DE2711714B2

DE2711714B2 - Vakuumaufdampfvorrichtung zur Herstellung von Schichten aus mehreren Komponenten

Info

Publication number: DE2711714B2
Application number: DE2711714A
Authority: DE
Inventors: Tokio Hachioji; Tadaaki Koganei Hirai; Kiyohisa Inao; Sachio Tokio Ishioka; Eiichi Kodaira Maruyama; Hideaki Yamamoto
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1976-03-19
Filing date: 1977-03-17
Publication date: 1980-01-31
Also published as: NL173542C; JPS52113379A; DE2711714A1; FR2344643A1; GB1532183A; US4121537A; JPS5527624B2; NL7702869A; NL173542B; FR2344643B1

Description

Eine Vakuumdampfvorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung ist aus der Deutschen Offenlegungsschrift 1910332 bekannt. Bei dieser Vorrichtung wird ein Substrat an einem drehbaren Arm befestigt und über einem Abdampfschiffchen angeordnet. Ein ebenfalls an dem drehbaren Arm in der Nähe des Substrats angebrachter Sender dient zur Dickenmessung der auf dem Substrat entstehenden Schicht. Zeigt die Schichtdickenfvicßeinrichiung an, daß die aus der Verdampfungsquelle auf dem Substrat aufgedampfte Schicht die gewünschte Dicke erreicht hat, so kann der drehbare Arm von Hand in eine neue Position verschwenkt werden, in der sich das Substrat über einem weiteren Abdampfschiffchen befindet, das die Substanz für die nächste aufzudampfende Schicht enthält. Bei der bekannten Vorrichtung werden also einzelne Schichten nacheinander auf einem Substrat aufgedampft, wobei die Steuerung der einzelnen Schichtdicken durch eine Bedienungsperson erfolgt, die eine Schichtdicken-Anzeige abliest und durch Verschwenken des Dreharms das Substrat jeweils dem nächsten Abdampfschiffchen gegenüberstellt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf einem Substrat aus mehreren Substanzen eine quasihomogene Schicht aufzudampfen, bei der sich das Komponentenverhältnis in Richtung der Schichtdicke mit hoher Genauigkeit entsprt -Jv;nd einem gewünschten Profil steuern läßt. Anwendungszweck und Vorteile einer derartigen Schicht sind beispielsweise in der Deutschen Offenlegungsschrift 2316 669 erläutert.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung dieser Aufgabe nach dem Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 wird das bzw. jedes an dem Drehtisch angeordnete Substrat zyklisch den verschiedenen Substanzen immer wieder ausgesetzt, wobei durch Messung jeder Einzellage der Bedampfungsvorgang für jede einzelne Substanz gesteuert wird. Durch Abtastung des Ausgangssignals der Schichtdicken-Meßeinrichtung synchron mit der Rotation des Drehtisches und an vorgegebenen Punkten innerhalb jeder Umdrehung kommt die Erfindung grundsätzlich mit einer einzigen Meßeinrichtung aus, um den Bedampfungsvorgang für sämtliche an dem Drehtisch montierten Substrate und für sämltiche Abdampfschiffchen zu steuern. Dabei ist die Meßeinrichtung an dem Drehtisch an exakt der gleichen Stelle wie die einzelnen Substrate angebracht, so daß die Meßeinrichtung (unter der Voraussetzung, daß die Drehgeschwindigkeit des Drehtisches groß ist gegen die Geschwindigkeit, mit der die Bedampf ungssteuerung geändert wird) ebenso bedampft wird wie sämtliche Substrate. Die erfindungsgemäße Vorrichtung gestattet somit die Erzeugung einer eigenartigen, aus vielen sehr dünnen Einzellagen zusammengesetzten Schicht jeweils genau steuerbarer

Dicke, so daß die Gesamtschicht ähnliche Eigenschaften wie eine homogene Schicht hat, jedoch in Dickenrichtung ein beliebig steuerbares Zusammensetzungsprofil aufweisen kann. Die zur Erzeugung einer derartigen Schicht vorgesehene Vorrichtung kommt gleichzeitig mit geringem apparativem Aufwand aus.

