DE3809734C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung ei­ ner dünnen Schicht aus einem Beschichtungsmaterial auf einem Substrat mit einer Vakuumkammer, die eine Halterung für das Substrat enthält, einer Clustererzeugungseinrichtung zur Er­ zeugung von Clustern des Beschichtungsmaterials, einer Ioni­ sierungseinrichtung zur Ionisierung der Cluster und einer Be­ schleunigungseinrichtung, die mindestens eine Elektrode auf­ weist zur Beschleunigung der Clusterionen mit Hilfe eines elektrischen Feldes entlang einer Beschleunigungsstrecke in Richtung auf das Substrat.

Eine solche Vorrichtung ermöglicht ein Verfahren zur Her­ stellung einer dünnen Schicht eines Beschichtungsmaterials auf einem Substrat, bei dem ionisierte Cluster des Beschich­ tungsmaterials erzeugt und mit Hilfe eines elektrischen Fel­ des auf das Substrat beschleunigt werden.

Dünne Schichten werden im Vakuum nach verschiedenen bekann­ ten Verfahren hergestellt. Beispiele sind das Bedampfungs­ verfahren und das Sputterverfahren. Beim Bedampfen befindet sich das Substrat in der Nähe eines offenen Tiegels, in dem das Bedampfungsmaterial erhitzt wird. Beim Sputterverfahren werden Partikel, vorzugsweise atomare Ionen auf eine feste Oberfläche des Beschichtungsmaterials (Sputtertarget) geschossen, wobei atomare oder niedermolekulare Partikel des Beschichtungsma­ terials frei werden und sich auf dem in der Nähe des Sputter­ targets angeordneten Substrat niederschlagen. Das Sputtern wird auch als "Zerstäuben" bezeichnet, jedoch ist auch im deutschen Sprachraum der englischen Ausdruck geläufig, so daß er im folgenden ausschließlich verwendet wird.

Ein weiteres bekanntes Verfahren ist die Cluster-Ionen-Epitaxie bei der nicht einzelnen Atome auf der Substratoberfläche nie­ dergeschlagen, sondern die aus einem Bedampfungstiegel aus­ tretenden Atome zunächst zu sogenannten "Clustern" vereinigt werden. Dadurch soll eine Verbesserung der Schichtoberfläche erreicht werden. Die Cluster werden teilweise ionisiert und erst dann auf dem zu beschichtenden Substrat niedergeschlagen.

Cluster ist ein in der Physik gebräuchlicher Ausdruck für Aggregate einer Mehrzahl von Atomen oder Molekülen. Die Zahl der Atome oder Moleküle, die ein Cluster bilden, kann sehr stark variieren. Typischerweise liegt die Größenordnung zwischen 10 und 10⁵.

Aus der DE-A 26 28 366, von der die Erfindung ausgeht, ist ein Cluster-Ionen-Epitaxie-Verfahren bekannt, bei dem ein geschlossener Schmelztiegel verwendet wird, der eine kleine, als Injektionsdüse dienende Öffnung hat. Der Tiegel wird im Vakuum erhitzt, wobei die durch die Injektionsdüse aus­ tretenden Partikel sehr schnell expandieren. Diese sogenann­ te adibatische Expansion führt zur Bildung von Clustern, wel­ che anschließend mit Hilfe eines Elektronenstroms, der von einem geheizten Draht ausgeht, ionisiert werden. Die ioni­ sierten Cluster werden in einem elektrischen Feld auf das Substrat beschleunigt.

Um hochwertige Schichten mit guten optischen, elektrischen und mechanischen Eigenschaften herzustellen, ist es sehr wichtig, daß die Schichten sauber und ohne prozeßbedingte Verunreinigungen aufgebracht werden. Je sauberer die Schich­ ten sind, desto hochwertiger sind sie im allgemeinen.

