DE8808098U1

DE8808098U1 - Vorrichtung zum Verdampfen von Stoffen im Vakuum

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Publication number: DE8808098U1
Application number: DE8808098U
Authority: DE
Original assignee: Balzers Hochvakuum 6200 Wiesbaden De GmbH
Current assignee: Balzers Hochvakuum 6200 Wiesbaden De GmbH
Priority date: 1988-06-23
Filing date: 1988-06-23
Publication date: 1988-11-10

Description

¹⁴

Vorrichtung zum Verdampfen von Stoffen im Vakuum

Die Neuerung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Verdampfen von Stoffen im Vakuum.

Bei den Vorrichtungen zum Verdampfen von Stoffen im Vakuum mittels eines auf der Oberfläche der aufzuschmelzenden Stoffe äüftreffenden Elektronenstrahls entsteht an der Auftreffstelle des Elektronenstrahls eine sogenannte Verdampfungswolke, welche die Örtliche Verteilung der vom Verdampfungszentrum weggerichteten Teilchendichte verkörpert. Dabei erscheint als wesentlicher Grund für die Variation der Schichtdicke der auf ein Substrat aufgedampften Materials die Schwankung dieeer Verdampfungswolke in der Prozesskammer während des Verdampfungsvorganges. Eine derartige Variation der Schichtdicke wirkt sich besonders störend aus bei sehr kurzen Bedampfungszeiten, wie sie etwa bei der Herstellung von Superlattices von Verbindungshalbleitern verwendet werden, bei denen im Simultanverfahren Schichtfolgen von jeweils einigen 10 A aufgebracht werden, deren stöchiometrische Genauigkeit auf + 1 % eingestellt werden muss.

Im Stand der Technik ist vorgeschlagen worden, durch geeignete Messungen den Verdampfungstiegel vor der Verdampfung derart in der Prozesskammer zu positionieren» dass die Verdampfungswolke bei vorgegebener Aufdampfrate und einer vorbestimmten Kombination von Tiegel, Verdampfungsmaterial, Höhe des Schmelzbades und Rate punktsymmetrisch zum Mittelpunkt des zu beschichtenden Substrates liegt. (J.S. LOGAN et al, IBM Technical Disclosure Bulletin, VoI 27, No. 2, July 1984, S. 1024). Bei diesem Verfahren wird das WirkungsZentrum der Verdampfung im zeitlichen Mittel des Verdampfungsvorganges

bestimmt* Ein Nachregeln der Position des Tiegels während des VerdampfUngsVörgänges ist dabei nicht vorgesehen und ange^ sishtä der Geschwindigkeit der Schwankungen der Verdampfungskeüli mit mechanischen Mitteln auch gar nicht möglich.

Im stand der Technik ist ferner vorgeschlagen worden, verschiedene Materialien aus verschiedenen Tiegeln mittels eines hin- und herspringenden Elektronenstrahls quasi-simultan zu Verdampfen. Dabei werden die an die einzelnen Tiegel abgegebenen Leistungen durch die vorbestimmten Verweilzeiten eingestellt und dadurch die Zusammensetzung der aufgedampften Schicht auf dem Substrat im zeitlichen Mittel bestimmt (DE-PS 882 174).

Schliesslich ist vorgeschlagen worden, verschiedene Verdampfungszentren auf der Oberfläche des zu verdampfenden Materials in ein und demselben Tiegel zyklisch mit unterschiedlichen Verweilzeiten des Elektronenstrahls zu beaufschlagen. Durch diese Massnahme sollen Fokussierungs- und Wärmeleiteffekte im zeitlichen Mittel kompensiert werden. (DE-PS 2 047 138).

