DE19606463A1 - Mehrkammer-Kathodenzerstäubungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Mehrkammer-Kathodenzer­ stäubungsvorrichtung, insbesondere eine Mehrkammer-Kathoden­ zerstäubungsvorrichtung mit einer Anzahl von Bearbeitungskam­ mern und Absperrventilen, mit denen die Anzahl von Bearbei­ tungskammern aufgeteilt werden kann, während das Vakuum in den Kammern aufrecht erhalten wird, so daß die Bearbeitungs­ kammern parallel betrieben werden können.

Zum Erzeugen von dünnen Schichten auf den verschie­ densten Materialien werden oft Kathodenzerstäubungsvorrich­ tungen verwendet. Das von einer solchen Kathodenzerstäubungs- oder Sputtervorrichtung bewirkte Sputterverfahren umfaßt das Entladen eines Gases wie Argon in einem Vakuum von etwa 0,01 Pa bis etwa 10 Pa (etwa 10^-4 bis 10^-1 Torr), Zerstäuben einer Kathode, des Targets, mit den bei der Entladung erzeugten Ionen, und Abscheiden der zerstäubten Teilchen in einer dün­ nen Schicht auf einem dem Target gegenüberliegenden Substrat.

Es gibt bereits eine Anzahl verschiedener Typen von Sputtervorrichtungen.

Bei einer Sputtervorrichtung mit Einzelbeschickung ist viel Zeit für das Evakuieren der Kammern erforderlich, da die Kammern immer wieder bei Atmosphärendruck geöffnet werden müssen, wenn die Bearbeitung eines Substrates beendet ist. Deshalb wurden für Massenartikel Durchlauf-Sputtervorrich­ tungen entwickelt, bei denen eine Anzahl von Vakuumkammern in gerader Linie angeordnet ist und die Substrate fortlaufend bearbeitet werden können, da außer der Substrat-Vorberei­ tungskammer und der Substrat-Entnahmekammer ständig alle Kam­ mern unter Vakuum gehalten werden.

Eine solche Durchlauf-Sputtervorrichtung erfordert jedoch in Längsrichtung viel Platz, und die gesamte Vorrich­ tung muß stillgelegt werden, wenn in irgendeiner der Kammern der Vorrichtung Wartungsarbeiten auszuführen sind. Deshalb werden zur Massenproduktion immer mehr Einzelwafer-Mehr­ kammer-Sputtervorrichtungen verwendet, bei denen um eine Transferkammer mit einem Automaten zum Bewegen der Substrate eine Anzahl von Bearbeitungskammern angeordnet ist und bei denen die verschiedenen Vorgänge einschließlich der Schicht­ abscheidung ausgeführt werden, wobei die Substrate vom Auto­ maten zu den einzelnen Bearbeitungskammern befördert werden. Bei einer solchen Mehrkammer-Sputtervorrichtung ist es mög­ lich, die Bearbeitung in den Bearbeitungskammern fortzufüh­ ren, während Wartungsarbeiten an anderen Bearbeitungskammern ausgeführt werden, solange davon nicht die Transferkammer betroffen ist.

Die Fig. 3 der Zeichnung zeigt eine solche herkömmli­ che Mehrkammer-Sputtervorrichtung. Bei der herkömmlichen Mehrkammer-Sputtervorrichtung ist eine Vorbereitungs/Ent­ nahmekammer 1 über ein Absperrventil 11 mit einer Transfer­ kammer 2 verbunden. Die Transferkammer 2 ist außerdem über andere Absperrventile 11 auch noch mit einer ersten Sputter­ kammer 3, einer zweiten Sputterkammer 4 und einer dritten Sputterkammer 301 verbunden. Jede der Sputterkammern 3, 4 und 301 ist mit einem Target versehen.

