DE4225169C2 - Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Agglomeratstrahlen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung intensiver Strahlen von Agglomeraten aus einigen Hundert bis zu mehreren Tausend Atomen von hochsiedenden Werkstoffen.

Die Verwendung von Strahlen von Atomagglomeraten, insbesondere mit ionisierten und elektrisch beschleunigten Agglomeraten wird zur Abscheidung dünner Schichten in der Technik seit geraumer Zeit angestrebt (T. Takagi, I.Yamada, M. Kunoi, S. Kobiyama, Proceedings of the Second International Conference on Ion Sources, Wien 1972, Seiten 790-796; DP-AS 25 47 552).

Im Vergleich zu Strahlen aus Einzelatomen versprechen Agglomeratstrahlen höhere Massenstromdichten, insbesondere auch von beschleunigten ionisierten Agglomeraten, zu liefern und bei geeigneter kinetischer Energie des Aufpralls auch bei niedriger Substrattemperatur zu besonders inniger Verbindung mit dem Substrat zu führen.

Aus der DP-AS 25 47 522 ist eine Aufdampfeinrichtung bekannt, bei der der aufzubringende Werkstoff im Hochvakuum in einem Tiegel, der bis auf eine Düsenöffnung geschlossen ist, erhitzt und verdampft wird, um beim Ausstoß aus der Düse aufgrund adiabatischer Expansion abzukühlen und zu Atomagglo­ meraten zu kondensieren. Aus DP-PS 26 28 366, Zeile 35, oder DP-PS 3502902, Zeile 45, ist zu entnehmen, daß dabei ein Düsenvordruck von etwa 10^-2 hPA bis zu einigen hPa im Tiegel verwendet wird.

Durch neuere Untersuchungen der mit entsprechenden, auch kommerziell erhältlichen Anlagen erzeugten Strahlen ist jedoch klar gezeigt worden, daß diese Strahlen praktisch keinen über der Nachweisgrenze liegenden Anteil von Agglomeraten mit mehr als etwa 25 Atomen enthalten. (W.L. Brown, M.F. Jarrold, R.L. McEachern, M. Sosnowski, G. Takaoka, H. Usui, I. Yamada, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Band B59/60, 1991 Seiten 182-189, insbesondere Seite 188, 4. Kapitel, Satz 1; D. Turner, H. Shanks, Journal of Applied Physics, Band 70, 1991, Seiten 5385 bis 5400, insbesondere Seite 5399, Spalte 2, Absatz 1). Die Wirkungen von Ionisierung und Beschleunigung solcher Strahlen auf die abgeschiedene Schicht dürften daher nur von ionisierten Einzelatomen herrühren. Das ist auch mit der Tatsache im Einklang, daß die erzielten Beschichtungsraten nur im Bereich von 0,1 nm Schichtdicke pro Sekunde liegen und damit den auch mit konventioneller Molekularstrahlepitaxie erreichbaren Beschichtungsraten entsprechen.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung intensiver Strahlen von Agglomeraten anzugeben, mit denen die möglichen Beschichtungsraten um Größenordnungen gesteigert und die erwarteten günstigen Wirkungen des Agglomerataufpralls auf die Substratoberfläche realisiert werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, den Tiegel zum Verdampfen des Werkstoffes mit einer oder mehreren Düsen auszurüsten, deren Länge einige bis zu einige zehn mm und deren Öffnungswinkel etwa 30 bis zu etwa 30° betragen, und bei engsten Düsenweiten im Bereich von 0,2 bis 1,0 mm den Düsenvordruck im Tiegel auf wenigstens etwa 200 hPa einzustellen.

Dabei ist der Düsenvordruck umso höher zu wählen, je enger die Düsenkehle und je größer der Öffnungswinkel der Düse sind. Das Produkt aus Düsenvordruck, engster Düsenweite und reziprokem Öffnungswinkel sollte bei hochsiedenden Werkstoffen wenigstens etwa 20 Hektopascal mal Millimeter pro Grad betragen.

Es ist zwar bereits eine Anordnung mit elektronenstrahlbeheiztem Effusions­ tiegel, divergenten Düsen und Dampfdrücken im Tiegel von bis zu 66 hPa ange­ geben worden (US-Patent 4812326, Spalte 6, Zeilen 4 bis 37), es fehlen in dieser Schrift jedoch jegliche Angaben über tatsächlich gemessene Agglomeratgrößen oder erzielte Strahlintensitäten. Die als einziges Ergebnis vorgelegten Winkelver­ teilungen der auf die Strahlachse normierten, relativen Beschichtungsraten (Fig. 9 des genannten US-Patents) zeigen vielmehr eine wesentlich größere Divergenz der Strahlen als der Divergenz der verwendeten Düsen entspricht. Das deutet auf Strahlen ohne schwere Agglomerate hin, da diese einer seitlichen Nachexpansion des Dampfes nach dem Düsenaustritt nicht folgen könnten.

