DE69018579T2

DE69018579T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Mehrelement-Dünnfilms mittels Ionenstrahlsputtern.

Info

Publication number: DE69018579T2
Application number: DE69018579T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Asao; Yasushi Ishikawa; Naoya Kanda; Kunio Matsumoto
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-12-04
Filing date: 1990-12-04
Publication date: 1995-09-07
Anticipated expiration: 2010-12-05
Also published as: US5089104A; DE69018579D1; JPH03173770A; EP0431558A2; EP0431558B1; EP0431558A3; JP2713481B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Mehrelement-Dünnfilms auf der Basis des Ionenstrahlsputterns.
In Verbindung mit Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von Mehrfach-Dünnfilmen ist eine Vielfalt von Techniken vorgeschlagen worden. Sie stützen das Verdampfungsprinzip auf die Nutzung des üblichen Sputterphänomens, nämlich die Verdampfung durch Elektronenstrahlerwärmung und das Sputtern mit einer Einzelstrahl-Ionenquelle oder einer Quelle mit neutralem Strahl, und beispielsweise mit einem oder mehreren Zielobjekten bzw. Targets, oder mit einer Vielzahl von Targets und Ionenstrahlquellen.
Bei jedem Filmherstellungsverfahren und bei jeder Filmherstellungsvorrichtung wird die Steuerung der Zusammensetzung durch Probieren anhand der Beziehung zwischen der Menge und der Bedingung der Filmbildung bestimmt; und daher ändern sich bei der praktischen Durchführung des Experiments, wenn sich die Oberflächenbedingung oder dergleichen des Targets ändert, oder wenn sich die Atmosphäre der Filmbildung ändert, auch die Sputterrate und die Aufbringungsgeschwindigkeit auf dem Substrat, was zu einer abweichenden Filmzusammensetzung führt. Dieses Problem ist auf das Fehlen einer in-situ-Überwachung, d.h. auf eine Beobachtung an Ort und Stelle der Zusammensetzung während der Filmbildung sowie auf das Fehlen einer Einrichtung zum Anpassen der Filmbildung auf der Basis des Überwachungsergebnisses zurückzuführen.
Techniken, die sich auf diesen Sachverhalt beziehen, werden beispielsweise in den Druckschriften JP-A-63-53265 und JP-A-63-241822 beschrieben.
Unter den oben erwähnten herkömmlichen Techniken stellt die Verdampfung beim üblichen Gleichstromsputtern ein so großes Problem dar; daß ein aus einem Oxid oder dergleichen bestehendes Isolatortarget nicht gesputtert werden kann. Die Anwendung des Hochfrequenzsputterns, das bei Isolatortargets angewandt werden kann, stößt auf die Schwierigkeit, die Sputtergeschwindigkeit der Filmbildung unabhängig zu steuern, und zwar wegen der elektrischen Verkettung der an die Targetelektroden angelegten Spannungen, was ein Problem der ungenauen Zusammensetzungssteuerung bestehen läßt. Die Atmosphäre der Filmbildung ist nur in demjenigen Bereich veränderlich, in dem das Plasma zum Sputtern des Targets stabil existiert, und sie ist im Abstimmungsbereich der Zusammensetzung begrenzt. Was dies anbetrifft verflüchtigen sich bei der Herstellung eines Verbunddünnfilms mit darin eingeschlossenen flüssigen oder gasförmigen Elementen bei Raumtemperatur die genannten Elemente in die Atmosphäre; und daher ist der Bereich der Zusammensetzungssteuerung für diese Elemente auf Verfahren beschränkt, die auf dem reaktiven Sputtern beruhen. Die oben erwähnten Sputtertechniken erfordern die Erzeugung von Plasma auf dem Target, was das Eindringen von Hochenergieionen oder -elektronen in den erzeugten Film hervorruft und möglicherweise zu einem zerfallenen Film führt. Das Auftreten von Entladungs- oder Plasmalumineszenz in der Nähe des Substrates macht die in-situ-Überwachung der Zusammensetzung der durch das Verfahren aufgesprühten Teilchen unwirksam, das keine elektrische Störung in das Innere der Filmherstellungskammer einbringt, so daß eine indirekte Messung der Teilchenzusammensetzung auf der Basis der Messung der Filmdicke erforderlich ist.
Im Falle der Verdampfung durch Elektronenstrahlerwärmung oder dergleichen ist der Bereich der Verdampfungssteuerung für jede Komponente klein, und die Verdampfungsmenge ändert sich langsam als Reaktion auf die Wärmeleistung langsam, was das Problem einer ungenauen Zusammensetzungskontrolle herbeiführt, selbst bei Bereitstellung eines in-situ- Zusammensetzungsmonitors. Das reaktive Aufbringen des Oxids läuft Gefahr; die Oxidation im Tiegel und die Instabilität des Verdampfungsgebietes im Tiegel vorzufinden, was ein Problem bei der Zusammensetzungssteuerung bildet.
Ein Beispiel einer Filmherstellung, das eine hochgradige Steuerungsfähigkeit der Zusammensetzung und eine befriedigende Kristallbildung aufweist, ist das epitaktische Molekularstrahlverfahren. Es stößt jedoch auf die Schwierigkeit der Gaseinleitung und dergleichen, und zwar wegen der Beschränkung des Filmmaterials durch den Schmelzpunkt und den Dampfdruck, sowie wegen der Hochvakuumumgebung, was das Problem der schwierigen Dünnfilmherstellung bei Oxiden und Nitriden herbeiführt.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffüng eines Verfahrens zur Dünnfilmherstellung mit exakter Zusammensetzung. Dieses Ziel wird gemäß dem Verfahren erreicht, das Gegenstand des Anspruches 1 ist.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer Dünnfilm-Herstellungsvorrichtung, die in der Lage ist, einen Dünnfilm exakter Zusammensetzung herzustellen. Dieses Ziel wird gemäß der in Anspruch 8 definierten Vorrichtung erreicht.