Die herkömmliche Mehrkammer-Sputtervorrichtung ist deshalb so konstruiert, da wegen des Aufbaus des Automaten 7 in der Transferkammer 2 in der Mitte der Vorrichtung und dem Substratzuführ- und Haltemechanismus in jeder der Bearbei­ tungskammern das Substrat den einzelnen Prozessen in einem Zustand unterworfen wird, bei dem das Substrat in jeder Bear­ beitungskammer befestigt ist, woraufhin das Substrat vom Au­ tomaten 7 zu einer anderen Bearbeitungskammer befördert wird, nachdem es in der einen Bearbeitungskammer nur einem einzigen Prozeß unterworfen wurde.

Zum Stand der Technik dieser Art von Mehrkammer- Sputtervorrichtungen können die JP-A-2-30 759 und die JP-A-4- 221 072 genannt werden.

In der Regel wird eine Mehrkammer-Sputtervorrichtung mit wenigstens einer Vorbereitungs/Entnahmekammer sowie Kam­ mern zum Ausführen von Vorbehandlungen vor der Schichtbil­ dung, zum Beispiel zum Aufheizen und Reinigen des Substrates usw. versehen, und die Vorrichtung ist quadratisch oder hexagonal um die Substrat-Transferkammer mit dem Automaten in der Mitte herum angeordnet.

Die Anzahl von Schichtbildungskammern ist daher etwa 2 bis 4. Wenn jedoch zum Beispiel Schichten für Magnetköpfe aufzubringen sind, sind manchmal Schichten aus 4 bis 5 Lagen oder Schichten mit mehreren sich wiederholenden Lagen oder Doppellagen erforderlich. Da die Anzahl der Targets höchstens gleich der Anzahl der Bearbeitungskammern ist und nicht ein­ fach erhöht werden kann, muß das Substrat sehr oft umgesetzt werden, bei vielen verschiedenen Schichten sogar zwischen verschiedenen Sputtervorrichtungen. Daher ist die Produktivi­ tät wegen der für das Befördern der Substrate zwischen den Bearbeitungskammern erforderlichen Zeit gering, und die Qua­ lität der gebildeten Schichten kann durch Oxidschichten usw. beeinträchtigt sein, da zwischen der Ausbildung der einen Schicht und der Ausbildung der anderen Schicht einige Zeit verstreicht und das Substrat außerdem möglicherweise zwi­ schenzeitlich sogar der normalen Atmosphäre ausgesetzt ist.

Wenn die einzelnen Targets für die Schichtbildung sehr unterschiedlich verbraucht werden, wird bei der herkömm­ lichen Vorrichtung die Dauer der Wartungsperiode von dem Tar­ get bestimmt, das am schnellsten verbraucht ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mehr­ kammer-Sputtervorrichtung zu schaffen, deren Produktivität hoch ist und bei der die Qualität der abgeschiedenen Schich­ ten sehr gut ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in wenigsten einer aus einer Anzahl von Bearbeitungskam­ mern eine Mehrzahl von Targets vorgesehen ist, so daß eine Anpassung an die in den einzelnen Bearbeitungskammern ver­ brauchten Targetmengen möglich ist und die Übergangszeit zwi­ schen den Bearbeitungsprozessen zu Null wird.

Es ist erfindungsgemäß des weiteren vorgesehen, daß die Bearbeitungskammer mit einem Mechanismus versehen ist, mit dem das Substrat in der Bearbeitungskammer zwischen der Anzahl von Targets so hin und her bewegt werden kann, daß das Substrat in Stellungen gebracht werden kann, die jeweils den einzelnen Targets gegenüberliegen.

Da der Substrat-Bewegungsmechanismus in der Bearbei­ tungskammer darüberhinaus mit einem Mechanismus für eine Auf- und Abbewegung versehen ist, kann der Abstand zwischen dem Target und dem Substrat (der gewöhnlich der Elektrodenabstand genannt wird) optimiert werden, wodurch die Qualität der Schichten und die Produktivität weiter ansteigt.

