DE1515302C

DE1515302C - Manufacturing process for solid layers on substrates

Info

Publication number: DE1515302C
Application number: DE19641515302
Authority: DE
Inventors: Leon Israel Schaible Paul Martin Poughkeepsie NY Maissei (V St A )
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1963-12-31
Filing date: 1964-12-30
Publication date: 1973-02-01

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer auf einem Substrat haftenden Festkörperschicht, bei dem eine dünne, zwischen dem Substrat und der Festkörperschicht befindliche, aus einer Metallverbindung bestehende Zwischenschicht und die Festkörperschicht in ein und derselben Vorrichtung aufgesprüht werden.The present invention relates to a method of manufacturing an on a substrate adhesive solid layer, in which a thin, between the substrate and the solid layer located, consisting of a metal compound intermediate layer and the solid layer in one and sprayed on the same device.

Solche Verfahren sind bekannt; es ist jedoch beim Aufbringen von Festkörperschichten auf eine Unterlage durch kathodisches Zerstäuben oft schwierig, eine gute Haftung der Auflage auf der Unterlage zu erreichen. Dünne Schichten mit besserem Anhaften sind dadurch erreichbar, daß man der Zerstäubungsatmosphäre einen Begleitstoff beigibt, womit man jedoch auf die Reinheit der dünnen Schicht verzichtet.Such methods are known; however, it is when applying layers of solid bodies to a substrate Due to cathodic sputtering, it is often difficult to ensure good adhesion of the support to the substrate to reach. Thin layers with better adhesion can be achieved by leaving the atomizing atmosphere adds an accompanying substance, which, however, indicates the purity of the thin layer waived.

Es ist ein Verfahren bekannt, nach dem Schichten verschiedener Metalle nacheinander auf ein Substrat aufgedampft werden. Hierbei kann das Reaktivbesprühen in einer Argon-Sauerstoffmischung erfolgen. Es ist demnach nicht möglich, nach dem genannten Reaktivbesprühen eine reine Metallschicht als nächste Schicht aufzudampfen, da die Metallschicht durch die negativen Gasionen verunreinigt werden würde. Erst der weitere Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens, nämlich das Werkstück gegen die Anode um 100 bis 20OVoIt negativ zu machen, ermöglicht ein anschließendes Aufdampfen einer reinen Metallschicht.A method is known according to which different metals are deposited one after the other on a substrate be vaporized. The reactive spraying can be carried out in an argon-oxygen mixture. It is therefore not possible to apply a pure metal layer after the reactive spraying mentioned to evaporate as the next layer, as the metal layer is contaminated by the negative gas ions would be. Only the further step of the method according to the invention, namely the workpiece against the anode by 100 to 20OVoIt negative make, enables a subsequent vapor deposition of a pure metal layer.

Außerdem ist es bei der Bildung von Metalloxyd- ; filmen bekannt, durch Behandlung in einer Glimm- ! entladung in Sauerstoff das Werkstück schwach positiv gegen die Anode zu machen.It is also involved in the formation of metal oxide; known to film, through treatment in a glow ! discharge in oxygen to make the workpiece weakly positive against the anode.

Ferner ist ein Zerstäubungsverfahren bekannt, beiFurthermore, an atomization method is known in

ίο dem das Unterlagematerial negativer ist als die Anode in dem Zerstäubungsapparat, in der Absicht, Feststoffauflagen auf kristallographisch passende Träger mit einer Einheitlichkeit der Kristallorientierung in der gebildeten Auflage herzustellen. Genauer gesagt, bezieht sich dieses bekannte Verfahren auf das Wachstum bei Zerstäubung von Kristallauflagen auf geimpfte Kristalle, die eine einheitliche Kristallausrichtung aufweisen. Hierbei werden sowohl das Unterlagematerial als auch das Auflagematerial vor ■ dem Zerstäubungsprozeß einer Ionenbeschießung ausgesetzt, um verunreinigendes Material zu entfernen. Es ist ersichtlich, daß solch ein Prozeß verunreinigen- '( des Material von der kristallinen Unterlage entfernt und die anschließende Ablagerung auf dem kristallinen Träger durch Zerstäuben eines kristallographisch verträglichen Materials erfolgt.ίο which the backing material is more negative than the anode in the sputtering apparatus, with the intention of producing solid supports on crystallographically compatible supports with uniformity of crystal orientation in the formed support. More precisely, this known method relates to the growth by atomization of crystal supports on seeded crystals which have a uniform crystal orientation. Both the base material and the base material are exposed to ion bombardment prior to the sputtering process in order to remove contaminating material. It can be seen that such a process contaminates ( removes the material from the crystalline substrate and the subsequent deposition on the crystalline support occurs by sputtering a crystallographically compatible material.

