DE19651378A1 - Vorrichtung zum Aufstäuben von dünnen Schichten auf flache Substrate - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Auf­ stäuben von dünnen Schichten aus elektrisch iso­ lierendem Material auf flache Substrate mit einem Paar in einer evakuierbaren Kammer angeordneten Rohrkathoden des Magnetrontyps.

Bekannt ist eine Vorrichtung des in Frage stehen­ den Typs (EP 0 070 899) mit einer in der Beschich­ tungskammer horizontal angebrachten Kathode mit einem länglichen, zylindrischen Rohrelement, auf dessen äußerer Fläche eine Schicht des zu zerstäu­ benden Überzugsmaterials aufgetragen worden ist, und Magnetmitteln, die in diesem Rohrelement ange­ ordnet werden, um eine sich in Längsrichtung davon erstreckende Zerstäubungszone vorzusehen, und mit Mitteln zum Drehen dieses Rohrelements um seine Längsachse, um verschiedene Teile des Überzugsma­ terials in eine Zerstäubungsstellung gegenüber den vorerwähnten Magnetmitteln und innerhalb der vor­ erwähnten Zerstäubungskathode zu bringen, und mit in der Beschichtungskammer befindlichen Mitteln zum horizontalen Abstützen der Substrate und zum Transportieren dieser an den Magnetmitteln vorbei, damit diese Substrate das zerstäubte Material emp­ fangen.

Ferner ist eine Einrichtung zum Hochratezerstäuben nach dem Plasmatronprinzip bekannt (DD 2 17 964), bestehend aus einer magnetfelderzeugenden Einrich­ tung mit Ringspalt, einem gekühlten rohrförmigen Target und einer Anode, wobei die magnetfelderzeu­ gende Einrichtung einen in sich geschlossenen, langgestreckten Ringspalt besitzt und in dem Tar­ get so angeordnet ist, daß ihre große Achse paral­ lel zur Targetachse verläuft, und eine Anode das Target so umgibt, daß der Ringspaltbereich frei ist und mittels einer Verstelleinrichtung der Ab­ stand zwischen der Anode und der Targetoberfläche auf einen festen Wert einstellbar ist, wobei zum Erzeugen einer Relativbewegung um die große Achse zwischen dem Target und der magnetfelderzeugenden Einrichtung ein Antrieb angeordnet ist, und an der magnetfelderzeugenden Einrichtung eine Vorrichtung zur Veränderung des Abstands zwischen dieser und dem Target angeordnet ist.

Zum Stand der Technik gehört auch eine Kathode zur Vakuumzerstäubung (EP 0 461 035), umfassend einen Hohlkörper in Form eines Rotationskörpers, welcher um seine Achse rotieren kann, wobei der Hohlkörper mindestens am äußeren seiner Seitenwand aus zu zerstäubendem Material gebildet ist, mit einem Ma­ gnetkreis zum magnetischen Einschluß, der nahe ei­ nem Target vorgesehen ist, und mit einer Einrich­ tung zur Verbindung mit einem Kühlkreis für die Zirkulierung einer Kühlflüssigkeit in dem Hohlkör­ per, mit einer Einrichtung zur Verbindung mit ei­ nem elektrischen Versorgungskreis, und mit einer Triebeinrichtung zur Drehung des Hohlkörpers um seine Achse, wobei der Magnetkreis sich peripher in Bezug auf den Hohlkörper erstreckt, das Magne­ tisiermittel außerhalb diesem vorgesehen ist und die Pole des Magnetkreises entlang zweier Erzeu­ genden dieses Hohlkörpers vorgesehen sind.

