DE1515322C3 - Kathodenzerstäubungs verfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kathodenzerstäubungsverfahren zum Niederschlagen dünner Filme auf einer Unterlage in einer Gasatmosphäre niedrigen Druckes innerhalb einer Vakuumkammer, in der eine Kathode, ein Halter für die Unterlage und eine von einem Teil der Vakuumkammer gebildete Basiselektrode angeordnet ist.

Solche Verfahren sind bereits bekannt, bei einem von ihnen wird z. B. zum Metallisieren die Energie einer Glimmentladung in einem vorbestimmten Teil des Entladungsraumes gegenüber anderen Teilen des Entladungsraumes durch Annäherung von zwei Kathodenfallräumen erhöht, wobei das Werkstück als Anode geschaltet ist. Dort sind auch bereits Hilfselektroden vorgesehen, um weitere Möglichkeiten im Sinne einer Steuerung des Entladungsvorganges herbeizuführen (deutsche Patentanmeldung E 8555 VIIIc/48b).

Bei einer weiteren bekannten Vorrichtung zum Metallisieren von Gegenständen mittels Kathodenzerstäubung (deutsche Patentschrift 736 130) ist zur Beseitigung der Verunreinigungen des Füllgases innerhalb der Kathodenzerstäubungskammer neben der zur Metallisierung dienenden Kathode eine zweite Kathode aus solchem Material geschaltet, das die Verunreinigungen des Füllgases, wie Sauerstoff, Stickstoff usw., bindet. Dort ist auch bereits vorgesehen, die Gefäßwand als Reinigungskathode zu schalten, ferner auch die übliche Betriebsweise, bei welcher Gegenstand und Gefäß gleichzeitig Anode sind, und auch die Möglichkeit, den Gegenstand neutral und das Gefäß als Anode zu schalten.

Bei einem anderen bekannten Verfahren zur Kathodenzerstäubung werden Schichten von Verbindungen hergestellt (deutsche Patentschrift 878 585), indem der Gegenstand als Anode gestaltet ist, und die Auftragung in einer Gasentladung erfolgt.

Auch das Ausgleichen von verschiedenen Faktoren, wie Spannnung,· Druck und relativer Stellung der Kathode zum Unterlagenhalter ist in der Zerstäubungstechnik bekannt, um eine hohe Qualität des Niederschlages zu erreichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Kathodenzerstäubungsverfahren der eingangs genannten Art die physikalischen Eigenschaften des niedergeschlagenen Films, beispielsweise den spezifischen Widerstand und den Temperaturkoeffizienten ίο des Widerstandes zu steuern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Halter eine feste elektrische Vorspannung erhält, die bezüglich der auf konstantem Potential gehaltenen Basiselektrodeimindestens ± 1 Volt beträgt, aber deutlich niedriger ist als die Spannung zwischen der Kathode und der Basiselektrode.

Dadurch läßt sich in vorteilhafter Weise mittels Zuführung spezifischer Vorspannungen, und zwar entweder Gleich- oder Wechselspannungen, zu dem Unterlagenhalter und der Unterlage während der Zerstäubung eine Steuerung der physikalischen Eigenschaften des aufgetragenen Films erzielen.

Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Er- ((,_ findung an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Vorderansicht, teilweise geschnitten, einer beispielsweisen Vorrichtung, die für die Durchführung des beschriebenen Verfahrens geeignet ist,

F i g. 2 eine grafische Darstellung auf Semi-logarithmischem Papier mit den Koordinaten des spezifischen Widerstandes in Mikro-Ohm-Zentimetern und des Temperaturkoeffizienten des Widerstandes in 10~⁶(ppm)/Grad Celsius gegen das angewandte Anodenpotential in Volt, die die Abweichung der aufgezeichneten Parameter in einer Funktion von dem Anodenpotential für die Aufstäubung von Tantal-Schichten gemäß dem beschriebenen Verfahren zeigt, F i g. 3 eine grafische Darstellung auf Linearkoordinaten des spezifischen Widerstandes in Mikro-Ohm-Zentimetern und des Temperaturkoeffizienten des Widerstandes in 10~^ß (ppm)/°C gegen das Verhältnis des angewandten Wechselstroms und des Kathodenstroms, die die Abweichung der aufgezeichneten Parameter in einer Funktion von dem Anoden- Y Kathoden-Strom-Verhältnis für die Aufstäubung einer ^' Tantal-Schicht entsprechend dem beschriebenen Verfahren zeigt. .

