DE4142103C2 - Vorrichtung zur ionenclusterstrahl-bedampfung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Dünnschichten nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Dünnschichten hoher Güte für die Halbleiterfertigung, für optische, magnetische und Isolationszwecke werden traditio­ nell mit Clusterionenstrahl-Methoden hergestellt. Eine typi­ sche bekannte Vorrichtung zur Durchführung dieser Methoden ist in der JP-B-54-9 592 angegeben, die in Fig. 2 gezeigt ist. Die bekannte Vorrichtung ist mit mehreren erheblichen Nachteilen behaftet. Wenn eine Silicium- oder Aluminiumdünnschicht hergestellt werden soll, reagieren die Dämpfe dieser Materialien mit Tantal und Molybdän, die typischerweise verwendet werden, um den Ionisationsfaden bzw. das Elektronenextraktionsgitter bei der konventionellen Vorrichtung zu bilden. Diese Reaktion führt zu Korrosion oder Erosion sowohl des Gitters als auch des Fadens, wodurch ihre Lebensdauer verkürzt und ein häufiges Auswechseln notwendig wird. Ein weiteres Problem, das bei der konventionellen Vor­ richtung beim Verdampfen von Silicium oder Aluminium zur Herstellung von Dünnschichten auftritt, ist die gute Be­ netzungseigenschaft dieser Materialien in bezug auf das Material, das normalerweise zur Herstellung des Schmelz­ tiegels in der Vorrichtung verwendet wird. Durch die aus­ gezeichneten Benetzungseigenschaften von Aluminium und Silicium im schmelzflüssigen Zustand können sie an den Innenwänden des Schmelztiegels nach oben kriechen und in schmelzflüssiger Form aus der Dampfausstoßdüse austreten. Dieses Material kann dann ungehindert entlang der Oberseite und an den Seiten des Schmelztiegels nach unten kriechen, wo es schließlich in dem Raum zwischen dem Schmelztiegel und dem Heizelement verdampft wird. Aufgrund dieses Verdampfens wird die Impedanz des Raums zwischen Schmelztiegel und Heizelement verringert, so daß dieser Raum elektrisch leitfähig wird, wo­ durch ein stabiler Betrieb der Vorrichtung zur Herstellung von Dünnschichten verhindert wird. Weitere Probleme ergeben sich durch den Einschluß von Elektronen, die von dem Ionisa­ tionsfaden emittiert werden, in der Elektroneneinfangelek­ trode. Infolgedessen läßt der Ionisations-Wirkungsgrad der konventionellen Vorrichtung zu wünschen übrig.

Eine konventionelle Vorrichtung und ihre Funktionsweise werden nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 2 erläutert. Dabei ist 17 ein Vakuumbehälter, der auf dem vorbestimmten gewünschten Vakuum gehalten wird; 18 ist der Anschluß an das Vakuumsystem zur Evakuierung des Innenraums des Vakuumbehälters 17 auf die gewünschten Vakuumbedingungen; und 1 ist eine Dampfquelle, die in einem unteren Teil des Vakuumbehälters 17 vorgesehen ist. Die Dampfquelle 1 umfaßt einen geschlossenen zylindri­ schen Tiegel 3 mit einem Austrittsteil bzw. einer Düse 4 an der Oberseite, einer Heizeinrichtung 5, die in Spulenform um den Umfang des Tiegels 3 herum angeordnet ist, um ihn aufzuheizen, und eine Wärmeabschirmplatte 6 als Wärmeabschirmung gegenüber der Heizeinrichtung 5. In dem Tiegel 3 befindet sich aufzudampfendes Material 2.

9 ist eine Ionisationseinrichtung mit einer Kathode 10, die Elektronen emittiert, einem Gitter 11 zur Beschleunigung der von der Kathode 10 emittierten Elektronen und einer Wärmeabschirmplatte 8 zur Wärmeabschirmung gegenüber der Kathode 10. 13 ist eine Beschleunigungseinrichtung mit einer Beschleunigungselektrode 14 und einer Masseelektro­ de 15, die eine Beschleunigung der ionisierten Cluster 12 durch ein von der Beschleunigungselektrode 14 und der Masse­ elektrode 15 gebildetes elektrisches Feld bewirkt. 16 ist ein Substrat, das am oberen Teil des Vakuumbehälters 17 der Düse 4 des Tiegels 3 gegenüberstehend angeordnet ist. Das Substrat dient als das Objekt, auf das die Dünnschicht 34 aufgedampft wird.

Eine Energieversorgung 50 umfaßt eine Heizstromquelle 51, die der Heizeinrichtung 5 Strom zum Aufheizen zuführt; eine Vorspan­ nungsquelle 52 hält den Tiegel 3 auf positivem Potential in bezug auf die Heizeinrichtung 5; 53 ist eine Wechselstromquelle zum Aufheizen der Kathode 10, eine Gleichstromversor­ gung 54 dient dem Zweck, das Gitter 11 in bezug auf die Kathode 10 auf einem positiven Potential zu halten. Eine Beschleunigungsstromquelle 55 ist zwischen die Masseelektrode 15 und die Beschleunigungselektrode 14 geschaltet, um in dem Raum zwischen der Masseelektrode 15 und der Beschleunigungs­ elektrode 14 ein elektrisches Feld zu erzeugen und außerdem die Ionisationseinrichtung 9 sowie die Dampfquelle 1 in bezug auf die Masseelektrode 15 auf einem positiven Potential zu halten.

Nachstehend wird der Betrieb der bekannten Vorrichtung be­ schrieben. Zuerst wird das gewünschte Vakuum erzeugt und durch die Evakuierungsleitung 18 aufrechterhalten. Normaler­ weise liegt das Vakuum in der Größenordnung von 10^-9 bar. Anschließend führt die Heizstromquelle 51 der Heizeinrichtung 5 Strom zu. Dadurch von der Heizeinrichtung 5 emittierte Elektronen werden von dem elektrischen Feld, das durch die Vorspannungs­ quelle 52 erzeugt ist, in dem Raum zwischen der Heizeinrichtung und dem Tiegel 3 beschleunigt und treffen auf den Tiegel 3 auf, wodurch der Tiegel 3 und das darin befindliche aufzudampfende Material 2 aufgeheizt werden. Schließlich wird aufgrund des Aufheizens ein Teil des Materials 2 verdampft und aus der Dü­ se 4 nach oben ausgestoßen unter Bildung eines Dampfstroms 31.

Wenn der Dampf des Materials 2 den von der Düse 4 definierten Raum passiert, erfährt er aufgrund der adiabatischen Expan­ sion eine rasche Abkühlung, so daß er kondensiert und Gruppen von Cluster-Atomen bildet, die kurz als Cluster bezeichnet werden. Ein Teil der Cluster 7 wird durch Elektronen ionisiert, die von der Kathode 10, die von der Wechselstromquelle 53 aufgeheizt ist, emittiert und von dem Gitter 11 beschleu­ nigt werden, so daß ein Teil der Cluster 7 zu ionisierten Clustern 12 umgewandelt wird. Die ionisierten Cluster 12 werden von dem durch die Beschleunigungseinrichtung 13 erzeugten elektrischen Feld beschleunigt und gemeinsam mit nichtioni­ sierten neutralen Clustern 7 in Richtung zum Substrat 16 bewegt. Die Cluster treffen auf die Oberfläche des Substrats auf und bilden darauf eine Dünnschicht 34.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß sich die Kathode 10 und das Gitter 11 in Dampfstrom be­ finden und daß es während des Prozesses möglich ist, daß ein Teil dieses Dampfs sich auf der Kathode 10 und dem Gitter 11 abla­ gert, was insbesondere dann zu Schwierigkeiten führen kann, wenn das Material mit der Kathode 10 oder dem Gitter 11 in Reaktion treten kann. Häufig bestehen das Gitter 11 und die Kathode 10 aus Tantal oder Molybdän, die mit Materialien wie Silicium oder Aluminium heftig reagieren, aus denen bei Anwendung dieser Technik häufig Dünnschichten hergestellt werden.