Durch den Substrat-Bewegungsmechanismus in der Bear­ beitungskammer ist die Ausbildung einer mehrlagigen Schicht durch wiederholtes Aufsputtern in ein und derselben Bearbei­ tungskammer möglich, ohne daß zwischen den Ausbildungen der einzelnen Lagen viel Zeit verstreicht. Wenn eines der Targets wesentlich schneller verbraucht wird als die anderen Targets, ist es möglich, die Target-Lebensdauer durch Vorsehen einer Anzahl von gleichen Targets anstelle von nur einem Target zu erhöhen.

Erfindungsgemäß ist wenigstens eine Bearbeitungskam­ mer mit zwei oder mehr Targets versehen, und ein Substrat- Bewegungsmechanismus in der Bearbeitungskammer ermöglicht es, ein Substrat in der Bearbeitungskammer so zu bewegen, daß jedes der Targets zur Schichtbildung herangezogen werden kann. Wenn zum Beispiel ein Target in der Bearbeitungskammer doppelt so schnell verbraucht wird wie die anderen Targets in der gleichen oder den anderen Bearbeitungskammern, ist es möglich, die Lebensdauer der Targets in den einzelnen Bear­ beitungskammern dadurch auszugleichen, daß in der einen Bear­ beitungskammer zwei gleiche Targets vorgesehen werden, so daß die Wartungszyklen doppelt so lang gemacht werden können.

Wenn die Art der Targets in der Bearbeitungskammer verschieden ist, ist durch den Substrat-Bewegungsmechanismus in der Bearbeitungskammer das Aufbringen von mehrlagigen Schichten in kurzer Zeit möglich, so daß sich die Produktivi­ tät wesentlich erhöht.

Wenn eine der Bearbeitungskammern als Ionenstrahl- Sputterkammer ausgebildet wird, können hochwertige Schichten erzeugt werden.

Anhand der Zeichnung wird die erfindungsgemäße Sput­ tervorrichtung beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Aufsicht auf eine Ausführungsform der er­ findungsgemäßen Mehrkammer-Sputtervorrichtung;

Fig. 2 einen Schnitt durch den Aufbau einer Substrat­ elektrode; und

Fig. 3 die Aufsicht auf eine herkömmliche Mehrkammer- Sputtervorrichtung.

Im folgenden wird eine Ausführungsform der Mehrkam­ mer-Sputtervorrichtung beschrieben.

Die Fig. 1 ist eine Ansicht des Gesamtaufbaus der Ausführungsform.

Bei dem Aufbau der Fig. 1 wird in einer Vorberei­ tungs/Entnahmekammer 1 wenigstens ein Substrat 18 auf einem Substrathalter 17 gehalten. Das Substrat kann durch Öffnen einer Tür 19 der Vorbereitungs/Entnahmekammer 1 unter Atmo­ sphärendruck eingebracht und entnommen werden. Nach dem Ein­ bringen und Vorbereiten des Substrates 18 wird die Tür 19 geschlossen und dann die Vorbereitungs/Entnahmekammer 1 durch eine nicht gezeigte Vakuumpumpe evakuiert und unter Vakuum gehalten. Über ein Absperrventil 11 ist die Vorberei­ tungs/Entnahmekammer 1 mit einer Transferkammer 2 verbunden. Die Transferkammer 2 ist wiederum über weitere Absperrventile 11 außerdem mit einer ersten Sputterkammer 3, einer zweiten Sputterkammer 4 und einer Ionenstrahl-Sputterkammer 5 verbun­ den, wobei die Kammern unabhängig voneinander unter Vakuum oder auf Atmosphärendruck gehalten werden können.

