DE1908310A1 - Kathodenzerstaeubungseinrichtung - Google Patents

Description

• Kathodenzer stäubungs einrichtung Die Erfindung betrifft eine Kathodenzerstäubungseinrichtung zum Aufstäuben von verschiedenen Materialien mittels Glimmentladung.
• Zur Herstellung moderner elektronischer Geräte werden viele Verfahren verwendet, um gleichmässig niedergeschlagene Schichten aus einem oder zusammengesetzten Materialien zu erhalten, die entweder elektrisch leitend oder isolierend sind. In der letzten Zeit hat sich unter diesen Verfahren besonders das Kathodenzerstäuben durchgesetzt, da es gleichzeitig eine sehr gleichmässige, saubere Schicht von definierter Dicke ergibt, die besonders fiir mikroelektronische Bauelemente Verwendung finden kann.
• Diese bereits seit langem bekannte Technik des Kathodenzerstäubens war in letzter Zeit Gegenstand vieler Verbesserungsvorschläge und wurde zum Niederschlagen von sehr unterschiedlichen Materialien benutzt.
• Das Prinzip des Kathodenzerstäubens besteht in der Verwendung eines Apparates mit einer Anode und einer Kathode, welche sich in einer Vakuumkammer befinden, die mit einem bestimmten Gas, insbesondere einem Edelgas bei untevatmosphärischem Druck enthält.
• Die Kathode wird mit demjenigen Material bedeckt, welches niedergeschlagen werden soll, wogegen die Anode die zu bedeckenden Substrate trägt. Wenn eine hohe Gleichspannung zwischen diesen beiden Elektroden angelegt wird, entsteht eine Glimmentladung und ein hohes elektrisches Feld wird über dem sogenannten Fallraum in der Nähe der Kathode aufgebaut (Kathodenfall).
• Die im Gas vorhandenen Ionen, welche auf verschiedene Art und Weise erzeugt werden können, werden im Fallraum beschleunigt und scHagen auf das Kathodenmaterial auf. Dabei werden Atome oder Gruppen von Atome aus der Oberfläche der Kathode fmitiert und auf den Gegenständen gegenüber der Kathode niedergeschlagen.
• Unter den Verbesserungen der Kathodenzerstäubungseinrichtungen ist besonders die Hochfrequenzzerstäubung zu nennen, mit deren Hilfe auch nichtleitende Materialien auf nichtmettalis chen Substraten niedergeschlagen werden können, was mit einer Gleichstrom-Glimmentladung nicht möglich ist.
• Besondere Schwierigkeiten traten auf, wenn supraleitfähige Elemente mit dieser Technik hergestellt werden sollen. Zur Herstellung dieser Bauelemente ist es notwendig, eine Mischung aus verschiedenen Materialien in einer Schicht aufzubringen. Wenn man die herzustellende Legierung bereits als Kathodenmaterial benutzt, kann dieses zwar in der oben beschriebenen Weise aufgestäubt werden; jedoch tritt zu Beginn des Aufstäubens eine Übergangsphase auf, wobei die anfängliche Zusammensetzung der so hergestellten Schicht sehr unterschiedlich aron der Kathodenzusammensetzung ist. Und selbst wenn nach einer gewissen Zeit ein Gleichgewicht der aufgestäubten Zusaxnmensetzung hergestellt ist, welche mit der Kathodenzusammensetzung über ein stimmt, ist die Zusammensetzung der so hergestellten Schicht in den verschiedenen Lagen unterschiedlich.
• Zur Vermeidung dieser InhomogenitAten wurde bereits vorgeschlagen, mehrere Kathoden innerhalb derselben Vakuumkammer zu verwenden, welche mit verschiedenen Spannungsversorgungen verbunden sind. So wurden zur Herstellung von Nb?Sn - Schichten zwei Kathoden aus Zinn und Niob verwendet.
• Dieser Aufbau kompliziert das Problem jedoch sehr wesentlich, da die Zusammensetzung der Schicht bei Abhängigkeit der Aufstäubparameter von der jeweiligen Polarisation des Targets abhängt'von der gesamten Geometrie der Anardnung, insbesondere vom jeweiligen Abstand der beiden Kathoden von einer Stelle des zu bedampfenden Gegenstandes.
• Es wurde daneben bereits vorgeschlagen, das Niederschlagen der zusammengesetzten Schicht durch aufeinanderfolgendes Abstäuben von mechanisch beweglichen Kathoden zu bewerkstelligen. Dazu wurden z. B.
• Karussels oder andere mechanische Anordnungen vorgeschlagen, um die zu bedampfenden Gegenstände unter die jeweilig beaufschlagte Kathode zu bringen. Nachteilig wirkten sich bei einer derartigen Anordnung jedoch die äusserst komplizierten und teuren mechanischen Einrichtungen aus, die im Vakuum einen Transport der zu bedampfenden Objekte gestatten.
• Darüberhinaus entsteht z. B. beim Niederschlagen einer Zinn-Antimonlegierung die Schwierigkeit, das genaue stóchiometrische Verhältnis zu erhalten, und nicht verschiedene Lagen aufeinanderzudampfen.
• Nun besteht aber gerade bei supraleitfähigen Elementen die Anforderung, eine genau definierte Zusammensetzung der herzustellenden Legierung zu erreichen.
• Es ist danach Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer Kathodenzerstäubungseinrichtung zum Auf stäuben von verschiedenen Materialien mittels Glimmentladung ein möglichst gleichmässiges Entladungsfeld für die unterschiedlichen aufzustäubenden Materialien aufzubauen, ohne eine mechanische Verschiebung der Kathoden gegenüber dem Objekthalter zu verwenden.