Ferner ist aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich, daß die Elektroneneinfangelektrode zwischen der Kathode 10 und den zu ionisierenden Clustern 7 angeordnet ist. Viele der erzeugten Elektronen werden von der Elektroneneinfangelektrode einge­ fangen und tragen somit nicht zu irgendeiner Ionisationsakti­ vität bei, wodurch der Gesamtwirkungsgrad des Ionisationsfa­ dens verringert wird. Ein weiteres bei der konventionellen Vorrichtung auftretendes Problem ist die Tendenz des Sili­ ciums oder des Aluminiums, den Tiegel zu benetzen und schließlich in dem Raum zwischen der Heizeinrichtung 5 und dem Tiegel 3 zu verdampfen, was zu einem instabilen Betrieb führt, der die Herstellung einer Dünnschicht hoher Güte ausschließt.

Die genannten Nachteile haften auch einer weiteren herkömmlichen Vorrichtung an, die aus der US-PS 4 213 844 bekannt ist. Diese bekannte Vorrichtung unterscheidet sich von der oben beschriebenen Vorrichtung im wesentlichen dadurch, daß mehrere beheizte Tiegel und eine besondere Anordnung der Ionisationsfäden vorhanden sind, wobei dem vorstehend beschriebenen Gitter entsprechende Beschleunigungselektroden vorhanden sind, die in einem rechteckigen Rahmen in mehreren Ebenen übereinander vorgesehen sind.

Somit besteht Bedarf für eine Aufdampfvorrichtung, die unter stabilen Bedingungen eine lange Standzeit hat und mit hohem Ionisations-Wirkungsgrad arbeitet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Ionenclusterstrahl-Bedampfung der gattungsgemäßen Art anzugeben, die mit langer Standzeit unter stabilen Bedingungen und mit einem hohen Ionisations-Wirkungsgrad arbeitet.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und des Patentanspruches 7, die zwei Alternativen des erfindungsgemäßen Konzeptes definieren. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben. Bei der einen Ausführungsform wird bei der Vorrichtung eine Elektronenquelle zur Erzeugung der notwendigen ionisierten Metallcluster verwendet, während bei dem anderen Ausführungsbeispiel eine Kathode als Ionisationsfaden Verwendung findet, wobei die Kathode in einem Raum positioniert ist, der durch eine Anode definiert ist, welche als Elektroneneinfangelektrode dient.

Mit den beiden Ausführungsformen der Vorrichtung zur Ionenclusterstrahl-Bedampfung gemäß der Erfindung wird die Aufgabe in zufriedenstellender Weise gelöst. Ein Vorteil der Erfindung liegt in der Bereitstellung einer Vorrichtung, die in stabiler Weise auch solche schmelzflüssigen Metalle zerstäuben kann, die die Seiten des Tiegels in der Vorrichtung benetzen. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß diese Aufdampfschichten mit elektrischen Eigenschaften bilden kann, die ähnlich denjenigen sind, welche Kompaktschichten besitzen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausfüh­ rungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung nach der Erfindung mit einer Kathode, die an einer Stelle gegenüber der Austrittsdüse des Tiegels angeordnet ist, und einer Anode, die die Ionisationskathode umgibt;

Fig. 2 eine bekannte Aufdampfvorrichtung;

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die Elektronenquelle zur Erzeugung der ionisierten Cluster eine Elektronenkanone ist;

Fig. 4 ein weiteres Beispiel des Standes der Technik; und

Fig. 5a bis 5f alternative Ausführungsformen von Heizeinrichtungen.

Ein erstes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung hat einen konventio­ nellen Tiegel mit einer Düse, der eine Kathode gegenüber­ steht, die beim Aufheizen Elektronen emittiert, wobei die Anode die Kathode umgibt. Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel umgibt die Anode sowohl die als Elektro­ nenerzeuger dienende Kathode als auch den Tiegel und seine zugehörigen Heizeinrichtungen. Auf diese Weise können die an der Kathode erzeugten Elektronen in direkten Kontakt mit den Dampf-Clustern gelangen, die aus der Düse am Tiegel austre­ ten, ohne zuerst ein Elektroneneinfanggitter durchlaufen zu müssen. Dadurch werden die Unzulänglichkeiten vermieden, die sich ergeben, wenn die Elektronen von dem Gitter eingefangen werden, anstatt zur Bildung von Ionenclustern zur Verfügung zu stehen. Die Kathode dient außerdem als Heizeinrichtung, die jegliche Flüssigkeit, die an den Tiegelwänden eventuell nach oben kriechen könnte, verdampfen kann, indem der Düsenbereich und der obere Teil des Tiegels aufgeheizt werden. Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist daher die Ka­ thode in einer solchen Lage angeordnet, daß die von ihr ab­ gegebene Wärme zum Aufheizen der Düse des Tiegels dient.

Infolge des Aufheizens der Düse des Tiegels wird etwaiges aus dem Tiegel nach oben kriechendes schmelzflüssiges Alu­ minium oder Silicium oder sonstiges Material an der Ober­ fläche des Tiegels verdampft und ist zur Bildung der ge­ wünschten Dünnschicht verfügbar. Bei bekannten Vorrichtungen kriecht das Material über die Oberseite des Tiegels und an seinen Seiten abwärts und wird in dem Raum zwischen der Heizeinrichtung 5 in Fig. 2 und dem Tiegel 3 in Fig. 2 verdampft. Dieses schmelzflüssige Material wird also in diesem Raum verdampft und verhindert einen stabilen Betrieb des Tiegels, weil ein elektronenleitender Dampf erzeugt wird.

Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die an der Kathode erzeugten Elektronen veranlaßt, sich in nichtlinearer Weise so zu bewegen, daß die Wahrscheinlichkeit eines Kontakts mit einem Dampfcluster erhöht wird, wodurch der Gesamtwirkungsgrad verbessert wird. Es ist besonders be­ vorzugt, die Elektronen auf einer wendelförmigen Bahn zu be­ wegen, um den Grad der Elektronenbewegung und dadurch wiede­ rum die Wahrscheinlichkeit zu maximieren, daß ein einzelnes Elektron ein Elektronencluster bildet. Die Erzeugung einer nichtlinearen Bewegung erfordert, daß zwei Felder auf die Elektronen wirken. Wenn man den Kathoden- und den Anodenteil der Elektronemitterkathode betrachtet, so induzieren diese Teile eine lineare Bewegung in den Elektronen, etwa die Links-Rechts-Beziehung, die in Fig. 1 gezeigt ist. Durch Einführen eines zweiten auf die Elektronen wirkenden Feldes, das zu dem ersten elektrischen Feld nicht parallel ist, be­ wirkt diese zweite Kraft eine nichtlineare Bewegung der Elektronen. Zwar kann das zweite Feld im wesentlichen jeden Winkel relativ zu der Richtung des von Kathode und Anode erzeugten Feldes haben, es ist aber besonders bevorzugt, daß dieses Feld senkrecht zu dem elektrischen Feld ist, um eine maximale Bewegung seitens der Elektronen zu erzielen, wobei diese Bewegung wendelförmig ist. Eine Möglichkeit zur Erzeu­ gung eines solchen Feldes ist das Anlegen eines Magnetfeldes senkrecht zu dem elektrischen Feld. Dies ist in Fig. 1 durch die Magneteinrichtung 24 gezeigt, deren Magnetfeld senkrecht zu dem von der Kathode 22 und der Anode 23 erzeugten elektrischen Feld ist. Durch diese Anordnung haben die Magnetfelder die Tendenz, die Elektronen in Vertikalrichtung anzuziehen, während das elek­ trische Feld die Tendenz hat, die Elektronen horizontal an­ zuziehen; durch Einstellen der Magnetkraft können die Elek­ tronen veranlaßt werden, sich auf einer wendelförmigen Bahn zu bewegen.

