DE2547552A1

DE2547552A1 - Schichtaufdampfeinrichtung und -verfahren

Info

Publication number: DE2547552A1
Application number: DE19752547552
Authority: DE
Inventors: Toshinori Takagi
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1974-10-23
Filing date: 1975-10-23
Publication date: 1976-04-29
Also published as: US4152478A; GB1483966A; DE2547552B2

Description

PATENTANWÄLTE

Dr. phil. G. B. HAGEN *> £ / 7 ζ ξ DipL-Phys. W. KALKOFF Z 0 H / 0 0 I

8000MÜNCHEN 71 (SoIIn)

Franz-Hals-Straße 21
Tel. (089) 796213/795431

HEC 3535 München, 22. Oktober 1975

sch

Sharp Kabushiki Kaisha 22-22 Nagaike-cho
Abeno-ku
Osaka (JAPAN)

Schichtaufdampfeinrichtung und -verfahren

Prioritäten: Hr.129321/1974; 23.10.1974; - Hr.129322/1974; 23.10.1974;

- Nr. 7303/1975; 13.1.1975; - ITr. 7305/1975; 13.1.1975;

- ITr.42658/1975; 29.3.1975; - ITr.60660/1975; 20.5.1975;

- lir.86973/1975; 15.7.1975; - Nr.96461/1975; 6.8.1975; Japan.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schichtaufdampfeinrichtung und ein Schichtaufdampf verfahren.

Bisher wurden verschiedene Möglichkeiten als Alternativen für die herkömmliche elektrochemische Beschichtungstechnik vorgeschlagen, um eine Dünnschicht auf einen Schichtträger aufzudampfen oder diesen mit einer solchen Dünnschicht zu plattieren oder zu überziehen, z, B, Aufdampfen im Vakuum und Bedampfen mittels Ionisation und Teilchenbeschleunigung, Insbesondere das letztgenannte Ver-

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Bayerische Vereinsbank München 823 101 Postscheck 54782-809

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fahren "bringt den Vorteil mit sich, daß die Haftfestigkeit sehr gut ist und die Oberflächenreinigung und Schichtaufdampfung praktisch gleichzeitig durchführbar sind. Dieses Verfahren kann allgemein in zwei Kategorien unterteilt v/erden: (i) ein mit einem "Entladebereich" arbeitendes Verfahren, bei dem, da der metallische Schichtträger bzw, das Substrat als negative Entladungselektrode wirkt, eine Glimmentladung mit Hilfe eines die Entladung unterhaltenden Gases gebildet und ein geeigneter auf den Schichtträger aufzudampfender Werkstoff verdampft, im Entladebereich ionisiert und dann zum Schichtträger unter Anlegen einer negativen Spannung an diesen beschleunigt wird und auf diesem eine Dünnschicht mit erwünschter Dicke bildet; und (ii) ein mit einem "Hochvakuumbereich" arbeitendes Verfahren, bei dem die Ionisation in einer Entladekammer erfolgt und die so erhaltenen Ionen aus einer kleinen in der Entladekammer ausgebildeten Öffnung mit Hilfe einer Ionenansaugelektrode extrahiert werden, an die eine negative Spannung angelegt ist, wonach die Ionen zum Hochvakuumbereich beschleunigt v/erden und infolgedessen Ionen mit im wesentlichen der gleichen Flugrichtung und kinetischen Energie den Schichtträger in Form eines einzigen Strahls erreichen.

Das Verfahren (i) hat zwar den Vorteil, daß der Vorrichtungsaufbau einfach und die Aufdampfgeschwindigkeit recht hoch ist und daß die Schichtaufdampfung nicht nur auf einer Hauptfläche des Schichtträgers, die der Dampfquelle gegenüberliegt, erfolgt, sondern auch auf den übrigen Schichtträgerflächen; es ist jedoch insofern nachteilig, als die Schichtträgertemperatur stark erhöht wird, da der Schichtträger als Entladeelektrode im Entladebereich wirkt, die Bedampfung ist

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ungerichtet, und die ScMcIt¹". ist porös, da die kinetische Fnergie der einzelnen Ion/ nicht gleich ist. Andererseits hat das Verfahren (ii) d" /orteile, daß die Sehichtträgertemperatu.r nicht erhöht w. d, keine Werkst off be schränkungen in bezug auf den Schichtträger bestehen und die Ionenbeschleunigung in bezug auf Energie und Richtung im wesentlichen gleichmäßig ist, so daß Aufdampfschichten unterschiedlicher Art mit hoher Güte gebildet werden, obwohl der Vorrichtungsaufbau kompliziert und die Aufdampfgeschwindigkeit niedrig ist.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Einrichtung und eines Verfahrens, mit denen die erläuterten ITachteile überwunden und gleichzeitig die Vorteile beider Systeme (i) und (ii) erhalten werden; dabei sollen Schichten hoher Güte auf unterschiedliche Schichtträger (Metall, Halbleiter, Nichtleiter) mit einfachem Einrichtungsaufbau, erhöhter Aufdampfgeschwindigkeit und niedriger Temperatur aufdampfbar sein, wobei die Erfindung auch zum Aufdampfen von Dickschichten geeignet sein soll.

Nach der Erfindung wird ein gewünschter aufzudampfender Werkstoff in einen hermetisch dichten Tiegel eingebracht und erwärmt; der Tiegel hat eine oder mehrere Düsen (oder Ausstoßöffnungen) . Der Gasdruck eines Hochvakuumbereichs (weniger als 10""^ Torr), in dem der Tiegel angeordnet ist, wird mehr als zehnmal kleiner als derjenige des Werkstoff dampfs gehalten, der im aufgeheizten Tiegel gebildet

INSPECTED

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und dort im thermischen Gleichgewicht gehalten wird. Durch Ausstoßen des Dampfs aus den Düsen in den Bereich mit niedrigem Gasdruck wird der Dampf um die Düsen herum in den unterkühlten Zustand gebracht, wodurch Dampfaggregate oder -cluster aufgrund der adiabatischen Expansion gebildet werden. Dies ist eines der wichtigsten Merkmale der Erfindung,

Dann können durch Ionisation nur eines Atoms der die Dampfaggregate oder -cluster bildenden Atome sämtliche Cluster ionisiert und von einer Ionenabsaug- oder -extrahierelektrode, an die eine negative Hochspannung angelegt ist, mit kinetischer Energie versehen werden. Infolgedessen kann auf einen Nichtleiterschichtträger mit einem relativ kleinen Ladung-Masse-Verhältnis eine Dickschicht in einfacher Weise aufgedampft werden. Dies ist ein weiteres wichtiges Merkmal der Erfindung,

Die nach der Erfindung verwendete "Metalldampf-Clusterionenquelle" kann anstelle der Atom- oder Molekülionen üblicher Ionenquellen ionisierte Dampfaggregate oder -cluster erzeugen. Durch die adiabatische Expansion aufgrund des Ausstoßens des Dampfs aus einer Düse eines aufgeheizten Tiegels werden Cluster mit 10-10 Atomen gebildet und durch Elektronenbeschuß ionisiert. Durch Aufdampfung mittels des ionisierten Clusterstrahls unter Verwendung der Ionenquelle sind Aufdampfschichten hoher Güte aus.vielen verschiedenen Werkstoffen auf Metall-, Halbleiter- und Nichtleiter-Schichtträgern erhältlich, die eine hohe Haftfestigkeit haben; das Aufdampfer erfolgt mit hoher Aufdampfgeschwindigkeit,

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HEC.3535 - 5 -

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Pig, 1 ein Metallatom mit einem Ion und einen Metalldampf cluster mit einem Ion;

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Aufbau eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer Clusterionenquelle nach der Erfindung;

Pig. 3 eine graphische Darstellung, in der die Anzahl von einen Cluster bildenden Atomen, gemessen mittels des Laufzeitverfahrens, aufgetragen ist;

