DE3502902C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ionenstrahl-Aufdampfvorrichtung, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Dünnschichten wurden bisher unter Verwendung von Ionenplatierungs-, Ionenstrahl-Aufdampf- oder Agglomerataufdampfverfahren hergestellt. Bei derartigen Aufdampfverfahren ist es vorgesehen, den Werkstoff, aus dem die Dünnschicht hergestellt werden soll, zu ionisieren und eine Beschleunigungsspannung an den ionisierten Werkstoff anzulegen oder den Aufladungseffekt des ionisierten Werkstoffs und auch das Anlegen einer Spannung dazu zu verwenden, um kinetische Energie zuzuführen und dabei die Kristallbildung und andere physikalische Eigenschaften der abgelagerten Schicht zu steuern.

Bei herkömmlichen Aufdampfverfahren ist es erforderlich, in der Nähe des Schmelztiegels eine Beschleunigungselektrode vorzusehen, die dazu dient, einen verdampften Werkstoff, der aus dem Schmelztiegel austritt und durch den Zusammenstoß mit einer Elektronenwolke ionisiert wird, zu beschleunigen.

Aus der DE-AS 25 47 552 ist eine Schichtaufdampfeinrichtung bekannt, bei der in einem Hochvakuum ein aufheizbarer Tiegel zum Verdampfen eines Werkstoffes, eine Elektronenstrahlquelle zum Ionisieren des verdampften Werkstoffs und eine Ionenbeschleunigungselektrodeneinheit zum Beschleunigen der gebildeten Ionen in Richtung zu einem Substrat vorgesehen sind.

Weiterhin ist aus der DE-AS 26 01 066 ein Plattierungsverfahren bekannt, bei dem ionisierte Cluster aufgedampft werden. Auch dort wird der Werkstoff erhitzt, ionisiert und mittels einer Beschleunigungselektrode zum Substrat beschleunigt.

Die DE-PS 26 04 690 offenbart eine Ionenbedampfungsvorrichtung, bei der ebenfalls der Werkstoff aufgeheizt, ionisiert und zum Substrat beschleunigt wird.

Ionenstrahl-Aufdampfverfahren werden unter Verwendung einer Vorrichtung durchgeführt, die in Fig. 1 gezeigt ist. Im einzelnen wird ein abzuscheidender Werkstoff 2 in einen Schmelztiegel 1 eingefüllt und dann wird der Schmelztiegel erhitzt. Das Erhitzen des Schmelztiegels 1 kann durch ein Strahlungsheizungsverfahren unter Verwendung der Strahlungshitze, die in einem Schmelztiegelheizdraht 3 erzeugt wird, einem Elektronenaufschlagverfahren unter Verwendung von Elektronen, die von dem Draht 3 durch Anlegen einer Spannung zwischen dem Draht 3 und dem Schmelztiegel 1 ausgestoßen werden oder durch ein Direktheizverfahren ausgeführt wird, bei dem elektrischer Strom unmittelbar durch die äußere Oberfläche des Schmelztiegels 1 fließt. Als Alternative hierzu kann die Heizung auch durch jede Kombination der oben erwähnten Heizverfahren ausgeführt werden. Das Erhitzen des Schmelztiegels 1 bewirkt, daß der Werkstoff sich in Dampf 4 verändert, der üblicherweise Mikroagglomerate enthält, die aus einigen Molekülen oder Atomen gebildet werden.

Dann kommt eine Elektronenwolke 5 mit dem Dampf 4 in Berührung oder prallt mit diesem zusammen, um einen Teil des Dampfes 4 zu ionisieren. Die Elektronenwolke wird durch die Zusammenarbeit eines Drahts 6 zum Aussenden von Ionisierungselektronen und einem netzartigen Gitter 7 zum Ablösen der Elektronen von dem Draht 6 gebildet. Um zu erreichen, daß die Elektronenwolke 5 wirksam in Richtung zu dem Dampf 4 gerichtet ist, wird der Draht 6 üblicherweise von einer Abschirmelektrode 8 umgeben, die dasselbe Potential aufweist, wie der Draht 6, und an das Gitter 7 wird eine in bezug auf den Draht 6 und die Abschirmelektrode 8 positive Spannung von 200 Volt bis 1 kV angelegt. Ein derartiger Aufbau wird für eine positive Ionisation von Atomen oder Molekülen verwendet. Der Draht 6, das Gitter 7 und die Abschirmelektrode 8 bilden eine Ionisationselektrodengruppe und das Zusammenprallen der Elektronenwolke 5 mit dem Dampf 4, der von dem Schmelztiegel 1 nach oben ausgestoßen wird, wird in einem Ionisierungsbereich 9 durchgeführt.

Die Teilchen des ionisierten Dampfs sind positiv geladen. Demgemäß ist es, um die ionisierten Teilchen zu beschleunigen und so kinetische Energie zuzuführen, erforderlich, eine Beschleunigungselektrode 10 vorzusehen, an der eine negative Beschleunigungsspannung von 0-10 kV anliegt.

