DE2420656B2

DE2420656B2 - Vorrichtung zur Elektronenstrahlverdampfung

Info

Publication number: DE2420656B2
Application number: DE2420656A
Authority: DE
Inventors: Gunther Dr. Truebbach Wulff (Schweiz)
Original assignee: Balzers Hochvakuum 6200 Wiesbaden GmbH
Current assignee: Balzers Hochvakuum 6200 Wiesbaden GmbH
Priority date: 1973-05-26
Filing date: 1974-04-29
Publication date: 1978-08-03
Also published as: FR2230755B1; DE2420656C3; US3949187A; DE7414979U; CH566399A5; NL7309573A; GB1420545A; FR2230755A1; NL156860B; DE2420656A1

Description

Bei der Aufdampfung dünner Schichten durch Elektronenstrahlverdampfung ist es meistens notwendig, die Verdampfungsrate, das ist die Menge des jo Verdampfungsmaterials, welche während einer gegebenen Zeitspanne (z. B. während einer Sekunde) von der Verdampfungsquelle abgedampft wird, dividiert durch diese Zeitspanne, zu überwachen. Die Verdampfungsrate ist nämlich maßgebend für die Aufdampfgeschwin- J5 digkeit oder die sogenannte Beschichtungsrate, d. h. die Menge des Schichtmaterials, das während einer Zeitspanne auf das Substrat aufgebracht wird, dividiert durch diese Zeitspanne. Häufig wird eine von der Beschichtungsrate abhängige Größe, z. B. die Dickenzunähme der Schicht oder die Frequenzänderung eines dem Dampfstrom ausgesetzten Schwingquarzes, gemessen und als Maß für die Bexchichtungsrate und dann auch für die Verdampfungsrate angegeben.

Die genaue und schnelle Messung der Verdampfungsrate ist vor allem dann wichtig, wenn aufgrund dieser Messung die Verdampfungsleistung der Dampfquelle entsprechend den Erfordernissen eines Aufdampfprozesses eingeregelt werden soll, z. B. konstant gehalten oder nach einem vorgegebenen Programm zeitlich variiert werden soll. Letzteres kann z. B. bei einer Aufdampfung zwecks Erzielung eines Brechungsindexgradienten in der Schicht erforderlich sein.

Aus der Schweizer Patentschrift 5 28 603 ist eine Einrichtung zur Ratemessung in Verbindung mit Elektronenstrahlverdampfung bekanntgeworden. Hierbei wird eine in den Bereich des Dampfstrahles hineinragende Sonde verwendet, von der ein von der Dampfstrahldichte und damit von der Verdampfungsrate abhängiger Meßstrom abgeleitet werden kann. Diese w bekannte Anordnung hat unter anderem den Nachteil, daß die im Dampfstrom angeordnete Sonde einen Teil des Dampfes auffängt und auf den zu bedampfenden Gegenstand einen Dampfstrahlschatten wirft. Um diese Schattenbildung zu vermeiden, könnte die Sonde zwar am Rande des Dampfkegels oder knapp neben dem zu bedampfenden Gegenstand angeordnet werden, die Erfahrung hat aber gezeigt, daß überraschenderweise derartige Ionensonden im Raum über der Verdampfungsquelle nicht die gewünschte Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Messung ergeben, die man hätte erwarten sollen. Nach längerem Gebrauch einer solchen Sonde stellt man nämlich fest, daß bei gleicher Verdampfungsrate und unter anscheinend völlig gleichen sonstigen Bedingungen (Natur des verdampften Materials, Restgasdruck, an die Sonde angelegte Spannung) von den ursprünglichen Werten abweichende Meßwerte erhalten werden.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gesetzt, eine neue Vorrichtung anzugeben, mit der Ratemessungen genauer und mit größerer Empfindlichkeit als mit den bisherigen Ionenstrommeßeinrichtungen durchgeführt werden können. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Gut, die Ionenstrahlquelle und die Ionenauffangelektrode in der genannten Reihenfolge im magnetischen Umlenkfeld angeordnet sind. Dadurch ist eine wesentlich bessere Erfassung der entstehenden Ionen als mit den bekannten Vorrichtungen mögiich; insbesondere wird durch unter Ausnutzung des an sich vorhandenen Magnetfeldes eine bessere Trennung zwischen den zu messenden Ionen einerseits und den im Dampfstrom unvermeidlich auftretenden, die Messung störenden Elektronen andererseits erzielt, so daß letztere zu keiner Verfälschung des Meßsignals mehr führen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt auch eine erhöhte Empfindlichkeit sowie den weiteren Vorteil, daß sich die Ionenauffangelektrode unterhalb einer etwa vorhandenen Blende (zur zeitweiligen Unterbrechung des Dampfstromes von der Dampfquelle zu den zu bedampfenden Gegenständen) befinden kann, so daß die Verdampfungsrate unabhängig vom Öffnungszustand dieser Blende gemessen werden kann.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnungen näher beschrieben.

