DE3441471A1 - Filmabscheidungsvorrichtung - Google Patents

Description

• Beschreibung
• Gegenstand der Erfindung ist eine Filmabscheidungsvorrichtung gemäß Oberbegriff des Hauptanspruchs. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Filmabscheidungsvorrichtung mit einer Vakuumkammer, in der ein das zu verdampf ende Material aufnehmender Tiegel enthalten ist, aus dem die Dämpfe des Materials über eine Düse in das Vakuum emittiert werden, welche dann in Form eines Films oder einer Schicht auf einem Substrat abgeschieden werden.
• Zur Verdeutlichung des Ausgangspunkts der Erfindung sei auf die Fig. 1 Bezug genommen, welche eine herkömmliche sogenannte Cluster- Ionenstrahl-Ab scheidung se inrichtung zeigt. In dieser Fig. 1 steht die Bezugsziffer 1 für einen Tiegel aus Graphit. An der Oberseite des Tiegels 1 ist eine feine öffnung 2 als Düse vorgesehen. In den Tiegel 1 ist festes Silicium 3 als zu verdampfendes Material enthalten, welches auf einem Substrat abgeschieden werden soll. Die Bezugsziffer 4 steht für einen Heizfaden (Heizeinrichtung), der so angeordnet ist, daß er den Tiegel umgibt und Elektronen auf den gesamten Tiegel emittiert, um diesen zu erhitzen und das Material zu verdampfen. Der Tiegel 1 und der Heizfaden 4 bilden eine Dampfquelle zur Emission von Dämpfen des Materials in das hochvakuum zur Erzeugung von Clustern 6, die aus einer Vielzahl von Atomen des zu verdampfenden Materials bestehen, die lose miteinander verbunden sind.
• Die Bezugsziffer 7 steht für einen Heizfaden (Ionisierungseinrichtung), der heiße Elektronen auf die Cluster 6 emittiert und diese ionisiert. Die Bezugsziffer 9 bezeichnet eine Spannungsversorgung (Beschleunigungseinrichtung auf der Grundlage eines elektrischen Feldes), mit der eine Spannung zwischen Tiegel 1 und Substrat 8 angelegt wird, um dazwischen ein elektrisches Feld zu erzeugen, welches die ionisierten Cluster beschleunigt und sie in Form eines dünnen Films auf dem Substrat 8 abscheidet. Sämtliche Einzelteile, nämlich der Tiegel 1, der Heizfaden 4, der Ionisierungs-Heizfaden 7 und das Substrat 8 sind in einer (nicht dargestellten) Vakuumkammer angeordnet, in der ein Vakuum in der Größenordnung von 1 x 10 Pa aufrechterhalten wird.
• Die oben beschriebene Filmabscheidungseinrichtung wird wie folgt betrieben: Zunächst wird der Tiegel 1, der das feste Silicium 3 enthält, mit Hilfe der von dem Heizfaden 4 emittierten hei-Ben Elektronen erhitzt. Aus dem in dem Tiegel 1 enthaltenen Silicium 3 dampfen Dämpfe 5 ab und werden über die öffnung 2 des Tiegels 1 in das Hochvakuum emittiert. Hier bilden die Siliciumdämpfe 5 Cluster 6, die aus einer Vielzahl von Siliciumatomen bestehen, die lose durch adiabatische Expansion miteinander verbunden sind. Diese Cluster 6 werden mit heißen Elektronen aus dem Heizfaden 7 bestrahlt, wodurch einige von ihnen ionisiert werden.
• Die ionisierten Cluster werden durch das mit Hilfe der Spannungsquelle 9 erzeugte elektrische Feld beschleunigt, so daß sie sich in Richtung auf das Substrat 8 bewegen, auf dem sie in Form eines dünnen Films abgeschieden werden. Gleichzeitig bewegen sich auch neutrale Cluster in Richtung auf das Substrat 8 zu und werden darauf abgeschieden, und zwar unter der Einwirkung der kinetischen Energie, mit der die Siliciumdämpfe aus dem Tiegel 1 austreten, so daß auch sie zur Bildung des dünnen Films oder der dünnen Schicht auf dem Substrat beitragen.