Die Äquipotentiallinien 11 der angelegten Spannung sind, wie in Fig. 1 gezeigt, von oben betrachtet in einer konkaven Form innerhalb des Ionisationsbereichs 9 verteilt, und die ionisierten Teilchen werden allmählich beschleunigt, während auf sie eine Kraft einwirkt, die senkrecht zu den Äquipotentiallinien 11 gerichtet ist, so daß die ionisierten Teilchen um die Mittelachse konvergieren. Die Fig. 1 zeigt auch, daß die Äquipotentiallinien 11, die in dem oberen Gebiet des Ionisationsbereichs vorhanden sind, in konvexer Form verteilt sind und divergieren. Jedoch werden die Teilchen mit hoher Geschwindigkeit durch das Gebiet transportiert, da sie bereits beschleunigt wurden. Somit konvergieren die Äquipotentiallinien. Weiterhin bewirkt eine hohe negative Spannung oder eine zum Erzeugen einer Dünnschicht optimale Spannung, die entsprechend dem jeweiligen Anwendungsfall festgelegt wird, daß ein bestimmter Wert der Konvergenz bedeutend verändert wird.

Ein Teil der verdampften Teilchen, der in dem Ionisationsbereich 9 nicht ionisiert wurde, erreicht ein Substrat 12 für das Aufdampfen ohne beschleunigt und konvergiert zu werden.

Dies bewirkt, daß die ionisierten und beschleunigten Teilchen vorwiegend im zentralen Bereich des Substrats 12 verteilt sind und in den äußeren Bereichen weniger verteilt sind, was zur Folge hat, daß die auf dem Substrat abgelagerte Schicht ungleichmäßig ist.

Eine derartige Erscheinung tritt nicht nur bei dem Ionenaufdampfverfahren auf, bei dem eine Vorrichtung, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, und ionisierte Moleküle oder atomähnliche Teilchen verwendet werden, sondern auch bei Agglomerataufdampfverfahren auf, bei denen Agglomerate verwendet werden, die jeweils aus etwa 500-2000 lose miteinander verbundenen Atomen bestehen.

Die Agglomerataufdampfverfahren werden im folgenden in Verbindung mit einer Vorrichtung beschrieben, die in Fig. 2 gezeigt ist.

Die Agglomerataufdampfverfahren verwenden eine adiabatische Expansion bei dem Ausstoßen. Zu diesem Zweck wird ein aufzudampfender Werkstoff in einen Schmelztiegel 15 eingefüllt, der mit einer Einspritzdüse 14 versehen ist. Der Schmelztiegel 15 wird durch ein Verfahren aufgeheizt, wobei von einem Draht 17 ausgesandte Elektronen verwendet werden, um den Werkstoff 16 zu verdampfen. Als Alternative hierzu kann das Erhitzen des Schmelztiegels 15 durch ein Direktheizverfahren unter Verwendung eines hohen Stroms, der durch die Wand des Schmelztiegels 15 fließt, durch ein Heizverfahren mittels einer um den Schmelztiegel 15 angeordneten Heizung oder einer Kombination davon durchgeführt werden.

Wenn der Werkstoff 16, der in dem Schmelztiegel 15 verdampft wurde, um einen Dampf mit hohem Druck in der Größenordnung von 10^-2 oder einigen mbar zu bilden, von dem Schmelztiegel 15 mittels der Düse 16 in einen Bereich mit hohem Vakuum ausgestoßen wird, bildet er Agglomerate von Atomen, die jeweils aus 500-2000 Atomen bestehen oder Klumpen durch eine starke Abkühlung in Folge der adiabatischen Expansion und er wird in Form eines Agglomeratstrahls 18 in Richtung zum Substrat transportiert, wobei ihm die kinetische Energie im Augenblick des Ausstoßens von der Düse 14 zugeführt wird. Während des Ausstoßens wird durch die Zusammenarbeit eines Drahts 19 zum Aussenden von für die Ionisation der Agglomerate erforderlichen Elektronen und einer positiven Spannung von ungefähr 200 Volt-1 kV, die an einem netzartigen Gitter 20 zum Ablösen der Elektronen von dem Draht 19 anliegt, eine Elektronenwolke erzeugt, wie es auch in Fig. 1 der Fall ist. Die auf diese Weise erzeugte Elektronenwolke wird unter Verwendung einer Abschirmelektrode mit dem selben Potential wie der Draht 19 wirkungsvoll auf den Agglomeratstrom 18 gerichtet, um einen Teil der Agglomerate zu ionisieren. Diese Ionisation wird in einem Ionisationsbereich 22 ausgeführt. In Fig. 2 bezeichnen die Bezugszeichen 23, 24 und 25 eine Beschleunigungselektrode, einen Substratsträger, bzw. ein Substrat. Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung kann je nach Anwendungsfall mit einem Thermoelement 26, einer Heizung 27 zum Erhitzen des Substrats 25 und einer Blende 28 versehen werden.

