DE2420656C3 - Vorrichtung zur Elektronenstrahlverdampfung - Google Patents
Vorrichtung zur ElektronenstrahlverdampfungInfo
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Description
Bei der Aufdampfung dünner Schichten durch Elektronenstrahlverdampfung ist es meistens notwendig,
die Verdampfungsrate, das ist die Menge des Verdampfungsmaterials, welche während einer gegebenen
Zeitspanne (z. B. während einer Sekunde) von der Verdampfungsque'.'e abgedampft wird, dividiert durch
diese Zeitspanne, zu überwachen. Die Verdampfungsrate ist nämlich maßgebend für die Aufdampfgeschwindigkeit
oder die sogenannte Beschichtungsrate, d. h. die
Menge des Schichtmaterials, das während einer Zeitspanne auf das Substrat aufgebracht wird, dividiert
durch diese Zeitspanne. Häufig wird eine von der Beschichtungsrate abhängige Größe, z. B. die Dickenzunahme
der Schicht oder die Frequenzänderung eines dem Dampfstrom ausgesetzten Schwingquarzes, gemessen
und als Maß für die- Beschichtungsrate und dann auch für die Verdampfungsrate angegeben.
Die genaue und schnelle Messung der Verdampfungsrate ist vor allem dann wichtig, wenn aufgrund dieser
Messung die Verdampfungsleistung der Dampfquelle entsprechend den Erfordernissen eines Aufdampfprozesses
eingeregelt werden soll, z. B. konstant gehalten oder nach einem vorgegebenen Programm zeitlich
variiert werden soll. Letzteres kann z. B. bei einer Aufdampfung zwecks Erzielung eines Brechungsindexgradienten
in der Schicht erforderlich sein.
Aus der Schweizer Patentschrift 5 28 603 ist eine Einrichtung zur Ratemessung in Verbindung mit
Elektronenstrahlverdampfung bekanntgeworden. Hierbei wird eine in den Bereich des Dampfstrahles
hineinragende Sonde verwendet von der ein von der Dampfstrahldichte und damit von der Verdampfungsrate
abhängiger Meßstrom abgeleitet werden kann. Diese bekannte Anordnung hat unter anderem den Nachteil,
daß die im Dampfstrom angeordnete Sonde einen Teil des Dampfes auffängt und auf den zu bedampfenden
Gegenstand einen Dampfstrahlschatten wirft Um diese Schattenbildung zu vermeiden, könnte die Sonde zwar
am Rande des Dampfkegels oder knapp neben dem zu bedampfenden Gegenstand angeordnet werden, die
Erfahrung hat aber gezeigt, daß überraschenderweise derartige lonensonden im Raum über der Verdampfungsquelle
nicht die gewünschte Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Messung ergeben, die man
hätte erwarten sollen. Nach längerem Gebrauch einer ■Ί solchen Sonde stellt man nämlich fest, daß bei gleicher
Verdampfungsrate und unter anscheinend völlig gleichen sonstigen Bedingungen (Natur des verdampften
Materials, RestRasdruck, an die Sonde angelegte Spannung) von den ursprünglichen Werten abweichen-
!» de Meßwerte erhalten werden.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gesetzt, eine neue
Vorrichtung anzugeben, mit der Ratemessungen genauer und mit größerer Empfindlichkeit als mit den
bisherigen ionenstrommeßeinrichtungen durchgeführt
werden können. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Gut, die Ionenstrahlquelle
und die Ionenauffangelektrode in der genannten Reihenfolge im magnetischen Umlenkfeld angeordnet
sind. Dadurch ist eine wesentlich bessere Erfassung der entstehenden Ionen als mit den bekannten Vorrichtungen
möglich; insbesondere wird durch unter Ausnutzung des an sich vorhandenen Magnetfeldes eine
bessere Trennung zwischen den zu messenden Ionen einerseits und den im Dampfstrom unvermeidlich
auftretenden, die Messung störenden Elektronen andererseits erzielt, so daß letztere zu keiner Verfälschung
des Meßsignals mehr führen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt auch eine
erhöhte Empfindlichkeit sowie den weiteren Vorteil, daß sich die lonenauffangelektrode unterhalb einer
etwa vorhandenen Blende (zur zeitweiligen Unterbrechung des Dampfstr&r.ies von der Dampfquelle zu den
zu bedampfenden Gegenständen) befinden kann, so daß die Verdampfungsrate unabhängig vom öffnungszu-
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnungen näher beschrieben.