• Die herkömmlichen Einrichtungen dieser Art besitzen jedoch die folgenden technischen Nachteile: Es ist notwendig, den Tiegel 1 auf eine sehr hohe Temperatur zu erhitzen, um den Dampfdruck des Materials auf einen Wert oberhalb eines bestimmten Grenzwerts zu bringen. Insbesondere wenn Silicium als Material verwendet wird, muß die Temperatur des Tiegels 1 etwa 20000C betragen. In diesem Fall ergeben sich Konvektionsströmungen in der Siliciumschmelze, wodurch die gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb des Tiegels 1 eines vorbestimmten Fassungsvermögens gestört wird. Weiterhin ergeben sich stark unterschiedliche Temperaturverteilungen durch geringfügige lokale Verschiebungen des Heizfadens 4. Zur Erzielung des erforderlichen Dampfdrucks war es daher unvermeidbar, daß die Temperaturverteilung in dem Tiegel 1 eine höchste Temperatur von etwa 23000C und eine niedrigste Temperatur von etwa 17000C umfaßt, was bedeutet, daß in dem Tiegel 1 Temperaturunterschiede von etwa 600"C vorherrschen.
• Bei den herkömmlichen Einrichtungen dieser Art ergeben sich somit Bereiche mit außergewöhnlich hoher Temperatur in dem Tiegel 1, was zur Folge hat, daß das Graphit des Tiegelmaterials mit dem Silicium des zu verdampfenden Materials reagiert. Dies führt dazu, daß der abgeschiedene Siliciumfilm mit Kohlenstoff verunreinigt ist und sich durch die Reaktion von Silicium und Kohlenstoff SiC bildet, welches sich an den Wandbereichen des Graphittiegels mit niedriger Temperatur ansammelt, wodurch die Möglichkeit eröffnet wird, daß der Tiegel 1 aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen des Graphits einerseits und des SiC andererseits bricht. Die Fig. 2 verdeutlich den Sachverhalt, daß der Heizfaden 4 mit einer realtiv niedrigen Wicklungsdichte um den Tiegel 1 herum angeordnet ist. In diesem Fall hängt das Ausmaß der Temperatursteigerung in den unterschiedlichen Bereichen des Tiegels 1 in starkem Maße von dem Abstand zwischen dem betreffenden Bereich des Heizfadens 4 und des Tiegels 1 ab. Beispielsweise nimmt der Bereich c des Tiegels 1, der in der Nähe des Heizfadens 4 liegt, eine extrem hohe Temperatur an im Vergleich zu den Bereichen a und b, wo die Abstände etwas größer sind.
• Eine weitere herkömmliche Filmabscheidungsmethode wird in dem Artikel "Film Formation Technique by Ionized-Cluster Beam" von T. Takagi, I. Yamada und H. Takaoka (Surface Science, Vol. 106 (1981) 544) beschrieben. Bei der in dieser Veröffentlichung angegebenen Vorrichtung wird mit Hilfe eines Einfachtiegelsystems mit einer Vielzahl von Düsen ein Bandstrahl erzeugt, mit dem zur Beschichtung großer Substrate in technischem Maßstab ein breiter Dampf strahl gebildet wird.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Filmabscheidungsvorrichtung der eingangs angegebenen Gattung derart zu verbessern, daß es möglich wird, den Film in stabiler Weise und mit geringen Verunreinigungen abzuscheiden, und zwar in der Weise, daß der Tiegel längere Anwendungsdauern übersteht.
• Diese Aufgabe wird nun gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale der Filmabscheidungsvorrichtung gemäß Hauptanspruch. Die Unteransprüche betreffen besonders bevorzugte Ausführungsformen dieses Erfindungsgegenstandes.