Pig. 4 ein Beispiel von Yersuchsergebnissen zum Berechnen der Anzahl von ein Clusterion bildenden Atomen aus der Beziehung zwischen der Aufdampfmenge auf einem Schichtträger und dem Ionenstrom;

Fig. 5 ein Beispiel von Aufdampfkennlinien, gemessen unter der Voraussetzung, daß Pb als Verdampfungsmetall gewählt ist und ein Clusterion zusammen mit neutralem Clustermetalldampf aufgedampft wird;

Pig. 6 einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Clusterionenquelle nach der Erfindung;

Pig. 7 ein Clusterionenstrahl-Aufdampfsystem nach der Erfindung ;

Pig. 8 einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Clusterionenquelle nach der Erfindung ;

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HEC 3535 - 6 -

Pig, 9 verschiedene brauchbare Abwandlungen im Zusammen-

Ms 12 hang mit der Ionenquelle nach Fig. 8;

Fig, 13 Querschnitte durch weitere Ausführungsbeispiele

und 14 von Ionenquellen nach der Erfindung;

Pig, 15a Querschnitte durch weitere Ausführungsbeispiele

und 15b einer Verdampferquelle nach der Erfindung;

Pig, 16 einen Querschnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform der Quelle nach Pig, 15a und 15b;

Fig. 17 Querschnitte durch verschiedene Ausführungen des

bis 20 Tiegels nach Pig, 1; und

Pig, 21 Perspektivansichten von verschiedenen Ausführungen

und 22 des Clusterionenerzeugers nach Pig, 1.

Im allgemeinen bestehen Ionen, die von einer herkömmlichen Ionenquelle durch Ionisation von Elementen aufgrund von Elektronenbeschußentladung im gasförmigen Zustand erhalten werden, hauptsächlich aus einwertigen Atom- oder Molekülionen, Ionisation ist nur ein Weg zum Erhalt kinetischer Energie für die Ionenstrahlabscheidung, und diese Atom- oder Molekülionen sind daher nicht unbedingt erforderlich.

Eine Vielzahl Atome werden in der Größenordnung von 3, 7, .·.,

ρ
10 , ... durch die van der Waals-Bindungskraft kombiniert und bilden ein Atomaggregat oder einen -cluster. Dadurch kann der Cluster als ganzes ionisiert und beschleunigt werden, und es kann ihm kinetische Energie in Abhängigkeit von einem negativen hohen Potential zugeführt werden, indem nur ein Atom im Atomcluster ionisiert wird,

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HIOC 3535 ~ ⁷ "

Pig. 1 zeigt ein Atomion und ein Clusterion, wobei der Teil a ein Fletallatom und ein Metallatomion und der Abschnitt b einen Ve ta.ll dampfe lust er oder ein Atomaggregat zusammen mit einem Clusterion zeigt. Bei Metallen, deren Atomabstände klein sind, ist die diese Atome bindende van der V/aals~Kraft äußerst stark, so daß ein stabiler Cluster leicht erhältlich ist, und die Ionisation von Teilbereichen erhöht sich proportional zur Kasse des Clusters, da nichts weiter zur Ionisation des gesamten Clusters erforderlich ist, als daß ein einzelnes Atom desselben ionisiert wird. Ferner ändert sich das Ionisationspotentia] des Atomclusters unter dem Einfluß der Bindungskraft und wird niedriger als im Fall eines einzelnen Atoms, wodurch eine wirksame Ionisation durch Kollision des Clusters mit einem Elektronenstrahl ermöglicht wird.

Pig. 2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer ionisierten Clusterionenquelle nach der Erfindung, und die Betriebsweise derselben wird nachstehend erläutert.

Ein durch eine Glasglocke 1, eine obere Metallplatte 2 und eine untere Metallplatte 3 gebildeter Behälter wird durch eine Äbsaugöffnung 4 auf einem Hochvakuum von 10" -10" Torr (oder mmllg) gehalten. Im Vakuumbehälter sind ein das Verdampfungsmaterial enthaltender Tiegel 5 und eine Ionenbeschleunigerelektrode 6 in vorbestimmter beabstandeter Beziehung zueinander unter Verwendung mechanischer Halterungen 7 und 8 angeordnet. Eine Stromversorgungseinheit weist eine Hochgleichspannungsquelle von mehr als einigen 10 V auf (bei durchgeführten Versuchen wurden Hochspannungsquellen mit bis zu mehreren 10 kV verwendet). Die Verwendung einer Spannung von mehr als einigen 10 V bedeutet, daß eher positive als negative Ionen verwendet werden,

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tun den Elektronen die zur Ionisation erforderliche kinetische Energie zu erteilen. Die Hochgleichspannungsquelle 9 (von einigen 10 V bis zu einigen kV) liefert eine Hochspannung zwischen den Tiegel 5 und die Ionenbeschleunigerelektrode 6, wobei der Tiegel 5 positiv und die Elektrode 6 negativ ist. Die ringförmige Ionenbeschleunigerelektrode 6 wird auch als Ionenabsaugelektrode oder Hohlelektrode mit axialem Loch bezeichnet. Ein Heizfaden 10 ist mit einer oder mehreren Windungen im Inneren der ringförmigen Ionenbeschleunigerelektrode 6 mit viereckigem Querschnitt angeordnet und emittiert eine Vielzahl Elektronen, die ihrerseits beschleunigt und in Form von Strahlen 11 fokussiert werden und um eine Dampfausstoßöffnung 12, die in Axialrichtung des Tiegels 5 ausgebildet ist, auftreffen, und zwar unter Steuerung durch ein elektrisches Feld, das zwischen der Ionenbeschleunigerelektrode 6, die auf dem gleichen Potential wie der Heizfaden 10 gehalten wird, und dem Verdampfertiegel 5, der auf dem hohen Potential gehalten wird, gebildet ist. Dem Elektronen emittierenden Pleizfaden 10 wird Heizenergie durch eine Stromversorgung 13 zugeführt .

Ein geeigneter zu verdampfender Werkstoff 14 ist im Tiegelinneren angeordnet und wird derart erwärmt, daß der Dampfdruck des Werk-Stoffs 14 gleich oder höher als ca, 10 Torr ist. Es ist erwünscht, daß der Metalldampfdruck im Tiegel im wesentlichen höher

-2
als 10 Torr ist, und die genannten Versuche wurden im Bereich

-2

von 10 -10 Torr durchgeführt, Heizenergie wird von einer Stromversorgung 16 zugeführt. Für den Fall, daß der Werkstoff 14 im Tiegel zum Sieden kommt, muß der Dampfaustritt durch die Ausstoßöffnung 12 verhindert werden. Daher wird der Tiegel mit dem

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NEC 3535 -S-

We rks toff dampf 17 gefüllt, dessen Druck der IJeiztemperatur entspricht, so daß der Dampf aufgrund des Gasdruckunterschieds zwischen dem Tiegelinneren und der Umge"bung als Strahl durch die Öffnung 12 abgegeben wird. Es ist zu "beachten, daß der Werkstoffdampf in Form von Atom- oder Molekülaggregaten, d, h. als Cluster, bestehend aus mehreren bis mehreren tausend Atomen oder Molekülen (normalerweise weniger als 10 Atomen oder FoIekülen), und nicht in Form einzelner Atome oder Moleküle austritt. Der 10²-10^ Atome oder Moleküle bildende Cluster ist stabil und gut ausnutzbar.

Der Mechanismus der Clusterbildung kann unter Bezugnahme auf eine mikroskopische Analyse auf der Grundlage statistischer Mechanismen und unter Einbeziehung intermolekularer Kräfte oder unter Bezugnahme auf die Tropfchentheorie auf der Grundlage der Thermodynamik erörtert werden. Im folgenden wird nur die mikroskopische Analyse unter Einbeziehung intermolekularer Kräfte erörtert.