Zur Einstellung hoher Dampfdrücke sind regelmäßig deutlich höhere Tiegel­ temperaturen erforderlich als nach dem bisherigen Stande der Technik üblich. Daher sind auch die mit der vierten Potenz der Temperatur zunehmenden Verluste durch Wärmeabstrahlung insbesondere im Düsenbereich erheblich vergrößert. Andererseits ist der Temperaturausgleich über das Tiegelmaterial wegen der relativ schlechten Wärmeleitfähigkeit der wenigen genügend hoch schmelzenden Tiegelmaterialien erschwert, so daß sich ein beträchtlicher Temperaturabfall von den seitlichen Tiegelwänden zum Bereich der Düsenkehle einstellen kann.

Ein solcher Temperaturgradient kann zur vorzeitigen partiellen Kondensation des Dampfes an der Düseninnenwand vor Erreichen des engsten Düsenquer­ schnitts führen. Wenn der geschmolzene Werkstoff das Düsenmaterial nicht benetzt, wie es z. B. bei vielen Metallen als Werkstoff und Graphit als Düsen­ material der Fall ist, bildet der an der Düseninnenwand sich niederschlagende Dampf kleine Tröpfchen mit Radien bis in den Millimeterbereich, die bei höheren Dampfdichten vom Dampf aus der Düse ausgetragen werden (J. Gespann, Nuclear Instruments and Methods, Band B37/38, 1989, Seiten 775 bis 778). Der Nieder­ schlag solcher Tröpfchen auf dem Substrat zerstört die Homogenität der sich bildenden Schicht und macht sie unbrauchbar.

Die bei der Anordnung nach US-Patent 4 812 326 verwendeten Düsenkappen haben den gleichen Durchmesser wie der jeweilige Tiegel. Dadurch ist die Endfläche der Düsenkappe groß, entsprechend groß sind auch die thermischen Abstrahlungsverluste. Die bei dieser Anordnung verwendete Elektronenstrahl­ heizung der Seitenflächen von Tiegel und Düsenkappe kann jedoch nicht auf die Düsenendfläche ausgedehnt werden, und wird von dieser auch möglichst fern­ gehalten, da andernfalls der Austrittsbereich des Strahls von energetischen Elek­ tronen getroffen würde. Ohnehin wird bei der zur Erzeugung von Agglomerat­ strahlen erforderlichen hohen Stromdichte des Dampfes durch die verwendete Elektronenstrahlheizung unvermeidlich ein dichtes Plasma vor der Austrittsfläche des Dampfstrahls erzeugt, das etwa gebildete Agglomerate wieder zerstört.

Der erfindungsgemäßen Lösung der obengenannten Aufgabe der Erzeugung intensiver Strahlen von Agglomeraten dient dagegen eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Tiegel durch thermische Strahlung beheizt wird und der Auslaßteil der Düse (10) mittels eines durchbohrten Deckels (12) direkt mit dem den Tiegel umgebenden, gegebenenfalls aus verschiedenen, getrennt steuerbaren Teilen bestehenden Heizelement (11) verbunden ist. Dazu muß sich die Oberkante des Heizelementes auf dem gleichen elektrischen Potential befinden wie die Düse. Die vom Heizer aufgrund seiner hohen Temperatur neben der thermischen Abstrahlung auch emittierten Elektronen erfahren daher keine Beschleunigung, die sie zu lonisierung der Teilchen des Dampfstrahls, und damit zur Plasmaerzeugung, befähigen würde. Die Vorrichtung kann auch so gestaltet sein, daß das Heizelement selbst mit dem Auslaßteil der Düse (10) verbunden ist (Fig. 4).