• Die Erfindung betrifft somit eine Filmabscheidungsvorrichtung mit einer Vakuumkammer, einer Dampfquelle zur Erzeugung von Dämpfen des zu verdampfenden Materials in Form von Clustern aus einer Vielzahl von lose miteinander verbundenen Atomen des zu verdampfenden Materials, die einen in der Vakuumkammer angeordneten Tiegel zur Aufnahme des zu verdampfenden Materials, welches verdampft, über eine in dem Tiegel vorgesehene öffnung emittiert und auf einem Substrat abgeschieden wird, und eine Einrichtung zum Erhitzen des Tiegels und zur Erzeugung der Dämpfe des Materials aufweist; einer Einrichtung zur Ionisierung der aus der Dampfquelle austretenden Cluster;und einer Einrichtung zur Beschleunigung der ionisierten Cluster, die zusammen mit neutralen Clustern in Form eines Films auf dem Substrat abgeschieden werden, welches gekennzeichnet ist durch eine Einrichtung zum Anlegen eines Magnetfelds an den gesamten Tiegel zur Erzeugung einer gleichmäßigen Temperaturverteilung in dem Tiegel durch Konvektion des geschmolzenen Materials.
• Die Erfindung sei im folgenden näher unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Cluster-Ionen-Strahl-Abscheidungsvorrichtung; Fig. 2 eine schematische Darstellung, die die positionsmäßige Beziehung zwischen dem in der Fig. 1 dargestellten Tiegel und dem Heizfaden verdeutlicht; Fig. 3 eine schematische Darstellung, die ein wesentliches Teil der erfindungsgemäßen Filmabscheidungsvorrichtung verdeutlicht; und Fig. 4 eine schematische Darstellung, die den Betrieb der in der Fig. 3 dargestellten Vorrichtung erläutert.
• Die Fig. 3 zeigt den Tiegel und seine Umgebung, wie sie erfindungsgemäß in der beanspruchten Filmabscheidungsvorrichtung ausgebildet sind. Die Bezugsziffer 1 steht für einen Tiegel, der an der Oberseite eine Düse in Form einer öffnung 2 aufweist. Der Tiegel 1 enthält Silicium als zu verdampfendes Material. Die Bezugsziffer 4 steht für einen Heizfaden, der um den Tiegel 1 herum angeordnet ist und Elektronen auf den Tiegel 1 emittiert, so daß dieser auf eine Temperatur von etwa 20000C erhitzt wird, wodurch das Material verdampft. Weiterhin sind bei dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform der Tiegel 1 und der Heizfaden 4 von einem Zylinder 31 aus rostfreiem Stahl umgeben, welcher zur Erzeugung eines Magnetfelds dient. Dieser Zylinder 31 aus rostfreiem Stahl ist auf seiner Innenwand mit einer dünnen Molybdänschicht (nicht dargestellt) versehen, während um seine Außenwandung eine Kupferwicklung 32 herumgewickelt ist, die in dieser Weise den Elektromagneten vervollständigt.
• Mit Hilfe dieses Elektromagneten wird ein Magnetfeld erzeugt, welches auf den gesamten Tiegel einwirkt und welches Feld parallel zu der Richtung der Mittelachse des Tiegels 1 verläuft. Die anderen konstruktiven Merkmale mit Ausnahme des Tiegels 1 und seiner Umgebung sind bei dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform ebenso gestaltet wie in der Fig. 1 dargestellt.
