DE3787705T2

DE3787705T2 - Vorrichtung und Verfahren zum Auftragen von Dünnschichtüberzügen im Vacuum.

Info

Publication number: DE3787705T2
Application number: DE87310453T
Authority: DE
Inventors: Kim Loren Johnson; Richard Ian Seddon; Michael David Temple
Original assignee: Optical Coating Laboratory Inc
Current assignee: Optical Coating Laboratory Inc
Priority date: 1986-11-26
Filing date: 1987-11-26
Publication date: 1994-02-24
Anticipated expiration: 2007-11-27
Also published as: US4777908A; JPH0477072B2; DE3787705D1; EP0269446A3; EP0269446A2; EP0269446B1; ATE95573T1; CA1316865C; JPS63213662A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft insgesamt Vorrichtungen und Verfahren zur Vakuumabscheidung und insbesondere Vorrichtungen und Verfahren zur Vakuumbedampfung von Dünnschichtmaterialien in einem Prozeß, der Plasmabeschichtung genannt wird.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

STAND DER TECHNIK

In der DE-A-2 624 005 ist ein Dünnschichtbeschichtungsverfahren beschrieben, das Ionenplattieren genannt wird. Bei dem in dieser Anmeldung beschriebenen Verfahren ist ein Bedampfungssystem mit einer Elektronenkanone mit einem Gasentladungssystem so kombiniert, daß das verdampfte Material aus dem Tiegel und das umgebende Gas innerhalb der Kammer in den Bereich zwischen dem Tiegel und dem Substrat ionisiert werden, auf dem das Material abgeschieden wird. Die in dieser bekannten Entgegenhaltung gezeigte Anordnung der Vorrichtung ist in Fig. 1 der Zeichnungen dargestellt. Der Aufbau und die Funktion dieser Vorrichtung werden untenstehend beschrieben. Die Vakuumkammer 1 ist mit einer Vakuumpumpe (nicht in der Fig. gezeigt) verbunden. Innerhalb der Kammer befindet sich ein wassergekühlter Tiegel 3, der das Material 4 enthält, mit dem das Substrat beschichtet werden soll. Das Substrat 5 ist an einem Substrathalter 6 angebracht, der sich durch eine isolierte Buchse 7 erstreckt und mit einer Hochspannungsquelle 8 verbunden ist. In der Kammer ist außerdem eine Elektronenkanone 9 angeordnet, die einen Elektronenstrahl 10 erzeugt, der in ein Ablenkungssystem 11 in Richtung des Materials 4 gerichtet wird. Das Ablenkungssystem 11 kann entweder ein Ablenkungskondensator oder ein Elektromagnet sein. Der Tiegel 3 und die Elektronenkanone 9 können außerdem eine einzelne Einheit bilden. Der Tiegel 3 ist mit dem positiven Pol einer Spannungsquelle 8 verbunden, möglicherweise über eine Buchse 2; er kann auch geerdet sein.
Für den Betrieb wird der Behälter auf einen Druck von ungefähr 1,33·10³ N/m² (10&supmin;&sup5; torr) evakuiert. Dann wird die Elektronenkanone 9 in Betrieb gesetzt und das Material 4 in dem Tiegel 3 mittels des Elektronenstrahls 10 erhitzt. Wenn die Hochspannungsquelle 8 angeschaltet wird, bildet sich innerhalb des Behälters 1 eine Gasentladung, deren Ausdehnung durch die gestrichelte Linie 13 gezeigt ist. Das aus dem Tiegel 3 verdampfte Material 4 wird in der Gasentladung in dem Raum zwischen dem Tiegel und dem Substrat so ionisiert, daß die Ionen 14 des Materials 4 das Substrat bombadieren. Damit sich bei geringen Drücken von 1,33·10&supmin;³ N/m² (10&supmin;&sup5; torr) eine Gasentladung bilden kann, ist eine zusätzliche ionenproduzierende Vorrichtung 15 in Form einer Hochfrequenzspule in dem Raum zwischen dem Tiegel 3 und dem Substrat 5 angeordnet, wobei eine Hochfrequenzspannungsquelle 16 während des ganzen Beschichtungsprozesses mit der Spule verbunden ist. Das in der Siemens-Entgegenhaltung beschriebene System leidet unter folgenden Nachteilen:
1) Die Verwendung einer Gleichstromhochspannung an dem Substrathalter begrenzt die Nützlichkeit des Systems auf leitende Substrate und leitende Beschichtungsmaterialien. Möglicherweise können dielektrische Materialien beschichtet werden, jedoch mit geringeren Geschwindigkeiten. Die Bedingungen an dem Substrat ändern sich merklich, wenn sich die isolierende Beschichtung aufbaut. Sogar bei leitenden Beschichtungen ist es möglich, daß die Ionenbombadierung aus einer hohen aufgebrachten Spannung eine Beschädigung des Atomniveaus bei dem Substrat oder der Beschichtung verursachen kann.
2) Die Verwendung einer HF-Spule zur Aktivierung sowohl des Verdampfungsmaterials als auch der Restgase begrenzt außerdem die Vielseitigkeit des Systems. Eine Aktivierung des Restgases und des Quellmaterials kann nicht unabhängig gesteuert werden, und der empfohlene niedere Druck von 1,33·10³ N/m² (10&supmin;&sup5; torr) des Restgases kann tatsächlich die Anzahl der produzierbaren Gasionen ernsthaft begrenzen.
3) Dadurch, daß eine Hochfrequenz innerhalb der Kammer erforderlich ist, wird der Beschichtungsprozeß merklich kompliziert. Die Hochfrequenz kostet mehr als Gleichstromsysteme, darüber hinaus neigt die Hochfrequenz dazu, ein Überschlagen zu verursachen, daß die Qualität der erzeugten Beschichtungen beeinflußt.
In der US-A-4 448 802 sind verschiedene Ausführungsformen von Systemen beschrieben, bei denen ein Bedampfungssystem mit einer Elektronenkanone mit einer Starkstrom-Niederspannungselektronenquelle kombiniert ist. Bei jeder der in dem Buhl et al. Patent beschriebenen Ausführungsformen sind bestimmte geometrische Beziehungen zwischen dem Hochspannungs-Elektronenstrahl und dem Niederspannungs- Elektronenstrahl spezifiziert. Diese geometrischen Beziehungen beschränken die relative Plazierung dieser Komponenten dieses Systems.
Fig. 2 der Zeichnungen zeigt eine Version des Buhl et al. Systems, die auf dem Markt von der Balzers Aktiengesellschaft aus Liechtenstein als auf dem Markt erhältliche Beschichtungskammer angeboten wird. In diesem Fall ist die Beschichtungskammer 21 eine spezielle Kammer mit einer Niederspannungs-Starkstromquelle 22, die auf einer Seite der Kammer so angeordnet ist, daß ein Teil des Weges des Niederspannungs-Elektronenstrahls 23 zu dem Tiegel 24 gleich dem Weg des Hochspannungs-Elektronenstrahls 25 ist, der von der Elektronenkanone 26 ausgestrahlt wird. Im Gegensatz zu der oben erwähnten Siemens- Entgegenhaltung ist ein Substratträger 27 nicht mit einem Hochspannungskreis verbunden, und statt dessen wird die Niederspannungsbogenentladung zwischen der Niederspannungsquelle 22 und dem Tiegel 24 gebildet.
Bei der in Fig. 2 gezeigten und in dem Buhl '802 Patent diskutierten Vorrichtung ist die Niederspannungsquelle 22 so angeordnet, daß das den Hochspannungsstrahl 25 leitende magnetische Feld auch dazu dient, den Strahl von Elektronen aus der Niederspannungsbogenentladung 23 zu leiten. Dies beschränkt die geometrische Anordnung zwischen der Elektronenkanonenanordnung 26, dem Tiegel 24 und der Niederspannungselektronenquelle 22. Zu diesen geometrischen Beschränkungen gehört, daß die Vakuumkammer 21 für den Einbau der Niederspannungselektronenquelle 22 besonders ausgelegt werden muß. Aus diesem Grund ist diese Technologie schwer an Standard-Vakuumbeschichtungskammern anpaßbar und macht es schwer, bestehende Beschichtungskammern auf diese neue Technologie umzurüsten.
Bei der Anordnung von Buhl et al. wird ein reaktives Gas direkt in die Vakuumkammer eingeführt, um in der Niederspannungsbogenentladung innerhalb der Vakuumkammer ionisiert zu werden.
Diese Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Abscheidung von Dünnschichtbeschichtungen mit einer Vakuumkammer, mit einer Halteeinrichtung für ein Substrat, die innerhalb der Vakuumkammer angeordnet ist und auf der wenigstens ein Substrat gelagert werden kann, mit einer elektrisch leitenden Behältereinrichtung, die innerhalb der Vakuumkammer für ein Halten einer Verdampfungsmaterialquelle mit einer Sichtlinie zwischen dem Material und dem Substrat angebracht ist, mit einer der Behältereinrichtung zugeordneten Heizeinrichtung zum Erhitzen der Verdampfungsmaterialquelle, um das Material auf das Substrat aufzudampfen, mit einer Plasmaerzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines hochgradigen Plasmas einer ausgewählten Gasart in einer getrennten Plasmaerzeugungskammer und für eine Übertragung des Plasmas zu der Vakuumkammer, um die Vakuumkammer mit einem insgesamt verteilten Plasma zu füllen, wobei die Plasmaquelle für einen Stromfluß zwischen ihr und der Behältereinrichtung mit dieser elektrisch verbunden ist, und mit einer der Behältereinrichtung zugeordneten Magneteinrichtung, die ein magnetisches Feld mit vorherbestimmten Eigenschaften in dem Bereich oberhalb der Behältereinrichtung erzeugt, wobei die Anordnung so ist, daß das insgesamt verteilte Plasma und das durch das magnetische Feld hindurchgehende Verdampfungsmaterial zur Erzeugung eines hochgradigen zweiten Plasmas im Bereich oberhalb der Behältereinrichtung zusammenwirken, was von einem Hochstromfluß in der elektrischen Verbindung zwischen der Plasmaquelle und der Behältereinrichtung begleitet wird, wodurch das Verdampfungsmaterial aktiviert wird, wenn es durch den Bereich des zweiten Plasmas hindurchgeht, und dann auf dem Substrat abgeschieden wird, um eine vakuumabgeschiedene Dünnschicht zu erzeugen.