Die regellose Wärmeenergie eines Gases kann in gerichtete kinetische Energie umgesetzt werden, wenn das aus einer Düse austretende Gas in den Vakuumbereich expandiert. Unter geeigneten Vakuumbedingungen wird das expandierte Gas durch die adiabatische Expansion übersättigt und kondensiert daher. Anstelle der Gleichung PV = RT für das ideale Gas kann die Zustandsgieichung für K identische Partikel in einem kondensierten System wie folgt geschrieben werden:

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(D.

HEC 3555 - ^1Ö -

Die Helmholtzsche freie Energie A und die Verteilungsfunktion Q v/erden wie folgt geschrieben:

A = -KTInQ ; (2)

Q = _^^...y;-H(p, q)AT _#dpi _φββ dp_f.d_Pi ... dp_f (3)

mit T, V, h und f = Temperatur, Volumen, Plancksehe Konstante und Anzahl Freiheitsgrade des Gesamtsystems.

Wenn ein Term der regellosen Wärme energie Έ und ein Term der potentiellen Energie V als eine Funktion von Koordinaten q und Impulsen ρ ausgedrückt werden, wird die Hamilton-Funktion S(p.....p_f, q-...q_f) wie folgt geschrieben:

H (p, q) = T (p, q) + 1 (q) (4).

In einem Tiegel hat ein Metalldampf bei hoher Temperatur eine ausreichende regellose Wärmeenergie, um die potentielle Anziehungsenergie zu überwinden. Daher ist

Die Dichte der Partikel außerhalb des Tiegels ist etwa gleich -oder kleiner als diejenige im Tiegel, so daß die Gleichungen (1) bis (3)

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zur !Bestimmung des kinetischen Zustands nach der adiabatischen Expansion benutzt werden, wenn

Eine theoretische Vorhersage der obigen Bedingungen einschließlich der adiabatischen Expansion erscheint sehr schwierig, und die Kinetik, die zur Clusterbildung unter den Bedingungen der Gleichungen (5) und (6) führt, ist nicht quantitativ analysiert worden. Im vorliegenden Fall wird eine grobe Schätzung der Möglichkeiten der Metall-Clusterbildung gegeben.

Es sei angenommen, daß der Metalldampf (mit einem Druck P.. und einer Temperatur T^) im Tiegel eine Düse durchsetzt und in eine Kammer mit diedrigem Gasdruck P₂ (ca. 10" -10 Torr) expandiert. Wenn man annimmt, daß zwei nichtpolare Teilchen sich gegenseitig beeinflussen, stellt T (q) weitreichende Anziehungskräfte dar, denen die van der Waals-Kräfte zwischen ihnen als eine Funktion der Koordinate r folgen. Durch die Einheit K wird T (q) als T (r) ausgedrückt, d. h.

6,68 . 1O~⁴³r⁵
V(r) = —g 2- (κ) (γ)

mit r = Atomradius in cm und

r = Entfernung zwischen Teilchen in cm.

Die Temperatur T₂ des expandierten Dampfs wird aus der Gleichung der adiabatischen Expansion erhalten als

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HEG 3535 - 12 -

Y-1
1 (8)

mit Ύ = Verhältnis der spezifischen Wärme des Metalldampfs.

Es kann angenommen werden, daß die Teilchen einen Cluster in dem Bereich "bilden, in dem eine weitreichende Kraft V (r) in Gleichung (7) stärker als die regellose Wärmeenergie der Teilchen, wiedergegeben durch T₂ in der Gleichung (8), ist. Wenn angenommen wird, daß T der Abstand r ist, der die Gleichung erfüllt, dann ist T₂ f ^V^^r^r-R» ^uirfcer Verwendung von V(r) aus der Gleichung (7) und Tp aus der Gleichung (8), bilden Teilchen innerhalb des Begrenzungsradius r = R ein Aggregat bzw. einen Cluster. Eine Clusterbildung kann auch erwartet werden, wenn eine weitreichende Kraft v/irksam wird, wenn Teilchen durch Kollisionen sich weit genug nähern. Bei diesem Verfahren werden die Cluster sogar gebildet, obwohl Teilchen voneinander entfernt sind. Somit werden Teilchen zu einem Clusterstrahl geformt, während sie durch einen Hochvakuumbereich wandern, nachdem sie aus einem Tiegel ausgestoßen wurden. Durch Vorkalkulation wurde die Clustergröße von

2
Pb als ca. 8 · 10 unter den Bedingungen P_-1=I Torr und

_5 '

Pp = 10 Torr und einer Länge von 4 cm berechnet.

Die vorstehende Erläuterung hängt zwar von einigen Innahmen ab, die berechneten Werte für die Clustergröße betragen etwa 1000 und sind im wesentlichen den später beschriebenen experimentellen Werten angenähert. Dies bedeutet, daß die vorstehende Argumentation in bezug auf die Bildung des Clusters richtig ist.

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Da das als Cluster bezeichnete Atom- oder Molekülaggregat mit den van der Waals-Kräften verknüpft ist, neigt es dazu, bei Kollision mit Restgasen usw. aufzubrechen, wodurch seine Ionisation mittels Elektronenbeschuß erleichtert wird. D. h. die Ionisationsspannung des Clusters wird niedriger als die der einseinen Atomteilchen, und daher wird der Ionisationsquerschnitt proportional zur Zunahme der Masse des Clusters größer.

Wenn der Elektronenstrahl 11 auftrifft, wird der Cluster durch die Dampfaustrittsdüse 12 wirksam ionisiert, und der so ionisierte Cluster wird in die dem beschleunigten Elektronenstrahl 11 entgegengesetzte Richtung zusammen mit neutralen Teilchen mit hydrodynamischer Ausstoßenergie unter Steuerung durch das gleiche elektrische PeId, das zum Richten des Elektronenstrahls 11 auf den Tiegel 5 dient, in Richtung auf einen Schichtträger bzw. ein Substrat beschleunigt, nachdem er den Kittenabschnitt der ringförmigen Ionenbeschleunigerelektrode 6 passiert hat. Die auf den Schichtträger 19 gerichteten Cluster 20 schließen die teilionisierten und die neutralen Cluster ein.

Die Zahl der den ionisierten Cluster bildenden Atome kann (a) mittels eines Laufzeitverfahrens durch Impulsextraktion oder (b) aus der Beziehung zwischen der auf den Schichtträger aufgedampften Schicht und dem Ionenstrom berechnet werden. Beim Verfahren (a), bei dem Impulse mit einer Impulsdauer von 2,5/us, einer Impulsfolgefrequenz von 60 Hz und einem Spitzenwert von 1kY verwendet werden, werden Änderungen des Ionenstroms auf einem Impulsstrom-Auffangglied (d. h. dem Schichtträger), das 30 cm von der Ionenbeschleunigerelektrode beabstandet ist, mit fortschreitender Zeit ausgewertet, so daß die Anzahl Atome im Cluster aus der Laufzeit des Clusters zwischen den beiden Elektroden bestimmbar ist. Ein Beispiel der experimentellen

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Ergebnisse ist in Fig. 3 veranschaulicht. Die Analyse dieser experimentellen Ergebnisse zeigt, daß der Spitzenwert des Stroms auftritt, wenn nach dem Anlegen der Impulse ein Intervall von ca. 30 /us abgelaufen ist, daß die Anzahl Atome im Cluster ca. 10 ist und daß nicht etwa eine Änderung der Anzahl der einen Cluster bildenden Atome, sondern die Zunahme des Dampfdrucks den Ionenstrom und damit die Aufdampfgeschwindigkeit erhöht.