Dieses Filmherstellungsverfahren auf der Basis der Sputtertechnik ist in der Lage, einen Hochleistungsdünnfilm sowohl aus metallischen, als auch isolierenden Materialien mit hoher Haftkraft mit Leichtigkeit und mit hoher Wiederholbarkeitsrate zu erzeugen. Insbesondere weist das Ionenstrahl-Sputterverfahren, das sich von den üblichen Sputterverfahren zur Herstellung eines Films im Hochvakuum auf einem vom Plasma getrennten Substrat unterscheidet, viele überlegene Merkmale auf, wie etwa die, daß der Film gegen Schädigung durch Hochenergieteilchen unempfindlich ist; daß die Herstellungsparameter unabhängig voneinander gesteuert werden können; und daß das Einschließen von Unreinheiten in den Film verringert werden kann. Auf dem Gebiet der supraleitenden Hochtemperaturfilme, der Halbleiter-Dünnfilmschaltungen, der magnetischen Aufzeichnungsfilme, etc., gibt es Bedarf an technischen Entwicklungen zur Herstellung von Legierungs- und Compound-Dünnfilmen mit exakt gesteuerter Zusammensetzung der multiplen Elemente.
Die vorliegende Erfindung dient dem Zweck, die Genauigkeit der Zusammensetzung eines Compound-Dünnfilms, der aus multiplen bzw. mehreren Elementen besteht, zu verbessern und gleichzeitig die Vorteile des Ionenstrahl-Sputterverfahrens und der entsprechenden Vorrichtung zu nutzen.
Im Falle, daß das Sputtern auf der Basis einer einzigen Ionenstrahlquelle oder einer Quelle mit neutralem Strahl sowie einem einzelnen oder mehreren Targets durchgeführt wird, ist es nicht möglich, die Sputterrate bei jeder konstitutiven Komponente kontinuierlich zu ändern; und daher ist es auch nicht möglich, die Zusammensetzung präzise zu steuern oder den Anteil der Komponenten in Dickenrichtung zu ändern (kontinuierliches Gefälle der Konzentration oder periodische Änderung der Zusammensetzung). Um dieser Sachlage Rechnung zu tragen gibt es eine Anlage mit einer Vielzahl von Targets und Ionenstrahlquellen, die aber betrieblich nicht in der Lage ist, die Zusammensetzung der aufgesprühten Teilchen zu überwachen und die Ionenstrahlquellen oder Quellen mit neutralem Strahl wänrend der Filmbildung zu steuern. Dies macht, wegen der Änderungen der Filmbildungsbedingungen gegenüber denen des Experiments aufgrund von Änderungen der Form und des Oberflächenzustandes der streuenden Targets sowie von Änderungen der filmbildenden Atmosphäre, die ein weiteres Probierexperiment bei jeder Änderung erfordert, eine genaue Kontrolle der Zusammensetzung schwierig und sehr ineffektiv.
Die vorliegende Erfindung ist dazu bestimmt, die vorgenannten Probleme zu überwinden, wobei ihr erstes Ziel in der Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung eines Mehrelement-Dünnfilms mit der Eigenschaft einer stabilen Steuerung der Zusammensetzung besteht, bei dem jede Komponente unabhängig gesteuert werden kann; wobei das Zusammensetzungsverhältnis der aufgesprühten Teilchen während der Filmherstellung direkt überwacht wird; wobei die Ionenstrahlquellen oder die Quellen mit neutralem Strahl dynamisch auf der Basis der Überwachung gesteuert werden; und wobei die filmbildende Atmosphäre als unabhängige Bedingung gesteuert werden kann. Das zweite Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung der Vorrichtung, die das genannte Verfahren in die Praxis umsetzt.
Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung sind in der Lage, die Konzentration jeder Komponente exakt zu steuern. Sie sind vorteilhafterweise zur Filmbildung von Mehrelement-Verbindungen anwendbar, die eine Steuerung der Zusammensetzung erfordern, beispielsweise Mehrelement-Oxide, Mehrelement-Nitride, metallische Mehrelement- Verbindungen und Legierungen, Gefälleverbindungen, Gefällelegierungen und künstliche Übergitter.
Das oben genannte Ziel besteht nämlich darin, ein Filmherstellungsverfahren und eine entsprechende Vorrichtung, die auf dem gleichzeitigen Mehrelement-Ionenstrahlsputtern basieren, zu schaffen, bei denen Ionenstrahlquellen oder Quellen mit neutralem Strahl in mindestens der gleichen Anzahl wie der der Targets vorgesehen sind, und bei denen gesprühte Teilchen, die von jedem Target ausgestoßen werden, gleichmäßig in einer kontrollierten Konzentration auf einem Substrat aufgebracht werden. Während der Filmbildung wird das Zusammensetzungsverhältnis der aufgesprühten Teilchen, die die Substratoberfläche durchdringen, unter Anwendung der Atomabsorptionsmethode gemessen. Die gemessenen Daten werden dem Rechenprozeß zugeführt, und die Beschleunigungsspannung sowie die Ionenstrahlstromdichte jeder Ionenstrahlquelle werden so eingestellt, daß das richtige Zusammensetzungsverhältnis der aufgesprühten Teilchen erreicht wird, wodurch die Konzentration der aufgesprühten Teilchen gesteuert wird.