Bei einer Anordnung der Behältereinrichtung kann ein elektrisch leitender Tiegel vorhanden sein, und die Heizeinrichtung kann eine Hochspannungs-Elektronenstrahlquelle umfassen, die innerhalb der Vakuumkammer in der Nähe des Tiegels angeordnet ist und eine Hochspannungselektronenkanone und ein Ablenkungsmagnetsystem aufweist, das so angeordnet ist, daß es von der Kanone kommende Elektronen in den Tiegel ablenkt, um das darin befindliche vorher ausgewählte Material zu verdampfen, wobei das Magnetsystem ein Magnetfeld mit vorher bestimmten Eigenschaften in dem Bereich oberhalb des Tiegels bildet.
Die Elektronenstrahlquelle kann insbesondere eine Quelle mit einer Ablenkung von 270 Grad sein, und das Ablenkungsmagnetsystem kann ein Paar von auf gegenüberliegenden Seiten der Elektronenkanone angeordneten Magnetpolstücken aufweisen, die so geformt sind, daß sie einen engeren Polspalt und eine entsprechende größere Magnetfeldstärke in dem Bereich der Elektronenkanone, an dem die Elektronen emittiert werden, und einen breiteren Polspalt und eine entsprechende kleinere Magnetfeldstärke in dem Bereich oberhalb des Tiegels und an diesen angrenzend bilden, um die Anzahl der Elektronen, die von dem zweiten Plasma zu dem Tiegel abgezogen werden, zu erhöhen und dadurch den Ionisationswirkungsgrad in dem Bereich des zweiten Plasmas zu steigern.
Bei jeder der letztgenannten Anordnungen kann ein zweiter elektrisch leitender Tiegel innerhalb der Vakuumkammer an einer Stelle angeordnet sein, die von dem-ersten Tiegel wesentlich entfernt ist, wobei der zweite Tiegel bis auf eine elektrische Verbindung mit niedrigem Widerstand zwischen der Kammer und ihm von der Kammer elektrisch isoliert ist und der zweite Tiegel ein vorherbestimmtes zweites Material für ein Verdampfen auf das Substrat enthalten kann, und eine zweite Hochspannungs-Elektronenstrahlquelle kann innerhalb der Kammer in der Nähe des zweiten Tiegels und von der ersten Elektronenstrahlquelle entfernt angeordnet sein, um eine Wechselwirkung zwischen diesen zu verhindern, wobei die zweite Elektronenstrahlquelle eine Hochspannungselektronenkanone und ein Ablenkungsmagnetsystem aufweist, das so angeordnet ist, daß es Elektronen von der Kanone in den Tiegel ablenkt, um das darin befindliche vorherbestimmte Material zu verdampfen, und das Magnetsystem ein Magnetfeld mit vorherbestimmten Eigenschaften in dem Bereich oberhalb des zweiten Tiegels bildet, wobei der zweite Tiegel mit der Niederspannungs- Hochstromplasmaquelle für einen Stromfluß zwischen ihnen elektrisch verbunden ist und wobei das die Kammer füllende Plasma mit dem Magnetfeld oberhalb des zweiten Tiegels und dem den zweiten Tiegel verlassenden Verdampfungsmaterial zusammenwirkt, um ein hochgradiges zweites Plasma in dem Bereich oberhalb des zweiten Tiegels zu bilden, wodurch das Verdampfungsmaterial, das durch den Bereich in Richtung des Substrats hindurchgeht, aktiviert wird und auf diesem abgeschieden wird.
Bei jeder der oben genannten Anordnungen kann der Substrathalter in einem oberen Bereich der Kammer angebracht sein, wobei die Behältereinrichtung und die Hochspannungselektronenkanone in einem unteren Bereich der Kammer angeordnet sein können und die Plasmaquelle angrenzend an einen unteren Bereich der Kammer insgesamt in einer Position an einer Seite des Tiegels angeordnet sein kann, die der Elektronenkanone gegenüberliegt.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann die Plasmaquelle umfassen: eine erste Kammer, die eine obere Wand, in der eine kleine Öffnung vorgesehen ist, eine dreiecksförmige Anordnung von drei getrennten Filamenten, die innerhalb der Kammer parallel zu der oberen Wand und zu der kleinen Öffnung zentriert angebracht sind, eine Einrichtung für ein Anlegen einer Gleichstromvorspannung zwischen den Filamenten und der oberen Wand, eine Einrichtung zur elektrischen Stromversorgung der Filamente, um diese aufzuheizen, und eine Einrichtung zur Übertragung eines Edelgases zu der ersten Kammer für eine Plasmaaktivierung durch Elektronen aus den erhitzten Filamenten aufweist; eine zweite Kammer, die als plasmaerzeugende Kammer dient und mit der ersten Kammer durch die kleine Öffnung in Verbindung steht, um Elektronen von dem Plasma in der ersten Kammer aufzunehmen, und eine obere Wand, in der eine große Öffnung vorgesehen ist, die mit der Vakuumkammer in Verbindung steht, eine Einrichtung für eine Übertragung der gewählten Gasart in die zweite Kammer, und eine elektromagnetische Einrichtung aufweist, die die zweite Kammer umgibt, um in dieser ein Magnetfeld zu erzeugen, wobei die Elektronen mit dem Magnetfeld zusammenwirken, um einen plasmaerzeugenden Bereich innerhalb der zweiten Kammer zu erzeugen, wodurch ein hochgradiges Plasma der gewählten Gasart für eine Übertragung in die Vakuumkammer erzeugt wird.
Durch die Erfindung wird außerdem ein Verfahren zur Abscheidung von Dünnschichtbeschichtungen mit folgenden Schritten geschaffen: Anordnung eines Substrats in einer Vakuumkammer; Anordnung einer Quelle von Verdampfungsmaterial innerhalb eines elektrisch leitenden Behälters in der Vakuumkammer mit einer Sichtlinie von dem Material bis zu dem Substrat; Erzeugung eines hochgradigen Plasmas einer gewählten Gasart in wenigstens einer getrennten Kammer, die mit der Vakuumkammer in Verbindung steht, um die Vakuumkammer mit einem insgesamt verteilten Plasma zu füllen, Kopplung des hochgradigen Plasmas und des Behälters in einem elektrischen Stromkreis für einen Stromfluß zwischen ihnen sowohl durch das innerhalb der Kammer verteilte Plasma als auch direkt durch Stromkreisverbindungen außerhalb der Kammer, Erzeugung eines magnetischen Felds mit vorherbestimmten Eigenschaften in dem Bereich oberhalb des Behälters, Erwärmung der Verdampfungsmaterialquelle, um dasselbe zu verdampfen und dadurch einen Bereich eines hochgradigen zweiten Plasmas in dem Magnetfeld oberhalb des Behälters zu bilden, durch den das Verdampfungsmaterial hindurchgeht, aktiviert wird und dann auf dem Substrat abgeschieden wird.
Ein hochgradiges Plasma einer gewählten reaktiven Gasart kann in der mit der Vakuumkammer in Verbindung stehenden getrennten Kammer erzeugt werden, um die Vakuumkammer mit einem insgesamt verteilten Plasma der reaktiven Gasart zu füllen, und die Verdampfungsmaterialquelle kann erwärmt werden, um dasselbe zu verdampfen und dadurch einen Bereich mit einem hochgradigen zweiten Plasma oberhalb des Behälters zu bilden, durch den das Verdampfungsmaterial hindurchgeht und auf seinem Weg zu dem Substrat aktiviert wird, wo es sich mit der reaktiven Gasart vereinigt und auf einem Substrat als Dünnschicht abscheidet.
Die hochgradigen Plasmen der ersten und zweiten ausgewählten Gasart können für eine Abscheidung auf dem Substrat als Dünnschicht in getrennten Kammern erzeugt werden, die mit der Vakuumkammer in Verbindung stehen.
Bei dem zuletzt genannten Verfahren können das erste und das zweite Material chemisch unterschiedlich sein und während getrennter Zeiträume erzeugt werden, so daß die während des ersten Zeitraums abgeschiedene Dünnschicht das erste Material und die während des zweiten Zeitraums abgeschiedene Dünnschicht das zweite Material enthält.
Alternativ können das erste und das zweite Material chemisch unterschiedliche Materialien sein und während des gleichen Zeitraums erzeugt werden, so daß die auf dem Substrat abgeschiedene Dünnschicht sowohl das erste als auch das zweite Material enthält.
Im folgenden werden einige spezielle Ausführungsformen der Erfindung näher beschrieben, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines bekannten Ionenplattiersystems ist;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines anderen bekannten Ionenplattiersystems ist;
Fig. 3-5 schematische Darstellungen von Ausführungsformen eines Systems und eines Verfahrens zur Plasmabeschichtung dieser Erfindung sind;
Fig. 6-8 Darstellungen einer Anordnung mit einer Elektronenstrahlkanone und einem drehenden Tiegel sind, die in dem System und dem Verfahren dieser Erfindung verwendet werden können;
Fig. 9 eine Schnittansicht einer drehenden Tiegelanordnung ist, die bei dieser Erfindung verwendet werden kann;
Fig. 10 eine schematische Darstellung einer Niederspannungs-Starkstrom-Plasmaquelle ist, die bei dieser Erfindung verwendet werden kann;
Fig. 11 eine teilweise geschnittene Ansicht einer speziellen Ausführungsform einer Niederspannungs- Starkstrom-Plasmaquelle ist, die bei dieser Erfindung verwendet werden kann;
Fig. 12-23 detaillierte Zeichnungen der verschiedenen Komponenten der Plasmaquelle von Fig. 11 sind;
Fig. 24 ein schematischer Schaltplan der Stromversorgungen und der elektrischen Verbindungen eines erfindungsgemäßen Systems ist;
Fig. 25 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Systems und des Verfahrens dieser Erfindung mit zwei Quellen ist;
Fig. 26 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Steuerung und Messung der Gasströmung ist, die bei dem System und dem Verfahren dieser Erfindung verwendet werden kann.