In diesem Fall wird die Ionisation dieses Agglomerats im Hinblick auf wenigstens eines der 500-200 Atome durchgeführt, die das Agglomerat bilden. Um die ionisierten Agglomerate zu beschleunigen, wird durch eine Beschleunigungselektrode 23, die in den Ionisierungsbereich 22 hineinragt oder diesen durchdringt, ein elektrisches Feld erzeugt, um ein Sammellinsensystem zu erzeugen. Dies wird im wesentlichen in der gleichen Weise wie bei Fig. 1 erreicht. Die Folge davon ist, daß die ionisierten Agglomerate durch die Beschleunigungsspannung zur Mittelachse konvergiert oder fokussiert werden. Somit wird eine auf dem vom Substrathalter 24 getragenen Substrat 25 abgelagerte Schicht aus Agglomeraten, die in dem Ionisationsbereich 22 ionisiert werden und die der Konvergierungs- oder Fokussierungswirkung unterliegen und neutralen Agglomeraten gebildet, die nicht ionisiert sind und geradlinig zu dem Substrat 25 transportiert werden und die ungleichmäßig verteilt sind. Die Verteilung der ionisierten Agglomerate und der nicht-ionisierten Agglomerate ist unterschiedlich und die Beschleunigungsspannung wird in Abhängigkeit von dem jeweiligen Anwendungsfall verändert.

Fig. 3 zeigt Beispiele einer Computersimulation einer derartigen Erscheinung in der Vorrichtung nach Fig. 2. Die Computersimulation der Fig. 3 wurde unter Verwendung von Agglomeraten aus Silber erreicht, wobei der Teil zwischen dem Ionisationsbereich 22 und dem Substrat 25 in Fig. 2 vergrößert dargestellt ist.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung ist es erforderlich, zum Ablösen der Elektronen eine Spannung von 200 Volt-1 kV zwischen dem die Ionisationselektronen ablösenden Gitter 20 und dem die Ionisationselektronen aussendenden Draht 19 anzulegen. Im Hinblick darauf wurde in Fig. 3 die die Elektronen ablösende Spannung auf 500 Volt eingestellt, die an das die Ionisationselektronen ablösende Gitter 20, das dem Gitter 20 in Fig. 2 entspricht, anzulegende Spannung auf 0 Volt eingestellt und die an den die Ionisationselektronen aussendenden Draht 19, der dem Draht 19 in Fig. 2 entspricht, anzulegende Spannung auf -500 Volt eingestellt.

Fig. 3a zeigt die Spuren der ionisierten Agglomerate, die beim Anlegen einer Spannung von -3 kV an eine Beschleunigungselektrode 23 in Fig. 3, die der Elektrode 23 in Fig. 2 entspricht, erreicht werden, und Fig. 3b zeigt diese Spuren, wie sie beim Anlegen einer Spannung von -6 kV erreicht werden.

Wie aus den Fig. 3a und 3b ersichtlich ist, wird die Verteilung der ionisierten Agglomerate auf dem Substrat 25 in Abhängigkeit von der an die Beschleunigungselektrode 23 in Fig. 3 angelegten Spannung deutlich verändert.

Wie oben im Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben wurde, bewirkt die Durchdringung des elektrischen Felds der Beschleunigungsspannung durch den Ionisationsbereich 23 die Konvergenz der Agglomerate. Jedoch werden bei der in Fig. 3, insbesondere Fig. 3a, gezeigten Simulation die ionisierten Agglomerate nicht genügend konvergiert. Der Grund scheint folgender zu sein:

Ein Programm, das für die in Fig. 3 gezeigte Simulation verwendet wird, wurde unter Verwendung der neuesten und der höchstentwickelten Verfahren ausgearbeitet und ist äußerst verschieden von einem Simulationsprogramm, das nur im Hinblick auf die Divergenz und Konvergenz von Agglomeraten infolge des elektrischen Felds einer Beschleunigungsspannung ausgearbeitet wurde. Unter der Annahme, daß ein herkömmliches Programm verwendet wird, welches nur im Hinblick auf das elektrische Feld ausgearbeitet wurde, weisen die in den Fig. 3a und 3b gezeigten Simulationen Spuren von ionisierten Agglomeraten auf, wie sie in den Fig. 3c, 3d gezeigt sind und die konvergieren und dann divergieren.

Bei der Ausarbeitung des für die in den Fig. 3a und 3b gezeigten Simulationsprogramms wurde auch der Raumladungseffekt der ionisierten Agglomerate ebenfalls sorgfältig beachtet. Daher sind die Spuren der ionisierten Agglomerate bei den in den Fig. 3a und 3b gezeigten Simulationen konvergierend im Hinblick auf die rücktreibende Kraft zwischen den ionisierten Agglomeraten und auf die äußerst kleine Veränderung des Raumladungspotentials infolge der Ladung der ionisierten Agglomerate. Demgemäß kommen die in den Fig. 3a und 3b gezeigten Simulationen den wirklichen Verhältnissen sehr nahe. Dies deutet darauf hin, daß die Spuren der ionisierten Agglomerate selbst dann verfolgt werden können, wenn die Veränderung in dem Ionisationsstrom eine Veränderung in der Anzahl der ionisierten Teilchen bewirkt.

