DE10146111A1 - Verfahren und Anordnung zur Kathodenzerstäubung - Google Patents

Abstract

Die Anmeldung beschreibt ein Verfahren und eine Anordnung zur Beschichtung von Teilen im Vakuum mittels Kathodenzerstäubung. Hiermit lassen sich die Vorteile des Magnetron- und des Hochfrequenz-Diodensputterns verbinden. DOLLAR A Das Magnetronsputtern bietet eine hohe Beschichtungsrate, hat dabei jedoch eine schlechte Verteilung und eine schlechte Targetausnutzung und ist insbesondere bei magnetischen Targetmaterialien nur schlecht einsetzbar. Das Hochfrequenzsputtern mit einer Diodenkathode ist besser im Hinblick auf Targetausnutzung und Verteilung und unkritisch bei dielektrischen und magnetischen Targetmaterialien, ermöglicht jedoch nur eine drastisch schlechtere Beschichtungsrate. Dies liegt an der hohen Plasmaimpedanz einer Diodenkathode, die mit niedriger Plasmadichte, kleinem Ionenstrom und hohen Ionenenergien verbunden ist. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird ein optimiertes Verfahren zum Diodensputtern beschrieben, bei dem die Plasmaimpedanz durch Wahl einer geeigneten Betriebsfrequenz im Bereich zwischen 10 MHz und 100 MHz oder durch die Verwendung von mehreren Anregungsfrequenzen so reduziert wird, dass sich ein optimales Verhältnis von Ionenenergie und Ionenstrom ergibt. Dadurch kann die Beschichtungsrate des Diodensputterns deutlich verbessert werden.