Diese im Stand der Technik vorgeschlagenen Massnahmen führen bei Bedampfungszeiten von vielen Sekunden, typischerweise in der Grössenordnung von t> 100 Sekunden, zu einer Verbesserung der Reproduzierbarkeit der Verteilung des aufgedampften Materials auf dem Substrat. Für sehr kurze Bedampfungszeiten von typischerweise t<_ 5 Sekunden, wie sie in Verdampfung dünnster Halbleiterschichten im Ultrahochvakuum (UHV) erforderlich sind, genügen diese Vorkehrungen indessen nicht, um eine reproduzierbare Schichtqualität zu gewährleisten, da sie allesamt zu langsam arbeiten und somit zu geringe Reproduzierbarkeit erreichen.

Dementsprechend besteht die Aufgabe der vorliegenden Neuerung darin, eine Vorrichtung zu schaffen, welche auch bei verhältnismässig kurzen Bedampf ungs zeiten von wenigen Sekunden eisie

Konstante Schichtzusammdinsetzung und Schichtdicke und damit eine konstante SchichtqUiälität gewährleistet₄

Die Aufgabe wird durch öiine Vorrichtung mit den Merkmalen dös Schutzanspruehs 1 gelost.

Der besondere Vorteil der Neuerung liegt dabei darin, däös fiie Verdampfungskeule als summation bzw. superposition einer Kehrzahl einzelner individueller Verdampfungskeulen zu jedüm Zeitpunkt hinsichtlich dleometrie und Leistungsdichte konstant •gehalten wird. Dies wird dadurch erreicht, dass die Leistungsdichte der einzelnen indiividuelleti Verdampf ungs Zentren zeitlich einzeln angesteuert und geregelt werden. Als Stellgrös- «en für die Regelung der Leistungsdichte der einzelnen Verdampf üngsZentren können dabei unter anderem die Spannung oder Stromstärke (= Heizleistung) des Filaments, die Wehneltspan* nung, oder die Spulenströme der Brennfleck-Fokussierung eingesetzt werden. Die Ueberlagerung (Superposition, Summation) der Mehrzahl von Verdampfungskeulen ergibt eine einhüllende Keule, deren Leistungsverteilung zu jedem Zeitpunkt mit sehr kurzer Reaktionszeit beeinflusst werden, namentlich auch konstant gehalten werden ka,nn.

Ferner ermöglicht die Neuerung, das Maximum der Leistungsdichte der einhüllenden Dampfkeule symmetrisch zum Substrat einzustellen, was eine verhältnismässig homogene Verteilung des Aufdampfmaterials auf dem Substrat gewährleistet.

Die Neuerung ermöglicht schliesslic^, mit sehr geringem Regelaufwand örtliche Gradienten der Schichtdicke auf dem Substrat nu erzeugen und diese Gradienten nach Massgabe der Bedampf ungs zeit zu variieren.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der neuen Vcrr \^M ng sind Gegenstand von abhängigen Patentansprüchen und werden nachfolgend anhand der E'iguren 3 bis 10 erläutert, doch ist die Neuerung selbstverständlich nicht auf diese Ausführungsforrnen beschränkt. Dabei zeigen

Fig. 1 eine zum Teil schematische Ansicht bzw. ein Blockschema der erfindungsgemässen Vorrichtung;

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemässe Vorrichtung mit vier einzelnen Elektronenstrahlquellen und einzelnen lokalen VerdampfungsZentren;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemässe Elektronenstahlguelle;

Fig. 4 eine Draufsicht auf die Elektronenstrahlquelle aus Fig, 3;

Fig. 5 bis 8 verschiedene Ansichten und Schnitte durch einen Kathodenblock einer erfindungsgemässen Vorrichtung mit vier einzelnen Elektronenstrahlquellen;

Fig. 9 ein Blockschema des Regelkreises einer erfindungsgemässen Vorrichtung mit vier Elektronenstrahlguellen;

Fig. 10 einen Prinzipschaltplan der Signalaufbereitung aus einem einzelnen VerdampfungsZentrum;