ALLGEMEINE KONZEPTE DIESER ERFINDUNG

Fig. 3 zeigt schematisch die Anordnung eines Tiegels 30, einer Hochspannungs-Elektronenstrahlkanone 31 und einer Niederspannungsplasmaquelle 32, die erfindungsgemäß einer Vakuumkammer 29 und einer Vakuumpumpe 29A zugeordnet sind. Der Tiegel 30 und die Hochspannungselektronenkanonenanordnung 31 sind auf normale Weise im unteren Bereich der Kammer 29 angebracht. Wie untenstehend beschrieben werden wird, ist der Tiegel 30 ein spezieller isolierter, wassergekühlter drehender Tiegel, der für die Verwirklichung dieser Erfindung bevorzugt wird. Fig. 3 zeigt nicht das Ablenkungsmagnetsystem für den Hochspannungselektronenstrahl 33, dieses Ablenkungsmagnetsystem ist jedoch in anderen Zeichnungen gezeigt und wird nachstehend beschrieben. In ähnlicher Weise sind die Vorspannungsanordnung für die Elektronenkanone und das Ablenkungsmagnetsystem nicht gezeigt. Diese sind Standardvorspannungsanordnungen und müssen hier nicht beschrieben werden.
Das in Fig. 3 gezeigte 270 Grad-Ablenkungssystem ist bevorzugt, bei der Erfindung können aber auch andere Ablenkungssysteme wie z. B. ein 90 Grad-Ablenkungssystem verwendet werden. Die Niederspannungs-Starkstrom-Quellenanordnung 32 erzeugt ein hochgradiges Plasma eines ausgewählten additiven Gases 34 (auch Aktivierungsgas genannt), das in einen Plasmaerzeugungskammerbereich 35 übertragen wird, der der Niederspannungsquelle zugeordnet ist. Das hochgradige Plasma in dem Plasmaerzeugungskammerbereich 35 wird durch eine Öffnung 35A übertragen und geht allmählich in den gesamten Innenraum der Vakuumkammer 29 über, wodurch eine allgemeine Plasmaverteilung 36 innerhalb der Vakuumkammer gebildet wird.
Wenn die Elektronenstrahlkanone 31 angeschaltet wird und das Material beginnt, aus dem Tiegel 30 zu verdampfen, wird der elektrische Widerstand in dem Bereich 37 oberhalb des Tiegels allmählich geringer, wenn die Temperatur ansteigt und die Verdampfungsrate aus dem Tiegel größer wird. Der höhere lokalisierte Dampfdruck in dem Bereich 37 erhöht den Ionisierungswirkungsgrad in diesem Bereich. Außerdem wird durch einen Abschnitt des Magnetfelds aus dem Ablenkungssystem für den Hochspannungselektronenstrahl eine Spiralbewegung der Elektronen aus dem induzierten Plasma 36 innerhalb der Kammer in Richtung des Tiegels 30 erzeugt, so daß ein hochgradiges zweites Plasma im Bereich 37 oberhalb des Tiegels erzeugt wird. Durch die Bildung dieses zweiten Plasmas erhöht sich der Strom zwischen dem Tiegel 30 und der Niederspannungsquelle 32 um mehr als eine Größenordnung von zwei oder drei Ampere auf zwischen zwanzig und einhundert Ampere. Auch mit diesem Stromanstieg gibt es jedoch keinen definierten Bogenentladungsweg zwischen der Niederspannungsplasmaquelle 32 und dem Tiegel 30 durch den allgemeinen Plasmabereich innerhalb der Vakuumkammer 29.
Obwohl die gesamte Wirkungsweise eines Systems dieser Art von einem theoretischen Standpunkt aus schwer genau zu beschreiben ist, scheint es, daß die beste Erklärung darin besteht, daß die Niederspannungsplasmaquelle 32 von dem zweiten Plasmabereich 37 durch die induzierte Plasmawolke entkuppelt wird, die in dem gesamten Innenraum der Vakuumkammer 37 verteilt ist. Elektronen und aktivierte Gasmoleküle werden aus der Niederspannungsquelle 32 in die Kammer ausgestoßen, um die Plasmawolke aus Elektronen und die ionisierten Gasmoleküle zu bilden. Dann wirken in dem zweiten Plasmabereich 37 getrennte Mechanismen, um Elektronen aus dem verteilten Plasma in einer hohen Rate durch einen Bereich mit geringem elektrischen Widerstand zu ziehen, damit ein Starkstromfluß erzeugt wird.
Diese theoretische Wirkungsweise des Systems scheint durch die Ergebnisse eines in Fig. 4 gezeigten Experiments bestätigt zu werden, bei dem eine Metallplatte 40 zwischen der Niederspannungsquelle 32 und dem Tiegel 30 angeordnet wurde, die vermindert, daß jeder definierte Elektronenstrahl dazwischen fließt, wenn bin solcher definierter Elektronenstrahl vorhanden wäre. Bei Anordnungen dieser Metallplatte scheint das System im wesentlichen genauso zu funktionieren, wie das System ohne die Platte funktioniert. Deshalb scheint die elektrische Leitung zwischen der Niederspannungsquelle 32 und dem Tiegel 30 eine Leitung durch das allgemeine Plasma zu sein, die eher in dem gesamten verteilten Plasma als definierter Strahl auftritt. Da kein definierter Strahl vorhanden ist, ist es auch nicht erforderlich, den Niederspannungsstrahl in den Tiegel zu leiten. Durch geeignete Anpassung des magnetischen Integrals in dem Magnetfeld oberhalb des Tiegels 30 wird ein hoher Elektronenstrom aus dem generalisierten Plasmabereich 36 in den Tiegel 30 erleichtert. Fig. 5 zeigt, daß bei Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung ein Spritzschild 40 in der Vakuumkammer zwischen dem Tiegel 30 und dem Substrathaltersystem 41 angeordnet werden kann, um das Plasma und das Verdampfungsmaterial unterhalb dieser Stellung des Spritzschildes zu begrenzen. Hierdurch kann der gesamte Verdampfungsprozeß hinsichtlich des Startens und Anhaltens der tatsächlichen Bedampfung auf die Substrate gesteuert werden, ohne daß die Elektronenstrahlkanone 31 oder die Niederspannungsquelle 32 abgeschaltet werden.
Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf die Verwendung eines einzigen Tiegels und einer einzigen Elektronenkanonenquelle beschränkt ist. Statt dessen können zur Erzeugung von mehrschichtigen Dünnschichtbeschichtungen mit abwechselnden Schichten unterschiedlichen Materials auf einem Substrat mehrere Quellentiegel und Elektronenkanonen in einer einzigen Kammer eines Bedampfungssystems angeordnet werden. Eine Anordnung mit zwei Tiegeln und zwei Elektronenkanonen ist in Fig. 25 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform können die Quellenanordnungen 210 und 211 nacheinander betrieben werden, um Dünnschichtschichten aus unterschiedlichen Materialien auf dem Substrat zu erzeugen, oder die Quellen können gleichzeitig betrieben werden, um eine Mischung der Verdampfungsmaterialien in einer einzigen Schicht der Dünnschicht zu erzeugen. Die letztgenannte Lösung kann zur Bildung von Cermetschichten nützlich sein, wobei eine der Quellen ein Metall verdampft und die andere ein dielektrisches Material verdampft. Die Anordnung mit zwei Quellen kann insbesondere dazu verwendet werden, gemischte Metalloxidschichten zu bilden, wobei aktiviertes Sauerstoffgas verwendet wird.
Variable Widerstände 212 und 213 können nach Wunsch in den Kreisen enthalten sein, die die Niederspannungs- Starkstromplasmaquelle 215 und die getrennten Tiegel der Quellenanordnungen verbinden. Diese Widerstände schaffen eine Möglichkeit, den Stromfluß aus den zwei getrennten Plasmabereichen oberhalb der jeweiligen Tiegel getrennt einzustellen. Wenn eine Elektronenkanone abgeschaltet wird, geht im Grunde genommen der ganze Strom zu dem Tiegel, der der Elektronenkanone zugeordnet ist, die tatsächlich die Verdampfung durchführt. Nur ein geringer Verluststrom wird in dem anderen Kreis fließen. Die variablen Widerstände schaffen ein zusätzliches Steuerelement (d. h. zusätzlich zu dem Strom des Elektronenstrahls), um die Ionisierungsaktivierung des Verdampfungsmaterials aus den zwei getrennten Tiegeln bei gleichen Verdampfungsbedingungen auszugleichen.
Das erfindungsgemäße System kann wie andere bekannte Ionienplattierungssysteme zur Bedampfung von Metall auf Substrate verwendet werden, um dünne Metallschichten zu erzeugen, ohne die chemische Zusammensetzung des Metalls zu verändern. In diesem Fall ist das additive Gas eine Gasart, die nicht mit den verdampften Metallpartikeln reagiert, bevor diese auf dem Substrat abgeschieden sind. Das System und das Verfahren dieser Erfindung kann auch zur Bildung von dielektrischen Schichten auf Substraten innerhalb der Kammer verwendet werden. In diesem Fall ist das Quellenmaterial vorzugsweise die Metallart oder, im Fall von Metalloxiden, ein teilweise oxidiertes Quellenmaterial, und als Aktivierungsgas würde zur Bildung von Metalloxidschichten Sauerstoff oder zur Bildung von Metallnitridschichten Stickstoff gewählt werden.
Zur Bildung von Dünnschichten, wie z. B. Sulfiden oder Fluoriden, wird vorzugsweise eine Quelle mit Widerstandsheizung verwendet. Es ist zu erwarten, daß das System und das Verfahren dieser Erfindung mit der allgemeinen Plasmabeschichtung an eine Ausführungsform mit Widerstandsquelle anpaßbar ist, indem für die Stromleitung zu der Quelle beispielsweise ein leitender Metalldeckel mit einem Lochmuster für einen Durchtritt des Verdampfungsmaterials verwendet wird. Es kann ein magnetisches Feld oberhalb des Quellenbehälters vorgesehen sein, wenn eine getrennte Elektromagneteinrichtung in der Nähe des Quellenbehälters verwendet wird.
Der aktivierte Abscheidungsprozeß verbessert insgesamt eine Anzahl von Schichteigenschaften, einschließlich der Stöchiometrie, der Dichte, des Brechungsindex und der Adhäsion zu dem Substrat. Eine theoretische Grundlage für die verbesserten Eigenschaften des Dünnschichtmaterials ist einer Druckschrift zu entnehmen, die durch H.K. Pulker et al. vorgelegt wurde mit dem Titel "Optical and Mechanical Properties of Ion Plated Oxide Films," veröffentlicht in den Protokollen der fünften Internationalen Konferenz über ionen- und plasmaunterstützte Techniken, München, 13. bis 15. Mai 1985 mit einer Zusammenfassung, die in dem Journal of Vacuum Science and Technology, November/Dezember 1985 veröffentlicht wurde. Diese Veröffentlichung wird hiermit als Referenz eingeführt. Es besteht jedoch die Meinung, daß zur Zeit eine widerspruchsfreie komplette Theorie für die beobachteten verbesserten Eigenschaften der Dünnschicht nicht entwikkelt wurde. Es besteht außerdem die Auffassung, daß das System und das Verfahren der Erfindung zur Herstellung wünschenswerter Dünnschichteigenschaften sogar effektiver ist als das von Pulker.

