DE3834154A1 - Elektronenstrahlverdampfer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektronenstrahlverdampfer zur Vakuumbeschichtung von Substraten mit einer gleichmäßigen Schicht eines verdampften Stoffes, bestehend aus einer Elektronenkanone, einem dieser nachgeschalteten Strahlab­ lenkungssystem und einem Schmelztiegel für den Stoff als Zielgebiet für die Elektronen.

Bei der Herstellung siliciumbedampfter Epitaxie-Schichten (Si-MBE) mittels Elektronenstrahlverdampfern treten insofern Probleme auf, als thermische Konvektionsströme in der durch den Elektronenbeschuß aufgeheizten Si-Schmelze die Gleich­ mäßigkeit des Schichtwachstums auf einem Substrat empfind­ lich stören können. Diese Konvektionsströme werden durch das starke Temperaturgefälle in der Schmelze ausgelöst, das durch die lokale Aufheizung der Schmelze im Antreffpunkt des gebündelten, eine große spezifische Leistungsdichte aufwei­ senden Elektronenstrahls hervorgerufen wird.

In gleicher Weise treten auch bei optischen Beschichtungen mit Hilfe des Elektronenstrahlverdampfers Probleme auf, die ebenfalls durch die hohe spezifische Leistungsdichte des auf dem Verdampfungsgut auftreffenden Elektronenstrahls hervor­ gerufen werden. Die Probleme bestehen zum einen in einer Ver­ änderung der Stöchiometrie des Verdampfungsgutes, das zu­ meist aus Oxiden und Fluoriden besteht, wodurch die opti­ schen Eigenschaften der aufgedampften Schichten verändert werden, und zum anderen in einem ungleichmäßigen Abtrag des Verdampfungsgutes, da dieses nicht zusammenschmilzt, sondern einen Krater bildet, woraus eine ständige Veränderung der Abdampfkeule und damit wiederum der optischen Eigenschaften der aufgedampften Schichten resultiert.

Auch bei einer Metallisierung mit hochschmelzenden Stoffen, wie z.B. Pd, Pt, Mo, Ti, Ta und anderen mittels eines Elek­ tronenstrahlverdampfers ist der Abtrag des Verdampfungsgutes und damit die Abdampfcharakteristik durch einen fokussierten Elektronenstrahl nicht gleichmäßig, so daß auch in den Auf­ dampfschichten Unregelmäßigkeiten und Qualitätsschwankungen auftreten.

Zur Vermeidung der lokalen Aufheizung eines Verdampfungs­ gutes sind bei Elektronenstrahlverdampfern der zur Rede ste­ henden Art bereits Ablenksysteme vorgeschlagen worden, die durch unterschiedliche Erregung eines oder mehrerer zusätz­ licher Polschuhsysteme erreichen, daß der Auftreffpunkt des Elektronenstrahlbündels auf der Zielfläche wandert zum Zweck des Bestreichens eines größeren Teils der Zielfläche, um auf diese Weise eine gleichmäßigere Erwärmung des Verdampfungs­ gutes zu erreichen.

Diese bekannten Ablenksysteme bei Elektronenstrahlkanonen arbeiten mit einer Strahlwobbelung in X- und Y-Richtung, wobei durch Überlagerung der beiden Wobbelungen der Strahl eine größere Fläche in dem Zielgebiet beaufschlagen kann.

Eine lokale Aufheizung des Verdampfungsgutes kann damit aber nur sehr bedingt oder überhaupt nicht vermieden werden, da noch immer ein in sich gebündelter Strahl bewegt wird. Es wird dadurch zwar die Leistung über die Fläche und die Zeit besser verteilt, die spezifische Leistungsdichte wird dabei jedoch nicht verringert, d.h. die Verteilung über die Zeit eliminiert.

Außerdem verteilt sich die Temperatur über die Fläche nicht überall gleichmäßig, da in den Umkehr- und Schnittpunkten der Wobbelkurven grundsätzlich heißere Stellen entstehen. Weder kann dadurch eine gleichmäßige Abdampfkeule erreicht, noch das Auftreten von Konvektionsströmen verhindert werden.