Die erste Sputterkammer 3 weist innen angebrachte Targetelektroden 12a und 12b auf. In der Regel werden die Targetelektroden 12a und 12b von der Unterseite der ersten Sputterkammer 3 eingebracht und innen an der Oberseite eines Flansches oder dergleichen befestigt, und die Substratelek­ trode bzw. das Substrat hängt dem Target gegenüber an der Oberseite der Kammer. Durch eine nicht gezeigte Gaszuführlei­ tung wird ein Gas in die erste Sputterkammer 3 eingeleitet, und den Targetelektroden 12a oder 12b wird zum Sputtern Ener­ gie von einer nicht gezeigten Energiequelle zugeführt. Das jeweilige Target wird abgesputtert oder zerstäubt, und auf dem Substrat 18, das sich auf der Substratelektrode befindet, wird eine Schicht abgeschieden. Die Substratelektrode ist mit einem Substrat-Bewegungsmechanismus 16 verbunden, so daß sie ihre Position ändern kann.

Die Substratelektrode ist mit einem Teil des Bewe­ gungsmechanismusses 16 genauer in der Fig. 2 gezeigt.

Die Substratelektrode umfaßt einen sich drehenden Ab­ schnitt 210, ein Antriebssystem mit einem Gehäuse 207, eine wassergekühlte Platte 213 usw. Dem. Substrathalter 17 wird über eine Leitung 300, den Kühlwasser-Zuführschaft 206 und die wassergekühlte Platte 213 elektrische Energie zugeführt. Das zwischen einem Kühlwassereinlaß 211 und einem Kühlwasser­ auslaß 212 zirkulierende Kühlwasser tritt über den Kühlwas­ ser-Zuführschaft 206 in die wassergekühlte Platte 213 ein. An den Spitzen von Haltestiften 204 ist eine Substrathalter- Halterung 203 befestigt. In der Regel drängt die Kraft einer Feder 205 die Substrathalter-Halterung 203 zusammen mit den Haltestiften 204 nach oben.

Zum Einlegen eines Substrathalters 17 mit einem Substrat 18 wird ein axial beweglicher Stift 211, der über einen Faltenbalg 208 mit einem Zylinder 209 verbunden ist, in die bei 208′ und 211′ gezeigte Stellung nach unten gedrückt, wodurch die Feder 205′ zusammengedrückt wird und die Substrathalter-Halterung 203′ nach unten bewegt wird. Die Substrathalter-Halterung 203′ wird unten gehalten, und der Substrathalter 17 mit dem Substrat 18 wird von dem Substrat- Transferautomaten 7 in der Transferkammer 2 der Fig. 1 zwi­ schen die Substrathalter-Halterung 203′ und die wassergekühl­ te Platte 213 eingesetzt. Daraufhin wird der Zylinder 209 wieder angehoben, wobei sich der Haltestift 204 durch die Kraft der Feder 205 hebt und der Substrathalter 17 von der Substrathalter-Halterung 203 gehalten wird.

Das Gehäuse 207 für das Antriebssystem ist ein dich­ tes Gehäuse, dessen Inneres hermetisch vom Vakuum an der Au­ ßenseite getrennt ist, so daß sich das Innere des Gehäuses 207 auf Atmosphärendruck befinden kann. Die ganze Substrat­ elektrode kann über den sich drehenden Abschnitt 210 vom Substrat-Bewegungsmechanismus 16 um eine sich drehende Welle 20 geschwenkt werden.

Der Substrat-Bewegungsmechanismus 16 umfaßt Führungs­ elemente 302, die in der ersten Sputterkammer 3 angebracht sind und die eine Führung für die Auf- und Abbewegung bilden, eine sich axial bewegende Platte 304, die mit der sich dre­ henden Welle 20 verbunden ist, um die Welle 20 axial zu bewe­ gen, und einen Faltenbalg 301, um das Innere der ersten Sput­ terkammer 3 unter Vakuum zu halten. Zwischen der sich drehen­ den Welle 20 und der Faltenbalgvorrichtung 301 sind Lager 303 und O-Ringe 305 vorgesehen. Die sich drehende Welle 20 wird von einem Antriebsmechanismus wie einem nicht gezeigten Motor für den Substrat-Bewegungsmechanismus 16 in Drehung versetzt und axial von der sich axial bewegenden Platte 304 bewegt, die von einer nicht gezeigten Antriebseinrichtung in Bewegung versetzt wird.