Nachfolgend werden Mittel zur Erreichung des oben erwähnten Ziels näher im einzelnen beschrieben. Das erwähnte erste Ziel wird, wie nachfolgend erläutert, erreicht.
(1) Das Filmherstellungsverfahren auf Basis des Ionenstrahlsputterns gemäß der Erfindung wirkt in der Weise, daß Ionenstrahlen, die aus einer Vielzahl von Ionenstrahlenquellen abgesaugt werden, oder daß neutralisierte Strahlen dieser Quellen auf eine Vielzahl von Sputtertargets gerichtet werden, die entsprechend der Anzahl der Ionenstrahlquellen vorgesehen sind, so daß die gesprühten Teilchen, die von den Targets ausgestoßen werden, auf einem Substrat aufgebracht werden, wodurch ein Mehrelement-Dünnfilm gebildet wird. Das Zusammensetzungsverhältnis der aufgesprühten Teilchen, die durch die Substratoberfläche hindurchtreten, wird unter Anwendung der Atomabsorptionsmethode gemessen.
Das gemessene Zusammensetzungsverhältnis wird mit dem vorbestimmten Bezugszusammensetzungsverhältnis verglichen, um die Abweichung zu erfassen. Auf der Basis des erfaßten Ergebnisses wird ein Rechenprozeß durchgeführt, um Abgabedaten zu gewinnen, so daß das vorgeschriebene Zusammensetzungsverhältnis der aufgesprühten Teilchen erreicht wird. Die Energieversorgungsquellen der Ionenstrahlquellen werden dadurch so gesteuert, daß sie ihre Beschleunigungsspannungen und Ionenstromdichten anpassen. Das Zusammensetzungsverhältnis der abgesprühten Teilchen, die auf dem Substrat aufgebracht werden, wird während der Filmbildung direkt überwacht.
(2) Genauer gesagt ist das im vorhergehenden Abschnitt (1) beschriebene Mehrelement-Dünnfilmherstellungsverfahren auf Basis des Ionenstrahlsputterns so beschaffen, daß die Targets aus mindestens einem Target aus Metall, einem Target aus Metalloxid und einem Target aus Metallnitrid besteht; daß mindestens einer der Ionenstrahlen oder neutralisierten Ionenstrahlen aus mindestens einem Strahlentyp aus Sauerstoff oder Stickstoff als Zusatzionenstrahlquelle gebildet ist; und daß ein Dünnfilm aus einer zusammengesetzten metallischen Verbindung, die aus mindestens einer Verbindung aus einem zusammengesetzten Metalloxid und aus zusammengesetztem Metallnitrid besteht, auf dem Substrat gebildet wird.
(3) Im einzelnen ist das Mehrelement-Dünnfilmherstellungsverfahren auf Basis des im obigen Absatz (1) beschriebenen Ionenstrahlsputterns so beschaffen, daß die Targets aus mindestens einem einzelnen Metall oder einer Legierung gebildet sind; daß die Ionenstrahlquellen aus einem seltenen gasförmigen Element bestehen; und daß ein Dünnfilm aus mindestens einer Legierung oder einer metallischen Verbindung auf dem Substrat gebildet ist.
(4) Im einzelnen ist das Mehrelement-Dünnfilmherstellungsverfahren auf Basis des im obigen Absatz (1) beschriebenen Ionenstrahlsputterns so beschaffen, daß die Targets mindestens aus einem Metall, einem Metalloxid und einem Metallnitrid bestehen; daß mindestens einer der Ionenstrahlen oder der neutralisierten Ionenstrahlen aus mindestens einem Typ eines Strahls aus Sauerstoff oder Stickstoff als Zusatzionenstrahlquelle gebildet ist; und daß eine Mehrschicht-Filmverdrahtungsstruktur; bestehend aus einem Dünnfilm einer metallischen Verbindung und einem metallischen Dünnfilm hergestellt ist, der aus mindestens einem Metalloxid oder einem Metallnitrid auf dem Substrat gebildet ist.
Das zweite Ziel der Erfindung wird, wie nachfolgend beschrieben, erreicht.
(5) Die Vorrichtung gemäß der Erfindung zum Herstellen eines Mehrelement-Dünnfilms durch Ionenstrahlsputtern weist auf: eine Vielzahl von Ionenstrahlquellen oder Quellen mit neutralisiertem Strahl, die getrennt gesteuert werden können; eine Vielzahl von Targets als Verdampfungsquellen für die Dünnfilmkomponenten, die entsprechend den Strahlenquellen vorgesehen sind; Einrichtungen zum Richten der Strahlen auf die Targets, um so gesprühte Teilchen, die aus den Targets ausgestoßen werden, auf dem Substrat aufzubringen; Einrichtungen zum Messen der Konzentration der aufgesprühten Teilchen in der Nähe des Substrats, die von den Targets ausgestoßen und auf das Substrat gerichtet werden, auf der Basis der Atomabsorptionsmethode; Einrichtungen zum Vergleichen der Meßergebnisse mit dem vorbestimmten Bezugszusammensetzungsverhältnis der aufgesprühten Teilchen, wodurch die Abweichung erfaßt wird; und Durchführen eines Berechnungsprozesses auf der Basis des Erfassungsergebnisses, um Abgabedaten zu erzeugen, derart, daß das vorgeschriebene Zusammensetzungsverhältnis der aufgesprühten Partikel erreicht wird; und Einrichtungen zum Steuern der an die Ionenstrahlquellen oder die Quellen mit neutralisiertem Strahl gelieferten Energie auf der Basis des Berechnungsergebnisses, um die Beschleunigungsspannung und die Stromstärke der Strahlen abzustimmen und dadurch das Zusammensetzungsverhältnis der aufgesprühten Teilchen zu steuern. Das Zusammensetzungsverhältnis der aufgesprühten Teilchen, die auf dem Substrat aufgebracht werden, wird während der Filmherstellung direkt überwacht.