In dieser Hinsicht können die bekannten Cluster-Ionen- Epitaxie-Verfahren nicht überzeugen. Insbesondere sind die prozeßbedingten Verunreinigungen zu hoch. Sie sind beispiels­ weise auf das Tiegelmaterial, Reaktionsprodukte des Tiegel­ materials mit dem zu verdampfenden Stoff und Reaktionspro­ dukte des Tiegelmaterials mit eventuell vorhandenen reakti­ ven Gasen zurückzuführen. Außerdem können Verstopfungen der Düse zu nachteiligen Veränderungen der Verfahrensparameter führen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Herstellung dünner Schichten mit verbesserter Qualität bei vertretbarem Aufwand zur Ver­ fügung zu stellen.

Die Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs bezeich­ neten Art dadurch gelöst, daß die Clustererzeugungseinrichtung eine Sputtereinheit mit einem Sputtertarget aus festem Be­ schichtungsmaterial zur Überführung des Beschichtungsmaterials in die Gasphase und eine Aggregationskammer mit einer Zufuhr­ leitung für ein Gas aufweist, die Beschleunigungseinrichtung sich in einer von der Aggregationskammer getrennten Be­ schleunigungskammer befindet, die durch eine in der Verlängerung der Beschleunigungsstrecke angeordnete Durchtritts­ öffnung für die Cluster mit der Aggregationskammer verbunden ist, an die Beschleunigungskammer eine Vakuumpumpe angeschlos­ sen ist, und die Gasatmosphäre in der Aggregationskammer durch die Steuerung der Gaszufuhr und der Vakuumpumpleistung der­ art einstellbar ist, daß durch Stöße mit den Gasatomen Cluster des Beschichtungsmaterials gebildet werden.

Das Verfahren der eingangs bezeichneten Art besteht darin, daß zum Erzeugen der ioni­ sierten Cluster das Beschichtungsmaterial durch Sputtern in die Gasphase überführt wird und die entstehenden Partikel in eine Gasatmosphäre gelangen, in der durch Stöße mit den Gasatomen die Cluster gebildet werden.

Für die Aggregation der Cluster sind in erster Linie Edel­ gase und deren Gemische, vor allem Helium-Argon-Gemische ge­ eignet. Unter Umständen können aber auch andere Gase, wie Stickstoff oder Kohlenwasserstoffe, als Aggregationsgas verwendet werden.

Die Erfindung zeigt vor allem folgende Vorteile:

• 1. Sie ist für eine Vielzahl von Beschichtungsmaterialien (Metalle, Halbleiter und Isolatoren) verwendbar. Vor al­ lem können auch hochschmelzende Materialien (Wolfram, Tantal, Titan) verwendet werden, für die das bekannte Cluster-Ionen-Epitaxie-Verfahren völlig ungeeignet ist.
• 2. Da kein Tiegel und keine thermischen Prozesse zum Über­ führen des Materials in die Gasphase verwendet werden, ent­ fallen die damit verbundenen Verunreinigungen.
• 3. Da Sputter-Elektroden üblicherweise wassergekühlt sind, wird das Vakuum der Apparatur nicht dadurch belastet, daß Teile im Innern der Vakuumkammer aufgeheizt werden müssen.
• 4. Da keine Düse zur Clustererzeugung verwendet wird, ent­ fallen die damit verbundenen Nachteile (Verstopfung, Erosion).
• 5. Der Beschichtungsvorgang läßt sich durch Steuerung der Sputterrate nahezu trägheitslos kontrollieren, während bei dem bekannten Verfahren wegen der thermischen trägen Massen eine schnelle Kontrolle unmöglich war. Mit der schnellen Steuerbarkeit wird die Prozeßautomatisierung wesentlich erleichtert. Teilweise werden völlig neue Schichtaufbauten ermöglicht.
• 6. Die Strahlrichtung des auf das Substrat gerichteten Clusterstrahl ist beliebig, während das bekannte Ver­ fahren auf eine senkrechte Strahlrichtung festgelegt ist. Dies erleichtert die Konstruktion der Gesamt­ anlage.

Besonders bevorzugt wird eine Gasentladung zum Sputtern ver­ wendet. Dadurch lassen sich verhältnismäßig hohe Beschich­ tungsraten mit geringem apparativen Aufwand erreichen.

Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 eine Vorrichtung im Querschnitt

Fig. 2 eine alternative Ausführungsform im Querschnitt

Fig. 3 eine zweite alternative Ausführungsform im Querschnitt

Die in Fig. 1 dargestellte Cluster-Ionen-Epitaxie- Vorrichtung besteht aus einem Vakuumgehäuse 2, in dem drei Kammern, nämlich eine Sputterkammer 3, eine Aggre­ gationskammer 4 und eine Beschleunigungskammer 5 durch Trennwände 6, 7 voneinander abgeteilt sind. Die Trenn­ wände 6, 7 weisen jeweils in ihrer Mitte Durchtritts­ öffnungen 8, 9 auf, die einerseits die Sputterkammer 3 mit der Aggregationskammer 4, und andererseits die Aggregationskammer 4 mit der Beschleunigungskammer 5 verbinden.

In der Sputterkammer 3 befindet sich das Sputtertar­ get 10 in einer Halterung 11. Zusammen mit der Spannungs­ versorgung 12 bilden diese eine Sputtereinheit 13. Eben­ falls in der Sputterkammer 3 ist ein Glühdraht 14 vor­ gesehen, der an ein Heiznetzteil 15 und einem Beschleu­ nigungsspannungsnetzteil 16 angeschlossen ist.

Durch eine Leitung 17 läßt sich, gesteuert mit dem Ven­ teil 18, ein Gas, das als Aggregationsgas dient, in die Sputterkammer 3 einleiten. Im folgenden wird ohne Be­ schränkung der Allgemeinheit davon ausgegangen, daß ein Edelgas für die Clusteraggregation verwendet wird.

An der Aggregationskammer ist eine Leitung 19 vorge­ sehen, durch die bei Bedarf zusätzliche Gase zuge­ führt werden können. Über einen Stutzen 20 ist eine Vakuumpumpe 21 an die Aggregationskammer 4 angeschlos­ sen.

In der Beschleunigungskammer 5 befindet sich das zu beschichtende Substrat 22 auf einer Halterung 23, die an dem Gehäuse 2 befestigt ist. Vier Beschleunigungs- und Focussierungselektroden 24-27 umgeben die durch die Pfeile 28 symbolisierte Flugbahn jeweils ringförmig. Die Teilstrecke 28 a der Flugbahn 28, die durch die Be­ schleunigungselektroden verläuft, wird als Beschleuni­ gungsstrecke bezeichnet.

Der Beschleunigungsstrecke vorgelagert ist eine Ioni­ sierungseinheit 30, die im dargestellten Beipsielsfall aus einer Kathode 31 und einer Hilfsanode 32 besteht. Spannungsversorgungen 33-38 versorgen die in der Be­ schleunigungskammer 5 vorgesehenen Elektroden.

Über einen Stutzen 39 ist eine Vakuumpumpe 40 mit der Beschleunigungskammer 6 verbunden. Eine zusätzliche Gaszufuhr ist über eine Leitung 41 möglich.

Wenn die Spannungsversorgung 12 eingeschaltet und da­ mit das Sputtertarget unter negative Spannung gegenüber dem Gehäuse gesetzt wird, setzt eine Gasentladung in der Umgebung des Target (das auch als "Sputterkathode" bezeichnet wird), ein. Dabei werden Edelgasatome durch Stöße mit Elektronen ionisiert und auf die Oberfläche des Sputtertarget 10 beschleunigt. Beim Auftreffen wer­ den sowohl durch thermische Verdampfung als auch durch unmittelbar Impulsübertragung Atome und in geringem Um­ fang kleinere Molekülfragmente aus der Oberfläche des Target abgelöst. Der bei weiterem überwiegende Teil der entstehenden Teilchen (normalerweise über 99%) sind neutrale Atome.

