DE1515322A1 - Zerstaeubungs-Verfahren - Google Patents

Description

Western Electric Coporatton Incorporated Schwartz-Vratny 3-1

New York, N.Y. - USA

Zorstäubungs-Verfahren

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Niederschlagen dünner Schichten durch Kathodenzerstäubung.

In don letzten Jahren hat sich ein bedeutendes Interesse bezüglich einer I

dUnnen Beschichtung und die Erzeugung solcher dünnen Schichten durch '-' Verfahren der Kathodenzerstäubung entwickelt. Als nachteilig wurde dabei bemerkt, daß der spezifische Widerstand und die Temperaturkoeffizienten des Widerstandes be? bestimmten Schichten zu einer Veränderlichkeit und Ungleichförmlgkolt neigen. Diese Schwierigkeiten können In einem bogronztan Ausmaß durch eine Prüfung der Untergrund-Pressung, des Grades dar Undichtheit und durch die Abschaltung Parametern kontrolliert werden. Trotzdem sind noch wesentliche Unterschiede in der Qualität der niedergeschlagenen Schichten zu finden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren für die Nieder- (

schiagung dUnner Schichten mittels Kathoden-Zerstäubung beschrieben, bei dom die elektrischon und physikalischen Eigenschaften dor niedergeschlagenen Filme durch die Anwendung entweder eines Beschüß mit Elektronen oder positiven Ionen odor Jn bestimmten Fällen mit negativen Ionon der Oberflächen dor Unterlage kontrolliert werden. Das erfindungsgemäßo Verfahren besteht aus einer Zerstäubung in einem System, In dem drei Elektroden, eine Anode, eine Kathode und eine dritte Elektrode angewandt werden, und in dom dem Anodenglied wenigstens eine Spannung von + 1 Volt In Bezug auf die dritte Elektrode erteilt wird, und das Kathoder-glicd mit einer üblichen Spannung In Bezug auf die dritte

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Elektrode versehen wird. Dc» beschriebene Verfahren unterscheidet sich von der herkömmlichen Dlodon-Zerctäubung in zweierlei Hinsicht,

(a) durch den Gebrauch einer unter Spannung stehenden Anode, die ein konstantes Potential deutlich gegenüber der Kathode erhält und

(b) durch den Gebrauch einer dritten Elektrode, dl· entweder geerdet ist oder ein konstantes Potential erhält, demgegenüber dl· Anode und die Kathode unter Spannung stehen·

Die Erfindung soll durch dl« folgende Beschreibung eingehend erläutert werden, wöbet auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird.

Es zeigern

Figur 1 eine Vorderansicht, teilweise geschnitten, einer bolsplels* weisen Vorrichtung, die für die Arbeitsweise entsprechend dar vorliegenden Erfindung geeignet Ist;

Figur 2 eine grafische Darstellung auf Semi-Iogarithmlschem Papier mit den Koordinaten des spezifischen Widerstandes In Mlkro-Ohm-Zentimetern und des Temperaturkoefflztenten des Widerstandes in 10 (ppm) / Grad Celsius gegen das angewandte Anodonpotentlal In Volt die die Abweichung der aufgezeichneten Parameter In einer Funktion von dem Anodenpotentlai fUr die Aufstäubung von Tantal-Schichten gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Figur 3 eine grafische Darstellung auf Linearkoordinaten des spezifischen Widerstandes In Mikro-Ohm-Zentimetern und d&$ Temporaturkoeffizienten des Widerstandes In 10 (ppm)/ C gegen das Verhältnis des angewandten Wechselstroms und des Kathodenstroms, die die Abweichung der aufgezeichneten Parameter In einer Funktion von dom Anoden-Kathoden-Strom-Verhältnis für dlo Aufstäubung einer Tan ta I-Schicht entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt.

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In Figur 1 Ist eine Vakuum-Kammer 11 gezeigt, die mit einem Auslaß 12 für die Verbindung mit einer Vakuumpumpe ( nicht gezeigt) versohen Ist und eine Einlaßöffnung 13 für den Eintritt eines geeigneten Zerstäubor-Gases sowie eine Grundplatte 14 aufweist, die ols erste Elektrode für die Zerstäubung wirkt. Es ist zu sehen, daß In der Kammer 11 ein Stiindor für die Unterlage odor ein Anodontell 15 υηά ein Anodcbtoll 16 angeordnet ist, wobei das letztere aus dem Material besteht, das auf dor Unterlage 17 abgelagert werden soll. Das Kathodonglled ist mit negativen Pol 18 verbunden, der eine hohe Glelchstromspannung zufuhrt* Der positive Pol dazu ist mit der Basisplatte 14 an dem Punkt verbunden, wobei diese geerdet Ist. Das Anodenglied 15 kann verbunden sein (a) mit einer WechselstromquelIe 20, die auf der anderen Seite mit |

der Basisplatte 14 bei 23 verbunden ist, (b) dem positiven Pol 21 einer Gleichstromquelle, deren negativer Pol mit der Basisplatte 14 bei 23 verbunden ist oder (c) mit einem negativen Pol 22 einer Glelchstromspannung, deren positiver Pol mit der Baslspiatto 14 bei 23 verbunden ist.