Die Anordnung der Elektronenemissionskathode im Inneren der Anode bietet den Vorteil, daß die Wahrscheinlichkeit vermin­ dert wird, daß irgendwelche Metalldämpfe auf der Elektronen­ erzeugungs-Konstruktion kondensieren. Die Kathode ist ein Heizelement und hat somit die Tendenz, zusätzliche Wärme an den Metalldampf abzugeben, wodurch dessen Ablagerung in schmelzflüssiger Form auf der Elektrodenstruktur verhindert wird, was wiederum die Wechselwirkungsrate zwischen dem Metalldampf und der Elektrodenstruktur verringert. Dies resultiert in einer erheblichen Verlängerung der Standzeit der Elektronenerzeugungselemente in der Aufdampfvorrichtung. Außerdem ergibt sich der Vorteil einer Erhöhung des relativen Dampfdrucks des aufzudampfenden Metalls. Das heißt, daß die von der Kathode erzeugte zusätzliche Wärme die Tendenz hat, der adiabatischen Abkühlung entgegenzuwirken, die der Metall­ dampf beim Ausströmen aus der Düse 4 (Fig. 1) des Tiegels er­ fährt. Diese adiabatische Abkühlung bewirkt bei den konventionellen Vorrichtungen eine Verringerung des Gesamt­ dampfdrucks des aufzudampfenden Metalls. Die Erhöhung des Dampfdrucks trägt zur Verbesserung des Ionisations-Wirkungs­ grads bei.

Metalle, die mit dem vorliegenden Verfahren aufgedampft wer­ den können, sind unter anderem Aluminium, Titan, Gold, Kup­ fer, Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Titandioxid, Barium- Yttrium-Kupferoxide und weitere Materialien, die Supraleiter­ schichten bilden. Die mit diesem Verfahren aufzudampfenden Materialien umfassen alle diejenigen Materialien, die mit den bekannten Vorrichtungen aufgedampft werden können. Die Werk­ stoffe zum Aufbau der vorliegenden Vorrichtung werden auf diesem Gebiet konventionell verwendet. Dabei sind der Tiegel, die Elektroden, die Heizelemente und dergleichen sämtlich Standardwerkstoffe, die in konventionellen Aufdampfvorrich­ tungen verwendet werden. Der Unterschied liegt in der Anord­ nung dieser Elemente.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Menge der ionisierten Cluster und damit der Gesamtcluster, die auf das Substrat auftreffen, durch die Anordnung einer zusätzlichen Folge von Elektroden über dem Ionisationsbereich eingestellt werden. Diese Anordnung umfaßt eine Beschleuni­ gungselektrode, eine Einfangelektrode und eine Masseelektro­ de, die als Steuerelektrode und als Massepotential dient. Bei dieser Anordnung kann die Potentialdifferenz zwischen der Be­ schleunigungselektrode und der Einfangelektrode geregelt werden, um die Intensität von Clustern, die auf das Substrat gerichtet sind, zu steuern, und die Steuerelektrode ermög­ licht die Verzögerung der ionisierten Cluster, um so die Geschwindigkeit zu bestimmen, mit der sie auf das Substrat auftreffen, was eine einfache Einstellung der Eigenschaften der Dünnschichten erlaubt. Durch diese Anordnung ist es ferner möglich, Elektronen am Entweichen aus der Ionisations­ zone und am Auftreffen auf das Substrat zu hindern, was un­ erwünschte Auswirkungen auf die Dünnschicht haben kann. Es ist bevorzugt, daß die Einfangelektrode der Ionisationszone am nächsten liegt, also am weitesten vom Substrat entfernt ist, wobei die Einfangelektrode zwischen dem Substrat und der Ionisationszone liegt und die Steuerelektrode am weitesten von der Ionisationszone entfernt und dem Substrat am nächsten angeordnet ist. Diese Anordnung ermöglicht eine einfache Steuerung der Vorrichtung.

Wenn die Spannung zwischen der Beschleunigungselektrode und der Steuerelektrode 1000 V übersteigt, kann die Einfangelek­ trode entfallen. Bei dieser Ausführungsform wird jedoch die Flexibilität der Vorrichtung verringert. Wenn die Beschleuni­ gungsspannung, also das Potential zwischen der Beschleuni­ gungs- und der Steuerelektrode, niedriger als 1000 V ist, insbesondere niedriger als 500 V ist, dann ist die Verwendung der Einfangelektrode sehr wirksam zur Unterstützung des Betriebs der Vorrichtung mit hohem Wirkungsgrad. Bevorzugt ist die Vorspannung zwischen der Beschleunigungselektrode und der Steuerelektrode niedriger als 2000 V. Diese Begrenzung der Vorspannung hat den Zweck, eine Beeinträchtigung der Dünnschichtbildung durch zu starke Beschleunigung der Cluster zu vermeiden.

Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Elektroneneinfanganode, die mit der Kathode zur Emission von Elektronen zusammenwirkt, als Abschirmung geformt, die sowohl die Ionisationszone als auch die Schmelzzone einschließlich des Tiegels und seiner Heiz­ elemente vollständig umgibt. Auf diese Weise hat sie nicht nur die Funktion der Anode zur Elektronenerzeugung, sondern wirkt auch als Wärmeabschirmung, die dazu beiträgt, die Wärmeenergie in dem Dampf zurückzuhalten, wodurch ein höherer Metalldampfdruck unterhalten werden kann, als das sonst mög­ lich wäre. Tatsächlich fängt die Abschirmung die von der den Tiegel umgebenden Heizspule erzeugte Wärme und die von der Kathode erzeugte Wärme ein und stellt sie dem Me­ talldampf zur Verfügung, um dessen Dampfdruck zu erhöhen.

Dieser erhöhte Dampfdruck steigert den Ionisations-Wirkungs­ grad. Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Steuerelektrode ebenfalls als Abschirmung geformt und umgibt den Beschleunigungsteil sowie die unteren Teile der Vorrichtung, an denen die Heizeinrichtung und der Tiegel angeordnet sind, vollständig. Es ist besonders bevorzugt, daß die durch die Steuerelektrode gebildete Abschirmung die Abschirmung vollständig umgibt, die durch die Elektroneneinfangelektrode gebildet ist, die gemeinsam mit der Kathode die erforderlichen Elektronen erzeugt. Ein großer Teil der Vor­ richtung enthält also zwei thermische Abschirmungen, wodurch die Rückhaltung von Wärme in der Zone weiter verbessert wird, in der der Dampf ursprünglich erzeugt wird und adiabatisch expandiert. Die beiden Abschirmungen wirken zusammen, um die Wärme in dem Bereich zurückzuhalten, in dem sie die größten Vorteile erbringt, nämlich im Tiegel und in der Ionisations­ zone. Auf diese Weise wird der Dampfdruck des Metalldampfs durch die adiabatische Abkühlung beim Austritt aus der Düse nicht so stark beeinträchtigt, da der Dampfraum über dem Tie­ gel eine höhere Temperatur als bei konventionellen, nicht so gut abgeschirmten Vorrichtungen hat.