' Bei dem Verfahren (b) ist die Anzahl der einen Cluster bildenden Atome (einschließlich des neutralen Clusters) aus der Aufdampfgeschwindigkeit, der Aufdampfmenge und dem durch den Schichtträger fließenden Strom berechenbar, wobei die Aufdampfgeschwindigkeit und -menge mit Hilfe eines Schichtdicken-Detektors erfaßt werden, der auf einem Teil des Schichtträgers angeordnet ist. Ein Beispiel der gemessenen Aufdampfgeschwindigkeit ist in Pig. 4 veranschaulicht; dabei wird Cu verwendet, und der Schichtdicken-Detektor ist in einer Ecke des Schichtträgers angeordnet und erfaßt die Schichtdicke so, daß der Cluster-Metalldampf direkt auf ihn auftrifft, während der Ionenstrom durch ein mit dem Schichtträger verbundenes Amperemeter erfaßt wird; der Schichtdicken-Detektor ist ein goldplattierter Schwingquarz mit einem Flächenbereich von 1 cm . Obwohl also der nichtionisierte neutrale Cluster-Metalldampf auf eine Hauptfläche des Schichtträgers gegenüber dem Tiegel zusammen mit dem Clusterion aufgedampft wird, spricht der Schichtdicken-Detektor nur auf das Clusterion an. Die Ionenbeschleunigungsspannung ist kritisch für die Aufdampfhöchstgeschwindigkeit, sie hängt jedoch von der Tiegeltemperatur (und damit dem Metalldampfdruck im Tiegel)-, der Form der Ausstoßdüse, dem verwendeten Metall, dem Werkstoff des Schichtträgers usw. ab. Angenommen, die kritische

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Beschleunigungsspannung wird überschritten, dann ergibt sich dadurch ein stärkeres Abspritzen von der Schichtträgeroberfläche oder von der bereits aufgedampften Schicht und somit eine Verminderung der Aufdampfgeschwindigkeit« Auf diese V/eise sind die Oberflächenreinigung und das Bedampfen durch /'ndern der "Beschleunigungsspannung einstellbar. Die Oberflächenreinigung und die Bedampfung sind gleichzeitig durchführbar, Dadurch ergibt sich eine ausgeprägte Charakteristik, die die Bildung einer dichten Schicht von hoher Güte unterstützt.

Pig. 4 zeigt experimentelle Ergebnisse, die unter den Bedingungen erhalten wurden, daß der Metalldampfdruck ca. 10 " Torr, die Aufdampfgeschwindigkeit einige hundert i/min oder mehr und der äquivalente Ionenstrom ca. 100 mA betragen. Fig. 5 zeigt ein Beispiel von Aufdampfkennlinien, wobei das zu verdampfende Metall Pb ist und der Betriebszustand der tatsächlichen oder praktikablen Bedingung unterliegt, daß das ionisierte Clusterion zusammen mit dem nichtionisierten neutralen Cluster aufgedampft wird. Wie auch in Pig. 4 gezeigt ist, erreicht die Aufdampfgeschwindigkeit den Höchstwert in Abhängigkeit von der Ionenbeschleunigungsenergie, und wenn der Metalldampfdruck hoch ist (z, B. 1 Torr), treten die Zerstäubungseffekte nicht deutlich in den Kennlinien in Erscheinung. Die Ionisationsleistung (ein Verhältnis der Clusterionen zu den Metalldampfclustern insgesamt) nimmt mit steigendem Elektronenstrom I zu. Daraus folgt, daß eine zu diesem Zeitpunkt auftretende Zunahme der Zerstäubungsmenge eine Verminderung der Aufdampfgeschwindigkeit bewirkt. Aufgrund durchgeführter Experimente wurde festgestellt, daß die lonisationsleistung einige % bis einige 10 % betrug und bestimmt war vom Metalldampfdruck im Tiegel, dem Elektronen-

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strom I , der Elektronenbeschleunigungsspannung V usw.

3. 'S.

Selbst wenn die Ionisationsleistung mehrere Prozent beträgt, sind die Clusterionen mit den neutralen Metalldampfclustern vermischt, so daß durch die Übertragung der kinetischen Energie zwischen diesen die charakteristischen Vorzüge der aufgedampften Schicht erhalten werden.

Die Ausbildung der dicht aufgedampften Schicht hoher Güte in dieser Weise ergibt sich aus folgenden Gründen. Durch Einschluß· des Hochdruck-Metalldampfs im Tiegel kann die den Schichtträger enthaltende Kammer in einem Hochvakuum gehalten werden, und die Schichtträ/reroberfläche wird unmittelbar vor dem Aufdampfen der Schicht infolge der Zerstäubungseffekte aufgrund von Clusterionenbeschuß gereinigt. Außerdem wird auf die Schichtträgeroberfläche eine Schicht ohne erneute Verschmutzung der Schichtträgeroberfläche aufgedampft, da der lonenbeschuß während des Aufdampfens der Schicht fortgesetzt wird. Hierdurch unterscheidet sich die Erfindung von üblichen Aufdampfverfahren, bei denen die Oberflächenreinigung und das Aufdampfen unabhängig voneinander in zwei Schritten durchgeführt wird.

In bezug auf die Haftfestigkeit oder die Schichtmorphologie sind folgende Hauptfaktoren zu beachten: erstens wird die Schichtträgeroberfläche durch lonenbeschuß bespritzt und gereinigt (Verbesserung der Haftfestigkeit); zweitens wird die Oberfläche tief eingeätzt (mechanische Verbesserung der Haftfestigkeit); drittens wird zerstäubter Schichtträgerwerkstoff mit auftreffenden Verdampfungsteilchen vermischt und haftet wiederum auf der Schichtträgeroberfläche (Bildung einer Grenzflächenschicht); viertens bleibt der Zerstäubereffekt während der

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Ausbildung der Schicht erhalten (Änderung der Wachstumsmorphologie); fünftens wird die Wärmeenergie, die aus der kinetischen Energie von Beschußionen umgewandelt wurde, an die Oberfläche eines Schichtträgers angelegt, worauf eine Schicht aufgedampft wird; dadurch erhält der Schichtträger eine hohe Oberflächentemperatur ohne getrennt erfolgende Aufhellung (änderung der Wachstumsmorphologie und zunehmende chemische Reaktion); sechstens wird für eine verstärkte : Diffusion zum Hochtemperatur-Schichtträger aufgrund hoher Defektstellenkonzentrationen, die durch den hohen Energiefluß· bewirkt sind, gesorgt (Verstärkung der Grenzflächenschichtbildung und Änderung der Wachstumsmorphologie); siebtens v/erden die Ioneneinsatzeffekte eingeführt (Verstärkung der G-renzflächenschiehtbildung); und achtens werden die Kernbildung und das Aufdampf wachsturn infolge der Wanderung von Aufdampfteilchen beeinflußt.

Der letztgenannte Faktor ist bei der Aufdampfung mit einem ionisierten Clusterstrahl charakteristisch. Die Wanderung erfolgt unter der Bedingung, daß ionisierte und neutrale Cluster in jeden atomaren Teilchenzustand aufgebrochen und auf der zu bedampfenden Fläche unter einer hohen Temperatur infolge der aus der kinetischen Energie von Clusterionen umgewandelten Wärmeenergie zerstäubt v/erden, wodurch die Verbesserung des kristallförmigen Zustands beim Aufdampfen von Dickschichten stark beeinflußt wird. Die Aufdampfung mit einem ionisierten Clusterstrahl ist von großem Interesse als neues Verfahren zum Kristall-ITeuwachstum mit erhöhter Aufdampfgeschwindigkeit (einige hundert 2. - einige /um/min). Dadurch wird das Aufdampfen von Einkristallschichten wie ZnS und Si auf einen Einkristall-Schichtträger aus Steinsalz möglich.

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Außer den vielen vorgenannten Charakteristiken hat das Aufdampfen mit dem ionisierten Clusterstrahl nach der Erfindung eine weitere "bedeutende Charakteristik, d, h, das Ladung- !■lasse-Verhältnis des Clusterions ist äußerst klein, D, h. q = e aufgrund von Ionisation nur eines Atoms innerhalb der in einem Cluster enthaltenen Atome, und die Masse ist im wesentlichen der Anzahl der den Cluster bildenden Atome proportional. Der Clusterionenstrahl wird sich also kaum infolge von Raumladung ausbreiten, wenn diese den Clusterionenstrahl von einigen A anzieht. Außerdem ist es nicht notwendig, positive Ladungen zu neutralisieren, die dazu neigen, sich auf der Schichtträgerfläche anzusammeln, wenn der Clusterionenstrahl auf einen nichtleitenden Schichtträger auftrifft. Dadurch wird die Schichtaufdampfung auf Halbleiter- und Nichtleiter-Schichtträger sowie auf Schichtträger mit niedrigem Schmelzpunkt möglich und vereinfacht. Das Aufdampfen mit dem ionisierten Clusterionenstrahl ist besonders vorteilhaft bei der Herstellung gedruckter Leiterplatten auf Schichtträgern aus Mylar usw. und bei der Bildung von Legierungselektrodenschichten auf Kalbleitersubstraten anwendbar.