In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der Auslaßteil der Düse mit einer durchbohrten Kappe verbunden, die das be­ sagte Heizelement umgibt, gegebenenfalls in voller Länge. Diese Ausführungs­ form wird gewählt, wenn das elektrische Potential der Heizeroberkante nicht überall gleich dem der Düse ist und erlaubt auch eine Elektronenstrahlbeheizung des Tiegels. Neben ihrer Funktion als Strahlungsabschirmung für den Bereich der Düsenkehle schirmt die Kappe (16) in diesem Fall auch den aus der Düsenmündung austretenden Strahl mit Agglomeraten gegenüber den aus dem Heizer thermisch emittierten Elektronen ab. Aufgrund der Potentialdifferenz zur Düse können solche Elektronen genügend Energie gewinnen, um freie Atome oder Agglomerate zu ionisieren. Das sich bildende Plasma scheint für die Erzeugung eines intensiven Agglomeratstrahls abträglich zu sein.

Schließlich kann in einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Heizung auch durch direkten Stromfluß über die Kappe zur Düse und durch den Tiegel erfolgen.

Der Querschnitt der Düse oder der Düsen kann von der Kreisform abweichen. Als wirksame Kehlweite ist in diesem Falle die engste Weite des Querschnitts einzusetzen. (Zink-Agglomeratstrahlen sind bereits mit einer Düse von quadra­ tischem Querschnitt erzeugt worden.) Nichtkreisförmige Düsenquerschnitte können Vorteile bei der Düsenfertigung bieten, insbesondere bei Düsen mit sehr kleinen Öffnungswinkeln.

In einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird ein Düsenmaterial gewählt, das vom geschmolzenen Werkstoff benetzt wird. Zum Beispiel wurde mit einer Tantaldüse zur Expansion von Zinkdampf eine wesent­ lich geringere Tröpfchenbildung beobachtet als mit Düsen aus Graphit.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird zwischen Düsenmündung und nachfolgender Strahlblende (4) ein relativ großer Abstand von etwa der dreifachen Länge des divergenten Auslaßteiles der Düse eingestellt, um dem durch die Düse strömenden Dampf genügend Expan­ sionsraum zu bieten. Die Öffnung der Strahlblende (4) kann so weit gewählt werden, wie der durch den Öffnungswinkel der Düse (10) geometrisch bestimmte Strahlkegel am Ort der Blende (4) erlaubt. Die Blende (4) kann gegebenenfalls auch getrennt beheizt werden, um eine zu starke Bedeckung der Blende zu verhindern oder rückgängig zu machen.

Der Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe dient ebenfalls ein Verfahren, bei dem bei einem Öffnungswinkel R des divergenten Düsenauslaßteils (10) im Bereich von etwa 3° bis 30° und engsten Düsenweiten W im Bereich von etwa 0,2 mm bis 1 mm der Dampfdruck p im Tiegel (9) auf wenigstens 200 Hektopascal und das Produkt aus p, W, und 1/R auf wenigstens 20 Hektopascal mal Millimeter pro Grad eingestellt wird.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Düsenbereich stets auf einer Temperatur gehalten, die oberhalb der Temperatur der Oberfläche des verdampfenden Werkstoffes liegt. Da der Tiegel­ boden ebenfalls eine Wärmesenke darstellt, ist das z. B. durch eine geeignete Füllhöhe des Tiegels zu erreichen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels sowie verschiedener Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch die Agglomeratstrahlerzeugung in einer Beschichtungs­ anlage, wobei die Ausführungsform der mit dem Heizelement über einen durchbohrten Deckel verbundenen Düse dargestellt ist,

Fig. 2 Flugzeitsignale von Zink-Agglomeratstrahlen,

Fig. 3 die Dicke der abgeschiedenen Zinkschicht auf einem hinter einer Schlitzblende (5) bewegten Substrat,.

Fig. 4 die Ausführungsform mit an die Düse herangeführtem Heizelement,

Fig. 5 die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer das Heizelement umgebenden Kappe,

Fig. 6 eine Anordnung von vier Düsen mit dreieckigem Querschnitt, deren Achsen aufeinander zu laufen.

In einer Hochvakuumkammer befindet sich die in Fig. 1 dargestellte Anlage zur Erzeugung intensiver Agglomeratstrahlen für die Dünnschichtabscheidung. Die Anlage umfaßt die Vorrichtung zur Erzeugung der Agglomeratstrahlen (1), ein auf einem beweglichen Substrathalter befindliches Substrat (2) sowie eine gekühlte Auffängerfläche (3) mit einer kegelförmigen Strahlblende (4). Vor dem Substrat kann eine weitere Strahlblende (5) sowie ein Strahlschließer (6) in den Strahl gebracht werden. Die Substrathaltevorrichtung samt der Blende (5) kann durch ein Flugzeitmassenspektrometer (7) ersetzt werden, mit dem die Größe und die Geschwindigkeit der Strahlagglomerate bestimmt werden können. Eine Vorrichtung nach dem Stande der Technik zur lonisierung und Beschleunigung der Agglomerate ist einsetzbar, aber in Fig. 1 nicht dargestellt.