Der Sputterprozeß kann gewünschtenfalls dadurch unter­ stützt werden, daß der Glühdraht 14 eingeschaltet wird. Die von dem Glühdraht 14 austretenden Elektronen unter­ stützen die Ionenbildung beim Sputterprozeß und erhöhen deswegen die Sputterausbeute. Alternativ oder zusätzlich kann statt der Elektronenquelle 14 auch eine Ionenquelle in der Sputterkammer 3 eingesetzt sein, aus der Ionen auf das Sputtertarget 10 beschleunigt werden.

Durch die Leitung 17 wird, gesteuert durch das Ventil 18, ein Edelgas zugeführt. Es durchströmt die Durchtritts­ öffnungen 8 und 9 und wird von der Pumpe 40 aus der Be­ schleunigungskammer 5 abgesaugt. Der Edelgasdruck in den Kammern 3, 4 und 5 wird durch die Zufuhrrate des Edel­ gases, die Größe der Durchtrittsöffnungen und die Pumpleistung der Pumpe 40, sowie der Pumpe 21, falls diese in Betrieb ist, bestimmt und läßt sich durch Ver­ änderung dieser Einflußgrößen einstellen. Um den Druck in der Aggregationskammer 4 unabhängig erhöhen oder er­ niedrigen zu können, ist es möglich, Gas durch die Lei­ tung 19 zuzuführen und/oder mit Hilfe der Pumpe 21 ab­ zusaugen.

Die von dem Sputtertarget austretenden, verhältnismäßig schnellen Atome (kinetische Energie typischwerweise ei­ nige 0 bis 20 eV) werden durch Stöße mit den Gasteilchen verhältnismäßig schnell abgebremst und mit dem Gasstrom durch die Öffnung 8 in die Aggregationskammer 4 und wei­ ter entlang der Flugbahn 28 in die Beschleunigungskammer 5 transportiert. Dabei lagern sich die Atome des Beschich­ tungsmaterials im Gasstrom zu Clustern zusammen. Dies geschieht überwiegend in der Aggregationskammer 4, teil­ weise aber auch schon in Sputterkammer 3.

Die Clusterbildung mit Hilfe der Gasaggregation ist ein bekanntes physikalisches Phänomen, das in dem Artikel von F. Frank et al. "Formation of Metal Clusters and Molecules by means of the Gas Aggregation Technique and Characterization of Size Distribution" in Surface Science, 1985, 90-99 beschrieben wird. Die Aggregation basiert im wesentlichen darauf, daß die clusterbildenden Teilchen im Zustand ausreichend hoher Übersättigung mit den Edel­ gasteilchen stoßen und dabei die bei der Clusterbildung frei werdende Überschußenergie abgeführt wird.

Für die Entstehung der Cluster ist die Wahl der Pro­ zeßparameter von Bedeutung. Die Dichte des Beschich­ tungsmaterials im Gasstrom wird im wesentlichen durch die Sputterrate und die Strömungsgeschwindigkeit des Gases beeinflußt. Letztere wiederum ist von den Druck­ verhältnissen und der Größe der Durchlaßöffnungen 8 und 9 abhängig. Der Argondruck in den Kammern 3 und 4 ist von besonderer Bedeutung für das entstehen der Cluster. Welche Werte dieser Parameter im Einzelfall gewählt werden müssen, kann der Fachmann aufgrund der hier und in den zitierten Literaturstellen gemachten Angaben theore­ tisch und experimentell festlegen, wobei jeweils das Beschichtungsmaterial, das verwendete Edelgas und die gewünschte Beschichtungsgeschwindigkeit zu berücksichti­ gen sind. Als orientierende Richtwerte kann angegeben werden, daß der Edelgasdruck in der Sputterkammer in der Größenordnung von 10 bis 1 Pa (Pascal) und in der Beschleunigungskammer 5 in der Größenordnung von 10^-2 bis 10^-4 Pa liegen soll. Der Druck in der Aggregations­ kammer liegt normalerweise zwischen diesen Werten.

Die gebildeten Cluster und die nicht zusammengelagerten Atome und Moleküle werden beim Durchgang durch die Ioni­ sierungseinheit 30 teilweise ionisiert. Die Ionisierungs­ einheit 30 kann nach verschiedenen bekannten Prinzipien aufgebaut sein. Beispielsweise kann ein ionisierender Teilchenstrahl verwendet werden. Vorzugsweise basiert die Ionisierungseinheit jedoch auf dem Prinzip der Gas­ entladung.

