DE1515311B1

DE1515311B1 - Device for cathode sputtering

Info

Publication number: DE1515311B1
Application number: DE19651515311
Authority: DE
Inventors: Helmold Dipl Phys Kausche
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1965-04-26
Filing date: 1965-04-26
Publication date: 1970-07-02

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kathodenzerstäubung mit Ringentladung in einem Plasmaraum, der innerhalb eines Rezipienten durch ein hochfrequentes, den Rezipienten axial durchdringendes, elektromagnetisches Feld erzeugt ist.The invention relates to a device for cathode sputtering Ring discharge in a plasma room, which is generated within a recipient by a high-frequency, the recipient axially penetrating electromagnetic field is generated.

Bei einer solchen bekannten Vorrichtung erfolgt die Ringentladung zur Konzentrierung und Begrenzung des Plasmas in einem im wesentlichen abgeteilten Raum des Zerstäubungsgefäßes (deutsche Auslegeschrift 1122 801).In such a known device, the ring discharge takes place to concentrate and limit the plasma in an essentially partitioned off Space of the atomization vessel (German interpretation 1122 801).

Die Kathodenzerstäubung mit Ringentladung im Plasmaraum bietet gegenüber dem mit durch Hochspannung erzeugter Glimmentladung arbeitenden Verfahren bekanntlich den Vorteil, daß niedrigere Spannungen verwendet werden können, und zwar auch bei niedrigem Gasdruck, der für eine gleichmäßige Bestäubung großer Flächen erforderlich ist.The cathode sputtering with ring discharge in the plasma room offers opposite the process using a glow discharge generated by high voltage is known the advantage that lower voltages can be used, even with low gas pressure required for uniform dusting of large areas is.

Es ist auch schon bekannt, den Zerstäubungsvorgang im Innern eines Raumes bzw. Behälters, der seinerseits wieder von einem Rezipienten umgeben ist, durchzuführen. Dabei ist der Behälter bis auf zwei Öffnungen zum Zu- bzw. Abführen des Zerstäubungsgases völlig geschlossen und mit der Anode elektrisch verbunden (deutsche Auslegeschrift 1188896). It is also already known to carry out the atomization process in the interior of a room or container, which in turn is surrounded by a recipient. With the exception of two openings for supplying and removing the atomizing gas, the container is completely closed and electrically connected to the anode (German Auslegeschrift 1188896).

Es ist weiterhin bekannt, die unerwünschte Bestäubung des Rezipienten dadurch zu verhindern, daß die Kathode in einem Abstand von der Wanduni des Rezipienten angeordnet wird, der geringer ist als die freie Weglänge der Ionen bei dem im Vakuumgefäß herrschenden Druck (deutsche Auslegeschrift 599565). It is also known to prevent undesirable dusting of the recipient by placing the cathode at a distance from the wall unit of the recipient that is less than the free path of the ions at the pressure prevailing in the vacuum vessel (German Auslegeschrift 599565).

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs beschriebene Vorrichtung so zu verbessern, daß eine unerwünschte Bestäubung des z. B. aus Glas bestehenden Rezipienten und damit ein Kurzschluß des plasmaerzeugenden, elektromagnetischen Feldes verhindert wird.The present invention is based on the object to improve the device described so that undesirable pollination of the z. B. made of glass recipients and thus a short circuit of the plasma-generating, electromagnetic field is prevented.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gegelöst, daß Kathode, Anode und Auffänger als den Plasmaraum umhüllende Elektroden ausgebildet sind.This object is achieved according to the invention in that the cathode, The anode and the collector are designed as electrodes enveloping the plasma space.

Die Elektroden bestehen vorteilhaft aus mehreren durch Aufschneiden eines gegebenenfalls wenigstens teilweise stirnseitig abgeschlossenen Hohlzylinders in Längsrichtung gebildeten Teilen, wobei jeweils auf gleichem Potential befindliche Teile miteinander verbindbar sind. In Abwandlung zur vorgenannten Ausführungsform kann man hierbei den einen bzw. die einen Teile der Elektroden als Kathode schalten, während die entsprechenden anderen Elektrodenteile als Anode und Auffänger dienen. Bei dieser Ausführungsform kann die stirnseitig angeordnete Kathode entfallen. Durch diese besondere Gestaltung der Elektroden, die z. B. aus Kupfer bestehen, wird eine Abschirmung des angelegten hochfrequenten elektromagnetischen Feldes vermieden. Die beiden Zylinderhälften sind gegen die übrigen Elemente der Vorrichtung elektrisch isoliert.The electrodes advantageously consist of several cut open a hollow cylinder optionally at least partially closed at the end parts formed in the longitudinal direction, each located at the same potential Parts can be connected to one another. As a modification of the aforementioned embodiment you can switch one or one part of the electrodes as a cathode, while the corresponding other electrode parts serve as anode and catcher. In this embodiment, the cathode arranged at the end can be omitted. By this particular design of the electrodes, which z. B. made of copper, becomes a Shielding of the applied high-frequency electromagnetic field avoided. The two cylinder halves are electrical to the other elements of the device isolated.

