DE2700979A1 - Verfahren und vorrichtung zur kontrolle von aufdampfprozessen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur kontrolle von aufdampfprozessen

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Description

76.009
Inficon Leybold-Heraeus Inc. East Syracuse
Verfahren und Vorrichtung zur Kontrolle von Aufdampfprozessen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kontrolle der Aufdampfrate und/oder der Zusammensetzung des aufzudampfenden Materials während eines Aufdampfprozesses im Vakuum sowie auf eine geeignete Vorrichtung dafür.
Eine Mehrzahl von Aufdampfraten-Anzeigegeräten ist bisher entwickelt worden. Diese haben sich jedoch als unzulänglich erwiesen, insbesondere wenn sie in Hochleistuntssystemen angewendet werden. Bei Quarz-Kristall-Detektoren weist der Kristall eine empfindliche Fläche auf, auf dem die aufzudampfenden Teilchen kondensieren. Die natürliche Schwingungsfrequenz des Quarzes wird durch diese Kondensation beeinflußt, und die Frequenzänderung ist ein Maß für die Masse des kondensierten Materials. Quarz-Kristall-Detektoren haben deshalb nur eine sehr begrenzte Lebensdauer, da die auf dem Kristall aufwachsende Schicht nach kurzer Zeit zu stark ist.
Eine andere Anzeigemethode ist entwickelt worden, die auf der Ionisierung des Stromes der aufzudampfenden Teilchen durch Elektronen-Beschüß beruht. Die Größe des sich daraus ergebenden Ionenstroms ist dabei ein Maß für die Aufdampfrate. Dieses Verfahren benötigt äußerst empfindliche Ionenstrom-Meßgeräte in der Vakuumkammer, welche sehr empfänglich für elektrische Störungen sind. Weiterhin ist es nicht möglich, damit verschiedene Materialien zu unterscheiden.
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Schließlich ist es beiVakuum-Aufdampfprozessen, bei denen die Verdampfung des Materials mit Hilfe einer Elektronenstrahlkanone bewirkt wird, bekannt, die Intensität des emittierten Lichtes, das von der ionisierten Dampfwolke direkt oberhalb der Verdampfungsguelle ausgeht, zu beobachten.Wegen der sich schnell ändernden Dampfdichte nahe der Verdampfungsquelle, dem unkontrollierbaren Ionisationszustand und dem gestreuten Licht von vielen möglichen Störquellen variiert das ausgesendete Licht ständig und ist deshalb zur Kontrolle der Aufdampfrate ungeeignet.
Schließlich wurde noch versucht, die Teilchen in der Aufdampfkammer derart zu bombardieren, daß sie Röntgenstrahlen aussenden, die für besondere Teilchen charakteristisch sind. Die zur Erzeugung der Röntgenstrahlen notwendige Spannung und die zum Schutz der Benutzer notwendigen Abschirmungen sind dabei derart aufwendig, daß ein solches Verfahren nicht mehr wirtschaftlich realisiert werden kann.
Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Kontrolle der Aufdampfrate und der Zusammensetzung des aufzudampfenden Materials in einer Vakuumkammer zu schaffen, bei der die Messung der Aufdampfrate und die Analyse in weiten Bereichen möglich ist.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der die Aufdampfrate und die Zusammensetzung des aufzudampfenden Materials festgestellt und gemessen werden kann,wobei die Vorrichtung den in der Vakuumkammer ablaufenden Aufdampfprozess möglichst wenig stört.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kontrolle der Aufdampfraten und der Zusammensetzung der aufzudampfenden Materialien zu schaffen, wobei die Kontrolle kontinuierlich erfolgt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung sollen unabhängig davon anwendbar sein, daß die aufzudampfenden Materialien aus Dielektrika oder Metallen bestehen bzw. daß die Verdampfung des Materials mit Hilfe einer Elektronenkanone, Induktionsheizung, Widerstandsheizung oder dgl. vorgenommen wird.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kontolle der Aufdampfrate in Vakuumaufdampf-Prozessen zu schaffen, wobei das Ausgangssignal relativ linear zur Aufdampfrate ist und nicht durch Störungen von elektrischen Ladungen, geladenen Teilchen und Schwankungen des Kammerdruckes beeinflußt wird.