Dieses Ausführungsbeispiel bietet gegenüber dem Stand der Technik einen wesentlichen Vorteil, daß nämlich die Elektro­ nen emittierende Kathode eine Standzeit von mehr als 100 h hat, wogegen sie bei bekannten Vorrichtungen typischerweise 3 h beträgt, insbesondere, wenn sie mit hochreaktiven Metal­ len verwendet wird. Andererseits bleibt der Elektronener­ zeuger bei diesem Ausführungsbeispiel im Dampfstrom und ero­ diert schließlich und muß ausgetauscht werden. Bei dem zwei­ ten Ausführungsbeispiel ist die Elektronenerzeugungseinrich­ tung vom Dampfstrom entfernt angeordnet, so daß der Dampf­ strom zu keiner Zeit mit der Elektronenerzeugungseinrichtung in Kontakt gelangt. Das ermöglicht die Abscheidung auch von hochreaktiven Materialien ohne die Gefahr einer nachteiligen Beeinflussung der Standzeit der Elektronenerzeugereinrich­ tung. Ein Problem, das bei bekannten Vorrichtungen zum Auf­ dampfen von hochreaktivem Material auftritt, besteht darin, daß die Reaktionsprodukte der abzuscheidenden Metalldämpfe und der Elektronenerzeugereinrichtung häufig ebenfalls in der Schicht abgelagert werden, wodurch die Güte der resultie­ renden Schicht vermindert wird, da sie nun nicht mehr rein ist, sondern unerwünschte Verunreinigungen enthält. Durch Anordnen der Elektronenerzeugerquelle an einer Stelle, an der sie mit dem Dampf nicht in Kontakt gelangt, kann dieses Problem ausgeschaltet werden. Bei dieser Vorrichtung wird der Metalldampf in der beschriebenen Weise unter Verwendung eines aufgeheizten Tiegels mit geeigneter Düse erzeugt. Der Dampf wird bei seinem Austritt aus dem Tiegel in ein elektrisches Feld eingeleitet, das ähnlich wie eine Linse wirkt, um die Ionisation dadurch zu steuern, daß die Elektronen in das Feld angezogen werden, in dem sie die Ionisation der Dampfcluster bewirken. Diese Elektronen beschleunigen dann die ionisierten Cluster in Richtung zum Substrat. Bevorzugt hat die dem Tie­ gel am nächsten liegende, also die vom Substrat am weitesten entfernte Elektrode ein Potential, das in bezug auf die zwei­ te Elektrode positiv ist, die vom Tiegel am weitesten ent­ fernt und näher am Substrat liegt als die Steuerelektrode. Auf diese Weise wird ein elektrisches Feld gebildet, das gleiche Potentialoberflächen hat, die praktisch eine Linse bilden. Diese sind in Fig. 3 bei 62 und 63 mit einer Linsen­ form der gleichen Potentiallinien gezeigt. Infolge dieses elektrischen Feldes werden die von der entfernten Quelle erzeugten Elektronen auf die Dampfcluster fokussiert, und die resultierenden Dampfcluster werden zum Substrat hin beschleu­ nigt.

Praktisch jede Einrichtung, die Elektronen erzeugen kann, kann als Elektronenerzeugungseinrichtung verwendet werden, wobei die bevorzugte Quelle eine Elektronenkanone entspre­ chend 41 in Fig. 3 ist. Ungeachtet der Art der verwendeten Elektronenerzeugungseinrichtung ist es wichtig, daß die Elektronen keine überschüssige Energie haben, so daß sie vielfach geladene Ionen erzeugen, wenn sie auf die Dampf­ cluster auftreffen. Wenn die Elektronen übermäßig hohe Ener­ gie beim Auftreffen auf die Dampfcluster haben, können sie einige Cluster erzeugen, die Vielfachladungen, d. h. +2 oder +3 Ladungen haben. Es ist erwünscht, die Elektronenerzeu­ gungseinrichtung auf solchen Energieniveaus zu betreiben, daß die Elektronen nur einfachgeladene ionisierte Cluster bilden. Wenn die Einrichtung eine Elektronenkanone ist, hat sich eine Spannung in der Größenordnung von etwa 10-500 V an der Ab­ saugeinrichtung als praktikabel erwiesen. In diesem Bereich haben die Elektronen ausreichend Energie, um ionisierte Cluster zu bilden, aber nicht genug Energie, um ionisierte Cluster mit Vielfachladungen zu bilden. Bei zu niedriger Spannung werden nur wenige ionisierte Cluster gebildet, wo­ gegen bei zu großer Spannung ionisierte Cluster mit Vielfach­ ladungen erzeugt werden.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann eine dritte Elektrode so angeordnet sein, daß sie zwischen der Masseelek­ trode und dem Substrat liegt, um die Geschwindigkeit der ionisierten Cluster einzustellen, wie das unter Bezugnahme auf das erste Ausführungsbeispiel beschrieben wurde. Das er­ möglicht eine bessere Beeinflussung sowohl der ankommenden Elektronen als auch der austretenden Ionen.

Es ist bevorzugt, daß die Steuerelektrode und die Masse­ elektrode scheibenförmig sind, aber es können auch andere Formen verwendet werden, und die Elektroden können, falls gewünscht, auch eine Gitter- bzw. Netzform haben. Ungeachtet der Form der verschiedenen Steuer- und Masseelektroden ist ihre Anordnung so, daß sie die Elektronen vom Elektronen­ erzeuger gleichzeitig anziehen und so steuern, daß sie auf Dampfcluster treffen und sie ionisieren, und gleichzeitig die ionisierten Cluster in Richtung zum Substrat beschleunigen. Unter der Voraussetzung, daß Form und Anordnung der Steuer- und Masseelektroden dieses Ziel erreichen, ist die Form der Elektroden von untergeordneter Bedeutung.

Die Werkstoffe, aus denen die Elektroden hergestellt sind, sind ebenfalls nicht von Bedeutung bei Verwendung einer scheibenförmigen Elektrode, wobei der Kontakt zwischen Dampf und Elektrode minimiert ist. Wenn eine gitterartige Elektrode verwendet wird, ist der Kontakt zwischen dem Dampf und der Elektrode maximiert, so daß die Möglichkeit einer Reaktion zwischen dem Dampf und der Elektrode größer ist. In diesem Fall ist es erwünscht, daß die Elektrode möglichst wenig reaktiv ist.

Der Betrieb der verschiedenen Ausführungsbeispiele wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 3 erläutert und mit dem Betrieb einer konventionellen Aufdampfvorrichtung gemäß den Fig. 2 und 4 verglichen. Dabei stellen die Figuren keine Einschränkung der Vorrichtung dar und sind nur bei­ spielhaft.

Um einen Bezugspunkt herzustellen, wird zuerst eine bekannte Aufdampfvorrichtung und ihr Betrieb beschrieben. In Fig. 4 ist eine Dampfquelle 1 mit einem Tiegel 3 und einer Heizeinrichtung 5, die ein Material 2 zum Zweck des Aufdampfens verdampft. Der Tiegel 3 hat eine Düse 4 in seinem oberen Teil und ist von einer Heizeinrichtung 5 umgeben, die den Tiegel aufheizt. 6 ist eine erste Wärmeabschirmplatte, die die von der Heizeinrichtung 5 erzeugte Wärme abschirmt. Der Tiegel, die Heizeinrichtung und die erste Wärmeabschirmplatte bilden gemeinsam die Dampfquelle 1.

Cluster, d. h. Gruppen von Trauben von Atomen, die als Folge der Verdampfung des Materials 2 erzeugt werden, sind mit 7 bezeichnet und werden aus dem Tiegel durch die Düse 4 nach oben ausgestoßen. Diese Cluster werden in der Ionisations­ einrichtung 9 ionisiert, die über der Dampfquelle angeordnet ist, um die Cluster 7 zu ionisieren. Eine Kathode 10 emittiert Elektronen, die von einem Gitter 11 angezogen werden, das Elektronen von der Kathode anzieht bzw. einfängt und sie in Richtung der Cluster 7 beschleunigt. Eine zweite Wärmeabschirmplatte 8 dient der Abschirmung der von der Kathode 10 er­ zeugten Wärme. Die Kathode, das Gitter und die Wärmeabschirmplatte bilden gemeinsam die Ionisationseinrichtung 9. Die ionisierten Cluster 12, die in der Ionisationseinrichtung 9 erzeugt wurden, werden von der Beschleunigungseinrichtung 13 in Richtung zum Substrat 16 beschleunigt. Die Beschleunigungseinrichtung umfaßt eine Beschleunigungselektrode 14 und eine Masseelektrode 15. Die Masseelektrode 15 liegt an Massepotential, und die Beschleu­ nigungselektrode 14 hat in bezug auf die Masseelektrode po­ sitives Potential.

Das Substrat 16, auf dem die Schicht gebildet wird, liegt auf Massepotential. Sämtliche obigen Komponenten sind im Inneren eines Vakuumbehälters 17 angeordnet, der durch eine Leitung 18 an eine Vakuumquelle angeschlossen ist.