Eine einstellbare Blende 21 kann vor dem Schichtträger 19 angeordnet sein, um ein gewünschtes Muster zu definieren und die Aufdampfzeit genau zu steuern. Der Schichtträger 19 kann auch auf dem gleichen Potential wie die Ionenbeschleunigerelektrode 6 gehalten -werden, und je nach Bedarf kann ein weiteres negatives oder positives Potential angelegt werden. Durch Anlegen einer negativen Spannung kann der ionisierte Cluster 20 weiter beschleunigt werden, während er bei Anlegen einer positiven Spannung verlangsamt wird und Elektronen vom Glühfaden 10 extrahiert werden, um die auf dem Schichtträger angesammelten positiven Ladungen zu neutralisieren, " ■

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Bei der Einrichtung nach Fig. 2 ist der Schichtträger zwar über dem Tiegel angeordnet, er kann jedoch auch so angeordnet sein, daß der Cluster nach unten gerichtet wird. In diesem Pail ist dafür zu sorgen, daß kein Ausfließen von gelöstem Metall erfolgt, :·. B. durch eine Äusführungsform nach Fig. 6. .'

Der Tiegel 5 "besteht dabei aus Ta, C usw. Ein erwünschter Metallstab wie Pb und Cu wird in den Tiegel 5 eingebracht, bis zum Schmelzpunkt erwärmt und durch Aufheizen mittels Elektronenbeschuß verdampft. Der Elektronenstrahl wird für die Ionisation durch die Olühfadenheizenergie von 20-30 V/ erzeugt, wobei der Elektronenstrahlstrom 100-300 mA und die Beschleunigungsspannung 15 kV betragen. Tatsächlich ist die Beschleunigungsspannung im Bereich von einigen hundert V bis einigen kV wählbar. Der ionisierte Cluster wird bei Anlegen der Spannung von 15 kV in die dem Elektronenstrahl entgegengesetzte Richtung beschleunigt. Befriedigende Ergebnisse werden mit einem Schichtträger 19 aus korrosionsfreiem Stahl, Kunststoff oder Holz erhalten.

Wenn die Pb-Schiclit auf den Schichtträger aus korrosionsfreiem Stahl aufgedampft wird, beträgt die Aufdampfgeschwindigkeit 1-3 /um/min und ist dem System (i), das in einem Entladebereich arbeitet, völlig gleichwertig, und das zwischen die Sehicht-

o trägerhalterungen mit einem Oberflächenbereich von einigen 10 cm" geschaltete Amperemeter 22 gibt den Ionenstrom mit 20-30 /uA an.

Bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt die Ionisation des Clusters durch Anlegen einer Spannung zwischen die ringförmigen Ionenbeschleunigungselektrode und den Tiegel, Slektronenbeschleunigung und Clusterionisation entsprechend dieser Spannungszuführung und Ionenbeschleunigung in die entgegengesetzte Richtung aufgrund dieser gleichen SpannuiigszuiUhrung»

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Eine andere Ausführungsform einer Ionenquelle ist in Fig. 7 dargestellt, wobei die Elektrodeneinheiten voneinander unabhängig vorgesehen sind. Dabei weist die Ionenquelle einen Tiegel 31, einen Schichtträger 32, eine Schichtträgerhalterung 23, einen Elektronen abgebenden Glühfaden 33 zum Erwärmen des Tiegels 31, einen zu verdampfenden Werkstoff 24, einen verdampften Werkstoff 25, eine Ausstoßdüse 26, einen Elektronen abgebenden Glühfaden 27 zum Ionisieren des Clusters, eine Elektronenbeschleunigungselektrode 28, eine Elektronenwolke 29 zum Ionisieren des Clusters sowie eine Clusterion-Beschleunigungselektrode 30 auf. Der Schichtträger 22 ist in einer hermetisch dichten Kammer angeordnet, die im Hochvakuum gehalten wird (10" -10 Torr). Vom Glühfaden 20 abgegebene Elektronen werden durch eine Elektronenbeschleunigungs-Spannungsquelle E. zum Tiegel 31 beschleunigt, wodurch der Tiegel 31 durch Elektronenbeschuß aufgeheizt wird. Somit wird der Werkstoff mit einem Dampfdruck von 10 -10 Torr verdampft. Der Werkstoff wird durch die Düse 26 ausgestoßen und bildet aufgrund der adiabatischen Expansion Atomcluster oder -aggregate um die Düse herum. Die Atomcluster werden ionisiert, während sie die Elektronenwolke 29 durchsetzen, die durch die Elektronenbeschleunigungselektrode 28 und den Glühfaden 27 gebildet ist. Dann werden die Cluster durch die Clusterion-Beschleunigungselektrode 30.und die Schichtträgerhalterung 23 beschleunigt und erreichen den Schichtträger 22 zusammen mit nichtionisierten neutralen Clustern.

Wenn auf einem großflächigen Schichtträger eine Ionisationsschicht aufzudampfen ist, wird bevorzugt ein Dampfstrahl oder ein ionisierter Dampfstrahl mit Höchstquerschnitt und gleichmäßiger Verteilung erzeugt. Ein diese Bedingungen erfüllendes Ausführungsbeispiel ist in Pig. 8 gezeigt.

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Datei ist ein ringförmiger hohler Tiegel 31 vorgesehen, in den ein Werkstoff 32 einer einfachen aufzudampfenden Substanz oder Verbindung eingebracht wird; mehrere Ausstoßdüsen 33 sind in bezug auf den Tiegel 31 geneigt angeordnet, eine Heizspirale 34 ist um den Tiegel 31 geführt zum Aufheizen des Werkstoffs 32 durch den Tiegel 31, und ferner ist ein schichtförmiger Wärmeschutzmantel 35 um den Tiegel 31 angeordnet. Die durch die Heizspule 34 erzeugte Heiztemperatur ist so vorbestimmt, daß der Werkstoff 32 im Tiegel 31 bei geneigtem Dampfdruck verdampft. Wenn z. B, die den Tiegel umgebende Atmosphäre auf einem

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Unterdruck von 10 -10 Torr gehalten wird, wird der Dampfdruck

des Werkstoffdampfs 36 im Tiegel 31 mit 10"^-1 Torr gewählt, um den Dampf 36 in den thermischen Gleichgewichtszustand zu bringen. Durch geeignete Wahl des Durchmessers und der Länge der Düsen 33 wird der Gasdruck im Tiegel 31 um mehr als das Zehnfache höher als die Umgebungsatmosphäre gehalten, wenn die Aufdampfung durchgeführt wird; dies hängt jedoch von verschiedenen Aufdampfbedingungen und der Wahl des zu verdampfenden Werkstoffs ab.

Die mehreren Düsen 33 sind symmetrisch in bezug aufeinander angeordnet und so orientiert, daß die aus ihnen austretenden Werkstoff dampf strahlen 36' an einem bestimmten Punkt sich vereinigen und als Dampfstrahl 36" sich zum Schichtträger 47 bewegen.

Die Ionenquelle nach Fig. 8 weist ferner einen Ionisations-Elektronenstrahlerzeuger 37 auf, der auf der Symmetrieachse der Düsen 33 liegt tind aufweist: einen Elektronen abgebenden Glühfaden 38, eine Wehnelt-Elektrode 39, eine Anode 40, eine Stromversorgung 41 zvm Aufheizen des Glühfadens, eine Ionisations-

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elektronenstrahlbeschleuniger-Stromversorgung 42, eine Ionenbeschleuniger-Stromversorgung 43, eine Beschleunigungselektrode 44, eine Blende 45, einen Schichtträger 46 sowie eine Schichtträgerhalterung 47.

