DD150480A1

DD150480A1 - Verfahren und einrichtung zum reaktiven zerstaeuben

Info

Publication number: DD150480A1
Application number: DD21193079A
Authority: DD
Inventors: Ullrich Heisig; Klaus Goedicke; Johannes Hartung; Wolfgang Hempel; Karl Steinfelder; Johannes Struempfel; Gerold Vogler; Helmut Dintner; Juergen Henneberger
Original assignee: Ullrich Heisig; Klaus Goedicke; Johannes Hartung; Wolfgang Hempel; Karl Steinfelder; Johannes Struempfel; Gerold Vogler; Helmut Dintner; Juergen Henneberger
Priority date: 1979-04-02
Filing date: 1979-04-02
Publication date: 1981-09-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und die zugehoerige Einrichtung zum reaktiven Zerstaeuben nach dem Prinzip des Plasmatrons zum Aufbringen von Schichten chemischer Verbindungen wie Oxide,Karbide und Nitride durch Zerstaeuben eines rein metallischen Targets in einem reaktiven Gas. Das Ziel ist die Verbesserung der chemischen Zusammensetzung von Schichten, und die Aufgabe ist die Erhoehung der Aufstaeuberate. Geloest wird die Aufgabe durch die getrennte Zufuehrung eines Edelgases und eines Reaktionsgases, wobei das Edelgas durch Durchbrueche im Target und das Reaktionsgas in Substratnaehe zugefuehrt werden. Die Zufuehrung des Edelgases erfolgt im Bereich der maximalen Targeterosion. Die zugehoerige Einrichtung besitzt eine Gaszufuehrung durch die Zerstaeubungsquelle mit entsprechend auf der Unterseite des Targets angeordneten Kanaelen, die in den Durchtrittsoeffnungen enden.

Description

Verfahren und Einrichtung zum reaktiven Zerstäuben

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und die zugehörige Einrichtung zum reaktiven Zerstäuben mit hoher Rate nach dem Prinzip des Plasmatrons, auch Magnetron genannte Es findet hauptsächlich Anwendung, um Schichten chemischer Verbindungen wie Oxide, Karbide und Nitride durch Zerstäubung eines rein metallischen Targets in einem reaktiven Gas aufzustäuben. Die Schichten werden vorzugsweise auf elektrischen Bauelementen benötigt«

Charakteristik .,der,bekannten^technischen^Losungen

Ss ist bekannt, Schichten chemischer Verbindungen durch Zerstäuben eines Targets der gleichen Zusammensetzung zu zerstäuben. Für die Zerstäubung elektrisch nichtleitender Verbindungen ist dazu ein Hochfrequenz-Generator erforderlich. Es werden sowohl konventionelle Zerstäubungsanordnungen als auch Zerstäubungsquellen nach dem Prinzip des Plasmatrons eingesetzt. In vielen Fällen tritt eine teilweise thermische Dissoziation der Verbindung ein. Es wird versucht, durch Zugabe eines reaktiven Gases zu dem für die Entladung erforderlichen Trägergas eine Verbesserung der Stöchiometrie der aufgestäubten Schichten zu erreichen. So ist z. B. Aluminiumoxid durch Zerstäubung eines AIpOo-Targets in einem Argon-Sauerstoff-Gemisch hergestellt worden. Besonders für die Bestäubung großer Substratflächen ist ein solches Verfahren technisch schwer beherrschbar, apparativ aufwendig, und es liefert eine geringe Aufstäuberate. Die Energieaus-

nutzung ist um den Faktor 2 bis 5 geringer als bei der Zerstäubung elektrisch leitender Materialien im Gleichstrombetrieb. Bereits die Herstellung von Targets aus chemischen Verbindungen geeigneter Eigenschaften ist für viele Materialien sehr problematisch.