Diese und andere Ziele können durch Anwendung der in den Patentansprüchen enthaltenen Maßnahmen erreicht werden.
Durch die vorliegende Erfindung ist es also möglich, bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Kontrolle von Aufdampfprozessen mit einem Elektronenstrahl mit relativ niedriger Energie auszukommen, die keine aufwendigen Abschirmungen benötigt, so daß in einfacher Weise eine kontinuierliche und genaue Messung der Aufdampfrate und Analyse der Eigenschaften des aufzudampfenden Materials, insbesondere von Hochleistungsanlagen, erfolgen kann.
Da die Meßzone klein ist und darüberhinaus den aus aufzudampfenden Teilchen bestehenden Strom nurwenig beeinflußt, ist der in der Kammer ablaufende Aufdampfprozess durch die erfindungsgemäße Überwachung nahezu nicht gestört. Das von dem das Licht registrierenden Detektor gelieferte Signal kann in den verschiedensten bekannten Meßgeräten zwecks Feststellung der Art des aufzudampfenden Materials; oder auch der Restgaszusammensetzung
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in der Kammer analysiert werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit, mit diesem Signal die Aufdampfrate und damit auch die Dicke der aufgedampften Schicht zu überwachen sowie den Verdampfer zu steuern bzw. zu schaltea.
Einzelheiten eines bevorzugten Ausführungsbeispieles der Erfindung soll anhand eines in den Figuren dargestelltenAusführungsbeispieles erläutert werden. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische, perspektivische Ansicht eines Sensors nach der Erfindung, bei dem die
Wände teilweise entfernt sind; Figur 2 eine schematische Ansicht eines Sensors nach Figur 1^ angeordnet in einer Vakuumaufdampf-
apparatur;
Figur 3 ein Blockdiagramm für die Verarbeitung der vom Sensor gelieferten Signale.
In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.Der Sensor 10 ist in Figur 1 schematisch als reckeckförmiges Gebilde mit einem Boden 12, einer nicht-dargestellten Deckenwand, zwei einander gegenüberliegenden Seitenwänden 14 und (die Wand 15 ist nur teilweise sichtbar) und Stirnwänden 16 und (die Stirnwand 17 ist ebenfalls nur teilweise sichtbar) dargestellt, Der Boden 12 und die Deckenwand weisen Durchgänge 20 auf, durch die eine beschränkte Menge der aufzudampfenden, zu kontrollierenden Materialien injdefinierter Weise strömen (Teilchenstrom 11).
Die Seitenwand 15 weist eine Öffnung 22 auf, die den Durchtritt von senkrecht zum Teilchenstrom emittiertem Licht (Lichtstrom 23) zuläßt.
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Mit 25 ist eine Wendel bezeichnet, die als Quelle für einen Elektronenstrahl zur Anregung der aufzudampfendenTeilchen dient. Die erzeugten Elektronen haben relativ niedrige Energie, und zwar in der Größenordnung von weniger als 300 eV, was genügt um die Elektronen der äußeren Schale der Atome des aufzudampfenden Materials anzuregen. Am entgegengesetzten Ende des Sensor-Gehäuses ist eine Anode 27 vorgesehen, so daß der der Anregung dienende Elektronenstrahl 24, der von der Wendel 25 erzeugt wird, den aus aufzudampfenden Teilchen bestehenden Strahl kreuzt, wie schematisch in Figur 1 gezeigt. Um den Elektronenstrahl 24 eine definierte Energie und eine relativ gut definierte Form zu geben, sind positiv geladene Fokussierelektronen 28 und 29 im Wege des Elektronenstrahls vorgesehen^und zwar vorzugsweise mit rechteckigem Querschnitt. Dadurch wird außerdem sichergestellt, daß sich der Elektronenstrahl und der aus aufzudampfenden Teilchen bestehende Strahl in definierte Weise kreuzen.
Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 2 ist der Sensor 10 in der Vakuum-Aufdampfkammer 3 5 angeordnet. In dieser Kammer befindet sich ebenfalls die Quelle für das aufzudampfende Material (Verdampfer 37), die schematisch als elektrisch beheizt dargestellt ist. Die Versorgungseinheit ist mit 65 bezeichnet. Dargestellt ist weiterhin ein Quarz-Kristall-Sensor 38, der zur Kalibration des Sensors 10 benutzt werden kann. Der Sensor 10 ist oberhalb des Verdampfers 37 angeordnet, und zwar mit einem Abstand, der sicherstellt, daß der Sensor von einem typischen Anteil des aufzudampfenden Materials durchstörmt wird und nicht von den schnell sich ändernden Dampfdichten nahe des Verdampfers beeinflußt wird. In der Wand der Verdampferkammer 3 5 ist eine optische und elektrische Durchführung 39 vorgesehen, durch die die elektrischen Verbindungen zu den Elementen des Sensors hindurchdurchgeführt sind und durch die sich eine Lichtübertragungsleitung 41 in Form einer starren Lichtröhre oder eines flexLblen Fiberglaskabels erstreckt.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel führt die Lichtleitung zu einem optischen Fenster 43 und dann durch ein Filter 45 (oder Monochromator), der z.B. nur solche Wellenlängen des emittierten Lichtes durchläßt, die von den interessierenden, zu überwachenden Komponenten des aufzudampfenden Materials ausgehen. Das gefilterte Licht mit der interessierenden Wellenlänge wird dann dem Photo-Detektor 47 zugeführt. Das Signal des Photodetektors kann einer Vielzahl von Meß- und Kontrolleinrichtungen zugeführt werden. Das in der Figur 3 dargestellte Blockdiagramm zeigt ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel für eine solche Kontrolleinheit.
Die Meß- und Kontrolleinheit 50 (gestrichelte Linie) kann z.B. Stromversorgungseinrichtungen 52 und 53 für den Photodetektor bzw. für die Wendel 25 enthalten. Das Signal des Photodektors wird einer Strom/Spannungs-Schalteinheit 54 zugeführt, deren Ausgangssignal über einen Verstärker 55 mit variabler Verstärkung einem phasenempfindlichen Detektor 56 zugeführt wird. Zur Erzeugung einer mondulierten Frequenz ist ein Modulator 58, z.B. ein Oszillator oder dgl./ vorgesehen. Diese wird dem phasenempfindlichen Detektor 56 sowie - über eine Anodenspannungskontrolleinheit 59 - einer Emissionsstromkontrolleinheit 60 zugeführt, die mit der Stromversorgungseinheit 53 für die Wendel 25 und mit dem Sensor 10 verbunden ist. Die Modulatorfrequenz ist so gewählt, daß die Auswertung nicht durch aus der Umgebung stammende Störstrahlen gestört wird. Frequenzen in der Größenordnung von mehr als 200 Hz haben sich als besonders geeignet erwiesen. Das modulierte Ausgangssignal des phasenempfindlichen Detektors 56 wird einem Differenz-Signal-Detektor 61 zugeführt, der noch mit einer die Aufdampfrate festlegenden Einheit 62 verbunden ist. Das Ausgangssignal wird über eine Steuereinheit 63 einer Summeneinheit 64 zugeführt, die ein Korrektursignal in Abhängigkeit von der Abweichung zwischen der kontrollierten Aufdampfrate und der gewünschten Aufdampfrate erzeugt. Mit diesem Signal erfolgt eine
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Jf —·
Kontrolle und Steuerung der Versorgungseinheit 65 für den Verdampfer 37.