Description

Gegenstand der Anmeldung, Anwendungsbereiche
• Gegenstand der Anmeldung ist ein Verfahren und eine Anordnung zur Beschichtung von Werkstücken im Plasma mittels Kathodenzerstäubung.
Stand der Technik
• Bekannte Verfahren zur Kathodenzerstäubung sind das Magnetronsputtern mit Gleichspannung, Niederfrequenz, Mittelfrequenz und Hochfrequenz in vielfältigen Varianten. Das ältere, heute weniger benutzte Verfahren des Diodensputterns verzichtet auf die Magnetfeldunterstützung und wird in der Regel mit Hochfrequenz, meist 13,56 MHz, betrieben.
• Der Vorteil des Magnetronsputterns liegt in der hohen Beschichtungsrate, während sich das Diodensputtern durch eine bessere Schichthomogenität und eine bessere Targetausnutzung auszeichnet. Weiterhin ist das Magnetronsputtern kritisch, wenn magnetische Targetmaterialien zur Abscheidung von magnetischen Schichten verwendet werden. Da das Target in diesem Fall einen teilweisen magnetischen Kurzschluss hervorruft, können nur dünne Targets mit einer kleinen Standzeit verwendet werden, weiterhin bildet sich ein scharfer Sputtergraben, was die Homogenität, die Targetstandzeit und die Targetausnutzung verschlechtert.
• Beschreibung des Verfahrens und der Anordnung
• Erfindungsgemäß wird hier ein Verfahren beschrieben, bei dem ein optimierter Kompromiss zwischen der Beschichtungsrate des Magnetronsputterns und den vorteilhaften Eigenschaften des Diodensputterns erreicht wird.
• Das Problem des Diodensputtern ist die geringe Plasmadichte, die eine hohe Kathodenimpedanz hervorruft, was zu hohen Beschleunigungsspannungen (Ionenenergien) und kleinen Ionenströmen führt. Dies macht das Verfahren ineffizient, da einerseits die gebräuchlichen HF-Versorgungen bei hohen Lastimpedanzen einen schlechten Wirkungsgrad aufweisen und andererseits der Zusammenhang zwischen Sputterrate und Ionenenergie nicht linear ist. Am effizientesten ist die Beschichtung bei Self-Bias-Spannungen zwischen 500 und 1000 V. Die bei Diodenkathoden im HF-Betrieb bei 13,56 MHz vorkommenden Spannungen von bis zu 5000 V liefern keinen der benötigten Leistung proportionalen Anteil an Beschichtungszuwachs.
• Bei Magnetronkathoden wird dieses Problem durch einen magnetischen Einschluss des Plasmas gelöst. Hierdurch wird die Plasmadichte erhöht, die reduzierte Plasmaimpedanz führt zu kleineren Spannungen bei höheren Strömen und damit zu einer drastisch erhöhten Rate. Nachteilig sind die schlechtere Verteilung und die schlechtere Targetausnutzung. Weiterhin funktioniert das Magnetronprinzip bei magnetischen Targetmaterialien nur eingeschränkt, da durch ein magnetisches Target die Magnetfelder teilweise kurzgeschlossen werden.
• Diese Problemstellung wird erfindungsgemäß durch ein modifiziertes Diodensputterverfahren gelöst. Es ist bekannt, dass die Plasmadichte mit wachsender Anregungsfrequenz prinzipiell ansteigt. Weiterhin ist bekannt, dass sich beim HF- Sputtern durch die unterschiedliche Beweglichkeit von Elektronen und Ionen ein DC- Potential an der Kathode einstellt, dass in erster Näherung in der Größenordnung der HF-Amplitude liegt. Bei sehr hohen Frequenzen ist kein Unterschied in den Beweglichkeiten mehr wirksam, das Selbstbias verschwindet und das Plasma wird quasineutral (z. B. Mikrowellenplasmen).
• Hier wird der Übergangsbereich zwischen diesen Zuständen nutzbar gemacht, indem die Frequenz eines typischen Hochfrequenz-Sputterprozesses von 13,56 MHz erhöht wird. Dadurch gleichen sich die Beweglichkeiten von Elektronen und Ionen an, und die Entladespannung sinkt. Dieser Frequenzbereich liegt zwischen 10 MHz und 100 MHz. Damit ist es möglich, die Entladespannung und damit die Plasmaimpedanz über die Wahl der Frequenz einzustellen. Oberhalb von 13,56 MHz steigt zunächst die Plasmadichte an, die Spannung reduziert sich, der Strom steigt, die Beschichtungsrate erhöht sich. Bei weiterer Frequenzsteigerung wird die Spannung so klein, dass die Rate wieder abnimmt.
• Dazwischen liegt ein Optimum der Beschichtungsrate. Erfindungsgemäß wird dieses Optimum für den Beschichtungsprozess verwendet. Als Regelparameter für die Frequenz wird vorzugsweise das DC-Potential der Sputterkathode verwendet. Dieses ist messtechnisch leicht zu erfassen. Abhängig vom Targetmaterial kann eine optimale Spannung als Sollwert für die Regelung ermittelt werden.
• Die Anordnung besteht demnach aus einer in der Frequenz variablen Hochfrequenzversorgung mit der Möglichkeit, die Frequenz auf feste Vorgabewerte einzustellen oder über das DC-Potential der Kathode zu regeln. Diese Versorgung kann zum Beispiel für große Leistungen in Röhrentechnik im C-Betrieb realisiert werden, für kleinere Leistungen bieten sich diverse Varianten von Halbleiterschaltungen an.

Claims (6)

1. Verfahren und Anordnung zur Beschichtung von Substraten mittels Kathodenzerstäubung, dadurch gekennzeichnet, dass Diodenkathoden verwendet werden, die mit Hochfrequenzenergie bei einer geeignet gewählten oder variablen Frequenz versorgt werden.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz auf dem fallenden Zweig der Self-Bias-Kurve so eingestellt oder geregelt wird, dass sich eine vorgegebene Spannung einstellt.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß diese Spannung so gewählt wird, dass die Beschichtungsrate ein Maximum aufweist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Frequenzkomponenten überlagert werden.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Versorgung ein Röhrenoszillator im C-Betrieb verwendet wird.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Versorgung ein Halbleiterverstärker oder ein Halbleiteroszillator verwendet wird.