Es ist die Aufgabe' der Erfindung, beim kathodischen Zerstäuben eine festere Bindung zwischen einer Festkörperauflage und sowohl ihrer Unterlage als auch der später darübergewachsenen Auflage großer Reinheit zu erreichen, wenn zwischen Auflage und Unterlage eine direkte Berührung stattfindet, und selbst dann, wenn die Auflage auf eine kristallographisch unverträgliche Unterlage erfolgt.It is the object of the invention, in the cathodic Atomize a stronger bond between a solid pad and both its backing and also to achieve the later overgrown edition of great purity, if between edition and Pad a direct contact takes place, and even if the pad is on a crystallographic incompatible document takes place.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Zerstäubungsatmosphäre ein Edelgas darstellt, dem ungefähr ein halbes Prozent eines elektrisch negativen, mit der aufzustäubenden Festkörperschicht eine Verbindung eingehenden Gases beigefügt wird, und daß gleichzeitig hiermit in an sich bekannter Weise das Substrat schwach positiv (z. B. 3 bis 5 Volt) gegen die Anode gemacht wird und daß nach etwa j 30 bis 60 Sekunden die Zufuhr des elektrisch negativen Gases abgeschaltet und das Substrat gegen die Anode um etwa 100 bis 200 Volt negativ gemacht wird.This is achieved according to the invention in that the atomizing atmosphere is a noble gas, about half a percent of an electrically negative, with the solid layer to be sputtered a compound of incoming gas is added, and that at the same time herewith in per se known Way the substrate is made weakly positive (z. B. 3 to 5 volts) against the anode and that after about j 30 to 60 seconds shut off the supply of the electrically negative gas and the substrate against the Anode is made negative by about 100 to 200 volts.

Dadurch kann auf kristallographisch unverträglichen Trägermaterialien eine gut haftende und reine Auflageschicht von Festkörpermaterial durch Zerstäuben wachsen, wobei zunächst eine verträgliche Schicht auf dem Trägermaterial gebildet wird.As a result, a well-adhering and pure Overlay layer of solid material grow by sputtering, initially a compatible Layer is formed on the carrier material.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend an Hand der Figur näher erläutert.An embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the figure.

In einem für die Ausführung des beschriebenen Verfahrens geeigneten Kathoden-Zerstäubungsapparat mit einem birnen- oder glockenförmigen Gefäß 13 sind eine Unterlage 10, eine Anode 11 und eine Kathode 12 in geeigneter Weise untergebracht. Das Gefäß 13 befindet sich auf einer Platte 14 und bildet mit seiner unteren Kante eine gasdichte Verbindung. Stromleitende Zuführungen 15, 16, 17 sind verbunden mit der Unterlage 10, der Anode 11 und der Kathode 12. Ein herkömmlicher Kathodenschirm 18 ist in geeigneter Weise oberhalb der Kathode 12 angebracht, so daß sich die Glimmentladung auf die unteren Teile des glockenförmigen Behälters 13 beschränkt. Gleichzeitig ist eine Blende 19 aus geeignetem Material unterhalb der Kathode 12 angebracht, die dieIn a cathode sputtering apparatus suitable for carrying out the method described with a pear-shaped or bell-shaped vessel 13 are a base 10, an anode 11 and a cathode 12 housed in a suitable manner. The vessel 13 is located on a plate 14 and forms with its lower edge a gas-tight connection. Conductive leads 15, 16, 17 are connected with the base 10, the anode 11 and the cathode 12. A conventional cathode screen 18 is suitably mounted above the cathode 12 so that the glow discharge is on the lower parts of the bell-shaped container 13 limited. At the same time, a screen 19 is made of a suitable Material attached below the cathode 12, which the