(6) Im einzelnen ist die im obigen Abschnitt (5) beschriebene Vorrichtung zum Herstellen des Mehrschicht-Dünnfilms durch Ionenstrahlsputtern so beschaffen, daß sie zusätzlich zu den Ionenstrahlquellen, die die Strahlen auf die Targets richten, eine Zusatzionenstrahlquelle aufweist, die einen Strahl direkt auf das Substrat richtet.
Die Ionenstrahlquellen verwenden Edelgase, wie etwa Argon oder sogar Sauerstoff oder Stickstoff, je nach der Zusammensetzung des Films. Die Strahlen dieses Typs sind im allgemeinen elektrostatisch geladen, so daß bei Targets, die aus einem Isolator hergestellt sind, beispielsweise einem Oxid, die Ionenstrahlen durch einen neutralisierenden Heizfaden neutralisiert werden können, ehe die Strahlen auf die Targets gerichtet werden, wodurch, falls nötig, verhindert wird, daß die Targets geladen werden. Im Falle, daß eine Komponente der beabsichtigten Dünnfilm-Zusammensetzung ein Element enthält, das bei Raumtemperatur gasförmig oder flüssig ist, beispielsweise Sauerstoff und Wasser, ist es auch möglich, das Element zusammen mit einem Ionenstrahl, wie etwa einem Argon-Ionenstrahl direkt mit Hilfe des Ionenstrahls oder des neutralisierten Strahls dem beabsichtigten Dünnfilm direkt zuzuführen.
Bei der Einrichtung zum Messen der Konzentration der gesprühten Teilchen, die auf das Substrat gerichtet sind, in der Nähe des Substrats auf der Basis der Atomabsorptionsmethode, wird ein Atomabsorptionsanalysesystem verwendet. Demgemäß sind die Lichtsender und ihre zugehörigen Lichtempfänger, die den Detektor dieses Systems bilden und hinsichtlich der Anzahl der Sender-Empfänger-Sätze der Anzahl der Arten der gesprühten Teilchen entsprechen, die den Dünnfilm bilden, im Raum zwischen den Targets und dem Substrat angeordnet.
Die von den Ionenstrahlquellen auf die Targets gerichteten Ionenstrahlen werden so konvergiert, daß etwa 99% oder mehr von ihnen senkrecht auf die Targets projiziert werden, um die beabsichtigte Reinheit des Dünnfilms zu erzielen. Dies ermöglicht es, daß die Beschleunigungsspannungen und Ströme der Ionenstrahlquellen der Sputtermenge der Targetkomponenten entsprechen, wodurch das Ionenstrahlsputterverfahren und seine Vorrichtung eine hohe Steuerfähigkeit der Zusammensetzung erreichen.
Zur Überwachung des Zusammensetzungsverhältnisses der gesprühten Partikel ist die Prozedur der Atomabsorptionsmethode ohne die Anwendung von Elektronenstößen, oder dergleichen, auf die gesprühten Teilchen vorzuziehen; und durch die dynamische Steuerung jeder Ionenstrahlabgabe auf der Basis der überwachten Information, derart, daß die beabsichtigte Zusammensetzung erreicht wird, kann die, gegen das Altern des Targets unempfindliche, Filmbildung mit hoher Wiederholbarkeitsrate der Zusammensetzung durchgeführt werden. Zusätzlich können die Zusammensetzungen der Ionenstrahlen oder neutralen Strahlen zum Sputtern der Targets, sowie die Zusammensetzungen der gesprühten Teilchen als unabhängige Filmherstellungsbedingungen behandelt werden.
Durch die Verwendung einer Ionenstrahlquelle als einer unterstützenden Ionenstrahlquelle zum Ausrichten eines energiearmen Ionenstrahls oder neutralen Strahls von Sauerstoff, Stickstoff oder dergleichen, auf das Substrat wird es möglich, den Mangel an Oxid, Nitrid, etc. zu steuern oder einen kristallinen Dünnfilm mit Anisotropie in der Kristallwachstumsrichtung herzustellen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der die Ionenstrahlabgabe jedes Targets dynamisch gesteuert wird, während die in-situ-Überwachung der Zusammensetzung der gesprühten Teilchen so durchgeführt wird, daß die Zusammensetzung des Dünnfilms genau gesteuert werden kann, ist es möglich, eine Dünnfilm-Verbindung mit hoher Zusammensetzungsgenauigkeit und ausgeprägter Kristalleigenschaft herzustellen.
Durch Ausbilden eines Verdrahtungsmusters in Form einer laminierten Dünnfilmstruktur kann der Nachglühprozeß entfallen; und es ist möglich, eine widerstandsfähige Verdrahtung herzustellen, ohne eine Schädigung des scharfen Gefälles der Konzentration in der Übergangszone herbeizuführen.
Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung zur Herstellung eines Dünnfilms, bei dem die Konzentration der Komponenten genau gesteuert werden kann, sind für die Filmherstellung von Mehrelement- Verbindungen geeiguet, die eine präzise Einstellung der Zusammensetzung erfordern, beispielsweise Mehrelement-Oxide, Mehrelement-Nitride, metallische Mehrelement-Verbindungen, Legierungen, Gefälleverbindungen, Gefällelegierungen und künstliche Übergitter.
Fig. 1A ist eine Vorderansicht der Vorrichtung, die die vorliegende Erfindung verkörpert;
Fig. 1B ist eine Draufsicht auf die in Fig. 1A dargestellte Vorrichtung;
Fig. 1C ist eine Seitenansicht der in Fig. 1A dargestellten Vorrichtung;
Fig. 2 ist eine schematische Ansicht, die den Querschnitt entlang der Linie IA-IA der Fig. 1A zeigt; und
Fig. 3 ist ein Diagramm, das modellhaft die auf der vorliegenden Erfindung basierende Gesamtanlage erläutert.

