DE1938131B2 - Vorrichtung zum aufbringen duenner schichten durch katodenzerstaeubung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aufbringen dünner Schichten auf Trägerkörper durch Kato- js denzerstäubung im Vakuum in Anwesenheit von reaktiven Gasen, deren Zufuhr durch eine in der Katode angeordnete, siebartig durchbrochene Fläche hindurch erfolgt, und bei der gegenüber der Katode mindestens ein Trägerkörper für die niederzuschlagende Schicht angeordnet ist.

Solche Vorrichtungen sind bereits bekannt (DT-PS 6 98 090), wobei innerhalb einer relativ großen Katode, die beispielsweise mit der gesamten innenfläche der Vakuumkammer identisch ist, eine um Größenordnun- 4s gen kleinere Gaszu- oder -ableitung vorgesehen ist, in deren öffnung die filter- bzw. siebartige Fläche eingebaut ist. Diese hat dort die Aufgabe, ein Durchschlagen der Glimmentladung zu verhindern. Durch die gesamte übrige Fläche der Katode wird dort kein Reaktionsgas hindurchgeführt.

Bekannt ist auch bereits eine solche Vorrichtung (DT-AS 11 42 262), bei der als wirksame Katodenfläche die hohlzylindrische Innenfläche der Katode anzusehen ist, die einen bestimmten Durchmesser besitzt. Hierbei sind die Substrate bzw. Trägerkörper für die niederzuschlagende Schicht nicht der abzustäubenden Katodenfläche, sondern allenfalls der gesamten Katode gegenüber angeordnet. Infolgedessen tritt bei dem bekannten Gegenstand keine wechselseitige Abschirmung zwisehen Katodenfläche und den Substraten auf, da der Gasdurchsatz zum Ort des Verbrauchs nicht behindert wird.

Die Anwesenheit reaktiver Gase ist bekanntlich immer dann erforderlich, wenn die auf dem 1 rägerkörper niedergeschlagene Schicht eine andere chemische Beschaffenheit haben soll als das Material, aus dem die zu zerstäubende Katode besteht. Im aligemeinen werden die reaktiven Gase nicht allein, sondern im Gemisch mit einem Inert- oder Edelgas zur Anwendung gebracht. So z. B. wird bei der Herstellung bestimmter Schichten von Halbleiterelementen eine Katode verwendet, deren zu zerstäubender Teil aus Tantal besteht. Da in diesem Fall ein Niederschlag aus Tantaloxid erwünscht ist, wird in der Zerstäubungskammer ein Gemisch aus Argon und Sauerstoff verwendet. Der Sauerstoffanteil des Zerstäubungsgases setzt sich mit dem metallischen Tantal zu Tantaloxid um.

Bei den bekannten Verfahren und Vorrichtungen wird nun das Gasgemisch, mindestens aber der bei der chemischen Reaktion verbrauchte Gasanteil in der Nähe der Katoden in die Zerstäubungskammer eingelassen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß sich hierbei Inhomogenitäten in der niedergeschlagenen Schicht einstellen, die damit zu erklären sind, daß die Zusammensetzung des Zerstäubungsgases nicht an allen O.-ien der Katode bzw. des Trägerkörpers gleich ist. Dieser Mangel tritt ganz besonders dann auf, wenn es sich um großflächige Katoden handelt. Der Grund besieht darin, daß sich der reaktive Antei' des Gasgemisches laufend verbraucht, wodurch sich die Zusammensetzung des Zerstäubungsgases auf seinem Strömungswege naturgemäß ändern muß. Es wäre an sich naheliegend, großflächige Katoden in zahlreiche kleinere aufzuteilen. Eine solche Maßnahme ist jedoch vor allem deswegen unerwünscht, weil für jede Katode eine Hochspannungsversorgung benötigt wird. Solche Versorgungen sind kostspielig und müssen untereinan der abgestimmt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Katodenzerstäubungsvorrichtung der eingangs genannten Art so zu vecbessern, daß an allen Stellen der zu zerstäubenden Katodenfläche eine gleichbleibende Zusammensetzung des Zerstäubungsgases vorliegt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadua.i gelöst, daß die Durchbrüche auf der gesamten wirksamen Oberfläche der Katode im wesentlichen gleichmäßig ve; teilt angeordnet sind.

Hierdurch wird vorteilhafterweise erreicht, daß das Zerstäubungsgas innerhalb der Zerstäubungskatnmer, d. h. in dem Bereich, in dem der reaktive Antei! dieses Gases einen dauernden Verbrauch ausgesetzt ist, praktisch an allen Orten die gleiche Zusammensetzung hat. Insbesondere ist die Gaszusammensetzung über die gesamte Katodenfläche gleichbleibend, so daß sich auf den Trägerkörpern Niederschläge von größtmöglicher Homogenität erzielen lassen.

