DD142895A1

DD142895A1 - PROCESS FOR REACTIVELY LUBRICATION OF COMPOUNDS

Info

Publication number: DD142895A1
Application number: DD21216279A
Authority: DD
Inventors: Ullrich Heisig; Klaus Goedicke; Siegfried Schiller; Karl Steinfelder; Johannes Struempfel
Original assignee: Ullrich Heisig; Klaus Goedicke; Siegfried Schiller; Karl Steinfelder; Johannes Struempfel
Priority date: 1979-04-11
Filing date: 1979-04-11
Publication date: 1980-07-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum reaktiven Aufstäuben von Verbindungen aus elektrisch nichtleitendem Material.mit dem Plasmatron im Gleichstrombetrieb. Das Verfahren dient der Herstellung dielektrischer Schichten auf elektronischen ■ Bauelementen, Werkzeugen und Glas. Das Ziel ist die Schaffung eines ökonomischen Verfahrens zur Erzeugung hochqualitativer Schichten. Die Aufgabe, die Aufstäuberate wesentlich zu erhöhen und Überschläge zu verhindern, wird dadurch gelöst, daß die Leistungsdichte, bezogen auf die gesamte Targetfläche, auf mehr als 50 W cm"2 eingestellt wird und das Verhältnis Substratfläche zu Targetfläche auf größer als 5 eingestellt wird.The invention relates to a method for reactive dusting of compounds of electrically non-conductive material.with the Plasmatron in DC operation. The method serves the Production of dielectric layers on electronic ■ Components, tools and glass. The goal is creation an economic process for producing high quality Layers. The task to increase the Aufstäuberate significantly and to prevent flashovers, is solved by the Power density, based on the entire target area, to more is set as 50 W cm "2 and the ratio substrate area to target area is set to greater than 5.

Description

Verfahren zum reaktiven Aufstäuben von VerbindungenProcess for the reactive dusting of compounds

Anwendungsgebiet der ErfindungGsgebiet applicatio of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum reaktiven Aufstäuben von Verbindungen aus elektrisch nichtleitendem Material mit dem Plasmatron, auch Magnetron genannt, im Gleichstrombetrieb. Diese dielektrischen Schichten werden als Passivierungs-, Schutz- und Verschleißschichten, vorzugsweise bei der Herstellung elektronischer Bauelemente, bei der Veredelung von Werkstoffen, Werkzeugen und Glas angewendet»The invention relates to a method for reactive sputtering of compounds of electrically non-conductive material with the plasmatron, also called magnetron, in DC operation. These dielectric layers are used as passivation, protection and wear layers, preferably in the production of electronic components, in the refinement of materials, tools and glass »

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

.Es ist bekannt, elektrisch nichtleitende Schichten mit Piasmatron-Zerstäubungsquellen im HP-Betrieb aufzustäuben * Es wird dabei von Targets aus Verbindungen ausgegangene Im Gegensatz zum Aufstäuben von Metallen besteht hierbei der Nachteil, daß die Aufstäuberate sehr gering ist₀ Es wird dabei auch teilweise reaktiv im Argon-Reaktionsgasgemisch gearbeitet, um die Stö'chiometrie der Schicht zu verbessern»It is known to sputter electrically non-conductive layers with Piasmatron sputtering sources in HP operation * It is assumed that from targets of compounds In contrast to sputtering of metals this has the disadvantage that the Aufstäuberate is very low ₀ It also becomes partially reactive working in the argon reaction gas mixture in order to improve the stoichiometry of the layer »

Es wurden bereits verschiedene Lösungen auch für das reaktive Aufstäuben von Verbindungen durch Zerstäuben einer Komponente der Verbindung im Gleichstrombetrieb vorgeschlagen, um die Nachteile zu beseitigen und die Vorteile,, wie den geringen apparativen Aufwand der Plasmatronquellen mit Gleichstrombetrieb, die mit einer Leistungsdichte bis 20 W cm*"²arbeiten, und die günstige Ökonomie, zu nutzen» Senkt man den DruckVarious solutions have also been proposed for the reactive sputtering of compounds by sputtering a component of the compound in DC operation in order to eliminate the disadvantages and the advantages, such as the low equipment cost of plasmatron sources with DC operation, with a power density up to 20 W cm * ² work, and the cheap economy to use »Lowers the pressure

des Reaktionsgases beim Zerstäuben, um das Target frei von störenden Reaktionsprodukten zu halten, so werden die stöchiometrische Zusammensetzung und die geforderten Schichteigenschaften nicht erreichte Wird der Druck des Reaktionsgases dagegen hoch gewählt, so bedeckt sich das Target teilweise oder vollständig mit der nichtleitenden Verbindung» Niedrige Kondensationsraten, elektrische Aufladungen und Überschläge sind die Folge, was zu schwer geschädigten bzw. unbrauchbaren Schichten führt. Auch das Heizen des Targets während des Zerstäubens ist nur dann einsetzbar, wenn die Verbindung, mit der sich das Target bedeckt, eine niedrige Zersetzungstemperatur besitzt. Bei den technisch wichtigen Verbindungen liegt sie aber extrem hoch, meist über 1500 ⁰C₀ When the reaction gas is sputtered to keep the target free of interfering reaction products, the stoichiometric composition and the required layer properties are not reached. On the other hand, if the pressure of the reaction gas is high, the target is partly or completely covered by the nonconducting compound "low condensation rates , electrical charges and flashovers are the result, resulting in severely damaged or unusable layers. Also, the heating of the target during sputtering can only be used if the compound covered by the target has a low decomposition temperature. In the technically important compounds but it is extremely high, usually over 1500 ⁰ C ₀