Bei der bekannten Vorrichtung wird zuerst der Behälter 17 auf ein Vakuum von typischerweise 10^-9 bar evakuiert. Die dem Tiegel 3 zugeführte Spannung hat gegenüber der Heizeinrichtung 5 positives Potential. Infolgedessen werden von der Heizeinrichtung 5 Elektronen abgegeben und von einem elektrischen Feld zum Tiegel 3 angezogen und zum Auftreffen auf den Tiegel ge­ bracht. Auf diese Weise erfolgt das Aufheizen auf die ge­ wünschte Temperatur, bei der ein Dampfdruck von einigen bar im Tiegel 3 herrscht. Durch das Aufheizen des Tiegels wird das Material 2 im Tiegel verdampft, und der resultierende Dampf tritt aus dem Tiegel nach oben durch die Düse 4 aus. Beim Durchsetzen der Düse 4 erfährt der Dampf aufgrund der adiabatischen Expansion eine beschleunigte Abkühlung, so daß er zu Clustern 7 kondensiert.

In der Ionisationseinrichtung 9 hat das Gitter 11 ein positives Potential in bezug auf die Kathode 10. Wenn die Kathode 10 elektrisch leitend gemacht und aufgeheizt wird, werden die von dem Ionisations­ element abgegebenen Elektronen von dem Gitter 11 ange­ zogen. Ein Teil der Elektroden wird von dem Gitter 11 eingefangen, während der Rest durch Zwischenräume im Gitter entweicht und mit Clustern 7 kollidiert. Die Kollisionsenergie bewirkt, daß die Elektronen ausgestoßen werden unter Bildung von ionisierten Clustern 12 mit posi­ tiver Ladung.

In der Beschleunigungseinrichtung 13 werden die ionisierten Cluster von einem elektrischen Feld, das zwischen der Be­ schleunigungselektrode 14 und der Masseelektrode 15 ausge­ bildet ist, nach oben, d. h. zum Substrat 16 hin, beschleu­ nigt. Die ionisierten Cluster sowie die nichtionisierten oder neutralen Cluster 7 treffen auf das Substrat 16 und bilden auf seiner Oberfläche eine Dünnschicht (nicht gezeigt) aus dem Material 2.

Wie bereits erläutert, kann bei dieser konventionellen Vor­ richtung das abzulagernde Material, wenn es sich um Silicium oder Aluminium handelt, in schmelzflüssiger Form durch die Düse des Tiegels und über die Oberseite und an den Seiten nach unten kriechen. Wenn das Aluminium oder das Silicium verdampft, wird dadurch die Impedanz des Raums zwischen dem Tiegel und der Heizeinrichtung verringert, so daß an diesen Raum eine Spannung angelegt werden kann, wodurch ein stabiler Be­ trieb der Vorrichtung unmöglich wird. Ferner kann das Mate­ rial, das in schmelzflüssiger Form durch die Düse nach außen kriecht, mitgerissen werden und dadurch weitere Teile der Vorrichtung benetzen, was zu Korrosion und sonstiger Beein­ trächtigung des Betriebs führt.

Ein anderes Problem dieser Vorrichtung besteht darin, daß bei einer Regelung der Potentialdifferenz zwischen der Beschleu­ nigungs- und der Masseelektrode zum Zweck der Steuerung der Beschleunigung der Cluster und der entsprechenden Einstellung der Dünnschichteigenschaften eine Änderung dieses Potentials bzw. der Beschleunigungsspannung zu einer Änderung der Menge der angezogenen ionisierten Cluster führt. Insbesondere wird mit abnehmender Beschleunigungsspannung auch die Menge der das Substrat erreichenden ionisierten Cluster verringert. Da­ durch wird es schwierig, Dünnschichten hoher Güte durch Ausnutzung der elektrischen Charakteristiken der ionisierten Cluster herzustellen.

Wenn ferner die Beschleunigungsspannung auf einen Wert nahe Null verringert wird, wird das elektrische Feld zwischen der Beschleunigungs- und der Masseelektrode so stark geschwächt, daß einige der von der Kathode abgegebenen Elektronen auf das Substrat auftreffen können, wodurch das Substrat und die darauf gebildete Dünnschicht beschädigt werden können.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird nachstehend das erste Aus­ führungsbeispiel der Vorrichtung und ihre Funktionsweise beschrieben. In Fig. 1 und 2 sind die gleichen Teile mit gleichen Bezugsziffern versehen. In Fig. 1 ist die Dampfquelle mit 1 bezeichnet und umfaßt das Material 2, aus dessen im Tiegel 3 durch die Heizeinrichtung 5 erzeugtem Dampf die Schicht herzu­ stellen ist.

Die Ionisationseinrichtung 21 ist über der Dampfquelle ange­ ordnet, um die Cluster 7 zu ionisieren. Der Ionisationsfaden dient als Kathode 22 und ist an einer der Düse 4 gegenüber­ liegenden Stelle angeordnet. Die Kathode 22 emittiert Elektronen, wenn sie elektrisch leitend gemacht und aufgeheizt wird. Die Anode 23 umgibt die Kathode 22, den Tiegel 3 und die Heizeinrichtung 5. Die Kathode 22 und die Anode 23 bilden gemeinsam die Ionisationseinrichtung 21. Bei diesem speziellen Ausführungsbeispiel wird von einer Magneteinrichtung 24, die außerhalb der Ionisationseinrichtung 21 angeordnet ist, ein Magnetfeld angelegt. Das Magnetfeld wird bevorzugt senkrecht zu dem elektrischen Feld angelegt.

Eine Beschleunigungseinrichtung 25 ist über der Ionisations­ einrichtung 21 angeordnet, um die ionisierten Cluster 12 in Richtung zum Substrat 16 zu beschleunigen. Eine Beschleuni­ gungselektrode 26 ist integral mit der Anode 23, mit einer als Einfangelektrode 27 wirkenden Elektrode und einer Masse­ elektrode, die als Steuerelektrode 28 dient und auf Masse­ potential liegt, verbunden. Die Beschleunigungselektrode 26, die Einfangelektrode 27 und die Masseelektrode 28 sind in der genannten Reihenfolge so angeordnet, daß sie zunehmend weiter von der Düse 4 entfernt sind. Das heißt, daß die Beschleu­ nigungselektrode 26 der Düse 4 am nächsten liegt und die Masseelektrode 28 am weitesten davon entfernt ist. In bezug auf die Masseelektrode 28 hat die Beschleunigungselektrode 26 positives und die Einfangelektrode 27 negatives Potential. Mit anderen Worten die Einfangelektrode hat negatives Poten­ tial in bezug auf die Beschleunigungselektrode, und die Masseelektrode hat ein Potential zwischen den Potentialen der Beschleunigungs- und der Einfangelektrode. Diese drei Elek­ troden 26, 27 und 28 bilden die Beschleunigungseinrichtung 25.

Es soll nun der Betrieb dieses Ausführungsbeispiels beschrie­ ben werden. Im Gebrauch wird der Tiegel 3 von der Heizeinrichtung 5 aufgeheizt, und der Dampf des Materials 2 wird aus der Düse 4 ausgestoßen und bildet Cluster 7. Die Kathode 22 wird elektrisch leitend gemacht und aufgeheizt, so daß von ihr Elektronen in Richtung zur Anode 23 austreten und mit den Clustern 7 kollidieren und sie ionisieren. Während dieses Vorgangs treten die Elektronen nicht durch Zwischenräume eines Gitters, wie es bei der bekannten Vorrichtung der Fall ist, und somit werden keine Elektronen eingefangen, bevor sie Gelegenheit zur Kollision mit Clustern hatten, wodurch der Wirkungsgrad der Ionisationseinrichtung erhöht wird. Außerdem ist bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel das von der Magneteinrichtung 24 angelegte Magnetfeld senkrecht zu dem elek­ trischen Feld, das von der Kathode 22 und der Anode 23 erzeugt wird. Das elektrische Feld ist somit im wesent­ lichen horizontal in der Zeichnung, während das Magnetfeld im wesentlichen vertikal ist. Aufgrund dieser zueinander senk­ rechten Beziehung werden die Elektronen auf einer wendel­ förmigen Bahn bewegt, wodurch die Länge der Bahn von der Kathode zur Anode vergrößert wird, was wiederum die Wahr­ scheinlichkeit einer Kollision mit einem Cluster unter Verbesserung des Ionisations-Wirkungsgrads erhöht.