In F i g. 1 ist eine Vakuum-Kammer 11 gezeigt, die mit einem Auslaß 12 für die Verbindung mit einer Vakuumpumpe (nicht gezeigt) versehen ist und eine Einlaßöffnung 13 für den Eintritt eines geeigneten Zerstäuber-Gases sowie eine Grundplatte 14 aufweist, die als Basiselektrode für die Zerstäubung wirkt. Es ist zu sehen, daß in der Kammer 11 ein Ständer für die Unterlage oder ein Anodenteil 15 und ein Anodenteil 16 angeordnet ist, wobei das letztere aus dem Material besteht, das auf der· Unterlage 17 abgelagert werden soll. Das Kathodenglied 16 ist mit negativem Pol 18 verbunden, der eine hohe Gleich-Stromspannung zuführt. Der positive Pol dazu ist mit . der Basiselektrode 14 an dem Punkt 19 verbunden, wobei diese geerdet ist. Das Anodenglied 15 kann verbunden sein (a) mit einer Wechselstromquelle 20, die auf der anderen Seite mit der Basiselektrode 14 bei 23 verbunden ist, (b) dem positiven Pol 21 einer Gleichstromquelle, deren negativer Pol mit der Basiselektrode 14 bei 23 verbunden ist oder (c) mit einem negativen Pol 22 einer Gleichstromspannung, deren

positiver Pol mit der Basiselektrode 14 bei 23 verbunden ist.

Zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels wird davon ausgegangen, daß mittels Kathoden-Zerstäubung irgendein bekanntes, eine Schicht bildendes ' Metall, z. B. Tantal, Niob, Titan, Zirconium, Aluminium usw. in einer Vorrichtung der Art wie in F i g. 1 gezeigt, auf eine Unterlage aufgebracht werden soll.

.Die Unterlage 17 muß zuerst stark gesäubert werden. Herkömmliche Säuberungsmittel sind für diesen Zweck geeignet, die Wahl ist dabei besonders von der Zusammensetzung der Unterlage selbst abhängig. Die Unterlage 17 wird auf dem Unterlagenhalter 15 wie in Fig. 1 zu sehen ist, angebracht, wobei letzterer aus einem geeigneten Leiter-Material besteht, z. B. Tantal, nichtrostendem Stahl usw.

Die beim beschriebenen Verfahren angewandte Vakuumtechnik ist 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 z. B. ein Edelgas wie Helium, Argon oder Neon gespült, worauf die Kammer wieder evakuiert wird. Das Ausmaß des erforderlichen Vakuums ist von der Berücksichtigung verschiedener Faktoren abhängig, die dem Fachmann bekannt sind. Der Anfangsdruck liegt zweckmäßig zwischen 10~⁶ und 10~⁵ Torr, während der geeignete Inertgasdruck während der Zerstäubung zwischen 0,5 · 10~³ und 100-10-3 Torr liegt.

Nachdem der erforderliche Druck erreicht ist, wird die Kathode 16, die aus irgendeinem obengenannten schichtbildenden Metall besteht oder mit irgendeinem schichtbildenden Metall, z. B. in Form einer Folie, bedeckt werden kann, an eine in bezug auf die Basiselektrode 14 negative Spannung angelegt.

Die für die Zerstäubung notwendige minimale Spannung ist von dem einzelnen ausgewählten schichtbildenden Material abhängig. Zum Beispiel kann eine Gleichstromspannung von annähernd 1000 Volt ausgewählt werden, um Zerstäubungsschichten von Tantal herbeizuführen. Das Minimum der Spannungen für andere schichtbildende 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 beschriebenen Verfahren besteht darin, daß der Halter für die Unterlage 15 und die Unterlage 17 an ein Potential angeschlossen werden, wobei diese gegenüber der Grundplatte 14 elektrisch positiv oder negativ gemacht werden. Das kann erreicht werden, indem entweder (a) ein positiver oder negativer Gleichstrom oder (b) ein Wechselstrom der Haltevorrichtung 15 auf herkömmliche Art und Weise zugeführt wird.