Jedoch werden neutrale Agglomerate, die nicht der Ionisation unterworfen wurden, von der Beschleunigungsspannung nicht erfaßt. Somit ist das Verhältnis zwischen den auf dem Substrat verteilten neutralen Agglomeraten und den ionisierten Agglomeraten nicht einheitlich. Dies beeinflußt die Kristallbildung und die physikalischen Eigenschaften der auf dem Substrat aufgedampften Schicht in ungünstiger Weise.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Ionenstrahl-Aufdampfvorrichtung anzugeben, die für eine gleichmäßige Verteilung von ionisiertem verdampftem Werkstoff auf einem gewünschten Gebiet eines Substrats geeignet ist und insbesondere eine Ionenstrahl-Aufdampfvorrichtung anzugeben, die zum gleichmäßigen Verteilen eines ionisierten verdampften Werkstoffs auf ein gewünschtes Gebiet auf einem Substrat geeignet ist, und insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Ionenstrahl-Aufdampfvorrichtung anzugeben, die zum Erzeugen eines gleichmäßigen Films auf einem Substrat und/oder zum Erzeugen eines gewünschten Films auf einer gewünschten Fläche auf einem Substrat geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Im folgenden wird die Ionenstrahl-Aufdampfvorrichtung gemäß der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Vorderansicht einer herkömmlichen Ionenstrahl-Aufdampfvorrichtung;

Fig. 2 eine Vorderansicht einer weiteren herkömmlichen Ionenstrahl-Aufdampfvorrichtung;

Fig. 3a, 3b, 3c und 3d zeichnerische Darstellungen von Beispielen einer Computersimulation, bei der in Fig. 2 gezeigten Aufdampfvorrichtung;

Fig. 4 eine Vorderansicht einer Ausführungsform einer Ionenstrahl-Aufdampfvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 eine schematische Ansicht eines Modells eines Teils der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung;

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Spannung an einer Beschleunigungselektrode und derjenigen an einer Zwischenelektrode;

Fig. 7 eine Vorderansicht einer anderen Ausführungsform einer Ionenstrahl-Aufdampfvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 8a, 8b, 8c und 8d zeichnerische Darstellungen von Beispielen einer Computersimulation, bei der in Fig. 7 gezeigten Vorrichtung.

Fig. 9 eine Vorderansicht einer weiteren Ausführungsform einer Ionenstrahl-Aufdampfvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 10a, 10b und 10c zeigen Diagramme von Ablenkspannungen;

Fig. 11a und 11b eine Ansicht von Mikro-Strukturen;

Fig. 12 eine Vorderansicht des wesentlichen Teils einer anderen Ausführungsform einer Ionenstrahl-Aufdampfvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 13 eine Draufsicht auf ein wesentliches Teil einer weiteren Ausführungsform einer Ionenstrahl-Aufdampfvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 14a und 14b zeigen Diagramme von Ablenkspannungen;

Fig. 15 eine Draufsicht auf ein wesentliches Teil einer weiteren Ausführungsform einer Ionenstrahl-Aufdampfvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung und

Fig. 16a und 16b zeigen Diagramme von Ablenkspannungen.

Die Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform einer Ionenstrahl-Aufdampfvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die selben Bezugszeichen wie in Fig. 2 gleiche oder ähnliche Teile bezeichnen. Die in Fig. 4 gezeigte Vorrichtung unterscheidet sich von der in Fig. 2 gezeigten dadurch, daß eine Zwischenelektrode 29 zum Beschleunigen und Verzögern zwischen einer Abschirmelektrode 21 und einer Beschleunigungselektrode 23 angeordnet ist.

Es wurde eine Untersuchung hinsichtlich der Konvergenz von ionisierten Agglomeraten durchgeführt, bei der die in Fig. 4 gezeigte Aufdampfvorrichtung verwendet wurde und bei der Beschleunigungsspannungen an die Beschleunigungselektrode 23 angelegt wurden, die durch den jeweiligen Anwendungsfall bestimmt wurden und bei der die Spannung an der Zwischenelektrode 29 verändert wurde.

Bei der Untersuchung wurde auch das oben beschriebene Simulationssystem für die Ionenspur verwendet, wobei der Raumladungseffekt der ionisierten Agglomerate und auch die Veränderung des Raumladungspotentials infolge der Aufladung der ionisierten Agglomerate berücksichtigt wurden. In der Untersuchung wurde diejenige Fläche, die durch gestrichelte Linien in Fig. 4 dargestellt ist, herausgegriffen und nachgebildet, wie es in Fig. 5 gezeigt ist.

Weitere Bedingungen für die Untersuchung bestanden darin, daß die Energie zu dem Zeitpunkt des Austritts des verdampften Materials aus der Düse als eine Ausgangsbedingung betrachtet wurde, daß der Strom für die Ionisation der Agglomerate auf 20 µA festgelegt wurde und daß die Spannungen, die an den Substratträger 24 und an die Beschleunigungselektrode 23 und an die Zwischenelektrode 29 angelegt wurden, die in der Tabelle I angegebenen Werte aufwiesen.

