DE3790317C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dünnschichtbedampfung eines Substrates in inerter und/oder reaktiver Atmosphäre nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine Vorrichtung zur Dünnschichtbedampfung eines Substrates in inerter und/oder reaktiver Atmosphäre ist aus der GB-PS 15 18 911 bekannt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel gelangt eine Vorrichtung zur Dünnschichtbedampfung eines Substrates zur Anwendung, die einen Vakuumbehälter mit einer darin angeordneten Aufdampfquelle enthält. Im Inneren des Vakuumbehälters ist eine inerte und/oder reaktive Atmosphäre vorhanden. Gegenüber der Aufdampfquelle ist eine Gegenelektrode angeordnet, die ein Substrat hält, wobei ferner zwischen der Aufdampfquelle und der Gegenelektrode eine Quelle für thermische Elektronen vorhanden ist. Zwischen der Aufdampfquelle und der Gegenelektrode ist schließlich eine Steuereinrichtung angeordnet, die bezüglich der Gegenelektrode auf positivem Potential liegt und verdampftes Material durchläßt. Schließlich ist auch eine Spannungsquellenanordnung vorhanden zum Anlegen von Potentialen an einigen der genannten Teile. Bei dieser bekannten Anordnung ist die Steuereinrichtung jedoch nicht als Steuergitter ausgebildet. Zwischen der Aufdampfquelle und der Gegenelektrode ist innerhalb des Strahlenganges keinerlei Gitteranordnung vorhanden. Bei diesem bekannten Aufbau besteht die Möglichkeit, daß die Ionisierung nicht mit besonders hohem Wirkungsgrad erfolgt, da die von der Quelle für thermische Elektronen abgegebenen Elektronen nur sehr schwer aufgrund der Ionenwanderung in den mittleren Bereich des Ionenstrahls gelangen können bzw. die Elektronenverteilung über den Querschnitt des Ionenstrahls hinweg gesehen unterschiedlich ist, was zu einer unterschiedlichen Ionisierung über den Querschnitt des Ionenstrahls hinweg gesehen führt. Eine einheitliche hohe und stabile Ionisierung kann somit mit Hilfe dieser bekannten Vorrichtung nicht realisiert werden.

Aus der US-PS 44 80 010 ist ein Gerät zur Ionenplattierung bekannt, welches ebenfalls die wesentlichen Einrichtungen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 enthält. Dieses bekannte Gerät enthält Anoden, die auf dem gleichen elektrischen Potential liegen und in Strahlrichtung eines Ionenstrahls im Abstand zueinander angeordnet sind. Einrichtungen wie Gitterelektroden fehlen auch bei dieser bekannten Konstruktion vollständig.

Aus der US-PS 42 13 844 ist ein Ionenplattierungsgerät bekannt, bei dem mehrere Ionenquellen zur Anwendung gelangen können. Dieses bekannte Ionenplattierungsgerät umfaßt eine Ionisierungskammer mit einer Einrichtung zum Imitieren von Elektronen. Es sind ferner Elektronenbeschleunigungselektroden vorgesehen, um die Dämpfe der verdampfenden Materialien in Richtung auf eine Substratoberfläche zu beschleunigen. Die der Elektronenbeschleunigung dienenden Elektroden sind auf einem positiven Potential gegenüber der Einrichtung zum Erzeugen der Elektronen gehalten, so daß dadurch die verdampften Materialien ionisiert werden.

Schließlich ist aus der US-PS 35 83 361 ein Ionenstrahlniederschlagsverfahren bekannt, wobei Mittel zur Anwendung gelangen, um zu verhindern, daß Atome des Niederschlagsmaterials zu einer Ionisationszone gelangen können. Bei der Anordnung zur Durchführung dieses bekannten Verfahrens gelangt eine Gitterelektrode zur Anwendung, die mit einer vollkommen unabhängigen Stromversorgungsquelle verbunden ist. Eine weitere mit der gleichen Stromversorgungsquelle verbundene Elektrode dient dazu, die Ionen aus einer Ionisationszone herauszuziehen, während die genannte Gitterelektrode als Beschleunigungselektrode dient, um also die Ionen in Richtung auf ein Substrat hin zu beschleunigen. Bei dieser bekannten Anordnung sind keinerlei Maßnahmen getroffen, um die innerhalb der Ionisierungskammer vorhandene Einrichtung zur Erzeugung thermischer Elektroden daran zu hindern, zur Aufdampfquelle zu gelangen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung zur Dünnschichtbedampfung eines Substrates der angegebenen Gattung zu schaffen, welche die Möglichkeit bietet, nicht nur eine hohe Ionisierung zu erreichen, sondern auch den Ionisierungszustand sehr stabil zu gestalten, um die Dünnschichtbedampfung mit hoher Gleichmäßigkeit zu realisieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Dadurch, daß bei der Vorrichtung nach der Erfindung die Steuereinrichtung aus einem Steuergitter besteht, welches verdampftes Material durchläßt, kann der zum Substrat hin gerichtete Ionenstrahl sehr viel genauer und besser gesteuert werden, so daß die Gleichmäßigkeit der Beschichtung dadurch erhöht werden kann.