Der zu verdampfende Werkstoff (8) wird in den im vorliegenden Fall aus Graphit bestehenden Tiegel (9) eingebracht, der mit der aufschraubbaren Düse (10) aus Graphit oder hochschmelzendem Metall, z. B. Tantal, verschlossen wird. Der Heizer (11) besteht im beschriebenen Fall aus einer doppelgängigen Graphitwendel, die vom Heizstrom durchflossen wird. Das elektrische Potential der Oberkante der Wendel läßt sich auf das elektrische Potential des Tiegels, das im vorliegenden Fall gleich dem Erdpotential ist, einstellen. Ein durchbohrter Deckel (12), ebenfalls aus Graphit, wird auf den Heizer aufgelegt und stellt thermisch und elektrisch eine Verbindung zum Auslaßteil der Düse (10) her, die wegen der Gleichheit des elektrischen Potentials aber stromlos bleibt.

Die Heizvorrichtung (11) mit Deckel (12) ist umgeben von einer mehrlagigen Anordnung von hochschmelzenden Strahlungsschilden sowie einem wassergekühlten Außenmantel. In Fig. 1 ist diese Anordnung stark vereinfacht als Strahlungsschild (22) dargestellt. Der obere Teil dieses Schildes (22) öffnet sich kegelartig mit einem Öffnungswinkel von etwa 80° bis 150°. Zwischen der Mündung der Düse (10) und der Eingangsöffnung der Kegelblende (4) wird ein Abstand von etwa 90 mm, wenigstens aber etwa 20 mm, eingestellt. Die Hauptmenge des durch die Düse (10) expandierenden Dampfes schlägt sich auf den gekühlten Flächen (3) und (4) nieder.

Die Öffnung der Strahlblende (4) ist so gewählt, daß sie den vom Öffnungswinkel der Düse (10) goemetrisch bestimmten Strahlkegel passieren läßt.

Fig. 2 zeigt Flugzeitsignale von Zink-Agglomeratstrahlen, die mit dem Flugzeitmassenspektrometer (7) aufgenommen wurden. Elektronenstoßioni­ sation der Agglomerate während etwa 2 ps führte zu Agglomerationenpulsen, die auf der Strecke zwischen Elektronenschicht (13) und Auffänger (14) aufgrund der unterschiedlichen Agglomeratgeschwindigkeiten zeitlich auseinander liefen. Ohne elektrische Beschleunigung an der Beschleunigungsstrecke (15) ergab sich das obere Flugzeitsignal, aus dem sich eine mittlere Agglomeratgeschwindigkeit von etwa 1 km/s errechnen läßt, während eine negative Beschleunigungsspan­ nung die Agglomerationen früher (mittleres Signal), eine positive später (unteres Signal) am Auffänger eintreffen ließ. Die aus den Signalverschiebungen errech­ neten mittleren Clustergrößen steigen von der mittleren zur unteren Kurve von 2340 auf 4480 Atome pro Elementarladung an, weil die Tiegeltemperatur, und damit der Düsenvordruck, während der Messungen angewachsen waren.

In Fig. 3 ist die gemessene Schichtdicke der Zinkschicht, die auf einem hinter der Schlitzblende (5) vorbeigezogenen Siliziumwafer in 300 mm Entfernung von der Düsenmündung abgeschieden wurde, gezeigt. Die Geschwindigkeit der Wafer­ verschiebung wurde so gewählt, daß die Schicht in jeweils 10 Sekunden abge­ schieden wurde. Aus Fig. 3 folgt daher eine mittlere Beschichtungsrate von etwa 0,1 µm/s, die etwa um 3 Größenordnungen über den Raten liegt, die bei den dem bisherigen Stande der Technik entsprechenden Anlagen üblich sind.

In Fig. 4 wird eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt, bei der das Heizelement direkt mit dem Auslaßteil der Düse (10) ver­ bunden ist und die Schlitze der Heizwendel erst im Deckelteil des Heizelementes (11) enden. Dadurch wird auch dieser Deckelteil von Strom durchflossen und beheizt. In der gezeigten bevorzugten Ausführungsform werden die Schlitze im Deckelteil so zur Tiegelachse geneigt geführt, daß vom Bereich der Düsenkehle keine Strahlung parallel zur Tiegelachse entweichen kann.