Die Kathode 22 heizt ferner den Tiegel im Bereich der Düse 4, also den oberen Teil des Tiegels 3, auf. Selbst wenn also ein Teil des Materials 2 im schmelzflüssigen Zu­ stand an der Innenwand des Tiegels 3 hochkriecht, wird dieser an der Innenwand hochkriechende Teil am oberen Teil des Tie­ gels 3 zur Verdampfung gebracht, bevor ein Austritt des Ma­ terials mit den daraus resultierenden erläuterten Schwierig­ keiten stattfindet. Da ferner die Anode 23 die Heizeinrichtung 5 im Tiegel 3 umgibt, wird die Anode auf hoher Temperatur ge­ halten. Somit wird eine Kondensation des aus dem Material 2 erzeugten Dampfs verhindert, was wiederum ein Benetzen der Anode ausschließt und die Korrosion verringert. Schließlich wird durch diese Anordnung die Gefahr beseitigt, daß Dampf den Raum zwischen dem Tiegel 3 und der Heizeinrichtung 5 ausfüllt und die Impedanz dieses Raums herabsetzt. Infolgedessen kann die Vorrichtung auch dann in stabiler Weise betrieben werden, wenn Silicium oder Aluminium aufgedampft wird.

Die in der Ionisationseinrichtung 21 gebildeten ionisierten Cluster 12 sind positiv geladen und werden von dem von der Beschleunigungselektrode 26 und der Einfangelektrode 27 ge­ bildeten elektrischen Feld von der Ionisationseinrichtung weg in Richtung zum Substrat 16 gezogen. Wenn die ionisierten Cluster durch den Raum zwischen der Einfangelektrode 27 und der Masseelektrode 28 gehen, werden die ionisierten Cluster 12 in diesem Raum verzögert, weil die Masseelektrode 28 relativ zu der Einfangelektrode 27 positives Potential hat. Infolge­ dessen erhalten die ionisierten Cluster kinetische Energie, die der Potentialdifferenz zwischen (der Beschleunigungsspan­ nung an) der Beschleunigungselektrode 26 und der Masseelek­ trode 28 entspricht.

Diese Anordnung erlaubt die Steuerung der Beschleunigung der ionisierten Cluster 12 durch die Beschleunigungsspannung, während gleichzeitig die Menge der von der Ionisationsein­ richtung 21 weg angezogenen ionisierten Cluster durch Steuerung der Potentialdifferenz zwischen der Beschleu­ nigungselektrode 26 und der Einfangelektrode 27 auf jedem gewünschten Pegel gehalten wird. Auch bei niedriger Beschleu­ nigungsspannung kann eine ausreichende Menge von ionisierten Clustern gewährleistet werden, während gleichzeitig ihre elektrischen Charakteristiken zur Bildung der gewünschten Dünnschicht genutzt werden.

Ferner wird durch diese Anordnung verhindert, daß von der Kathode 22 abgegebene Elektronen auf das Substrat 16 auftreffen, und zwar durch das elektrische Feld, das von der auf negativem Potential liegenden Einfangelektrode gebildet ist.

Selbstverständlich sind viele Abwandlungen der in Fig. 1 ge­ zeigten Vorrichtung möglich. Es ist beispielsweise möglich, die Heizeinrichtung 5 wegzulassen und den Tiegel 3 nur durch die von der Kathode 22 erzeugte Wärme aufzuheizen. Ferner sind das Magnetfeld und die Magneteinrichtung 24 ebenfalls fakul­ tativ.

Die Vorteile des ersten Ausführungsbeispiels umfassen den direkten Ausstoß von Elektronen von der Kathode auf die Dampfcluster, wodurch der Ionisations-Wirkungsgrad verbessert wird. Durch Aufheizen des Düsenbereichs des Tiegels mit der Kathode werden ferner die Probleme beseitigt, die durch den Austritt von schmelzflüssigem Material auf die Außenflächen und die Aufdampfvorrichtung auftreten. Außerdem ist es durch Verwendung der Beschleunigungselektrode, der Einfangelektrode, die in bezug auf die Beschleunigungselektrode nega­ tives Potential hat, und der Steuerelektrode, die ein Poten­ tial zwischen dem der Beschleunigungs- und der Einfangelektrode hat, möglich, die Beschleunigung der ionisierten Cluster zu steuern und gleichzeitig das Volumen von Clustern auf den gewünschten Wert einzustellen. Diese Anordnung ver­ ringert außerdem die Gefahr eines Auftreffens von Elektronen auf die Substratoberfläche unter Beschädigung dieser Ober­ fläche.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 wird nun das zweite Ausführungsbeispiel erläutert.

Die bekannte Vorrichtung von Fig. 2 entspricht derjenigen von Fig. 4, wobei zum besseren Verständnis zusätzlich ein Ver­ drahtungsschema eingezeichnet ist.

In Fig. 2 wird der Vakuumbehälter 17, wie bereits erläutert, durch den Anschluß 18 an das Vakuumsystem auf einem vorbe­ stimmten Vakuum gehalten. Eine Dampfquelle 1 ist im unteren Teil des Vakuumbehälters 17 angeordnet. Die Dampfquelle umfaßt einen geschlossenen zylindrischen Tiegel 3 mit einer Düse 4 am oberen Ende und einer Heizeinrichtung 5, die spulenförmig um den Außenumfang des Tiegels 3 gewickelt ist, um den Tiegel aufzuheizen, und eine Wärmeabschirmplatte 6, um eine Wärmeab­ schirmung gegenüber der Heizeinrichtung 5 zu erreichen. Das auf­ zudampfende Material 2 befindet sich im Tiegel 3.

Eine Ionisationseinrichtung 9 umfaßt eine Kathode 10 zur Abgabe von Elektronen, ein Gitter 11 zur Beschleuni­ gung von von der Kathode 10 abgegebenen Elektronen und eine Wärmeabschirmplatte 8 zur Abschirmung der von der Kathode 10 erzeugten Wärme. Eine Beschleunigungseinrich­ tung 13 umfaßt eine Beschleunigungselektrode 14 und eine Masseelektrode 15, so daß ionisierte Cluster 12 von einem elektrischen Feld, das von der Beschleunigungselektrode 14 und der Masseelektrode 15 erzeugt ist, beschleunigt werden. Das das Target bildende Substrat 16 ist am oberen Ende des Vakuumbehälters der Düse 4 des Tiegels 3 gegenüberstehend angeordnet. Das Substrat ist das Objekt, auf dem die Dünn­ schicht 34 zu bilden ist.

Eine Stromversorgung 50 umfaßt eine Heizstromquelle 51, die der Heizeinrichtung 5 Strom zuführt und ihn dadurch aufheizt; eine Vorspannungsquelle 52, die den Tiegel relativ zur Heizeinrichtung 5 auf positivem Potential hält; eine Wechselstromquelle 53, die die Kathode 10 aufheizt; und eine Beschleunigungs­ stromquelle 55, die zwischen die Masseelektrode 15 und die Beschleunigungselektrode 14 geschaltet ist zur Erzeugung eines elektrischen Feldes in dem Raum zwischen der Masseelek­ trode 15 und der Beschleunigungselektrode 14, um die Ioni­ sationseinrichtung 9 und die Dampfquelle 1 in bezug auf die Masseelektrode 15 auf positivem Potential zu halten. Nach­ stehend wird der Betrieb dieser Vorrichtung beschrieben. In dem Vakuumbehälter 17 wird über den Anschluß 18 an das Vakuum­ system ein Vakuum in der Größenordnung von 10^-9 bar erzeugt. Anschließend wird die Heizstromquelle 51 eingeschaltet, um in der Heizeinrichtung 5 Wärme zu erzeugen. Die von der Heizeinrichtung 5 emit­ tierten Elektronen werden von einem elektrischen Feld, das von der Vorspannungsquelle 52 erzeugt wird, in dem Raum zwi­ schen der Heizeinrichtung und dem Tiegel 3 beschleunigt. Die Elektronen treffen auf den Tiegel 3 unter Aufheizung des Tiegels und des darin befindlichen Materials 2 auf. Dieses Aufheizen bewirkt das Verdampfen eines Teils des Materials 2 unter Austritt des Dampfs nach oben aus der Düse 4 zur Bildung eines Dampfstroms 31.

