DD222900A1 - Einrichtung zum reaktiven ionengestuetzten beschichten mit plasmatronquellen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum reaktiven ionengestuetzten Beschichten mit Plasmatronquellen, mit welcher Verschleiss- und Korrosionsschutzschichten hergestellt werden. Das Ziel der Erfindung ist es, einen stabilen Langzeitbetrieb zu erreichen. Aufgabe ist es, mit konstanter oder geregelter Spannung der Plasmastromversorgung dicke Isolierschichten herzustellen. Erfindungsgemaess sind die Plasmatronquelle und der Substrattraeger in einer nahezu geschlossenen Reaktionskammer angeordnet. Der Substrattraeger ist elektrisch leitend und potentialmaessig floatend angeordnet. Die Reaktionskammer besitzt einen die Substratflaeche umschliessenden Spalt. Die Anode hat Aussparungen, und die Reaktionskammer ist metallisch leitend und geerdet. Figur

Description

Einrichtung zum reaktiven ionengestützten Beschichten mit Plasmatronquellen

Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum reaktiven Abscheiden von isolierenden Schichten im Vakuum. Die Einrichtung findet Anwendung bei der Herstellung von isolierenden Schichten, die durch Zerstäuben eines metallischen Targets in einem reaktiven Arbeitsgas auf Substrate abgeschieden werden· Vorzugsweise werden derartige Schichten als Isolatorschichten für elektronische Bauelemente, als Verschleiß- und Korrosionsschutz·- schichten verwendet.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Um Schichten durch reaktives D.C.-Sputtern mit dem Plasmatron mit hoher Hate herzustellen, muß die Entladung stabilisiert werden. Möglichkeiten dazu sind die aktive Regelung des Reaktivgasflusses in Abhängigkeit vom Reaktivgasverbrauch in der Entladung oder die Regelung der Leistung entsprechend dem Reaktivgasangebot bei konstantem Reaktivgaseinlaß. Als Meßgröße dient in beiden Fällen der Totaldruck im Rezipienten. Diese Meßgröße liefert nur mittelbar eine Aussage über den Reaktivgaspartialdruck in Substratnähe, da die Meßstelle immer räumlich von der Entladungszone getrennt ist und das Gasvolumen im Rezipienten, bei den für die Piasmatronzerstäubung üblichen Drücken, eine kritisch große Zeitkonstante verursacht. Mit derartigen Mitteln kann nicht mit der notwendigen Verfahrenssicherheit verhindert

werden, daß sich die Entladungsparameter kurzzeitig abrupt an-·, dem (ζ »Β«. "Abkippen" in den Betrieb mit oxidbedecktem Target)· Es sind deshalb zusätzliche Maßnahmen zur Stabilisierung des Reaktivgaspartialdruckes mit kleinerer Zeitkonstante notwendig· So wird ZeBe durch eine zusätzliche Entladung'und Getterflachen außerhalb der Beschichtungsanordnung der Verbrauch an Reaktivgas so erhöht,'daß er im wesentlichen durch diese zusätzliche Einrichtung bestimmt wird· nachteilig dabei ist der große Aufwand an zusätzlichen Einrichtungen und Energie«

Durch das Anbringen von Getterflachen für das Reaktivgas in Targetnähe läßt sich ebenfalls der Reaktivgasverbrauch erhöhen (DD-PS 146 757). Stabilisierend wirkt hierbei, daß der Reaktivgasverbrauch an den Getterflachen erheblich größer als der an der Targetoberfläche ist und ein Partialdruckradient vom Substrat zum Target aufrechterhalten wird» Das setzt in der Praxis einen großen Target-Substrat-Abstand (^ 100 mm) und möglichst hohen Totaldruck voraus· Nachteiligφβΐ dieser Verfahrensweise ist es, daß bei der Anordnung wirksamer Getterflächen, diese den Dampfstrom zum Substrat reduzieren·

