DE1790178A1 - Cathode atomization device - Google Patents
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Description
Pt 91 DPt 91 D
VARIAF ASSOCIATES
Palo Alto, California, USAVARIAF ASSOCIATES
Palo Alto, California, USA
Kathoden-ZerstäubungsvorrichtungCathode sputtering device
Priorität: 11. Oktober 1967 - Vereinigte Staaten 3er.No. 674 539Priority: October 11, 1967 - United States 3rd No. 674 539
Es v/ird das sequentielle Aufstäuben von dünnschichtigen Mimen während eines einzigen Abpuiapzyklus in Verbindung irdt einer Vorrichtung beschrieben, bei der ein geerdeter Schirm zwischen mehreren Targetelektroden befestigt ist und nach unten in den Raum zwischen den Targetelektroden und einem Trägerhalter hineinragt. Stattdessen kann der Schirm auch am Trägerhaitsr befestigt werden und nach oben in den Raum zwischen den Target Elektroden und dem Trägerhalter hineinragen. Bei beiden Ausführungsformen v/ird Material, das von den an den Targetelektroden befestigten Targets zerstäubt wird, zusammengefaßt, so daß es nur auf den einem bestimmten Target atisgesetzten Trägern niedergeschlagen wird. Der .Trägerhalter ist mit einem Antrieb versehen, der selektiv gesteuert werden kann, so daß der Halter derart-gedreht wird, daß ausgewählte Targets ausgewählten Trägern dargeboten werden. Desientsprechend können dünnschichtige Filme während eines einzigen Abpumpzyklus hergestellt werden.It is the sequential dusting of thin-layered mimes during a single peeling cycle in connection with an apparatus described in which a grounded screen is attached between several target electrodes and down into the room protrudes between the target electrodes and a carrier holder. Instead, the screen can also be attached to the carrier holder and up into the space between the target electrodes and protrude into the carrier holder. In both embodiments v / ird Material that is sputtered from the targets attached to the target electrodes, summarized so that it is only on the one certain target atiseposed carriers is precipitated. Of the . Carrier holder is provided with a drive that is selectively controlled can be so that the holder is rotated so that selected Targets selected carriers are presented. Accordingly, thin film films can be pumped out during a single pump cycle getting produced.
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Die Erfindung, "betrifft allgemein Z er ε täubungs vorrichtungen zur Verwendung beim Niederschlagen von dünnen Filmen, auf ausgewählte Träger, und insbesondere eine Zerstäubungsvorrichtung zum sequentiellen Zerstäuben bei der Herstellung von dünnschichtigan Filmen und dünnen Fi La en von unterschiedlicher und sich ändernder Zusammensetzung.The invention "relates generally to deafening devices for Use when depositing thin films on selected ones Carrier, and in particular a sputtering device for sequential sputtering in the manufacture of thin-film gan Films and thin films of varying and changing composition.
In Zerβ täubungsvorrichtungen wird im allgemeinen die Bombardierung eines Targets aus ausgewähltem. Material mit energiersichen positiven Tonen verwendet, um Partikel aus dem Material herauszuschlagen, . die dann auf Träger niedergeschlagen.werden und an ' diesen haften, die auf Haltern oder Platinen in der ITähe der Targets angeordnet sind,.The bombardment of a target of the selected cerium is in täubungsvorrichtungen β in general. Material with energetic positive clays used to knock particles out of the material. which are then deposited on carriers and adhere to them, which are arranged on holders or circuit boards in the vicinity of the targets.
Dia wachsende Verwendung von dünnen Filmen sowohl in der Forschung als. auch in industriellen und kor-i.ierziellen Anwendungen einschließlich üblicher.und kr-o.genischer Elektronik hat einen Bedarf an dünnen Filmen von.größerer Reinheit, größerer Gleichförmigkeit bei geringeren Kosten mit ^ich gebracht.Dia growing use of thin films both in research as. also in industrial and corporate applications including usual. and kr-o.genischer electronics has one Need for thin films of greater purity, greater uniformity brought with ^ i at lower cost.