Die Clusterionen werden von dem durch die Elektroden 24-27 erzeugten elektrischen Feld beschleunigt und tref­ fen auf das Substrat 22 auf, wo sie sich niederschlagen.

Die Art der Beschichtung kann dabei durch Beschleu­ nigungsspannung beeinflußt werden. Bei hoher Beschleu­ nigungsspannung platzen die Cluster auseinander, diffun­ dieren lateral und geben einen im wesentlichen ein­ kristallinen Überzug. Bei niedriger Beschleunigungs­ spannung überleben die Cluster teilweise den Aufprall auf die Substratoberfläche und es kommt zur Ausbildung von inhomogenen Schichten. Es können deswegen durch Wahl der Beschleunigungsspannung einkristalline, poly­ kristalline und amorphe Schichten hergestellt werden.

Wie erwähnt, gelangen nicht nur Cluster, sondern auch Atome und Moleküle (sowohl) der Gase als auch das Beschich­ tungsmaterials), in die Beschleunigungskammer 6, so daß sie ebenfalls ionisiert und in der Beschleunigungsstrecke 28 a beschleunigt werden. Da diese Ionen sehr viel leich­ ter als die Cluster sind, haben sie nach der Beschleuni­ gung eine viel höhere Geschwindigkeit als die Cluster und können die Oberfläche des Substrats durch unerwünschte Sputterprozesse beschädigen oder zerstören. Dies kann durch die folgenden bevorzugten Maßnahmen verhindert wer­ den.

Zum einen kann man sich zunutze machen, daß die Ioni­ sierungspotentiale der Cluster im Regelfall kleiner sind als die der Atome und Moleküle. Es ist deswegen zweck­ mäßig, die Ionisierungsenergie der Ionisierungseinheit 30 so zu wählen, daß sie oberhalb der Ionisierungsener­ gie der Cluster aber niedriger als die Ionisierungsener­ gie der Atome und Moleküle eingestellt wird. Im Falle der Ionisierung mit Hilfe einer Gasentladung verwendet man eine Gasentladung mit entsprechend niedriger Elektronentemperatur.

Zum zweiten ist es zweckmäßig, die Ionen mit einer Vielzahl von Elektroden 24-27 langsam zu beschleu­ nigen. Dadurch bleiben die leichten Ionen länger in ei­ nem energetischen Bereich, in dem der Wirkungsquer­ schnitt für den Ladungsaustausch mit neutralen Atomen groß ist, Durch den Ladungsaustausch kommt es zu einer effektiven Abbremsung der Ionen, da das schnellere Ion seine Ladung auf das langsamere Atom übergibt. Das da­ bei entstehende langsamere Ion wird erneut beschleunigt, bis es wieder zu einem Ladungsaustausch kommt. Nach n Ladungsaustauschstößen bei einer anliegenden Geamt­ spannung von U Volt treffen (n-1) neutrale Atome und ein Ion mit einer mittleren Energie von U/n auf die Oberfläche des Substrats 22. Die mittlere auftreffende Energie pro Atom ist also umso kleiner, je größer die Anzahl der Ladungsaustauschstöße ist.

Als dritte Maßnahme kann an einer der Elektrode der Beschleunigungseinrichtung eine Ladungsaustauschzelle vorgesehen sein. In Fig. 1 ist eine Ladungsaustausch­ zelle 25 a an der Elektrode 25 angeordnet. Über eine nicht dargestellte Leitung wird der Zelle 25 a neutrales Gas zugeführt, an dem die schnellen Ionen durch La­ dungsaustausch abgebremst werden. Die atomaren Ionen haben eine wesentliche größe Ladungsaustauschrate als die Cluster und werden deswegen sehr viel stärker gebremst als jene.