Bei der Si-MBE wird durch Entstehen von mehreren Konvektions­ zentren und/oder einem wandernden Konvektionszentrum, das dem durch die Wobbelung über die Zielfläche bewegten Strahl­ antreffpunkt folgt, die eingangs geschilderte Problematik noch vergrößert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem Elektronenstrahlverdampfer der zur Rede stehenden Art eine Lösung anzugeben, mit deren Hilfe das Verdampfungsmaterial so aufgeheizt werden kann, daß sowohl die Entstehung von Konvektionsströmen in dem Verdampfungsgut weitgehend ausge­ schaltet ist als auch eine Veränderung der Stöchiometrie des Verdampfungsgutes sowie die Kraterbildung in hochschmelzen­ dem Aufdampfgut vermieden werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt bei einem Elektronenstrahl­ verdampfer der eingangs beschriebenen Art dadurch, daß der Elektronenstrahlverdampfer eine Defokussierungseinrichtung für den Elektronenstrahl aufweist, die aus mindestens zwei unabhängig voneinander steuerbaren magnetischen Polschuh­ systemen zur Erzeugung unterschiedlicher, von den Elektronen durchlaufener Magnetfelder besteht, von denen das - in Flug­ richtung der Elektronen gesehen - erste, die X-Ablenkung der Elektronen bewirkende Polschuhsystem zwei Polschuhe mit in einem spitzen Winkel zueinander stehenden Flächen aufweist, während das zweite, die Y-Ablenkung der Elektronen bewirkende Polschuhsystem, vier paarweise zu der Strahlebene spiegelbild­ lich angeordnete und zueinander ausgebildete Polschuhe mit vier zueinander parallelen und vier senkrecht zueinander stehenden Polflächen aufweist, wobei die Polschuhe des einen Paares langgestreckt und die Polschuhe des anderen Paares L-förmig ausgebildet sind und abwechselnd einen N-Pol und einen S-Pol bilden.

Von großer Bedeutung für das Maß und die Qualität der De­ fokussierung des Elektronenstrahls ist dabei die geomet­ rische Anordnung der beiden Polschuhsysteme, die so ge­ troffen ist, daß das zweite, die Y-Ablenkung der Elektronen bewirkende Polschuhsystem, hinter dem ersten, die X-Ablen­ kung der Elektronen verursachenden Polsystem angeordnet ist.

Für eine gleichmäßige Defokussierung des Elektronenstrahls ist es notwendig, die Magnetfelder der Y-Ablenkung und der X-Ablenkung magnetisch zu entkoppeln, was gleichzeitig den Vorteil bringt, daß auch eine weitgehende Beibehaltung der Strahlposition im Zielgebiet bei Veränderung des Defokus­ sierungsgrades gewährleistet ist.

Einzelheiten der Erfindung werden nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen näher beschrieben.

Von den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung die Seiten­ ansicht eines Elektronenstrahlverdampfers,

Fig. 2 die Defokussierungseinrichtung in Seiten­ ansicht, und

Fig. 3 u. 4 eine Draufsicht auf das X- bzw. Y- Ablenkungssystem von Fig. 2.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, weist der allgemein mit 1 be­ zeichnete Elektronenstrahlverdampfer einen Glühfadenträger 2 auf, in dem eine nach der Seite hin offene Strahlerzeugungs­ kammer 3 ausgebildet ist. Die Strahlerzeugungskammer 3 be­ sitzt eine von oben her in die Austrittsöffnung 4 ragende Nase 5, die einen Teil des außermittig in der Strahlerzeu­ gungskammer angeordneten Glühfadens 6 gegen die Austritts­ öffnung 4 abdeckt. Der Glühfaden 6 wird durch eine nicht dargestellte elektrische Stromquelle bis zur thermischen Elektronenemission aufgeheizt und ist an eine negative Span­ nung von mehreren tausend Volt gelegt, so daß zwischen ihm und der vor der Strahlerzeugungskammer 3 angeordneten, von oben bis an die Austrittsöffnung 4 der Strahlerzeugungs­ kammer 3 reichenden, auf Erdpotential liegenden Anode 7 ein elektrostatisches Feld mit scharf gekrümmten Feldlinien ge­ bildet wird, in dem die aus dem Glühfaden austretenden ther­ mischen Elektronen beschleunigt und zu einem Elektronenstrahl geformt werden, wobei die an der Strahlerzeugungskammer 3 ausgebildete Nase 5 durch scharfes Krümmen der Feldlinien, wie vorstehend erwähnt, dafür sorgt, daß die aus der Strahl­ erzeugungskammer austretenden Elektronen die Anode 7 nicht beaufschlagen.