Da die Ionenstromdichte und die Zerstäubungsrate direkt mit dem Systemdruck zusammenhängen, werden relativ hohe Drucke benötigt, um zu gewährleisten, daß eine ausreichend große Ionenmenge zum Zerstäuben vorhanden-ist. Unter diesen Bedingungen sind die IdOglichkeiten natürlich sehr hoch, daß der dünne Film verunreinigt wird und mit restlichen Gasen chemisch reagiert. Um eine Verunreinigung zu verringern, ist es üblich gewesen, den Restgasdruck sehr stark herabzusetzen und dann das Vakuumgefäß, das die Zerstäubungsvorrichtung enthält, mit einem inerten, chemisch reinen Gas,- beispielsweise Argon, wieder zu füllen. Di-ase Lösung war zwar sehr wirksam, um eine Verunreinigung zu vermeiden, der Zeitaufwand und die Produktionskosten bei der Herstellung von gewöhnlichen einschichtigen dünnen Filmen wurden jedoch erhöht.Since the ion current density and the sputtering rate are directly related to the System pressure related, relatively high pressures are required to ensure that a sufficiently large amount of ions to Atomizing is present. Under these conditions are the id possibilities naturally very high that the thin film is contaminated and chemically reacts with remaining gases. To an impurity To reduce it, it has been customary to reduce the residual gas pressure very much and then the vacuum vessel, which is the atomizing device contains to be refilled with an inert, chemically pure gas - for example argon. Di-ase solution was while very effective in avoiding contamination, the expenditure of time and the production cost in the manufacture of ordinary however, single-layer thin films have been increased.
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Bis Tervv-endLtng vcn "bekannten ZerstÖAibungsvorrichtungeii zur Herstellung iron diinnseliichtigen .l?ilnen aus Verbindungen erhöht noch ölen Bedarf an Zeit raid Produkt ions auf wand, und die Verunreini-■^ungs:.jroblene werden Boch in unerwünschtem Maße erneut herbeigeführt, Kail es bei den bekannten Systemen erforderlich ist, daß diese .zwischen aufeinanderfolgenden Zersteubungszyklen der Luft ausgesetzt werden, um dae Targetmaterial- zu wechseln.Kail .jroblene Boch be brought again to an undesirable extent, it: up Tervv-endLtng "known for producing ZerstÖAibungsvorrichtungeii vcn iron diinnseliichtigen .l ilnen of compounds increases or lubricate need for time raid product ions on the wall, and the contamination ■ ^ ungs? in the known systems it is necessary that these are exposed to air between successive atomization cycles in order to change the target material.
I*bliche ZaretäuibtmgsTorriciitungen der bisher bekannten Art sind ■im allgemeinen auf sogenannte partiaweise Produktion von dünnen "Filmen beschränkt gewesen, im Unterschied zu einer sequentiellen 'Zeri?t5ubungstechaI3i,'wie sie beim Anrneldungsgegenstand möglich ist. \ The usual tampering movements of the type known up to now have generally been limited to the so-called partial production of thin "films, in contrast to a sequential" disintegration process "as is possible with the object of registration. \
liine partieweise Produktion erfordert ein vollständiges Durchlaufen des Arbeitszyklus des Takuumsystems jedesnal, wenn eine andere und verschiedene Schicht aus einem dünnen Film niedergeschlagen wird,, weil jede Schicht erfordert, daß andere Targets an den Targetelektraien cefestitt v.rerden. Dabei werden die Träger in den Zwischenstufen des Yerfahrens der Luft ausgesetzt, \\'odureli sie sehr oft -in-unerwünscht em Maße verunreinigt und beschädigt v/erden, teispi^lsv/eise werden Löcher durch kleinste Staubpartikel hervorgerufen, die sich auf den Trägern sammeln.A batch production requires a complete cycle of the Takuum system each time a different and different layer of thin film is deposited, because each layer requires that different targets be attached to the target electronics. r ground. The carriers are exposed to the air in the intermediate stages of the process, they are very often contaminated and damaged to an undesirable extent, and holes are sometimes caused by the smallest dust particles that are on the carriers collect.