• Diese Aufgabe wird gemäss der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß verschiedene, den verschiedenen Materialien entsprechende Gruppen glei chmässig in einer Ebene verteilter, elektrisch verbundener, gleichartig beschichteter Teilkathoden jeweils mit einem eine Glimmentladung aufbauenden Potezitial beaufschlagt werden.
• Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Hilfe der nach stehend aufgeführten Zeichnung näher erläutert.
• Es zeigen Fig. 1 die perspektivische Ansicht eines Teils der erfindungsgemässen Kathode; Fig. 2 eine Aufsicht auf die Kathode; Fig. 3 ein Schnitt durch Fig. 2 entlang der Linie II, II' Fig. 4 die schematische Darstellung einer Kathodenzerstäubungseinrichtung nach der Erfindung.
• Die im folgenden beschriebene Kathode kann zur Herstellung einer aus drei verschiedenen Materialien zusammengesetzten ieders chaagsschicht Verwendung finden. Die Erfindung ist nicht auf dieses spezielle Ausführungsbeispiel beschränkt; die Anzahl der verschiedenen, zum Aufdampfen verwendeten Materialien kann auch von drei verschieden sein.
• Die'Kathode besteht aus drei übereinander angeordneten Platten 1, 2, 3, aus elektrisch leitendem Material. Diese drei Platten sind durch Abstande voneinander getrennt, wodurch eine gegenseitige Isolierung erfolgt. Auf der Platte 1 sind Stützen 4 befestigt, welche isoliert durch die Bohrlöcher 5 und 6 innerhalb der Platten 2 und 3 bis in die gemeinsame Kathodenebene hindurchgeführt sind. Diese Säulen 4 sind am oberen Ende mit einer -Platte versehen, welche mit einem ersten aufzustäubenden Material beschichtet sind. In gleicher Weise befinden sich auf der Platte 2 Stützen, welche durch die Löcher 9 innerhalb der Platte 3 bis in dieselbe Ebene wie die Stützen 4 hinausragen. Die Köpfe 10 dieser Stützen sind mit einem zweiten aufzustäubenden Material beschichtet. Endlich befinden sich auch auf der Platte 3 Stützen 11, deren am oberen Ende befindliche Teilkathoden-Oberflächen mit dem dritten aufzustäubenden Material beschichtet sind.
• Fig. 4 zeigt schematisch - eine Kathodenz er stäubungs einrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung, in welcher nur die für die Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt sind. Ein Rezipient,tind eine Grundplatte 17 bilden die Vakuumkammer. Mit Hilfe des Einlaßstutzens 19 und dem Ventil 20 kann der Rezipient mittels einer nicht dargestellten Vakuumpumpe evakuiert werden. Ein Edelgas kann durch den Einlaßstutzen 21 mit Hilfe des Ventils 22 aus einer Gasquelle in den Rezipienten eingelassen werden. Innerhalb der Vakuumglocke sind die Anode 23 und die Kathoden in Form der drei Platten 1, 2 und 3 dargestellt. Drei Spannungsversorgungen 27, 28, 29 sind mit der Apparatur verbunden. Diese drei Spannungsquellen sind mit einem gemeinsamen Anschluss mit der Anode 23 über die Leitung 30 elektrisch verbunden.
• Die Anodenplatten 1, 2 und 3 sind jeweils mit einer der Spannungsversorgungsquelle 29, 28 und 27 über die elektrischen Leitungen 24, 25 und 26 verbunden. Diese Spannungsversorgungsquellen 27, 28, 29 können entweder Gleich-oder Wechselspannungen verschiedener Spannungswerte liefern. Vorzugs -weise werden jedoch gleiche Ausgangsspannungen verwendet.
• Die in Fig. 1 mit 7, 10 und 12 bezeichneten Teilkathoden weisen unterschiedliche Beschichtungen auf. Diese verschiedenen Materialien sind in Fig. 1 angedeutet durch Punktierung bzw. Schraffierung. Es ist nicht notwendig, daß diese Kathoden aus einem leitenden Material bestehen, welches mit dem aufzustäubenden Material beschichtet ist, vielmehr können auch die Teilkathoden gänzlich aus dem aufzustäubenden Material bestehen.
• Die drei jeweils zu einer Gruppe von Teilkathoden gehörigen Elemente (Platte, Stützen, Kathodenköpfe) sind in Fig. 1 als einzelne Elemente dargestellt.
• Es können jedoch die Platten und die darauf befindlichen \ Stützen als eine einzige Vorrichtung hergestellt werden, auf die nur noch die Köpfe aufzus chrauben sind.
• Die Löcher können mit einer Isolierschicht versehen werden, so daß~die hindurch ragenden Stützen elektrisch gegen die Durchführungsplatte isoliert sind. Darüberhinaus ist es wichtig, daß alle Köpfe der einzelnen Teilkathoden für alle drei Gruppen aus unterschiedlichem Material bestehender Teilkathoden in ein und derselben Ebene liegen. Auf diese Art und Weise wird verhindert, daß ein "reziprokes Zerstäuben" der einzelnen Kathodenköpfe erfolgt. Die im weiteren gegebenen geometrischen Betrachtungen werden diese Forderung in Betracht ziehen.
• Um eine gleichmässige Zerstäubung über die ganze Oberfläche und deren auf der Anode befestigten zu beschichtenden Gegenstände zu erreichen, ist es notwendig, daß die Elemente oder Teilkathoden derart in einer Ebene angeordnet sind, daß der mittlere Abstand von einem beliebigen Punkt an einem der zu beschichtenden Gegenstände bis zu dem der einzelnen Teilkathoden aus dem gleichen Material konstant ist für jedes dieser Materialien.