In den Fig. 1—3 werden die folgenden Bezugszeichen für die angegebenen Teile der Anordnung verwendet:

1 Elektronenstrahl zur Erhitzung des zu verdampfenden Gutes;

2 Glühkathode;

3 Fokussierungselektrode;

4/5 Polschuhe des magnetischen Führungsfeldes;

6 Feldlinien des Führungsfeldes;

7 Beschleunigungselektrode;

8 Ionenauffangelektrode;

9 Bahn der Ionen im magnetischen Führungsfeld;

10 Entstehungsort eines Ions nahe der Oberfläche des zu verdampfenden Gutes;

11 Entstehungsort eines Ions im Elektronenstrahl;

12 abgedampfte Atome oder Moleküle (Dampfstrahl);

13 Verdampfungsgut;

14 Erregerspule zur Erzeugung des Magnetfeldes;

15 Isolator zur Halterung der Ionenauffangelektrode;

16 Hochspannungsisoiator, als Träger der Fokussierungselektrode 3 und der Glühkathode 2 ausgebildet;

17 Meßstrom-Ableitung von der Ionenauffangelektrode;

18 Fokus des Elektronenstrahls auf dem zu verdampfenden Gut;

19 eine etwaige weitere Ionenauffangelektrode (Fig. 3);

20,21, Ortskurven konstanter Ionenstromdichte für vier 22,23 verschiedene Niveaus der abdampfenden Fläche des Verdampfungsgutes;

24 Grundplatte;

25 Hochspannungszuführung für die Fokussierungselektrode 3;

26 Hochspannungs- und Heizstromzuführung für die Glühkathode 2;

27 gegebenenfalls vorzusehende Schirmwand.

Wie die F i g. 1 und 2 zeigen, trägt die Grundplatte 24 den gesamten Aufbau. Die von der Glühkathode 2 beim Betrieb emittierten Elektronen treten durch die zur Längserstreckung der Kathode parallelen Spalte (siehe F i g. 2) der Fokussierelektrode 3 und der Beschleunigungselektrode 7 hindurch und werden durch das Magnetfeld 6 auf das zu verdampfende Gut 13 umgelenkt Die Stärke des Magnetfeldes und die Betriebsspannungen der genannten Elektroden werden so gewählt, daß der Elektronenstrahl 1 auf der Oberfläche des Gutes 13 bei 18 einen Fokus (crossover) bildet Die vom Elektronenstrahl erzeugte Leistungsdichte ist an dieser Stelle am größten — bekanntlich gleich Strahlstromdichte · Beschleunigungsspannung — und bringt das Gut 13 zum Schmelzen und Verdampfen. Durch den einfallenden Elektronenstrahl wird ein Teil der abdampfenden Atome (Moleküle) ionisiert, und die so gebildeten Ionen werden durch das Magnetfeld 6 umgelenkt und treffen teilweise auf die Ionenauffangelektrode 8, welche vorteilhafterweise in bekannter Weise mit einem Faradaykäfig aufgebildei wird, um den störenden Einfluß etwaiger Sekundärelektronen zu verringern. Die Ladung der auftreffenden Ionen wird über die Leitung 17 als Meßstrom abgeführt und einem Strommeßinstrument zugeleitet. Der vom Ionenauffänger ableitbare Meßstrom ist eine eindeutige, monotone Funktion der Verdampfungsrate, wie durch Vergleich mit der von einem genauen Schwingquarz-Schichtdickenmeßgerät bestimmten Rate erwiesen werden konnte. Außer von der Verdampfungsrate ist der Ionenmeßstrom noch abhängig von der Größe der Auffangfläche und deren Potential, von der Art des Dampfes, von der Beschleunigungsspannung für den Elektronenstrahl und vom Restgas. Diese Faktoren können bei der Eichung der Anordnung bzw. der Umrechnung des Ionenmeßstroms in die Verdampfungsrate (wie schon bisher) berücksichtigt werden.