Ein Sensor 10 nach der Erfindung wird - wie in Figur 2 dargestellt derart in die Verdampferkammer 3 5 eingebracht, daß seine Öffnung 20mit ausreichendem Abstand oberhalb des Verdampfers 37 liegt. Durch die Durchführungsöffnung 39 hindurch erfolgt die elektrische und optische Verbindung der in der Verdampferkammer 3 5 angeordneten Elemente. Mit Hilfe der Wendel 25 wird ein Elektronenstrahl relativ niedriger Energie erzeugt, der es ermöglicht, die Elektronen der äußeren Schale der Atome des aufzudampfenden Materials anzuregen. Das Gehäuse des Sensors 10, die Anode 27 und die Fokussierelektrode 28 und 29 sind vorzugsweise Bestandteile einer gemeinsamen, auch die Wendel 25 umfassenden elektrischen Einheit. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Wendel 25 auf negativem Potential gehalten. Die Anode 27, die Fokussierelektroden 28 und 29 sowie das Gehäuse haben alle das gleiche positive Potential.
Der Elektronenstrahl, der infolge der Potential-Differenz zwischen derWendel 25 und der Anode 27 erzeugt wird, ist vorzugsweise elektronisch gepulst, und zwar mit Hilfe des Modulators 58 bei einer Frequenz um 200 Hz, sodaß jedes Störsignal mit Hilfe konventioneller phasenempfindlicher Detektoren eliminiert werden kann. Der relativ niederenergetische Elektronenstrahl reicht aus, um die Elektronen der äußeren Schale der Atome des aufzudampfenden Materials innerhalb der Vakuumkammer 35 anzuregen.Dadurch werden einige Elektronen der äußeren Schale auf höhere Energieniveaus angehoben. Danach gehen sie wieder über in denGrundzustand und emittieren dabei Photonen mit einer bestimmtenWellenlänge, die charakteristisch ist für die Art des angeregten Atoms oder Moleküls.
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η.
Wenn die Emission mit Hilfe eines skannenden Monochromators analysiert wird, erhält man ein charkteristisches Spektrum der aufzudampfenden Materie. Dadurch erhält man die Möglichkeit über das emittierte Licht das aufzudampfende Material und auch das noch in der Anlage befindliche Restgas zu identifizieren. Für bestimmte Emissionslinien ist die Intensität gegenüber der Energiekurve der Elektronen als optische Anregungsfunktion bekannt, Um die Atome anzuregen, muß die Elektronenenergie größer sein als die Schwellenenergie. Die Erzeugung brauchbarer Spektrallinien wird durch Auswahl einer angemessenen Elektronenenergie oberhalb des Schwellenwertes erreicht. Bei fester Wellenlänge und fester Elektronenenergie ist die Intensität der emittierten Photonen proportional zur Dichte des den Sensor durchströmenden Dampfes des aufzudampfenden Materials.
Durch Beschränkung des Flugweges des aufzudampfenden Materials mit Hilfe der vom Sensor gebildeten Meßzone und durch Ablenkung des Photonenweges im Sensor aus dem Weg des strömenden Dampfes erhält man klare Spektrallinien ausreichender Intensität, und zwar bei bereits relativ niedriger Anregungsenergie der Elektronen des Elektronenstrahls.
Die vorstehenden Ausführungen wurden zum Zwecke der Illustration und Erläuterung gemacht und nicht zum Zwecke der Begrenzung der Erfindung. Es ist erwünscht, daß sich der Schutz auf alle ähnlichen Ausführungsbeispiele im Rahmen des allgemeinen Erfindungsgedankens erstreckt.
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Leerseite

Claims (19)

ANSPRÜCHE
1.! Verfahren zur Kontrolle der Aufdampfrate und/oder der Zusammen-Setzung des aufzudampfenden Materials währen!eines Aufdampfprozesses im Vakuum, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anteil des aufzudampfenden Materials eine Meßzone durchströmt, daß die Elektronen von zumindest einem Teil der die Meßzone durchströmenden Atome des aufzudampfenden Materials angeregt und dadurch auf ein höheres Energieniveau gehoben werden und daß die beim Rück-Ubergang in den niedrigeren Energiezustand entstehenden Photonen als Maß für die Audampfrate bzw. als Informationssignal für die Zusammensetzung des aufzudampfenden Materials registriert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der aufzudampfenden Materie auf einem definierten, linearen Weg durch die Meßzone geführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daßdem durch die Meßzone strömenden Teilstrom ein rechteckförmiger Querschnitt aufgeprägt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregung der Atome des aufzudampfenden Materials mit Hilfe eines die Meßzone durchströmenden Elektronenstroms bewirkt wird, dessen Elektronen eine Energie kleiner als 300 ev haben.