Der Regelkreis gemäss der vorliegenden Neuerung umfasst nach der Darstellung in Figur 1 eine geeignete Elektronenstrahlkanone 1 zur Erzeugung der Elektronenstrahlen 5, deren ungefährer Verlauf durch unterbrochene Linien angedeutet ist. Diese Elektronenstrahlen gehen von den Filamenten 2 eines Kathodenblockes aus, werden an einer Wehneltvorrichtung 3 beschleunigt und passieren die Anode 4. Nach Umlenkung und Fokussierung durch gemeinsame an sich bekannte, hier nicht im einzelnen dargestellte Magnetfelder tieef fen die Elektronenstrahlen 5 auf die Oberfläche des aufzuschmelzenden und zu Verdampfenden Materials 6 liuf und erzeugen darauf mehr oder

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weniger genau definierte und je nach Fokussierungsgrad flächenmässig variable lokale Verdampfungszentren. Das zu verdampfende Material befindet sich dabei in einem gekühlten Verdampfungstiegel 7, weicher seinerseits auf einer Grundplatte 8 befestigt ist. Permanentmagnete 9 verbessern in dem dargestellten Anwendungsbeispiel die Fokussierung der Elektronenstrahlen in denjenigen Bereich des Tiegels 7, welcher weiter von der Kathode 2 entfernt ist, können aber auch zur Fokussierung und Defokussierung kathodennaher Brennpunkte, eingesetzt werden. Das besonders dargestellte System soll dabei lediglich als ein Beispiel für ein System angesehen | werden, das imstande ist, den Elektronenstrahl in der beschriebenen Weise abzulenken. Andere Systeme, welche als Elektronenstrahlquellen verwendet werden können, sind z.B. in den US-PS 3 446 934, 3 235 647 und 3 390 222 offenbart worden.

Das zu beschichtende Substrat wird in der dargestellten Anordnung an einem Substrathalter 10 (Kalotte) befestigt. Die Aufdampf- oder Verdampfungsrate wird während des Beschichtungsvorganges von Sensoren 11 gemessen, welche derart positioniert sind, dass sie überwiegend die Rate eines einzelnen | VerdampfungsZentrums erfassen. Um diese Selektivität der Sensoren zu verbessern, können sie in geeigneter Weise gegen Störungen aus anderen VerdampfungsZentren abgeschirmt werden, beispielsweise durch den Einbau in ein Rohr, welches auf einer Seite geöffnet ist, wie in Figur 1 angedeutet. Bei den Sensoren handelt es sich vorteilhafterweise um die ah. sich bekannten Schwingquarzvorrichtuncen (z.B. Type QSK 300 der BALZERS AG) oder um Vorrichtungen, welche optische Parameter des zu beschichtenden Substrats erfassen, beispielsweise optische Schichtdickenmessgeräte, welche sowohl Reflexions- als auch Transmissionsmessungen ermöglichen (Optisches Schichtdickenmessgerät der BALZERS AG, Typ GSM 420 oder 210 oder Quadrupol-Massenspektrometer mit Cross-beam lönenqeullen QMS 420).

Das von einem derartigen Sensor 11 ausgehende, die von einem individuellen VerdampfungsZentrum erzeugte Aufdampfungsrate repräsentierende Analogsignal wird zunächst in einem System 13 von Operationsverstärkern verarbeitet. Dabei wird der Mittelwert aus allen gemessenen Raten hier mit Linien

18 angedeutet gebildet und mit einem vorbestimmten Sollmittelwert verglichen. Das Eingangssignal wird anschliessend mit dieser Mittelwertabweichung und schliesslich mit einem externen Sollwert verglichen und die Differenz einem zweiten System von Operationsverstärkern 14 zugeführt.

In diesem zweiten System 14 wird das Signal zunächst in einem PID-Regler umgesetzt und das derart aufbereitete Signal einem extern vorgegebenen Arbeitspunkt addiert. Mit dem derart verarbeiteten Signal können beispielsweise ein Wehneltspannungssteller 15 und/oder ein Filamentstromsteller 16 ange steuert werden, welche ihrerseits mit der Hochspannungsversor gung 17 in Verbindung stehen. Die an die anderen Elektronenstrahlquellen abgehenden Signale sind schematisch mit Pfeilen

19 angedeutet.

