DE1515309A1

DE1515309A1 - Verfahren zum Herstellen gleichfoermiger duenner Schichten hoher Guete aus dielektrischem Material durch Kathodenzerstaeubung und Vorrichtung zur Durchfuehrung des Verfahrens

Info

Publication number: DE1515309A1
Application number: DE1966J0032487
Authority: DE
Inventors: Davidse Peiter Dirk; Kleinfelder Walter James
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1965-12-20
Filing date: 1966-12-13
Publication date: 1969-07-31
Also published as: FR1505162A; SE334083B; JPS4327930B1; DE1515310A1; BE690690A; GB1118758A; DE1515309B2; NL6617765A; GB1118759A; US3525680A; CH469101A; CH471241A

Description

PATENTANWALT DIPL.-ING. H. E. BÖHMER

703 BUBLINGEN SINDELFiNGER STRA88E 49

FKRNSPRECHER (07031) 6613040 Λ C Λ C O Π Q

Böblingen, 12. Dezember 1966 si-sto

Anmelder: International Business Machines

Corporation, Armonk, N. Y₁10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung

Aktenz. der Anmelderin : Docket 14 123

Verfahren zum Herstellen gleichförmiger dünner Schichten hoher Güte

aus dielektrischem Material durch Kathodenzerstäubung und Vorrichtung ,

zur Durchführung des Verfahrens.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes Verfahren zum Herstellen gleichförmiger dünner Schichten hoher Güte aus dielektrischem Material durch Kathodenzerstäubung und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die bisher bekannt gewordenen Zerstäubungssysteme für dielektrische Materialien weisen eine Reihe von Nachteilen auf. Zunächst ist es schwierig die Hochfrequenzenergiequelle mit der Gasentladungsstrecke des Zerstäubungssystems als Last in richtiger Weise abzuschließen. Mit anderen Worten, es bestehen Schwierigkeiten, das Stehwellenverhältnis auf einen genügend geringen Wert herunterzubringen und man beobachtet infolgedessen kleine Funkenüberschläge an den geerdeten Teilen des Vakuumsystems , Von größerer Bedeutung ist die Tatsache, daß mit Hilfe der bekannten Verfahren hergestellte Niederschläge im allgemeinen rauh ausfallen und Defekte aufweisen, wobei die Schichten j π eist ungleichmäßig und mit Löchern durchsetzt sind.

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Diese Mangel machen die mit den bisher bekannten Verfahren erzeugten Niederschläge als Isolierschichten ungeeignet, es ist z. B. nicht möglich, isolierende Glasschichten mittels der genannten Verfahren bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen einwandfrei niederzuschlagen. Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, welches es erlaubt, unter Benutzung von mit hochfrequenter Energie betriebener Kathodenzerstäubungssysteme isolierende Materialien wie Gläser usw. niederzuschlagen, ohne daß hierbei die oben genannten Mängel bisher bekannter Verfahren auftreten. Vielmehr sollen sich glatte, defektfreie isolierende Schichten hoher Qualität mit gleichförmiger Struktur ergeben.

Das die oben genannte Aufgabe lösende Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die die Kathodenzerstäubung bewirkende Gasentladung mit Hochfrequenzenergie betrieben wird und daß die Ankopplung der Hochfrequenzenergiequelle an die Gasentladungsstrecke mittels eines Kondensators erfolgt.

Im folgenden sei das Verfahren anhand eines speziellen Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. In diesen bedeuten:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch ein Zerstäu

bungssystem nach der vorliegenden Erfindung in schematischer Darstellung und

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Pig. 2 eine Schaltung eines Hochfrequenzgene

rators, wie er in Verbindung mit dem Zerstäubungssystem der Fig. 1 angewendet werden kann.

Die Fig. 1 zeigt eine typische Version eines Zerstäubungsapparates, der entsprechend den Prinzipien der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist und im wesentlichen aus einer Gasentladungskammer besteht, die durch eine Rezipientenglocke 10 abgeschlossen ist. Diese besteht aus einem geeignetem Material, beispielsweise aus Pyrexglas und ist abnehmbar auf die Grundplatte 12 aufgesetzt. Ein Dichtungsring 11, welcher zwischen der Grundplatte und der Rezipientenglocke 10 eingefügt ist, sorgt für einen vakuumdichten Abschluß. Ein geeignetes Gas, beispielsweise Argon wird in die Vakuumkammer eingeführt und mittels der Vakuumpumpe 15 ein gewünschter Gesamtdruck erzeugt. Innderhalb des Vakuumbehälters ist eine Elektrodenstruktur angebracht, welche insgesamt mit dem Bezugszeichen 16 bezeichnet ist, ferner befindet sich dort eine Befestigungsvorrichtung mit der Bezugsziffer 18 für das Substrat.