Sine Anzahl sequentieller Zerstäubungssj^steme ist bereits, vorgeschlagen worden. Sechnische Schwierigkeiten haben jedoch dazu geführt, daß diese als unbrauchbar bezeichnet werden- müssen. Bei einigen Systemen sind umlaufende Targets verwendet worden, während bei anderen komplizierte mehrstufige ZerstäubungsStationen verv.'Giidet warden, die 2iit empfindlichen Eingangs-Ausgangs-Luftschleusen versehen sind. Umlaufende Targets bringen das Problem einer .ausreichenden Kühlung der Targetelektroden nit sich, während Luftschieusensysteme in erheblichem Umfang zusätzliche und auf wendige Einrichtungen benötigen, was in vielen üblichen Anvendungsfallen der Zerstäubungstechnik unerwünscht'öder unwirtschaftlich ist. : Its number of sequential atomization systems has already been proposed. However, technical difficulties have led to these having to be described as unusable. In some systems revolving targets have been used, while in others complicated multi-stage atomization stations are used which are provided with sensitive entry-exit airlocks. Rotating targets bring with them the problem of adequate cooling of the target electrodes, while air blast systems require a considerable amount of additional and complex equipment, which is undesirably uneconomical in many common applications of atomization technology. :
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Es ist deshalb eine Zerstäubungsvorrichtung erwünscht, bei der die Vorteile üblicher. Vorrichtungen beibehalten werden, während es möglich ist, hochreine dünnschichtige Filme mit geringen Kosten herzustellen.It is therefore desirable to have a nebulizer in which the benefits are more common. Devices are maintained while it is possible to produce high purity thin film films at a low cost.
Zusammenfassung der Erfindung . .. . .. Summary of the invention . ... ..
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung vermeidet die meisten der oben beschriebenen Nachteile üblicher Zerstäubungsvorrichtungen und ermöglicht es, bei niedrigen Kosten reine dünnschichtige Filme herzustellen. Weiterhin können vorhandene Zerstäubungsvorrichtungen mit geringem Aufwand so modifiziert v/erden, daß die Erfindung ausgewertet werden kann. .A device according to the invention avoids most of the above described disadvantages of conventional sputtering devices and makes it possible to produce pure thin-layer films at low cost to manufacture. Furthermore, existing atomizing devices modified with little effort so that the invention can be evaluated. .
Wie noch naher.beschrieben"wird, wird erfindungsgemäß ein sequentielles Zerstäuben von dünnschichtigen Filmen verfügbar gemacht, indem in Kombination-ein neuartiger Trägerhalter und Targetelektrodenschirm verwendet werden.As will be described in more detail, according to the invention, a sequential Sputtering of thin film made available by combining a novel carrier holder and target electrode screen be used.
Der Trägerhalter, der unter den Targetelektroden angeordnet ist, wird mit einer Einrichtung versehen, die eine vertikale und winkelmäßige" Verstellung der Träger relativ zu den darüber befindlichen Targets ermöglicht-wird. Eine geerdete Abschirmung, die das Fiederschlagen von Material auf ausgewählte Träger beschränkt, ist zwischen den Elektroden befestigt und ragt nach unten in den Raum zwischen den Elektroden und den Trägern.The carrier holder, which is arranged under the target electrodes, shall be provided with a device that enables a vertical and angular " Adjustment of the carrier relative to the ones above Targets is enabled. A grounded shield that the dropping of material is restricted to selected carriers, is attached between the electrodes and protrudes down into the space between the electrodes and the supports.
