterteilt wiiid, und zwar den Mittelteil 331 und den Umfangsteil 332, wie in Fig. 3 gezeigt, in welcher das Gitter in Draufsicht dargestellt ist.

Diese beiden Teile sind voneinander isoliert. Der Teil hat die Form -eines Ringes und der Teil 331 hat die Form einer Scheibe. In dem angeführten Beispiel hat der innere Teil einen Durchmesser von 40 mm, während der äußere Kranz einen Innenkreis mit einem Durchmesser von 42 mm und einen

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Außenkreis mit einem Durchmesser von 100 mm hat.

Während der ersten Phase des Vorbehandelns des Substrats durch Beschüß liegen die beiden Gitterteile 331 und 332 ■ auf einem Potential von 1OOO V. Das ermöglicht es, gleichzeitig das Substrat und die Innenoberfläche der Fangelektrode zu reinigen. Wenn man den Objektträger umdreht, um das Substrat dem Niederschlag von aus der Fangelektrode herausgeschlagenen Teilchen auszusetzen, liegt der Mittelteil 332 auf einem Potential, welches ein wenig höher ist als das der Anode 32, während der Umfangsteil 333 auf dem Potential von 1000 V bleibt. Dadurch wird das Herausziehen der Ionen aus dent Kittelteil der Kanone verhindert und folglich der Beschüß des hinteren Teils des Objektträgers vermieden.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. In dieser Figur bezeichnen dieselben Bezugszahlen dieselben Teile wie in Fig. 1.

Es ist lediglich das Ausgangsgitter 35 der Kanone 3 dargestellt. Es weist nur auf seinem Umfangsteil Löcher auf. Die Kanone 3 ermöglicht folglich nur den Beschüß der Fangelektrode 38. Diese Elektrode ist hohl.

Auf der anderen Seite der hohlen Fangelektrode ist eine Kanone 300 angeordnet, die über eine Leitung 330 mit Argon versorgt wird. Es ist lediglich das Ausgangsgitter 335 dargestellt. Dieses Gitter hat denselben Durchmesser wie das Substrat. Der Objektträger steht fest, das Substrat ist der Kanone 300 zugewandt und die Anordnung aus der Kanone 300, dem Objektträger 39 und der Fangelektrode 38 ist durch eine Anordnung von Säulen 301 gehaltert, die die elektrischen Verbindungen des Heizelements des Objektträgers und seine Versorgung mit Kühlflüssigkeit

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sicherstellen. Eine wegschwenkbare Maske 302 ist zwischen dem Substrat und der Kanone 300 angeordnet.

Der Betrieb läuft in drei Phasen ab:

a) Oberflächenvorbehandeln des Substrats:

Die Kanone 300 wird an Spannung gelegt, die Kanone 3 wird außer Betrieb gesetzt und die Maske 302 wird weggeschwenkt·. Die aus der Kanone 300 kommenden Ionen gehen durch die Fangelektrode 38 hindurch und behandeln das Substrat vor;

b) Vorbehandeln der Fangelektrode:

Die Kanone 300 wird außer Betrieb gesetzt und die Maske 302 schützt das Substrat vor Verunreinigungen, die während des Vorbehandelns von der Fangelektrode losgerissen werden. Die Kanone 3 wird an Spannung gelegt;

c) Niederschlag, d.h. Herstellen des Überzugs, wobei die Kanone 3 unter Spannung bleibt:

Die Maske 302 wird weggeschwenkt und das Substrat wird dem Beschüß der aus der Fangelektrode stammenden Atome ausgesetzt.

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Claims

Patentansprüche :

\J Vorrichtung zur Herstellung eines Überzugs durch Ionenbeschuß, mit einer Vakuumzelle, in welcher eine Ionenquelle, eine Fangelektrode aus zu zerstäubendem Material und ein das zu beschießende Substrat tragender Objektträger angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Ionenkanone vorgesehen ist, die ein gleichförmiges Ionenbündel abgibt, und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die es ermöglicht, die Oberfläche des Objekts, die das zerstäubte Material empfangen soll, nacheinander dem Auftreffen des Ionenbündels und dem Fluß der aus der Fangelektrode stammenden Atome auszusetzen,
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fangelektrode hohl ist und daß ihre Innenoberfläche die Form eines Kegelstumpfs hat, welcher als Achse die Achse der Kanone hat, so daß ein Teil des Ionenbündels zum Beschießen des Objekts hindurchgelassen wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2_f dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung eine zu der Achse der Ka^ none senkrechte Welle aufweist, daß der Träger des zu beschießenden Objekts auf dieser Welle angebracht ist und daß ein mechanisches System vorgesehen ist, welches eine Drehung der Welle um 180 ermöglicht.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung eine zweite Ionenkanone aufweist, welche dieselbe Achse wie die erste Kanone hat, daß die zweite Kanone Gitter aufweist, deren Löcher an ihrem Umfang auf einem ringförmigen Kranz derart ange-

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ordnet sind, daß nur die Fangelektrode beschossen werden kann, daß die erste Kanone Gitter aufweist, deren Abmessungen so gewählt sind, daß nur das Substrat beschossen wird, und daß das Substrat auf die erste Kanone und die Fangelektrode auf die zweite Kanone gerichtet ist.
5. Vorrichtung nach einem.der Ansprüche 1 bis 4_f dadurch gekennzeichnet, daß der Objektträger mit einem Heizsystem, um ihn auf eine vorbestimmte Temperatur zu bringen, und mit einem Leitungssystem versehen ist, welches ein Kühlfluid empfängt, um den Objektträger auf einer passenden Temperatur zu halten,
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanone Gitter aufweist, die mit einander gegenüberliegenden Löchern versehen sind, daß jedes Gitter einen ringförmigen Teil und einen Umfangsteil aufweist, daß das Gitter, welches der Beschleunigungsanode am nächsten liegt, Anschlüsse aufweist, die den Mittelteil auf ein Potential bringen, welches höher ist als das des Umfangsteils, um die ihn durchquerenden Ionen aufzuhalten und um den Beschüß des Substrats während des Beschüsses der Fangelektrode zu verhindern.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 6, da-. durch gekennzeichnet, daß an dem Ausgang der Ionenkanone ein Glühfaden vorgesehen ist, der Elektronen aussendet, die die positiven Ladungen der Ionen neutralisieren.

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