Auf der der Austrittsöffnung 4 abgewandten Seite des Glüh­ wendelträgers 2 ist ein ebenfalls auf Erdpotential liegender Schmelztiegel 8 angeordnet, in dem sich das Aufdampfmaterial 9 befindet.

Nachdem die aus der Strahlerzeugungskammer 3 austretenden beschleunigten Elektronen die Anode 7 passiert haben, werden diese durch eine magnetische Transversallinse in einem Bogen um ungefähr 270° abgelenkt und als gebogener Elektronen­ strahl 10 auf das Aufdampfgut 9 in dem Schmelztiegel 8 fokussiert.

Der Elektronenstrahl 10 durchläuft dann eine Defokussierungs­ einrichtung. Diese besteht aus einem X-Polschuhsystem 11 und einem Y-Polschuhsystem 12, wie Fig. 2 zeigt. Beide Polschuh­ systeme 11 und 12 befinden sich bei vorliegendem Ausführungs­ beispiel oberhalb der Kathode 6, wobei zudem das Y-Polschuh­ system 12 über dem X-Polschuhsystem 11 angeordnet ist.

Der Verlauf der magnetischen Feldlinien für das X-Polschuh­ system 11 geht aus Fig. 3 hervor, bei dem der linke Polschuh 11 a einen Südpol und der rechte Polschuh 11 b einen Nordpol bildet, mit einem entsprechenden, den Elektronenstrahl 10 einschließenden Magnetfeld 13.

Der Verlauf der magnetischen Feldlinien bei dem über dem X-Polschuhsystem 11 angeordneten Y-Polschuhsystem 12 a, 12 b bzw. 14 a, 14 b geht aus Fig. 4 hervor. Die einzelnen einander gegenüberstehenden Polschuhe bilden abwechselnd einen Nord­ pol 14 a, einen Südpol 14 b, einen Nordpol 12 b und wiederum einen Südpol 12 a, zwischen denen der Elektronenstrahl 10 verläuft.

Zwischen den Polen 12 a und 14 a sowie 12 b und 14 b werden gegensinige Y ₁-Magnetfelder 15 a bzw. Y ₂-Magnetfelder 15 b in gegensinnigem Verlauf erzeugt. Durch die beiden gegensinnig gerichteten Y-Magnetfelder 15 a und 15 b wird eine Aufsprei­ zung des Elektronenstrahls 10 in Y-Richtung erreicht.

Zwischen den Y-Polschuhen 12 a und 12 b einerseits sowie 14 a und 14 b andererseits wird gleichzeitig ein X-Magnetfeld 16 a bzw. 16 b erzeugt, wobei letzteres gegensinnig zu dem X-Mag­ netfeld 13 des X-Polschuhsystems 11 verläuft. Durch das gegensinnig zu dem X-Magnetfeld 13 gerichtete Magnetfeld 16 b des Y-Polschuhsystems 12, 14 wird die Aufspreizung des Elek­ tronenstrahls 10 in X-Richtung bewirkt und damit insgesamt die gewünschte Defokussierung 15 des Elektronenstrahls 10, die in Fig. 1 und 2 durch punktierte Linien angedeutet ist.