Es ist auch gelungen, durch Zerstäubung eines rein metallischen Targets in einem reaktiven Gas oder einem Gemisch aus einem Edelgas und einem reaktiven Gas chemische Verbindungen aufzustäuben. Y/ird dabei der Partialdruck de.s reaktiven Gases niedrig gewählt, so ist der Reaktionsgrad der aufgestäubten Schicht zu gering,-d. h; die geforderte stöchiometrische Zusammensetzung wird nicht erreicht. Wird dagegen ein hoher Partialdruck des reaktiven Gases gewählt, so tritt eine drastische Verminderung der Zerstäubungsrate ein, weil sich das Target ganz oder teilweise mit einer oberflächlichen Schicht der Verbindung überzieht. Zum Betrieb der Entladung ist außerdem entweder ein technisch aufwendigerer Hochfrequenz-Generator erforderlich, oder es besteht eine große Wahrscheinlichkeit dafür, daß im Gleichstrombetrieb Überschläge der Entladung auftreten, die zur Verschlechterung der Schichteigenschaften führen.

Es ist versucht worden, durch verschiedene Einrichtungen zum Gaseinlaß die stöchiometrische Zusammensetzung der aufgestäubten Schichten bei der reaktiven Zerstäubung zu verbessern und dabei eine höhere Zerstäubungsrate zu erreichen. So wurde für das konventionelle Zerstäuben mit einer Diodenanordnung eine Einrichtung bekannt, mit welcher das reaktive Gas großflächig nahe der Katode oder auch gleichmäßig durch das Target zugeführt wird (DE-AS 1938 131). Dem reaktiven Zerstäuben eines metallischen Targets im Gleichstrombetrieb und der Erhöhung der Zer— stäubungsrate wirkt diese Maßnahme gerade entgegen. Der Einlaß von reaktivem Gas oder Gasgemisch durch das Target hindurch aktiviert die Bildung von chemischen Verbindungen auf der Targetoberfläche in starkem Maße und bedingt dadurch das Zerstäuben im Hochfrequenzbetrieb mit sehr niedriger Rate und geringem Wirkungsgrad. Alle bekannten Verfahren und Einrichtungen liefern jedoch für Schichten stöchiometrischer Zusammensetzung der Verbindung auch dann nur eine niedrige Kondensationsrate im Be-

reich von 0,01 ·.. 0,1 μΐη/min. Für viele Materialien ist das reaktive Zerstäuben im Gleichstrombetrieb infolge der chemischen Reaktion des Targets nicht realisierbar.

Das Ziel der Erfindung ist es, bei Gewährleistung oder Verbesserung der chemischen Zusammensetzung von Schichten aus Verbindungen die Ökonomie der reaktiven Zerstäubung zu verbessern.

Darle_gung des Wesens der_Erfindun^

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und die zugehörige Einrichtung zu schaffen, welche das reaktive Zerstäuben nach dem Prinzip des Plasmatrons ermöglicht und dabei sowohl einen ausreichenden Reaktionsgrad am Substrat als auch eine hohe Zerstäubungsrate und damit eine hohe Aufjstäuberate ermöglicht. Das Verfahren soll auf dem Zerstäuben eines metallischen Targets in einem reaktiven Gas beruhen und bevorzugt im Gleichötrombetrieb möglich sein.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit metallischem Target in einem Gasgemisch eines reaktiven Gases und eines Edelgases in der Arbeitskammer dadurch gelöst, daß das Edelgas getrennt vom Reaktionsgas durch Durchtrittsöffnungen im Target von der Targetrückseite zur Targetoberfläche im Bereich des Ringspaltes, d. h. in der Zone maximaler Targeterosion und maximaler Plasmakonzentration eingeführt wird. Die Durchflußmenge des Edelgases wird im Bereich von 1 bis 20 · 10 ^J Torr 1 · s ' je Zentimeter Länge des Ringspaltes eingestellt und beim Betrieb des Plasmatrons konstant gehalten. Das Reaktionsgas wird mit an sich bekannten Methoden und Einrichtungen direkt in die Arbeitskammer, bevorzugt im Bereich der Substrate- eingelassen.