Ein ansonsten bei hoher Betriebsleistung der Vorrichtung auftretendes Aufheizen des Rezipienten wird durch eine an sich bekannte, zur Kühlung des Behälters und der Kathode dienende Einrichtung unterbunden. Die gleiche Einrichtung dient, sofern man sie als Heißwasserkreislauf betreibt und den Behälter samt Kathode auf etwa 80° C erhitzt, zum Entgasen der Apparatur. Dies trägt bekanntlich zur Schaffung von Schichten hoher Reinheit bei. Die beispielsweise doppelwandig ausgebildete und von einem Kühl- oder Heizmedium, z. B. Wasser, durchfließbare Wandung der Elektroden kann dabei in entsprechender Weise gekühlt bzw. aufgeheizt sein. Die Kühlung bzw. Aufheizung der Kathode erfolgt vorzugsweise durch das gleiche Kühl- bzw. Heizmedium, das eine beispielsweise als Träger der Kathode dienende Einrichtung durchströmen kann.An otherwise occurring with high operating performance of the device The recipient is heated up by a known per se, for cooling the container and the cathode serving device prevented. The same facility serves if you operate it as a hot water circuit and open the container and cathode heated to about 80 ° C to degas the apparatus. This is known to contribute to the creation of layers of high purity. The double-walled, for example, and of a cooling or heating medium, e.g. B. water, flowable wall of the electrodes can be cooled or heated in a corresponding manner. The cooling resp. The cathode is preferably heated by the same cooling or heating medium, which flow through a device serving, for example, as a carrier for the cathode can.

An Hand der Zeichnung soll die Erfindung in Form eines Ausführungsbeispiels erläutert werden. Eine außerhalb des Rezipienten Z angeordnete und von elektrischem Strom durchflossene HF-Spule 3 erzeugt in einer als Anode geschalteten, behälterartigen Elektrode 1, z. B. aus Kupfer, bei einem Druck des Füllgases zwischen 10-1 und 10-4 Torr eine elektrodenlose Ringentladung. Zur Vermeidung einer Abschirmung des hochfrequenten elektromagnetischen Feldes ist die Elektrode 1 bei 4 geschlitzt. Die beiden Zylinderhälften l a, 16 sind mittels isolierender Zwischenstücke 5 gegen die Kathode 8, 9 und den Auffänger 11 abgestützt und von der Grundplatte 7 der Vakuumanordnung elektrisch getrennt. Eine im Bereich des Behälterbodens 7 angeordnete Kathode 8 ist auf einer beispielsweise kreisscheibenförmigen Platte 9 aufgebracht. Die Platte 9 wird vorzugsweise von der nicht dargestellten Heiz- und Kühleinrichtung getragen. Die Wandung des Behälters 1 und die Trägerplatte 9 können beispielsweise mit Kühlrohren od. dgl. versehen sein, die mit entsprechenden, in der Zeichnung nicht dargestellten, rohrförmigen Zu- und Ableitungen in gas- bzw flüssigkeitsdurchlässiger Verbindung stehen. Durch Beschicken der Rohrleitungen mit Kühl- bzw. Heizmedium, wie z. B. Wasser, wird eine Kühlung bzw. Ausheizung dieser Elemente und damit eine Überhitzung des Rezipienten oder eine Verunreinigun, der herzustellenden Schichten durch austretende Fremdatome bzw. Fremdmoleküle unterbunden. Die Evakuierung des Rezipienten erfolgt über eine in der Zeichnung nicht dargestellte und über eine Durchbrechung 10 des Trägers 7 angeschlossene Vakuumpumpe.The invention is to be explained in the form of an exemplary embodiment with reference to the drawing. An HF coil 3, which is arranged outside of the recipient Z and through which electric current flows, is generated in a container-like electrode 1 connected as an anode, e.g. B. made of copper, an electrodeless ring discharge at a pressure of the filling gas between 10-1 and 10-4 Torr. To avoid shielding the high-frequency electromagnetic field, the electrode 1 is slotted at 4. The two cylinder halves 1 a, 16 are supported against the cathode 8, 9 and the collector 11 by means of insulating spacers 5 and are electrically isolated from the base plate 7 of the vacuum arrangement. A cathode 8 arranged in the region of the container bottom 7 is applied to a plate 9, for example in the form of a circular disk. The plate 9 is preferably carried by the heating and cooling device (not shown). The wall of the container 1 and the carrier plate 9 can for example be provided with cooling pipes or the like, which are in gas or liquid-permeable connection with corresponding tubular supply and discharge lines, not shown in the drawing. By charging the pipelines with cooling or heating medium, such as. B. water, cooling or heating of these elements and thus overheating of the recipient or contamination of the layers to be produced by escaping foreign atoms or foreign molecules is prevented. The recipient is evacuated via a vacuum pump, not shown in the drawing, which is connected via an opening 10 in the carrier 7.