In der folgenden Tabelle zeigt die erste Spalte die für verschiedene Verdampfungsmaterialien bei einem Versuch erzielte (mit einem Schwingquarzratemeter in 40 cm Abstand von der Dampfquelle kontrollierte) Bedampfungsrate in Nanometer pro Sekunde. Die nächste Spalte gibt den mit der erfindungsgemäßen Anordnung für die gleiche Verdampfung mit einer Ionenauffangfläche der Elektrode 8 von 2 cm² erhaltenen Ionenstrom an sowie das dabei angewendete Auffängerpotential. Dieses Potential muß negativ sein, wenn (wie gewöhnlich) positiv geladene Ionen bestimmt werden sollen, positiv dagegen zum Auffangen negativer Ionen.

Material Rate

Ionenstrom Auffängerpotential

Al 60 A/s 0,4 mA 200 V <30 μΑ

Fe 50 A/s 0,6 mA 200 V < 2 μΑ

Ta 30 A/s 0,7 mA 200 V < 3 μΑ

Al₂O₃ ' 30 A/s 0,005 mA 50 V <0.5 uA

Die letzte Spalte zeigt den Rest-Ionenstrom, der ohne Verdampfungsgut jedoch bei gleichen Elektronenstrahlstärken wie im Falle der erwähnten Aufdampfungen bei einem Druck des Restgases in der Aufdampfkammer von 10~⁵ Torr gemessen wurde und der auf den im Restgas gebildeten Ionen beruht. Dieser Rest-Ionenstrom liegt in der Größenordnung von Mikroampere, ist also wesentlich kleiner als der bei Bedampfung auftretende Meßstrom.

ίο Bei der Erfindung wird das Führungsfeld für den Elektronenstrahl gleichzeitig auch dazu benutzt, um den Ionenstrahl getrennt von Elektronen auf die Auffangelektrode zu führen. Das Führungsfeld ist natürlich nicht auf den Raum zwischen den Polschuhen des es erzeugenden Magneten beschränkt sondern auch in dem den Magneten umgebenden Raum wirksam. Es hat die Eigenschaft, die abdampfende Oberfläche des Gutes mehr oder weniger auf einen bestimmten Bereich im Raum der Aufdampfkammer abzubilden, und es ist vorteilhaft, die Ionenauffangelektrode gerade im Bereich dieser »Abbildung« anzuordnen, wie dies bei der Anordnung nach der F i g. 1 der Fall ist In diesem Bereich herrscht nämlich eine wesentlich erhöhte Ionenstromdichte im Vergleich zu allen anderen Stellen der Aufdampfkammer. Dadurch kann die Meßempfindlichkeit bedeutend erhöht werden. In bekannten Anordnungen dagegen erreicht oft ein großer Teil der erzeugten Ionen den Ionenauffänger nicht, weil sie durch das Magnetfeld davon abgelenkt werden.

jo Infolgedessen werden manchmal um Größenordnungen geringere Ionenströme erhalten als bei der erfindungsgemäßen Anordnung.

Weitere Untersuchungen haben gezeigt, daß die genaue Reproduzierbarkeit der Messungen bei der