Tabelle I

Die Untersuchung wurde hinsichtlich der Spuren der ionisierten Agglomerate unter den oben beschriebenen Bedingungen durchgeführt und Fig. 6 zeigt die Beziehung zwischen der an die Beschleunigungselektrode 23 angelegten Spannung, (welche dieselbe ist, wie die an den Substratträger 24 angelegte Spannung), und der an die Zwischenelektrode 29 angelegten Spannung, die sich aus den Ergebnissen der Untersuchung ergaben.

Die in Fig. 4 gezeigte Ausführungsform ist, wie oben beschrieben, in der Weise aufgebaut, daß die Beschleunigungselektrode 23 und die Zwischenelektrode 29 es erlauben, eine gewünschte kinetische Energie dem ionisierten verdampften Werkstoff zuzuführen und dafür zu sorgen, daß der Werkstoff auf einer gewünschten Fläche auf dem Substrat gleichmäßig verteilt wird.

Die Vorrichtung kann auch mit zwei oder mehr Zwischenelektroden 29 versehen sein.

Im folgenden wird eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 7 beschrieben.

In Fig. 7 bezeichnen die selben Bezugszeichen wie in Fig. 4 gleiche oder entsprechende Teile. Bei der in Fig. 7 gezeigten Vorrichtung ist ein Schmelztiegel 15 geerdet und an einen Substratträger 24 und eine hinterste Beschleunigungselektrode wird von einer Spannungsquelle 30 eine optimale Spannung zum Bilden einer gewünschten Dünnschicht, gemäß den in Fig. 6 gezeigten Ergebnissen, angelegt. Das Erhitzen des Schmelztiegels 15 wird unter Verwendung von Elektronen durchgeführt, die von einem Draht 17 unter Verwendung einer Spannungsquelle 31 ausgestoßen werden und das Erhitzen des Drahts 17 wird mittels einer Spannungsquelle 32 durchgeführt.

Ein durch die Düse 14 des Schmelztiegels 15 ausgestoßener verdampfter Werkstoff wird zu einem Substrat 25 in Form von Agglomeraten transportiert, währenddessen ein Gitter 20 zum Gewinnen der Ionisationselektronen bewirkt, daß ein die Ionisationselektronen aussendender Draht 19 die Elektronen abgibt, so daß ein Teil der Agglomerate ionisiert werden kann. Der Draht 19 wird durch eine nicht gezeigte geeignete Spannungsquelle erhitzt und die Freisetzung der Elektronen wird durch die Spannungsquelle 33 erreicht.

Da die ionisierten Agglomerate und die neutralen Agglomerate zu dem Substrat 25 miteinander vermischt transportiert werden, wird die Spannung der Spannungsquelle 34 selbsttätig oder manuell entsprechend der vorher bestimmten Beziehungen, wie sie in Fig. 6 gezeigt sind, eingestellt, um damit die gewünschte Verteilung der ionisierten Agglomerate zu erreichen.

Weiterhin ist die in Fig. 7 gezeigte Vorrichtung mit einem Strahlformer 35 versehen, der derart ausgebildet ist, daß er selbsttätig oder manuell betätigt werden kann, um die Form eines Strahls aus den ionisierten Agglomeraten oder eines Agglomerationenstrahls zu überwachen. Die Spannung einer Zwischenelektrode 29 wird selbsttätig oder manuell durch die Spannungsquelle 34 verändert, um zu ermöglichen, daß die ionisierten Agglomerate gemäß der in Fig. 6 gezeigten Beziehungen gleichmäßig auf dem Substrat 25 verteilt werden, wobei der Strahlformer beobachtet wird.

Der Strahlformer 35 kann in bekannter Weise ausgebildet sein, um eine Strahlform zu überwachen, beispielsweise als ein balkenartiger Strahlformer, ein Strahlformer für rechtwinklige Koordinaten, ein Strahlformer vom Typ eines Faraday-Käfigs oder ähnlich.

Weiterhin ist die Vorrichtung nach Fig. 7 mit einem logischen Schaltkreis 36 versehen, der dazu geeignet ist, eine erforderliche Ionenverteilung, die durch den Strahlformer erreicht wird, dadurch im voraus zu speichern und selbsttätig Daten für die Strahlverteilung auszuwählen. Der logische Schaltkreis 36 dient dazu, selbsttätig die Spannungsquelle 34 im Hinblick auf die Daten für die Strahlverteilung und ein Signal für die Beschleunigungsspannung der Spannungsquelle 30 einzustellen, um eine gewünschte Verteilung des Agglomerationenstrahls zu erreichen.

Die Fig. 8a, 8b, 8c und 8d zeigen Beispiele einer Computersimulation bei der in Fig. 7 gezeigten Vorrichtung. Die in Fig. 8 gezeigten Spuren der ionisierten Agglomerate wurden unter den Bedingungen erreicht, daß die Spannungen des die Ionisationselektronen ablösenden Gitters 20 auf 0 Volt eingestellt war, daß die Spannung des die Ionisationselektronen aussendenden Drahts 19 auf -500 Volt eingestellt war und daß die an die Beschleunigungselektrode 23 und den Substratträger 24 angelegte Spannung und die an die Zwischenelektrode 29 angelegte Spannung die Werte aufwiesen, die in der Tabelle II gezeigt sind.