Wenn der Dampf des Materials 2 den von der Düse 4 begrenzten Raum durchsetzt, kühlt er sehr schnell ab, wie bereits unter Bezugnahme auf das erste Ausführungsbeispiel erläutert wurde. Ein Teil der Cluster 7 wird von den von der Kathode 10 (der von der Stromquelle 53 aufgeheizt wird) abgegebenen Elektronen ionisiert und dann durch das Gitter 11 be­ schleunigt, wobei ein Teil der Cluster zu ionisierten Clustern 12 umgewandelt wird. Die ionisierten Cluster 12 werden von dem durch die Beschleunigungseinrichtung 13 erzeugten elektrischen Feld beschleunigt und bewegen sich gemeinsam mit den nichtionisierten bzw. neutralen Clustern 7 zum Substrat 16. Die Cluster treffen auf die Oberfläche des Substrats 16 zur Bildung der Dünnschicht 34 auf.

Es ist ersichtlich, daß im Gebrauch sowohl der Kathode 10 als auch das Gitter 11 nahe dem Dampfstrom 31 und sogar in diesem Dampfstrom angeordnet sind. In diesem Fall kann der Dampf eine Erosion der Materialien bewirken, aus denen der Faden und das Gitter bestehen, und die Erosions­ produkte können verdampfen oder in dem als Dünnschicht auf­ zubringenden Dampf mitgerissen werden, so daß in die herge­ stellte Dünnschicht Verunreinigungen eingeführt werden. Das gilt insbesondere, wenn versucht wird, hochreaktive Substan­ zen wie Silicium oder Aluminium abzuscheiden, die mit Mate­ rialien wie Tantal oder Molybdän, die typischerweise zur Bildung der Kathode 10 und des Gitters 11 verwendet werden, sowie mit weiteren Teilen der Vorrichtung heftig reagieren.

Unter Bezugnahme auf Fig. 3 wird nun das zweite Ausführungs­ beispiel erläutert, bei dem der Ionisationsfaden und das Einfanggitter nicht vorhanden sind. Dabei sind die Teile der Vorrichtung, die denjenigen der bekannten Vorrichtung von Fig. 2 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Beschreibung der Vorrichtung und des damit durchzufüh­ renden Verfahrens richtet sich daher hauptsächlich auf den Elektronen emittierenden Teil dieser Vorrichtung.

Eine Ionisationseinrichtung 40 zur Ionisation von Clustern 7 in einem Dampfstrom 31 hat eine Elektronenkanone 41, die als Elektronenemissionseinrichtung dient und einen Elektronen­ strahl auf den Dampfstrom 31 richtet, und einen Ionisations­ teil 46 zur Erzeugung eines elektrischen Feldes, um ioni­ sierte Cluster 12 zu beschleunigen. Die Elektronenkanone selbst ist eine konventionelle Einrichtung und umfaßt eine Kathode 43, die bei Aufheizung durch eine Heizstromquelle 42 Elektronen emittiert, und eine Beschleunigungselektrode 45, die in Verbindung mit einer Gleichstromquelle 44 ein elek­ trisches Feld in dem Raum zwischen der Beschleunigungselek­ trode und der Kathode 43 erzeugt, um von der Kathode 43 emittierte Elektronen zu beschleunigen. Der Ionisationsteil 46 umfaßt eine Steuerelektrode 47 und eine Masseelektrode 48, die jeweils scheibenförmig sind und in der Mitte ein kreis­ rundes Loch haben, das den Durchtritt des Dampfstroms 31 zu­ läßt. Die Steuerelektrode 47 wird in bezug auf die Masseelek­ trode von einer Beschleunigungsstromquelle 55 auf positivem Potential gehalten. Die Steuerelektrode 47 und die Masse­ elektrode 48 bilden ein einer Linse ähnliches elektrisches Feld 63 mit Oberflächen 62 gleichen Potentials, die in der Zeichnung in Strichlinien angedeutet sind. Die Steuerelek­ trode 47 dient der Steuerung der Ionisation.

Die Elektronenkanone 41 strahlt einen Elektronenstrahl 61 zu einer Stelle über der Masseelektrode 48 ab, d. h. in Richtung des aus dem elektrischen Feld 63 austretenden Dampfstroms.

Der von der Elektronenkanone 41 zum elektrischen Feld 63 abgestrahlte Elektronenstrahl 61 wird in das elektrische Feld angezogen und so beschleunigt, daß der Strahl mit Clustern 7 im Dampfstrom 31, der durch das Innere des elektrischen Fel­ des 63 aufwärtsströmt, kollidiert und dabei die Cluster ioni­ siert, wobei die Auftreffrichtung des Strahls der Dampfströ­ mungsrichtung entgegengesetzt ist. Ionisierte Cluster 12 werden von dem Potential des elektrischen Feldes 63 beschleu­ nigt, und die Cluster nehmen kinetische Energie auf. Dann bewegen sich die Cluster in Richtung zu einem Substrat 16, auf dem sie unter Bildung einer Dünnschicht 34 auftreffen.

Auf diese Weise wird der Elektronenstrahl 61 in das elektri­ sche Feld 63 gezogen und trifft in Gegenrichtung auf den Dampfstrom 31, so daß eine Ionisierung von Dampfclustern mit hohem Wirkungsgrad stattfindet.

Selbstverständlich sind verschiedene Modifikationen des zwei­ ten Ausführungsbeispiels nach Fig. 3 möglich. Zusätzlich zu der Steuerelektrode 47 und der Masseelektrode 48 können wei­ tere Elektroden vorgesehen sein, um sowohl die Elektronen als auch die Ionen verstärkt zu beeinflussen. So könnte eine dritte Elektrode noch näher an der Substratquelle angeordnet sein, um die Geschwindigkeit der ionisierten Cluster einzu­ stellen. Dabei könnte das Elektrodenpotential so gewählt sein, daß je nach Wunsch die ionisierten Cluster beschleunigt oder verzögert werden. Die Steuer- und Masseelektroden wurden zwar als scheibenförmig beschrieben, aber alternative Formen einschließlich gitter- bzw. netzartiger Elektroden, Stabelek­ troden oder dergleichen könnten ebenfalls verwendet werden.

Die Merkmale der Ausführungsbeispiele 1 und 2 können zu einem noch stärker bevorzugten Ausführungsbeispiel vereinigt wer­ den. Es ist ersichtlich, daß bei dem Ausführungsbeispiel 2 die Elektronenerzeugungs- und -emissionsquelle vollständig an einem Kontakt mit Dampf gehindert ist, aber gegen die Mög­ lichkeit, daß das schmelzflüssige Material wegen der sehr guten Benetzungswirkung von Materialien wie etwa Aluminium und Silicium an den Tiegelwänden hochkriecht, ist anscheinend nichts unternommen. Wenn das aufzudampfende Material Alumi­ nium oder Silicium ist, kann ein kleiner Teil davon aus dem Tiegel austreten und schließlich in dem Raum zwischen der Heizeinrichtung 5 und dem Tiegel 3 verdampfen und dadurch einen stabilen Betrieb verhindern. Zur Vermeidung dieses Problems gibt es zwei Lösungsvorschläge. Bei einer ersten Ausführungs­ form kann von der Elektronenkanone ein Elektronenüberschuß erzeugt werden, so daß die überschüssigen Elektronen auf den Tiegel treffen und somit als Wärmequelle für den Tiegel in dem an die Düse angrenzenden Bereich dienen. Auf diese Weise hat die Elektronenkanone nicht nur die Funktion, die Dampf­ cluster zu ionisieren, sondern auch die Aufgabe, das Material im Tiegel zu verdampfen. Bei einer zweiten Ausführungsform könnte die Heizeinrichtung nicht in der Bahn des aus der Düse austretenden Dampfs, sondern außerhalb dieser Bahn angeordnet sein, so daß der Dampf nicht in Kontakt mit der Heizeinrichtung gelangen könnte, da die von der Heizeinrichtung emittierten Elektronen nur zum Aufheizen des Bereichs um die Düse herum und nicht zur Erzeugung der Elektronen notwendig wären, die zur Bildung der ionisierten Cluster dienen. Diese Ausführungsform bietet die Vorteile des ersten und des zweiten Ausführungsbeispiels. Ferner kann die Beschleunigungselektrodenstruktur des ersten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit dem zweiten Ausfüh­ rungsbeispiel dazu verwendet werden, eine maximale Steuerung der ionisierten Cluster zu erreichen, wie bereits erwähnt wurde.