In den F i g. 1 —3 werden die folgenden Bezugszeichen für die angegebenen Teile der Anordnung
verwendet:
1 Elektronenstrahl zur Erhitzung des zu verdampfenden Gutes;
2 Glühkathode;
3 Fokussierungselektrode;
4/5 Polschuhe des magnetischen Führungsfeldes;
6 Feldlinien des Führungsfeldes;
7 Beschleunigungselektrode;
8 Ionenauffangelektrode;
9 Bahn der Ionen Lm magnetischen Führungsfeld;
10 Entstehungsort eines Ions nahe der Oberfläche des zu verdampfenden Gutes;
11 Entstehungsort eines Ions im Elektronenstrahl;
12 abgedampfte Atome oder Moleküle (Dampfstrahl);
13 Verdampfungsgut;
14 Erregerspule zur Erzeugung des Magnetfeldes;
15 Isolator zur Halterung der Ionenauffangelektrode;
16 Hochspannungsisolator, als Träger der Fokussierungselektrode 3 und der Glühkathode 2
ausgebildet;
17 Meßstrom-Ableitung von der Ionenauffangelektrode;
18 Fokus des Elektronenstrahls auf dem zu verdampfenden Gut;
19 eine etwaige weitere lonenauffangelektrode (F ig. 3);
20,21, Ortskurven konstanter Ionenstromdichte für vier 22,23 verschiedene Niveaus der abdampfenden Fläche
des Verdampfungsgutes;
24 Grundplatte;
25 Hochspannungszuführung für die Fokussierungselektrode3;
26 Hochspannungs- und Heizstromzuführung für
die Glühkathode 2;
27 gegebenenfalls vorzuseilende Schirmwand.
Wie die F i g. 1 und 2 zeigen, trägt die Grundplatte 24 den gesamten Aufbau. Die von der Glühkathode 2 beim
Betrieb emittierten Elektronen treten durch die zur Längserstreckung der Kathode parallelen Spalte (siehe
Fig.2) der Fokussierelektrode 3 und der Beschleunigungselektrode
7 hindurch und werden durch das Magnetfeld 6 auf das zu verdampfende Gut 13 umgelenkt Die Stärke des Magnetfeldes und die
Betriebsspannungen der genannten Elektroden werden so gewählt, daß der Elektronenstrahl 1 auf der
Oberfläche des Gutes 13 bei 18 einen Fokus (crossover) bildet. Die vom Elektronenstrahl erzeugte Leistungsdichte
ist an dieser Stelle am größten — bekanntlich gleich Strahlstromdichte · Beschleunigungsspannung
— und bringt das Gut 13 zum Schmelzen und Verdampfen. Durch den einfallenden Elektronenstrahl
wird ein Teil der abdampfenden Atome (Moleküle) ionisiert, und die so gebildeten Ionen werden durch das
Magnetfeld 6 umgelenkt und treffen teilweise auf die Ionenauffangelektrode 8, welche vorteilhafterweise in
bekannter Weise mit einem Faraday-käfig aufgebildet wird, um den störenden Einfluß etwaiger Sekundärelektronen
zu verringern. Die Ladung der auftreffenden Ionen wird über die Leitung 17 als Meßstrom abgeführt
und einem Strommeßinstrument zugeleitet Der vom Ionenauffänger ableitbare Meßstrom ist eine eindeutige,
monotone Funktion der Verdampfungsrate, wie durch Vergleich mit der von einem genauen Schwingquarz-Schichtdickenmeßgerät
bestimmten Rate erwiesen werden konnte. Außer von der Verdampfungsrate ist der lonenmeßs'rom noch abhängig von der Größe der
Auffangfläche und deren Potential, von der Art des Dampfes, von der Beschleunigungsspannung für den
Elektronenstrahl und vom Restgas. Diese Faktoren können bei der Eichung der Anordnung bzw. der
Umrechnung des Ionenmeßstroms in die Verdampfungsrate (wie jchon bisher) berücksichtigt werden.