In Figur 2 ist ein Querschnitt durch eine Vorrichtung schematisch dargestellt, welche vier einzelne Elektronenstrahlquellen 2 in einer Elektronenstrahlkanone 1 vereinigt und vier einzelne Sensoren 11 aufweist, welche den einzelnen Verdampfungszentren (Fokus) 21 zugeordnet sind. Die Elektronenstrahlen werden in dieser Anordnung unter anderem durch eine schematisch angedeutete Magnetspule 20 umgelenkt und den Verdampfungszentren (Fokus) 21 zuführt, welche sich auf der Ober fläche des zu verdampfenden Materials 6 bilden.

Eine Elektronenstrahlkanone 1, welche zur Aufnahme von vier einzelnen Elektronenstrahlquellen geeignet ist, ist in Figur 3 in einem Längsschnitt und in Figur 4 in einer Draufsicht dargestellt. Kathodenblock mit den Filamenten 2, Wehneltanordnung 3 Und Anode 4 entsprechen dabei der Vorrichtung in Figur 1. Die Filamente (2) Werden über die Zuleitung (24)

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mit Hochspannung versorgt. Derjenige Teil der Platte 8, auf dem der Kathodenblock montiert ist, wird mit einem Kühlmittelsystem mit einer Zuleitung (37) und einer Ableitung (38) für das Kühlmittel gekühlt. Der aus dem Kathodenblock (2,3) austretende Elektronenstrahl wird durch die Hauptumlenkspule (20) mit den Polschuhen (39) und die Spule (25) umgelenkt, welche über eine eigene Zuleitung (40) mit Strom versorgt wird.

Das zu verdampfende Material 6 befindet sich in einem Tiegel 7, der auf einer Grundplatte 8 befestigt ist, und neben den Permanentmagneten 9 zur Fokussierung der Elektronenstrahlen in den entfernten Partien des Tiegels ein Kühlsystem mit einer Zuleitung 22 und einer Ableitung 23 für das Kühlmittel aufweist. Auf der Oberfläche des zu verdampfenden Materials werden dabei lokale Verdampfungszentron 21 gebildet.

Die Figuren 5 bis 8 zeigen verschiedene Ansichten eines Kathodenblockes zur Aufnahme von vier einzelnen Elektronenstrahlquellen. Die Frontansicht der Figur 5 lässt dabei die Befestigung der vier einzelnen Filamente 2 als Kathoden im Kathodenhalter 26 erkennen, wei.cher seinerseits auf eir.-m Isolator 27 verankert ist. An der Stirnseite dieses Kathodenhalters 26 sind vier Wehneltträger 28 in symmetrischer Anordnung mittels Schrauben befestigt. Die vier Wehneltbleche

29 sind durch Schrauben mit der Rückseite dieser Wehneltträger 28 verbunden und weisen einen horizontalen Falz auf, der die Position der Wehneltblechkante zum Filament 2 definiert, welche für den Betrieb der Anlage kritisch ist. Die Anordnung wird durch einen ebenfalls spannungsführenden Wehneltbalken

30 ergänzt, der sich in horizontaler Richtung zwischen jeweils zwei Filamenten erstreckt. Die Vorrichtung wird durch eine vertikal angeordnete Isolatorp.latte 31 und durch zwei symmetrisch Und horizontal angeordnete Isolatorplatteri J2 zusammengehalten. Die Stromversorgung erfolgt über die vier Zuführungen 33 für jede einzelne der viei: Elektronenstrahl« quellen getrennt.

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In dem in Figur 6 dargestellten Querschnitt durch den Ka* thödenblock lässt sich die Befestigung des Wehheltbleches 29 am Wehnelttrager 28 sowie die gegenseitige Position des gefalzten Wehneltbleches 29 , der Filamente 2 und des Weh-⁴ neitbalkens 30 erkennen. Die Filamente 2 sind im Kathodenhaiter 26 festgeklemmt/ Und dieser ist seinerseits auf der Isölatorpiatte 27 befestigt.