Die Schwierigkeiten bei der reaktiven DoG.-Beschichtung vergrößern sich, wenn isolierende Schichten hergestellt werden müssen» Die unter Plasmaeinwirkung auftretende Aufladung der Schichten auf Substrat und Getterflachen bewirkt Durchschläge und elektrische Instabilitäten der Entladung, die zur kritischen Änderung der Schichteigenschaften bis hin zur lokalen Zerstörung der Schichten führen können. Vorschläge zur Stabilisierung der Entladung, die auf der Verwendung zusätzlicher Potentiale an der Anode oder dem Substrat oder zusätzlicher spannungsführender Elektroden im Bereich des Plasmas beruhen, gewährleisten aufgrund der allmählichen Bedeckung mit Isolatorschichten keinen stabilen Betrieb über längere Beschichtungszeiten (DD-PS 127 703). *

Ziel der Erfindung,

Ziel der Erfindung ist es, die Mangel des Standes der Technik zu überwinden und einen stabilen Betrieb der Plasmatronentladung über viele Stunden zu ermöglichen·

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum reaktiven Plasmatronzerstauben im Gleichstrombetrieb zur Abscheidung isolierender Schichten mit konstanter oder geregelter Spannung der Piasmatronstromversorgung anzugeben· Die Einrichtung soll besonders zur Herstellung dicker Isolatorschichten geeignet sein·

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Substrate und die Piasmatronquelle einschließlich ihrer Anode in einer nahezu vollständig geschlossenen Reaktionskammer angeordnet sind. Hierzu wird innerhalb des Rezipientenvolumens eine Reaktionskammer für die Durchführung des reaktiven Prozesses geschaffen, die gegenüber dem Rezipientenvolumen der Zerstäubungsanlage durch eine geerdete, in Targetnähe vorzugsweise gefloatete, metallisch leitende und symmetrisch die Plasmatron*- quelle umgebende Reaktionskammerwand abgetrennt ist. Die Substrate sind auf einem elektrisch leitenden und potentialmäßig floatenden Substratträger angeordnet· Der Abstand zwischen Substratträgerrückseite und oberer Abdeckung der Reaktionskammerwand beträgt - 4 mm· Im Bereich des Substratträgers ist in der Reaktionskammerwand ein Spalt - 3 mm vorgesehen· Außerhalb der Reaktionskammer sind in der Nähe des besagten Spaltes geerdete flächen angeordnet· Im Falle einer geerdeten Reaktionskammerwand stellt die metallisch blanke Außenfläche dieser Wand die entsprechende geerdete Fläche dar· In der geerdeten, das Target' ringförmig umschließenden Anode sind Ausfräsungen so angebracht, daß an dieser Anode Oberflächenbereiche entstehen, deren Flächennormale zur Targetnormale einen Winkel > 90° bilden.

Bei der reaktiven Schichtabscheidung erfolgt im allgemeinen die Beschichtung erst, nachdem der Prozeß bei eingelassenem Reak-

tionsgas eine bestimmte Zeit betrieben worden ist» In dieser Zeit wachsen auf der Anode und allen Flächen in der Umgebung ~ der Piasmatronquelle, die vom Teilchenstrom getroffen werden, isolierende Schichten auf«. Damit sind zwei für die Entladung wichtige physikalische Vorgänge verbunden· 1. Die Anode verliert ihre elektrische Wirksamkeit, was durch Abnahme des Anodenstromes auf weniger als 1 % des Anodenstromes, der beim < Sputtern in reinem Argon fließt, belegt wird. 2. Durch Aufla-r dung der isolierenden Schicht auf der Anode und allen Flächen in unmittelbarer Umgebung des Plasmatrons kommt es zu einem Auseinanderfließen des Plasmas in das Rezipientenvolumen, welches im allgemeinen mit unsymmetrischen Potentialverschiebungen verbunden ist. Infolge dieser Vorgänge kommt es-zu Instabilitäten der Entladung und für die Schichtabscheidung kritischen Änderungen der Reaktionskinetik im Substratbereich, die nicht beherrscht werden können·