Eine andere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, das Edelgas durch die Leitung 17 nicht kon­ tinuierlich sondern pulsierend zuzuführen. Dadurch läßt sich mit einer verhältnismäßig geringen Pumplei­ stung der Vakuumpumpen eine hohe Clusterbildung und damit eine verhältnismäßig schnelle Beschichtung er­ reichen. Die mittlere Keimbildungsrate steigt nämlich überproportional mit dem Gasdruck. Wenn man den Gas­ druck um einen Faktor 10 erhöht, kann die Clusterbildung beispielsweise um einen Faktor 100 bis 1000 ansteigen. Die an sich gewünschte Drucksteigerung ist jedoch durch die mögliche oder wirtschaftliche vertretbare Auslegung der Vakuumpumpenleistung begrenzt. Eine sehr gute mittle­ re Clusterbildungsrate läßt sich deswegen erreichen, wenn man gepulst kurzzeitig hohe Gasmengen zuführt, um die gewünschten hohen Drucke zu erzielen und zwischen den Pulsen den Gasstrom stark reduziert, um die Pumpen nicht zu überlasten.

Die Vorrichtung kann für verschiedene Beschichtungsmaterialien und Edelgas verwendet werden. Besondere Vorteile bestehen bei der Beschichtung hochschmelzender Materialien, wie beispielsweise Tantal, Wolfram, Molybdän und Titan. Auch isolierende Beschichtungsmaterialien können verarbeitet werden. In diesem Fall kann es zweckmäßig sein, zur Verhinderung störender Raumladungen besondere Maß­ nahmen (Betrieb der Sputtereinheit mit Wechselstrom, ins­ besondere Hochfrequenzsputtern; periodisch abwechselnde Erzeugung positiv und negativ geladener Ionencluster; Zufuhr von Elektronen in den Bereich des Substrats) zu ergreifen. Diese Maßnahmen können auch bei der Beschich­ tung von Nichtisolatoren sinnvoll sein.

Will man Beschichtungen aus Verbindungen (Oxide, Nitride, Hybride) herstellen, können über die Leitungen 19 und 41 entsprechende reaktive Gase (Sauerstoff, Stick­ stoff, Wasserstoff) zugeführt werden.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform wird eine von der Aggregationskammer 4 getrennte Sputter­ kammer 3 verwendet. Dies ist vorteilhaft, weil es die getrennte Einstellung der Drucke in beiden Kammern möglich macht. Grundsätzlich kann jedoch auch mit einer gemeinsamen Sputter- und Aggregationskammer gearbeitet werden, in der sich das Sputtertarget befindet.

Es ist auch möglich, die Betriebsparameter, insbesondere den Druck und die Sputterrate so einzustellen, daß in unmittelbarer Umgebung des Sputtertargets die Cluster­ bildung stattfindet. Dies bedeutet jedoch eine Ein­ schränkung bezüglich der Variierbarkeit der Beschich­ tungsbedingungen und ist deshalb weniger bevorzugt.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung ist im wesent­ lichen rotationssymmetrisch zu der von der Beschleuni­ gungsstrecke 28 a definierten Achse aufgebaut. Dies ist zweckmäßig und einfach, jedoch nicht in jeder Hinsicht notwendig. Erforderlich ist allerdings, daß sich die Durchtrittsöffnung 9 zwischen Aggregationskammer 4 und Beschleunigungskammer 5 in der Verlängerung der Be­ schleunigungsstrecke 28 a (entgegen der Flugrichtung der Teilchen) befindet, damit die in den Kammern 3 und 4 gebildeten Cluster der Beschleunigungsstrecke zugeführt werden.

Um die Ausbeute zu erhöhen oder um Schichten aus mehre­ ren Komponenten herzustellen, können mehrere Sputter­ einheiten eingesetzt werden, wie dies in Fig. 2 darge­ stellt ist. Zusätzlich zu der Sputtereinheit 13 ist hier eine zweite Sputtereinheit 43, bestehend aus einem Sputtertarget 40, einer Halterung 44 und einer Spannungs­ versorgung vorgesehen.