Da erfindungsgemäß ein weiteres Steuergitter zwischen der Aufdampfquelle und der Gegenelektrode angeordnet ist und das Potential des weiteren Steuergitters bezüglich der Gegenelektrode positiv, negativ oder Null ist, wird verhindert, daß thermische Elektronen zur Aufdampfquelle gelangen können. Die thermischen Elektronen werden in einem bestimmten Bereich innerhalb des Vakuumbehälters konzentriert gehalten, so daß dadurch die verdampfte Substanz in einem sehr stabilen Zustand ionisiert gehalten werden kann.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 4.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Dünnschichtbedampfung mit Merkmalen nach der Erfindung; und

Fig. 2 eine Abwandlung von Fig. 1.

Die erste Ausführungsform wird nunmehr unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben.

Eine Dünnschichtherstellungseinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform weist einen Vakuumbehälter, eine Aufdampfquelle, eine Gegenelektrode, ein Heizelement, mehrere Gitter, eine Energieversorgungseinrichtung und eine elektrisch leitende Einrichtung auf.

Der Vakuumbehälter ist verwendet, um in ihm ein Aktivgas, ein Inertgas oder ein Mischgas aus beiden einzuführen. Die Aufdampfquelle, die Gegenelektrode, das Heizelement und die Gitter sind in dem Behälter angeordnet.

Die Gegenelektrode und die Aufdampfquelle sind so angeordnet, daß sie einander gegenüberliegen. Die Gegenelektrode ist vorgesehen, um ein Substrat zu halten, das auf der Seite zu bedampfen ist, welche der Aufdampfquelle gegenüberliegt.

Ein Heizelement dient zum Erzeugen von thermischen Elektronen.

Die Energieversorgungseinrichtung ist eine Einrichtung, um eine elektrische Energie in den Vakuumbehälter zu liefern, und ist mit der Behälterinnenseite über eine elektrisch leitende Einrichtung verbunden.

Wie vorstehend beschrieben, ist bei dieser Ausführungsform das Heizelement so angeordnet, daß positive Elektroden sowohl von der verdampften Substanz als auch von dem eingeführten Gas infolge der thermischen Elektronen erzeugt werden.

In Fig. 1 bezeichnen Bezugszeichen 302, 304 und 303 eine Grundplatte, eine Dichtung bzw. eine Vakuumglocke. Die Vakuumglocke 303 und die Grundplatte 302 sind über die Dichtung 304 zu einer Einheit verbunden, um einen Vakuumbehälter zu bilden, in welchen ein Aktivgas und/oder ein Inertgas in bekannter Weise eingebracht werden kann. Eine Bohrung 302 a, welche in der Mitte der Grundplatte 302 vorgesehen ist, ist mit einem nicht dargestellten Absaugsystem verbunden.

Eine Gegenelektrode 305, ein erstes Gitter 306, das Heizelement 307, ein zweites Gitter 308 und die Aufdampfquelle 309 sind in der Reihenfolge von oben her in entsprechenden Abständen in dem Behälter 301 vorgesehen. Diese Teile werden in horizontaler Richtung durch Elektroden 310, 311, 312, 313 bzw. 314 gehalten. Alle diese Elektroden stehen durch die Grundplatte 302 nach außen aus dem Tank 301 vor und sind elektrisch bezüglich der Grundplatte 302 isoliert. Diese Elektroden 310 bis 314 verbinden die Innenseite elektrisch mit der Außenseite des Behälters 301 und bilden zusammen mit anderen Verdrahtungsmitteln eine elektrisch leitende Einrichtung.