Stattdessen kann eine in ähnlicher Weise geerdete Abschirmung fest am Trägerhalter selbst befestigt v/erden und nach oben in den G-liramentladungsraum hineinragen, in jedem Falle kann eine sequentielle Zerstäubung dadurch, bewirkt werden, daß verschiedene Targetmaterialien an den verschiedenen. Targetelektrodenplatten befestigt v/erden und der Trägerhalter verdreht wird, bis die Träger sich unter dem jeweils gewünschten Targetmaterial befinden. Die Abschirmung beschränkt das Zerstäuben des Materials auf den gewählten Träger, wie noch beschrieben wird.Instead, a similarly earthed shield can be fixed v / ground attached to the carrier holder itself and up into the glass load compartment protrude, in each case a sequential one Sputtering, caused by various target materials at the various. The target electrode plates are attached to the ground and the carrier holder is rotated until the carrier is located are located under the respectively desired target material. The shield restricts the atomization of the material to the selected carrier, as will be described below.
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Die Einfachheit der neuartigen Anordnung führt von selbst zum gleichzeitigen Zerstäuben von mehreren verschiedenen Targets, eine Anpassung an verschiedene Typen von Zerstäubungsvorrichtungen, die sowohl mit Glimmentladungen als auch mit gestützten Entladungen arbeiten, und zur Freiheit von Zwischenstufen-Yerunreini-■gung der dünnschiehtigen Filme. Dabei werden selbstverständlich die Vorteile einer adäquaten Targetelektrodenkühlung und eines zuverlässigen elektrischen Betriebes der üblichen Zerstäubungssysteme beibehalten.The simplicity of the novel arrangement leads by itself to simultaneous sputtering of several different targets, an adaptation to different types of sputtering devices, both with glow discharges and with assisted discharges work, and for freedom from interstage contamination thin films. The advantages of an adequate target electrode cooling and a reliable one are of course thereby achieved Maintain electrical operation of the usual atomization systems.
Durch die Erfindung soll also eine sequentielle Zerstäubungsvorrichtung verfügbar gemacht werden, mit der dünnschichtige Filme höherer Qualität bei niedrigeren Kosten hergestellt werden können. The invention is therefore intended to provide a sequential atomization device be made available with which higher quality thin film films can be produced at lower cost.
Weiter soll durch die Erfindung eine Vorrichtung dieser Art verfügbar gemacht -werden, bei der eine Abschirmung innerhalb des Gliimnentladungsraumes angeordnet ist, um die Zerstäubung auf gewählte Träger zu beschranken. The invention also aims to provide a device of this type can be made with a shield within the Gliimnentladungsraumes is arranged to restrict the sputtering to selected carriers.
Ferner soll durch die Erfindung eine Vorrichtung der genannten Art verfügbar gemacht werden, bei der ein Trägerhalter einstellbar für vertikale und Winkelmaßige Verstellungen relativ zu den Targets ist, um die Zerstäubung des Material auf gewählte Träger zu kontrollieren.Furthermore, the invention is intended to provide a device of the type mentioned Kind be made available in which a carrier holder is adjustable for vertical and angular adjustments relative to the Targets is to ensure the atomization of the material on selected supports to control.
Diese und weitere Merkmale, Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der
Zeichnung; es zeigen:
Fig. 1 eine teilweise geschnittene Ansicht einer AusführungsformThese and other features, objects and advantages of the invention will become apparent from the following description in conjunction with the drawing; show it:
Fig. 1 is a partially sectioned view of an embodiment
der Erfindung; und
Hg. 2 einen Teilschnitt durch eine andere Ausführungsform der
Erfindung.the invention; and
2 shows a partial section through another embodiment of the invention.