Wenn für die beiden Sputtereinheiten verschiedene Sput­ tertarget-Materialien eingesetzt werden, können Misch­ cluster und Mischschichten hergestellt werden, z. B. ergibt eine Kombination von Kupfer in der einen und Wolfram in der anderen Sputtereinheit eine thermisch hochbelastbare Kupfer-Wolframschicht, die gegen Ende der Beschichtung durch Abschalten der mit Kupfer ar­ beitenden Zerstäubungseinheit mit einer reinen Wolfram­ schicht überzogen werden kann. Verwendet man statt Wolfram eine Kohlenstoff-Sputtereinheit, so erreicht man einen diamantartigen Überzug. Man erkennt, daß die mögliche schnelle Steuerung des Beschichtungsprozesses einen großen Variationsreichtum möglich macht.

Die in Fig. 3 dargestellte Ionen-Cluster-Epitaxie-Vor­ richtung ist insofern abgewandelt, als zwei Clustererzeu­ gungseinrichtungen 58, 59, jeweils bestehend aus einer Sputterkammer 3, 53 und einer Aggregationskammer 4, 54 vorgesehen sind. Diese enthalten jeweils die Einbauten, wie sie in den Fig. 2 bzw. 1 dargestellt sind. Die Sputtereinheit der zweiten Clustererzeugungseinrich­ tung ist mit 63 bezeichnet und besteht aus dem Sputter­ target 60, einer Halterung 61 und einer Spannungsversor­ gung 62. Ein Glühdraht 64 mit zugehöriger Spannungsver­ sorgung 65, 66 unterstützt den Sputtervorgang.

Die zweite Clustererzeugungseinrichtung ist an der Flugbahn der Cluster von der ersten Clustererzeugungs­ einrichtung zu der Beschleunigungsstrecke angeordnet. Dadurch können die Cluster, die von der ersten Cluster­ erzeugungseinrichtung ausgehen und durch die Durchtritts­ öffnung 70 zwischen beiden Clustererzeugungseinrichtungen hindurchtreten, mit einer zusätzlichen Schicht überzogen werden. Beispielsweise können die Targets 10 und 40 aus Kupfer bestehen, so daß reine Kupfercluster durch die Durchtrittsöffnung 70 hindurchtreten. Das Target 60 kann aus Wolfram bestehen, um die Cluster mit einer zu­ sätzlichen Wolframschicht zu überziehen. Damit wird es möglich, Schichten aus sonst nicht mischbaren Substanzen herzustellen. Ein besonderer Anwendungsfall einer der­ artigen Vorrichtung ist die Herstellung inhomogener Schichten mit Suszeptibilitäten höherer Ordnung für op­ tische Anwendungen, z. B. die Frequenzverdopplung für Laser.

So können zwei oder mehrere Clusterionen- Epitaxiesysteme gemäß einer der Fig. 1 bis 3 parallel kombiniert werden, um die gleiche Unterlage zu beschichten.

Claims (18)