In Fig. 5 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung für den Fall gezeigt, daß das elektrische Potential an der Oberkante des Heizelementes nicht überall gleich dem des Tiegels ist. In diesem Fall ist der Heizer von einer am Auslaßteil der Düse (10) anliegenden durchbohrten Kappe (16) umgeben, die sich über die gesamte axiale Länge des Heizelementes erstrecken kann. Diese Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird z. B. auch dann eingesetzt, wenn die Tiegelheizung vorzugsweise über Elektronenstoß erfolgt und daher große elektrische Spannungen zwischen der oder den in diesem Fall als Elektronenemitter dienenden Heizwendel(n) und dem Tiegel anliegen. Ein auf dem Potential des oder der Elektronenemitter(s) (17) liegender Reflektormantel (18) kann eingesetzt werden, um die Heizung des unteren Teils der Kappe zu verringern.

Bei Anordnungen mit mehreren Düsen können die mittleren Strahlrichtungen gegeneinander geneigt sein, so daß sie z. B. entweder fächerartig auseinander­ laufen oder aber sich in einem Brennpunkt zum Zweck der Intensitätserhöhung überschneiden. Durch solche Düsenanordnungen lassen sich gleichzeitig ver­ schiedene Auftreffwinkel der Agglomerate auf das Substrat realisieren, wodurch sich Vorteile bei der Bedeckung von Strukturkanten ergeben können. Ein Beispiel einer realisierten Anordnung von vier Düsen mit dreieckigem Querschnitt, deren Strömungsrichtungen aufeinanderzulaufen, ist in Fig. 6 gezeigt. Die Düsen sind als sich von der Düsenkehle aus vertiefende Kerben (19) in einen leicht konischen Kernteil (20) eingearbeitet, auf den ein glatter Überwurfkonus (21) aufgepreßt wird.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Erzeugung eines Strahls von Agglomera­ ten mit größenordnungsmäßig 1000 Atomen eines hochsieden­ den Stoffes durch Expansion von Dampf des zu agglomerie­ renden Stoffes aus einem beheizten Tiegel (9) durch eine oder mehrere Düsen mit divergentem Auslaßteil (10) von einigen bis zu einigen zehn Millimetern Länge, dadurch gekennzeichnet, daß der besagte Auslaßteil der Düse oder der Düsen mittels eines durchbohrten, gegebe­ nenfalls getrennt beheizbaren Deckels (12) mit einem den Tiegel umgebenden Heizelement (11) verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Oberkante des Heizelementes (11) auf dem gleichen elektrischen Potential befindet wie der Tiegel (9).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Teil des Heizelementes (11) selbst als Dec­ kel ausgebildet und mit dem Düsenauslaßteil (10) verbun­ den ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenauslaßteil (10) mit einer durchbohrten Kappe (16) verbunden ist, die, gegebenenfalls allseitig, die Heizelemente umgibt.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizung durch direkten Stromfluß über den Deckel (12) bzw. die Kappe (16) zur Düse und durch den Tiegel (9) erfolgt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen, oder wenigstens eine von ihnen, einen von der Kreisfläche abweichenden Querschnitt besitzen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Düsen gegeneinander geneigt sind, ins­ besondere in der Weise, daß sie sich in einem Brennpunkt schneiden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Werkstoff für die Düsen gewählt wird, der von der Schmelze des zu verdampfenden Materials (8) benetzt wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Düse oder die Düsen strömende Dampf vorzugsweise von einer Kaltfläche (3) aufgefangen wird, wobei zwischen Düsenmündung und Eintrittsöffnung der Strahlblende (4) in der Kaltfläche (3) ein Abstand von wenigstens etwa der Länge des divergenten Auslaßteils (10) der Düse eingestellt wird.

10. Verfahren zur Erzeugung eines Agglomeratstrahls mit­ tels einer Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einem Öff­ nungswinkel σ des divergenten Düsenauslaßteils (10) im Bereich von etwa 3° bis 30° und engsten Düsenweiten W im Bereich von etwa 0,2 mm bis 1 mm, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfdruck p im Tiegel (9) auf wenigstens 200 Hektopascal und das Produkt aus p, W und 1/σ auf wenig­ stens 20 Hektopascal mal Millimeter pro Grad eingestellt wird.

11. Verfahren zur Erzeugung eines Agglomeratstrahls nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllhöhe im Tiegel (9) so niedrig gewählt wird, daß die Temperatur der Oberfläche des verdampfenden Materials (8) auch ohne Verwendung des Deckels (12) stets unter der der Düsenkeh­ le liegt.