DE2700979C3

DE2700979C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Kontrolle von Aufdampfprozessen

Info

Publication number: DE2700979C3
Application number: DE2700979A
Authority: DE
Inventors: Chih-Shun Los Altos Calif. Lu (V.St.A.)
Original assignee: Inficon Leybold Heraeus Inc
Current assignee: Leybold Inficon Inc
Priority date: 1976-01-30
Filing date: 1977-01-12
Publication date: 1979-02-22
Also published as: GB1543702A; US4036167A; IT1076330B; FR2339857A1; CH611029A5; DE2700979B2; DE2700979A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kontrolle der Aufdampfrate und/oder der Zusammensetzung des aufzudampfenden Materials während eines Aufdampfprozesses im Vakuum, bei dem ein Anteil des aufzudampfenden Materials eine Meßzone durchströmt, in der das aufzudampfende Material einer Strahlung ausgesetzt wird, 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 Hochleistungssystemen angewendet werden. Bei Quarz-Kristall-Detektoren weist der Kristall eine

empfindliche Fläche auf, auf dem die aufzudampfenden Teilchen kondensieren. Die natürliche Schwingungsfre- -;uenz des Quarzes wird durch diese Kondensation beeinfiußt, und die Frequenzänderung ist ein Maß für die Masse des kondensierten Materials. Quarz-Kristall-Detektoren haben deshalb nur eine ι ehr 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 -lurch Elektronen-Beschüß beruht (US-PS 3168 418). Die Größe des sich daraus ergebenden lonenstroms ist dabei ein Maß für die Aufdampfrate. Dieses Verfahren benötigt äußerst empfindliche lonenstrom-Meßgeräte in der Vakuumkammer, welche sehr empfänglich für elektrische Störungen sind. Weiterhin ist es nicht möglich, damit verschiedene Materialien zu unterscheiden.

Außerdem ist es bei Vakuum-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 Verdampfungsquelle 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 Aufdampf rate ungeeignet.

Schließlich wurde noch versucht, die Teilchen in der Aufdampfkammer derart zu bombardieren, daß si? Röntgenstrahlen aussenden, die für besondere Teilchen charakteristisch sind. Die zur Erzeugung der Röntgenstrahlung notwendige Spannung und die zum Schutz der Benutzer notwendigen Abschirmungen sind dabei derart aufwendig, daß ein solches Verfahren nicht mehr wirtschaftlich realisiert werden kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem eine kontinuierliche Kontrolle der Aufdampfrate und/oder der Zusammensetzung des aufzudampfenden Materials genau und weitgehend störungsfrei möglich ist. Außerdem sol! eine relativ einfache und unempfindliche Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens geschaffen werden. 4;

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in den Patentansprüchen enthaltenen Maßnahmen gelöst.

Mit einem Verfahren bzw. mit einer Vorrichtung nach der Erfindung ist die kontinuierliche Messung der Aufdampfrate und die Analyse der aufzudampfenden so Materialien in weiten Bereichen möglich.

Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung sind unabhängig davon anwendbar, ob die aufzudampfenden Materialien aus Dielektrika oder Metallen bestehen bzw. ob die Verdampfung des Materials mit Hilfe einer Elektronenkanone, Induktionsheizung, Widerstandsheizung oder dergleichen vorgenommen wird. Das Ausgangssignal ist relativ linear zur Aufdampfrate und nicht durch Störungen von elektrischen Ladungen, geladene Teilchen und Schwankungen des Kammerdruckes beeinflußt. Weiterhin ist es möglich, beim Gegenstand der Erfindung mit einem Elektronenstrahl mit relativ niedriger Energie auszukommen, der keine aufwendigen Abschirmungen benötigt, so daß in einfacher Weise eine genaue Messung der Aufdampfrate und Analyse der Eigenschaften des aufzudampfenden Materials, insbesondere bei Hochleistungsanlagen, erfolgen kann. Da die Meßzone klein ist und darüber hinaus den aus aufzudampfenden Teilchen bestehendtn Strom nur wenig 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 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 schalten.

Einzelheiten eines bevorzugten Ausführungsbeispieles der Erfindung soll anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische, perspektivische Ansicht eines Sensors nach der Erfindung, bei dem die Wände teilweise entfernt sind;

F i g. 2 eine schematische Ansicht eines Sensors nach F i g. 1, angeordnet in einer Vakuumaufdampfapparatur;

F i g. 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 F i g. 1 schematisch als rechteckförmiges Gebilde mit einem Boden 12, einer nicht dargestellten Deckenwand, zwei einander gegenüberliegenden Seitenwänden 14 und 15 (die Wand 15 ist nur teilweise sichtbar) und Stirnwänden 16 und 17 (die Stirnwand 17 ist ebenfalls mir teilweise sichtbar) dargestellt. Der Boden 12 und die Deckenwand weisen Durchgänge 20 auf. durch die eine beschränkte Menge der aufzudampfenden, zu kontrollierenden Materialien in definierter Weise strömen (Teilchenstrom U).

Die Seitenwand 15 weist eine öffnung 22 auf, die den Durchtritt von senkrecht zum Teilchenstrom emittierter Licht (Lichtstrom 23) zuläßt.