Wie in der Fig. 1 gezeigt, kann die erste Sputterkam­ mer 3 durch eine nicht gezeigte Evakuiervorrichtung, die an einen Absauganschluß 8 angeschlossen ist, unter Vakuum gehal­ ten werden. Die Substratelektrode kann sich aufgrund des Substrat-Bewegungsmechanismusses 16 um die Welle 20 drehen und axial verschoben werden, so daß das Substrat leicht in die entsprechenden Stellungen gegenüber den Targetelektroden 12a und 12b gebracht werden kann. Die zweite Sputterkammer 4 weist im wesentlichen den gleichen Aufbau wie die erste Sput­ terkammer 3 auf, sie enthält Targetelektroden 12c und 12d und ist an einen Absauganschluß 9 angeschlossen.

Die Ionenstrahl-Sputterkammer 5 ist mit einem Tar­ gethalter 15, einer Ionenquelle 13 für einen sputternden Io­ nenstrahl und einer Hilfs-Ionenquelle 14 versehen. Am Tar­ gethalter 15 können zum Beispiel vier Targets angebracht wer­ den, und es ist eine Schichtbildung durch Ionenstrahlsputtern möglich. Die Ionenstrahl-Sputterkammer 5 wird von einer nicht gezeigten Evakuiervorrichtung, die an einen Absauganschluß 10 angeschlossen ist, evakuiert und unter Vakuum gehalten.

Die Hilfs-Ionenquelle kann zum Beispiel als Ionen­ quelle zum Abtragen verwendet werden, so daß das Abtragen und das Sputtern im Verlaufe derselben Bearbeitung eines Substra­ tes 18 möglich ist. Zum Beispiel wird bei einer Schicht mit einem magnetischen Widerstandseffekt der Kontaktwiderstand einer Grundschicht zu einem Problem, so daß die abzuscheiden­ de Schicht nach dem Reinigen der Substratoberfläche aufge­ bracht wird. Bei der herkömmlichen Vorrichtung wird dies in verschiedenen Geräten ausgeführt. Der Reinigungseffekt wird dadurch abgeschwächt. Mit der vorliegenden Vorrichtung kann jedoch sofort nach dem Abtragen der Substratoberfläche in einem kontinuierlichen Prozeß in der ersten Sputterkammer 3 oder der zweiten Sputterkammer 4 die Schicht aufgetragen wer­ den, ohne daß das Substrat im Wege der Bearbeitung der Atmo­ sphäre ausgesetzt wird.

Bei der herkömmlichen Mehrkammer-Sputtervorrichtung muß, um die Anzahl von Targets erhöhen zu können, die Anzahl der Kammern um die Transferkammer erhöht werden. Die Anzahl der Kammern ist jedoch aufgrund ihrer Abmessungen auf 4 bis 5 Kammern beschränkt.

Wenn bei der vorliegenden, erfindungsgemäßen Vorrich­ tung eine gegenseitige Verunreinigung der Targets in der gleichen Sputterkammer zu befürchten ist, kann dieses Problem leicht durch Vorsehen einer adhäsionsverhindernden Abdeckung zwischen den Targetelektroden gelöst werden. Beim herkömmli­ chen Aufbau ist demgegenüber, wenn eine mehrlagige Schicht auszubilden ist, zum Bewegen des Substrats zwischen den Kam­ mern einige Zeit erforderlich, so daß neben einer Verlänge­ rung der Taktzeit die Eigenschaften der Schicht verschlech­ tert sind.