Es ist auch vorgeschlagen worden, die Sorption von Reaktionsgas und dessen anschließende Aktivierung zu nutzen_e Dazu wird beispielsweise das Substrat abwechselnd durch die Beschichtungszone und durch eine Zone ohne Beschichtung, jedoch mit möglichst hohem Reaktionsgasdruck geführt,, Ebenso ist die lokale Herabsetzung des Partialdruckes in Targetnähe durch Anbringen von Getterflachen in der Nähe der Piasmatronquelle, das sogIt has also been proposed to use the sorption of reaction gas and its subsequent activation _e For example, the substrate is alternately passed through the coating zone and through a zone without coating, but with the highest possible reaction gas pressure, Similarly, the local reduction of the partial pressure in the vicinity of the target by placing getter areas close to the Piasmatron spring, the so-called

Gettersputtern, beschrieben worden» Die Bildung einer Schicht aus der Verbindung auf dem Target soll auch vermieden werden, indem Edelgas während des Zerstäubens durch das Target strömt und das Reaktionsgas in Substratnähe eingelassen wird«. Getter sputtering, has been described "The formation of a layer of the compound on the target should also be avoided by noble gas flows during sputtering through the target and the reaction gas is embedded in the substrate".

Je nach der Art der aufzustäubenden Verbindung müssen oft mehrere der vorgeschlagenen Maßnahmen kombiniert werden, um das reaktive Aufstäuben mit dem Plasmatron zu ermöglichen. Dabei sind jeweils apparativ auf v/endige Einrichtungen erforderlich, die das gesamte Verfahren komplizieren,,Depending on the nature of the compound to be sputtered, often several of the proposed measures must be combined to allow reactive sputtering with the plasmatron. In each case apparatuses are required on v / endige devices that complicate the entire process ,,

der Erfindung - of the invention

Das Ziel der Erfindung ist die Beseitigung der Mangel der bekannten und vorgeschlagenen Verfahren und die Schaffung eines Verfahrens, welches ökonomisch, auch von der Einrichtung her,The object of the invention is to overcome the deficiency of the known and proposed methods and to provide a method which, economically, also from the device,

arbeitet, Die Qualität der aufgestäubten Schichten ist zu erhöhen.works, the quality of the sputtered layers is to increase.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum reaktiven Aufstäuben von nichtleitenden Verbindungen aus elektrisch nichtleitendem Material mit einer Plasmatron-Zerstäu» bungsquelle im Gleichstrombetrieb zu schaffen, welches eine hohe Aufstäuberate gewährleistet und einen Überschlagsarmen Betrieb ermöglichteThe invention has for its object to provide a method for reactive sputtering of non-conductive compounds of electrically non-conductive material with a Plasmatron Zerstäu b tion source in DC operation, which ensures a high Aufstäuberate and allowed a rollover operation

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch Zerstäuben eines Targets aus elektrisch leitendem Material in einem Edelgas-Reaktionsgasgemisch dadurch gelöst, daß die mittlere Leistung3- · dichte, bezogen auf die gesamte Targetfläche, größer als -According to the invention, the object is achieved by sputtering a target of electrically conductive material in a noble gas / reaction gas mixture in that the average power density, relative to the entire target area, is greater than

—2-2

50 V/ cm eingestellt wird. Das Verhältnis der Substratfläche zur Targetfläche wird größer als 5 eingestellt. Werden die Substrate während der Beschichtung bewegt, so gilt dieses Verhältnis für die in jedem Zeitintervall beschichtete, d_o h_o die wirksame Substratfläche·50 V / cm is set. The ratio of the substrate area to the target area is set greater than 5. The substrates are moved during the coating, so this ratio applies to the coated at each time interval, d _o h _o the effective substrate surface ·

Diese gefundene Lösung bringt überraschenderweise qualitativ neue Effekte. Während sich bei gegebenem Partialdruck des Restgases am Substrat die Verbindung mit hoher Rate und stöchiometrischer Zusammensetzung bildet, überwiegt am Target die Zerstäubungsrate gegenüber der Bildungsrate der Verbindung auf der gesamten effektiven Targetfläche₀ Dadurch bleibt der elektrisch leitende Zustand des Targets erhalten, und die Ursache für die Entstehung elektrischer Überschläge am Target ist beseitigte Die bisher angewendete wesentlich geringere •Leistungsdichte und das kleinere Verhältnis der Substratfläche zur Targetfläche ist offensichtlich darin begründet, daß diese Parameter an die Werte der konventionellen Dioden-Zerstäubungsquellen und.-verfahren anschließen, und daß physikalischtechnische Möglichkeiten genutzt werden, durch die Begrenzung der Leistungsdichte und des Flächenverhältnisses die Homogeni-This solution found surprisingly brings qualitatively new effects. While forming at a given partial pressure of the residual gas at the substrate, the high rate link and stoichiometric composition, predominates at the target, the sputter rate relative to the rate of formation of the compound on the total effective target surface ₀ Thereby, the electrically conductive state of the target is maintained, and the cause for the The development of electric flashovers on the target is eliminated The significantly lower power density and the smaller ratio of the substrate surface to the target surface used so far are obviously due to the fact that these parameters follow the values of the conventional diode sputtering sources and methods and that physical-technical possibilities are exploited , by limiting the power density and the area ratio, the homogeneity