Es wurde ermittelt, daß bei einer Spannung von wenigstens 1 Volt und der Zuführung einen positiven Gleichstromspannung bis 1000 Volt und einer negativen Gleichstrpmspannung von angenähert — 5000 Volt zu dem Unterlagen-Halter 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 Wechselstromspannung schwankend bis zu 5000 Volt zu dem nicht geerdeten Unterlagen-Halter zugeführt werden, wobei ähnliche Ergebnisse erzielbar sind.

Der Zwischenraum zwischen dem Unterlagen-Halter (Anode) und der Kathode ist nicht kritisch. Es ist ein solcher Mindestabstand erforderlich, daß eine Glimmentladung stattfinden kann. Um den besten Wirkungsgrad während des Zerstäubungsverfahrens zu erreichen, sollte die Unterlage unmittelbar außerhalb des bekannten Crookeschen Dunkelraumes angeordnet sein.

Entsprechend den bekannten Verfahren mit Auswahl einer zweckmäßigen Spannung, eines Druckes und eines Abstandes zwischen den verschiedenen Elementen innerhalb der Vakuumkammer, wird eine Schicht von filmbildendem Material auf der Unterlage 17 angebracht. Die Zerstäubung wird in einem vorausberechneten Zeitraum betrieben, um eine gewünschte Dicke zu erhalten.

In F i g. 2 ist eine grafische Darstellung auf Semilogarithmischem Papier zu sehen, wo auf den Koordinaten des Widerstandes in Mikro-Ohm-Zentimetern und des Temperaturkoeffizienten des Widerstandes in 10"V⁰C über die Werte oder der zugeführten Spannung in Volt aufgetragen sind. Dabei sind die Besonderheiten zu sehen, die bei dem Zerstäuben von Tantal in der in F i g. 1 gezeigten Vorrichtung auftreten, wobei eine Kathodenspannung von 5 kV, ein Argon-Druck von 10 Mikron und verschiedene positive und negative Gleichstromspannungen an dem Unterlagen-Halter und der Unterlage gewählt wurden.

Es ist bemerkenswert, daß bei einem NuIl-Potential des Unterlagen-Halters (in der Figur + 1,0VoIt in der logarithmischen Spannungsskala) die niedergeschlagene Schicht einen Widerstand von annäherndlSOMikroohm-ZentimeterundeinenWiderstands-Temperaturkoeffizienten von 100-10-V⁰C 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 dieses letzten Parameters zur Folge. Es ist weiter zu bemerken, daß bei einer positiven Spannung eine ähnliche .Neigungstendenz festzustellen ist, indem bei einer geringen Spannung der Widerstand groß ist, während der Temperaturkoeffizient klein ist und mit ansteigender Spannung eine

umgekehrte Tendenz aufweist. .

In F i g. 3 ist eine grafische Darstellung gezeigt, wo auf Linearkoordinaten des Widerstandes in Mikroohm-Zentimetern und des Temperaturkoeffizienten des Widerstandes in 10~V°C über dem Anoden-Kathoden-Strom-Verhältnis die Besonderheiten zu sehen sind, die durch die Zerstäubung von Tantal in der in F i g. 1 gezeigten Vorrichtung, wobei eine Kathodenspannung von 5000 Volt Gleichstrom, ein Argondruck von 10 Mikromillimeter Quecksilber und.

verschiedene Anoden-Kathoden-Strom-Verhältnisse gewählt wurden, in dem der Anode wechselnde Vorspannungen zugeführt werden.