J5 Erfindung wahrscheinlich darauf beruht, daß die ionenauffangende Fläche der Elektrode 8 im Gegensatz zu bekannten Anordnungen, bei denen die Ionensonde dem Dampfstrom ausgesetzt ist, durch den Meßvorgang selbst eine definierte Oberfläche erhält und während der ganzen Messung beibehält. Durch die auf die Elektrodenfläche 8 aufprallenden Ionen wird auf dieser eine festhaftende Schicht gebildet (ähnlich wie bei »ion plating«), die eine definierte Oberflächenbeschaffenheit, insbesondere eine gleichbleibende Sekundär-Elektronenemission, ergibt. Letzterer Punkt ist besonders wichtig, weil durch die von den Ionen an der Elektrodenfläche ausgelösten Sekundärelektronen der über die Leitung 17 fließende Meßstrom verändert wird. Bei bekannten Sondenanordnungen findet auch eine Beschichtung der Elektrodenfläche statt, jedoch werden hierbei hauptsächlich neutrale Dampfteilchen niedergeschlagen, wobei sich mit zunehmender Schichtdicke (etwa ab 1 μΐη) eine zunehmend rauhere Oberfläche ausbildet, die eine schlecht definierte, nicht gleichbleibende Sekundär-Elektronenemission zur Folge hat. Die durch Ionenentladung auf der Auffangelektrode 8 gebildete Schicht kann dagegen eine Dicke von ¹Ao mm erreichen, ohne daß die Meßgenauigkeit dadurch beeinträchtigt wird.

M) Um eine Bedampfung der Ionenauffangelektrode 8 bei der erfindungsgemäßen Anordnung mit neutralen Dampfteilchen sicher zu vermeiden, ist zu empfehlen, sie außerhalb des kegelförmigen Raumes anzubringen, dessen Spitze im Fokus 18 des Elektronenstrahls auf dem zu verdampfenden Gut liegt, und dessen Mantelfläche durch eine mit der Senkrechten zur Oberfläche des zu verdampfenden Gutes einen Winkel von 60° einschließenden Geraden als Erzeugende bestimmt

wird. Vorzugsweise liegt die Fläche der lonenauffangelektrode etwa in der durch die abdampfende Oberfläche auf dem Gut 13 bestimmten Ebene oder sogar darunter. Es kann zwischen der lonenauffangelektrode und der verdampfenden Oberfläche, wenn nötig, noch eine Schirmwand vorgesehen werden, welche die Bahn 9 der Ionen nicht stört, aber den Ionenauffänger sicher gegen Bedampfung schützt. Diese Möglichkeit ist in F i g. 1 mit 27 gestrichelt angedeutet.

Wie schon erwähnt, ist die Größe des Ionenmeßstromes auch abhängig von der Lage der verdampfenden Fläche. Dies kann ausgenutzt werden, um gleichzeitig während der Aufdampfung auch die Lage dieser Fläche z. B. das Schmelzbadniveau in einem Verdampfungstie-

gel zu überwachen. Zweckmäßigerweise wird hierfür ein zweiter Ionenauffänger 19 vorgesehen, wie dies die Fig.3 zeigt. Die Kurven 20 bis 23 geben für vier verschiedene Schmelzbadniveaus die Orte gleicher Ionenstromdichte an. Man ersieht aus diesen Kurven, daß der Ionenstrom, der von der lonenauffangelektrode 19 abgeleitet werden kann, stark vom erwähnten Niveau abhängt, der Ionenstrom über die Elektrode 8 dagegen wesentlich niedriger. Man kann die Anordnung so treffen, daß man mit der Elektrode 8 praktisch unabhängig vom Schmelzbadniveau die Verdampfungsrate mißt und mit der Elektrode 19 das Niveau überwacht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verrichtung zur Elektronenstrahl verdampfung, bei der der von einer Elektronenstrahlquelle erzeugte Elektronenstrahl durch ein Magnetfeld auf das zu verdampfende Gut umgelenkt wird und eine Ionenauffangelektrode zur Kontrolle der Bedampfungsrate vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daßdas Gut (13), die Elektronenstrahlquelle (2,3,7,16) und die Ionenauffangelektrode (8)

in der genannten Reihenfolge im magnetischen ι ο Umlenkfeld angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine längliche Glühkathode (2) vorgesehen ist und diese mit ihrer Längsrichtung parallel zum magnetischen Umlenkfeld (6) angeordnet ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenauffangelektrode (8) symmetrisch zwischen den beiden Polschuhflächen (4, 5) und auf gleicher Höhe wie die abdampfende Ebene des Gutes (13) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß asymmetrisch eine zweite Ionenauffangelektrode (19) angeordnet ist.

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