DE4120941A1

DE4120941A1 - Vorrichtung zum aufbringen von duennschichten

Info

Publication number: DE4120941A1
Application number: DE4120941A
Authority: DE
Inventors: Hiroki Ito
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1990-06-25
Filing date: 1991-06-25
Publication date: 1992-01-09
Also published as: GB2248340A; JPH089774B2; GB9113636D0; DE4120941C2; GB2248340B; JPH0456761A; US5180477A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aufbringen von Dünn schichten, insbesondere eine Vorrichtung, mit der Dünnschichten durch physikalische Dampfabscheidung (PVD) aufgebracht werden, wobei die Dünnschichten unter Verwendung von Ionenstrahlen und Elektronenstrahlen gebildet werden.

Dünnschichten hoher Qualität, beispielsweise als Halbleiter, op tische Dünnschichten, magnetische Schichten oder Isolierschich ten, hat man bislang durch Zerstäubung gebildet oder durch ein Abscheidungsverfahren, das von Ionenstrahlen niedriger Energie unterstützt war.

Fig. 3 zeigt schematisch eine herkömmliche Vorrichtung zum Auf bringen von Dünnschichten, die beispielsweise aus der Veröffent lichung "Journal of Vacuum Science and Technology (J. Vac. Sci. Technol.), B2 (3), August bis September 1984" bekannt ist. Gemäß Fig. 3 ist ein Tiegel 3 vom eingeschlossenen Typ in dem unteren Bereich einer Dampferzeugungsquelle 7 einer Ionenquelle ange ordnet, die im Inneren einer nicht dargestellten Vakuumkammer angeordnet ist, deren Innenraum auf einem vorgegebenen Vakuum gehalten wird. Eine Öffnung 4 ist oberhalb des Tiegels 3 gebil det, und ein Auftrags- oder Abscheidungsmaterial 5 ist in dem Tiegel 3 untergebracht. Eine Heizung 6 beheizt den Tiegel 3. Der Tiegel 3, die Öffnung 4 und die Heizung 6 bilden die Dampf erzeugungsquelle 7.

Eine Kathode bzw. ein Glühfaden 10, aus dem ein Elektronenstrahl emittiert wird, und eine Anode 11, welche Elektronen von der Kathode 10 anzieht, bilden eine Ionisierungseinrichtung 12. Eine Beschleunigungselektrode 16 und eine geerdete Elektrode 17 bilden eine Beschleunigungseinrichtung 19, um ein Abschei dungsmaterial, das von der Ionisierungseinrichtung 12 ionisiert worden ist, in einem elektrischen Feld zu beschleunigen und es mit kinetischer Energie zu versehen.

Mit der vorstehend beschriebenen Konstruktion wird die Vakuum kammer von einer Vakuumpumpeneinrichtung evakuiert, bis in der Vakuumkammer ein Vakuum von etwa 10^-6 Torr erreicht ist. An schließend wird der Tiegel 3 von der Heizung 6 aufgeheizt. In folgedessen wird das Auftrags- oder Abscheidungsmaterial 5 im Innenraum des Tiegels 3 verdampft und durch die Öffnung 4 hin durch zu der Ionisierungseinrichtung 12 transportiert. Der Dampf des Abscheidungsmaterials 5 kollidiert mit einem Elektro nenstrahl, der von der Kathode 10 emittiert wird, so daß er ionisiert wird. Der ionisierte Dampf des Abscheidungsmaterials 5 wird von einem elektrischen Feld, das von der Beschleunigungs elektrode 16 der Beschleunigungseinrichtung 19 und einer geer deten Elektrode 17 angelegt wird, beschleunigt und prallt auf die Oberfläche eines nicht dargestellten Substrats. Auf diese Weise wird eine Dünnschicht gebildet.

Eine derartige herkömmliche Vorrichtung zum Aufbringen von Dünnschichten bringt jedoch das Problem mit sich, daß dann, wenn ein Abscheidungsmaterial mit einer guten Benetzbarkeit mit einem Tiegelmaterial, wie z. B. Silizium (Si) oder Aluminium (Al) verwendet wird, das Phänomen auftritt, daß das geschmolzene Abscheidungsmaterial auf der Seite der Öffnung nach oben kriecht oder um den Tiegel 3 herum entweicht, und somit kann die Ionenquelle nicht in stabiler Weise arbeiten. Ein weiteres Problem tritt insofern auf, als diese geschmolzenen Metalle eine heftige Reaktion mit einem die Ionenquelle bildenden Mate rial zeigen, wobei ein Bereich, der mit dem geschmolzenen Mate rial benetzt ist, korrodiert, so daß die Lebensdauer der Vor richtung extrem kurz ist.

