DD222900A1

DD222900A1 - DEVICE FOR REACTIVE ION-BASED COATING WITH PLASMATRON SOURCES

Info

Publication number: DD222900A1
Application number: DD26176784A
Authority: DD
Inventors: Christian Korndoerfer; Siegfried Schiller; Karl Steinfelder; Ullrich Heisig
Original assignee: Fi Manfred V Ardenne
Priority date: 1984-04-09
Filing date: 1984-04-09
Publication date: 1985-05-29

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. FigurThe invention relates to a device for reactive ion-supported coating with Plasmatronquellen, with which wear and corrosion protection layers are produced. The aim of the invention is to achieve stable long-term operation. The task is to produce thick insulation layers with constant or regulated voltage of the plasma power supply. According to the invention, the plasmatron source and the substrate carrier are arranged in a nearly closed reaction chamber. The substrate carrier is electrically conductive and potentially floating. The reaction chamber has a gap enclosing the Substratflaeche. The anode has recesses and the reaction chamber is metallically conductive and grounded. figure

Description

Einrichtung zum reaktiven ionengestützten Beschichten mit PlasmatronquellenDevice for reactive ion-supported coating with plasmatron sources

field of use

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.The invention relates to a device for the reactive deposition of insulating layers in a vacuum. The device is used in the production of insulating layers which are deposited on substrates by sputtering of a metallic target in a reactive working gas. Preferably, such layers are used as insulator layers for electronic components, as wear and corrosion protection layers.

Characteristic of the known technical solutions

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 verhindertIn order to prepare layers by D.C. sputtering with the high rate plasmatron, the discharge must be stabilized. Possibilities for this are the active control of the reactive gas flow as a function of the reactive gas consumption in the discharge or the regulation of the power corresponding to the reactive gas supply at a constant reactive gas inlet. The measured variable used in both cases is the total pressure in the recipient. This measured quantity provides only indirectly a statement about the Reaktivgaspartialdruck near the substrate, since the measuring point is always spatially separated from the discharge zone and the gas volume in the recipient, at the usual pressures for Piasmatronzerstäubung pressures, causing a critically large time constant. With such means can not be prevented with the necessary process safety

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«be, that the discharge parameters abruptly abrupt on the (ζ »Β«. "tilting" in the operation with oxide covered target) · Therefore, additional measures to stabilize the Reaktivgaspartialdruckes with a smaller time constant necessary · Thus, ZeBe by an additional Discharge'und Getterflachen outside the coating arrangement of the consumption of reactive gas so increased 'that it is essentially determined by this additional device · disadvantageous here is the great expense of additional facilities and energy «

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·By attaching Getterflachen for the reactive gas near the target can also increase the reactive gas consumption (DD-PS 146 757). In this case, it has a stabilizing effect that the reactive gas consumption at the getter surfaces is considerably greater than that at the target surface and a partial pressure gradient from the substrate to the target is maintained. "In practice, this requires a large target-substrate distance (^ 100 mm) and the highest possible total pressure The disadvantage of this procedure is that in the arrangement of effective getter surfaces, these reduce the vapor flow to the substrate.

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). *Difficulties in reactive DoG coating increase when insulating layers need to be produced »The plasma loading of the layers on the substrate and getter surfaces causes breakdowns and electrical instabilities of the discharge leading to a critical change of the layer properties up to local destruction of the layers Layers can lead. Proposals for stabilizing the discharge, which are based on the use of additional potentials at the anode or the substrate or additional voltage-carrying electrodes in the plasma, due to the gradual coverage with insulator layers ensure stable operation over longer coating times (DD-PS 127 703). *

Aim of the invention

Ziel der Erfindung ist es, die Mangel des Standes der Technik zu überwinden und einen stabilen Betrieb der Plasmatronentladung über viele Stunden zu ermöglichen·The aim of the invention is to overcome the deficiency of the prior art and to enable stable operation of the plasmatron discharge over many hours.

Explanation of the essence of the invention

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·The invention has for its object to provide a device for reactive Plasmatronzerstauben in DC operation for depositing insulating layers with a constant or regulated voltage of Piasmatronstromversorgung · The device should be particularly suitable for the production of thick insulator layers ·

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.According to the invention the object is achieved in that the substrates and the Piasmatronquelle are arranged including its anode in a nearly completely closed reaction chamber. For this purpose, a reaction chamber for carrying out the reactive process is created within the recipient volume, which is separated from the recipient volume of the atomization system by a grounded, metallically conductive, and preferably symmetrically surrounding the plasma source in the vicinity of the target. The substrates are arranged on an electrically conductive and floating substrate carrier. The distance between substrate carrier back and upper cover of the reaction chamber wall is -4 mm. In the region of the substrate carrier a gap of 3 mm is provided in the reaction chamber wall In the case of a grounded reaction chamber wall, the metallically bare outer surface of this wall constitutes the corresponding grounded surface. In the grounded anode surrounding the target, cutouts are provided so that surface areas are created at this anode whose surface normal to the target normal form an angle> 90 °.

Bei der reaktiven Schichtabscheidung erfolgt im allgemeinen die Beschichtung erst, nachdem der Prozeß bei eingelassenem Reak-In the case of reactive layer deposition, the coating is generally carried out only after the process has been carried out with the reactor in situ.

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·During this time, insulating layers build up on the anode and all surfaces in the vicinity of the Piasmatron source, which are hit by the particle flow. Thus, two physical processes important to the discharge are associated. 1. The anode loses its electrical efficiency, which is evidenced by decreasing the anode current to less than 1 % of the anode current flowing in pure argon during <sputtering. 2. By Aufla-r tion of the insulating layer on the anode and all surfaces in the immediate vicinity of the plasmatron there is a flow apart of the plasma in the recipient volume, which is generally associated with asymmetrical potential shifts. As a result of these processes, there are instabilities of the discharge and, for the layer deposition, critical changes in the reaction kinetics in the substrate region which can not be controlled.