Aufgabe hat, das abgeschiedene Material zu reinigen, falls es durch Reaktion mit der Atmosphäre oder in sonst einer Weise verunreinigt sein sollte. In die Platte 14 mündet eine Leitung 20, die zu einem Absperrorgan 21 und zu einer Vakuumpumpe 22 führt. Zwei weitere Zuführungen 23 und 24 führen in den Apparat und haben die Aufgabe, ein neutrales Gas und ein elektrisch negativ reagierendes Gas, je nachdem, wie es gewünscht wird, in den Apparat einzulassen. Zwei Nadelabsperrorgane 25 und 26 in den Zuführungen 23 und 24 dienen für die Regelung der Zufuhr des Gases in den Apparat.Has the task of cleaning the deposited material, if it reacts with the atmosphere or in otherwise should be polluted in some way. In the plate 14 opens a line 20 which leads to a shut-off device 21 and leads to a vacuum pump 22. Two further feeds 23 and 24 lead into the apparatus and have the task of producing a neutral gas and an electrically negative reacting gas, depending on how it is is desired to be admitted to the apparatus. Two needle shut-off devices 25 and 26 in the feeds 23 and 24 are used to regulate the supply of gas to the apparatus.

Sodann ist eine Zerstäuberatmosphäre vorgesehen, die aus neutralem Gas besteht mit einem Zusatz von etwa ¹Zs % elektrisch negativ reagierendem Gas, das sich mit der Natur des verwendeten Unterlagenrnetalles verträgt; das Unterlagenmetall wird dann an positive Spannung von 3 bis 5 Volt gelegt, die Glühemission wird eingeleitet und die Zerstäubung beginnt. Nach etwa 30 bis 60 Sekunden wird die Zufuhr des reagierenden Gases abgeschaltet, während das halbwegs reine neutrale Gas weiterhin einströmt und die Unterlage an eine negative Spannung von etwa 100 bis 200 Volt gelegt wird; die Zerstäubung darf sich solange wie erforderlich fortsetzen.An atomizer atmosphere is then provided, which consists of neutral gas with an addition of about ¹ Zs % electrically negatively reacting gas, which is compatible with the nature of the substrate metal used; the substrate metal is then applied to a positive voltage of 3 to 5 volts, the glow emission is initiated and the sputtering begins. After about 30 to 60 seconds, the supply of the reacting gas is switched off, while the halfway pure neutral gas continues to flow in and the base is placed on a negative voltage of about 100 to 200 volts; atomization is allowed to continue as long as necessary.

Wichtig für den oben beschriebenen Vorgang ist, daß, wenn das reagierende Gas abgeschaltet ist, es in den typischen Zerstäubungssystemen noch etwa 30 Minuten dauert, bevor das neutrale Gas wieder vollkommen rein vorhanden ist. Ohne die Verwendung von negativer Spannung während des weiteren Zerstäubungsvorganges, würde man zu einer stark verunreinigten dünnen Schicht kommen. Ein halbes Prozent des negativ reagierenden Gases ist im allgemeinen nicht genug, um eine vollständige Oxydation des Metallfilmes unter normalen Umständen hervorzurufen. Durch das Anlegen der kleinen positiven Spannung jedoch, ist die Oxydation halbwegs vollständig. What is important to the above process is that when the reacting gas is turned off, it In typical atomization systems it still takes about 30 minutes before the neutral gas returns is completely pure. Without the use of negative voltage during the rest of the process Atomization process, one would come to a heavily contaminated thin layer. A half Percent of the negatively reacting gas is generally not enough to cause complete oxidation of the metal film under normal circumstances. By putting on the little positive ones In tension, however, the oxidation is halfway complete.

In einem besonderen Beispiel soll Tantal auf eine Glasunterlage aufgebracht werden. Hierbei besteht die Unterlage 10 aus Glas, die Kathode 12 aus Tantal und das neutrale und das reagierende Gas, die in das glockenförmige Gefäß 13 durch die Zuführungen 23 und 24 einströmt, sind Argon und Sauerstoff. Der Sauerstoff jedoch braucht nicht durch eine getrennte Zuführung in den Apparat eingebracht werden. Er kann in dem entsprechenden Mischungsverhältnis mit dem neutralen Gas entweder vorher, nachher oder während der Zuführung des neutralen Gases in den Apparat durch eine und dieselbe Zuführung gemischtIn a particular example, tantalum is to be applied to a glass base. Here there is the base 10 made of glass, the cathode 12 made of tantalum and the neutral and reactive gas that is in the The bell-shaped vessel 13 flowing in through the inlets 23 and 24 are argon and oxygen. the Oxygen, however, does not need to be introduced into the apparatus through a separate supply. He can either before, after or in the appropriate mixing ratio with the neutral gas mixed during the feeding of the neutral gas into the apparatus by one and the same feeder