Das erfindungsgemäße Verfahren sichert, daß im Bereich des Targets durch Edelgas der notwendige Arbeitsdruck der Plasmatron-Entladung erreicht wird und ein gerichteter Edelgasstrom vom

Target zum Substrat und zur Diffusionspumpe entsteht. Der Partialdruck des reaktiven Gases, der sich durch Diffusion von reaktivem Ga3 entgegen diesem Edelgasstrom in unmittelbarer Umgebung des Targetbereiches im Ringspalt einstellt, ist außerordentlich klein. Auf diese V/eise tritt in dem Targetbereich keine Reaktion des metallischen Targets mit dem reaktiven Gas ein, und es wird für einen großen Wertebereich der Zerstäubungsrate und des Druckes des reaktiven Gases in der Arbeitskammer am Target reines Metall mit der für Metalle erreichbaren sehr hohen Rate zerstäubt· In der Arbeitskammer in der Umgebung der Substrate läßt sich andererseits unabhängig von den Vorgängen am Target ein so hoher Partialdruck des reaktiven Gases einstellen, daß die Bildung der chemischen Verbindung mit hohem Reaktionsgrad gewährleistet ist, d. h. die wegen der hohen Aufstäuberate erforderliche große Menge de3 reaktiven Gases bereitgestellt v/erden kann. Dadurch werden gute Stöchiometrie der aufgestäubten Verbindung und damit gute Schichteigenschaften erreicht« Die Einstellung der angegebenen Durchflußmenge für das Edelgas gewährleistet das beschriebene Wirkprinzip, ohne daß sich infolge von Y/irbe!bildung an den Durchtrittsöffnung gen Instabilitäten der Plasmatron-Entladung und damit Betriebsstörungen ausbilden·

Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bestehend aus der bekannten Plasmatron-Zerstäubungsquelle mit einem durchbrochenen Target und den darüber angeordneten zu beschichtenden Substraten, ist dadurch gekennzeichnet, daß in der Zerstäubungsquelle ein Zuführungsrohr für das Edelgas angeordnet ist, welches in ihrem Inneren endet. Das Zuführungsrohr ist durch strahlenförmig angeordnete Verbindungskanäle mit ein oder zwei Verteilungskanälen verbunden, welche in ihrer Form der Form des Ringspaltes des Magnetsystems angepaßt sind. Diese Verteilungskanäle stehen mit den Durchtrittsöffnungen im Target auf der Targetrückseite in Verbindung» Die Durchtrittsöffnungen befinden sich im Bereich des Ringspaltes des Plasmatrons, d· h. zwischen den Polen der zugehörigen Magneteinrichtung, sind gleichmäßig auf die Länge des Ringspaltes bezogen angeordnet und bilden mit der Richtung der elektrischen Feldlinien auf der Targetoberfläche einen Winkel von mehl' als 10°. Der genannte Win-

kel zwischen den Durchtrittsöffnungen und den elektrischen Feldlinien auf der Targetoberflache sichert, daß die Plasma— tronentladung weitgehend auf die Targetoberfläche beschränkt bleibt und nicht die inneren Wandungen der Durchtrittsöffnungen zerstäubt werden. Der Kühlwasserkanal der Zerstäubungsquelle befindet sich auf der Rückseite des Targets im Bereich maximaler Targeterosion·

Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Einrichtung besteht darin, daß die Durchtrittsöffnungen im Target die Form von Kanälen mit

einem Kanalquerschnitt im Bereich von 0,3 ··· 3 mm und mit einem Abstand je zweier benachbarter Kanäle von weniger als 15 mm angeordnet sind. Das kann beispielsweise durch Anbringen einer größeren Zahl schräger Bohrungen in gleichem Abstand untereinander entlang einer Linie auf dem Target, die mit der Mitte des Ringspaltes übereinstimmt, erreicht werden.

Eine andere vorteilhafte Ausführung der Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet. daß die Durchtrittsoffnungen die Form eines oder zweier Schlitze haben, deren Form konzentrisch zum . Ringspalt ist und deren Breite 0,5 ··· 2 mm beträgt. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Durchtrittsöffnungen nicht nur auf einer Linie auf dem Target liegen, die mit der bütte des Ringspaltes, der Zone maximaler Targeterosion, zusammenfällt, sondern wenn die Durchtrittsöffnungen auf zwei konzentrischen geschlossenen Linien symmetrisch zu dieser Zone maximaler Targeterosion liegen. Auf diese V/eise wird erreicht, daß die lokale Druckverteilung auf dem Target der Inhomogenität der Targeterosion entgegenwirkt, die mit dem Plasmatron-Prinzip verbunden ist. Die Abtragung des Targets im Verlaufe der Zerstäubung erfolgt gleichmäßiger. Dadurch wird der Materialausnutzungsgrad des Targets verbessert.