Die Erfindung kann zweckdienlich unter Bezugnahme auf ein anschauliches Beispiel beschrieben werden, bei dem mittels Kathoden-ZeitWubung irgendein bekanntes, eine Schicht biidentes Metall, zum Beispiel Tantal, Niob, Titan, Zirconium, Aluminium usw. In einer Vorrichtung der Art wie In Figur 1 gezeigt, auf eine Unterlage aufgebracht wird. j

Die Unterlage 17 muß zuerst stark gesUubert werden. Herkömmliche Säuberungsmittel sind fUr diesen Zweck geeignet, die Wahl Ist dabei besonders von der Zusammensetzung der Unterlage selbst abhängig. Die Unterlage 17 wird auf dom Unterlagenhaltor 15 wie In Figur 1 zu schön Ist, angebracht, wobei letzterer aus einem geeigneten Uiter-Materlal besteht, zum Beispiel Tantal, nichtrostendem Stahl usw.

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Die bei dieser Erfindung angewandte Vakuumtechnik tit bekannt. (Vergleiche "Vacuum Deposition of Thin Films", L Holland, J. Wylie & Sons, Inc., New York, 1956.) Bei diesem Verfahren wird die Vakuumkammer zuerst evakuiert, mit einem Inertgas, wie zum Beispiel ein Edelgas wie Helium, Argon oder Neon gespult worauf die Kammer wieder evakuiert wird. Das Ausmaß des erforderlichen Vakuums ist von der Berücksichtigung verschiedener Faktoren abhängig, die dem Fachmann bokannt sind. Wie dem auch sei, für

die Zwecke der vorliegenden Erfindung liegt der Anfangsdruck zweck-

«•6" -5

mäßig zwischen 10 und 10 Torr, wahrend der geeignete Inertgas-

»3 -3

druck während 6»t Zerstäubung zwischen 0,5 χ 10 und 100 χ 10

^ Torr liegt.

Nachdem der erforderliche Druck erreicht ist, wird die Kathode Ιό, die aus irgend einem oben genannten schichtbildentem Metall besteht oder mit irgend einem schichtbiidonten Metall, zum Beispiel in Form einer Folie, bedeckt werden kann, an eine in Bezug auf die Basispiatte 14 negative Spannung angelegt.

Die für die Zerstäubung notwendige minimale Spannung ist von dem einzelnen ausgewählten schichtbtldenten Material abhängig. Zum Beispiel kann eine Gleichitromspannung von annähernd 1000 Volt ausgewählt werden, um Zerstäubungsschichten von Tantal gemäß der vorliegenden Erfindung herbeizufuhren. Das Minimum der Spannungen fUr andere schlchtbtldente Metalle Ist dem Fachmann bekannt» In gewissen Fällen kann es wünschenswert sein, mit größeren oder geringeren Spannungen als der genannten zu zerstäuben.

Der nächste Schritt bei dem erflndungsgemößon Verfahren besteht darin, daß dor Halter für die Unterlage 15 und die Unterlage 17 an ein Potential angeschlossen werden, wobol diese gegenüber der Grundplatte 14 elektrisch positiv oder negativ gemacht werden. Das kann erreicht werden,

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indem entweder (α) ein positiver oder negativer Gleichstrom oder (b) ein Wechselstrom zu der Haltevorrichtung ^5 auf herkömmliche Art und Welse zugeführt wird.

Es wurde ermittelt, daß bei einer Spannung von wenigstens 1 VoIr und der Zufuhrung einer positiven Glelchstromspannung bit 1000 Volt und einer negativen Gleichstromspannung von angenähert -5000 Volt zu dem Untorlagen-Haltor 15, der Oberflächenbeschuß der Unterlage 17 durch Glimmentladung genau kontrolliert werden kann, wobei die Eigenschaften der aufgebrachten Schicht eine genaue Nachprüfung erlauben* Wahlweise kann eine Wechselstromspabnung ichwankend bis

zu 5000 Volt zu dem nichtgeerdeten Unterlagen-Halter zugeführt werden, J

wobei ähnliche Ergebnisse erzielbar sind. · ·

Der Zwischenraum zwIschen\Jem Unterlagen-Halter (Anode) und der Kathode Ist nicht kritisch. Ei Ist ein solcher Mindestabstand erforderlich, daü eine Glimmentladung stattfinden kann« Um den besten Wirkungsgrad während des Zerstäubungsverfahren! zu erreichen , tollte die Unterlage unmittelbar außerhalb des bekannten Crooke'sehen Dunkelraumei angeordnet win.