2 «j e% 4 2 « e% 4

tat der Schichtdicke, die Targetkühlung und die Materialausnutzung des Targets zu verbessern«» Auf Grund dessen ist in der technischen- Entwicklung von Piasmatronquellen ein Trend zu beobachten, der zu größeren effektiveren Targetflächen, d. h. niedrigerer· Leistungsdichte führt. Ein Weg, der dem erfindungsgemäßen Weg gerade entgegengerichtet ist_o This has led to a trend in the technical development of piasmatron sources, which leads to larger effective target areas, ie lower power density. A path that is just opposite to the path according to the invention _o

Ausführungsbeispielembodiment

Auf ein Substrat mit einer Fläche von 20 χ 20 cm soll eine Tantalpentoxidschicht aufgestäubt werden» Dazu wird ein Target aus metallischem Tantal im Gleichstrombetrieb mit einer Leistung von 5_S5 kW zerstäubt. Der Abstand zwischen dem Substrat und Target wird auf 8 cm eingestellte Der Partialdruck des Sauerstoffes in der Beschicktungskammer beträgt 1 „ 10 Torr (0,13 Pa) bei einem Gesamtdruck des Argon-Sauerstoff-Geciisches von 3 ο 10 ^J Torr (0,4 Pa). Das Target hat die Form eines Kreisringes mit ebener Oberfläche» Der äußere Durchmesser beträgt 10,5 cm, der innere Durchmesser 4,5 cm_o Die Begrenzung der wirksamen Targetfläche wird dabei in bekannter Weise durch elektrostatische Abschirmung mit Hilfe des Anodenoder Erdpotentials erreicht. Damit werden folgende ParameterA tantalum pentoxide layer is to be dusted on a substrate with an area of 20 χ 20 cm »For this purpose, a target of metallic tantalum is atomized in DC operation with a power of 5 _S 5 kW. The distance between the substrate and target is set to 8 cm. The partial pressure of the oxygen in the feed chamber is 1 "10 Torr (0.13 Pa) at a total argon-oxygen gas pressure of 3 o 10 ^J Torr (0.4 Pa ). The target has the shape of a circular ring with a flat surface »The outer diameter is 10.5 cm, the inner diameter 4.5 cm _o The limitation of the effective target area is achieved in a known manner by electrostatic shielding using the anode or ground potential. This will be the following parameters

2 erreicht: -Effektive Targetfläche 70,7 cm ; mittlere Lei-2 achieved: -Effective target area 70.7 cm; middle

_2_2

stungsdichte, auf die Targetfläche bezogen, 78 W cm ; Verhältnis Substratfläche zur Targetfläche 5,7ο Unter diesen Bedingungen überwiegt auf der gesamten 3 cm breiten Erosionszone zwischen dem inneren und äußeren Durchmesser des Targets die Zerstäubungsrate am Target gegenüber der Oxydationsrate auf dem Target. Das Target bleibt daher vollkommen oxydationsfrei, und die Zerstäubung erfolgt praktisch .ohne elektrische Überschläge ο Auf der gesamten Fläche des Substrates stehen die Stoßraten des Reaktionsgases Sauerstoff .und des aufgestäubten Tantals dagegen in einem solchen Verhältnis, daß das Tantal vollständig oxydiert. Die Kondensationsrate von Tantalpentoxid ist höher- als diejenige von reinem Tantal, wenn das Target bei gleicher Leistung in reinem Argon zerstäubt wird»density, based on the target area, 78 W cm; Ratio Substrate Area to Target Area 5,7ο Under these conditions, the sputtering rate on the target over the entire 3 cm wide erosion zone between the inner and outer diameter of the target outweighs the oxidation rate on the target. The target therefore remains completely free of oxidation, and the atomization takes place virtually without electrical flashovers. On the entire surface of the substrate the collision rates of the reaction gas oxygen and of the sputtered tantalum are in such a ratio that the tantalum is completely oxidized. The condensation rate of tantalum pentoxide is higher than that of pure tantalum, when the target is atomized at the same power in pure argon »

Claims

212162 ⁵

Erf iridun gsansp ruch. ,

A method of reactive sputtering of compounds of electrically nonconducting material by sputtering a target of electrically conductive material in a noble gas reaction gas mixture with a Plasmatron sputtering source in DC operation, characterized in that the average, based on the entire target surface power density greater than

-2

50 V / cm and the ratio between the effective substrate area and the target area is set greater than 5 ",