• Mit Hilfe dieser erfindungsgemäßen konstruktiven Auslegung des Tiegels 1 und seiner Umgebung wird die gestörte Strömung 41 des geschmolzenen Siliciums 3, welche sich durch lokale Temperaturunterschiede in dem Tiegel 1 ergibt, durch das Magnetfeld von 1000 Oe in der Weise beeinflußt, wie es in der Fig. 4(a) dargestellt ist, so daß sich eine stabile Konvektionsströmung 42 ergibt, die im wesentlichen in vertikaler Richtung durch die Mitte des Tiegels 1 verläuft (siehe die Fig. 4(b)). In dieser Weise ergibt sich eine stabile Temperaturvertei- lung an der Oberfläche der Siliciumschmelze 3, so daß die gewünschten Dampfdrücke nicht nur in lokalen Bereichen der Siliciumschmelze 3 erreicht werden, sondern auch auf ihrer gesamten Oberfläche. Demzufolge ist es möglich, Bereiche mit relativ hoher Temperatur zu vermeiden und auch die Reaktion zwischen Silicium und Kohlenstoff auf ein Minimum zu bringen, so daß verhindert wird, daß Kohlenstoff in den abgeschiedenen Siliciumfilm eingemischt wird. Weiterhin wird in dieser Weise erreicht, daß der Tiegel 1 wesentlich längere Anwendungsdauern übersteht.
• Bei der oben beschriebenen Ausführungsform der Erfindung verläuft die Richtung des Magnetfelds parallel zu der Emissionsrichtung der Dämpfe; sie kann jedoch auch vertikal verlaufen, wobei sich ähnliche Effekte wie die oben beschriebenen einstellen.
• Erfindungsgemäß wird somit ein Magnetfeld an den erhitzten Tiegel angelegt, wodurch die Konvektionsströmung der Schmelze des zu verdampfenden Materials gesteuert wird, so daß eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Inneren des Tiegels erreicht wird. Dies führt dazu, daß die gewünschten Dampfdrücke erreicht werden können, ohne daß lokale Bereiche mit hohen Temperaturen auftreten.
• Weiterhin wird es in dieser Weise möglich, die Verunreinigung des abgeschiedenen Films mit Fremdmaterialien zu verhindern. Schließlich werden wesentlich größere Tiegelstandzeiten ermöglicht.

Claims (5)

1. Filmabscheidungsvorrichtung Priorität: 15. November 1983, Japan, Nr. Sho.58-216765 (P) Patentansprüche 1. Filmabscheidungsvorrichtung mit einer Vakuumkammer; einer Dampfquelle zur Erzeugung von Dämpfen des zu verdampf enden Materials in Form von Clustern aus einer Vielzahl von lose miteinander verbundenen Atomen des zu verdampfenden Materials, die einen in der Vakuumkammer angeordneten Tiegel zur Aufnahme des zu verdampfenden Materials, welches verdampft, über eine in dem Tiegel vorgesehene Offnung emittiert und auf einem Substrat abgeschieden wird, und eine Einrichtung zum Erhitzen des Tiegels und zur Erzeugung der Dämpfe des Materials aufweist; einer Einrichtung zur Ionisierung der aus der Dampfquelle austretenden Cluster; und einer Einrichtung zur Beschleunigung der ionisierten Cluster, die zusammen mit neutralen Clustern in Form eines Films auf dem Substrat abgeschieden werden, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (31, 32) zum Anlegen eines Magnetfelds an den gesamten Tiegel zur Erzeugung einer gleichmäßigen Temperaturverteilung in dem Tiegel durch Konvektion des geschmolzenen Materials.
2. 2. Filmabscheidungsvorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Heizeinrichtung ein Elektronen auf dem Tiegel emittierender Heizfaden ist.
3. 3. Filmabscheidungsvorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Einrichtung zum Anlegen des Magnetfelds ein Elektromagnet in Form eines Zylinders (31) aus rostfreiem Stahl ist, dessen Innenwandung mit einer dünnen Molybdänschicht versehen und auf dessen Außenwandung eine Kupferwicklung (32) aufgewickelt ist.
4. 4. Filmabscheidungsvorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Ionisiereinrichtung ein Heizfaden ist, mit dem die aus der Dampfquelle emittierten Cluster mit Elektronen bestrahlt werden.
5. 5. Filmabscheidungsvorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Beschleunigungseinrichtung eine Spannungsversorgung ist, mit der zwischen dem Tiegel und dem Substrat eine Spannung angelegt wird, die ein dazwischenliegendes elektrisches Feld erzeugt.