Ausführungsform 1:

Dieser Beschreibungsteil erläutert unter Bezugnahme auf die Fig. 1, 2 und 3 eine Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung, die vier Arten von Targets aufweist.
Vier Sätze von Ionenstrahlquellen oder Quellen mit neutralem Strahl 1 bis 4 zum Sputtern weisen entsprechende Targetelemente 5 bis 8 sowie eine Zusatzionenstrahlquelle 9 auf, wie in den Fig. 1 und 3 dargestellt. Unmittelbar vor einem Filmbildungssubstrat 10 ist ein Atomabsorptionsanalysesystem 11 plaziert, wie in den Fig. 2 und 3 dargestellt, das bei dieser Aüsführungsform zu den vier Elementen paßt, wobei das Analysesystem die Überwachung der Zusammensetzung der während der Filmbildung aufgesprühten Teilchen ermöglicht. Das Substrat 10 ist beispielsweise ein monokristallines MgO-Substrat.
Im Lichtpfad 11c der auf der Atomabsorptionsmethode basierenden Messung sind Blindrohre 11d angeordnet, die an die Enden des Lichtsenders 11a und des Lichtempfängers 11b des Systems angeschlossen sind, so daß der offene Meßlichtpfad auf die Nähe des Substrats beschränkt wird, wodurch das unerwünschte Streulicht abgeschottet wird. Das Atomabsorptionsanalysesystem 11 sendet die sich ergebenden Daten an eine Datenverarbeitungseinheit 17, wie in Fig. 3 dargestellt, die den Rechenprozeß durchführt und danach die sich ergebenden Steuerdaten an Energieversorgungseinrichtungen 12 bis 15 der vier Ionenstrahlquellen 1 bis 4 sendet, so daß die Abgabe der Ionenstrahlquellen entsprechend den vorgeschriebenen Zusammensetzungen gesteuert wird. In diesem Falle kann die auf der Atomabsorptionsmethode beruhende Messung der Zusammensetzung aufgrund der Abgabe der Zusatzionenstrahlquelle 9 und ihres chemischen Materials einen Fehler erzeugen. Wenn dies geschieht, werden Steuerdaten an die Energieversorgung 16 der Zusatzionenstrahlquelle 9 gesandt, die auf die Atomabsorptionsmessung zeitlich abgestimmt ist, wodurch die Abgabe des Zusatzionenstrahls abgestimmt wird.
Zur Beurteilung des erzeugten Kristalls ist eine allgemein bekannter Beobachtungseinrichtung für die Strahlbeugung schneller Elektronen (RHEED) vorgesehen, die einen RHEED-Stutzen 18, eine RHEED- Elektronenkanone 19, eine Cryopumpe für das Vakuumpumpsystem, einen Targetmanipulator 21 zum Verändern der Sputterstrahrichtung als Antwort auf die Drehung und Neigung des Targets, sowie ein Substraterwärmungs- und -drehsystem 22 zur Beschleunigung der Kristallbildung umfaßt, wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt.
Das in Fig. 3 dargestellte Atomabsorptionsanalysesystem 11 umfaßt Datenausgabeanschlüsse 11e sowie Verstärker 11f. Die Datenverarbeitungseinheit 17 weist eine Rechenfünktion auf, die die Abweichungen der Konzentration der aufgesprühten Teilchen von den vorbestimmten Werten der Zusammensetzung berechnet und Signale, die den erfaßten Unterschied anzeigen, an die Leistungsversorgungseinrichtungen 12 bis 16 sendet, so daß die Ionenstrahlquellen auf Rückkopplungsbasis gesteuert werden, um die richtigen Strahlabgaben zu erzeugen. Mit 25 ist eine Anzeigeeinheit bezeichnet, auf der Informationen in der Datenverarbeitungseinheit 17, beispielsweise die voreingestellten Werte der Zusammensetzung, die erfaßten Konzentrationen der aufgesprühten Teilchen und die Strahlkorrekturabgaben, auf Echtzeitbasis dargestellt werden.
Wenngleich die oben beschriebene Vorrichtung vier Sätze von Ionenstrahlquellen, vier Targetelemente entsprechend den Strahlquellen, ein Atomabsorptionsanalysesystem für vier Elemente und eine Zusatzionenstrahlquelle umfaßt, kann die Anzahl dieser Betriebskomponenten natürlich entsprechend der Zusammensetzung und der Struktur des herzustellenden Dünnfilms geändert werden.