Die Bohrungen in der Grundplatte, durch welche die Elektroden vorstehen, sind natürlich luftdicht abgedichtet. Eine Aufdampfquelle 309 mit einer Widerstandsheizung, welche eine Wicklung aus einem Metall wie Wolfram oder Molybdän enthält, ist zwischen dem Elektrodenpaar 314 gehalten. Die Form der Aufdampfquelle kann statt der Wicklung auch ein Schiffchen sein. Die Aufdampfquelle mit Widerstandsheizung kann auch eine Elektronenstrahlquelle sein, wie sie in einem herkömmlichen Bedampfungssystem verwendet ist. Das Substrat 315, auf welchem eine Dünnschicht auszubilden ist, ist in entsprechender Weise an der Unterseite der Gegenelektrode 305 gegenüber der Aufdampfquelle 309 und durch die Elektrode 310 gehalten.

Das Heizelement 307, welches durch das Elektrodenpaar 312 gehalten ist, dient der Erzeugung von thermischen Elektronen und ist aus Wolfram u. ä. hergestellt. Das Heizelement 307 hat eine Netz- oder Maschenform, um so die gestreuten Partikel abzudecken, welche von der Aufdampfquelle 309 verdampft sind.

Erste und zweite Steuergitter 306 und 308, die von Elektroden 311 bzw. 313 gehalten sind, haben beispielsweise die Konfiguration eines Maschennetzes, durch welches verdampfte Substanzen hindurchtreten können.

Eine Spannungsquelle 316 ist außerhalb des Vakuumbehälters 301 vorgesehen und über die Elektroden 310 bis 314 mit der Gegenelektrode 305, dem ersten und zweiten Gitter 306 und 308 und dem Heizelement 307, der Aufdampfquelle 309 usw. verbunden, welche innerhalb des Behälters 301 angeordnet sind, so daß diese Elemente in eine vorherbestimmte elektrische Potentialbeziehung zueinander gesetzt sind.

Die Aufdampfquelle 309 ist mit einer Wechselstromheizquelle 317 verbunden. Der positive Pol einer Gleichspannungsquelle 318 ist über die Elektrode 311 mit dem ersten Steuergitter 306 und deren negativer Pol ist über die Elektrode 310 mit der Gegenelektrode 305 verbunden. Hierbei ist das erste Steuergitter 306 so eingestellt, daß es im Vergleich zu der Gegenelektrode 305 auf positivem Potential liegt. Folglich ist das elektrische Feld zwischen dem ersten Steuergitter 306 und der Gegenelektrode 305 von der ersten Elektrode 306 zu der Gegenelektrode 305 ausgerichtet. Das Heizelement 307 ist über das Elektrodenpaar 312 mit einer Gleichspannungsquelle 319 verbunden. Obwohl der positive Pol der Gleichspannungsquelle 319 geerdet ist, dann stattdessen auch der negative Pol der Gleichspannungsquelle 319 geerdet sein. Andererseits kann auch eine Wechselspannungsquelle verwendet werden. Das zweite Steuergitter 308 ist über die Elektrode 313 mit dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle 320 verbunden. Das zweite Steuergitter 308 kann jedoch auch mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle 320 verbunden sein oder kann unmittelbar geerdet sein, ohne daß die Gleichspannungsquelle 320 verwendet wird. Somit kann das zweite Steuergitter 308 bezüglich der Gegenelektrode 305 auf positivem, negativem oder Null-Potential liegen.

Die Spannungsquellen 317 bis 320 bilden die Spannungsquelleneinrichtung 316. Die dargestellte Erdung ist nicht notwendigerweise erforderlich. In der Praxis enthalten die elektrischen Verbindungen verschiedene Schalter, welche betätigt werden, um einen Dünnschichtherstellungsprozeß auf dem Substrat 315 durchzuführen; sowohl in der Darstellung als auch in der weiteren Beschreibung sind diese Schalter weggelassen.

Ein Dünnschichtherstellungsprozeß mit Hilfe einer derartigen Dünnschichtherstellungseinrichtung wird nunmehr beschrieben. Als erstes wird, wie dargestellt, ein Substrat 315, auf welchem eine Dünnschicht auszubilden ist, an der Gegenelektrode 305 festgehalten, und eine verdampfbare Substanz wird durch die Aufdampfquelle 309 gehalten. Die verwendete, verdampfbare Substanz wird in Abhängigkeit von einer auszubildenden Dünnschicht festgelegt. Beispielsweise kann ein Metall, wie Aluminium oder Gold, ein Oxid, ein Fluorid oder Sulfid eines Metalls oder eine Legierung als die verdampfbare Substanz verwendet werden. Ein Aktivgas, ein Inertgas oder Mischgas aus beiden wird im voraus in den Behälter 301 bei einem Druck von 1,33×10⁻² bis 1,33×10⁻⁵ mbar eingeleitet. Hierbei soll beispielsweise ein Inertgas, wie Argon, eingeleitet werden.

