DE2547552A1 - Schichtaufdampfeinrichtung und -verfahren - Google Patents
Schichtaufdampfeinrichtung und -verfahrenInfo
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Description
PATENTANWÄLTE
8000MÜNCHEN 71 (SoIIn)
Franz-Hals-Straße 21
Tel. (089) 796213/795431
Tel. (089) 796213/795431
HEC 3535 München, 22. Oktober 1975
sch
Sharp Kabushiki Kaisha
22-22 Nagaike-cho
Abeno-ku
Osaka (JAPAN)
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,
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
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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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 dpf.dPi ... dpf (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.....pf, q-...qf)
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)
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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25475S2
HEG 3535 - 12 -
Y-1
1 (8)
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
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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HRC 3535 - 15 -
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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HHC 3535 - 16 -
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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HEC 3535 - 17 -
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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HEC 3535 - 1.8 -
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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--T, 3535 - 19 -
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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HJiC 3535 - 20 - ^b* /552
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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HBC 3535 - 21 -
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
-6 -4
Unterdruck von 10 -10 Torr gehalten wird, wird der Dampfdruck
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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HEC 3535 - 22 -
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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HTC! '3535 ' "■ " - 24 -
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
-4 -2
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.
lTach 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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TTF)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 121f 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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HEC -3535 - 29 -
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:
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Claims (1)
- IiEC 3535 - 30 -Patentansprüche1J 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;609818/1025HEG 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; undeine 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.609818/1025HEC 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.609818/1025HEC-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.609818/10253535 - 34 -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.609818/1025FEG 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; undBeschleunigen der Clusterionen zu einem Schichtträger zur Bildung einer Ai'fäar.pf schicht*609818/1025HEC 3535 - 36 -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 25.609818/1025Leerseite
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
BGA | New person/name/address of the applicant | ||
8235 | Patent refused |