FUNKTIONSWEISE DES SYSTEMS

Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Systems wird nun anhand der Fig. 3 in Verbindung mit den Fig. 11 und 24 beschrieben. Wenn das System angeschaltet wird, wird Argon in den Filamenthohlraum 95 eingeführt, und das additive Gas (z. B. Sauerstoff oder ein anderes reaktives Gas oder nicht reaktives Gas, wie Argon) wird oberhalb der Öffnungsplatte 111 durch einen Kanal 122 und eine Gasverteilungsringeinrichtung 122A eingeführt. Dieser Gasverteilungsring wirkt als Hitzestrahlungsschild, um die O-Ringdichtungen in der Öffnungsplatte 111 zu schützen. Er kann auch dazu verwendet werden, um den Gasdruck nahe der Öffnung 28 fein abzustimmen, der auf der Pumpgeschwindigkeit der Vakuumbeschichtungsmaschine basiert.
Die negative Seite der Vorspannungsversorgung 151 ist mit der Filamentstromversorgung 152 verbunden und schafft eine Gleichstromvorspannung für das Filamentnetzwerk 96. Die positive Seite der Vorspannungsversorgung ist mit dem Elektronenstrahlkanonentiegel 30 über einen 30 Ohm Vorwiderstand der Kammererdung und über eine Glühbirne 155 mit der Öffnungsplatte verbunden, wie es in Fig. 24 gezeigt ist. Da kein Strom abgenommen wird, befinden sich die Kammer und die Öffnungsplatte bezüglich des Filaments auf einem Vorspannungspotential.
Die Elektronenkanone 31 wird angeschaltet, um das für die Verdampfung vorbereitete Quellmaterial abzubrennen. Nach dem Abbrennen wird das Filament in der Kanone heruntergeschaltet oder abgeschaltet, so daß die Verdampfung aufhört, die magnetische Spule der Elektronenstrahlkanone bleibt jedoch erregt.
Der Magnet 99 der Niederspannungselektronenquelle wird durch eine Magnetversorgung 150 erregt und die Filamentvorspannungsversorgung 151 aufgedreht, um die Filamente 96 zu erwärmen. Wenn die Temperatur der Filamente ansteigt, werden Elektronen emittiert, und ein Bogen schlägt von den Filamenten zu der Öffnungsplatte über. Wie es in Fig. 24 gezeigt ist, ist vorzugsweise eine Glühlampe zwischen die Öffnungsplatte 111 (Fig. 11) und die Stromkreiserdung geschaltet, um den Anfangsstrom zwischen den Filamenten und der Öffnungsplatte zu leiten. Diese Glühbirne wirkt während dieser Plasmaanlaufzeit als geringer Widerstand (eigentlich als Kurzschluß). Sobald der Bogen übergeschlagen ist und der Strom durch das Plasma fließt, steigt der Widerstand der Glühbirne an und verringert die Spannung zwischen den Filamenten und der Öffnungsplatte.
Der anfängliche Bogenüberschlag zwischen den Filamenten und der Öffnungsplatte erzeugt ein hochgradiges Plasma, das als Quelle von Elektronen wirkt, die durch die Öffnung abgezogen werden können und sich dann entlang des magnetischen Felds der Niederspannungsquellenspule in einer Spiralbewegung zu der am nächsten gelegenen Anode bewegen. In dieser Anlaufstufe ist die nächstgelegene Anode normalerweise die Kammererdung.
Ein Plasma bildet sich in der Niederspannungsquellenkammer 97 innerhalb der Magnetspule und verbreitet sich in die größere Vakuumkammer, wobei es mehr zerstreut wird, wenn der Abstand von der Magnetspule größer wird. Die Magnetspule wird normalerweise mit sechs Ampere durch 1000 Wicklungen betrieben, der Strom ist jedoch nicht kritisch, und Werte in einem Bereich von vier bis fünfzehn Ampere sorgen für eine ausreichende Funktionsweise.
Das Elektronenstrahlkanonenfilament wird dann hochgeschaltet, so daß die Verdampfung des Quellmaterials beginnt. Wenn der Fluß des Verdampfungsmaterials ansteigt, wird etwas von ihm durch die Elektronenstrahlkanonenelektronen und/oder Elektronen aus dem Kammerplasma ionisiert. Aus diesem Grund wird ein leitendes Plasma in dem Bereich 37 des Magnetfelds oberhalb des Elektronenstrahlkanonentigels gebildet.
Wenn sich dieses leitende Plasma bis zu den Rändern des magnetischen Felds oberhalb des Tiegels erstreckt, stellt sie für das Kammerplasma eine Anode dar, die zugänglicher ist als die Kammerwände. Der Vorspannungsstrom steigt von ungefähr 1-3 Ampere vor dem Beginn der Verdampfung des Quellmaterials auf 30-50 Ampere oder mehr, wenn die Verdampfung stattfindet.
Während der Arbeitsbedingungen gibt es deswegen drei unterschiedliche Plasmabereiche. Es gibt ein hochgradiges Plasma in dem Hals der Niederspannungsquelle, das von Elektronen und von Ionen aus Argon und des Gases gebildet wird, das durch diese Quelle eingeführt wird. Es gibt ein hochgradiges Plasma oberhalb des Tiegels, das aus Elektronen und ionisiertem Quellmaterial und einem kleinen Prozentsatz von ionisiertem Restgas besteht. Es gibt ein völlig gleichmäßiges Plasma im ganzen Bereich der Kammer, das annähernd äquipotential ist, das jedoch die zwei hochgradigen Plasmen elektrisch verbindet.
Da das ganze in die Kammer eingeführte Gas durch die Niederspannungsquellenkammer geführt wird und das ganze Verdampfungsmaterial durch das Elektronenstrahlquellenplasma geführt wird, kann der Ionisationsgrad beider Arten sehr groß sein. Der relative Ionisationsgrad eines reaktiven Gases und des Quellmaterials kann durch Änderung der relativen Stärke der zwei magnetischen Felder fein abgestimmt werden. Die Erfordernisse, die an das Elektronenstrahlkanonenfeld gestellt werden, werden Jedoch außerdem durch die Bedürfnisse bei dem Verdampfungsprozeß bestimmt. Sobald die Konstruktion der Elektronenkanone festgelegt ist, kann eine geringe Freiheit für die Einstellung seines magnetischen Felds bestehen. Die relative Stärke der beiden Felder kann durch Einstellung des Magnets der Niederspannungselektronenquelle und durch Veränderung der Vorspannungsspannung verändert werden, wenn es zur Erhaltung des gesamten Vorspannungsstroms erforderlich ist. Es besteht die Auffassung, daß das hochgradige Gasplasma bei der Niederspannungsquelle und die Möglichkeit der Feinabstimmung der beiden hochgradigen Plasmen für die bei diesem System beobachteten verbesserten Schichteigenschaften im Vergleich mit den Ergebnissen, die von Pulker berichtet werden, verantwortlich sind.