Tabelle II

Im einzelnen wurden die in Fig. 8 gezeigten Beispiele durch das Anlegen einer Spannung an die hinterste Beschleunigungselektrode 23 erreicht, die der kinetischen Energie entspricht, die für die ionisierten Agglomerate erforderlich war und dadurch daß gleichzeitig die an die Zwischenelektrode 29 angelegte Spannung gesteuert wurde, die gemäß einem vorgegebenen Programm auf einem Signal von dem Strahlformer 35 beruht, so daß die ionisierten Agglomerate, denen eine kinetische Energie zugeführt wurde, gleichmäßig über eine gewünschte Fläche auf dem Substrat 25 verteilt werden können, wenn die ionisierten Agglomerate das Substrat erreichen.

In Fig. 7 ist der Schmelztiegel 15 geerdet. Als Alternative hierzu kann das Substrat 25 geerdet sein.

Die obige Beschreibung der Fig. 7 wurde in Verbindung mit der positiven Ionisation der Agglomerate ausgeführt. Entsprechendes gilt für eine negative Ionisation der Agglomerate, mit der Ausnahme, daß die Polarität der Spannung verändert wird.

Die oben beschriebene Ausführungsform ist mit wenigstens zwei Elektroden versehen, die es ermöglichen, die erforderliche kinetische Energie dem verdampften Werkstoff zuzuführen, der in dem Ionisationsbereich ionisiert wird und einen Werkstoff mit gleichmäßiger Konzentration auf eine gewünschte Fläche auf dem Substrat zu verteilen oder den Werkstoff gleichmäßig über eine Fläche zu verteilen, wenn der Werkstoff das Substrat erreicht, so daß eine gleichmäßige Schicht auf dem Substrat erzeugt werden kann.

Als Alternative hierzu kann die vorliegende Erfindung dahin gehend abgeändert werden, daß eine Anordnung zum Ablenken des verdampften ionisierten Werkstoffs vorgesehen wird oder zwischen dem Ionisationsbereich und dem Substrat zusätzlich zu der Beschleunigungselektrode angeordnet wird, um zu ermöglichen, daß die Ablenkspannung nur auf den ionisierten verdampften Werkstoff einwirken kann, so daß eine gleichmäßige Schicht auf dem Substrat selbst unter den Bedingungen abgeschieden werden kann, die die Bildung einer ungleichmäßigen Schicht verursachen.

Nun wird eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die derart ausgebildet ist, daß sie den ionisierten verdampften Werkstoff ablenkt, nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 9 beschrieben.

In Fig. 9 bezeichnen die selben Bezugszeichen wie in Fig. 7 ähnliche oder entsprechende Teile. Die in Fig. 9 gezeigte Ionenstrahl-Aufdampfvorrichtung unterscheidet sich von der in Fig. 7 dargestellten dadurch, daß eine Ablenkelektrode 37 zwischen der Beschleunigungselektrode und dem Substrat 25 vorgesehen ist.

Bei der in Fig. 9 gezeigten Vorrichtung ist der Schmelztiegel 15 geerdet und an dem Substratträger 24 und an der Beschleunigungselektrode liegt von einer Spannungsquelle 30 eine optimale Spannung zum Bilden einer Schicht mit vorgegebenen Merkmalen an. Das Erhitzen des Schmelztiegels 15 wird unter Verwendung von Elektronen durchgeführt, die von einem Draht 17 mittels einer Spannungsquelle 31 ausgesandt werden und das Erhitzen des Drahts 17 wird unter Verwendung einer Spannungsquelle 32 durchgeführt.

Ein von einer Düse 14 des Schmelztiegels 15 ausgestoßener verdampfter Werkstoff wird in Form von Agglomeraten zu dem Substrat transportiert, während gleichzeitig ein Ionisationselektronen auslösendes Gitter 20 bewirkt, daß Elektronen von einem Ionisationselektronen aussendenden Draht 19 ausgesandt werden, um dadurch die Agglomerate zu ionisieren. Die Erhitzen des die Ionisationselektronen aussendenden Drahts 19 wird durch eine nicht dargestellte Spannungsquelle durchgeführt, und die Erzeugung der Elektronen wird unter Verwendung der Spannungsquelle 33 erreicht.

Die ionisierten Agglomerate und neutrale Agglomerate werden zu dem Substrat 25 miteinander vermischt transportiert, während gleichzeitig die Spannung der Spannungsquelle 30 selbsttätig oder manuell eingestellt wird.

An der Ablenkungselektrode 37 liegt eine Wechselspannung von der Sekundärwicklung 39 eines Transformators 38 an. Ein Mittelbegriff 40 der Wicklung 39 ist mit einem verschiebbaren Abgriff 41 der Spannungsquelle 30 verbunden, um ein Bezugspotential für den Mittelabgriff oder die Ablenkelektrode zwischen dem Erdpotential und dem Potential der Beschleunigungselektrode 23 auszuwählen, die von der Stellung des verschiebbaren Abgriffs 41 abhängt, um die Verteilung der ionisierten Agglomerate zu steuern, und den Agglomerationenstrahl durch die Wechselspannung des Transformators 38 abzulenken, die überlagert wird, um die Eigenschaften der auf dem Substrat 25 abgeschiedenen Schicht zu steuern.