Die Ausgleichung der verschiede nen Faktoren von Spannung, Druck, relativer Stellung <3»r Kathode zum Unterlagcnhalter, um eine hoho (

Qualität de* Niederschlages zu erreichen, Ut In der Zertfügbyngsrechnlk bekannt. Dönnoch soll hervorgehoben werden, daß das Wosen der vor* liegenden Erfindung in der Entdeckung Hegt, daß durch Zufuhrung spezifischer Vorspannungen, entweder durch Gleich- oder durch Wechsel·» strom zu dem Unterlagenhalter 15 und der Unterlage 17 während der Zerstäubung eine Kontrolle der Parameter des aufgetragenen Filmes erlaubt.

Entsprechend d&rn Beispiel mit der Erörterung über dlo Auswahl einer zweckmäßigen Spannung, eines Druckes und eines Abstandes zwischen

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den verschiedenen Elementen Innerhalb der Vakuumkammer, wird eine Schicht von fllmblidentem Material/auf der Unterlage 17 angebracht· Die Zerstäubung wird in einem vorausberechneten Zeitraum betrieben, um eine gewünschte Dicke zu erhalten.

In Figur 2 ist ei no grafische Darstellung auf Soml-Iogarithmischem Papier zu sehen, wo auf den Koordinaten dos Widerstandos in Mikro-Ohm-Zentimetern und dos Temporaturkoofflzicntcn des Widerstandes In 10 / C Über die Werte über der zugeführten Spannung In Volt aufgetragen sind* Dabei sind die Besonderheiten zu sahen, die bei dem Zerstäuben von Tantal in der in Figur 1 gezeigten Vorrichtung auftreten, wobei eine Kathodenspannung von 5 kV, ein Argon-Druck von 10 Mikron und verschiedene positive und negative Glelchstromspannungen an dem Unterlagen-Halter und der Unterlage gewühlt wurden*

Es Ist bemerkenswert, daß bei einem Null-Potential des Unterlagen-Halters (in der Figur + 1,0 V In der logarithmischen Spannungsskala) die niedergeschlagene Schicht einen Widerstand von annähernd 150 MIkroohm-Zentf meter und einen Wldorstands-Temperaturkoefflzienten von 100 χ 10 /°C aufweist. Sobald die Unterlage eine negative Spannung erhält, nimmt der Widerstand ab, während der Temperaturkoeffizient stark ansteigt; ein Anwachsen der negativen Spannung auf etwa 40 Volt hat ein Abnehmen diesesiotzten Parameters zur Folge. Es Ist weiter zu bemerken, daß bei einer positiven Spannung eine ähnliche Neigungstendonz festzustellen Ist, in dom bei einer geringen Spannung der Widerstand groß ist, während dor Temperaturkoeffizient klein ist und mit ansteigender Spannung eine umgekehrte Tendenz aufweist.

In Figur 3 Ist eine grafische Darstellung gezeigt, wo auf Unearicoordinaton ddt Widerstandes in Mikroohm-Zentlmetorn und des Temperaturkocffizlenten des Widerstandes in 10 /C über dem Anodon-Kathocfen-Strom-Ver-

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böltnls die Besonderheiten ze sehen sind, die durch die Zerstäubung von Tantal tn der in Figur Ϊ gezeigten Vorrichtung, wobei ein« Kathodonspannung von 5000 VoJt Gleichstrom, ein Argondruck von 10 Mikromillimotor Quecksilber und verschiedene Anoden-Kathodenstromverhältnisse gewählt wurden, in dem der Anode wechselnde Vorspannungen zugeführt wurden«

Es wird bemerkt, daß bei einem Anoden-Kathoden-VerhtJltnU von 0,2 ein Niederschlag sich ergab, bei dem sich ein Widerstand von annähernd 42 Mikroohm-Zontimetor und ein Temperaturkoeffizient von 1000 κ 10 / ⁰C ergab. Wie das Verhältnis von Anoden- zu J

Kathodenstrom wächst, steigt auch der Widerstand an, während dor Temperaturkoeffizient stark abnimmt wobei sich bei der Abnahme dos Verhältniswertes von Anoden- zu Kathodensirom eine ähnlich« Neigungstendenz ergibt.