Ausführungsform 2:

Die folgende Ausführungsform dient zur Herstellung eines Films bestehend aus BA&sub2;YCu&sub3;O7-δ, bei dem es sich um einen supraleitenden Hochtemperatur-Oxid-Dünnfilm handelt, unter Verwendung der auf der vorhergehenden Ausführungsform 1 basierenden Ionenstrahlsputtervorrichtung. Die Ionenstrahlquellen und Targets wurden wie folgt relativ zueinander angeordnet. Unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 3 war das Target 5 für die Ionenstrahlquelle 1 ein zusammengesetztes, gesintertes Dreielemententarget bestehend aus Ba-Cu-O für die Ba-Komponente; das Target 6 für die Ionenstrahlquelle war ein Y&sub2;O&sub3;-Target für die Y-Komponente; und die Targets 7 und 8 für die Ionenstrahlquellen 3 und 4 waren jeweils entsprechend CuO- oder Cu-Targets für die Cu-Komponente. Der Targetmontagewinkel wurde so eingestellt, daß alle genannten Komponenten in einer gleichmäßigen Verteilung auf dem Substrat 10, auf welchem der Dünnfilm gebildet wurde, aufgebracht wurden. Diese Einstellung wird wegen der unterschiedlichen Flugwinkelverteilungen der von den Targets ausgestoßenen, abgesprühten Teilchen benötigt, was aus Unterschieden in der thermischen Leitfähigkeit und der Strahlenergie herrührt, die in Abhängigkeit von jedem Targetmaterial zum Sputtern benötigt wird.
Ein supraleitender Oxid-Dünnfilm ist fähig, einen Sauerstoffmangel herbeizuführen, so daß die Zusatzionenstrahlquelle 9 oder die Quelle mit neutralem Strahl benutzt wird, um einen Suaerstoffstrahl mit einer Energie bis zu 200 eV auf die wachsende Dünnfilmoberfläche aufzustrahlen. Das Aufstrahlen des Sauerstoffstrahls mit einer Energie zwischen 50-100 eV war sehr wirksam, indem er den beabsichtigten supraleitenden Oxid- Dünnfilm der oben erwähnten Zusammensetzung herbeiführte. Die kritische Temperatur für die Supraleitung des Films betrug unmittelbar nach der Filmherstellung 85ºK. Die Temperatur des Substrates während der Filmbildung betrug 450ºC, und das Substrat zeigte Supraleitfähigkeit ohne daß ein Nachglühprozeß erforderlich war. Das Ergebnis der Analyse erbrachte, daß der Anteil von Substanzen anderer Art als der des supraleitenden Materials im Dünnfilm einen Gewichtsanteil von 1% oder darunter ausmachte.
Obwohl alle verwendeten Ionenstrahlquellen vom Sauerstoffstrahltyp waren, erbrachte die Verwendung des Argonstrahls das gleiche Ergebnis. Zur Herstellung eines Oxid-Dünnfilms ist aber der Sauerstoffstrahl vorzuziehen. Die Ionenstrahlquellen wurden mit den nachfolgend aufgeführten Beschleunigungsspannungen und Strömen betrieben: Ionenstrahlquelle 1: 1000 V, 100 mA; Ionenstrahlquelle 2: 700 V, 45 mA; Ionenstrahlquellen 3 und 4: 700 V, 45 mA; Zusatzionenstrahl 9 bzw. Quelle mit neutralem Strahl: 100 V, 30 mA.

Ausführungsform 3:

Bei der nachfolgenden Ausführungsform wurden vier Targetelemente aus Wismutoxid, Kupferoxid, einer gesinterten Mischung aus Strontiumoxid und Kupferoxid, und einer gesinterten Mischung aus Kalziumoxid und Kupferoxid hergestellt, und diese Targets besaßen zugehörigen Ionenstrahlquellen. Es wurde ein Dünnfilm bestehend aus der nachfolgenden Oxid-Verbindung in gleicher Weise wie im Falle der Ausführungsform 2 hergestellt.
Das Atomabsorptionssystem besaß Erfassungseinrichtungen für die Elemente Wismut, Strontium, Kalzium und Kupfer. Die Vorrichtung wurde zur Filmherstellung auf einem monokristallinen Magnesiumoxid-Substrat verwendet, das auf 400ºC erwärmt wurde. Zur Lieferung von Zusatzionen wurde ein Sauerstoffionenstrahl benutzt.

Experiment (1):

Das Atomabsorptionssystem wurde mit dem Ziel betrieben, die Zusammensetzung des Dünnfilms mit folgenden Anteilen aufzubauen: Wismut: 2; Strontium: 2; Kalzium: 2; Kupfer: 3. Während der Filmbildung wurde ein Sauerstoffionenstrahl oder ein neutraler Sauerstoffstrahl aufgestrahlt.
Der entstandene Dünnfilm entsprach der vorgeschriebenen Zusammensetzungsformel Bi&sub2;Sr&sub2;Ca&sub2;Cu&sub3;OX (mit 5 ≤ x ≤ 10), wobei die kritische Temperatur der Supraleitung 95ºK betrug.