Die Befestigung der Filamente 2 im Kathodenhalter 26 ist

Aeste dieser Filamente 2 passen zu diesem Zweck in horizontale Ausnehmungen (Schlitze) 35/ welche ihrerseits in Verbindung zu jeweils zwei Schlitzen gemeinsamen grösseren Hohlräumen 34 im Kathodenhalter 26 in Verbindung stehen. Sind diese Filamente einmal in den Schlitzen 35 eingepasst), so werden sie in dieser Position durch die Schrauben 36 festgeklemmt, wobei die genannten Hohlräume 34/ eine feine-' re Dosierung und gleichmässigere Verteilung des Druckes des» Kathodenhalters 26 auf die Filamente 2 gewährleisten.

In dem Blockschema der Figur 9 ist das Zusammenwirken der einzelnen Elemente des Regelkreises schematisch dargestellt.

Die Verdampfungsraten der einzelnen, lokalen Verdampfungs-Zentren 21 werden einzeln in den Ratesensoren 11 erfasst und erzeugen dabei die Signale 41 der Rateistwerte.

Diese Signale werden zunächst in einem System 13 von Operationsverstärkern mit dem Mittelwert aller Räteistwerte ver-^ glichen, die Abweichung mit einem externen Sollmittelwert verglichen und die erfasste Differenz als Ausgangssignal (Regelabweichung (55)) entsprechend verstärkt. Die derart aufbereitete Regelabweichung wird in einzelnen PID-Reglern von an sich bekannter Bauweise weiter aufbereitet und mit den Ausgangswerten derselben beispielsweise die Stellorgane für die Wehneltspannung (oder für eine andere Stellgrösse)

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angesteuert. Damit wird die Leistungsabgabe der einzelnen Elektronenstrahlquelle unmittelbar beeinflusst und damit eine praktisch trägheitslose Regelung der Leistungsdichte der einzelnen Verdampfungskeulen gewährleistet.

Figur 10 zeigt ein Prinzipschaltbild der Regeldifferens-SignalaUfbereitung* Die einzelnen Elemente dieser Schaltung können beispielsweise die nachfolgend aufgeführten Werte an' nehmen^ doch ist die Schaltung selbstverständlich nicht auf aiese werte cescnranKx::

Schaltelement

Wert

42
43,46,48,51,52

44 45 47

47 k Sl &mgr;&Agr; 741;

(Fairchild, National, Silicon General, VALVO) MC 1741 (Motorola), TBA 221 (Siemens) 0.47 uF 10 k jTL 100 k _TL

In dieser Schaltung werden die von der Verdampfungsrate der einzelnen lokalen VerdampfungsZentren (21) erzeugten Signale (41) in fünf Stufen aufbereitet, denen je ein einzelner Operationsverstärker (43,46,48,51,52) entspricht. In den ersten beiden Stufen wird aus diesen Paiteistwerten (41) dsr Mittelwert gebildet, wobei in eier ersten Stufe des Verstärkers (43) die Werte summiert und in der zweiten des Verstärkers (46) skaliert und invertiert werden.

In einer dritten Stufe wird dieser Mittelwert durch den Operationsverstärker (48) mit einem extern vorgegebenen Sollmittelwert (49) verglichen, wobei diese Stufe mit einem Schalter (50) abgeschaltet werden kann.