Zur Schaffung eines Auffängers 11 mit hochreiner Oberflächenbeschaffenheit hat es sich hierbei als zweckmäßig erwiesen, wenn man vor Beginn der Zerstäubung den Auffänger 11 und die Kathode 8 z. B. mittels eines Schalters 14 an gleiches Potential, nämlich Kathodenpotential, legt. Die Spannungsquelle 6 symbolisiert die zwischen Anode 1 und Kathode 8 herrschende Zerstäubungsspannuna.To create a collector 11 with a highly pure surface finish, it has proven to be useful if the collector 11 and the cathode 8 z. B. by means of a switch 14 to the same potential, namely cathode potential. The voltage source 6 symbolizes the sputtering voltage prevailing between anode 1 and cathode 8.

Bei einem Ausführungsbeispiel hat es sich als ausreichend gezeigt, wenn, bei Füllung des Rezipienten mit Argon (etwa 1 - 10-3 Torr), zwischen dem als Anode geschalteten Behälter und der Kathode eine Zerstäubungsspannung von 500 V herrscht, um eine Aufstäubrate der Schicht von 4 A/sec zu erzielen. Die Größe des durch das Plasma von der Anode zur Kathode fließenden elektrischen Stromes beträgt bei einer Energie der hochfrequenten Wechselstromeinrichtung von etwa 1 kW 1 A. Unter diesen Bedingungen zerstäubte Atome besitzen eine mittlere Energie von etwa 10 eV. Da diese Partikelchen auf Grund ihrer großen freien Weglänge nur wenig gestreut werden, treffen sie mit einer im Vergleich zu den bisherigen Kathodenzerstäubungsverfahren um Größenordnungen höheren Energie auf den Ruffänger auf: Derart hergestellte Schichten unterscheiden sich in ihren Eigenschaften wesentlich von den nach den üblichen Verfahren hergestellten Schichten. Andererseits kann die erfindungsgemäße Vorrichtung von der direkten Bestrahlung des Auffängers mit Partikelchen hoher Energie bis zur reinen Diffusion der Metallpartikel in den Auffänger in jede gewünschte Zwischenstufe eingeregelt werden.In one embodiment it has been shown to be sufficient if, when filling the recipient with argon (about 1 - 10-3 Torr), between the as The container connected to the anode and the cathode have a sputtering voltage of 500 V. prevails in order to achieve a sputtering rate of the layer of 4 A / sec. The size of the electrical current flowing through the plasma from the anode to the cathode with an energy of the high-frequency alternating current device of about 1 kW 1 A. Atoms atomized under these conditions have an average energy of about 10 eV. Because these particles are only slightly scattered due to their large free path meet them with a compared to the previous cathode sputtering process orders of magnitude higher energy on the caller: layers produced in this way differ in their properties significantly from those according to the usual processes produced layers. On the other hand, the invention Device for direct irradiation of the collector with particles of high energy up to the pure diffusion of the metal particles in the catcher in any desired Intermediate level can be adjusted.

Claims

Claims: 1. Device for cathode sputtering with ring discharge in a plasma room, which is inside a recipient by a high-frequency, den Recipient axially penetrating electromagnetic field is generated, d a d u r c h g e - denotes that the cathode, anode and collector as the plasma space enveloping Electrodes (1, 8, 9, 11) are formed.

2. Device according to claim 1, characterized in that the electrodes (1, 8, 9, 11) consist of several parts (a, b) formed in the longitudinal direction by cutting open an at least partially closed hollow cylinder (1), each on the same Potential parts can be connected to one another.

3. Device according to claim 1, characterized in that that a device serving to cool or heat the electrodes is provided is.

4. Apparatus according to claim 3, characterized in that the cathode with is connected to a cooling or heating device serving as a support for the cathode.