Experiment (2):

Das Atomabsorptionssystem wurde mit dem Ziel betrieben, die Zusammensetzung des Dünnfilms mit folgenden Anteilen aufzubauen: Strontium: 2; Kalzium: 2; Kupfer: 3. Wismut wurde mit einem Intervall von 18 Å gesprüht, so daß die Gesamtzusammensetzung so gesteuert wurde, daß sich folgende Anteile ergaben: Wismut: 2; Strontium: 2; Kalzium: 2; Kupfer: 3. Wänrend der Filmbildung wurde ein Sauerstoffionenstrahl oder ein neutraler Sauerstoffstrahl aufgestrahlt. Die Temperatur des Substrats betrug 400ºC. Auf der Substratoberfläche wurde eine Kristallbildung mit Hilfe der Strahlbeugung mit schnellen Elektronen (RHEED) während der Filmbildung beobachtet. Die Filmbildungsgeschwindigkeit betrug 1/10 derjenigen des Experimentes (1).
Der entstandene Dünnfilm entsprach der vorgeschriebenen Zusammensetzungsformel Bi&sub2;Sr&sub2;Ca&sub2;Cu&sub3;OX (mit 5 ≤ x ≤ 10). Sie wurde periodisch gebildet, um einen supraleitenden Dünnfilm zusammengesetzter Oxide in Mehrschichtstruktur herzustellen, wobei die zusammengesetzten Oxide unterschiedlicher Zusammensetzungen abwechselnd laminiert wurden. Die Messung der supraleitenden Eigenschaft dieses Dünnfilms ergab die kritische Temperatur von 100ºK.
Die Beobachtung der Verteilungszusammensetzung des Films mit Hilfe des Transmissionselektronenmikroskops ergab, daß die vorerwähnten Schichten auf Bi-Basis mit einem Intervall von 17-18 Å erzeugt wurden; und es wurde daraus geschlossen, daß eine supraleitende Hochtemperaturschicht, die bei niedriger Temperatur stabil ist, bei der Filmbildung erzeugt wurde.
Obwohl bei den Ausführungsformen 2 und 3 die Verbindungen Ba&sub2;YCu&sub3;O7-δ und Bi&sub2;Sr&sub2;Can-1CunO2n+2 auf Y-Basis als Beispiele verwendet wurden, ist die vorliegende Erfindung auch auf supraleitende Hochtemperaturfilme anderen Typs anwendbar. Speziell kann die Erfindung beispielsweise auf folgende Verbindungen angewandt werden: La2XBaXCuO&sub4; auf La-Basis (Ba1-XKX)BiO&sub3; auf BPBO-Basis, Tl&sub2;Ba&sub2;Can-1 CunO2n+2 auf Tl-Basis, Pb&sub2;Sr&sub2;ACu&sub3;O auf Pb-Basis, Nb2XCeXCuO4Y und CaSr&sub2;(Cu, Bi)&sub3;O auf Nb-Basis.

Ausführungsform 4:

Die nachfolgende Ausführungsform dient zur Herstellung einer widerstandsfähigen Aluminiumverdrahtung auf einem monokristallinen Siliziumsubstrat durch Ionenstrahlsputtern in gleicher Weise wie im Falle der Ausführungsformen 2 und 3, unter Verwendung der Vorrichtung der Ausführungsform 1. Die Targets wurden aus metallischem Titan, Aluminium, Silizium und Gold hergestellt.
Anfänglich wird auf einem Siliziumsubstrat ein Titanfilm von etwa 50 Å Dicke gebildet, und danach wird Stickstoffgas zunehmend durch die Zusatzionenstrahlquelle 9 eingeleitet, so daß kontinuierlich ein die Zusammensetzung betreffende Gefälle von der Titanschicht zur Titannitridschicht gebildet wird.
Die Abgabe der Ionenstrahlquelle, die das Aluminiumtarget besprüht, wird allmählich gesteigert, so daß eine Zwischenschicht bestehend aus Titan, Aluminium und Stickstoff gebildet wird.
Danach wird die Abgabe der Ionenstrahlquelle, die das Titantarget besprüht, allmählich verringert, so daß eine Aluminiumnitridschicht als Isolation gebildet wird.
Der Zusatzstrahl aus Stickstoffgas wird gesperrt, so daß eine reine Aluminiumschicht durch Argongassputtern gebildet wird.
Zum Schutze der Drahtbondierung wird durch das gleiche Ionenstrahlsputtern ein Dünnfilm aus Gold auf der Aluminiumoberfläche hergestellt.
Mit Hilfe der obigen Prozesse wurde eine Aluminiumverdrahtung mit einer Haftkraft von 1000 g-Gewicht/mm gebildet.
Beim herkömmlichen Filmherstellungsverfahren tritt die Ungleichmäßigkeit der Zusammensetzung im Übergangsbereich der laminierten Dünnfilme verschiedener Zusammensetzungen auf, was ein Abschälen begünstigt. Um dieses Problem zu bewältigen, wird ein Nachglühprozeß durchgeführt, so daß die Diffusion in jeder Übergangsschicht stattfindet. Im Gegensatz dazu bildet das Verfahren gemäß der Erfindung ohne Schwierigkeit ein kontinuierliches Gefälle der Zusammensetzung aus, und es wird eine hohe Haftkraft ohne den Einsatz eines Nachglühprozesses erreicht. Infolgedessen kann eine widerstandsfähige Aluminiumverdrahtung ohne Hervorrufen einer Schädigung der Übergangsbereiche hergestellt werden, die ein scharfes Konzentrationsprofil aufweisen.