Es wird bemerkt, daß bei einem Anoden-Kathoden-Verhältnis von 0,2 ein Niederschlag erzielt wurde, bei dem sich ein Widerstand von annähernd 42 Mikroohm-Zentimeter und ein Temperaturkoeffizient von 1000 · 10-e/°C ergab. Wie das Verhältnis von Anoden- zu Kathodenstrom wächst, steigt auch der Widerstand an, während der Temperaturkoeffizient stark abnimmt, wobei sich bei der Abnahme des Verhältniswertes von Anoden- zu Kathodenstrom eine ähnliche Neigungstendenz ergibt.

Es ist also möglich, den Widerstand und den Tem-

peraturkoefnzienten der abgelagerten Filme durch sachgemäße Vorspannungen der Unterlage unabhängig einzuregulieren.

Mehrere Beispiele des beschriebenen Verfahrens sind im folgenden näher erläutert.

Beispiel I

Dieses Beispiel beschreibt das Aufstäuben einer Tantal-Schicht.

Eine Kathodenzerstäubervorrichtung ähnlich der wie in F i g. 1 wurde verwandt, um eine Tantal-Schicht herzustellen. Bei der ausgewählten Vorrichtung war die Grundplatte 14 geerdet, der Kathode wurde in bezug auf die Erdung eine negative Spannung von 5 kV erteilt, und der Unterlagen-Halter und die Unterlage hatten gegenüber der Erdung eine positive Spannung von 10 V.

Als Unterlage wurde ein Mikroskop-Glasschieber verwandt. Der Schieber wurde in 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 10~⁶Torr evakuiert, wurde mit Argon gespült und anschließend auf 10 Mikromillimeter Quecksilber wieder evakuiert.

Der Unterlagen-Halter und die Kathode waren in einem Abstand von annähernd 7,5 cm angeordnet.

Zwischen der Kathode und der Grundplatte wurde eine Gleichstromspannung von 5000 V angelegt, zwischen dem Unterlagen-Halter 15 mit der Unterlage 17 und der Grundplatte 14 wurde eine Gleichstromspannung von 10 V angelegt.

Die Verstäubung wurde 60 Minuten lang durchgeführt, so daß sich eine Tantalbeschichtung von 5000 Angström Dicke ergab, die einen Widerstand von annähernd 40 Mikroohm-Zentimeter und einen ίο Widerstands-Temperaturkoeffizienten von annähernd 800 · 10-6/° C aufwies.

Beispiel II

Das Verfahren von Beispiel I wurde wiederholt mit der Ausnahme, daß der Unterlagen-Halter mit der Unterlage eine negative Spannung von 100 Volt Gleichstrom erhielt, mit dem Ergebnis, daß die Tantal-Schicht einen Widerstand von annähernd 45 Mikroohm-Zentimeter und einen Widerstands-Temperaturkoeffizienten von 500 · 10~⁶/° C aufwies.

Beispiel III

Das Verfahren von Beispiel I wurde wiederholt mit der Ausnahme, daß an den Unterlagen-Halter mit der Unterlage eine Wechselspannung von 250 V angelegt wurde, so daß sich ein Anoden-Kathoden-Strom-Verhältnis von 0,2 ergab, mit dem Ergebnis, daß die Tantal-Schicht einen Widerstand von 42 Mikroohm-Zentimeter und einen Widerstands-Temperatur-Koeffizienten von 100 · ΙΟ"⁶/⁰ C aufwies.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Kathodenzerstäubungsverfahren zum Niederschlagen dünner Filme auf einer Unterlage in einer Gasatmosphäre niedrigen Druckes innerhalb einer Vakuumkammer, in der eine Kathode, ein Halter für die Unterlage und eine von einem Teil der Vakuumkammer gebildete Basiselektrode angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter (15) eine feste elektrische Vorspannung erhält, die bezüglich der auf konstantem Potential gehaltenen Basiselektrode (14) mindestens ± 1 Volt beträgt, aber deutlich niedriger ist als die Spannung zwischen der Kathode (16) und der Basiselektrode (14).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiselektrode (14) auf Erdpotential gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dünne Film aus Beta-Tantal gebildet wird.

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4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Film aus körperzentriertem, kubischem Tantal gebildet wird.