Eine weitere zweckmäßige Ausführung der Einrichtung besteht darin, daß die Durchtrittsöffnungen im Target durch Poren eines Bintermetallurgisch hergestellten Materials geschaffen werden. In diesem Falle läßt sich naturgemäß kein bestimmter Winkel zwischen der Richtung der elektrischen Feldlinien auf der Targetoberfläche und den Durchtrittsöffnungen im Target angeben. Ma-

terialien mit Poren, die durch Sintern hergestellt werden und den Anforderungen entsprechen, sind als sogenannte Fritten bekannt ·

Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit einer geringfügigen Abwandlung auch mit großem Vorteil für das nichtreaktive Zerstäuben mit hoher Rate eingesetzt werden. Dazu wird lediglich die Zufuhr des reaktiven Gases in die Arbeitskammer unterbunden. Abgestimmt auf das Saugvermögen des Vakuumerzeugers der Zerstäubungsanlage wird der Edelgasstrom innerhalb des angegebenen Bereiches für die Durchflußmenge so eingestellt, daß sich lokal im unmittelbaren Targetbereich im Ringspalt der minimal mögliche Gasdruck zur Aufrechterhaltung der Piasmatron-Entladung einstellt. Im Bereich der Substrate ist auf diese Weise der Edelgas-Partialdruck wesentlich niedriger, so daß sich sehr reine Schichten mit niedrigem Gasgehalt und extrem guten Schichteigenschaften aufstäuben lassen»

In der zugehörigen Zeichnung ist eine Zerstäubungseinrichtung im Schnitt dargestellt. Es wird das Aufstäuben von Titanoxid unter Verwendung eines Plasmatrons kreisrunder rotationssymmetrischer Bauart beschrieben. Das Target 1 besteht aus rein metallischem Titan. Zum Betrieb des Plasmatrons wird ein Gleichstromgenerator mit einer Leistung von 8 kW eingesetzt. Als reaktives Gas wird Sauerstoff verwendet, welches direkt in die Arbeitskammer eingelassen wirdo

Ein separater Strom von Argon mit einer Durchflußmenge von 0,1 Torr 1 · s , das entspricht 3 ° Λ0 ^J Torr 1 · s 'je Zentimeter Länge des Ringspaltes des Plasmatrons, wird durch Durchtritt soff nungen 2 im Target 1 von der Targetrückseite zur Targetoberfläche eingelassen. Die Durchflußmenge wird mit Hilfe eines Gasmengenmessers und eines Regelventils konstant gehalten. Das zu beschichtende Substrat 3 ist ebenso wie die Plasmatron-Zerstäubungsquelle 4 in der Arbeitskammer 5 der Zerstäubungseinrichtung angeordnet» Das Target 1 ist zur Schaffung eines gu-

ten Wärmeübergangs mit dem Magnetsystem 6 verschraubt. Beim Zerstäuben fällt der Targetbereich maximaler Targeterosion praktisch mit der Mitter des Ringspaltes 7 zusammen, der von dem Magnetsystem 6 gebildet wird. Der Einlaß des Argons erfolgt durch Zuführungsrohr 8» welches durch das Magnetsystem б hindurch ins Innere der Zerstäubungsquelle 4 führt· über strahlenförmig angeordnete Verbindungskanäle 9 ist das Zuführungsrohr 8 mit zwei Verteilungskanälen 10 verbunden. Diese Verteilungskanäle 10 sind symmetrisch aufgebaut und so dimensioniert, daß zwischen einzelnen Teilen der Verteilungskanäle 10 nur unbedeutende Druckdifferenzen auftreten. Die Verteilungskanäle 10 liegen -konzentrisch zum Ringspalt 7» es sind also Ringkanäle mit Kreisform. Der Kühlwasserkanal 11 der Zerstäubungsquelle. 4 befindet sich auf der Targetrückseite im Bereich.maximaler Targeterosion · Das Edelgas strömt durch zahlreiche Durchtrittsöffnungen 2 im Target 1 von der Targetrückseite zur Targetoberfläche, tritt dort aus dem Target 1 aus und bildet einen Edelgasstrom mit einer Vorzugsrichtung zur Saugöffnung 12 der Pumpe·, Die Durchtrittsöffnungen 2 sind Bohrungen mit einem Durchmesser von 1,5 mm und einem gleichmäßigen Abstand von 4 mm entlang zweier Kreislinien auf dem Target 1, die symmetrisch zur Mitte des Ringspaltes 7 liegen. Die Durchtrittsöffnungen 2 bilden den Winkel α, im Beispiel 30°, mit der Targetnormalen, die praktisch der Richtung des elektrischen Feldes auf der Targetoberfläche entspricht. Die Lage der Durchtrittsöffnungen 2 sichert eine relativ homogene Targeterosion im Verlaufe des Zerstäubungsprozesses. Der Einlaß 13 für das reaktive Gas in die Arbeitskammer 3 befindet sich in Substratnähe. Spezielle Gaseinlaßvorrichtungen sind für das gewählte Beispiel nicht erforderlich. Es kann ein hoher Sauerstoffpartialdruck im Bereich 10 Pa eingestellt werden, ohne daß sich das Target 1 mit einer Oxidschicht bedeckt. Auf diese Weise werden auf dem Substrat 3 absorptionsfreie Titanoxidschichten mit guter Stöchiometrie und guten Schichteigenschaften bei extrem hoher Aufstäuberate kondensiert.