ίο werden. Auch braucht das elektrisch negativ reagierende Gas nicht unbedingt Sauerstoff zu sein. Die Auswahl eines bestimmten reagierenden Gases hängt von der Art des Unterlagematerials ab und von der Substanz, die auf der Unterlage aufgebracht werden soll. Man wird daher, wenn das Unterlagematerial anstatt Oxyde, Nitride oder Chloride enthält, besser Stickstoff oder Chlorgas statt Sauerstoff, wie im vorliegenden Beispiel, einführen.ίο be. Also needs that which reacts negatively electrically Gas doesn't necessarily have to be oxygen. The choice of a particular reacting gas depends on the type of base material and on the substance that is applied to the base target. It is therefore better if the base material contains instead of oxides, nitrides or chlorides Introduce nitrogen or chlorine gas instead of oxygen, as in the present example.

In diesem besonderen Fall ist die geeignete Zersiäubungsatmosphäre dadurch schafübar, daß man ein halbes Prozent Sauerstoff zu dem Argon in dem glockenförmigen Gefäß 13 zugibt und die Glasunterlage 10 an eine positive Spannung von 3 bis 5 Volt gegenüber der Anode legt. Die positive Spannung an dem Unterlagematerial hat einen zweifachen Effekt. Die negativen Sauerstoffionen werden von dem Unterlagematerial 10 angezogen, wodurch die Bildung der Tantaloxydschicht auf der Unterlage erleichtert wird; gleichzeitig werden die positiv geladenen Ionen des neutralen Gases abgestoßen.In this particular case this is the appropriate atomizing atmosphere managed by adding half a percent oxygen to the argon in the Bell-shaped vessel 13 is added and the glass base 10 to a positive voltage of 3 to 5 volts opposite the anode. The positive tension on the backing material has a twofold effect. The negative oxygen ions are attracted to the backing material 10, causing the formation of the Tantalum oxide layer on the base is relieved; at the same time, the positively charged ions of the repelled neutral gas.

Die Glühemission wird dadurch gezündet, daß eine negative Spannung von 3000 Volt an die Kathode angelegt wird, wonach der Zerstäubungsprozeß beginnt. Nach etwa 30 bis 60 Sekunden wird die Sauerstoffzufuhr gestoppt durch das Absperrorgan 26, während das Argon noch weiter durch die Zuführung 23 strömt. Danach wird das Unterlagematerial 10 an eine negative Spannung von 100 bis 200 Volt gegenüber der Anode gelegt; während die Kathode 12 noch immer an negativer Spannung liegt. Die Zerstäubung wird dann fortgesetzt, bis ein Tantalfilm der gewünschten Dicke erreicht ist.The glow emission is ignited by applying a negative voltage of 3000 volts to the cathode, after which the sputtering process begins. After about 30 to 60 seconds, the oxygen supply is stopped by the shut-off device 26, while the argon continues to flow through the supply 23. The base material 10 is then applied to a negative voltage of 100 to 200 volts with respect to the anode; while the cathode 12 is still at negative voltage. Sputtering is then continued until a tantalum film of the desired thickness is achieved.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. A method for producing a solid layer adhering to a substrate, in which a thin, located between the substrate and the solid layer, made of a metal compound existing intermediate layer and the solid-state layer in one and the same device are sprayed on, characterized in that that the atomization atmosphere is a noble gas, approximately one half a percent of an electrically negative connection with the solid layer to be sputtered incoming gas is added and that at the same time hereby in a manner known per se the substrate is made weak positive (e.g. 3 to 5 volts) against the anode and that after about 30 to 60 seconds, the supply of the electrically negative gas is switched off and the substrate against the anode is made negative by about 100 to 200 volts.

2. The method according to claim 1, characterized in that the sputtering metal is tantalum and the support (10) glass embody and.as a neutral gas argon and as electrically negative reacting gas oxygen is used.

3. The method according to claim 2, characterized in that that the oxygen passes through the same line simultaneously or before or after is introduced into the sputtering chamber (13) with the argon.

4. The method according to claim 1, characterized in that that the atomizing metal embodies tantalum, a nitride or as a base (10) Material containing chlorides, argon as a neutral gas and negatively electrically reactive gas Nitrogen or chlorine gas can be used.