Aus der Deutschen Auslegeschrift 1282410 ist zwar eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung und Steuerung der Abscheidung dünner durch Vakuumverdampfur.g erzeugter Mischschichten bekannt, doch werden dort jeweils sämtliche Substanzen gleichzeitig auf ein Substrat aufgedampft. Würde man mit dieser Vorrichtung gleichzeitig mehrere Substrate bedampfen, so hätten diese von den einzelnen Abdampfschiffchen unterschiedliche Abstände, so daß auf jedem Substrat eine Schicht mit einem etwas anderen Mischungsverhältnis entstehen würde. Außerdem ist zur Messung der von jedem Abdampfschiffchen abgegebenen Substanzmenge eine eigene Meß- und Steuervorrichtung erforderlich.

Aus der Deutschen Offenlegungsschrift 2412729 ist ferner eine Vorrichtung bekannt, bei der eine Schichtdickenmessung unmittelbar an e.nem von mehreren gleichzeitig bedampften Substraten erfolgt. Gemessen wird dort jedoch auf optischem Wege, was nicht in allen Fällen brauchbar ist. Ferner arbeitet diese Vorrichtung nur mit einem einzigen Abdampfschiffchen. Auch werden die Substrate nicht nacheinander in der gleichen Stellung an dem Abdampfschiffchen vorbeigeführt, so daß durch die Messung eines einzigen Substrats nicht sichergestellt ist, daß auch auf den anderen Substraten die gleiche Bedampfung erfolgt, was wegen der unterschiedlichen relativen Anordnung zwischen den einzelnen Substraten und dem Abdampfschiffchen auch tatsächlich kaum der Fall sein dürfte.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt

Fig. la une Prinzipdarstellung einer Au'dampfvorrichtung,

Fig. Ib eine Draufsicht auf einen in d^r Vorrichtung nach Fig. la benutzten Drehtisch,

Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung eines bei der Vorrichtung nach Fig. la angewandten Unterteilungsverfchrens für die Zeitfolge,

Fig. J ein prinzipielles Blockschaltbild einer im Rahmen der Erfindung benutzten Steuereinrichtung, und

Fi g. 4 einen Teilschritt durch die Vorrichtung nach Fig. Ib entlang der Linie IV-IV.

Fig. li. zeigt eine prinzipielle Darstellung einer Vakuuinaufdampfvorrichtung. Die Vorrichtung weist ein Unterteil 1 sowie eine glockenförmige Haube 2 auf, die zusammen eine Vakuumkammer bilden. Die Kammer ist über ein Ventil 3 mit einer Vakuumpumpe 4 verbunden. Zu bedampfende Substrate S sind auf einem Drehtisch 6 angeordnet, der über eine drehbare Welle 7 von einem Antriebsmotor 8 gedreht wird. Bei Drehung des Drehtische 6 werden die darauf angeordneten, zu bedampfenden Substrate 5 über Abdampfschiffchen 9 und 10 hinwegbewegt, so daß sich die Dämpfe der Schiffchen zyklisch darauf niederschlagen können. Die Dämpfe der Abdampfschiffchen 9 und 10 werden bis auf Teile, die sich in speziellen Richtungen ausbreiten, von Schirmen 11 und 12 zurückgehalten. Auf di?se Weise kann die Verunrei-