Es sollte verstanden werden, daß die oben genannte Abfolge der Vorgänge während des Anlaufens zur Erläuterung dient. Die Abfolge kann ohne Beeinflussung der Gleichgewichtszustände verändert werden.

BEVORZUGTE SYSTEMKOMPONENTEN

Nachdem die allgemeinen konstruktiven und funktionellen Anordnungen des Systems und des Verfahrens dieser Erfindung beschrieben wurden, werden nun eine bevorzugte Ausführungsform des Systems und insbesondere bevorzugte Systemkomponenten genauer erläutert.

Elektronenkanone und drehender Tiegel

Die Fig. 6, 7 und 8 zeigen die bevorzugte Baugruppe für eine drehende Tiegelanordnung 50 und eine Elektronenstrahlanordnung 51 mit einer Ablenkung von 270 Grad. Die Hochspannungselektronenstrahlanordnung 51 ist grundsätzlich ein herkömmliches System, bei dem eine Elektronenkanone 52 und ein Paar magnetischer Polstücke 53 zusammen mit einer Magnetspule und einer Magnetkreisanordnung 54 verwendet werden, die ein magnetisches Feld mit einer wesentlichen Intensität zwischen den Polstücken 53 schafft. Obwohl die Anordnung insgesamt herkömmlich ist, ist die Form der Polstücke 53 und ihre räumliche Orientierung relativ zu der Elektronenkanone 52 und dem Bereich oberhalb des Tiegels 50 für Zwecke, die obenstehend erwähnt wurden und nachstehend genauer beschrieben werden, für diese Anwendung besonders zugeschnitten.
Die Elektronenkanonenanordnung 51 und die drehende Tiegelanordnung 50 sind an einem gemeinsamen Grundelement 55 angebracht, das seinerseits an dem Boden einer Vakuumkammer auf herkömmliche Weise angebracht ist. Geeignete Vakuumdichtungsringe sind an der Grundplatte 55 vorgesehen. Die gesamte Anordnung kann leicht aus der Vakuumkammer entfernt werden, um das System zu reinigen.
Die konstruktiven und funktionellen Details der drehbaren wassergekühlten Tiegelanordnung 50 sind in Fig. 9 gezeigt. Ein Tiegel 60 aus Kupfer ist an der Oberseite einer Plattform 61 angebracht, die auf einer rotierenden hohlen konzentrischen Wellenanordnung 62 gelagert ist, die von einem elektrischen Motor 63 angetrieben wird. Eine Vakuumdichtungs-Stopfbüchsenanordnung 64 bildet eine Vakuumdichtung zwischen der drehbaren Wellenanordnung 62 und dem Befestigungsflansch 65, der seinerseits an dem Gesamtgrundelement 55 des Tiegels und der Elektronenkanonenanordnung befestigt ist, die in den Fig. 6 bis 8 gezeigt sind. Eine Wasserstoffbuchsenanordnung 66 weist ein Paar von U-förmigen Wasserdichtungselementen 67 und 68 auf, die die Wellenanordnung 62 umgeben. Ein Wassereinlaß 70 und ein Wasserauslaß 71 stehen jeweils mit Wasserströmungskanälen innerhalb der konzentrischen hohlen Wellenanordnung 62 in Verbindung, um, wie gezeigt, einen Kühlwasserstrom zu dem Tiegel 60 aus Kupfer zu schaffen.
Die Wellenanordnung 62 ist für eine Drehung in einem geteilten Klemmdrucklager 75 gelagert, das in eine Ausnehmung in einer Bürstenhalteranordnung 76 paßt, die die Außenseite der Welle umgibt und mehrere Bürstenanordnungen 77 in engem elektrischen Kontakt mit dem Äußeren der Wellenanordnung 62 hält. Auf diese Weise wird eine gute elektrische Leitfähigkeit zwischen dem Tiegel aus Kupfer und den mehreren Bürstenanordnungen 77 geschaffen. Es können zwei oder vier Bürstenanordnungen vorgesehen sein, die jeweils unter Federspannung stehende Kohlebürsten enthalten, um den elektrischen Strom zu leiten, der während des Betriebs des Systems durch den Tiegel aus Kupfer und die Welle fließt.
Eine Antriebsmotorbefestigungsanordnung 80 befestigt den Antriebsmotor 63 unterhalb der Bürstenhalteranordnung 76.
Unter Bezugnahme auf Fig. 8 ist zu erkennen, daß die Polstücke 53 so ausgebildet und befestigt sind, daß der Zwischenraum zwischen den Polstücken im Ablenkungsbereich 90 des Hochspannungselektronenstrahls gering ist, so daß die Steuerung des Strahls hauptsächlich durchgeführt wird, bevor der Strahl die Stelle erreicht, an der er angrenzend an den Tiegel 50 den Einfluß des magnetischen Felds verläßt. Auf diese Weise trifft der Strahl in einem ziemlich steilen Winkel in den Tiegel ein, und aus diesem Grund wird der Tiegel so gedreht, daß der Strahl auf alle Abschnitte der innerhalb des Tiegels angeordneten Quelle auftrifft. Das stärkere Magnetfeld in dem Bereich 90 hebt sich von dem im wesentlichen reduzierten magnetischen Feld im Bereich oberhalb des Tiegels 50 ab. Obwohl sich die Polstücke 53 nicht über den Tiegel 50 erstrecken, ist erkennbar, daß es über dem Bereich des Tiegels ein Randmagnetfeld gibt, das dazu beiträgt, daß der Elektronenstrahl weiterhin in den Tiegel abgebogen wird. Dieses Randfeld trägt außerdem zur Beeinflussung der Elektronen bei, die aus dem generalisierten Plasma in den Tiegel abgezogen werden.
Durch die in Fig. 8 gezeigte Anordnung der Polstücke 53 ist das magnetische Integral des über dem Tiegel bestehenden magnetischen Felds so, daß die Niederspannungselektronen aus dem generalisierten Plasma leicht in den Tiegel eindringen können. Diese Elektronen gehen in einem spiralförmigen Weg durch das magnetische Feld, wobei ein hoher Ionisationswirkungsgrad in dem Bereich über dem Tiegel erzeugt wird. Es hat sich gezeigt, daß es notwendig ist, die Stärke des magnetischen Felds in dem Bereich 91 zwischen den an den Tiegel angrenzenden Enden der Polstücke um ungefähr ein Drittel der Feldstärke an dem anderen Ende der Polstücke zu verringern, um die Elektronen aus dem Plasma wirksam in dem Tiegel zu sammeln, damit ein hochgradiges zweites Plasma über dem Tiegel erzeugt wird.