Die Ablenkfrequenz der Ablenkelektrode 37 kann auf die Netzfrequenz oder 60 Hz eingestellt werden. Sie kann auch auf eine Frequenz eingestellt werden, die größer oder kleiner als die Netzfrequenz ist.

Die Wellenform der Ablenkspannung der Ablenkelektrode 37 kann den Verlauf einer Sägezahnspannung, wie sie in Fig. 10a gezeigt ist, einer bewußten halben Sägezahnspannung, wie sie in Fig. 10b gezeigt ist, um die Bewegung der ionisierten Agglomerate zu einer Hälfte einer gewünschten Abschaltungsfläche auf dem Substrat 25 zu verhindern, oder ausgebildet sein, wie es in Fig. 10c gezeigt ist.

Es wird somit festgestellt, daß bei der gezeigten Ausführungsform die teilweise Zunahme oder Abnahme in der Anzahl der ionisierten Agglomerate in der Mischung mit den neutralen Agglomeraten und das Aufdampfen einer Schicht, die gemäß einem Programm eine veränderbare Dichte aufweist, durch die Veränderung der Ablenkfrequenz und der Wellenform der Ablenkspannung an der Ablenkelektrode 23 erreicht wird. Die beschriebene Ausführungsform kann auch die Bildung einer gleichmäßigen Schicht über eine große Fläche des Substrats und/oder das Aufdampfen eines Films bewirken, der gewünschte physikalische Eigenschaften hinsichtlich der Kristallbildung und der Zusammensetzung aufweist. Weiterhin kann die Ausführungsform in entsprechender Weise die Verteilung der ionisierten Agglomerate in dem Agglomerationenstrahl selbst unter den Bedingungen vereinheitlichen, die bewirken, daß die Agglomerate nicht gleichmäßig in dem Strahl verteilt sind.

Nun wird ein Beispiel eines Versuchs mit der oben beschriebenen Ausführungsform beschrieben.

Die Durchführung des Versuchs war folgendermaßen:

Der Schmelztiegel 15 wurde MgF₂ gefüllt. Das Aufdampfen eines Films auf einem aus Glas bestehenden Substrat 25 wurde 15 Minuten lang unter den Bedingungen durchgeführt, daß ein Strom von 100 mA zwischen dem die Ionisationselektronen aussendenden Draht 19 und dem die Elektronen abgebenden Gitter 20 vorhanden war. An die Beschleunigungselektrode 23 wurde eine Spannung von 10 kV angelegt und für die Ablenkelektrode 37 wurde die Netzfrequenz verwendet. An den Transformator 38 wurde eine einphasige Spannung von 150 Volt angelegt. Das Potential des Mittelabgriffs wurde auf das Erdpotential eingestellt. Die Temperatur des Substratträgers 24 wurde auf 320°C eingestellt. Die sich ergebende Dünnschicht war eine einheitliche Magnesiumfluoridschicht mit einer Mikro-Struktur, wie sie in Fig. 11a gezeigt ist. Ein ähnlicher Versuch wurde auch ohne die Verwendung der Ablenkelektrode 37 durchgeführt. Es wurde dabei eine in hohem Maße ungleichmäßige Schicht erreicht, wie es in Fig. 11b gezeigt ist.

Die Fig. 12 zeigt den wesentlichen Teil einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Die in Fig. 12 gezeigte Ausführungsform ist derart ausgebildet, daß sie einen Spannungsfunktionengenerator 41 aufweist, der anstelle des Transformators 38 in Fig. 9 angeordnet ist, und der geeignet ist, eine Sinusspannung, eine Dreiecksspannung und eine Sägezahnspannung zu erzeugen. Das Bezugspotential ist zwischen Erdpotential und dem Potential an der Beschleunigungselektrode 23 durch eine Spannungssteuerung 50 wählbar.

Noch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 13 gezeigt.

Die Ausführungsform hat ein Paar einander gegenüberliegender X-Achsen-Ablenkelektroden 43 und ein Paar einander gegenüberliegender Y-Achsen-Ablenkelektroden 45. An den X-Achsen-Ablenkelektroden 43 liegt die Ausgangsspannung eines Generators 46 zum Erzeugen einer X-Achsen-Ablenkspannung an, wie sie in Fig. 14a gezeigt ist und die Ausgangsspannung eines Generators 47 zum Erzeugen einer Y-Achsen-Ablenkspannung, wie sie in Fig. 14b gezeigt ist, wird an die Y-Achsen-Ablenkelektroden 45 angelegt, so daß der Agglomerationenstrahl zickzackförmig abgelenkt werden kann.

In einer weiteren Ausführungsform, deren wesentlicher Teil in Fig. 15 gezeigt ist, werden einem Paar X-Achsen-Ablenkelektroden 48 und einem Paar Y-Achsen-Elektroden 49 Spannungen zugeführt, die sinusförmig, ausgebildet sind und die einen Phasenunterschied von 90° gegeneinander aufweisen und deren Amplitudenwerte allmählich erhöht werden, wie es in den Fig. 16a bzw. 16b gezeigt ist.