nigung der Vakuumkammer 1, 2 verhindert werden. Die Menge der zum Drehtisch 6 gerichteten Dämpfe, die auf die Substrate 5 pro Zeiteinheit niedsrgeschiagen werden soll, kann durch Steuern der Öffnungsgröße von Schlitzen 13 und 14 in den Schirmen 11 bzw. 12 sowie durch von außen antreibbare Blenden 15 und 16 gesteuert werden. Zum Messen der auf die Substrate S aufgedampften Mengen ist eine Kristall-Schichtdicken-Meßeinrichtung 1.7 in gleicher Stellung wie die Substrate 5 auf dem Drehtisch 6 angeordnet. Auf diese Weise kann über eine durch die Welle 7 tretende Leitung die Dicke der aufgedampften Schicht von außen gemessen werden. Das Signal der Schichtdicken-Meßeinrichtung 17 wird einer Steuereinrichtung 18 zugeführt. In der Steuereinrichtung 18 wird überprüft, ob ein momentan durchgeführtes Aufdampfprogramm mit der tatsächlichen Schichtdikken-Information übereinstimmt. Das Ergebnis der Überprüfung wird in eine Steuerinformation umgewandelt, mit deren Hilfe Energiequellen 19 und 20 der Abdampfschiffchen 9 bzw. 10 · ;jwie Blendenantricbe 21 und 22 gesteuert werden. Auf diese Weise können die von den einzelnen Abdampfschiffchen auf den Substraten 5 aufgedampften Mengen gesteuert werden. In Fig. Ib ist eine Draufsicht auf den Drehtisch 6 dargestellt, die den örtlichen Zusammenhang zwischen den zu bedampfenden Substraten 5 und der Schichtdicken-Meßeinrichtung 17 zeigt. In der Figur ist mit 30 ein Vorsprung bezeichnet, der als Markierungspunkt der Drehung dient.

Fig. 2 zeigt die Dickenänderung des mit Hilfe der Drehaufdampfvorrichtung aufgebrachten Mehr-' schichtfilms in Abhängigkeit von der Zeit. Es soll angenommen werden, daß von den Abdampfschiffchen 9 und 10 gleichzeitig die Substanzen A und B abgedampft werden, wenn sich der Drehtisch 6 mit gleichbleibender Drehzahl dreht. Die Dicke des auf das Substrat 5 aufgebrachten Films ändert sich damit entsprechend Fig. 2. Wenn sich das Substrat S über dem Abdampfschiffchen 9 befindet, so nimmt die Filmdicke durch Aufdampfen der Substanz zu; wenn es .'Ich über dem Abdampfschiffchen 10 befindet, so wird die Filmdicke durch Aufdampfen der Substanz B erhöht. Befindet sich das Substrat 5 über keinem der beiden Abdampfschiffchen, so bleibt die Filmdicke konstant. Werden, wie im vorliegenden Beispiel, zwei Sorten von Abdampfschiffchen benutzt, so erhält man durch das zyklische Aufbringen der beiden Schichtsorten einen Mehrschichtfilm der Art A, B, A, B... Die Dicke der von den einzelnen Abdampfschiffchen während jeder Drehung des Drehtischs 6 abgeschiedenen Schichten kann nach Fig. 2 durch Teilen der über die einzige Schichtdicken-Meßeinrichtung 17 erhaltenen, zeitlich aufeinanderfolgenden Filmdicke-Information ermittelt werden. Beispielsweise können zu den Zeitpunkten Z₁, I₁, i,... die Meßwerte T(I₁), T(t,), T(I₃)... ermittelt worden sein. Die einzelnen Schichtdicken werden dann wie folgt gemessen:

T(I₁)- T(J₁) =/I₁; dies entspricht der Dicke der ersten Schicht de; Substanz A.

T(/,)~ T(I₂)= B₁; dies entspricht der Dicke der ersten Schicht der Substanz B.

T(I₄) - T(I₃) = A₁; dies entspricht der Dicke der zweiten Schicht der Substanz A.

T(If) - T(I,) = B₁; dies entspricht der Dicke der zweiten Schicht df.r Substanz B, und so weiter...

Dementsprechend kann die gesamte Schichtdicke und die AufdamDfEeschwindiRkeit ebenfalls ermittelt

