DE2624005C2

DE2624005C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Aufbringen von dünnen Schichten auf ein Substrat nach dem "Ion-plating"-Verfahren.

Info

Publication number: DE2624005C2
Application number: DE19762624005
Authority: DE
Inventors: Reiner Ing.(grad.) 8000 München Sigusch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-05-28
Filing date: 1976-05-28
Publication date: 1982-04-08
Also published as: DE2624005A1

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen von dünnen Schichten auf ein Substrat nach dem »Ion-plating«-Verfahren, wie es im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher angegeben ist sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Als »Ion-plating« wird ein Verfahren zum Aufbringen von dünnen Schichten auf Substratoberflächen bezeichnet, bei dem das Niederschlagen einer Schicht unter gleichzeitigem Ionen-Beschuß der Substratoberfläche in einer Plasma-Entladung erfolgt (»Fournal Vac. Sei. Technol.«, Bd. 10, 1973, S.47-52 und »Elektronic Packagin and Production«, 1975, S. 39—45). Der Vorteil dieses Verfahrens besteht gegenüber den herkömmlichen Aufdampf- oder AufspuHer-Prozessen darin, daß die Substratoberfläche während des Beschichtens durch einen Ionen-Beschuß von Verunreinigungen freigehalten wird und daß das aufzubringende Material in der Plasma-Entladung teilweise ionisiert wird, was die Ausbildung einer auch an Kanten und Stufen der Substratoberfläche gleichmäßig dicken Schicht und eine hohe Haftfestigkeit begünstigt.

Aus der DD-PS 1 15 364 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ionenplattieren bekannt, bei dem der Trägergasdruck auf einen Druck von IO-⁴ bis 10-· Torr eingestellt wird. Um eine gleichmäßige Beschichtung zu erhalten, wird ein Magnetfeld angelegt, indem am Substrat ein Dauermagnet angeordnet ist.

Üblicherweise wird das Material der Schicht, dje abgeschieden werden soll, durch Erhitzen aus einem Tiegel in den Dampfzustand überführt und so in die Plasma-Entladung gebracht. Das Erhitzen des in dem Tiegel befindlichen Materials kann dabei sowohl durch eine Widerstandsheizung oder eine Mikrowellenheizung des gesamten Tiegels erfolgen oder auch, wie aus der DD-PS 1 17 489 bekannt ist durch ein Magnetron. Bei dem dort beschriebenen Beschichtungsprozeß soll mit einer hohen Ionenstromdichte eine hohe Beschichtungsrate erzielt werden. Dabei wird ein Magnetron eingesetzt, welches bewirkt, daß der Bereich des magnetischen Glimmlichts der Entladung, der unmittelbar an die Oberfläche des Beschichtungsmaterials angrenzt, Quelle eines starken Ionenstroms mit Stromstärken im Bereich von 10~² bis 1 A/cm² und einar entsprechend hohen Wärmestrahlung auf der Oberfläche ist Unter der Einwirkung dieses Ionenstroms und der Wärmestrahlung erhitzt sich die Oberfläche und wird beim Erreichen einer bestimmten Temperatur Quelle eines Dampfteilchenstromes, der sich in Richtung Substrat ausbreitet Der Druck im Reaktionsraum liegt bei IO-³ Torr.

Eine weitere Möglichkeit, das Material der Schicht, die abgeschieden werden soll, in den Dampfzustand zu überführen, ist bekanntlich ein Elektronenstrahlverdampfer, bei dem nur ein kleiner Bereich des im Tiegel vorhandenen Materials erhitzt und verdampft wird. Die Verdampfung des aufzubringenden Materials mit einem Elektronenstrahlverdampfer ist vorzuziehen, da bei ihm — im Gegensatz zu den anderen Verdampfungsmethoden — nur ein nahezu punktförmiges Gebiet des im Tiegel vorhandenen Materials erhitzt und verdampft wird. Als Tiegel wird dazu meist ein mit einer Wasserkühlung versehener Kupfertiegel verwendet Hierbei kann keine Reaktion zwischen dem zu verdampfenden Material und dem Material des Tiegels auftreten, wodurch eine Verunreinigung der aufzubringenden Schicht vermieden wird. Die Verwendung eines Elektronenstrahlverdampfers in den üblichen Anlagen für das »Ion-plating«-Verfahren führt jedoch zu einem erhöhten apparativen Aufwand, da das Gefäß, in dem die Beschichtung mit dem »Ion-plating«-Verfahren erfolgt, einen Gasdruck von etwa 10~²Torr benötigt, damit eine Plasma-Entladung aufrechterhallen werden kann; ein solcher Druck ist jedoch zum Betrieb einer Elektronenkanone zu hoch, so daß bei Verwendung eines Elektronenstrahlverdampfers die Elektronenkanone in einer separaten Druckkammer untergebracht werden muß, die mit einem eigenen Vakuum-Pumpstand auf einem Druck von weniger als 10-⁵Torr gehalten wird und die durch eine Druckdrossel von dem Beschichtungsgefäß getrennt ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Aufbringen von dünnen Schichten auf ein Substrat nach dem »Ion-plating-Verfahren« der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß sich der Gasdruck im Beschichtungsgefäß auf einen zum Betrieb der Elektronenkanone des Elektronenstrahlverdampfers notwendigen Wert absenken und somit die Elektronenkanone in dem Beschichtungsgefäß einbauen läßt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Dadurch wird vorteilhafterweise eine zusätzliche Ionisierung der im Raum zwischen Vorratstiegel und Substratoberfläche befindlichen Gas- und Dampfteilchen mittels eines hochfrequenten elektrischen Feldes erzielt, die es ermöglicht, die zur Durchführung des »Ion-plating«-Verfahrens notwendige Gasentladung im Beschichtungsgefäß auch bei kleineren Drücken um 10~⁵Torr aufrechtzuerhalten. Da bei einem solchen Druck bereits der für den Betrieb eines Elektronenstrahlverdampfers notwendige Wert erreicht ist, ist es auf diese Weise möglich, den gesamten Elektronenstrahlverdampfer mit seiner Elektronenkanone in dem Beschichtungsgefäß unterzubringen und auf diese Weise den sonst notwendigen getrennten Pumpstand