Das derart erhaltene Signal wird anschliessend in der vierten Stufe des Verstärkers (51) fnifc dem Rateistwert (41) des einzelnen lokalen VerdampfUngsZentrums (21) Verglichen,

In der fünften Stufe des Operationsverstärkers (52) erfolgt «in Vergleich mit einem externen Ratesollwert (53), wobei diese Stufe mit dem Schalter (54) abgeschaltet werden kann*

Als Operationsverstärker können dabei für alle fünf Stufen «inräche Ständäfdvefstärker in Bipölärtecnnöiögie eingesetzt werden, beispielsweise des Typs pA 741, der bei anderen Herstellern unter der Codebezeichnung MG 1741 oder TBA 221 geführt wird. Selbstverständlich können aber auch gebräuchliche Standardverstärker mit FET-Eingang verwendet werden, beispielsweise vom Typ TL 081 C (Texas Instruments inc.). (Für die Betriebsdaten dieser Verstärker vgl. U. TIETZE/ Ch. SCHENK, Halbleiter-Schaltungstechnik, 6.A. Berlin usw. 1983, S. 128).

Die auf diese Weise aufbereitete Regelabweichung (55) wird in einem elektronischen PID-Regler von an sich bekannter Bauart weiter verarbeitet (vgl. beispielsweise TIETZE/ SCHENK, a.a.O.S. 812 Abb. 26.15 oder Betriebsanweisung tier Firma BALZERS AG für RTC 110, BB 800 266 BE. Dabei wird in der letzten Stufe der Arbeitspunkt beispielsweise für die Wehneltspannung addiert und als Ausgangswert der Stellwert für diese Wehneltspannung erhalten, der typischerweise in •inem Bereich zwischen O und 10~Y"- 300 V gegenüber dem Kathodenpotential liegen kann.

Figur 1

Claims

Schutzansprüche

1. Vorrichtung zum Verdampfen von Stoffen im Vakuum mittels auf der Oberfläche der zu verdampfenden Stoffe auftreffender Elektronenstrahlen,

dadurch gekennzeichnet,dass

(a) sie eine Mehrzahl von Quellen zur Erzeugung von Elektronenstrahlen,

(b) welche an unterschiedlichen Stellen der Oberfläche

* des zu verdampfenden Stoffes auftreffen

(c) und an diesen Stellen lokale Zentren der Verdampfung deij Stoffes erzeugen,

(d) eine Vorrichtung zum getrennten Messen der Verdampfungsrate für jedes einzelne Verdampfungszentrum,

^e) sowie eine Regeleinrichtung aufweist, in welcher die Leistungsdichten der einzelnen Verdampfungszentren einzeln angesteuert werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass

die Elektronenstrahlen in Elektronenstrahlkanonen er

zeugt werden, welche einen Kathodenblock mit Kathodenfi-

lamenten und Wehneltzusammensetzung, eine Anode sowie

f> Magnetspulen zum Umlenken und Fokussieren des Elektro

nenstrahls aufweisen.

3«, Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass

die Vorrichtungen zum Messen der Bedampfungsrate der einzelnen VerdampfungsZentren Schwingquarzmessanordnungen oder optische Schichtdickenmessgeräte sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Sensoren erfassten Signale durch eine Mehrzahl von Operationsverstärkern und mindestens einem elektronischen PID-Regler pro VerdampfungsZentrum verar beiten werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgrösse zur Variation der Leistungsdichte der einzelnen VerdampfungsZentren eine oder mehrere der fol genden Grossen ist: Filamentstrom, Filamentspajinung, Wehneltspannung. Fokussierung des Elektronenstrahls.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung vier einzelne Elektronenstrahlquellen aufweist, welche in einem einzigen Kathodenhalter befestigt sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die lokalen Verdampfungszentren auf der Oberfläche des zu verdampfenden Materials ein Quadrat bilden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, 5 und dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung je zwei obere und zwei untere Wehneltbleche aufweist und dass jeweils zwei Filamente vertikal übereinander zwischen je einem oberen und einem untern Wehneltblech angeordnet sind.

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Vorrichtung nach Artspruch 1 Und 6, dadurch gekennzeichnet/ dass

die einzelnen Filamente in Schlitzen des Kathodenhalters eingepasst und mittels Schrauben festgeklemmt sind/ Wobei die Schlitze in Verbindung mit grösseren Ausnehmungen des Kathodenhalters stehen.

PR 8883