werden. A = A₁ + A₁ + ... gibt die gesamte Schichtdicke der Substanz A allein an, während B = B₁ + B₂ + ... die gesamte Schichtdicke der Substanz B allein angibt. Die Aufdampfgeschwindigkeit der Substanz A um den Zeitpunkt /, herum ist A₁/ (/₂ — /,), während B₁Z(I₃-I₂) die Aufdampfgeschwindigkeit der Substanz B um den Zeitpunkt I₂ herum bezeichnet. Der Einfachheit halber wurden bei den vorstehenden Erläuterungen lediglich zwei Abdampfschiffchen erwähnt. Mit Hilfe der Erfindung läßt sich aber grundsätzlich auch von einer großen Anzahl Abdampfschiffchen gleichzeitig aufdampfen, wenn die Schiffchen entlang dem Umfang des Drehtischs angeordnet sind. Weiterhin wurde lediglich eine einzige Kristall-Schichtdicken-Meßeinrichtung 17 erläutert. Eine weitere Kiistall-Schichtdicken-Meßeinrichtung 31 kann zwischen den Abdampfschiffchen 9 und 10 und den Blenden 15 und 16 in der Weise am

nicht gesteuerten Dampfströme ständig gemessen werden. Auf diese Weise können die von den einzelnen Abdampfschiffchen abgegebenen Dampfmengen auf ähnliche Weise wie vorstehend beschrieben unabhängig von der Stellung der Blenden überwacht werden. Alternativ können die Abdampfmengen dadurch konstant gehalten werden, daß den einzelnen Abdampfschiffchen feststehende Schichtdicken-Meßeinrichtungen 32 bzw. 33 zugeordnet sind. Die Meßeinrichtungen sind in der Vakuumkammer angeordnet und ermöglichen die Steuerung der Ströme der Abdampfschiffchen bei kontinuierlicher Überwachung der Aufdampfgeschwindigkeit unabhängig von der Drehung des Drehtischs 6.

Fig. 3 zeigt zur Erläuterung des Konstruktionsprinzipsein Beispiel eines Blockdiagramms der Steuereinrichtung 18. Die Schichtdicke wird als Änderung der Schwingfrequenz eines Quarzoszillators mittels eines Detektors 23 erfaßt. Der Detektor 23 mißt die Schichtdicke auf ein Signal eines Triggergenerators 24 hin. der die Zeitlage der Ermittlung, beispielsweise für den Zeitpunkt I₂ einen Anfangszeitpunkt r_2| und einen Endzeitpunkt t₂₂. synchron zur Drehung des Drehtischs 6 bestimmt. Mit 29 ist ein Detektor für den Markierungspunkt 30 bezeichnet. Die Schichtdikken-Information wird einem Rechner 25 zugeführt. der die Aufdampfmenge jedes Abdampfschiffchens berechnet. Die Aufdampfmenge wird mit einem aus einer Programmierstufe 26 zugeführten Programm verglichen und das Ergebnis wird einer Blendensteuerstufe 27 sowie einer Schiffchenstrom-Steuerstufe 28 zur Steuerung des öffnungswinkels der Blende bzw. zur Steuerung des Schiffchenstroms zugeführt.

Die Erfindung betrifft dem Grunde nach ein Verfahren zur Herstellung eines Mehrschichtfilms. Insbesondere bei der Herstellung eines dünnen Films, welcher mehrere Elemente mit unterschiedlichen Dampfdrücken bei willkürlichen Komponentenverhältnissen enthält, kann die Erfindung vorteilhaft angewandt werden. Sofern die Komponenten so gleichförmig wie möglich vermischt sein soHen, soll die Dicke jeder Schicht der einzelnen Komponenten vorzugsweise dünner als 10 nm sein. Ein aufgedampfter Film mit einer großen Anzahl dünner Schichten derartiger Dicke kann bei einer Gesamtdicke des Films von 1 μηι und mehr sowohl elektrisch als auch optisch oic 2!<**cr*förrni2ss !^atsria! ar^esehen werden.

Nachfolgend soll die Anwendung der vorliegenden Vakuumaufdampfvorrichtung erläutert werden.

