DE3521549A1 - Method for measuring and/or regulating a particle stream - Google Patents

Method for measuring and/or regulating a particle stream

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Abstract

The invention relates to a method for measuring and/or regulating a particle stream, especially for a vacuum deposition system. According to this method, the particle stream emitted by a particle source is first ionized at least partially and is deposited on a substrate to which an electric direct voltage has been applied. The electric current then flowing can be used to determine the deposition rate and/or the layer thickness.

Description

Beschreibungdescription

Verfahren zur Messung und/oder Regelung eines Teilchenstromes Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung und/oder Regelung eines Teilchenstromes nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.Method for measuring and / or regulating a particle flow The invention relates to a method for measuring and / or regulating a particle flow according to the preamble of claim 1.

Insbesondere bei der Herstellung integrierter Halbleiterschaltungen, z.B. sogenannter I2L-Schaltungen, ist es erforderlich, zunächst ein Substrat, z.B. eine kreisförmige Siliziumscheibe mit einem Durchmesser von ungefähr 100 mm sowie einer Dicke von ungefähr 1 mm, auf einer Seite möglichst gleichmäßig mit mindestens einer dotierten oder undotierten Si-Schicht zu beschichten. Insbesondere bei einer industriellen Massenfertigung ist es erforder- lich, daß die Schichtdicke in genau reproduzierbarer Weise einstellbar ist.Especially in the manufacture of integrated semiconductor circuits, e.g. so-called I2L circuits, it is necessary to first prepare a substrate, e.g. a circular silicon wafer with a diameter of approximately 100 mm as well a thickness of about 1 mm, on one side as evenly as possible with at least to coat a doped or undoped Si layer. Especially with a industrial mass production is required Lich that the layer thickness can be set in a precisely reproducible manner.

Es sind verschiedene Verfahren bekannt zur Messung und/oder Regelung der Schichtdicke während des Abscheidens der Schicht auf dem Substrat. Beispielsweise ist es bekannt, in dem für die Beschichtung erforderlichen Teilchenstrom einen Schwingquarz anzuordnen. Gleichzeitig mit dem Substrat wird dieser Schwingquarz beschichtet, so daß sich dessen Resonanzfrequenz fortlaufend verringert.Various methods are known for measuring and / or regulating the layer thickness during the deposition of the layer on the substrate. For example it is known to use a quartz oscillator in the particle flow required for the coating to arrange. This quartz crystal is coated at the same time as the substrate, so that its resonance frequency is continuously reduced.

Daraus wird die abgeschiedene Schichtdicke bestimmt.The deposited layer thickness is determined from this.

Weiterhin ist es bekannt, den Teilchenstrom beispielsweise mit Hilfe eines Massenspektrometers zu messen.It is also known to use the particle flow, for example of a mass spectrometer.

Ein Nachteil derartiger Verfahren besteht darin, daß es nicht möglich ist, den Teilchenstrom unmittelbar am Abscheidungsort, d.h. dem Substrat, zu messen, da dieser ansonsten teilweise durch die Meßeinrichtung, z.B. den Schwingquarz, verdeckt würde. Eine Messung außerhalb des Abscheidungsortes, z.B. neben dem Substrat, hat jedoch den Nachteil, daß die Messung nicht zuverlässig ist, da es möglich ist, daß sich die Richtungscharakteristik der Teilchenquelle unbeabsichtigt sowie unmerklich geändert hat, z.B. durch Veränderungen in der Teilchenquelle infolge Alterung.A disadvantage of such methods is that it is not possible is to measure the particle flow directly at the place of deposition, i.e. the substrate, since this is otherwise partially covered by the measuring device, e.g. the quartz oscillator would. A measurement outside of the deposition site, e.g. next to the substrate, has however, the disadvantage that the measurement is not reliable because it is possible that the directional characteristics of the particle source change unintentionally and imperceptibly has changed, e.g. due to changes in the particle source as a result of aging.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren anzugeben, das die Messung und/oder Regelung eines Teilchenstromes unmittelbar am Abscheidungsort ermöglicht, ohne diesen zu verdecken.The invention is therefore based on the object of providing a generic Process to specify the measurement and / or control of a particle flow directly made possible at the deposition site without covering it.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.This object is achieved by the characterizing part of the claim 1 specified features. Advantageous refinements and / or developments are can be found in the subclaims.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch eine verdeckungsfreie Messung des Teilchenstromes am Abscheidungsort eine genaue Bestimmung der Abscheidungsrate der Teilchen möglich wird, so daß eine genaue und reproduzierbare Einhaltung einer gewünschten Schichtdicke erreichbar ist.An advantage of the invention is that by a concealment-free Measurement of the particle flow at the deposition site enables an exact determination of the deposition rate of the particles is possible, so that an accurate and reproducible compliance with a desired layer thickness can be achieved.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert unter Bezugnahme auf eine schematische Zeichnung. Es zeigen: FIG. 1 eine schematische Darstellung des Ausführungsbeispiels; FIG. 2 ein Diagramm zur Erläuterung des Ausführungsbeispiels.The invention is illustrated below using an exemplary embodiment explained in more detail with reference to a schematic drawing. They show: FIG. 1 shows a schematic representation of the exemplary embodiment; FIG. 2 a diagram for Explanation of the embodiment.