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In Pig. 1 ist eine Zerstäubungsvorrichtung nit gestützter Entladung dargestellt, bei der eine Induktionsspule 1 (unterbrochene Linie) Hochfrequenzenergie an ein Plasma liefert, um eine GlLarientladung zwischen ζ v/ei Targetelektroden 2, 3 und einem geerdeten Trägerhalter 4 aufrechtzuerhalten. Das Targetmaterial 5, 6, das zur Erzeugung von dünnschichtigen Filmen von unterschiedlicher Zusammensetzung ist, ist in geeigneter Weise, beispielsweise rait nicht dargestellten Klemmen, an den Elektroden 2, 3 befestigt. Eine geerdete Abschirmung 10 ist über der Oberseite der Elektroden 2, 3 angeordnet und gegen diese isoliert und beschränkt zusammen ait der Spule 1 und dem geerdeten Trägerhalter 4 die Glimmentladung, so daß eine sehr dichte Ionenquelle zum optimalen Zerstäuben gewährleistet ist. Eine vertikal ansteigende Sperr-Abschirmung 15 ist am geerdeten Trägerhalter 4 befestigt und unterteilt "diesen in wenigstens zwei gleiche Sektionen. Ein Antrieb 11, beispielsweise ein von außen steuerbarer Servomotor, ist in irgendeiner bekannten V/eise ,:.it den Irägerhalter 4 rekuppelt. Träger 7 werden vom Halter 4 gehaltert und werden nit dem Antrieb 11 unter gewählten Targetaaterialien 5, 6 positioniert.In Pig. 1 is an assisted discharge atomizing device shown, in which an induction coil 1 (broken line) supplies high frequency energy to a plasma to generate a GlLarient charge between ζ v / ei target electrodes 2, 3 and a grounded support holder 4 to maintain. The target material 5, 6, the for producing thin-layer films of different composition is suitable, for example rait clamps, not shown, attached to the electrodes 2, 3. A grounded shield 10 is arranged over the top of the electrodes 2, 3 and insulated from them and confined together ait the coil 1 and the grounded carrier holder 4 the glow discharge, so that a very dense ion source for optimal Atomization is guaranteed. A vertically rising barrier shield 15 is attached to the grounded carrier holder 4 and divides it into at least two equal sections. A drive 11, for example an externally controllable servomotor, is in any known manner: it recouples the carrier holder 4. Carrier 7 are held by the holder 4 and are nit the drive 11 positioned under selected target materials 5, 6.
Zv/ei Haltearme 16, 17 sind einstellbar an vertikal nach oben führenden Rohren 13 aus rostfreiem Stahl befestigt, um die Elektroden 2, 3 bzw. den Trägerhalter 4 festzuhalten, εο daß oine Ilöslichkeit besteht, den Abstand, zwischen Target und Träger zum optimalen Zerstäuben einzustellen. Zwei Kühlrohre 22, 23 sind an den Elektroden 2, 3 befestigt und bilden eine Leitung fur Kühlmittel zum Kühlen derselben. Gewünschtenfalls können die Rohre 22, 23 aus leitendem Werkstoff bestehen und dauit gleichzeitig dazu dienen, elektrische Energie den Elektroden 2, 3 zuzuführen.Zv / ei holding arms 16, 17 are adjustable on vertically leading upwards Tubes 13 made of stainless steel are attached to hold the electrodes 2, 3 and the carrier holder 4 in place, so that there is no solubility exists, the distance between target and carrier to the optimum To discontinue atomizing. Two cooling tubes 22, 23 are attached to the electrodes 2, 3 and form a line for coolant to cool them. If desired, the pipes 22, 23 are made of conductive material and at the same time serve to supply electrical energy to the electrodes 2, 3.
Die ganze beschriebene Vorrichtung ist in eine Vakuumkammer 25 eingeschlossen, beispielsweise eine Vakuumglocke, deren offenes Ende vakuumdicht an eine Unter druckverteilung 26 auti rostfreiemThe entire device described is in a vacuum chamber 25 included, for example a vacuum bell, the open end of which is vacuum-tight to a vacuum distribution 26 auti stainless
.../7 109884/U58... / 7 109884 / U58
Stahl ;it spxilenartigem Aufbau angesetzt ist. Eine Hochvakuumpumpe 27 ist an die Verteilung 26 angeschlossen, um die Kammer 25 zu evakuieren und. ti it einem chemisch reinen inerten Gas, beispielsweise Argon, wieder zu füllen. Eine oder mehrere Öffnungen 27 sind in der Verteilung 26 vorgesehen, um Kühlmittel und elektrische leitungen in die Kanter 25 hinein- und aus dieser herauszuf'.'hren. Steel; it is attached with a spxilen-like structure. A high vacuum pump 27 is connected to the distribution 26 to evacuate the chamber 25 and. ti it a chemically pure inert gas, for example Argon to fill again. One or more openings 27 are provided in the distribution 26 to allow coolant and electrical Cables in and out of Kanter 25.
