DE1690692A1 - Verfahren zum Aufbringen einer Schicht aus anorganischem festem Material auf einer Unterlage durch Kathodenzerstaeubung - Google Patents

Description

• Verfahren zum Aufbringen einer Schicht aus anorganischem festem Material auf einer Unterlage durch Kathodenzerstäubung. , Es ist bekannt, die von.einer Kathode in einer elektrischen EntladunF losgerissenen Metallteilchen zur Erzeugung einer Metallisierung auf Gegenständen, z.B. auf einer Halbleiteroberfläche, zu verwenden. Gewöhnlich wird man-hierbei den .zu bestäubenden Gegenstand, falls dieser leitend ist, als Anode, das zu zerstäubende Material als Kathode einer Gas" ent ladung schalten, die mit entsprechend hoher Spannung betrieben wird. Besteht der zu bestäubende Körper aus nichtleitendem Material, so wird man statt dessen neben dem zu bestäubenden Körper eine leitende Anode, z-. B. eine metallische Trägerplatte für diesen-Körper anordnen. In allen diesen rällen liegt zwischen der zu zerstäubenden und dem zu bestäubenden Gegenstand der Kathodenfallraum der Entladung, also eine -Strecke von mindestens 50 - 100 mittleren freien t'leglängen, durch die das abgestäubte I,Laterial hindurchdiffundieren muß. Gewöhnlich stellt man in der -Entladung =einen Gasdruck von.100 - i o-3 Torr ein, so d-aß mit einer mittleren freien Weglänge von 10 2 - 10 cm gerechnet werden muß. Auf Grund dieser Verhältnisse er-' geben sich bei schwer zerstäubbaren Materialien kleine Aufstäubraten und auch beträchtliche Verunreinigungen.
• Eine Verbesserung läßt sich zum Teil durch Anwendung von Glühkathoden und Magnetfeldern oder besonderen Ionenquellen außerhalb des - höher evakuierten - den zu bestäubenden Gegenstand enthaltenden Raumes erzielen. Ein solches .Verfahren ist jedoch Eiregen seiner Umständlichkeit und seines beträchtlichen Aufwandes aus anderen Gründen ungünstig.
• Mit dieser Aufgabe befaßt sieh die vorliegende Erfindung. Die Erfindung bezieht 'sich auf ein. Verfahren zum Aufbringen einer Schicht aus anorganischem festem Material auf einer Unterlage, z. B. einer Halbleiteroberrlt:ichea durch Kathodenzerstäubung. Dieses Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens an ihrer Oberfläche aus dem aufzustzub(--nden Stoff bestehende, gitter- oder siebartig durchbrochene Kathode zwischen Anode und Unterlage angeordnet und gegen beide negativ vorgespannt wird und daß außerdem die Unterlage Substrat) so nahe an die Kathode herangebracht wird, daß der Raum zwischen diesen beiden. bei dem eingestellten Druck und der angelegten Spannung zur Aufrechterhaltung einer selbständigen Gasentladung allein nicht ausreicht.
• Wichtig ist dabei, daß die durchbrochene, beispielsweise gittärförmige, Kathode in einem Abstand von höchstens etwa zehn mittleren freien 1'leglängen vor dem zu bestciubenden Substrat angeordnet wird, so daß sich die, die Entladung aufrechterhaltende Kathodenfallstrecke außerhalb des Raumes zwischen Substrat und Kathode und zwar zwischen dieser und einer in größerem Abstand angeordneten Anode befindet. Von der Kathode abgestäubtes Material hat somit nur einen kurzen Diffusionsweg. Bevorzugt weisen die "Gitterstäbe" der durchbrochenen Kathode eine band- ' artige Gestalt auf, deren Flächen senkrecht zur Substratoberflüche stehen:: Die Gestalt der Kathode erinnert in diesem Fall an die eines Rostes eines Fußabstreifers. Hierdurch wird der firkungsgrad noch weiter verbessert, die Wärme abstrahlende Kathodenfläche vergrößert und die GlEaichmäßigkeit der aufgestäubten Schicht .nicht beeinträchtigt.. Ein bevorzugtes, Ausführungsbeispiel für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird an Hand der Figur 1 erläutert, in der eine entsprechende Apparatur in schematischer Pörm dargestellt ist. Figur 2 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung der-gitterrostartigen Kathode in Schrägauf'sicht.