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung wächst eine geschlossene Isolatorschicht auf der dem Plasma zugewandten Seite der Reaktionskammerwand auf, die verhindert, daß ein Strom über die Reaktionskammerwand- fließen kann. Weder die ringförmige Anode noch die Innenseite der Reaktionskammerwand, unabhängig davon, ob diese geerdet oder gefloatet ist, stellen eine elektrisch wirksame Anode für die Plasmatronentladung dar. Durch besagte Ausfräsungen in der Anode wird die Zeit, bis die Anode nichtleitend wird verlängert. Diese Verlängerung der Zeit wird dadurch verursacht, daß die Flächen in den Ausfräsungen nur durch rückgestreute Teilchen mit entsprechend geringer Rate beschichtet werden. Während dieser verlängerten Zeit fließt fast der gesamte Bntladungsstrom noch über diese Anode, so daß selbst bei geerdeter Reaktionskammerwand auf deren Innenseite eine dichte, geschlossene und gegenüber elektrischen Durchschlägen feste Isolatorschicht aufwachsen kann. Der Substratträger wird elektrisch gefloatet, um zu erreichen, daß der Entladungsstrom auch nicht über die Substrate in den Substratträger abfließen kann. Das würde zur Erzeugung von Defekten bis hin zur Zerstörung der Kondensationsschichten auf den Substraten führen· Nachdem die Anode elektrisch unwirksam gewor-

den ist, wird durch die erfindungsgemäße Einrichtung erreicht, daß der Entladungsstrom durch den zwischen Substratträger und Reaktionskammerwand vorhandenen Spalt auf die besagten geerdeten metallischen Flächen außerhalb der Reaktionskammer fließt. Anordnung und Abmessungen dieses Spaltes sind so dimensioniert, daß der Strom je Längeneinheit des Spaltes an jeder Stelle des Spaltes gleich ist· Dadurch wird erreicht, daß die Potentialverteilung vor der momentan zu beschichtenden Substratfläche symmetrisch ist. Durch die Anordnung des Spaltes im Bereich der momentan zu beschichtenden Substratfläche wird die Ausbildung eines relativ hohen negativen Selbstbiaspotentials im Bereich von -30 ... -150 V auf dem Substrat durch Auftreffen von im reaktiven Arbeitsgasgemisch gebildeten energiereichen negativen Ionen hervorgerufen. Dieses Selbstbiaspotential bewirkt einerseits, daß aus dem substratnahen Plasma in Substratnähe positive Ionen abgesaugt werden, die mit relativ hoher Energie auf das Substrat auftreffen, und andererseits, daß keine Elektronen auf das Substrat gelangen. Durch besagte Einrichtung werden gerade die Bedingungen für die ionengestützte reaktive Abscheidung geschaffen, die für die Herstellung von Isolatorschichten günstig sind. Die erfindungsgemäße Einrichtung gewährleistet den stabilen Betrieb einer reaktiven Piasmatronentladung über Stunden, was eine entscheidende Voraussetzung für die Herstellung sehr dicker Isolatorschichten ist. Die Einrichtung läßt sich zur Herstellung von Isolatorschichten in Schleusenanlagen einsetzen, da sie beim üblichen Vorsputtern in reinem Argon durch Abscheiden metallisch leitender Schichten auf die Reaktionskammerwand und die besagte Anode mit Ausfräsungen den Ausgangszustand und damit reproduzierbare Bedingungen für den Ausgangszustand für den Betrieb der reaktiven Entladung herstellt.