Wenn unter dieser Voraussetzung die Einrichtung betrieben wird, wird die verdampfbare Substanz, welche von der Aufdampfquelle 309 gehalten ist, durch Heizen verdampft. Eine Substanz, welche von der Aufdampfquelle 309 aus verdampft worden ist, d. h. deren Partikel fliegen divergierend nach oben zu dem Substrat 315 hin durch das erste Steuergitter 306 hindurch. Andererseits werden thermische Elektronen von dem durch die Gleichstromquelle 319 geheizten Heizelement 307 emittiert. Die von dem Heizelement 307 erzeugten Elektronen werden durch das elektrische Feld zwischen dem ersten Steuergitter 306 und der Gegenelektrode 305 beschleunigt, so daß sie zu dem ersten Steuergitter 306 hin fliegen. Folglich treffen die Elektronenpartikel des eingeleiteten Gases und der verdampften Substanzen, die in dem Raum um das erste Steuergitter 306 herum vorhanden sind, um sie zu ionisieren. Auf diese Weise wird ein Plasmazustand in dem Raum um das erste Steuergitter 306 herum verwirklicht.

Wenn in diesem Fall das zweite Steuergitter 308 auf positives oder Null-Potential gesetzt wird, wird es thermische Elektronen von der Aufdampfquelle 309 absorbieren. Wenn das zweite Steuergitter 308 auf ein negatives Potential eingestellt ist, wird es zu einer Barriere, die verhindert, daß thermische Elektronen die Aufdampfquelle 309 passieren. Folglich beeinflussen thermische Elektronen von der Aufdampfquelle 309 das Plasma, das auf der Seite des Substrats 315 erzeugt wird, über das zweite Steuergitter 308 hinaus kaum. Folglich kann das Plasma in seinem sehr stabilisierten Zustand gehalten werden. Folglich kann verdampfbare Substanz in einem sehr stabilisierten Zustand ionisiert werden.

Die auf diese Weise ionisierte, verdampfte Substanz wird durch die Wirkung des elektrischen Feldes, das von dem ersten Steuergitter 306 zu der Gegenelektrode 305 gerichtet ist, beschleunigt, um mit hoher Geschwindigkeit zu dem Substrat 315 zu fliegen und auf dieses aufzutreffen. Hierdurch wird dann eine gewünschte Dünnschicht auf dem Substrat 315 ausgebildet. Eine solche Dünnschicht ist der Ionisierung der verdampften Substanz zuzuschreiben, so daß sie hinsichtlich ihrer Haftung auf dem Substrat 305, hinsichtlich ihrer Kristallstruktur und ihrer Ausrichtung ausgezeichnet ist.

Wie vorstehend gerade beschrieben, ist bei dieser Ausführungsform die Ionisierung einer verdampften Substanz sehr hoch und stabil, so daß, selbst wenn ein Aktivgas allein oder zusammen mit einem Inertgas in den Behälter 301 eingeleitet wird, um eine Schicht aus Verbindungen durch Verbinden der verdampften Substanz mit dem Aktivgas zu bilden, eine Schicht mit gewünschten physikalischen Eigenschaften sicher erhalten werden kann.

Wenn beispielsweise Argon oder Sauerstoff als das Inertgas bzw. das Aktivgas eingeleitet werden, wird der Druck in dem Behälter auf einen Wert von 1,33×10⁻³ bis 1,33×10⁻⁴ mbar eingestellt, und wenn Aluminium als eine verdampfbare Substanz gewählt wird, dann wird eine Dünnschicht aus Al₂O₃ auf dem beschichteten Substrat ausgebildet; ferner werden, wenn In oder Zn als verdampfbare Substanz gewählt wird, Dünnschichten aus In₂O₃ oder ZnO erhalten.

Wenn H₂S oder Cd als das Aktivgas bzw. die verdampfbare Substanz gewählt werden, wird eine Dünnschicht aus CdS erhalten. Wenn außerdem zusammen mit Argon Ammoniak als das Aktivgas verwendet wird und wenn Ti oder Ta als die verdampfbare Substanz gewählt wird, wird eine Dünnschicht aus TiN oder TaN erhalten.