• Der zu bestäubende Gegenstand 1, z. B> ein Halbleiterkristall aus Silicium oder Germanium oder der Träger für Zeitbahnen oder lliderstand sschichten, ist an den positiven Pol einer Gleichspannungsquelle 2 gelegt, an deren negativem Pol die Kathode '> liegt. Eine weitere Gleichspannungsquelle 4 liegt zwischen der Kathode 3 und der Anode 5. Diese Anordnung, ausgenommen die Gleichspannungsquellen, ist in einem eväkuierbaren Gefäß 6, beispielsweise aus Glas angeordnet'. Der Abstand d zwischen dem zu bestäubenden Substrat 1 und der durchbrochenen Kathode 3 beträgt weniger als zehn mittlere freie Weglängen, das ist bei einem vorzugsweise allzuwendenden Gasdruck p = 2-10 -2 Torr im Innern des: Fvakuierungsgefäßes G eine Strecke von 20 mm, vorzugsweise 10 mm. Der Abstand D zwischen Kathode 3 und Anode 5 beträgt 20 cm. Bei der praktischen Durchführung befindet sich das Substrat 1 ` an "einer glEichzeitig als elektrische..-`Zufütirung dienenden Halterung 7, die es gestattet, Aden Abstand d zwischen Substrat 1 und Kathode 3 zu regeln. Es besteht auch die Möglichkeit, die Kathode aus dem Raum zwischen Substrat 1 und Anode 5 herauszuschwenkeil und eine entsprechend hohe Spannung zwischen die Anode 5 und das Substrat 1 zu legen, bei der das Substrat 1 als Kathode geschaltet wird. Man kann auf diese 'leise eine Reinigung des Substrats erreichen, indem die Oberfläche des Substrats einem'Iönenbecchuß ausgesetzt wird. Dieser Vorgang erfolgt zweckmäßig bei laufender Evakuierungsanlage, ebenso viie es mitunter zweckmäßig ist, auch die eigentliche Bestäubung des Substrats 1 bei laufender Evaküierungspumpe vorzunehmen. Der Stutzen zum Ansatz der nicht gezeichneten Evakuierungspumpe ist mit 8 bezeichnet. Bei 9 wird über ein Nadelventil z. B. Argon eingeleitet und damit der Gasdruck geregelt. Zum Zwecke der eigentlichen Bestäubung. wird dann die Kathode 3 zwischen Substrat 1 und Anode 5 gebracht und dabei entsprechend der Zehre der Erfindung auf die Bemessung des Abstandes d geachtet. Die Spannungen zwischen Substrat 1, Kathode 3 und Anode 5 werden so gewählt, daß auf jeden Fall nur eine Zerstiubung der Kathodenoberfläche stattfindet, während eine solche an der Oberfläche des Substrats unterbunden ist. Bei entsprechender Bemessung des Abstandes d erzielt man eine zufriedenstellende Bestäubungsquate an der Oberfläche des Substrato, selbst dann, wenn es sieh um ausgesprochen schwer zeratäubbare T-ietalle wie Wolfram, 1GTolybdän, Chrom, Tontal, Titan und Aluminium handelt. Es können auch Halbleiter und Nichtmetallc sowie entsprechend beständige chemische Verbindungen: iiie.Oxide , Nitride, Carbide, Silicide und weitere solche Verbindungen aufgestäubt werden. Am besten überzieht man in solchen Fällen, falls die Zeitfühigkeit dieser Stoffe zur Aufrechterhaltung einer ungestörten Kathodenfunktion nicht ausreichen sollte, zwei Elektroden mit dem betreffenden Material, -von denen eine erfindungsgemäß durchbrochen und dicht vor dem Substrat angeordnet ist und legt z;iischen beide eine hochfrequente Wechselspannung. Dabei ist sicherzustellen, daß alle. übrigen Teile im Rezipient stets positiv gegen beide Elektroden geladen sind. Eine weitere Möglichkeit, nichtleitende chemische Verbindungen in erfindungsgemäßer Weise aufzustäuben besteht darin, daß -man diese Verbindung dadurch.
• erst im Gasraum erzeugt, daß ein-.-- leitender Bestandteil, z. B. Silicium, als Kathoden einem nicht i$erten Gas, z. B. Sauerstoff,. Stickstoff oder deren Verbindungen, zerstäubt und das Substrat mit der sich bildenden Verbindung bedeckt. Die Erfahrung hat gezeigt, daß eine optimale Spannung existiert, die bei Wahl von d -- 1 cm , D = 20 cm und eines Kathodenmaterial, aus Nickel in Argon 1 - 4 kV beträgt.
• Die in Figur 2 dargestellte Perspektivansicht der Kathode 3 l.:ißt deutlich die bevorzugte bandartige Struktur der einzelnen, die Kathode bildenden Stäbe erkennen. Die Bänder können auch schräg zur Oberfläche des Substrats orientiert sein.