Beispiel i

Es wurde ein dünner Film aus 90 Atom-% Se und 10 Atom-% As hergestellt. Als Abdampfschiffchen S -, nach Fig. la wurde ein mit Se gefülltes Tantalschiffchen benutzt, als Abdampfschiffchen 10 wurde ein mil As gefülltes Tantalschiffchen verwendet. Die Vakuumkammer 1, 2 wurde auf einen Druck von 1 X 10"' Torr evakuiert. Der Drehtisch 6 wurde mit einei

in Drehzahl von 100 U/min gedreht. Die Schiffchen 9 und 10 wurden mit Strom beaufschlagt und die Blenden 15 und 16 wurden, nachdem die Verdampfung mit im wesentlichen konstanter Geschwindigkeit begonnen hatte, zum Freigeben der Ablagerung geöff-

i-, net. Auf der Grundlage der aus dem Signal der Schichtdicken-Meßeinrichtung abgetrennten Aufdampfgeschwindigkeits-Information steuerte die Steuereinrichtung 18 den öffnungswinkel der Blenden 15 und 16 derart, daß das Gewichtsverhältnis de«

:ii aufgedampften Se zum aufgedampften As einem Atomverhältnis von 9:1 entsprach. Sofern die Aufdampfmengen nicht innerhalb des Steuerbereichs der Blenden gesteuert werden können, werden zusätzlich die Ströme der Abdampfschiffchen gesteuert. Aul

j-, diese Weise wurden Schichten aufgedampft, von denen jede Schicht der einzelnen Elemente etwa 1 nm dick war und die zyklisch aufgebracht wurden, bis ein Film dflr gewünschten Dicke vorlag.

Beispiel 2

Es wurde ein dünner Film mit einer Gesamtdicke von 4 μπι hergestellt, bei dem Se, As und Te in Richtung der Filmdicke ein spezielles Zusammensetzungsprofil hatten. Drei Tantalschiffchen wurden mit Se

r> As₂Se, bzw. Te gefüllt und in die Aufdampfvorrichtung eingebracht. An den einzelnen Schiffchen wurden Schichtdicke-Meßeinrichtungen angebracht unt es wurden die Schiffchenströme so gesteuert, daß die einzelnen Komponenten mit vorbestimmten Ge-

ji' schwindigkeiten von den Schiffchen während de« Aufdampfbetriebs abgedampft wurden. Wie in Beispiel 1 wurde der Drehtisch mit einer Drehzahl vor 100 U/min gedreht und die von den Blenden und der Schlitzen bestimmten Öffnungsgrößen wurden derari programmgesteuert, daß die von den einzelnen Komponenten aufgedampften Mengen das gewünschte Zusammensetzungsprofil ergaben. Die von den einzelnen Schiffchen auch tatsächlich aufgedampfter Mengen wurden dadurch ermittelt, daß ein Signal dei

,ο am Drehtisch befestigten Schichtdicken-Meßeinrichtung zeitlich aufeinanderfolgend geteilt und ir dem Rechner umgerechnet wurde. Die auf diese Weise er haltenen Werte wurden zur Kompensation der öffnungswinkel der Blenden mit einem Programm verglichen. Die Aufdampfmengen wurden in der Weis« gesteuert, daß die Dicke der Einzelschichten jedei Komponente 5 nm oder weniger betrug. Der Aufdampfbetrieb wurde abgeschlossen, als die Gesamtdicke 4 μίτι erreicht hatte.

Wie die vorstehenden Beispiele zeigen, kann mil Hilfe der Erfindung ein dünner Film auf einer Vielzahl Elemente mit unterschiedlichen Dampfdrücken be beliebigen und genau gesteuerten Zusammensetzungsprofilen innerhalb des dünnen Films hergestellt werden. Wenn die Dicke der Einzelschichten jedes der Abdampfschiffchen, wie vorstehend erläuten wurde, kleiner als 10 nm ist, so kann der auf diese Weise erhaltene dünne Film einem Film gleichgesetzt

werden, der aus einem Material besteht, dessen Komponenten im wesentlichen gleichförmig vermischt sind. Wenn die Dicke der F.inzelschichten größer als einige K) nm ist, so entspricht der Aufbau des dünnen Films einem aufgedampften Mehrschichtfilm aus Substanzen mit unterschiedlichen Eigenschaften, wie sie beispielsweise in einem Interferenzfilter gefordert Wi'.den. Der durch ein derartiges Verfahren hergestellte dünne Film ist in Abhängigkeit von den verwendeten Bestandteilen vielseitig anwendbar, beispielsweise als Aufnahmeelektmde einer Bildaufnahmeröhre, als Lichtempfänger etwa in einem Festkörperfühler und als optischer Bestandteil etwa in einem Interferenzfilter. Die erfindungsgemäßc Vorrichtung ermöglicht bei guter Reproduzierbarkeit außerordentlich gleichförmige Filme.