Die Ablenkung eines Agglomerationenstrahls kann mittels eines elektrischen Felds durchgeführt werden.

In den oben beschriebenen Ausführungsformen sind die Ablenkelektroden zwischen der Beschleunigungselektrode 23 und dem Substrat 25 angeordnet. Jedoch können diese auch zwischen dem Ionisationsbereich und der Beschleunigungselektrode vorgesehen sein.

Die Magnesiumfluoridschicht, die bei dem oben beschriebenen Versuch erzeugt wird, kann beispielsweise als eine optische Beschichtung für einen Spiegel zum Reflektieren von Laserstrahlen verwendet werden.

Die vorliegende Erfindung kann auch wirkungsvoll für ZnO, Si, Au, Ag, GaAs, BeO, GaP und ähnliche Materialien verwendet werden wie für MgF₂.

Weiterhin kann die Kristallbildung einer aufgedampften Schicht verändert werden, wenn das Verhältnis der ionisierten Agglomerate zu den neutralen Agglomeraten bei deren Vermischung in dem Fall verändert wird, indem ZnO als ein aufzudampfender Werkstoff verwendet wird. Insbesondere hat die Erhöhung des Verhältnisses der ionisierten Agglomerate zu den neutralen Agglomeraten eine auf einem Glassubstrat gebildete Schicht zur Folge, die vorzugsweise in der C-Achse orientiert ist. Eine derartige Schicht ermöglicht es, den Dämpfungsfaktor von Licht teilweise zu steuern und auf diese Weise neue Techniken bereitzustellen, um optische Wellenfilter herzustellen.

Claims (8)

1. Ionenstrahl-Aufdampfvorrichtung mit einem Ionisationsbereich zum Ionisieren wenigstens eines Teils eines verdampften Werkstoffs und zum Zuführen von kinetischer Energie zu dem ionisierten verdampften Werkstoff, um diesen ionisierten verdampften Werkstoff gemeinsam mit nicht ionisiertem verdampftem Werkstoff zu einem Substrat zu transportieren, um dabei den verdampften Werkstoff auf das Substrat aufzudampfen; mit einer Beschleunigungselektrode, die zwischen dem Ionisationsbereich und dem Substrat angeordnet ist, um eine erforderliche kinetische Energie dem ionisierten verdampften Werkstoff zuzuführen, wenn dieser ionisierte verdampfte Werkstoff das Substrat erreicht; gekennzeichnet durch mindestens eine weitere Elektrode (29, 37, 43 und 45, 48 und 49) zum Aufbringen des ionisierten verdampften Materials in einer gleichmäßigen Konzentration auf eine gewünschte Fläche des Substrats (25) oder zum gleichförmigen Verteilen des ionisierten verdampften Werkstoffs über diese Fläche, wobei die weitere Elektrode (29, 37, 43 und 45, 48 und 49) zwischen dem Ionisationsbereich (22) und dem Substrat (25) angeordnet ist.

2. Ionenstrahl-Aufdampfvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Elektrode (29) zum Aufbringen des ionisierten verdampften Werkstoffs mit gleichmäßiger Konzentration auf eine gewünschte Fläche auf dem Substrat (25) oder zum gleichmäßigen Verteilen des ionisierten verdampften Werkstoffs über diese Fläche eine Elektrode zum Beschleunigen und/oder Verzögern des ionisierten verdampften Werkstoffs enthält.

3. Ionenstrahl-Aufdampfvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (29) zum Beschleunigen und/oder Verzögern des ionisierten verdampften Werkstoffs zwischen dem Ionisationsbereich (22) und der Beschleunigungselektrode (23) angeordnet ist.

4. Ionenstrahl-Aufdampfvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Elektrode (37, 43 und 45, 48 und 49) zum Aufbringen des ionisierten verdampften Werkstoffs mit einer gleichmäßigen Konzentration auf eine gewünschte Fläche auf dem Substrat (25) oder zum gleichmäßigen Verteilen des ionisierten verdampften Werkstoffs über diese Fläche eine Ablenkelektrode zum Ablenken des ionisierten verdampften Werkstoffs enthält.

5. Ionenstrahl-Aufdampfvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkelektrode (37, 43, und 45, 48 und 49) zwischen der Beschleunigungselektrode (23) und dem Substrat (25) angeordnet ist.

6. Ionenstrahl-Aufdampfvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkelektrode (37, 43, und 45, 48 und 49) zwischen dem Ionisationsbereich (22) und der Beschleunigungselektrode (23) angeordnet ist.

7. Ionenstrahl-Aufdampfvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkelektrode (43 und 45, 48 und 49) ein Paar einander gegenüberliegender X-Achsen-Ablenkelektroden (43, 48) und ein Paar Y-Achsen-Ablenkelektroden (45, 49) enthält.

8. Ionenstrahl-Aufdampfvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß an den X-Achsen-Ablenkelektroden (43, 48) den Y-Achsen-Ablenkelektroden (45, 49) sinusförmige Spannungen anliegen, die gegeneinander einen Phasenunterschied von 90° aufweisen und deren Amplitudenwerte allmählich erhöht werden.