• Die aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltenen-aufgestäubten Schichten, insbesondere Metall- oder Halbleiterschichten, greisen eine besonders gute Haftfestigkeit auf, y T=renn man den Abstand nicht größer als ettja eine mittlere freie Weglänge wählt. Es empfiehlt sich weiter, die Kathode parallel zur Substratoberfläche zu bewegen bzw. das Substrat 1 unterhalb der Kathode während des Ausstäubvorgangs hin und her zu verschieben, um so die Gleichmäßigkeit der aufgestäubten Schicht weiter zu verbessern..
• Soll eine möglichst große Anzahl von kleinen Teilen, z. B. in Planartechnik hergestellten Halbleiterbauelementen oder Glas- bzw. Keramikplatten mit einer- fest haftenden Schicht versehen werden, so kann nach Figur 3 der Träger für diese Teile derart als Kugelkalotte (7) ausgebildet werden, daB der ßauri des Rezipienten optimal ausgenützt wird. Die gitter-F förriig durchbrochene Kathode (3) wird dann ebenfalls gekrümmt und erfindungsgemäß dicht von der Innenfläche der `-rcigerkalotte (7) angeordnet. Als Anode kann die auf erdpotential befindliche Metallgrand (6) des Rezipienten dienen, mit der ggf. die Tregerlcalotte (7) leitend verbunden ist. Diese Anordnung erlaubt es auch, vor oder nach dem Aufsträuben die Kathode (3) wegzuschvrenken, in den Mittelpunkt IJI der Trägerkalotte eine Verdampfernuelle zu bringen, und die zu beschichtenden Teile ;1) zusätzlich mit eitlem weiteren Material zu bedampfen.

Claims (8)

1. Paten t an s p rü c h e 1. Verfahren zum Aufbringen einer Schicht aus anorganischenfestem Material auf einer Unterlage, z. B. einer Halbleiteroberfläche, durch Kathodenzerstäubung, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens an ihrer Oberfläche aus dem auszu stäubenden Stoff bestehende, guter- oder siebartig durchbrochene Kathode zwischen Anode und Unterlage angeordnet und gegen beide negativ vorgespannt wird,--und daß -außerdem die Unterlage (Substrat) so nahe an die Kathode herangebracht wird, daß zwischen beiden leine :elbständige Gasentladung stattfinden kann.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Kathode und Unterlage höchstens zehn mittlere freie Weglängen der von der Kathode los-. - geschlagenen Partikel beträgt.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Verwendung einer aus bandartigen Stäben zusammengesetzten, Bitter- oder rostartigen Kathode, bei der die Bandflichen senkrecht zur Oberfläche der zu bestäubenden Unterlage orientiert sind. .
4. Verfahren nach einem- der Ansprüche 1 - 3, dadurch-gekennzeichnet, daß zu Beginn des Verfahrens eine Entladung zwischen der zu bestäubendem Unterlage und.der Anode bei entfernter Kathode derart eingestellt wird, daß eine Abtragung an der Oberfläche der Unterlage zwecks Reinigung stattfindet, da!: danach die Kathode zwischen die zu bestaubende Unterlage und die-Anode gebracht und die für die Aufstäubung voll Material der Kathode auf die zu bestäubende Unterlage erforderlichen Spannungen eingestellt werden.
5. 5, Verfahren, nach einem der Ansprüche 1 - 4, gekennzeichnet durch die Anwendung einer Relativbevregung zwischen Kathode und zu bestäubender Unterlage während des Aufstäubprozesses. F.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 --5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung zwischen Anode und Kathode 1 - 4 kVdie zwischen Kathode und zu bestäubender Unterlage Q - 1'0 kV beträgt. 7: Verfahren. nach einem der .
7. Ansprüche 1:' -- 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Kathodenzerstäubungsraum ein Gasdruck von 1 - 10~3 Torr aufrechterhalten und die Gasentladung in Resten von Argon und/oder einem anderen inerten Gas betrieben wird: 8. Vorfahren nach einem der Ansprüche 1_ - 7, gekennzeichnet .- _,-durch die Verwendung einer derartigen geometrischen :, Ausgestaltung von Anode und Kathode, daß eine Fokussierung der von der_-Anode ausgehenden positiven Ionen auf die ; Kathode erfolgt. .
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 --8, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf Grund des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltener Metall-, Halbleiter- oder Isolatorüberzug durch Aufdampfen und/oder galvanisch weiterver-, stärkt wird. 14 Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch-gekennzeichnet, daß die Entladung in einem chemisch aktiven Gas stattfindet, das mit dem Kathodenmaterial reagiert, -so daß eine Beschichtung des Substrats mit der entstehenden Verbindung erfolgt.