Claims

1.Verfahren zur Herstellung eines Mehrelement-Dünnfilms auf der Basis des Ionenstrahlsputterns, autweisend:

einen Schritt zur Erzeugung von Ionenstrahlen oder neutralen Strahlen, die neutralisierte Ionenstrahlen sind, mit einer Vielzahl von Ionenstrahlquellen (1-4);

einen Schritt zum Aufstrahlen der Ionenstrahlen oder neutralen Strahlen auf eine Vielzahl von Targets unterschiedlichen Materials zum Sputtern (5-8), so daß die Targets gesprühten Teilchen ausstoßen;

einen Schritt zum Ausrichten der gesprühten Teilchen auf ein Substrat (10);

einen Schritt zum Messen des Zusammensetzungsverhältnisses der gesprühten Teilchen, die auf die Oberfläche des Substrats gelangen, auf der Basis der Atomabsorptionsmethode;

einen Schritt zum Vergleichen des gemessenen Zusammensetzungsverhältnisses der gesprühten Teilchen mit einem vorbestimmten Bezugszusammensetzungsverhältnis der gesprühten Teilchen, um dadurch die Ionenstrahlquellen so zu steuern, daß das Zusammensetzungsverhältnis der gesprühten Teilchen mit dem Bezugszusammensetzungsverhältnis übereinstimmt; und

einen Schritt zum Aufbringen der gesprühten Teilchen auf das Substrat, um so einen Dünnfilm zu bilden, wobei das Zusammensetzungsverhäitnis abgestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Vergleichsschritt weiter aufweist:

Erfassen der Abweichung des Zusammensetzungsverhältnisses;

Berechnen von Abgabedaten auf der Basis des Erfassungsergebnisses, so daß das vorgeschriebene Zusammensetzungsverhältnis der gesprühten Teilchen erreicht wird; und

Steuern der Energieversorgung der Ionenstrahlquellen auf der Basis des Berechnungsergebnisses, so daß die Beschleunigungsspannung und die Ionenstromstärke der Ionenstrahlquellen abgestimmt werden, wobei das Zusammensetzungsverhältnis der gesprühten Teilchen, die auf das Substrat aufgebracht werden, während der Filmbildung direkt überwacht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Targets (5-8) aus mindestens einer der Komponenten: Metall, Metalloxid und Metallnitrid bestehen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Targets (5-8) aus mindestens einem einzelnen Metall oder einer Legierung bestehen.

5. Verfahren nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Ionenstrahlquellen (1-4) aus Ionenstrahlen seltener gasförmiger Elemente bestehen.

6. Verfahren nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, bei dem mindestens ein Typ der Ionenstrahlen und neutralisierten Ionenstrahlen als Zusatzionenstrahl, vorzugsweise bestehend aus mindestens einer der Komponenten Sauerstoff und Stickstoff, ausgebildet ist und auf das Substrat (10) aufgestrahlt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 3 in Verbindung mit Anspruch 6, bei dem eine Mehrschicht-Filmverdrahtungsstruktur, bestehend aus mindestens einem Metalloxid oder Metallnitrid, auf dem Substrat (10) gebildet wird.

8. Mehrelement-Dünnfilm-Herstellungsvorrichtung, basierend auf dem Ionenstrahlsputtern, aufweisend:

eine Vielzahl von Ionenstrahlquellen (1-4) oder neutralen Quellen, die unabhängig voneinander gesteuert werden können;

eine Vielzahl von Targets (5-8), die entsprechend den Strahlquellen (1-4) vorgesehen sind und als Verdamptungsquellen für die Dünnfilmkomponenten verwendet werden;

Einrichtungen zum Aufstrahlen der Strahlen auf die Targets (5-8), so daß die von den Targets (5-8) ausgestoßenen gesprühten Teilchen auf ein Substrat (10) gerichtet und darauf aufgebracht werden;

Einrichtungen (11a, 11b, 11d) zum Messen der Konzentration oder des Zusammensetzungsverhältnisses der gesprühten Teilchen auf der Basis der Atomabsorptionsmethode;

Datenverarbeitungseinrichtungen (17) zum Vergleichen des Meßergebnisses mit einem vorbestimmten Bezugszusammensetzungsverhältnis der gesprühten Teilchen und zum Berechnen von Abgabedaten auf der Basis des Ergebnisses des Vergleichs, so daß das vorgeschriebene Zusammensetzungsverhältnis der gesprühten Teilchen erreicht wird; und

Einrichtungen (12-16) zum Steuern der Abgabe der Ionenstrahlquellen oder der Quellen mit neutralem Strahl auf der Basis des Berechnungsergebnisses.

9. Mehrelement-Dünnfilm-Herstellungsvorrichtung auf der Basis des Ionenstrahlsputterns gemäß Anspruch 8, die weiter zusätzlich zu den Ionenstrahlquellen (1-4) zum Aufstrahlen der Strahlen auf die Targets (5-8) eine Zusatzionenstrahlquelle (9) umfaßt, die einen Strahl, vorzugsweise bestehend aus mindestens einer der Komponenten Sauerstoff und Stickstoff, direkt auf das Substrat aufstrahlt.

10. Mehrelement-Dünnfilm-Herstellungsvorrichtung auf der Basis des Ionenstrahlsputterns gemäß Anspruch 8 oder 9, bei dem die Targets (5-8) aus mindestens einer der Komponenten: Metall, Metalloxid und Metallnitrid bestehen.