Bei beiden Ausführungsbeispielen wurde die Heizeinrichtung des Tiegels als Spulenkonstruktion, also wendelförmig gewickelt, beschrieben. Alternative Heizeinrichtungsanordnungen, wie sie in Fig. 5 gezeigt sind, sind natürlich ebenfalls möglich. Fig. 5a zeigt eine konventionelle Wickel- oder Wendelanordnung, während die Fig. 5b-5f alternative Ausführungsformen zeigen. Besonders bevorzugt sind dabei die Ausführungsformen c und d, und zwar wegen ihrer leichten Herstellbarkeit und ihrer hohen Heizleistung.

Es wurde aufgezeigt, daß die Vorrichtung nach der Erfindung Schichten erzeugen kann, deren spezifischer Widerstand dem­ jenigen der Kompaktmaterialien angenähert ist. Wenn bei­ spielsweise eine Aluminiumdünnschicht mit bekannten Aufdampf­ verfahren hergestellt wird, werden typischerweise spezifische Widerstände in der Größenordnung von 10 µΩ·cm erreicht; bei Anwendung der Erfindung ist es möglich, Dünnschichten mit spezifischen Widerständen von 2,7 µΩ·cm herzustellen, also angenähert dem gleichen Wert wie bei dem Kompaktmaterial. Im Fall von Titan können nach dem Stand der Technik Dünnschich­ ten mit einem spezifischen Widerstand von ca. 100 µΩ·cm gegenüber 60 µΩ·cm bei Anwendung der Erfindung hergestellt werden. Im Vergleich dazu hat kompaktes Titan einen spezifi­ schen Widerstand von 57 µΩ·cm. Durch die Erfindung werden Dünnschichten mit höheren Dichten hergestellt, die zu diesem spezifischen Widerstand sowie zu besseren Hafteigenschaften am Substrat führen. Außerdem werden leichter Einkristalle ge­ bildet, was das Erreichen der höheren Dichten unterstützt, die bei der Vorrichtung nach der Erfindung angewandt werden. Zusätzlich zur Herstellung von elektrisch leitenden oder halbleitenden Dünnschichten ist es auch möglich, optische Schichten herzustellen, die sehr geringe Absorption und hohes Reflexionsvermögen haben und außerdem sehr hart sind. Insbe­ sondere ist der Grenzwert für einen Laserschaden stark heraufgesetzt, was bei Excimer-Lasern ein besonderer Vorteil ist. Bei Anwendung konventioneller Aufdampfverfahren liegt der Laserschaden-Grenzwert der meisten optischen Schichten in der Größenordnung von 2 J/cm² gegenüber 8 J/cm² bei Herstel­ lung der Schichten gemäß der Erfindung.

Es wird nicht nur eine bessere Dünnschicht hergestellt, son­ dern es wird auch die Aufdampfrate erheblich gesteigert. Bei Anwendung konventioneller Vorrichtungen werden Aufdampfraten in der Größenordnung von 0,1 µm/min erzielt, während dieser Wert durch die Erfindung auf bis zu 0,5 µm/min verbessert wird. Außerdem wird die Quellen-Lebensdauer von ca. 3 h auf mehr als 100 h verlängert.

Bei Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es mög­ lich, metallische Schaltkreise auf vielen Arten von Halblei­ ter-Vorrichtungen einschließlich dynamischer RAMs und der­ gleichen sowie Speicherkondensatoren herzustellen. Die Her­ stellung von Linsen mit hohem Reflexionsvermögen zur Verwen­ dung an Excimer-Lasern ist ebenfalls möglich. Bei Anwendung der Vorrichtung ist auch die Herstellung von Vielschicht- Reflexionsschichten möglich. Die Vorrichtung nach der Erfin­ dung erlaubt die Herstellung von Schichten, die bisher noch nicht hergestellt werden konnten.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Ionenclusterstrahl-Bedampfung,

• - mit einem Tiegel (3), der ein aufzudampfendes Material (2) enthält,
• - mit einer Heizeinrichtung (5) zum Aufheizen des Tiegels (3), so daß das aufzudampfende Material (2) verdampft und aus einer in dem Tiegel (3) gebildeten Düse (4) ausgestoßen wird,
• - mit einer Ionisationseinrichtung (21) zum Ionisieren von aus dem Dampf erzeugten Clustern (7) und
• - mit einer Beschleunigungseinrichtung (25) zum Beschleunigen der ionisierten Cluster (12) in Richtung zu einem Substrat (16) hin, auf dem die Dünnschicht zu bilden ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisationseinrichtung (21) folgendes aufweist:
eine Kathode (22), die der Düse (4) des Tiegels (3) gegenüberstehend angeordnet ist und die bei Aufheizung Elektronen emittiert und
eine Anode (23), die die Kathode (22), den Tiegel (3) und die Heizeinrichtung (5) umgibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Beschleunigungseinrichtung (25) eine Beschleunigungselektrode (26), eine Einfangelektrode (27) mit einem in bezug auf die Beschleunigungselektrode (26) negativem Potential und eine Steuerelektrode (28) aufweist, die ein Potential hat, das zwischen dem Potential der Beschleunigungselektrode (26) und dem Potential der Einfangelektrode (27) liegt,
und daß die Beschleunigungselektrode (26), die Einfangelektrode (27) und die Steuerelektrode (28) derart angeordnet sind, daß die Beschleunigungselektrode (26) der Düse (4) am nächsten liegt und die Steuerelektrode (28) von der Düse (4) am weitesten entfernt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (24) vorgesehen ist, um an die von der Ionisationseinrichtung (21) emittierten Elektronen ein Feld anzulegen, das in einer Richtung orientiert ist, die sich von der Orientierung der von der Ionisationseinrichtung (21) emittierten Elektronen unterscheidet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung des von der Einrichtung (24) erzeugten Feldes senkrecht zu der Orientierung der Elektronen steht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung eine Magneteinrichtung (24) ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüchen 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Potential zwischen der Beschleunigungselektrode (27) und der Steuerelektrode (28) niedriger als 2000 V ist.

7. Vorrichtung zur Ionenclusterstrahl-Bedampfung,

• - mit einem Tiegel (3), der ein Material (2) enthält, aus dem eine Dünnschicht zu bilden ist,
• - mit einer Heizeinrichtung (5) zum Aufheizen des Tiegels (3), um das Material (2) zu verdampfen, wobei der Tiegel (3) eine Düse (4) hat, durch die der Dampf ausgestoßen wird,
• - mit einer Ionisationseinrichtung (40) zur Ionisation von aus dem Dampf erzeugten Clustern (7) und
• - mit einer Beschleunigungseinrichtung zum Beschleunigen der ionisierten Cluster (12) in Richtung eines Substrats (16) auf dem eine Dünnschicht zu bilden ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisationseinrichtung (40) folgendes aufweist:
eine Elektronenemissionseinrichtung (41), die Elektronenstrahlen an einer von dem Dampfstrom fernen Position abstrahlt, und
eine Einrichtung (44, 45), um zu bewirken, daß der Elektronenstrahl auf den Dampf auftrifft und ihn ionisiert.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenemissionseinrichtung eine Elektronenkanone (41) aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisationszone eine Steuerelektrode (47) und eine Masseelektrode (48) aufweist, wobei die Steuerelektrode (47) in bezug auf die Masseelektrode (48) auf einem positiven Potential gehalten ist.