Weiterhin ist eine Kathodenzerstäubungsvorrichtung bekannt (D-OS 27 07 144) mit einer eine zu zer­ stäubende Fläche aufweisenden Kathode, einer Ma­ gneteinrichtung nahe der Kathode und an der der zu zerstäubenden Fläche gegenüberliegenden Seite zur Erzeugung magnetischer Kraftlinien, von denen we­ nigstens einige in die zu zerstäubende Fläche ein­ treten und aus ihr wieder heraustreten, und zwar in Schnittpunkten, die voneinander im Abstand lie­ gen, zwischen denen die Kraftlinien kontinuierlich bogenförmige Segmente im Abstand von der zu zer­ stäubenden Fläche bilden, wobei letztere zusammen mit den Kraftlinien eine Begrenzung für einen ge­ schlossenen Bereich bildet, wodurch ein tunnelför­ miger Bereich gebildet wird, der über einem da­ durch definierten Pfad auf der zu zerstäubenden Fläche liegt, wobei geladene Teilchen die Neigung zeigen, im tunnelförmigen Bereich zurückgehalten zu werden und sich entlang diesem zu bewegen, so­ wie mit einer Anode in Nachbarschaft zur Kathode und mit einem Anschluß der Kathode und der Anode an eine Quelle elektrischen Potentials, wobei we­ nigstens die zu zerstäubende Fläche innerhalb ei­ nes evakuierbaren Behälters liegt, wobei eine Be­ wegungsrichtung zur Herstellung einer Relativbewe­ gung zwischen dem magnetischen Feld und der zu zerstäubenden Oberfläche unter Beibehaltung ihrer räumlichen Nachbarschaft vorgesehen ist und der erwähnte Pfad die zu zerstäubende Fläche über­ streicht, und zwar in einem Flächenbereich, der größer ist als der vom ruhenden Pfad eingenommene Flächenbereich.

Bei dieser zylindrischen Kathodenzerstäubungsvor­ richtung kann die an einem zylindrischen Träger befestigte Magneteinrichtung sowohl gedreht als auch auf und ab bewegt werden, so daß sie auf der gesamten Oberfläche die Zerstäubung hervorrufen kann, wobei es aber auch möglich ist, bestimmte Bereiche auszuwählen.

Schließlich ist eine Vorrichtung zum reaktiven Be­ schichten eines Substrats mit einem elektrisch isolierenden Werkstoff, beispielsweise mit Silizi­ umdioxyd (SiO₂) bekannt (DE 41 06 770), bestehend aus einer Wechselstromquelle, die mit in einer evakuierbaren Beschichtungskammer angeordneten Ma­ gnetronkathoden verbunden ist, deren Targets zer­ stäubt werden, wobei zwei erdfreie Ausgänge der Wechselstromquelle mit je einer Magnetronkathode verbunden sind, wobei beide Magnetronkathoden in der Beschichtungskammer nebeneinanderliegend vor­ gesehen sind und zum gegenüberliegenden Substrat jeweils etwa den gleichen räumlichen abstand auf­ weisen, wobei die Magnetronkathoden jeweils eine eigene Verteilerleitung für das Prozeßgas besitzen und die Aufteilung des Reaktivgasflusses auf beide Verteilerleitungen von einem Regler über ein Leit­ wertregelventil derart gesteuert ist, daß die ge­ messene Spannungsdifferenz der Effektivwerte bei­ der Kathoden mit einer Sollspannung übereinstimmt - wozu der Effektivwert von einer über eine Lei­ tung an die Kathode gemessen und als Gleichspan­ nung dem Regler über eine Leitung zugeführt wird.