Niederspannungs-Plasmaquelle

Nun wird bezugnehmend auf Fig. 10 die allgemeine schematische Anordnung der Komponenten der Niederspannungs- Plasmaquelle erläutert. Die Einzelheiten dieser Anordnung werden in Verbindung mit anderen Zeichnungsfiguren beschrieben, die die mechanischen Anordnungen dieser Niederspannungsquelle 32 genauer zeigen. Von einem generellen Standpunkt aus gesehen entsprechen die Konstruktion und Anordnung dieser Niederspannungsquelle der Quelle, die in der EP-A-0 064 288 beschrieben ist.
Es gibt jedoch einige Unterschiede im Detail der speziellen Variante der Quelle 32, die in einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung verwendet wird, wodurch gewisse Funktionsverbesserungen für die bevorzugte Ausführungsform erhalten werben.
Die Van Cakenburghe-Quelle 32 weist im allgemeinen eine erste Kammer 95 auf, in der eine Filamentanordnung 96 positioniert ist. Eine Gasversorgungsanordnung 94 ist für eine Übertragung eines Edelgases, wie z. B. Argon, in die Kammer 95 vorgesehen, um einen ausreichenden Gasdruck zu erzeugen, so daß die Elektronen aus dem erwärmten Filament eine Bogenentladung innerhalb der Kammer induzieren können. Eine zweite Kammer 97 steht mit der ersten Kammer 95 durch eine Öffnung 98 in Verbindung. Das in der Kammer 95 aufgrund der Bogenentladung erzeugte Argonplasma wird in die zweite Kammer 97 übertragen. Eine Anordnung 92 ist für eine Ausströmung eines additiven Gases, z. B. eines reaktiven Gases wie Sauerstoff, in die zweite Kammer 97 vorgesehen. Eine Magnetspule 99 dient zur Erzeugung eines Magnetfelds innerhalb der Plasmaerzeugungskammer 95 und der Plasmaerzeugungskammer 97, die zu einer wesentlichen Begrenzung des Plasmas in der Kammer 97 beiträgt, um ein hochgradiges erstes Plasma in diesem Bereich zu bilden. Aufgrund der Öffnung 100 zu dem Inneren der Vakuumkammer dringt dieses hochgradige Plasma jedoch allmählich wie oben beschrieben in die gesamte Vakuumkammer ein.
Aufgrund der intensiven Hitze, die in allen Bereichen dieser Niederspannungsquelle erzeugt wird, sind Wasserkühlungskanäle für die Filamentverbindungsblöcke, für die Wand zwischen den Kammern 95 und 97 sowie für die Kühlungsspulen vorgesehen, die um die Fokussierungsmagnetspulen 99 ausgebildet sind.
Nun werden bezugnehmend auf Fig. 11 die speziellen konstruktiven Details einer bevorzugten Ausführungsform einer Van Cakenburghe-Quelle 32 beschrieben, die für eine verbesserte Leistung des Systems und des Verfahrens der Erfindung modifiziert ist. Die Magnetspule 99 ist auf einen getrennten Spulenkörper aufgewickelt, der über den zylindrischen Abschnitt 110 aus Metall gesetzt ist, der die zweite Kammer 97 bildet. Eine gekühlte Öffnungsplatte 111 und ein Emittertragring 112 sind mittels mehrerer Befestigungsklauen 113 aus Kunststoff an der Unterwand gehalten. Mehrere Filamenttragblöcke 114 sind innerhalb des Emittertragrings angeordnet und auf einem Emitterisolierblock 115 gelagert, der durch mehrere Befestigungsklauen 116 aus Kunststoff an dem Emittertragring in Lage gehalten wird.
Ein Paar von Isolierabstandselementen 117 und 118 aus Nylon ist zwischen dem Öffnungsflansch 111 und der Unterwand der Kammer 97 und dem oberen Abschnitt des Emittertragrings 112 angeordnet.
Die Details des Öffnungsflansches sind in den Fig. 12, 13 und 14 gezeigt. Die Fig. 12, 13 und 14 zeigen die Öffnungsplatte 113, die vorzugsweise aus einem hochwärmeleitenden Material, wie z. B. aus Kupfer, mit einem Öffnungseinsatz 120 aus Wolfram besteht. In dem Körper der Öffnungsplatte sind vorzugsweise Wasserkühlkanäle 121 so ausgebildet, daß Kühlwasser durch die Platte zirkulieren kann, um die Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts der Materialien zu halten.
Ein Gasausströmkanal 122 ist zwischen einer Seitenwand der Öffnungsplatte und der Oberseite der Öffnungsplatte ausgebildet, damit Sauerstoff oder andere ausgewählte additive Gase in die in Fig. 11 gezeigte Plasmakammer 97 strömen kann. Die Fig. 15 und 16 zeigen den Emittertragring 112, in dem ein Zuführkanal 123 für Argongas ausgebildet ist, durch den das Argongas in die Kammer 95 ausströmt. Die Fig. 17, 18 und 19 zeigen den Emitterisolierblock 115. Die drei Öffnungen 125, 126 und 127 erstrecken sich durch den Emitterisolierblock und können ein Rohr aus rostfreiem Stahl (119, Fig. 11) aufnehmen, das sich durch jede Öffnung in den zugeordneten der drei separaten Emitterblöcke erstreckt, um das Kühlwasser zu Jedem Emitterblock zu führen. Das Rohr aus rostfreiem Stahl erstreckt sich durch den Emitterisolierblock hindurch nach oben in eine gebohrte Ausnehmung in dem Emitterblock, wie es in Fig. 11 gezeigt ist. Eine Reihe von Öffnungen ermöglichen es dann, daß Wasser in einen koaxialen Kanal an der Außenseite des Kupferrohrs fließen kann und dann in einer Reihe von Auslaßwasserkanälen 128, 129 und 130 gesammelt wird, die zu einer gemeinsamen Wasserauslaßöffnung 131 führen. Drei in gleichmäßigem Abstand angeordnete Emitterblockführungen 132 erstrecken sich oberhalb der oberen Oberfläche des Emitterisolierblocks und dienen als Positionierführungen für die drei Emitterblöcke, die auf der Oberseite des Emitterisolierblocks sitzen.
Die Fig. 20 bis 23 zeigen die konstruktiven Details der Emitterblöcke 114, die die Filamente tragen. In dem unteren Abschnitt jedes Emitterblocks 114 ist eine Ausnehmung 135 ausgebildet, um wie vorstehend beschrieben Kühlwasser aufzunehmen. Ausgesparte Bereiche 136, die in der Stirnfläche jedes Emitterblocks 114 ausgebildet sind, bilden zusammen die Kammer 95, in der das anfängliche Plasma erzeugt wird. Die Enden der Filamente 138 sind wie gezeigt mit einem zugeordneten Satz Schraubenbefestigungsanordnungen in einem Satz von Öffnungen 137 aufgenommen. Die Emitterblöcke werden durch das in Fig. 11 gezeigte Wasserrohr 119 aus rostfreiem Stahl mit Spannung versorgt, indem eine elektrische Versorgungsklemme 119A, wie in Fig. 11 gezeigt, auf ihm plaziert wird.