Technische Beschichtungsanordnungen erfordern häufig Substratträgereinrichtungen, die relativ zur Plasmatronquelle bewegt werden müssen. In zweckmäßiger Weise wird die erfindungsgemäße Einrichtung so gestaltet, daß Teile der Reaktionskammerwand konstruktiv mit der Anode der Plasmatronquelle oder/und der Substratträgereinrichtung verbunden sind, wobei die Verbindung

dieser Teile formschlüssig oder mit Spalten ^ 3 mm. erfolgt«

Zum Vorsputtern ist in Sputteranlagen häufig eine Blende zwischen Piasmatronquelle und Substratträgereinrichtung erforderlich, die bei der Abscheidung der Isolatorschicht auf die Substrate aus dem Dampfstrom entfernt wird. Die erfindungsgemäße Einrichtung wird so gestaltet, daß die Blende zum Yorsputtern bzw, zur Einstellung der reaktiven Prozeßparameter konstruktiv mit Teilen der Kammerwand derart ausgeführt wird, daß auch bei geöffneter. Blende in der Kammerwand nur ein Spalt ^ 3 mm eingehalten wird. '.;

In der zugehörigen Zeichnung ist eine Einrichtung mit Drehteller im Schnitt dargestellt.

Im Rezipienten 1 befindet sich die Reaktionskammer 2, die aus der potentialmäßig gefloateten Kammerwand 3 und den geerdeten Teilen der Kammerabdeckung 4 besteht. Innerhalb der Reaktionskammer 2 sind in bekannter Weise in einem geerdeten Gehäuse 5, welches Bestandteil der Reaktionskammer 2 ist, das Plasmatron mit dem darüber befindlichen Target 7 angeordnete Das geerdete Gehäuse 5 ist mit dem Rezipienten 1 direkt und mit der Kammerwand 3 über Isolatoren 8 verbunden· In Targetebene ist die geerdete Anode 9 angeordnet, die Aussparungen 10 derart besitzt, daß deren Flächennormale zur Targetnormale einen Winkel > 90° bilden· In der Kammerabdeckung 4 rotiert der Substratträger 11, der potentialmäßig gefloatet ist, mit den darauf angeordneten Substraten 12. Vor diesem befindet sich eine potentialmäßig gefloatete Blende 13, die schwenkbar ist und entweder den Reaktionsraum verschließt oder als Ring öffnet· Der Argon- und Sauerstoffeinlaß erfolgt über die Ventile 14· Die Flächen 15 als Teile der Kammerabdeckung 4 bzw, der Kammerwand 3 sind geerdet. Zwischen der Kammerwand 3 und der Kammerabdeckung 4 besteht ein Spalt 16, in dem sich die Blende 13 bewegt« Dieser Spalt 16,der sich aus zwei Spalten zusammensetzt, darf insgesamt nur - 3 mm breit sein. Der Abstand von der Substratträgerrückseite zur Kammerabdeckung darf nur - 4 mm betragen.

Claims (3)

1. Patentanspruch

   !•Einrichtung zum reaktiven ionengestützten Beschichten mit Piasmatronquellen im Gleichstrombetrieb, bestehend aus einer Plasmatronquelle mit Target und Anode sowie einem Substratträger, vor dem eine schwenkbare Blende angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmatronquelle und der Substratträger (11) in einer nahezu vollständig geschlossenen Reaktionskammer (2) angeordnet sind, daß der Substratträger (11) elektrisch leitend ist und potentialmäßig floatend angeordnet ist, daß Substrate (12) in der Reaktionskammer (2) ein diese Substratfläche umschließender Spalt (16) von - 3 mm Breite vorhanden ist, daß der Abstand zwischen Substratträgerrückseite und der Reaktionskammer (2) ^ 4 mm beträgt, daß in der geerdeten Anode (9) Aussparungen (10) so angebracht sind, daß Oberflächenbereiche entstehen, deren Flächennormale zur Targetnormale einen Winkel > 90° bilden, und daß die Reaktionskammer (2) metallisch leitend und geerdet ist.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskammer (2) im Bereich des Plasmas potentialmäßig gefloatet ist und außerhalb der Reaktionskammer (2) im Bereich des Spaltes (16) geerdete Flächen (15) angebracht sind.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskammer (2) konstruktiv so ausgebildet ist, daß an keiner Stelle, auch im Bereich der Blende (13) ein Spalt entsteht, der größer als 3 mm ist·

   Hierzu 1 Bl. Zeichnungen