Wir wenden uns nun dem detaillierten Aufbau der Elektrodenanordnung 16 zu. Diese besitzt einen Target 21 aus dielektrischem Material, welches zerstäubt werden soll und das unmittelbar auf einer Metallelektrode 22 angebracht ist. Die

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Elektrode 22 ist von der hohlen Trägersäule 24 elektrisch isoliert, die ihrerseits am unteren Ende umgebördelt und auf der Grundplatte 12 angeschraubt ist. Die Säule 24· besteht aus elektrisch leitendem Material und steht daher über ihre gesamte Ausdehnung hinweg in unmittelbarem elektrischen Kontakt mit der Grundplatte 12, die ihrerseits, wie aus den Zeichnungen hervorgeht, auf Erdpotential ljegt. Auf dem oberen, etwas verbreiterten Ende derjzylindrischen Säule 24 befindet sich eine metallische Abschirmung 26, welche die Elektrode 22 von der unteren Seite her umhüllt und so die Elektrode vor unerwünschten Zerstäubungen nach unten hin schützt.

Die Durchführung 25 isoliert die Abschirmplatte 26 sowie die Säule 24 elektrisch von der Elektrode 22. Der Leiter führt in isolierter Weise durch die Grundplatte 12 und ist leitend mit der Elektrode 22 verbunden. Die Elektrodenanordnung kann auch mit einer Kühlvorrichtung versehen werden, die in der Zeichnung nicht gezeigt ist und mit der während des Betriebes die Temperatur beeinflußt werden kann. Die Haltevorrichtung 18 für das Substrat umfaßt die Halterungsplatte 29, auf welcher das Substrat 50 irgendwie befestigt ist. Die Platte 29 ist an der Unterseite der Platte 51 befestigt, die ihrerseits wieder durch die Abstandsstäbe 52 getragen wird. Diese sind mit der Grundplatte 12 verschraubt,

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so daß eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Platte 29 und der Grundplatte 12 besteht.

Wenn das zu bestäubende Substrat aus einem Material besteht, welches durch eine erhöhte Temperatur beschädigt wird, kann eine Kühlvorrichtung während des Kathodenzerstäubungsvorganges benutzt werden. Zum Beispiel kann man eine Kühlschlange 35 so anbringen, daß ein Wärmeaustausch mit der Metallplatte 31 stattfindet. Hierzu läßt man eine Kühlflüssigkeit durch die Kühlschlange 35 über die Eingangs- und Ausgangszuführungen 36 und 37 zirkulieren.

Beim speziellen Ausführungsbeispiel erwies es sich als vorteilhaft, die Gasentladung in einem magnetischen Feld zu betreiben. Dieses kann dadurch geschehen, daß man einen Satz von toroidförmigen Permanentmagneten 90 oberhalb der Platte 31 anordnet, wodurch ein stationäres magnetisches Feld entlang der vertikalen Symmetrieachse der Gesamtanordnung erzeugt wird. Hierbei ist die Richtung des magnetischen Feldes unwesentlich.Die Elektrode 22 und der Leiter 27 sind über die Zuführungsleitung 50 mit der Ausgangsklemme einer Energie quelle für Hochfrequenz 20 verbunden. In Serienschaltung zwischen der Elektrode 22 und der Ausgangsklemme der Hochfrequenzenergiequelle befindet sich ein Kondensator 60. Die

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Einfügung des Kondensators 60 in das Kathodenzerstäubungssystem entspricht dem wesentlichen Erfindungsgedanken der vorliegenden Erfindung. Es wurde nämlich festgestellt, daß bei Benutzung dieses Kondensators dielektrische Schichten besonders hoher Güte von der dielektrischen Quelle 21 zerstäubt und auf das Substrat J>Q aufgebracht werden können. Obwohl der genaue W-. rt dieses Kondensators nicht kritisch ist, hängt sein Wert doch etwas von dem speziell benutzten System ab und es hat sich ergeben, daß Kapazitätswerte von 100 bis 20 000 pP besonders gute Erfolge zeigen.

Zur Energieversorgung des beschriebenen Kathodenzerstäubungssystems kann eine bekannte Hochfrequenzenergiequelle 20 benutzt werden. Zum Beispiel kann diese Energiequelle, wie aus Fig. 2 hervorgeht, aus einer bekannteriH^ochfrequenzenergiestufe 80 und einer Schaltung öl zur Anpassung an die zu betreibende Last bestehen. Der Ausgang der hochfrequenten Energiequelle 20 istjelektrisch mit dem Kondensator 60 und daher auch mit der Elektrode 22 verbunden.