Durch magnetische Entkopplung der Y-Magnetfelder von den X-Magnetfeldern wird sowohl eine gleichmäßige Aufweitung des Elektronenstrahls 10 erreicht als auch eine weitgehende Bei­ behaltung der Strahlposition im Zielgebiet bei Veränderung der Aufweitung des Elektronenstrahl 10 und damit seines Defokussierungsgrades.

Bei vorliegendem Ausführungsbeispiel werden die Magnetfelder mittels nicht dargestellter elektrischer Magnetspulen er­ zeugt.

Die geometrische Anordnung des Y-Polschuhsystems 12, 14 ober­ halb des magnetischen X-Ablenkfeldes 13 hat großen Einfluß auf den Grad und die Qualität der erreichbaren Defokussie­ rung.

Die vorstehend beschriebene magnetische Defokussierung des Elektronenstrahls 10 ist erheblich einfacher zu erreichen sowohl was den technischen als auch den Justieraufwand be­ trifft, als mittels eines Wehnelt′schen Zylinders, der nicht nur eine zusätzliche Hochspannungsquelle benötigt, sondern einen hohen Justageaufwand für den Glühfaden gegenüber dem Wehnel′schen Zylinder.

Claims (6)

1. Elektronenstrahlverdampfer zur Vakuumbeschichtung von Substraten mit einer gleichmäßigen Schicht der verdampf­ ten Substanz, bestehend aus einer Elektronenkanone, einem dieser nachgeschalteten Strahlablenkungssystem und einem Schmelztiegel für die Substanz als Zielgebiet für die Elektronen, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahlverdampfer (1) eine Elektronenstrahl- Defokussierungseinrichtung (11 a, 11 b; 12 a, 12 b, 14 a, 14 b) aufweist.

2. Elektronenstrahlverdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Defokussierungseinrichtung aus mindestens zwei unabhängig voneinander steuerbaren magnetischen Polschuhsystemen (11 a, 11 b bzw. 12 a, 12 b und 14 a, 14 b) zur Erzeugung unterschiedlicher, von den Elektronen (10) durchlaufender Magnetfelder (13 bzw. 15 a, 15 b und 16 a, 16 b) besteht, von denen das - in Flugrichtung der Elektronen (10) gesehen - erste, die X-Ablenkung der Elektronen (10) bewirkende Polschuh­ system zwei Polschuhe (11 a, 11 b) mit in einem spitzen Winkel zueinander stehenden Polschuhflächen aufweist, während das zweite, die Y-Ablenkung der Elektronen (10) bewirkende Polschuhsystem vier paarweise zu der Strahl­ ebene spiegelbildlich angeordnete und zueinander aus­ gebildete Polschuhe (12 a, 12 b, 14 a, 14 b) mit vier zu­ einander parallelen und vier senkrecht zueinander ste­ henden Polflächen aufweist, wobei die Polschuhe (14 a, 14 b) des einen Paares langgestreckt und die Polschuhe (12 a, 12 b) des anderen Paares L-förmig abgewinkelt aus­ gebildet sind und abwechselnd einen N-Pol und einen S- Pol bilden.

3. Elektronenstrahlverdampfer nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite, die Y-Ablenkung bewirkende Polschuhsystem (12 a, 12 b, 14, 14 b) hinter dem ersten, die X-Ablenkung bewirkenden Polschuhsystem (11 a, 11 b) angeordnet ist.

4. Elektronenstrahlverdampfer nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die X- und die Y-Ablenksysteme (11 a, 11 b bzw. 12 a, 12 b; 14 a, 14 b) magnetisch voneinander entkoppelt sind.

5. Elektronenstrahlverdampfer nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß das Y-Polschuhsystem (12 a, 12 b, 14 a, 14 b) ober­ halb der Kathode (6) angeordnet ist.

6. Elektronenstrahlverdampfer nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß das X- und das Y-Polschuhsystem (11 a, 11 b bzw. 12 a, 12 b; 14 a, 14 b) oberhalb der Kathode (6) angeordnet ist.