1. Vorrichtung zur Herstellung einer dünnen Schicht aus einem Beschichtungsmaterial auf einem Sub­ strat (22), mit
einer Vakuumkammer, die eine Halterung (23) für das Substrat enthält
einer Clustererzeugungseinrichtung zur Erzeugung von Clustern des Beschichtungsmaterials
einer Ionisierungseinrichtung zur Ionisierung der Cluster und
einer Beschleunigungseinrichtung, die mindestens eine Elektrode aufweist, zur Beschleunigung der Clu­ sterionen mit Hilfe eines elektrischen Feldes ent­ lang einer Beschleunigungsstrecke (28 a) in Richtung auf das Substrat
dadurch gekennzeichnet, daß
die Clustererzeugungseinrichtung (10-16) eine Sputter­ einheit (13) mit einem Sputtertarget (10) aus festem Beschichtungsmaterial zur Überführung des Be­ schichtungsmaterials in die Gasphase und eine Aggre­ gationskammer (4) mit einer Zufuhrleitung (17) für ein Gas aufweist,
die Beschleunigungseinrichtung sich in einer von der Aggregationskammer (4) getrennten Beschleunigungs­ kammer (5) befindet, die durch eine in der Ver­ längerung der Beschleunigungsstrecke (28 a) angeordne­ te Durchtrittsöffnung (9) für die Cluster mit der Aggregationskammer (4) verbunden ist, an die Beschleunigungskammer (5) eine Vakuum­ pumpe (40) angeschlossen ist, und
die Gasatmosphäre in der Aggregationskammer durch Steuerung der Gaszufuhr und der Vakuum­ pumpleistung derart einstellbar ist, daß durch Stöße mit den Gasatomen Cluster des Beschichtungs­ materials gebildet werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sputter­ einheit (13) als Gasentladungs-Sputtereinheit ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasentladungs- Sputtereinheit zur Erhöhung der Sputterausbeute zusätzlich mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines Elektronenstroms (14) versehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sputterein­ heit (13) eine Einrichtung zur Erzeugung eines schnellen Ionenstrahls aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Cluster­ erzeugungseinrichtung mehrere Sputtereinheiten (13, 43) einschließt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sputter­ target (10) in einer von der Aggregationskam­ mer (4) getrennten Sputterkammer (3) angeordnet ist und zwischen der Sputterkammer (3) und der Aggregationskammer (4) eine Durchtrittsöffnung (8) für die beim Sputtern erzeugten Partikel des Be­ schichtungsmaterials vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisie­ rungseinrichtung eine von dem Sputtertarget (10) räumlich getrennte Ionisierungseinheit (30) auf­ weist, die an der Flugbahn (28) der Cluster von der Aggregationskammer zu der Beschleunigungs­ strecke angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ioni­ sierungseinheit (30) als Gasentladungs-Ioni­ sierungseinheit ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Cluster­ erzeugungseinrichtungen (10-16) vorgesehen sind, wobei die zweite und gegebenenfalls weitere Clustererzeugungseinrichtungen an der Flugbahn der Cluster von der ersten Clustererzeugungs­ einrichtung zu der Beschleunigungsstrecke ange­ ordnet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Be­ schleunigungsstrecke (28 a) eine Ladungsaustausch­ zelle (25 a) angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Be­ schleunigungsstrecke (28 a) mehrere Elektroden (24-27) aufweist, die in ihrem Abstand und in ihrer Betriebsspannung unter Berücksichtigung des in der Beschleunigungskammer herrschenden Be­ triebsdrucks so ausgelegt sind, daß mit den Clustern gemeinsam beschleunigte atomare Gasionen bis zum nächsten Stoß mit einem Gasatom nur so wenig Energie aufnehmen, daß ihr Ladungsaustausch­ querschnitt ausreichend hoch ist, um sie durch Ladungsaustausch-Stöße soweit abzu­ bremsen, daß sie das Substrat beim Auftreffen nicht beschädigen.

12. Verfahren zur Herstellung einer dünnen Schicht eines Beschichtungsmaterials auf einem Substrat, bei dem ionisierten Cluster des Beschichtungsmate­ rials erzeugt und mit Hilfe eines elektrischen Feldes auf das Substrat beschleunigt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzeugen der ionisierten Cluster das Be­ schichtungsmaterial durch Sputtern in die Gasphase überführt wird und die entsprechenden Partikel in eine Gasatmosphäre die Cluster gebildet werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Sputtern mit Hilfe einer Gasentladung durchgeführt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Cluster zeitlich und räumlich getrennt von ihrer Bildung mittels einer an ihrer Flugbahn angeordneten Ionisierungseinrichtung ionisiert werden.

15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Sputtern mittels mehrerer Sputtereinheiten erfolgt, die unabhängig voneinander zeitlich gesteuert werden können.

16. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein anderes Beschichtungsverfahren zur Beschichtung der gleichen Schicht verwendet wird.

17. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Be­ schleunigung der Cluster so langsam erfolgt, daß gleichzeitig mitbeschleunigte Gasionen durch La­ dungsaustausch-Stöße mit Gasatomen abgebremst werden.

18. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas zur Bildung der Cluster pulsierend zugeführt wird.