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-In the device according to the invention, a closed insulator layer grows on the plasma-facing side of the reaction chamber wall, which prevents a current from flowing across the reaction chamber wall. Neither the annular anode nor the inside of the reaction chamber wall, whether grounded or floated, is an electrically effective anode for the plasmatron discharge. Said cut-outs in the anode increase the time until the anode becomes nonconductive. This prolongation of time is caused by the fact that the surfaces in the recesses are coated only by backscattered particles at a correspondingly low rate. During this prolonged time, almost all the discharge current still flows through this anode, so that even when grounded reaction chamber wall on the inside of a dense, closed and solid against electrical breakdown insulator layer can grow. The substrate carrier is electrically floated to ensure that the discharge current can not flow through the substrates in the substrate carrier. This would lead to the generation of defects or even the destruction of the condensation layers on the substrates after the anode has become electrically ineffective.

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.is, is achieved by the device according to the invention that the discharge current flows through the gap between the substrate carrier and the reaction chamber wall on the said grounded metallic surfaces outside the reaction chamber. Arrangement and dimensions of this gap are dimensioned so that the current per unit length of the gap at each point of the gap is the same · This ensures that the potential distribution is symmetrical in front of the currently to be coated substrate surface. By arranging the gap in the region of the substrate surface to be coated at the moment, the formation of a relatively high negative self-bias potential in the range from -30... -150 V on the substrate is caused by impingement of high-energy negative ions formed in the reactive working gas mixture. On the one hand, this self-biasing potential causes positive ions, which strike the substrate with relatively high energy, to be sucked out of the substrate-near plasma near the substrate, and, secondly, that no electrons reach the substrate. By said means, the conditions for the ion-supported reactive deposition which are favorable for the production of insulator layers are being created. The device according to the invention ensures the stable operation of a reactive Piasmatronentladung for hours, which is a crucial prerequisite for the production of very thick insulator layers. The device can be used for the production of insulator layers in lock systems, since it produces the initial state and thus reproducible conditions for the initial state for the operation of the reactive discharge in the conventional presputtering in pure argon by depositing metallically conductive layers on the reaction chamber wall and the said anode with cutouts ,

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 VerbindungTechnical coating arrangements often require substrate support means which must be moved relative to the plasmatron source. Conveniently, the device according to the invention is designed so that parts of the reaction chamber wall are structurally connected to the anode of the Plasmatronquelle and / or the substrate carrier device, wherein the compound

dieser Teile formschlüssig oder mit Spalten ^ 3 mm. erfolgt«these parts form-fitting or with columns ^ 3 mm. he follows"

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. '.;For pre-sputtering, a diaphragm between the piasmatron source and the substrate carrier device is often required in sputtering systems, which diaphragm is removed from the vapor stream during the deposition of the insulator layer onto the substrates. The inventive device is designed so that the aperture for Yorsputtern or, for setting the reactive process parameters constructive with parts of the chamber wall is designed such that even when open. Aperture in the chamber wall only a gap ^ 3 mm is maintained. . ';

In der zugehörigen Zeichnung ist eine Einrichtung mit Drehteller im Schnitt dargestellt.In the accompanying drawing a device with turntable is shown in section.

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.In the recipient 1 is the reaction chamber 2, which consists of the potential-gefloateten chamber wall 3 and the grounded parts of the chamber cover 4. Within the reaction chamber 2, in a known manner, in a grounded housing 5, which is part of the reaction chamber 2, the plasmatron is arranged with the target 7 above it. The grounded housing 5 is connected to the recipient 1 directly and to the chamber wall 3 via insulators 8. In the target plane, the grounded anode 9 is arranged, the recesses 10 has such that their surface normal to the target normal form an angle> 90 ° · In the chamber cover 4 rotates the substrate carrier 11, which is potential-floated, with the substrates 12 disposed thereon before this there is a potentially floated diaphragm 13, which is pivotable and either closes the reaction space or opens as a ring · The argon and oxygen inlet via the valves 14 · The surfaces 15 as parts of the chamber cover 4 and the chamber wall 3 are grounded. Between the chamber wall 3 and the chamber cover 4 there is a gap 16 in which the diaphragm 13 moves. "This gap 16, which is composed of two columns, may only be a total of 3 mm wide. The distance from the substrate carrier back to the chamber cover may only be 4 mm.

Claims

claim

Device for reactive ion-supported coating with Piasmatronquellen in DC operation, consisting of a Plasmatronquelle with target and anode and a substrate carrier, in front of which a pivotable aperture is arranged, characterized in that the Plasmatronquelle and the substrate carrier (11) in an almost completely closed reaction chamber (2) are arranged so that the substrate carrier (11) is electrically conductive and is floating in potential that substrates (12) in the reaction chamber (2) a substrate surface enclosing gap (16) of - 3 mm width is present, that the Distance between substrate carrier back and the reaction chamber (2) ^ 4 mm is that in the grounded anode (9) recesses (10) are mounted so that surface areas arise whose surface normal to the target normal forms an angle> 90 °, and in that the reaction chamber ( 2) is metallically conductive and grounded.

2. Device according to claim 1, characterized in that the reaction chamber (2) is floated in terms of potential in the plasma and outside the reaction chamber (2) in the region of the gap (16) grounded surfaces (15) are mounted.

3. Device according to claim 1 and 2, characterized in that the reaction chamber (2) is constructively designed so that at no point, even in the region of the diaphragm (13), a gap is formed, which is greater than 3 mm ·

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