Zur Inbetriebnahme wird die Ionisationskammer, die im wesentlichen aus dem Rezipienten 10 und der Grundplatte 12 besteht, durch die Vakuumpumpe 15 evakuiert und ein ionisierbares Gas, beispielsweise Argon, durch die Leitung 1} eingegeben und der

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erforderliche Druck in der Vakuumkammer eingestellt» Eine Quelle dielektrischen Materials und das zu beschichtende Substrat wird in der Vakuumkammer angebracht, im wesentlichen in der Weise wie es in der Pig. I dargestellt ist. Die Hochfrequenzenergiequelle wird dann eingeschaltet und der Ausgang über den Kondensator 60 mit der Elektrode 22 verbunden, welche die dielektrische Materialquelle trägt. Die genauen Daten für Druck, Temperatur, Eingangsenergie usw. sind nicht besonders kritisch und kennen variiert werden, um so zu einer optimalen Schicht in Verbindung mit dem jeweils benutzten speziellen Aufstaubungssystem zu gelangen. Wird ein magnetisches Feld benutzt, so reichen Feldstärken von etwa 100 Gauß aus.

Als Beispiel für eine Zerstäubung nach der Lehre der vorliegenden Erfindung, bei dem glatte, defektfreie dünne Schichten mittels eines Systems nach den Figuren 1 und 2 erzielt wurden, wurde geschmolzenes Quarz zerstäubt, wobei der Apparatur bzw. dem Versuch folgende Daten zugrunde lagen:

Druck: 5 χ 10"^ Torr

Gasfüllung: 100$ Argon

HF-Energie: 710 Watt

Frequenz: 15*56 MHz

Abstand

Substrat-Target: ca. 2,4 cm

Elektrodendurchmesser: ca. 12 cm

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Bestäubungszeit:

Schichtdicke:

30 Minuten 55,000 A°

Unter ähnlichen Bedingungen, jedoch unter Benutzung von einer HP-Energie von 740 Watt wurde ein Calciumaluminiumsilikatglas (Corning I9I CB) 50 Minuten lang zerstäubt, wobei eine glatte defektfreie Schicht mit einer Dicke von 26 000 8 erhalten wurde.

Zum Vergleich der Resultate bei der Kathodenzerstäubung der gleichen Glaszusammensetzung mit und ohne Ankopplungskondensator wurden die folgenden Zerstäubungsversuche durchgeführt, wobei ein System benutzt wurde, welches im wesentlichen der Fig. 1 und 2 entspricht. Bei der ersten Versuchsreihe wurde kein Kondensator benutzt und in der zweiten Versuchsreihe ein solcher mit einer Kapazität von 250 pP.

Elektrodenspannung:

An die Last abgegebene Energie:

Reflektierte Energie:

An der Kathode verfügbare Energie:

Stehwellenverhältnis; Zerstäubungszeit:

Ohne Kondensator	Mit Kondensator
2500 v Spitze-Spitze	2800 v Spitze-Spitze
470 Watt	295 Watt
205 Watt	5 Watt
265 Watt	290 Watt
5.5	1.2
40 Min.	120 Min.

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Ohne Mit

Kondensator Kondensator

Schichtdicke: 8,800 8 30,000 8

Niederschlagsrate: 220 8/Min. 250 8/Min.

Schichtqualität: schlecht, ausgezeichnet,

ungleichmäßig gleichförmig

mit Fehlern und ohne Fehler

Der genannte Vergleich zeigt, daß während der Zerstäubung von dielektrischem Material mit im wesentlich gleichen Nieder schlagsraten bessere Schichtgüten in einem System erreicht werden, in dem ein Koppelkondensator benutzt wird. Außerdem ist die Durchführung der Zerstäubung ohne den genannten Kondensator auch deswegen verhältnismäßig ungünstig, weil eine sehr viel höhere Eingangsenergie erfordert wird, um eine gleiche Energiemenge an die mit dan Target verbundene Elektrode heranzubringen. Damit hängt auch die Tatsache zusammen, daß man bei Benutzung des Kondensators ein sehr viel geringeres Stehwellenverhältnis erreichen kann.

Obwohl es für den Fachmann fast selbstverständlich ist, sei hier noch bemerkt, daß in der genannten Weise dünne Schichten vieler anderer geeigneter dielektrischer Materialien erzeugt werden können entsprechend der Lehre der vorliegende^Erfindung z. B. geschmolzenes Quarz, Borsilikatgläser, Calciumaluminiumsilikatgläser.

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Claims

Patentansprüche

-ΙΟ

Verfahren zum Herstellen gleichförmiger dünner Schichten aus dielektrischem Material hoher Güte mittels Kathodenzerstäubung, dadurch gekennzeichnet, daß die die Kathodenzerstäubung bewirkende Gasentladung mit Hochfrequenzenergie betrieben wird und daß die Ankopplung der Hochfrequenzenergiequelle an die Gasentladungstrecke mittels eines Kondensators erfolgt.

Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in zu den Elektrodenflächen der Gasentladungsstrecke normaler Richtung ein stationäres Magnetfeld aufrechterhalten wird.

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Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Ankopplungskapazitat ein Kondensator mit einer Kapazität von 100 pF bis 20 000 pP gewählt wird.

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