Hit einer solchen !einrichtung ionisiert der vom Elektronenstrahlerzeuger 37 erzeugte Elektronenstrahl 37' den Werkstoffdampf 36" hoher Dichte, und der so ionisierte Dampfstrahl wird zusammen mit nichtionisierten Dampfstrahlanteilen durch die Blende 45 von der negatives Potential aufweisenden Beschleunigungselektrode 44 zum Schichtträger 46 beschleunigt, wo eine Schicht 48 gebildet wird.

Fig. 8 veranschaulicht ein Verfahren zum Aufheizen des Tiegels 31 durch Verwendung der Heizspule 34; dieses Verfahren kann jedoch durch Aufheizen mittels Elektronenbeschuß abgewandelt werden, wobei dann ein Elektronenbeschuß-G-lügfaden 49 vorgesehen ist. Das Bezugszeichen 19' bezeichnet Elektronen 49' gemäß Pig. 9.

Ferner ist im Tiegel 31 eine Einsatzöffnung 50 ausgebildet, durch die kontinuierlich aufzudampfender Werkstoff 51 nachgeführt wird.

Es ist ersichtlich, daß bei der Konfiguration des Tiegels und der Düsen verschiedene Abwandlungen möglich sind. Wenn z.B. eine Schicht auf einen breiten Schichtträger aufzudampfen ist, ist eine Vorrichtung nach Fig. 10 praktisch, bei der der Tiegel 52 und die Düce 53 seitlich ausgeformt sind. In diesem

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HEC 3535 - 23 -

Fall ist die Düse 52 durch. Einsetzen von Trenngliedern 54 in eine vorbestimmte Anzahl Gruppen unterteilt. In Pig. 12 sind vier Tiegel 56 kreuzweise angeordnet, und die Düse 55 ist am Kreuzungspunkt vorgesehen.

Es wird zwar angenommen, daß die vorstehend erläuterten AusfUhrungsbeispiele eine gleichmäßige Dampfatmosphäre bilden. Die mikroskopische Untersuchung zeigt jedoch, daß die Dampfatmosphäre nicht nur Atom- oder Molekülteilchen, sondern auch große Dampfteilchen in flüssiger Form enthält. Diese beeinträchtigen die Gleichmäßigkeit einer aufzudampfenden Schicht während des Bedampfens eines Schichtträgers beträchtlich. Insbesondere wenn Siedeerscheinungen auftreten und beim Aufheizen des Tiegels Spritzer gebildet werden, ergeben sich dadurch ein Werkstoffverlust und eine verschlechterte Schichtgüte.

Fig. 13 lind 14 zeigen Ausführungsbeispiele zur Überwindung dieser Erscheinungen, wobei die Dampfteilchen so fein wie möglich gehalten werden, so daß man atomare oder molekulare Dampfteilchen erhält.

Die Vorrichtung nach Fig. 13 enthält einen in einem Tiegel angeordneten zu verdampfenden Werkstoff 61, einen um den Tiegel 62 geführten spiralförmigen Glühfaden 63, eine Stromversorgung 64 zum Aufheizen des Glühfadens, vom Glühfaden 63 abgegebene Elektronen 65, eine Elektronenbeschleuniger-Stromversorgung 66, die zwischen den Tiegel 62 und den Glühfaden 63 geschaltet ist, um die Elektronen zu beschleunigen, eine als Wärmeschutzmantel und Elektronenstrahlerzeuger dienende Elektrode 67, einen Tiegel-

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bereich 68, enthaltend den Tiegel 62, den Glühfaden 63 und die Elektronenstrahlerzeugerelektrode 67, eine Stromversorgung 69 zum Zuführen des gleichen Potentials an die Elektrode 67, das dem G-lühfaden 63 zugeführt wird (oder eines etwas negativen Potentials), ein Dampfrohr 70 zum Übertragen des Werkstoff dampfs 61' im Tiegel in einen DampfÜbertragungsbereich 71; ein Dampfauslaßbereich 73 steht mit der Dampfleitung 72 in Verbindung und stößt den Dampf als starken Strahl aus; im Aiislaßbereich 73 sind Ausstoßdüsen 74 vorgesehen, ein spiralförmiger G-lühfaden 75 ist um die Dampfleitung 72 und den Dampfauslaßbereich 73 geführt, ferner ist eine G-lühfaden-Stromversorgung 76 zur Abgabe von Elektronen 77 vorgesehen, eine Elektronenbeschleunigungs-Stromversorgung 78 ist zwischen die Dampfleitung 72 und den Glühfaden 75 geschaltet; außerdem sind eine einen Wärmeschutzmantel bildende und als Elektronenstrahlerzeuger dienende Elektrode 79 sowie eine Stromversorgung 80 zum Zuführen der gleichen Spannung zur Elektronenerzeugungselektrode 79 wie zum Glühfaden 73 vorgesehen.

Bei Stromfluß durch den Glühfaden 73 wird dieser erwärmt und erzeugt Elektronen 75, die durch die Stromversorgung 76 zum Tiegel 62 beschleunigt werden und auf diesen auftreffen, wo- . durch im Tiegel 62 der Werkstoffdampf 71' erzeugt wird. Dieser Dampf 71' enthält atomare oder molekulare Dampfteilchen, große Atomaggregate, flüssige Teilchen und in manchen Fällen auch Spritzer, wie bereits erwähnt wurde. Wenn dieses Gemisch in die Dampfleitung 72 eintritt, werden die transportierten Teilchen jedesmal beim Auftreffen auf die Innenwand der Dampfleitung 72 aufgebrochen und werden zu Atom- oder Molekülteilchen, da der Tiegel 62 durch die aus dem Glühfaden 75, der Glühfadenheiz-Stromversorgung 76, der Elektronenbeschleunigungs-Stromversorgung ?8 und der Elektronenstrahlerzeugungselektrode 79.bestehende Einheit auf einer hohen Temperatur gehalten wird.

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Der Werkstoffdampf 71' wird zum idealen Korpuskulardampf, so daß Aufdampfschichten hoher Güte erhalten werden.

Der Unterschied zwischen den Ausführungsbeispielen nach Pig. 13 imd Pig. 14 ist, daß der Tiegel 62, der Dampfeintrittsbereich 70, der Dampfübertragungsbereich 72 und der Dampfauslaßbereich 73 als eine einsige Einheit ausgebildet sind, durch die ein starker Strom fließt, um sie in Verbindung mit dem vorstehend erläuterten Blektronenbeschuß-Heizverfahren aufzuheizen. Der Boden des Tiegels 62 ist mit einem Heizenergieleitrohr 81 und der obere Tiegelteil mit dem Dampfleitrohr 72 verbunden. Das obere Ende des Bampfleitrohrs 72 ist mit dem Dampfauslaßbereich 73 verbunden, woran sich eine Entladebereich-Heizenergieleitung 82 anschließt. Das Dampfleitrohr 72 und der Auslaßbereich 73 haben einen kleineren Querschnitt als der Tiegel 62, Die Verbindungsstelle zwischen dem .Dampf le it rohr 72 und dem Auslaßbereich 73 ist so gekrümmt, daß oiedeerscheinungen verhindert werden und der Dampfstrom mehrmals auf die Innenwand auftrifft.