5. Verfahren nachAnspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Photonenemission mit Hilfe eines Detektors (47) entlang eines saakrecht auf dem Elektronenstrahl stehenden Lichtweges beobachtet wird.
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6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Maßnahme zur Anregung der Atome unabhängig ist von der Maßnahme für die Erzeugung des Dampfes.
7. Verfahren nach einem der vorhergehendenAnsprüche, dadurch gekennzeichnet, daß störende Strahlungen durch Verwendung eines gepulsten Elektronenstrahles und eines phasenempfindlichen Detektors eliminiert werden.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Vakuumkammer sowie einem darin befindlichen Verdampfer und mindestens einem zu bedampfenden Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß in der Vakuumkammer (35) ein von einem Teil des Dampfes durchströmter Sensor (10) vorgesehen ist, der eine Meßzone bildet, daß Mittel (25,27,28,29) zur Anregung der Elektronen der äußeren Schale der Atome des die Meßzone durchströmenden Dampfes im Sensor vorgesehen sind und tfaß Mittel (45,47,50) zur Registrierung des beim Rück-Ubergang in den niedrigeren Energiezustand von den Atomen ausgehenden Lichts vorhanden sind.
9. Vorrichtung nachAnspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Anregung der Atome von einer Elektronenquelle(25) und geeigneten Beschleunigungselektroden (27,28,29) gebildet wird''und daß zur Registrierung des ausgesandten Lichts ein senkrecht zur Richtung des Elektronenstrahls angeordneter Photodetektor (47) vorgesehen ist.
10.Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (10)im wesentlichen quaderförmig ausgebildet ist, daß der Boden (12) und die obere Wand Öffnungen (20) für den Durchtritt des Anteils des zu verdampfenden Materials
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aufweisen, daß die Elektronenquelle (25) und die Beschleunigungsund Fokussierelektroden (27,28,29) derart angeordnet sind, daß der Elektronenstrahl senkrecht zum Teilchenstrahl aus aufzudampfender Materie gerichtet ist und daß die Optik-Öffnung (22) derart in einer Seitenwand (15) angeordnet ist, daß das senkrecht zur Ebene der beiden Ströme (Teilchen und Elektronen) gerichtete Licht registriert wird.
11.Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Erzeugung eines gepulsten Elektronenstrahls vorgesehen sind.
12.Vorrichtung nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Elektronen auf der einenSeite des Sensorgehäuses eine Wendel (25) vorgesehen ist und daß auf der anderen Seite des Gehäuses die Anode (27) angeordnet ist.
13.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Wendel (25) zur Erzeugung der Elektronen Bestandteil eines von dem Verdampfer unabhängigen elektronischen Steeerkreises ist.
14.Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgung für die Wendel (25) einen Modulator zur Frequenzkontrolle umfaßt und daß der Photodetektor (47) Bestandteil eines elektrischen Stromkreises ist, der einen phasenempfindlichen Detektor aufweist.
15.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Steuerung der Verdampferleistung in Abhängigkeit vom Signal des Photodetektors vorgesehen sind.
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16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Analyse der Wellenlänge des durch Photoemission entstandenen Lichts vorgesehen sind.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Registrierung des emittierten Lichts einen Photodetektor (47) und einem diesem Detektor vorgelagerten Filter (45) bzw. Monochromator bestehen.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß zur Übertragung des Lichts vom Innern der Vakuumkammer nach außen zum Photodetektor ein aus einem starren Rohr (41) oder aus einem Fiberglaskabel bestehender Lichtleiter vorgesehen ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß zur Eichung des Sensors (10) ein Quarzkristall-Sensor vorzugsweise verschiebbar in der Vakuumkammer (35) angeordnet ist.
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