Da in dieser Ausführungsform thermische Ionen von dem Heizelement 307 wirksam zu der Ionisierung der verdampften Substanz und des eingeleiteten Gases beitragen, ist eine Ionisierung der verdampften Substanz unter einem hohen Vakuum unter 1,35×10⁻⁴ mbar möglich. Somit wird die Anzahl an Gasmolekülen, welche in die Dünnschicht aufgenommen worden sind, stark reduziert, wodurch eine Dünnschicht hoher Reinheit geschaffen ist. Die Dünnschicht kann so ausgebildet werden, daß sie eine sehr dichte Struktur hat. Obwohl die Dichte der Dünnschicht i. a. niedriger als die Festkörperdichte sein soll, ist die spezielle Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, daß eine Dünnschicht erhalten wird, welche eine Dichte hat, welche der Festkörperdichte sehr nahe kommt. Folglich ist die Dünnschichtherstellungseinrichtung gemäß dieser Ausführungsform sehr für die Ausbildung von dünnen Metallschichten hoher Dichte, wie dünnen Halbleiterschichten und/oder als deren Elektroden sehr geeignet, welche Teile von integrierten Schaltkreisen (IC), LSI-IC-Kreisen usw. darstellen.

Bei der Vorrichtung mit den Merkmalen nach der Erfindung werden gleichzeitig die Vorteile eines CVD-Prozesses, welcher eine starke Reaktionsfähigkeit schafft, und die Vorteile eines PVD-Prozesses verwirklicht, bei welchem eine Schicht in einer Hochvakuumatmosphäre gebildet wird, um dadurch die Ausbildung einer dichten, haltbaren Schicht zu erlauben. Da eine verdampfte Substanz ionisiert wird und eine hohe elektrische Energie (Elektronen, Ionentemperatur) hat, ist die Ausbildung einer Schicht, welche eine Reaktionsfähigkeit und eine Kristallisation erfordert, ohne Anlegen von thermischer Energie (Reaktions- und Kristallisierungstemperatur), nämlich bei niedriger Temperatur, verwirklicht. Daher kann das Substrat 315 eine Kunststoffplatte mit einem niedrigen Wärmewiderstand sein. Fig. 2 zeigt eine Abwandlung der erläuterten Ausführungsform. In Fig. 2 ist ein Teil, welches mit demjenigen in Fig. 1 identisch ist, mit demselben Bezugszeichen bezeichnet. In dieser Abwandlung ist sowohl das erste als auch das zweite Steuergitter 306 und 308 unter dem Heizelement 307 angeordnet. Diesbezüglich unterscheidet sich die Abwandlung von der ersten Ausführungsform; sie hat aber im wesentlichen die gleichen Wirkungen.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur Dünnschichtbedampfung eines Substrates in inerter und/oder reaktiver Atmosphäre, mit einer in einem Vakuumbehälter angeordneten Aufdampfquelle, einer gegenüber der Aufdampfquelle angeordneten Gegenelektrode, die das Substrat hält, mit einer zwischen der Aufdampfquelle und der Gegenelektrode angeordneten Quelle für thermische Elektronen, mit einer zwischen der Aufdampfquelle und der Gegenelektrode angeordneten Steuereinrichtung, die bezüglich der Gegenelektrode auf positivem Potential liegt und verdampftes Material durchläßt, und mit Spannungsquelleneinrichtungen zum Anlegen von Potentialen an zumindest einige der vorstehenden Teile, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die Steuereinrichtung aus einem Steuergitter (306) besteht, welches verdampftes Material durchläßt,
• b) ein weiteres Steuergitter (308) zwischen der Aufdampfquelle (309) und der Gegenelektrode (305) angeordnet ist, und
• c) das Potential des weiteren Steuergitters (308) bezüglich der Gegenelektrode (305) positiv, negativ oder Null ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem einen Steuergitter (306) und dem anderen Steuergitter (308) ein Heizelement (307) zum Erzeugen von thermischen Elektronen angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem einen Steuergitter (306) und der Gegenelektrode (305) ein Heizelement (307) zum Erzeugen von thermischen Elektronen angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Vakuumbehälter eine Atmosphäre aus einem Mischgas aus einem Aktiv- und einem Inertgas vorhanden ist.