Fig. 24 zeigt eine Stromkreisversorgung der Niederspannungs-Plasmaquelle. Der Fokussierungsmagnet 99 der Niederspannungs-Plasmaquelle ist mit einer Gleichstrommagnetversorgung 150 so gekoppelt, daß der Fokussierungselektromagnet 99 ein magnetisches Feld mit regelbarer Stärke sowohl in dem in Fig. 11 gezeigten ersten Plasmabereich 95 als auch in dem zweiten Plasmabereich 97 erzeugt. Zwei getrennte Stromversorgungen 151 und 152 sind zwischen den Tiegel 30 und die dreiecksförmige Filamentanordnung 96 geschaltet. Die Grundvorspannungsversorgung 151 versorgt die Filamentversorgung 152 bei Niederspannung mit Starkstrom, um das gesamte Filament 96 relativ zu dem Tiegel 30 vorzuspannen. Die Filamentversorgung 152 ist eine Versorgung mit drei Phasensternschaltung, die für eine Widerstandserhitzung der Filamente einen Starkstrom durch diese erzeugt. Der positive Anschluß der Vorspannungsversorgung 151 ist mit einer Erdung des Stromkreises verbunden, und ein 30 Ohm Widerstand 153 ist zwischen die Kammer und die Stromkreiserdung geschaltet.
Spezielle Ausführungsform des Systems und Beispiele
Um die Wirksamkeit und Ergebnisse dieser Erfindung zu zeigen, wurde eine Versuchsversion eines Ionenplattier- Beschichtungssystems konstruiert. Die Dimensionen und die Betriebseigenschaften der Kammer und seiner verschiedenen Komponenten war wie folgt:
Das Versuchsionenplattiersystem wurde in ein wie in Fig. 3 angeordnetes typisches Beschichtungssystem mit einem 76,2·76,2·101,6 cm (30·30·40 Inch) großen Gehäuse mit Diffusionspumpe eingebaut, es wurde jedoch nur ein einziges Drehgestell mit einem Beschichtungsabstand von 81,28 cm (32 Inch) verwendet. Es wurde mit einem Vakuummeßgerät mit kalter Kathode, einem Quarzkristallbeschichtungsüberwachungsgerät, einem piezoelektrischen Servosteuergerät für das reaktive Gas und mit geeigneten Stromversorgungen für die Plasmabeschichtungsausrüstung während des Tests ausgerüstet. Alle Gase strömen durch Vorrichtungen zur Steuerung/Anzeige der Massenströmung, die es ermöglichen, die in dem Prozeß verwendete Gasmenge zu überwachen und nach Wunsch zu steuern.
Das in die Filamentkammer der Niederspannungsquelle übertragene Argonschutzgas wird durch diese Art von Vorrichtung gesteuert und überwacht. Der Ausdruck Schutzgas wird verwendet, da dieses Gas in der Filamentkammer zum Schutz des Filaments vor additiven Gasen, wie z. B. Sauerstoff, dient, die in die an die Filamentkammer angrenzende Plasmaerzeugungskammer überführt werden. Die Strömung eines Schutzgases, wie z. B. Argon, wird auf einem konstanten Niveau gehalten, um einen höheren Druck in der Filamentkammer als in der angrenzenden Plasmaerzeugungskammer aufrechtzuerhalten. Die Lebensdauer der Filamente wird durch Vermeidung der Erosion verlängert, die auftreten würde, wenn sie einem reaktiven Gas, wie z. B. Sauerstoff, ausgesetzt wären.
Die Strömung des reaktiven Gases oder die Strömung des additiven Gases werden durch diese Vorrichtung zur Steuerung und Anzeige der Strömung überwacht, sie wird jedoch durch ein Servosteuerventil gesteuert, wie es in Fig. 26 für den Fall einer Strömung eines reaktiven Sauerstoffgases gezeigt ist. Die Sauerstoffgasversorgung 200 überträgt den Sauerstoffstrom durch die Strömungssteuereinrichtung und -anzeige 201, die auf volle Öffnung eingestellt ist, so daß sie nur als Anzeige des durch sie strömenden Gases wirkt. Die Sauerstoffströmung wird tatsächlich durch das Servoventil 202 gesteuert. Eine Sollwertsteuerung 203 für den Partialdruck des Sauerstoffs steuert zusammen mit dem Druckmeßgerät 204, das den Prozentanteil von Sauerstoff in der Vakuumkammer mißt, das Servoventil, um den Partialdruck des Sauerstoffs in der Kammer auf einem konstanten voreingestellten Wert zu halten. Wenn ein unterschiedliches additives Gas verwendet wird, würde die Steuerung im wesentlichen die gleiche sein.
Die Menge des reaktiven Gases oder additiven Gases ist deswegen eine Funktion der Pumpgeschwindigkeit der Maschine und des Gettern des Gases durch das Verdampfungsmaterial. Ein großer Bereich von Parametern kann verwendet werden. Die untenstehende Tabelle I listet einige verwendbare repräsentative Werte und die typischen Brechungsindizes der sich ergebenden Schichten auf. Alle den Daten in Tabelle I entsprechenden Durchläufe wurden bei Raumtemperatur, ungefähr 72, gestartet und endeten aufgrund der durch den Prozeß hinzugefügten Hitze bei einer erhöhten Temperatur. Da in den abgeschiedenen Schichten keine Inhomogenität erkennbar ist, wird die Auffassung vertreten, daß Hitze keine wichtige Prozeßvariable ist.
Aus den in den Beispielen in Tabelle I gezeigten Ergebnissen ist zu erkennen, daß die Qualität der Oxidschichten, die auf einem Substrat durch Verwendung des Systems und des Verfahrens zur Plasmabeschichtung dieser Erfindung gebildet wurden, besser sind als diejenigen, die mit herkömmlichen Vakuumbedampfungsprozessen gebildet wurden. Die Eigenschaften der abgeschiedenen Dünnschichten sind wenigstens so gut und in manchen Fällen besser als jene, über die in der Veröffentlichung von Pulker et al. berichtet wurde. Tabelle I Verfahrensbeispiele Endgültige Beschichtungszusammensetzung Ausgangsverdampfungsmaterial Elektronenkanonenspannung in Kilovolt Elektronenkanonenstrom in Ampere Elektronenkanonenfokussierungsstrom in Ampere Anfangstemperatur der Kammer Vorspannungsspannung Vorspannungsstrom Sauerstoffströmung Argonströmung Kammerdruck Beschichtungsgeschwindigkeit Brechungsindizes Herkömmliche Verdampfung

Claims

1. Vorrichtung zur Abscheidung von Dünnschichtbeschichtungen, mit

einer Vakuumkammer (29),

einer Halteeinrichtung (41) für ein Substrat, die innerhalb der Vakuumkammer angeordnet ist und auf der wenigstens ein Substrat gelagert werden kann,

einer elektrisch leitenden Behältereinrichtung (30),

die innerhalb der Vakuumkammer für ein Halten einer Verdampfungsmaterialquelle mit einer Sichtlinie zwischen dem Material und dem Substrat angebracht ist, einer der Behältereinrichtung zugeordneten Heizeinrichtung (31) zum Erhitzen der Verdampfungsmaterialquelle, um das Material auf das Substrat aufzudampfen,

einer Plasmaerzeugungseinrichtung (32) zur Erzeugung eines hochgradigen Plasmas einer ausgewählten Gasart in einer getrennten Plasmaerzeugungskammer (35) und für eine Übertragung des Plasmas zu der Vakuumkammer, um die Vakuumkammer mit einem insgesamt verteilten Plasma zu füllen,

wobei die Plasmaquelle für einen Stromfluß zwischen ihr und der Behältereinrichtung mit dieser elektrisch verbunden ist, und

einer der Behältereinrichtung zugeordneten Magneteinrichtung (53, 54), die ein magnetisches Feld mit vorherbestimmten Eigenschaften in dem Bereich oberhalb der Behältereinrichtung erzeugt,