Es ist zweckmäßig, wenn die dem Trägerkörper zugewandte Fläche der Katode in an sich bekannter Weise aus einem gasdurchlässigen, porösen Material besteht. Hierdurch wird die Gasverteilung besonders gleichmäßig. Solche Katodenflächen können z. B. aus Sinterwerkstoffen hergestellt sein.

Der Vorteil, daß das reaktive Gas aus allen Durchbrüchen der Katodenfläche in möglichst gleicher Menge ausströmt und der sich bei dein Zerstäubungsvorgang verbrauchende Teil der Katode möglichst einfach hergestellt und leicht ausgewechselt werden kann, läßt sich zweckmäßigerweise dadurch erzielen, daß die Gaszuführungsleitung innerhalb des Katodenkörpers mit sich radial über den Katodenquerschnitt erstreckenden Verteilerkanälen in Verbindung steht, die durch ringförmige Verteilerrillen verbunden sind, und daß auf diesen Verteilerrillen eine Platte aus dem zu /erstäubenden Material aufliegt, welche mit Durchbrüchen versehen ist, die mit den Verteilerrillen kommuni-

zieren.

im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der F i g. 1 und 2 näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine Katode mit der

Zugehörigen iiuCTiSpüriuüngsd.Uchiühl üiig UlIU ;>

Fig. 2 die Anordnung einer Katode gemäß Fig. 1 innerhalb einer Vakuumkammer mit den wichtigsten, zugehörigen Versorgungseinrichtungen.

In Fig. 1 ist mit I der Katodenkorper bezeichnet, bestehend aus einem metallischen Hohlzylinder mit einem Innenraum 2. Der Katodenkorper ist an einem Durchführungsisolator 3 befestigt, welcher beispielsweise aus Gief.harz besteht und mit einem Ringflansch 4 vergossen ist. Der Ringflansch 4 ist vakuumdicht in eine Grundplatte 5 eingesetzt, die eine der Wandungen der Vakuumkammer bildet. Der Durchführungsisolator 3 erstreckt sich nach beiden Seiten des Ringflans:hes 4 in einer solchen Länge, die eine iusreichende Spannungsfestigkeit gewährleistet. Ein Außenrohr 6 verbindet eine Stromanschlußklemme 26 elektrisch leitend mit dem Katodenkörper 1. Konzentrisch zum Außenrohr 6 ist ein Mittelrohr 7 angeordnet, weiches in den Hohlraum 2 bis etwa zu dessen Mitte hineinragt und an seinem Ende ein scheibenförmiges Umlenkblech 8 trägt. Dieses Umlenkblech teilt den Hohlraum 2 in etwa gleiche Hälften. Im Innern des Mittelrohres 7 befindet sich ein Innenrohr 9, welch ^ den Katodenkorper 1 bis zu der dem Ringflansch 4 abgewandten Seite durchdringt und dort gas- und flüssigkeitsdicht mit der Stirnwand IO verbunden ist. Zwischen dem Innenrohr 9 und dem Mittelrohr 7 wird ein Ringraum 11 gebildet, welchem durch den Anschlußstutzen 12 Kühlwasser für den Katodenkorper zugeführt wird. Das Kühlwasser tritt aus dem Ringraum il in den Hohlraum 2 des K^iodenkörpers ein, streicht von hier aus an der Innenfläche der Stirnwand 10 entlang und tritt nach Umsirömen des Umlenkblechs 8 in einen zweiten Ringraum 13 ein, der zwischen dem Außenrohr 6 und d.-m Miiu'lrohr 7 gebildet wird. Dieser Ringraum führt /.um Abi.abstützen 14.

Das Innenrohr 9 dient zur Zuführung des Zerstäubungsgases, welches vom Gaszuleitungsstutzen 15 der .Stirnwand 10 des Kitodenkörpers 1 zugeführt wird. In der Stirnwand 10 befinden sich mehrere radiale Verteilerkanäle 16, die sich über den größten Teil des Durchmessers der Stirnwand erstrecken und mit dem Innenrohr 9 in Verbindung stehen. Die Verteilerkanäle 16 sind ferner mit ringförmigen Verteilerrillcn 17 untereinander verbunden und sorgen auf diese Weise für eine gleichmäßige Verteilung des zugeführten Zerstäubungsgases über die gesamte Fläche der Stirnwand. Auf der Stirnwand liegt eine ebene Platte 18 aus dem zu zerstäubenden Material, im vorliegenden Falle beispielsweise Tantal, auf. In der Platte befinden sich Durchbrüche 19 in einer solchen Verteilung, daß pro Flächeneinheit der Platte 18 möglichst gleich viele Durchbrüche vorhanden sind. Dadurch erhält die Katode das Aussehen und die Wirkung einer Brause. Die Platte 18 wird fest, elektrisch leitend, aber auswechselbar durch Klammern 20 am Katodenkorper f,o 1 gehalten.