Ein anderes Problem bei dem herkömmlichen Abscheidungsverfahren besteht darin, daß Ionen mit niedriger Energie von 20 bis 500 eV verwendet werden, wobei der Anteil eines erzeugten Ionenstrahls innerhalb des Dampfes höchstens 5% oder weniger beträgt; außer dem ist der Anteil von Ionen klein, die verwendet werden können, und somit bestehen Einschränkungen hinsichtlich des Leistungs vermögens bei der Bildung von entsprechenden Anordnungen auf einem Substrat.

Ein weiteres Problem besteht darin, daß auch dann, wenn man ver sucht, die Eigenschaften von Dünnschichten durch eine Beschleu nigungsspannung zu steuern, die Menge von Ionen, welche das Sub strat erreichen können, sehr klein ist, insbesondere dann, wenn die Beschleunigungsspannung klein ist; somit können Dünnschich ten hoher Qualität nicht gebildet werden, wenn man die Eigen schaften von niederenergetischen Ionen zu berücksichtigen hat.

Ein weiteres Problem besteht darin, daß dann, wenn die Beschleu nigungsspannung gegen Null geht, die von der Kathode bzw. dem Glühfaden emittierten Elektronen beginnen, gegen das Substrat zu prallen, was Beschädigungen des Substrats hervorrufen kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich tung zum Aufbringen von Dünnschichten anzugeben, die in der La ge ist, stabil zu arbeiten, auch wenn ein Abscheidungsmaterial mit guter Benetzbarkeit verwendet wird, und mit der es möglich ist, eine Ionenerzeugung mit einer hohen Ionisierungseffizienz von 70% oder mehr zu realisieren.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung in zufriedenstellender Weise gelöst. Dabei ist es in vorteilhafter Weise möglich, eine fest vorgegebene Menge von Ionen auf ein Substrat aufzubringen, auch wenn die Beschleunigungsspannung geändert wird. Weiterhin können in vorteilhafter Weise die Eigenschaften von niederener getischen Ionen verwendet werden. Somit ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in der Lage, Dünnschichten aufzubringen, mit denen keine Beschädigung eines Substrates durch Elektronen hervorge rufen wird, welche von einem Glühfaden emittiert werden und auf ein Substrat prallen, so daß Dünnschichten in gleichmäßiger Wei se mit hoher Qualität hergestellt werden können.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Aufbringen von Dünnschich ten weist folgendes auf: eine Vakuumkammer, in der ein vorgege benes Vakuum aufrechterhalten wird; ein Substrat, das im Innen raum dieser Vakuumkammer angeordnet ist; einen Tiegel, der in der Weise angeordnet ist, daß er dem Substrat im Innenraum der Vakuumkammer gegenüberliegt, um ein Abscheidungsmaterial auf zunehmen, dessen Metallionen zu dem Substrat hin beschleunigt werden; eine Heizung, die um den Tiegel herum angeordnet ist, um den Tiegel zu beheizen; eine Kathode, die in der Nähe der Öffnung des Tiegels angeordnet ist; und eine Anode, die in der Weise angeordnet ist, daß sie den Tiegel, die Heizung und die Kathode umgibt.

Da gemäß der Erfindung der obere Bereich eines Tiegels durch die Wärme des Glühfadens, der eine Kathode bildet, beheizt wird, kann das Kriechen von geschmolzenem Material guter Be netzbarkeit unterdrückt werden. Außerdem wird die Temperatur der Anode auf einem höheren Wert als dem Schmelzpunkt des Ab scheidungsmaterials gehalten, da der Tiegel beheizt wird, der in der Ionisierungseinrichtung angeordnet ist. Somit kann das Abscheiden von Material auf der Anode verhindert werden.

Elektronen von der Kathode werden direkt in den Dampf hinein geschossen, der von dem Tiegel austritt, und eine Einrichtung zum Anlegen eines Magnetfeldes zur Erhöhung der Plasmadichte einer Glimmentladung ist in der Ionisierungseinrichtung vor gesehen. Somit kann die Ionisierung mit einem sehr hohen Wir kungsgrad durchgeführt werden.

Wenn außerdem eine Abzugs- oder Absaugelektrode, die negativ vorgespannt ist, zwischen der Beschleunigungselektrode und der geerdeten Elektrode angeordnet ist, kann die Kollision der thermischen Elektronen mit einem Substrat unterdrückt werden, die sonst eine Beschädigung des Substrats hervorrufen könnten. Ionen, die gegen das Substrat geschossen werden, können auf einem bestimmten Pegel oder einem höheren Pegel gehalten wer den, auch wenn die Beschleunigungsspannung geändert wird.

Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merk male und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausführungsbei spielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 eine schematische Darstellung im Schnitt einer Vorrich tung zum Aufbringen von Dünnschichten gemäß einer er sten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht im Schnitt einer ande ren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Aufbringen von Dünnschichten; und in

Fig. 3 eine schematische Seitenansicht im Schnitt einer her kömmlichen Vorrichtung zum Aufbringen von Dünnschichten.

Nachstehend wird eine erste Ausführungsform unter Bezugnahme auf Fig. 1 näher erläutert. In Fig. 1 ist ein Tiegel 3 unter halb einer wendelförmigen Kathode 10 innerhalb einer Ionisie rungseinrichtung 12 angeordnet. Eine Heizung 6 ist um den Tie gel 3 herum angeordnet. Eine Dampferzeugungsquelle 7 besteht aus dem Tiegel 3 und der Heizung 6. Die Dampferzeugungsquelle 7 ist im Inneren der Ionisierungseinrichtung 12 angeordnet, die aus einer Kathode 10 und einer zylindrischen Anode 11 besteht. Eine Einrichtung 13 zum Anlegen eines Magnetfeldes ist außer halb der Ionisierungseinrichtung 12 vorgesehen. Eine Beschleu nigungselektrode 16, eine Absaugelektrode 18, die gegenüber der Beschleunigungselektrode 16 negativ vorgespannt ist, und eine geerdete Elektrode 17 bilden eine Beschleunigungseinrich tung 19.

Der Dampf des Abscheidungsmaterials 5 wird im Inneren des Tie gels 3 der Dampferzeugungsquelle 7 gebildet, die in gleicher Weise beheizt wird wie die oben beschriebene herkömmliche Vor richtung. In diesem Falle wird aber der obere Bereich des Tie gels 3 durch die Wärme von dem Glühfaden beheizt, der die Kathode 10 bildet, und somit auf einer Temperatur gehalten, die höher ist als die Temperatur im unteren Bereich des Tiegels 3, hervorgerufen durch die Heizung 6.

Somit kann das Kriechen von geschmolzenem Metall guter Benetz barkeit unterdrückt werden, so daß die Ionenquelle in stabiler Weise arbeiten kann. Die Temperatur der Anode 11 wird auf einem höheren Wert gehalten als dem Schmelzpunkt des Abscheidungsma terials 5, und zwar durch die Wärme von dem beheizten Tiegel 3, welcher die Dampferzeugungsquelle 7 innerhalb der Ionisierungs einrichtung 12 bildet. Infolgedessen tritt das Phänomen nicht auf, daß das Abscheidungsmaterial 5 kondensiert und sich auf der Anode 11 niederschlägt. Somit tritt in der Vorrichtung das Problem nicht auf, daß diese durch die Reaktion zwischen dem Abscheidungsmaterial 5 und dem Ionenquellenmaterial korrodiert, so daß die Lebensdauer der Vorrichtung nicht durch diesen Effekt verkürzt wird. Außerdem werden die Elektronen, die von der Katho de 10 emittiert werden, direkt in den Dampf hineingeschossen, der von dem Tiegel 3 aufsteigt und ionisiert wird.

Die Einrichtung 13 zum Anlegen eines Magnetfeldes zur Erhöhung der Plasmadichte einer Glimmentladung, die sich in der Vakuum kammer ausbildet, befindet sich in der Ionisierungseinrichtung 12. Dabei wird ein Magnetfeld in der Größenordnung von einigen hundert Gauß angelegt, so daß die Elektronen zwischen der Ano de 11 und der Kathode 10 rotieren können. Infolgedessen kann ein hoher Ionisierungswirkungsgrad von 70% oder mehr erreicht werden. In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen A ein Magnet feld, während das Bezugszeichen B ein elektrisches Feld be zeichnet.

Diese Ionen werden von der Beschleunigungseinrichtung 19 be schleunigt und auf der Oberfläche eines nicht dargestellten Substrats abgeschieden, so daß dort eine Dünnschicht gebildet wird. Da zu diesem Zeitpunkt die Absaugelektrode 18 gegenüber der Beschleunigungselektrode 16 negativ vorgespannt ist, wer den die abgesaugten Ionen zwischen der Absaugelektrode 18 und der Beschleunigungselektrode 16 beschleunigt und dann von der geerdeten Elektrode 17 abgebremst. Im Endeffekt werden die Ionen gegen das Substrat mit einer kinetischen Energie geschos sen, die gleich dem elektrischen Potential bzw. der Beschleuni gungsspannung zwischen der Beschleunigungselektrode 16 und der geerdeten Elektrode 17 ist.