Ih Pig. 2 ist eine andere Ausfuhrungsform der Erfindung dargestellt, die im &esamtaufbau im"wesentlichen der Ausführungsform nach Pig. 1 gleicht.Your pig. FIG. 2 shows another embodiment of the invention which is essentially the same as the embodiment according to Pig. 1 in terms of its overall structure.
Bei der Ausführungsform nach Pig. 2 ist jedoch eine Sperr-Abschirraung 15' an der geerdeten Abschirmung 10 befestigt und ragt nach unten in. den Raum zwischen den Elektroden 2, 3 und dem Trägerhalter 4. T"/ie- in Verbindung .mit Pig. 1 bereits beschrieben worden ist, schränkt die Sperr-Abschirmung 15' die Zerstäubung des Materials von jeden der "Tar^etiriaterialien 5, 6 auf ausgewählte der ."rager 7 ein.In the Pig. 2, however, a blocking shield 15 'is attached to the grounded shield 10 and protrudes downward into the space between the electrodes 2, 3 and the carrier holder 4. T "/ ie - has already been described in connection with Pig. 1 The barrier shield 15 'restricts the atomization of the material from each of the "Tar ^ etiriaterialien 5, 6 on selected ones of the."
Im Betrieb wird die Vakuumkammer 25 xit der Pumpe 27 auf einen Druck von 10~° bis 10""' Torr evakuiert, je nach den zulässigen Restgasdruck. Je nach dem Restgasdruck wird zum Auspumpen eine Zeitspanne von 10 Hinuten oder mehr als 24 Stunden benötigt, üblicherweise dauert das Abpumpen 30 Ilinuten.In operation, the vacuum chamber 25 xit the pump 27 on one Pressure from 10 ~ ° to 10 "" 'Torr evacuated, depending on the allowable Residual gas pressure. Depending on the residual gas pressure, a Requires a period of 10 minutes or more than 24 hours, pumping typically takes 30 minutes.
lach, dem Rückfällen der evakuierten Kammer 25 nit einem inerten chenisch reinen Sas. beispielsweise Argon, wird geeignete elektrische Energie an die Elektroden 2, 3 und Hochfrequenzenergie an die Induktionsspule 1 gelegt. Das Zerstäuben des Materials beginnt sofort, so daß die/Träger 7 in der gewünschten Dicke beschichtet wsrden. Wenn die gewünschte Dicke erreicht: ist, verdreht der Antrieb 11 den Trägerhalter 4 derart, daß Träger 7 unter ein anderes target kommen, und daraufhin wird die Zerstäubung erneut eingeleitet.laugh, the relapse of the evacuated chamber 25 with an inert one pure sas. for example argon, is suitable electrical Energy to electrodes 2, 3 and high frequency energy placed on the induction coil 1. The atomization of the material begins immediately, so that the / carrier 7 wsrden coated in the desired thickness. When the desired thickness is reached: is twisted the drive 11 the carrier holder 4 such that carrier 7 under Another target will come and then the atomization initiated again.
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Da der dünnschichtige PiIm niedergeschlagen werden kann, ohne daß die Träger 7 der Luft ausgesetzt v/erden, wird eine Verunreinigung, die durch Berührung mit der Luft verurse,cht wird, vollständig vermieden. Weiterhin wird die Herstellungszeit für einen zweischichtigen dünnen Film wesentlich herabgesetzt, weil die Zwischenstufe einer Evakuierung der Karamer 25 nicht mehr nötig ist. ·Because the thin layer PiIm can be knocked down without that the carriers 7 are exposed to the air, contamination caused by contact with the air becomes complete avoided. Furthermore, the manufacturing time for a two-layer thin film significantly degraded because the Intermediate stage of evacuation of the Karamer 25 is no longer necessary is. ·
SIOWiU UM
BAD ORIGINAL SIOWiU UM
BATH ORIGINAL
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