Claims

ErfJ-ndungsansgruch

1· Verfahren zum reaktiven Zerstäuben eines metallischen Targets in einem Gemisch aus einem reaktiven Gas und einem Edelgas nach dem Prinzip des Plasmatrons, dadurch gekennzeichnet, daß das reaktive Gas von Edelgas getrennt in die Arbeitskammer eingeführt wird, wobei das Edelgas durch das Target im Bereich des Ringspaltes und das Reaktionsgas vorzugsweise im Bereich der Substrate zugeführt wird und die Durchflußmenge des Edelgases im Bereich von 1 bis

2· Einrichtung zur Durchführung des Verfahreng nach Punkt 1, bestehend-aus einer Pla3matron-Zerstäubungsquelle mit einem mit Durchbrüchen versehenen Target und den darüber angeordneten Substraten, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zerstäubungsquelle (4) ein Zuführungsrohr (8) angeordnet ist, welches durch strahlenförmig verlaufende .Verbindungskanäle (9) mit mindestens einem auf der Rückseite des Targets (1) befindlichen Verteilungskanal (10) verbunden ist, der in seiner Form der Form des Ringspaltes (7) des IvIagnetsystems (6) angepaßt ist, daß von dem Verteilungskanal (10) die Durchtritt soff nungen (2) im Target (1) ausgehen, daß die Durchtritt soff nungen (2) im Bereich des Ringspaltes (7) angeordnet sind, daß ihre Verteilung, bezogen auf die Länge des Ringspaltesjgleich ist, daß sie mit der Richtung der elektrischen Feldlinien auf der Oberfläche des Targets (1) einen Winkel von größer als 10° bilden und daß sich der Kühlwasßerkanal (11) auf der Rückseite des Targets (1) im Bereich maximaler Targeterosion befindet.

3· Einrichtung nach Punkt 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtrittsöffnungen (2) die Form von Kanälen mit einem Ka-

nalquerschnitt im Bereich von 0,3 ·.· 3 mm haben und der Abstand je zweier benachbarter Kanäle weniger als 15? mm beträgt.

—3 —1

20 » 10 Torr 1 · s je cm Länge des Ringspaltes eingestellt und konstant gehalten wird.

4. Einrichtung nach. Punkt 2jdadurch gekennzeichnet, daß die Durchtrittsöffnungen (2) die Form eines oder zweier Schlitze haben, deren Form konzentrisch zum Ringspalt (7) ist und deren Breite 0,5 ··· 3 mm beträgt·

5· Einrichtung nach Punkt 2,dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtrittsöffnungen (2) auf zwei konzentrisch geschlossenen Linien symmetrisch zur Zone maximaler Targeterosion liegen.

6· Einrichtung nach Punkt 2_t dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtrittsöffnungen (2) durch die Poren eines sintermetallurgisch hergestellten Targets, einer sogenannten Fritte, erzeugt sind.

Hierzu ein Blatt Zeichnungen