FIG. 1 zeigt schematisch eine beispielhafte Vakuum-Beschicht-ungsanlage, z.B. eine Molekularstrahl-Epitaxieanlage zur Beschichtung von Silizium-Scheiben. Diese besteht aus einer Ultrahoch-Vakuumkammer 1 (Vakuum ungefähr 10 10 ), in der eine Teilchenquelle 2 angeordnet ist.FIG. 1 shows schematically an exemplary vacuum coating system, e.g. a molecular beam epitaxy system for coating silicon wafers. This consists of an ultra-high vacuum chamber 1 (vacuum approx. 10 10) in which a particle source 2 is arranged.

Diese enthält Beschichtungsmaterial 3, z.B. hochreines einkristallines Silizium, das verdampft wird, z.B. durch Elektronenbeschuß aus einer nicht dargestellten Elektronenstrahlkanone. Es entsteht zunächst ein im wesentlichen elektrisch neutraler Teilchenstrom 4, der Silizium(Si)- Atome und/oder Si-Moleküle enthält. Dieser Teilchenstrom besitzt im allgemeinen eine keulenförmige Richtungsverteilung und breitet sich geradlinig in Richtung des zu beschichtenden Substrates 5, z.B. eine Si-Scheibe mit einem Durchmesser von ungefähr 100 mm, einer Dicke von ungefähr 1 mm sowie einer (100)-Kristallorientierung, aus.This contains coating material 3, e.g. high-purity single crystalline Silicon that is evaporated, e.g. by electron bombardment from a not shown Electron beam gun. At first an essentially electrically neutral one is created Particle flow 4, the silicon (Si) - Contains atoms and / or Si molecules. This particle flow generally has a lobe-shaped directional distribution and spreads in a straight line in the direction of the substrate 5 to be coated, e.g. a Si wafer with a diameter of about 100 mm, a thickness of about 1 mm and a (100) crystal orientation.

Das Substrat 5 wird in einem Abstand von ungefähr 300 mm von der Teilchenquelle 2 angeordnet. Der Teilchenstrom 4 wird senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung (Pfeil) seitlich begrenzt durch eine Blende 6, z.B. einer Molybdän platte mit einer Bohrung von ungefähr 60 mm Durchmesser.The substrate 5 is at a distance of approximately 300 mm from the particle source 2 arranged. The particle flow 4 is perpendicular to its direction of propagation (Arrow) laterally limited by a screen 6, e.g. a molybdenum plate with a Hole approximately 60 mm in diameter.

Die Blende 6 besitzt von der Teilchenquelle 2 einen Abstand von ungefähr 50 mm und ist elektrisch leitend mit dieser verbunden. Der Durchmesser der Bohrung der Blende ist dabei abhängig von der zu beschichtenden Fläche des Substrates. Es ist zweckmäßig, die Bohrung derart zu wählen, daß der Querschnitt des Teilchenstromes 4 am Ort des Substrates 5 einen etwas größeren Durchmesser als dieses besitzt. Unmittelbar hinter der Blende 6, bezogen auf die Ausbreitungsrichtung, wird eine Ionisierungsquelle 7 angeordnet, z.B. eine ringförmige Elektronenquelle, welche den Teilchenstrom 4 im wesentlichen senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung mit Elektronen durchstrahlt.The diaphragm 6 is approximately at a distance from the particle source 2 50 mm and is electrically connected to it. The diameter of the hole the aperture depends on the surface of the substrate to be coated. It it is advisable to choose the bore so that the cross section of the particle flow 4 at the location of the substrate 5 has a slightly larger diameter than this. Direct behind the diaphragm 6, based on the direction of propagation, there is an ionization source 7 arranged, e.g. a ring-shaped electron source, which the particle flow 4 irradiated with electrons essentially perpendicular to its direction of propagation.