Wenn somit die Spannung zwischen der Beschleunigungselektrode 16 und der Absaugelektrode 18 festgelegt ist, kann die Menge von Ionen auf einem erforderlichen Wert oder einem höheren Wert sichergestellt werden, auch wenn die Beschleunigungsspannung selbst geändert wird. Infolgedessen wird die Herstellung von Dünnschichten ermöglicht, bei denen die Eigenschaften von nie derenergetischen Ionen verwendet werden, auch wenn die Be schleunigungsspannung klein ist. Da außerdem die Absaugelektro de 18 gegenüber der geerdeten Elektrode stets negativ vorge spannt ist, besteht der Vorteil, daß eine Bestrahlung mit Elek tronen, die von der Kathode 10 emittiert werden, gegen die Platte unterdrückt werden kann.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform handelt es sich um einen Fall, bei dem der Tiegel 3 mit der Heizung 6 beheizt wird. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, die eine andere Ausführungs form zeigt, kann hinsichtlich der Beheizung des Tiegels 3 eine ähnliche Wirkung erzielt werden mit einem Verfahren, bei dem das Abscheidungsmaterial 5 durch einen Elektronenstrahl, der von der Kathode bzw. dem Glühfaden 10 emittiert wird, ge schmolzen wird und verdampft, so daß die Vorrichtung weiter vereinfacht werden kann.

Da gemäß der Erfindung eine Dampferzeugungsquelle innerhalb einer Ionisierungseinrichtung angeordnet und der Tiegel unter halb der Kathode angeordnet ist, kann die Vorrichtung in sta biler Weise mit einem hohen Wirkungsgrad der Ionisierung be trieben werden, auch wenn ein Abscheidungsmaterial mit guter Benetzbarkeit und stark ausgeprägter Korrosionswirkung verwen det wird, so daß Dünnschichten gebildet werden können durch Implantieren von Ionen in einem erforderlichen Ausmaß, auch wenn die Beschleunigungsspannung klein ist. Somit können Dünn schichten hoher Qualität gebildet werden, auch wenn die Be schleunigungsspannung klein ist, bei der eine niederenergetische Ionenbeschleunigung realisiert wird, was derzeit bei elektroni schen Einrichtungen zu berücksichtigen ist. Da weiterhin die Bestrahlung eines Substrats mit Elektronen unterdrückt werden kann, sind keine Beschädigungen des Substrats zu befürchten.

Claims

1. Vorrichtung zum Aufbringen von Dünnschichten, gekennzeichnet durch

- eine Vakuumkammer, in der ein vorgegebenes Vakuum aufrecht erhalten wird;
- ein im Innenraum der Vakuumkammer angeordnetes Substrat;
- einen Tiegel (3), der in der Weise angeordnet ist, daß er dem Substrat im Innenraum der Vakuumkammer gegenüberliegt und ein Abscheidungsmaterial (5) enthält, dessen Metall ionen gegen das Substrat geschossen werden;
- eine Heizung (6), die um den Tiegel (3) herum angeordnet ist, um den Tiegel (3) zu beheizen;
- eine Kathode (10), die in der Nähe einer Öffnung des Tie gels (3) angeordnet ist; und
- eine Anode (11), die in der Weise angeordnet ist, daß sie den Tiegel (3), die Heizung (6) und die Kathode (10) um gibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Beschleunigungseinrichtung (19) zum Beschleunigen des ionisierten Abscheidungsmaterials (5) , welches gegen das Sub strat geschossen wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungseinrichtung (19) eine Beschleunigungs elektrode (16), deren elektrisches Potential das gleiche ist wie das der Anode (11), eine negativ vorgespannte Absaugelek trode (18) und eine geerdete Elektrode (17) aufweist, wobei diese Elektroden zwischen der Kathode (10) und dem Substrat angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (13) zum Anlegen eines magnetischen Feldes.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erzeugte Magnetfeld die Plasmadichte einer Glimmentla dung erhöht, die sich in der Vakuumkammer ausbildet.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (10) als schraubenförmig gewundener Glühfaden ausgebildet ist, der oberhalb der Öffnung des Tiegels (3) an geordnet ist, welcher das Abscheidungsmaterial (5) enthält.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizung für das Abscheidungsmaterial (5) von der Katho de (10) gebildet wird, die oberhalb des Tiegels (3) angeordnet ist.