In der folgenden Tabelle zeigt die erste Spalte die für verschiedene Verdampfungsmaterialien bei einem Versuch
erzielte (mit einem Schwingquarzratemeter in 40 cm Abstand von der L'ampfquelle kontrollierte)
Bedampfungsrate in Nanometer pro Sekunde. Die nächste Spalte, gibt den mit der erfindungsgemäßen
Anordnung für die gleiche Verdampfung mit einer Ionenauffangfläche der Elektrode 8 von 2 cm2 erhaltenen
Ionenstrom an sowie das dabei angewendete Auffängerpotential. Dieses Potential muß negativ sein,
wenn (wie gewöhnlich) positiv geladene Ionen bestimmt werden sollen, positiv dagegen zum Auffangen negativer
Ionea
Material
Rate
lonenstrom Auffängerpotential
Al | 60 | A/s | 0,4 mA | 200 | V | <30 | μΑ |
Fe | 50 | A/s | 0,6 mA | 200 | V | < 2 | μΑ |
Ta | 30 | A/s | 0,7 mA | 200 | V | < 3 | μΑ |
M2Oj | 30 | A/s | 0,00,- rr/i | 50 | V | <0,5 | μΑ |
Die letzte Spalte zeigt den Rest-Ionenstrom, der ohne Verdampfungsgut jedoch bei gleichen Elektronenstrahl I-stärken
wie im Falle der erwähnten Aufdampfungen bei einem Druck des Restgases in der Aufdampfkammer
von 10~5 Torr gemessen wurde und der auf den im Restgas gebildeten Ionen beruht Dieser Rest-Ionenstrom
liegt in der Größenordnung von Mikroampere, ist also wesentlich kleiner als der bei Bedampfung
auftretende Meßstrom.
ίο Bei der Erfindung wird das Führungsfeld für den
Elektronenstrahl gleichzeitig auch dazu benutzt, um den Ionenstrahl getrennt von Elektronen auf die Auffangelektrode
zu führen. Das Führungsfeld ist natürlich nicht auf den Raum zwischen den Polschuhen des es
π erzeugenden Magneten beschränkt sondern auch in
dem den Magneten umgebenden Raum wirksam. Es hat die Eigenschaft, die abdampfende Oberfläche des Gutes
mehr oder weniger auf einen bestimmten Bereich im Raum der Aufdampfkainmer abzubilden, und es ist
vorteilhaft, dw Ionenauffangelektrode gerade im Bereich
dieser »Abbildung« anzuordnen, *ie dies bei der Anordnung nach der F i g. 1 der Fall ist. In diesem
Bereich herrscht nämlich eine wesentlich erhöhte Ionenstromdichte im Vergleich zu allen anderen Stellen
der Aufdampfkammer. Dadurch kann die Meßempfindlichkeit bedeutend erhöht werden. In bekannten
Anordnungen dagegen erreicht oft ein großer Teil der erzeugten Ionen den Ionenauffänger nicht, weil sie
durch das Magnetfeld davon abgelenkt werden.
Infolgedessen werden manchmal um Größenordnungen geringere lonenströme erhalten als bei der erfindungsgemäßen
Anordnung.
Weitere Untersuchungen haben gezeigt, daß die genaue Reproduzierbarkeit der Messungen bei der
Erfindung wahrscheinlich darauf beruht, daß die ionenauffangende Fläche der Elektrode 8 im Gegensatz
zu bekannten Anordnungen, bei denen die Ionensonde dem Dampfstrom ausgesetzt ist, durch den Meßvorgang
selbst eine definierte Oberfläche erhält und während eier ganzen Messung beibehält Durch die auf die Elektrodenfläche
8 aufprallenden Ionen wird auf dieser eine festnähende Schicht gebildet (ähnlich wie bei »ion
plating«), die eine definierte Oberflächenbeschaffenheit,
insbesondere eine gleichbleibende Sekundär· Elektronenemission,
ergibt Letzterer Punkt ist besonders wichtig, weil durch die von den Ionen an der
Elektrodenfläche ausgelösten Sekundärelektronen der über die Leitung 17 fließende Meßstrom verändert wird.