Mit der vorliegenden, erfindungsgemäßen Vorrichtung kann demgegenüber eine mehrlagige Schicht in kürzerer Zeit ausgebildet werden, so daß die Produktivität erhöht ist. Eine Veränderung der Grenzschichten zwischen den Lagen ist nicht zu befürchten, wodurch die Eigenschaften der mehrlagigen Schicht wesentlich verbessert werden. Des weiteren ist es nicht erforderlich, die Anzahl der Vakuumkammern zu erhöhen, wenn die Anzahl der verschiedenen Targets ansteigt. Die Vor­ richtung kann daher kleiner und mit geringeren Kosten herge­ stellt werden.

Wenn verschiedene Targets verschieden schnell ver­ braucht werden, können von der sich schneller verbrauchenden Targetart mehrere gleiche Targets in einer Sputterkammer vor­ gesehen werden, so daß sich der Verbrauch an Targetmaterial vergleichmäßigt, wodurch sich der Wartungsaufwand verringert und die Ausfallzeiten verkürzt werden. Wenn zum Beispiel zwei Targets (1) und (2) verwendet werden, eine Schicht der Dicke (1) und eine Schicht der Dicke (2) zu bilden, wobei die Schicht (2) doppelt so dick ist wie die Schicht (1), ist das Target (1) erst halb verbraucht, wenn das Target (2) zu Ende ist. Wenn das Target (2) durch zwei Targets ersetzt wird, ist die Target-Auswechselperiode für beide Targetarten gleich.

Durch Hinzufügen der Ionenstrahl-Sputterkammer können darüberhinaus Schichten mit viel besseren Eigenschaften er­ halten werden wie mit der herkömmlichen Vorrichtung.

Bei der vorstehend beschriebenen, erfindungsgemäßen Mehrkammer-Sputtervorrichtung ist in wenigstens einer Vakuum­ kammer eine Anzahl von Targetelektroden und der Substrat- Bewegungsmechanismus vorgesehen, der die Substrate in die Positionen bringen kann, die den Targetelektroden entspre­ chen, und der den Abstand zwischen den Targetelektroden und dem Substrat ändern kann, so daß die in jeder Bearbeitungs­ kammer verbrauchte Targetmenge vergleichmäßigt und die Über­ gangszeit zwischen den Kammern auf Null herabgesetzt werden kann und eine Mehrkammer-Sputtervorrichtung mit hoher Produk­ tivität und Schichtqualität vorliegt.

Claims (3)

1. Mehrkammer-Sputtervorrichtung mit Vakuum-Sputter­ kammern (3, 4, 5), mit Targetelektroden (12a, 12b; 12c, 12d) in den Sputterkammern, mit einem Substrat (18), auf das durch Zerstäuben der Targetelektroden und Abscheiden der zerstäub­ ten Sputterteilchen eine Schicht aufgebracht wird, und mit einer Transferkammer (2) mit einem Transferautomaten (7), der die Substrate (18) zwischen den Sputterkammern (3, 4, 5) hin- und herbefördern kann, wobei das Vakuum in den Sputterkammern aufrecht erhalten bleibt, dadurch gekennzeichnet, daß wenig­ stens eine der Sputterkammern (3, 4, 5) eine Anzahl von Tar­ getelektroden (12a, 12b; 12c, 12d) enthält und einen Substrat-Bewegungsmechanismus (16) aufweist, mit dem das Substrat (18) in eine der den Targetelektroden gegenüberlie­ genden Positionen gebracht und der Abstand zwischen den Tar­ getelektroden und dem Substrat geändert werden kann.

2. Mehrkammer-Sputtervorrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß der Substrat-Bewegungsmechanismus (16) mit einem Drehmechanismus (210) zum Schwenken des Substrates (18) versehen ist.

3. Mehrkammer-Sputtervorrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß eine der mit der Transferkammer (2) verbundenen Sputterkammern (5) mit einer Ionenquelle (13) zum Ionenstrahlsputtern und einer Targetelektrode zum Ionen­ strahlsputtern versehen ist.