Daher ist es also möglich, den Widerstand und den Temperafurkoofflztenten der abgelagerten Filme durch sachgemäße Vorspannungen der Unterlage unabhänglgklnzureguÜeren·

Mehrere Beispiele der vorliegenden Erfindung sind Im folgenden beschrieben« Oiese Beispiele sollen lediglich zum Verständnis der Erfin- i dung beitragen und vom Fachmann können Veränderungen vorgenommen werden, ohne vom Wesen und Bereich der Erfindung abzuweichen*

Beispiel I
Dieses Beispiel boschreibt das Aufstäuben einer Tantal-Schicht,

Etno Kathodenzersräubervorrichfung ähnlich dor wie In Figur 1 wurde verwandt, um eine Tantal-Schicht herzustellen. BoI der ausgewählten Vorrichtung war die Grundplatte 14 fjeerdet, der Kathode wurde in Bezug

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auf die Erdung eine nogatlve Spannung von 5 kV erteilt und der Unterlagen-Haltor und die Unterlage hatten gegonUber der Erdung eine positive Spannung von 10 V.

Als Unterlage wurde ein MIkroskope-GIasscMeber verwandt. Der Schieber wurde (n einem entionisierten Reinigungsmittel gewaschen und In Wasserstoffsuperoxid gekocht. Als Kathode der Vorrichtung wurde Tantal In Form von lichtbogengeschmolzenen Gußplatten gewählt.

Die Vakuumkammer war anfänglich auf einen niedrigen Druck von 10 Torr evakuiert/ wurde mit Argon gespült und anschließend au 10 Mlkromtlllmeter Queckstiber wieder evakuiert.

Der Unterlagen-Halter und die Kathode waren In einem Abstand von annähernd 7,5 cm angeordnet. Zwischen der Kathode und aot Grundplatte wurde eine Glelchstromspannung von 5000 V angelegt, zwischen dem Unterlagen-Halter 15 mit der Unterlage 17 und der Grundplatte 14 wurde eine Glelchstromspannung von 10 V angelegt.

Die Verstaubung wurde 60 Minuten lang durchgeführt, so daß sich eine Tantalbeschichtung von 5000 Angström Dicke ergab, die einen Widerstand von annähernd 40 Mikroohm-Zentlmeter und ein Wlderstands-Temperaturkoefftzfenten von annähernd 800 χ 10 / C aufwies.

Betspiel Il

Das Verfahren von Beispiel I wurde wiederholt mit der Ausnahme, daß der Unterlagen-Halter mtt der Unterlage eine negative Spannung von 100 Volt Gleichstrom erhielt, mtt dem Ergebnis, daß die Tantal-Schicht einen Widerstand von annähernd 45 Mtkroohm-Zentlmoter und einen Wtdomtands-Temperarurkoofflztenten von 500 χ 10~ / °C aufwies.

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Beispiel III

Das Vorfahren von Beispiel i wurde wiedorholt mit der Ausnahme, daß on den Unterlagen-Halter mit dor Unterlage ein« Wechsel* spannung von 250 V angelegt wurde, so daß sich ein Anoden-Kathoden strom-Verhültnls von 0,2 ergab, mit dem Ergebnis, daß dt* Tantal-Schicht einen Widerstand von 42 ΛΜΓοοηπί'-ΖβηΜιηβΓΟΓ und einen WldertfüfxJt-Toniporatur-KoJiffUlonfon von 1000 χ 10 /C aufwies.

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Claims (5)

Patentanspruch·

1. Verfahren zum Niederschlagen dUnner Schichten auf eine Unterlage durch Kathodenzerstäubung In einer Vakuum-Kammer, in der eine erste und eine zweite Elektrode angeordnet, bei dem die Vakuum-Kammer ausgepumpt wird, ein Zerstaubergas In die Vakuumkammer zugeführt wird und eine Spannungsdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Elektrode herbeigeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuum-Kammer mit einer dritten Elektrode vertonen wird, der zweiten Elektrode eine konstante Spannung von mindestens + einem Volt In Bezug auf die dritte Elektrode erteilt wird und der ersten Eloktrode •ine Spannung erteilt wird, die in Bezug auf die dritte Elektrode negativ ist und einen deutlichen Spannungsunterschied zur zweiten Elektrode aufweist.

2· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweiten Elektrode eine In Bezug auf die dritte Elektrode negative Spannung erteilt wird.

3· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daÜ der zweiten Elektrode eine In Bezug auf die dritte Elektrode positive Spannung erteilt wird.

4* Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Bezug auf die dritte Elektrode dor zweiten Elektrode eine wechselnde Spannung erteilt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Elektrode geerdet Ist, ί

ό. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Elektrode ein konstantes Potential aufrecht erhult*

7, Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Niederschlag aus Tantal besteht.

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