wobei die Anordnung so ist, daß das insgesamt verteilte Plasma und das durch das magnetische Feld hindurchgehende Verdampfungsmaterial zur Erzeugung eines hochgradigen zweiten Plasmas im Bereich oberhalb der Behältereinrichtung zusammenwirken, was von einem Hochstromfluß in der elektrischen Verbindung zwischen der Plasmaquelle und der Behältereinrichtung begleitet wird, wodurch das Verdampfungsmaterial aktiviert wird, wenn es durch den Bereich des zweiten Plasmas hindurchgeht, und dann auf dem Substrat abgeschieden wird, um eine vakuumabgeschiedene Dünnschicht zu erzeugen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Behältereinrichtung ein elektrisch leitender Tiegel ist und daß die Heizeinrichtung eine Hochspannungs-Elektronenstrahlquelle umfaßt, die innerhalb der Vakuumkammer (29) in der Nähe des Tiegels angeordnet ist und eine Hochspannungselektronenkanone (31) und ein Ablenkungsmagnetsystem aufweist, das so angeordnet ist, daß es von der Kanone kommenden Elektronen in den Tiegel ablenkt, um das darin befindliche vorher ausgewählte Material zu verdampfen, wobei das Magnetsystem ein Magnetfeld mit vorherbestimmten Eigenschaften in dem Bereich oberhalb des Tiegels bildet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenstrahlquelle (51) eine Quelle mit einer Ablenkung von 270 Grad ist und daß das Ablenkungsmagnetsystem (54) ein Paar von auf gegenüberliegenden Seiten der Elektronenkanone angeordneten Magnetpolstücken (53) aufweist, die so geformt sind, daß sie einen engeren Polspalt und eine entsprechende größere Magnetfeldstärke in dem Bereich der Elektronenkanone, an dem die Elektronen emittiert werden, und einen breiteren Polspalt und eine entsprechende kleinere Magnetfeldstärke in dem Bereich oberhalb des Tiegels und an diesen angrenzend bilden, um die Anzahl der Elektronen, die von dem zweiten Plasma zu dem Tiegel abgezogen werden, zu erhöhen und dadurch den Ionisationswirkungsgrad in dem Bereich des zweiten Plasmas zu steigern.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

ein zweiter elektrische leitender Tiegel (35) innerhalb der Vakuumkammer (29) an einer Stelle angeordnet ist, die von dem ersten Tiegel wesentlich entfernt ist (Fig. 25), wobei der zweite Tiegel bis auf eine elektrische Verbindung mit niedrigem Widerstand zwischen der Kammer und ihm von der Kammer elektrisch isoliert ist und der zweite Tiegel ein vorherbestimmtes zweites Material für ein Verdampfen auf das Substrat enthalten kann,

und daß eine zweite Hochspannungs-Elektronenstrahlquelle (31) innerhalb der Kammer in der Nähe des zweiten Tiegels und von der ersten Elektronenstrahlquelle entfernt angeordnet ist, um eine Wechselwirkung zwischen diesen zu verhindern, wobei die zweite Elektronenstrahlquelle eine Hochspannungselektronenkanone und ein Ablenkungsmagnetsystem aufweist, das so angeordnet ist, daß es Elektronen von der Kanone in den Tiegel ablenkt, um das darin befindliche vorherbestimmte Material zu verdampfen, und das Magnetsystem ein Magnetfeld mit vorherbestimmten Eigenschaften in dem Bereich oberhalb des zweiten Tiegels bildet,

daß der zweite Tiegel mit der Niederspannungs-Hochstromplasmaquelle für einen Stromfluß zwischen ihnen elektrisch verbunden ist und

daß das die Kammer füllende Plasma mit dem Magnetfeld oberhalb des zweiten Tiegels und dem den zweiten Tiegel verlassenden Verdampfungsmaterial zusammenwirkt, um ein hochgradiges zweites Plasma in dem Bereich oberhalb des zweiten Tiegels zu bilden, wodurch das Verdampfungsmaterial, das durch den Bereich in Richtung des Substrats hindurchgeht, aktiviert wird und auf diesem abgeschieden wird.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Substrathalter (41) in einem oberen Bereich der Kammer (29) angebracht ist, daß die Behältereinrichtung (30) und die Hochspannungselektronenkanone (31) in einem unteren Bereich der Kammer angeordnet sind und daß die Plasmaquelle (32) angrenzend an einen unteren Bereich der Kammer insgesamt an einer Stelle an einer Seite des Tiegels angeordnet ist, die der Elektronenkanone gegenüberliegt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmaquelle (32) umfaßt:

eine erste Kammer (95), die eine obere Wand, in der eine kleine Öffnung vorgesehen ist, eine dreiecksförmige Anordnung von drei getrennten Filamenten (96), die innerhalb der Kammer parallel zu der oberen Wand und zu der kleinen Öffnung zentriert angebracht sind, eine Einrichtung (152) für ein Anlegen einer Gleich-stromvorspannung zwischen den Filamenten und der oberen Wand, eine Einrichtung zur elektrischen Stromversorgung der Filamente, um diese aufzuheizen,

und eine Einrichtung zur Übertragung eines Edelgases zu der ersten Kammer für eine Plasmaaktivierung durch Elektronen aus den erhitzten Filamenten aufweist,

eine zweite Kammer (97), die als plasmaerzeugende Kammer dient und mit der ersten Kammer durch die kleine Öffnung (98) in Verbindung steht, um Elektronen von dem Plasma in der ersten Kammer aufzunehmen, und eine obere Wand, in der eine große Öffnung vorgesehen ist, die mit der Vakuumkammer in Verbindung steht, eine Einrichtung (122) für eine Übertragung der gewählten Gasart in die zweite Kammer,

und eine elektromagnetische Einrichtung (99) aufweist, die die zweite Kammer umgibt, um in dieser ein Magnetfeld zu erzeugen, wobei die Elektronen mit dem Magnetfeld zusammenwirken, um einen plasmaerzeugenden Bereich innerhalb der zweiten Kammer zu erzeugen, wodurch ein hochgradiges Plasma der gewählten Gasart für eine Übertragung in die Vakuumkammer erzeugt wird.

7. Verfahren zur Abscheidung von Dünnschichtbeschichtungen mit folgenden Schritten:

Anordnung eines Substrats in einer Vakuumkammer;

Anordnung einer Quelle von Verdampfungsmaterial innerhalb eines elektrisch leitenden Behälters in der Vakuumkammer mit einer Sichtlinie von dem Material bis zu dem Substrat;

Erzeugung eines hochgradigen Plasmas einer gewählten Gasart in wenigstens einer getrennten Kammer, die mit der Vakuumkammer in Verbindung steht, um die Vakuumkammer mit einem insgesamt verteilten Plasma zu füllen,

Kopplung des hochgradigen Plasmas und des Behälters in einem elektrischen Stromkreis für einen Stromfluß zwischen ihnen sowohl durch das innerhalb der Kammer verteilte Plasma als auch direkt durch Stromkreisverbindungen außerhalb der Kammer,

Erzeugung eines magnetischen Felds mit vorherbestimmten Eigenschaften in dem Bereich oberhalb des Behälters,

Erwärmung der Verdampfungsmaterialquelle, um dasselbe zu verdampfen und dadurch einen Bereich eines hochgradigen zweiten Plasmas in dem Magnetfeld oberhalb des Behälters zu bilden, durch den das Verdampfungsmaterial hindurchgeht, aktiviert wird und dann auf dem Substrat abgeschieden wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein hochgradiges Plasma einer gewählten reaktiven Gasart in der mit der Vakuumkammer in Verbindung stehenden getrennten Kammer erzeugt wird, um die Vakuumkammer mit einem insgesamt verteilten Plasma der reaktiven Gasart zu füllen, und daß die Verdampfungsmaterialquelle erwärmt wird, um dasselbe zu verdampfen und dadurch einen Bereich mit einem hochgradigen zweiten Plasma oberhalb des Behälters zu bilden, durch den das Verdampfungsmaterial hindurchgeht und auf seinem Weg zu dem Substrat aktiviert wird, wo es sich mit der reaktiven Gasart vereinigt und auf einem Substrat als Dünnschicht abscheidet.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die hochgradigen Plasmen der ersten und der zweiten ausgewählten Gasart für eine Abscheidung auf dem Substrat als Dünnschicht in getrennten Kammern erzeugt werden, die mit der Vakuumkammer in Verbindung stehen.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Material chemisch unterschiedlich sind und während getrennter Zeiträume erzeugt werden, so daß die während des ersten Zeitraums abgeschiedene Dünnschicht das erste Material und die während des zweiten Zeitraums abgeschiedene Dünnschicht das zweite Material enthält.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Material chemisch unterschiedliche Materialien sind und während des gleichen Zeitraums erzeugt werden, so daß die auf dem Substrat abgeschiedene Dünnschicht sowohl das erste als auch das zweite Material enthält.