• Anhand der Figuren 1 und 2 wird nun eine mögliche Anordnung beschrieben, die diese Anforderungen erfüllt. Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt einer Gesamtkathode, welche aus einer Vielzahl einzelner Teilkathoden besteht. Wenn man die Teilkathoden entlang einer Linie II-II' betrachtet, bemerkt man, daß jeweils drei Teilkathoden unterschiedlichen Materials hintereinander angeordnet sind. Diese Teilkathoden werden mit 7, 10, 12, 7, 10, 12 usw.
• bezeichnet. Dieselbe Reihenfolge findet sich in einer zu der ersten Reihen parallelen Reihe vonTeilkathoden mit einer Versetzung um ein Element. Auf diese Weise wird ein Muster von relativ gleichmässig verteilten Teilkathoden unterschiedlichen Materials in der Kathodenebene hergestellt. Einzelne Zellen, wie diejenigen mit gestrichelten Linien 13, 14 und 15 gezeichneten, sind identisch hinsichtlich ihrer Zusammensetzung aus unterschiedlichen Teilkathoden mit dem einzigen Unterschied, daß die Orientierung verschieden ist, so daß ein reguläres Netz entsteht. Da nun eine grosse Anzahl von Teilkathoden über die gesamte Kathodenoberfläche verteilt ist, ist es leicht einsichtlich, daß aus der oben beschriebenen Zusammensetzung des Kathodenmusters folgt, daß jeder Punkt der Anode, welche die zu beschichtenden Gegenstände aufnimmt, einen gleichen Abstand von dem auf den Kathoden befindlichen zu zerstäubenden Material besitzt.
• Wenn man beispielsweise drei verschiedene Materialien gleichzeitig aufstäuben will, wobei eine definierte Niederschlagsrate für jedes der Materialien zu beachten ist, wird man etwa folgendermassen vorgehen: Die aufzustäubenden Materialien werden auf den entsprechenden renY § ç kathoden befestigt und die zu beschichtenden Substrate auf der Anode 23.
• Nach Schliessen detYakuumkammez wird der Rezipient evakuiert und ein Edelgas mit einem passenden Gasdruck durch die Öffnung 21 in das Gefäss geschickt. Darauf werden die Spannungsversorgungen 27, 28, 29 eingeschaltet und eine Glimmentladung zwischen Kathode und Anode aufgebaut.
• Auf diese Weise werden mindestens drei Entladungen im Rezipienten hergestellt. Die Glimmentladungen zwischen den unterschiedlichen Gruppen von verschiedenen beschichteten Teilkathoden kann mit Hilfe der Spannungsversorgungen unterschiedlich eingestellt werden, so daß die gewünschte Niederschlagsrate auf den zu beschichtenden Substraten aufwächst. Im übrigen ist es nicht notwendig, daß alle Spannungsversorgungen gleichzeitig aktiviert sind. Bei Ausschalten von einer oder zwei dieser Spannungsversorgungen können anders zusammengesetzte Schichten auf den zu beschichtenden Substraten hergestellt werden. Es besteht auch die Möglichkeit durch sukzessives Einschalten der einzelnen Spannungsversorgungen verschieden zusammengesetzte Schichten auf den Substraten herzustellen, wobei die mechanische Bewegung von Anode relativ zu den unterschiedlichen Kathoden, wie sie in dem Stand der Technik beschrieben ist, vermieden wird.
• Es muss bemerkt werden, daß eine Schwierigkeit auftreten kann, wenn die Gruppen aus verschiedenen T eilkathoden mit unterschiedlichen Potentialen beaufschlagt sind. In diesem Fall besteht wenigstens theoretisch die Möglichkeit, daß parasitäre Glimmentladungen zwischen den mit unterschiedlichen Materialien und Potentialen beaufschlagten Teilkathoden entstehen.
• Hier ist es notwendig, daß die schon oben erwähnte Forderung eingehalten wird, daß nämlich der Abstand zwischen einer Teilkathode und ihren Nachbarn oder einer geerdeten Abschirmung, welche im allgemeinen über der Kathode oder zwischen den drei Platten oder zwischen Platte und Stützen aufgebaut sind, kleiner ist, als die Länge des Dunkelraumes zur Vermeidung von parasitären Glimmentladungen zwischen diesen Elementen.
• Weiterhin sollte die Grösse der einzelnen Teilkathoden klein sein im Vergleich zur Grösse der Gesamtkathode und zu den Abmessungen der Entfernung Anode-Abschirmung, um eine gleichmässige Aufstäubrate für die gesamte Anodenfläche zu erhalten. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Kathode mit einer grossen Anzahl von Einzelkathoden ausgestattet ist, wodurch das Mosaik so dicht wie möglich gepackt wird.
• Der Gasdruck sollte so gering wie möglich gehalten werden, um eine relativ grosse freie Weglänge der von den Kathoden abgeschlagenen Teilchen zu erhalten, wodurch verhindert wird, daß diese Teilchen zur Kathode zurückkehren und diese verunreinigen.
• Es soll darauf hingewiesen werden, daß die im Ausführungsbeispiel beschriebene Kathode aus einzelnen Teilkathoden auch durch ein Netz oder Gitter oder dergleichen realisiert werden kann.
• Eine weitere Möglichkeit der Realisierung einer aus Teilkathoden aufgebauten Gesamtkathode besteht unter Fortlassung der die einzelnen Stützen tragenden Platten , daß die Teilkathoden nebeneinander in einem isolierenden Material direkt mit den entsprechenden Spannungsversorgungsquellen verbunden sind, z. B. durch einzelne Kabel, die in einem Gießharz befestigt sind.
• Die äussere Form der einzelnen Teilkathoden ist nicht entscheidend. So besteht z. B. die Möglichkeit, die Gesamtkathode in Form einer Kreisscheibe aus einzelnen kreissektorförmigen T eilkathoden aufzubauen.