für den Elektronenstrahlverdampfer einzusparen.

Das Hochfrequenzfeld kann sowohl kapazitiv wie auch induktiv mit Hilfe einer Spule oder auch mit Hilfe eines mit einer Durchtrittsöffnung für die Dampfteilchen versehenen Hohlraumresonators erzielt werden.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der in der Figur dargestellten und zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens geeignete Vorrichtung näher erläutert

In einem evakuierbaren Gefäß 1, das über eine Vakuum-Lenung 2 mit einem in der Figur nicht dargestellten Pumpstand verbunden ist, befindet sich ein wassergekühlter Tiegel 3, in dem sich das Material 4 befindet, mit dem das Substrat beschichtet werden soll. Das Substrat 5 ist an einem Substrathalter 6 befestigt, der in einem Isolator einer Stromdurchführung 7 sitzt und mit einer Hochspannungsquelle 8 verbunden ist. Weiterhin befindet sich im Innern des Gefäßes eine Elektronenkanone 9, aus der ein Elektronenstrahl 10 austritt, der in einer Ablenkeinheit 11 auf das Material 4 gelenkt wird. Die Ablenkeinheit 11 kann ein Ablenkkondensator oder auch ein Elektromagnet sein. Tiegel 3 und Elektronenkanone 9 können auch eine Einheit bilden.

Der Tiegel 3 ist — gegebenenfalls über eine Stromdurchführung 12 — mit dem positiven Pol der Spannungsquelle 8 verbunden; er kann auch geerdet sein.

Zum Betrieb wird das Gefäß über den Vakuum-Anschluß 2 auf einen Druck von etwa 10-⁵Torr ausgepumpt Sodann wird die Elektronenkanone 9 in Betrieb gesetzt und mittels des Elektronenstrahles 10 das Material 4 in dem Tiegel 3 erhitzt Wird die

ίο Hochspannungsquelle 8 eingeschaltet so brennt im Innern des Gefäßes 1 eine Gasentladung, deren Ausdehnung durch die gestrichelte Linie 13 angedeutet ist Das aus dem Tiegel 3 verdampfte Material 4 wird in dem Raum zwischen Tiegel und Substrat in der Gasentladung ionisiert so daß auf das Substrat ionen 14 des Materials 4 auftreffen. Damit bei den kleinen Drucken von 10~⁵ Torr sich die Gasentladung ausbilden kann, ist als zusätzliche Vorrichtung 15 zur Erzeugung von Ionen in dem Zwischenraum zwischen Tiegel 3 und dem Substrat 5 eine Hochfrequenzspule vorhanden, an die während des gesamten Beschichtungsprozesses eine Hochfrequenzspannungsquelle 16 gelegt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Aufbringen von dünnen Schichten auf ein Substrat nach dem »Ion-plating-Verfahren«, bei dem in einem auf IO-⁵ bis 10~⁶ Torr evakuierbaren Gefäß mit einem Elektronenstrahlverdampfer aus einem Vorratstiegel Material verdampft und auf dem Substrat niedergeschlagen wird und bei dem eine Hochspannung zwischen dem im Tiegel befindlichen Material und dem Substrat gelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Raum zwischen Vorratstiegel (3) und Substrat (5) Teilchen des verdampften Materials (4) mit Hilfe eines hochfrequenten elektrischen Feldes ionisiert werden.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem evakuierbaren Gefäß, mit einem Elektronenstrahlverdampfer, mit einem Vorratstiegel und mit Mitteln zum Anlegen einer Spannung zwischen dem im Vorratstiegel befindlichen Material und dem Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ionisierung der im Gebiet zwischen Vorratstiegel (3) und Substrat (5) befindlichen Teilchen des verdampften Materials (4) eine Hochfrequenzspule (15) oder ein Hohlraumresonator vorhanden ist, die/der an einer Hochfrequenzspannungsquelle angeschlossen ist.