Mit 25 ist eine Wendel bezeichnet, die als Quelle für einen Elektronenstrahl zur Anregung der aufzudampfenden Teilchen 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 F i g. 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 F i g. 2 ist der Sensor 10 in der Vakuum-Aufdampfkammer 35 angeordnet. In dieser Kammer befindet sich ebenfalls die Quelle für das aufzuaampfende Material (Verdampfer ??) 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 durchströmt wird ;r, ' nicht von den schnell sich ändernden Dampfdichten nahe des Verdampfers 37 heeintiiiüt wird. In der Wand der Verdampferkaminer 35 isi eine optische und elektrische Durchführung 39 vo; gesehen, durch oie die elektrischen Verbindungen zu den Elementen des Sensors hindurchgefuhrl sind und durch üie sich eine Lichtübertragungsleitung 41 in Form einer starren Lichtröhre oder eines flexiblen Fiberglaskabels erstreckt.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel fuhrt 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 47 kann einer Vielzahl von Meß- und Kontrolleinrichtung zugeführt werden. Das in der Fig. 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 47 bzw. für die Wendel 25 enthalten. Das Signal des Photodetektors 47 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 modul'erten Frequenz ist ein Modulator 58, z. B. ein Oszillator oder dergleichen 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 cizxügt. Mit diesem Signal erfolgt eine Kontrolle und Steuerung der Versorgungseinheit 65 für den Verdampfer 37.

Ein Sensor 10 nach der Erfindung wird — wie in F i g. 2 dargestellt — derart in die Verdampferkammer 35 eingebracht, daß seine Öffnung 20 mil ausreichei.deir Abstand oberhalb des Verdampfers 37 liegt Diüch d". Durchführungsöffnung 39 hindurch erfolgt die elektrische und optische Verbindung der in der Verdampfer kaminer 35 angeordneten Elemente. Mit Hilfe der Wende¹ 2S wird ein Elektronenstrahl rirla"" niedrigei Energie ..zeugt, der es ermöglicht, t!ie Elektronen der außen η Sei.Je der Atome des aufzudampfender Materials anzuregen. Das Gehäuse des Sensors 10, dit

.j Ar.oJc 27 und die Fokussierionselektrode 28 und 29 sine .ur^ugbweise Bestandteile einer gemeisamen, auch die Wendel 2> umfassenden elektrischen Einheit. In einerr bevoiTugTer. Ausiührungsbeispiel wird die Wendel 25 auf negativem Potential gehalten. DL Anode 27, die Fokussierelek'.rodcn 28 und 29 sowie das Gehäuse haben alle das gleiche positive Potential.

Der Elektronenstrahl, der infolge der Potential-Differenz zwischen de^r Wend?l 25 und der Anode 2 p-zeugt wird, ist vorzugsweise elektronisch gepulst, und zwar mit Hilfe des Modulators 58 bei einer Frequenz um 200 Hz, so daß jedes Störsignal mit Hilfe konventioneller phasenempfindlicher Detektoren eliminiert werden kann. Der relativ niederenergetische Elektronenstrah 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 Energie niveaus angehoben. Danach gehen sie wieder über in den Gnmdzustand und emittieren dabei Photonen mit einer bestimmten Wellenlänge, die charakteristisch ist für die Art des angeregten Atoms oder Moleküls.

Wenn die F.mission mit Hilfe eines skannenden Monochromators analysiert wird, erhält man ein charakteristisches Spektrum der aufzudampfender Materie. Dadurch erhält man die Möglichkeit über das emiiterte 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 er-

■ii reicht. 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Komrolle der Aufdampfrate und/oder der Zusammensetzung des aufzudampfenden Materials während eines Aufdampfprozesses im Vakuum, bei dem ein Anteil des aufzudampfenden Materials eine Meßzone durchströmt, in der das aufzudampfende Material einer Strahlung ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Art der Strahlung se gewählt wird, daß die Elektronen von zumindest einem Teil der die Meßzone durchströmenden Atome des aufzudampfenden Materials auf ein höheres Energieniveau gehoben werden und daß die beim Rück-Übergang in den niedrigen Energiezustand entstehenden Photonen als Maß für die Aufdampfrate 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 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregung des aufzudampfenden Materials mit Hilfe eines die Meßzone durchströmenden Elektronenstroms bewirkt wird, dessen Elektronen eine Energie kleiner als 300 eV haben.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Maßnahme zur Anregung der Atome unabhängig ist von der Maßnahme für die Erzeugung des Dampfes.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß störende Strahlungen durch Verwendung eines gepulsten Elektronenstrahls und eines phasenempfindlichen Detektors eliminiert werden.

6. 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 (to) vorgesehen ist, der eine Meßzone bildet, daß eine Strahlungsquelle (25, 27, 28, 29) zur Anregung der Elektronen der äußeren Schale der Atome des die Meßzone durchströmenden Dampfes im Sensor vorgesehen ist, und daß eine Meß- und Kontrolleinrichtung (45, 47, 50) zur Registrierung des beim Rück-Übergang in den niedrigeren Energiezustand von den Atomen ausgehenden Lichts vorhanden ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle zur Anregung der Atome von einer Elektronenquelle (35) 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.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, 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 aufweisen, daß die Elektronenquelle (25) und die Beschleunigungs- und 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.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Erzeugung eines gepulsten Elektronenstrahls ermöglichende Elektronenquelle vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Elektronen auf der einen Seite des Sensorgehäuses eine Wendel (25) vorgesehen ist und daß auf der anderen Seite des Gehäuses die Anode (27) angeordnet ist.

11. 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 Steuerkreises ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch II, 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

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis

12, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zur Steuerung der Verdampferleistung in Abhängigkeit vom Signal des Photodetektors vorgesehen sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis

13, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zur Analyse der Wellenlänge des durch Photoemission entstandenen Lichts vorgesehen sind.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis

14, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Registrierung des emittierten Lichts aus einem Photodetektor (47) und einem diesem Detektor vorgelagerten Filter (45) bzw. Monochromator bestehen.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis

15, 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.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis

16, dadurch gekennzeichnet, daß zur Eichung des Sensors (10) ein Quarzkristall-Sensor vorzugsweise verschiebbar in der Vakuumkammer (35) angeordnet ist.