Claims (9)

Patentansprüche

1. Kathodenzerstäubungseinrichtung zum Aufstäuben von verschiedenen Materialien mittels Glimmentladung, dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene, den verschiedenen Materialien entsprechende Gruppen gleichmässig in einer Ebene verteilter, elektrisch verbundener, gleichartig beschichteter Teilkathoden jeweils mit einem eine Glimmentladung aufbauenden Potential beaufschlagt werden.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Gruppen von Teilkathoden mit variablen, die Aufstäubrate bestimmenden Glei chspannung spotentialen beaufs chlagt werden.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Gruppen von Teilkathoden mit variablen, die Aufstäubr ate bestimmenden Wechsel spannung spotential en b eaufs chlagt werden.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Gruppen von Teilkathoden gleichzeitig zerstäubt werden.

5. Einrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine Gruppe von Teilkathoden zur Zeit zerstäubt wird.

6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände benachbarter, unterschiedlich beschichteter Teilkathoden geringer ist, als die Länge des Dunkelraums.

7. Einrichtung nach Anspruch 1 bis Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtkathode aus einem Mosaik unterschiedlich beschichteter Teilkathoden besteht, welches aus sich periodisch wiederholenden flächenmässigen Elementarzellen gebildet wird, die die maximale Anzahl von Teilkathoden unterschiedlichen Materials enthalten.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Gruppe eine leitfähige, mit der jeweiligen Spannungsversorgung (29, 28, 27) verbundene Grundplatte (1,2,3) vorgesehen ist, welche Stützen (4, 8, 11) trägt, die bis in die Kathodenebene ragen, wo sie mit den abzustäubendem Material (7, 10, 12) beschichtet sind.

9. Einrichtung nach Anspruch 7, und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Teilkathoden klein gegenüber den Abständen Kathode-Anode und Abschirmung-Anode und dem Durchmesser der Gesamtkathode ist.

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