Beim Aufheizen des Tiegels auf eine ziemlich hohe Temperatur hat die zu diesem Zeitpunkt auftretende Wärmeenergie nur einen geringen Wert in bezug auf die kinetische Energie. D, h, entsprechend der Formel KT/e = T/1,16 · 10 zeigt die Umwandlung der Wärmeenergie T( K) in kinetische Energie, daß die kinetische Energie η. B. beim Aufheizen des Tiegels bis auf 2300 ⁰K nur 0,2 eV beträgt ,

Die Ausführungsbeispiele nach Pig. 15a, 15b und 16 dienen dazu, die vorstehend erläuterten Nachteile zu überwinden. Dabei ist der Tiegel aus einem Werkstoff, der Elektronen emittiert, und eine im Tiegel ausgebildete Düse gibt Werkstoffdampf ab, während

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der Tiegel selbst Elektronen abgibt, wodurch der kristalline /instand von Aufdampfschichten infolge der zusammenwirkenden Effekte eines V/erkstoffdampfs und eines Elektronenstrahls verbessert wird.

Kach Fig. 15a und 15b besteht ein hermetisch dichter Tiegel 91 aus einem geeigneten v/erkstoff, z. B. Ta und W, der bei hohen Temperaturen Elektronen emittiert. Vom Tiegel 91 ausgehende Elektronen 96 werden durch ein elektronisches Linsensystem, bestehend aus dem Tiegel 91, Wehnelt-Elektroden 100 und Anoden 102, fokussiert und beschleunigt und dadurch mit einem Dampfstrahl oder Cluster 95 kombiniert und auf den Schichtträger 97 gerichtet. Der Dampfstrahl 95, der die Form von Atomclustern hat, die durch van der Viaais-Kräfte gebunden sind, wird beim Auftreffen auf den Schichtträger aufgebrochen. Dadurch wird das Aufdampfschichtwachsturn infolge der Wanderung von Aufdampfteilchen unterstützt. Gleichzeitig erwärmt der Hochgeschwindigkeits-Elektronenstrahl die Grenzflächenoberflache einer Aufdampfschicht, wenn er auf den Schichtträger auftrifft. Dadurch ergibt sich eine Verbesserung des kristallinen Zustands der Aufdampfschicht.

Fach Fig. 16 wird ein um den Tiegel 91 geführter Glühfaden 1Ό6 über eine Stromversorgung 107 aufgeheizt, und dann wird ihm von einer Stromversorgung 108 positives Potential zugeführt, so daß der Tiegel 91 durch vom Glügfaden 106 ausgehende Elektronen aufgeheizt wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die gleichen Vorteile wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 15 erhalten.

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HiJC 3535 -Pl-

Fi?,. 17 lind Fig. 18 zellen Abwandlungen der Cluster-Dampferzeugungsvorrichtung zum Verdampfen eines Werkstoffs mit hohem Schmelzpunkt.

J-'ach Pig. 17 besteht ein Tiegel 111 aus geeignetem Werkstoff, κ. B, Kohlenstoff und Wolfram, und ist so ausgebildet, daß das Einsetzen eines Festmetalls 112 erleichtert ist. Eine Entladeelektrode 114 ist im Tiegel 111 angeordnet und in bezug auf diesen durch einen Isolator 113 elektrisch isoliert. Ein Elektronen emittierender Glühfaden 115 ist um den Tiegel 111 gewickelt.

Der Tiegel 111 wird durch Elektronenbeschuß so weit aufgeheizt, daß das Metall 112 verdampft. Durch Anlegen einer Gleichspannung zwischen die Entladeelektrode 114 und das Metall 112 über den Tiegel 111 wird eine Bogenentladung am Metall 112 bei einer

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DampfatmoSphäre von 10 -10 Torr ausgelöst, so daß die Oberflächentemperatur des Metalls 112 so weit erhöht wird, daß ein Hochdruckdampf von 1 Torr oder mehr im Tiegel 111 möglich ist.

l^Tach Fig. 18 ist der Tiegel 111 in einen unteren Abschnitt 111b und einen oberen Abschnitt 111a unterteilt, die beide hermetisch dicht verbunden sind, wobei ein solator 113' zwischengeschaltet ist. Der obere Abschnitt 111a hat einen Entladevorsprung 114'. Bei Anlegen einer Hochspannung zwischen dem oberen und dem unteren Abschnitt 111a bzw. 111b entsteht zwischen dem Metall 112 und dem Entladevorsprung 114* eine Bogenentladung.

Weitere Abwandlungen des Tiegels nach Fig. 19 und 20 sind für aufzunehmende Metalle mit hohem Schmelzpunkt nützlich.

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T^TF)C' 3535 - PS -

Nach Fig. 19 besteht ein Gehäuse 121 aus einem Werkstoff mit hohem Schmelzpunkt, der auf Hochfrequenzenergie nicht anspricht, z. B. aus Keramik, und hat eine Metalldüse 122, iüne Hochfrequenzwicklung 123 ist um das Gehäuse 121 gewickelt, und im Gehäuse ist ein Festmetall 124 mit hohem Schmelzpunkt angeordnet, das aufzudampfen ist.

Durch von der Hochfrequenzwicklung 123 erzeugte Hochfrequenzenergie wird das Metall 124 direkt erwärmt und gelöst und "bildet im Gehäuse 121 Metalldampf. Ein Teil des Dampfs wird aufgrund von Eochfrequenzentladeverhalten ionisiert. Der den so ionisierten Dampfanteil enthaltende Dampf wird dann durch die Düse 122 zum Schichtträger 126 ausgestoßen.

Nach Fig. 20 wird ein sta"bfö'rmiges Metall 124' ununterbrochen in das Innere des Gehäuses 121^f entlang einer zylindrischen Führung 128 eingeführt. Zwischen dem Metall 124' und der Führung 128 ist ein O-Ring 129 angeordnet.

Fig. 21 und ..Fig. 22 zeigen Beispiele von Clusterion-Erzeugereinheiten, die auf einfache Weise ein Clusterion erzeugen, .wenn ein Cluster sich kreuzende elektrische und magnetische Felder durchsetzt, die mit einer einfachen, keine Magnetspule aufweisenden Vorrichtung aufgebaut v/erden.

flach Fig, 21 enthält ein Tiegel 131 zum Bilden von Metalldampf einen zu ionisierenden Werkstoff 132 und ist durch eine obere Abdeckung 134 mit einer oder mehreren Düsen 133 dicht ver-

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schlossen. Ein um den Tiegel 131 geführter Elektronenbeschuß-Glühfaden 135 dient zum Aufheizen des Tiegels 131. Wie bereits erläutert, wird der Metalldampf im Tiegel 131 auf einem Tint erdruck von 10 -1 Torr gehalten und durch die Düse 133 in einen Hochvakuumbereich von 10 Torr ausgestoßen. Der so ausgestoßene Metalldampf bildet aufgrund der adiabatischen Expansion Cluster.

Über dem Tiegel 131 ist eine stabförmige Kaltkathode oder eine haarnadelförmige Glühkathode 136 angeordnet, die auf eine angelegte. Spannung anspricht und Elektronen erzeugt, während eine Schleifen- oder Spiralanode 137 der Kathode 136 gegenüber angeordnet ist. Die Anode 137 wird in bezug auf die Kathode 136 auf einem geeigneten Potential gehalten, z. B, auf 100-300 V, das so gewählt ist, daß die maximale lonisationsleistung erreicht wird, um Elektronen von der Kathode 136 anzuziehen. Zu diesem Zeitpunkt fließt ein starker Gleichstrom durch die Anode 137 zur Ausbildung eines Magnetfelds B, das in bezug auf ein zwischen der Kathode 136 und der Anode 137 aufgebautes elektrisches PeId E orthogonal ist. Von der Kathode 136 zur Anode 137 fliegende Elektronen folgen daher spiralförmigen Plugbahnen. Die Cluster werden wirksam ionisiert, während sie die Anode durchsetzen, und bilden Clusterionen, die ihrerseits zu einem Schichtträger 138 beschleunigt werden, und zwar zusammen mit neutralen Clustern aufgrund des negativen elektrischen Feldes hoher Stärke, das zwischen der Anode 137 und dem Schichtträger 138 aufgebaut ist. Bei der Ausführung nach Pig. 22 ist eine aus der Kathode 136 und der Anode 137 bestehende Elektrodeneinheit im Inneren des Tiegels I31 angeordnet.