Der Katodenkorper ist von einem elektrostatischen Schirm 21 umgeben, welcher das gleiche Potential wie die Vakuumkammer bzw. die Grundplatte 5 hat. Die elektrische Verbindung zwischen dem Schirm und der Grundplatte erfolgt durch die Ender. 22 und 23 der Kühlschlange 24, die ebenfalls von Kühlwasser durchströmt wird Zwischen dem Schirm 21 und dem Kaiodenkörper 1 befindet sich ein solch geringer Abstand, daß während des Betriebes der Katode keine lonisationseffekte auftreten. Die Enden 22/23 der Kühlschlange sind mittels der Durchführung 25 vakuumdicht in der Grundplatte verankert.

Fig.2 zeigt den Einbau der kompletten Katode im Innern einer Vakuumkammer 27, wobei der Einfachheil halber nur die von außen sichtbaren Teile der Katode dargestellt sind. Die Vakuumkammer 27 stützt sich mittels eines Ringflansches 28 und einer Ringdichtung 29 vakuumdicht auf der Grundplatte 5 ab. Das Innere der Vakuumkammer ist mittels einer Rohrleitung 30 mn einem Pumpsatz 31 verbunden, mit dem sich in der Vakuumkammer ein für die Katodenzerstäubung geeigneter Druck von 10~² bis 10~' Torr erzeugen läßt. Zwischen der Grundplatte 5 und den über die Vakuumkammer 27 und den Objektträger 32 mit iiir elektrisch leitend verbundenen und zu beschichtenden Trägerkörpern 33 einerseits und dem Stromanschluß und der mit diesem über das Außenronr 6 und den Katodenkorper 1 elektrisch leitend verbundenen Platte 18 andererseits liegt eine Hochspannung an, die von der Spannungsquelle 34 erzeugt wird. Der Abstand zwischen der zu zerstäubenden Platte 18 und den Trägerkörpt-rn 33 beträgt zwischen 3 und 7 cm. vorzugsweise 5 cm. Der Objektträger 32 ist mittels der Süiiige 35 in der Höhe verstellbar aufgehängt. Die Stange 35 ist vakuumdicht aber längsverschieblich durch die Stopfbuchse 36 hindurchgeführt. Das Zerstäubungsgas wird mittels eines Dosiervein 's 37 einem Vorratsbehälter 38 entnommen und über eine Leitung 39 dem Gaszuleitungsstutzen 15 der Katode· r.igeführt.

Beispiel

In einer Vorrichtung gemäß F i g. 2 wurden mehrere Trägerkörper au:, Glas mit Tantaloxyd bestäubt. Die Trägerkörper hauen die Abmessungen 30 χ 30 mm und befanden sich im Abstand von 60 mm vertikal über der zu zerstäubenden Katodenfläche. Die Katodenfläche besaß einen Durchmesser von 500 mm und bestand aus metallisch reinem Tantal. Gleichmäßig über den Katodenquerschnitt verteilt befanden sich 300 Bohrungen mit einem Durchmesser von 0,5 mm. Nachdem in der Vakuumkammer ein Druck von 5 · IO~² Torr durch Abpumpen erreicht war, wurde mit der Bestäubung begonnen. Während des 8 Minuten dauernden Zerstäubungsvorgangs wurden der Katode in der Minute 8 Normalliter eines Gasgemischs aus 99,4% Argon und 0,6% Sauerstoff zugeführt. Der Kammerdruck wurde durch einen Vakuumpumpsatz mit vorgeschalteter Drosselblende konstant gehalten. Die auf die einzelnen Trägerkörper aufgebrachten Schichten zeichneten sich durch große Gleichmäßigkeit aus. Außerdem war das Verfahren in hohem Maße reproduzierbar.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Aufbringen von dünnen Schichten auf Trägerkörper durch Katodenzcrstäubung im Vakuum in Anwesenheit von reaktiven Gasen, deren Zufuhr durch eine in der Katode angeordnete, siebartig durchbrochene Fläche hindurch erfolgt, und bei der gegenüber der Katode mindestens ein Trägerkörper für die niederzuschlagende Schicht angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrüche (19) auf der gesamten, wirksamen Oberfläche (1) der Katode (1,18) im wesentlichen gleichmäßig verteilt angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dad-trch gekennzeichnet, daß die gesamte, dem Trägerkörper (33) zugewandte Fläche der Katode (1, 18) in an sich bekannter Weise aus einem gasdurchlässigen, porösen Material besteht.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszuführungsleitung (9) innerhalb des Katodenkörpers mit sich radial über den Katodenquerschnitt erstreckenden Vertei'erkanälen (16) in Verbindung steht, die durch ringförmige Verteilerrillen (17) verbunden sind, und daß auf diesen Verteilerrilien eine Platte (18) aus dem zu zerstäubenden Material aufliegt, welche mit Durchbrüchen (19) versehen ist, die mit den Verteilerrillen kommunizieren.