Dabei besitzen diese Elektronen e eine so große kinetische Energie, daß der Teilchenstrom 4 durch Stoßionisation zumindest teilweise ionisiert wird. Es entstehen z.B.These electrons e have such a large kinetic energy that that the particle stream 4 is at least partially ionized by impact ionization. E.g.

positiv geladene Si+-Ionen. Wird nun an das elektrisch leitfähige Substrat 5 eine bezüglich der Teilchenquelle 2 elektrisch negative Spannung gelegt, z.B. mit Hilfe der elektrischen Spannungsquelle Us, so hat sich nun überraschenderweise herausgestellt, daß der dabei fließende elektrische Strom IS ein sehr genaues Maß ist für die Abscheidungsrate A, gemessen in nm/s, der Si-Teilchen.positively charged Si + ions. Is now connected to the electrically conductive Substrate 5 applied an electrically negative voltage with respect to the particle source 2, e.g. with the help of the electrical voltage source Us, it has now surprisingly been found that the electric current IS flowing in the process is a very precise measure is for the deposition rate A, measured in nm / s, of the Si particles.

Dieser beispielhafte Zusammenhang ist in FIG. 2 dargestellt. Dabei ist auf der Abzisse die Abscheidungsrate A aufgetragen, auf der Ordinate ist der Strom Is, gemessen in pA, dargestellt. Die Kurve 8 zeigt dabei eine im wesentlichen lineare Abhängigkeit. Dabei erzeugt die Spannungsquelle US eine Gleichspannung von -500V, die Ionisierungsquelle 7 erzeugt einen im wesentlichen konstanten Ionisierungsstrom IK 100 mA. Zur Änderung des Stromes wurde in diesem Ausführungsbeispiel die Temperatur der Teilchenquelle 2 geändert.This exemplary relationship is shown in FIG. 2 shown. Included the deposition rate A is plotted on the abscissa, and is on the ordinate Current Is, measured in pA, is shown. The curve 8 shows an essentially linear dependence. The voltage source US generates a direct voltage of -500V, the ionization source 7 generates an essentially constant ionization current IK 100 mA. In this exemplary embodiment, the temperature was used to change the current the particle source 2 changed.

Für eine bestimmte Abscheidungsrate A ist es daher lediglich erforderlich, den Strom IS konstant zu halten. Dieses ist beispielsweise nach FIG. 1 dadurch möglich, daß der Strom IS in einer Strom-Meßeinrichtung 9 gemessen wird.For a certain deposition rate A it is therefore only necessary to keep the current IS constant. This is for example according to FIG. 1 possible by that the current IS is measured in a current measuring device 9.

Eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung St erzeugt daraus ein Steuer- und/oder Regelsignal, welches die den Teilchenausstoß der Teilchenquelle 2 derart steuert und/oder regelt, daß der eingestellte Strom IS erhalten bleibt, z.B. durch Änderung der Temperatur der Teilchenquelle 2.A control and / or regulating device St generates a control and / or control signal, which the particle emission of the particle source 2 in such a way controls and / or regulates that the set current IS is maintained, e.g. through Change in the temperature of the particle source 2.

Über eine Zeitmessung ist dann mit Hilfe der Kurve 8 (FIG. 2) eine genaue Bestimmung der Schichtdicke der abgeschiedenen Schicht möglich. Diese beschriebene Steuer-und/oder Regeleinrichtung ermöglicht, daß die Abscheidungsrate im wesentlichen unabhängig ist von unerwünschten Störungen, z.B. der Änderung der Richtcharakteristik der Teilchenquelle.A time measurement is then with the help of curve 8 (FIG. 2) precise determination of the layer thickness of the deposited layer is possible. This described Control and / or regulating device enables the deposition rate to be substantially is independent of undesired interference, e.g. changes in the directional characteristic the particle source.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern sinngemäß auf weitere anwendbar. Beispielsweise ist es möglich, beliebige elektrisch -Ieitfähige Substrate sowie Beschichtungsmaterialien, z.B.The invention is not limited to the exemplary embodiment described, but can be used analogously for others. For example, it is possible to use any electrically conductive substrates and coating materials, e.g.