Patentansprüche: 6 098 18/1025

Claims

IiEC 3535 - 30 -

Patentansprüche

1J Schichtaufdampfeinrichtung, gekennzeichnet durch einen Tiegel, der einen auszudampfenden Werkstoff enthält; eine Einheit zum Aufheizen des Tiegels und Yerdampfen des Werkstoffs;

eine im Tiegel ausgebildete Düse zum Ausstoßen des Werkstoffdampfs in einen Hochvakuumbereich zur Bildung von Atomclustern durch adiabatische Expansion; einen Schichtträger, auf den eine Schicht aufzudampfen ist; eine Einheit zum Bestrahlen der Cluster mit einem Elektronenstrahl zur Bildung von Clusterionen; und eine Einheit zum Beschleunigen der Clusterionen zum Schichtträger zur Bildung einer Aufdampfschicht hoher Güte.

2, Schichtaufdampfeinrichtung, gekennzeichnet durch einen Hochvakuumbereich, der auf einem Gasdruck von weniger als 10 Torr gehalten ist; einen im Hochvakuumbereich angeordneten Tiegel mit aufzu- ■ dampfendem Werkstoff;

eine im Hochvakuumbereich angeordnete Ionenbeschleunigungs— elektrodeneinheit;

eine in der Ionenbeschleunigungselektrodeneinheit oder von dieser unabhängig angeordnete Elektronenstrahlquelle; eine Einheit zum Anlegen einer Beschleunigungsspannung zwischen dem Tiegel und der Ionenbeschleunigungselektrodeneinheit;

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HEG 3535 - 31 -

eine Tiegelheizeinheit zum Verdampfen des Werkstoffs derart, daß der Dampfdruck im Tiegel mehr als zehnmal höher als derjenige des Hochvakuumbereichs wird, wodurch Atomeluster durch adiabatische Expansion infolge des Ausstoßens aus einer Düse des aufgeheizten Tiegels in den Hochvakuumbereich gebildet werden;

eine Einheit zum Bestrahlen der Cluster mit einem von der Elektronenstrahlquelle ausgehenden Elektronenstrahl zur Bildung von Clusterionen; und

eine Einheit zum Beschleunigen der Clusterionen zum Schichtträger.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiegelheizeinheit eine Widerstandsheizeinheit ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Tiegelheizeinheit eine Elektronenbesehuß-Heizeinheit ist.

5, Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Tiegelheizeinheit eine Hochfrequenzwicklung aufweist und den Tiegel mit von ihr ausgehender Hochfrequenzenergie aufheizt.

6, Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel eine Entladungsformvorrichtung hat, die eine Bogenentladung auf der Werkstoffoberflache bildet und dadurch die Oberflächentemperatur des Werkstoffs erhöht.

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HEC 3535 - 32 -

7. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Zuführen von aufzudampfendem Werkstoff in das Tiegelinnere,

8, Schichtaufdampfeinrichtung,
gekennzeichnet durch mehrere Tiegel, die aufzudampfenden Werkstoff enthalten; Einheiten zum Aufheizen der Tiegel und "Verdampfen des Werkstoffs;

mehrere in den Tiegeln ausgebildete Düsen zum Ausstoßen des Werkstoffdampfs zur Bildung von Atomclustern durch adiabatische Expansion, wobei die Düsen so orientiert sind, daß die Clusterstrahlen an einem vorbestimmten Punkt vereinigt werden; einen Schichtträger, auf den eine Schicht aufzudampfen ist; eine Einheit zum Bestrahlen des vereinigten Clusterstrahls mit einem Elektronenstrahl zur Bildung von Clusterionen; und eine Einheit zum Beschleunigen der vereinigten Clusterionen zum Schichtträger zur Bildung einer Aufdampfschicht.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Tiegel seitliche Düsen haben.

10, Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß die seitlichen Düsen durch Trennglieder unterteilt sind.

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HEC-3535 - 33 -

11. Schi ent axif dampf einrichtung,

gekennzeichnet durch einen Tiegel aus einem elektronenemissionsfähigen Werkstoff zur Aufnahme von zu verdampfendem Werkstoff, wobei der Tiegel eine Düse hat;

eine Einheit zum Aufheizen des Tiegels und Verdampfen des darin befindlichen Werkstoffs, so daß der Dampf durch die Düse ausgestoßen wird und Atomcluster "bildet, und zum Emittieren von Elektronen von der Tiegelfläche; einen Schichtträger, auf den eine Schicht aufzudampfen ist; und eine Vorrichtung zum Fokussieren und Beschleunigen der Elektronen durch ein Hagnetfeld oder ein elektrisches Feld, so daß die Elektronen den Schichtträger zusammen mit den DampfeIustern erreichen und eine Aufdampfschicht gebildet wird.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Elektronenfokussiervorrichtung aufweist: den als Kathode dienenden Tiegel, eine Wehnelt-Elektrode und eine Anode,

13. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Dampfleitverbindung zwischen dem Tiegel und der Düse.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine Einheit zum Aufheizen der Dampfleitung über die Tiegeltemperatur und Halten der Dampfteilchen so fein wie möglich.

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15. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurchge kennzeichnet, daß die Dampfleitung gekrümmt ist und so das Ausfließen von DampfSpritzern verhindert, die beim Sieden im Tiegel auftreten.

16, Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet , daß die Einheit zum Ionisieren der Cluster einen Elektronen emittierenden Glühfaden oder eine Kathode und eine dieser gegenüberliegende Anode aufweist.

17. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode spiralförmig um den Glühfaden verläuft, um bei Stromfluß durch die Anode ein Magnetfeld aufzubauen.

18. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet , daß das Magnetfeld in bezug auf ein zwischen ■ der Kathode und der Anode gebildetes elektrisches Feld orthogonal verläuft.

19, Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet , daß die Kathode und die Anode im Tiegelinneren angeordnet sind.

20, Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennz ei chnet , daß der Tiegel aus einem auf Hochfrequenzenergie nicht ansprechenden Werkstoff mit hohem Schmelzpunkt besteht.

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FEG 3535 - 35 -

21. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Blende vor dem Schichtträger zur Bildung einer Aufdampfschicht gewünschter Konfiguration,

22. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Hochvakuumbereich zwischen 10 und 10" Torr gehalten wird, während der Dampfdruck des Werkstoffs im Tiegel gleich oder höher als ca. 10 Torr ist.

23. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Beschleunigungsspannung im Bereich zwischen einigen hundert V und einigen kV gewählt ist.

24. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtträger Metall, ein Nichtleiter oder ein Halbleiter ist.

25. Schichtaufdampf verfahren,
gekennzeichnet durch Einbringen von aufzudampfendem Werkstoff in einen Tiegel, der unter einem Gasdruck von weniger als 10 Torr angeordnet ist; Aufheizen des Tiegels und Verdampfen des Werkstoffs derart, daß der Dampfdruck im Tiegel mehr als zehnmal höher als derjenige des Hochvakuumbereichs wird, so daß aufgrund des Ausstoßens des Dampfs in den Hochvakuumbereich aus einer Düse des Tiegels durch adiabatische Expansion Atomcluster gebildet werden; Bestrahlen der Cluster mit einem Elektronenstrahl zur Bildung von Clusterionen; und

Beschleunigen der Clusterionen zu einem Schichtträger zur Bildung einer Ai'fäar.pf schicht*

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26, Verfahren nach Anspruch 25, gekennzeichnet durch Zuführen einer Hochspannung an eine im Hochvakuumbereich angeordnete Ionenbeschleunigungselektrode sum !Fokussieren und Beschleunigen von Elektronen, die von einem in ihr oder von ihr unabhängig angeordneten Glühfaden emittiert v/erden, wobei die durch Bestrahlen mit den so fokussierten und beschleunigten Elektronen gebildeten Clusterionen entgegengesetzt zur Flugrichtung der Elektronen beschleunigt v/erden.

27. Aufdampfschicht, hergestellt mit dem Verfahren nach Anspruch 25.

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