Bei bekannten Sondenanordnungen findet auch eine
so Beschichtung der Elektrodenfläche statt, jedoch werden
hierbei hauptsächlich neutrale Dampfteilchen niedergeschlagen, wobei sich mit zunehmender Schichtdicke
(etwa ab 1 μπι) eine zunehmend rauhere Oberfläche
ausbildet, die eine schlecht definierte, nicht gleichbleibende
Sekundär-Elektronenemission zur Folge hat Die durch Ionenentladung auf der Auffangelektrode 8
gebildete Schicht kann dagegen eine Dicke von Vio mm erreichen, ohne daß die Meßgenauigkeit dadurch
beeinträchtigt wird.
Um eine Bedampfuiig der Ionenauffangelektrode 8
bei der erfindungsgemäßen Anordnung mit neutralen Dampfteilchen sicher zu vermeiden, ist zu empfehlen, jie
außerhalb des kegelförmigen Raumes anzubringen, dessen Spitze im Fokus 18 des Elektronenstrahls auf
dem zu verdampfenden Gut liegt, und dessen Mantelfläche durch eine mit der Senkrechten zur Oberfläche des
zir verdampfenden Gutes einen Winkel von 60° einschließenden Geraden al« Fr7Pin»«.nH» k=-.™—.
wird. Vorzugsweise liegt die Fläche der lonenauffangelektrode
etwa in der durch die abdampfende Oberfläche auf dem Gut 13 bestimmten Ebene oder
sogar darunter. Es kann zwischen der lonenauffangelektrode und der verdampfenden Oberfläche, wenn nötig,
noch eine Schirmwand vorgesehen werden, welche die Bahn 9 der Ionen nicht stört, aber den lonenauffänger
sicher gegen Bedampfung schützt. Diese Möglichkeit ist in F i g. 1 mit 27 gestrichelt angedeutet.
Wie schon erwähnt, ist die Größe des lonenmeßstromes
auch abhängig von der Lage der verdampfenden Fläche. Dies kann ausgenutzt werden, um gleichzeitig
während der Aufdampfung auch die Lage dieser Fläche z. B. das Schmelzbadniveau in einem Verdampfungstie-
gel zu überwachen. Zweckmäßigerweise wird hierfü ein zweiter lonenauffänger 19 vorgesehen, wie dies di<
Fig.3 zeigt. Die Kurven 20 bis 23 geben für viei verschiedene Schmelzbadniveaus die Orte gleichei
lonenstromdichte an. Man ersieht aus diesen Kurven daß der lonenstrom, der von der lonenauffangelektrode
19 abgeleitet werden kann, stark vom erwähnter Niveau abhängt, der lonenstrom über die Elektrode f
dagegen wesentlich niedriger. Man kann die Anordnung so treffen, daß man mit der Elektrode 8 praktisch
unabhängig vom Schmelzbadniveau die Verdampfungsrate mißt und mit der Elektrode 19 das Niveau
überwacht.
llicr/u 2 Watt Zeichnungen
Claims (4)
1. Vorrichtung zur Elektronenstrahlverdampfung,
bei der der von einer Elektronenstrahlquelle
erzeugte Elektronenstrahl durch ein Magnetfeld auf das zu verdampfende Gut umgelenkt wird und eine
lonenauffangelektrode zur Kontrolle der Bedampfungsrate vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet,
daß das Gut (13), die Elektronenstrahlquelle (2,3,7,16) und die lonenauffangelektrode (8)
in der genannten Reihenfolge im magnetischen Umlenkfeld angeordnet sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß eine längliche Glühkathode (2) vorgesehen ist und diese mit ihrer Längsrichtung
parallel zum magnetischen Umlenkfeld (6) angeordnet ist
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenauffangelektrode (8) symmetrisch
zwischen den beiden Polschuhflächen (4, 5) und auf gleicher Höhe wie die abdampfende Ebene
des Gutes (13) angeordnet ist
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß asymmetrisch eine zweite lonenauffangelektrode (19) angeordnet ist
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