Metalle, zu verwenden.Metals to use.

- L e e r s e i t e -- L e r s e i t e -

Claims (5)

Patentansprüche i. Verfahren zur Messung und/oder Regelung eines Teilchenstromes, insbesondere für eine Vakuum-Beschichtungsanlage, in der ein Substrat mit Hilfe des Teilchenstromes beschichtet wird, dadurch gekennzeichnet, - daß zwischen einer Teilchenquelle (2) für den Teilchenstrom (4) und dem elektrisch leitfähigen Substrat (5) eine Blende (6) angeordnet wird, welche den Teilchenstrom (4) im wesentlichen auf den zu beschicht enden Substratbereich begrenzt, - daß zwischen der Blende (6) und dem Substrat (5) eine Ionisierungsquelle (7) angeordnet wird, durch welche der Teilchenstrom (4) zumindest teilweise ionisiert wird, - daß zwischen Teilchenquelle (2) und Substrat (5) eine elektrische Spannungsquelle (U5) angeschlossen wird, - daß der durch die Spannungsquelle (U5) fließende elektrische Strom (Is) gemessen wird und - daß der Strom (Is) als Meß- bzw. Regelsignal für die Teilchenquelle (2) benutzt wird, in Abhängigkeit von einer Beschichtungsrate.Claims i. Method for measuring and / or regulating a particle flow, especially for a vacuum coating system in which a substrate is used of the particle flow is coated, characterized in that - that between a Particle source (2) for the particle flow (4) and the electrically conductive substrate (5) a screen (6) is arranged, which the particle flow (4) substantially limited to the substrate area to be coated, - that between the panel (6) and an ionization source (7) is arranged on the substrate (5) through which the Particle stream (4) is at least partially ionized, - that between the particle source (2) and substrate (5) an electrical voltage source (U5) is connected, - that the electrical current (Is) flowing through the voltage source (U5) is measured and - that the current (Is) as a measurement or control signal for the particle source (2) is used depending on a coating rate. 2. Verfahren zur Messung und/oder Regelung eines Teilchenstromes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beschichtung des Substrates (5) in dem Teilchenstrom (4) positiv geladene Ionen erzeugt werden und daß das Substrat (5) mit dem negativen Pol der Spannungs- oder Stromquelle (U5) verbunden wird.2. Method for measuring and / or regulating a particle flow according to Claim 1, characterized in that for coating the substrate (5) in the Particle stream (4) positively charged ions are generated and that the substrate (5) is connected to the negative pole of the voltage or current source (U5). 3. Verfahren zur Messung und/oder Regelung eines Teilchenstromes nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilchenstrom (4) durch Stoßionisation zumindest teilweise ionisiert wird durch beschleunigte Teilchen (e), die in der Ionisierungsquelle (7) erzeugt werden.3. Method for measuring and / or regulating a particle flow according to Claim 1 or claim 2, characterized in that the particle flow (4) through Impact ionization is at least partially ionized by accelerated particle (s), which are generated in the ionization source (7). 4. Verfahren zur Messung und/oder Regelung eines Teilchenstromes nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beschleunigten Teilchen (e) im wesentlichen aus Elektronen bestehen, die im wesentlichen senkrecht in den Teilchenstrom (4) eingestrahlt werden.4. Method for measuring and / or regulating a particle flow according to one of the preceding claims, characterized in that the accelerated Particle (s) consist essentially of electrons that are essentially perpendicular be radiated into the particle stream (4). 5. Verfahren zur Messung und/oder Regelung eines Teilchenstromes nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zu beschichtende Substrat (5) im wesentlichen aus Silizium besteht, daß die Vakuum-Beschichtungsanlage als Molekularstrahlepitaxieanlage ausgebildet wird und daß der Teilchenstrom (4) im wesentlichen Siliziumatome und/oder -moleküle enthält.5. Method for measuring and / or regulating a particle flow according to one of the preceding claims, characterized in that the to be coated Substrate (5) consists essentially of silicon that the vacuum coating system is designed as a molecular beam epitaxy system and that the particle flow (4) essentially contains silicon atoms and / or molecules.
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1773242B2 (en) * 1967-04-21 1974-01-10 Battelle Development Corp., Columbus, Ohio (V.St.A.) Measuring device for determining and regulating the rate of evaporation of substances evaporated in a vacuum

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