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Claims

Patentansprüche:

1. Vakuumauf dämpfvorrichtung zur Herstellung von Schichten aus mehreren Komponenten auf Substraten, mit mehreren in einer Vakuumkammer angeordneten, jeweils eine Substanz für die betreffende Schichtkomponente enthaltenden und mit Heizeinrichtungen versehenen Abdampfschiffchen, einem Drehtisch, der die zu bedampfenden Substrate trägt und den Abdampfschiffchen nacheinander zuführt, sowie mit einer ebenfalls an dem Drehtisch in einer den Substraten entsprechenden Stellung angeordneten Schichtdicken-Meßeinrichtung zur Ermittlung der auf '"> den Substraten aufgedampften Substanzmengen, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehtisch (6) durch ständige Rotation jedes Substrat (5) zyklisch wiederholt an jedem Abdampfschiffchen (9, 10) vorbeführt, daß die Meßeinrichtung aus einem J<> einzigen Msßgerät (7) besteht, das an dem Drehtisch (6) an der gleichen Steiie wie die Substrate (5) angeordnet ist, und daß eine Steuereinrichtung (18) zur Ermittlung der Aufdampfrate und/oder der Gesamtschichtdicke jeder Substanz das Signal -^v> des Meßgeräts (17) zeitlich entsprechend dem Vorbeiführen an den einzelnen Abdampfschiffchen (9, 10) abtastet und die auf die Substrate auftreffenden Dampfmengen der einzelnen Substanzen durch Vergleich der ermittelten Werte mit «> den entsprechenden Werten eines vorgegebenen Aufdampfp.:ogramms steuert.

2. Aufdampfvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dab zwischen den Abdampfschiffchen (9, 10) und Hen Substraten (5) >"> mit den öffnungen, insbesonuere Schlitzen (13, 14) versehene Schirme (11, 12) sowie Blenden (15,16) angeordnet sind, und daß die Steuereinrichtung (18) zur Steuerung der von den einzelnen Abdampfschiffchen (9, 10) auf die Substrate (S) w aufgedampften Dampfmengen die Größe der durch die Schirme (11,12) und Blenden (15, 16) bestimmten Offnungen steuert.

3. Aufdampfvorrichtung nach Anspruch 1 oder

2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrich- ■»-> tung (18) zur Steuerung der von jedem der Abdampfschiffchen (9,10) auf die Substrate (5) aufgedampften Dampfmenge die Heizeinrichtungen (19, 20, 28) der Abdampfschiffchen (9, 10) steuert. ΊΟ

4. Aufdampfvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der Abdampfschiffchen (9,10) eine Dampfstrom-Meßeinheit (32, 33) zugeordnet ist, die die vom zugeordneten Abdampfschiffchen (9,10) ab- v> gegebene Dampfmenge unmittelbar erfaßt, und daß mittels der auf die Heizeinrichtungen (19, 20, 28) der Abdampfschiffchen (9,10) rückgekoppelten Signale der Dampfstrom-Meßeinrichturigen (32,33) die Abdampfmengen der Abdampfschiff- mi chen (9, 10) konstant gehalten werden.

5. Auf dampf vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Dampfstrom-Meßeinrichtung (31) zwischen den Abdampfschiffchen (9,10) und den μ Blenden (15, 16) derart am Drehtisch (6) angebracht ist, daß sie die Abdampfmengen der Abdampfschiffchen (9, 10) direkt erfaßt, und daß mittels der auf die Heizeinrichtungen (19, 20, 28) der Abdampfschiffchen (9, 10) rückgekoppelten Signale dieser Dampfstrom-Meßeinrichtung (31) bzw. Meßeinrichtungen die Abdampfmengen der Abdampfschiffchen (9, 10) konstant gehalten werden.