Wird in einer Inline-Anlage kontinuierlich ein DC-Magnetron betrieben, das mit einem metallischen Target bestückt ist und in einer Reaktivgasatmo­ sphäre arbeitet, so bildet sich auf den Substraten und auch auf allen Flächen der Vakuumkammer eine nichtleitende Verbindung, z. B. Oxyde oder Nitride. Die unerwünschte Beschichtung der Kammereinbauten und der Kammerwände hat zur Folge, daß die elek­ trisch leitfähigen Flächen isolierend abgedeckt werden, so daß der Stromfluß gestört und letztlich unterbrochen wird. Dieser Effekt, die "verschwindende Anode", ist bei allen DC-Sputteranlagen, die im Dauerbetrieb arbeiten, eine die Einsatzzeit einschränkende problematische Li­ mitierung.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Auf­ gabe zugrunde, eine Sputter-Durchlaufanlage insbe­ sondere zum Beschichten von großflächigen Substra­ ten mit einer rotierenden Beschichtungskathode so auszubilden, daß sie auch beim beschichten von elektrisch isolierenden Schichten im Dauerbetrieb arbeiten, d. h. in einem stabilen Prozeß betrieben werden kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufga­ be dadurch gelöst, daß einer als Beschichtungska­ thode ausgebildeten, rotierenden, mit Gleichstrom betriebenen Rohrkathode oder einem Rohrkathoden­ paar weitere Kathoden oder Kathodenpaare vor- und/oder nachgeschaltet sind, wobei diese zusätz­ lichen Kathoden oder Kathodenpaare an eine Mittel­ frequenzquelle angeschlossen sind und ein Plasma­ band erzeugen, das auch im Falle der Anordnung der Kathoden in mehreren hintereinanderliegenden Kam­ mern mit in den Trennwänden vorgesehenen Öffnungen sich über die gesamte Kathodenkonfiguration er­ streckt.

Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen.

Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausfüh­ rungsmöglichkeiten zu; einige davon sind in den anhängenden Zeichnungen schematisch näher darge­ stellt, und zwar zeigen:

Fig. 1 den Teillängsschnitt durch eine Durch­ laufanlage zum Beschichten von flachen Substraten mit drei Prozeßkammern, von denen die mittlere zwei mit Gleichstrom betriebene Rohrkathoden aufweist und die dieser vor- und nachgeschalteten Kammern mit Wechselstrom betriebene planare Ma­ gnetronkathoden,

Fig. 2 die Anlage gemäß Fig. 1, jedoch mit einem Blockkondensator in einem Stromversor­ gungszweig und einer Drossel zum Schlie­ ßen des Gleichstrompfades zu den DC-Stromversorgungen,

Fig. 3 eine Anlage ähnlich derjenigen nach Fig. 1, jedoch ausschließlich mit Rohrkathoden betrieben,

Fig. 4 eine Anlage ähnlich derjenigen nach Fig. 3, jedoch mit einer einzigen an Stelle von drei Prozeßkammern,

Fig. 5 eine Anlage vergleichbar derjenigen nach Fig. 4, jedoch mit drei Paaren von Rohr­ kathoden, von denen zwei Paare mit Gleichstrom und ein Paar mit Wechselstrom betrieben sind.

Die Durchlaufanlage 36 zum Beschichten der Substrate 33, 33', . . . gemäß Fig. 1 besteht aus ei­ ner Vielzahl von hintereinander geschalteten Kam­ mern 3, 3', 3'', 3''', . . ., von denen drei Kammern 3', 3'', 3''' als Beschichtungskammern ausgebildet und jeweils an eine Prozeßgasleitung 4, 4', 4'' und jeweils an eine Vakuumpumpe 5, 5', 5'' angeschlossen sind. Die mittlere der drei Prozeßkammern 3', 3'', 3''' ist mit zwei rotierbaren Rohrkathoden 5, 5' (einem Paar Rohrkathoden 31) und die dieser jeweils vor- und nachgeschaltete Prozeßkammer 3', 3''' jeweils mit einer planaren Magnetronkatho­ de 6 bzw. 6' ausgestattet. Die Trennwände 7', 7'', . . . zwischen den einzelnen Prozeßkammern 3', 3'', 3''' sind mit Durchbrüchen oder Öffnungen 8, 8' versehen, so daß ein durch die Prozeßkammern 3', 3'', 3''' führendes Plasmaband gebildet wird. Die planaren Magnetronkathoden 6, 6' sind jeweils mit einer Anzapfung 11 bzw. 12 eines Transforma­ tors 9 eines MF-Generators 10 versehen, während die rotierbaren Rohrkathoden 5, 5' jeweils an eige­ ne Gleichstromversorgungen 13, 14 angeschlossen sind, wobei die beiden Gleichstromversorgungen 13, 14 mit ihren jeweiligen Pluspolen an die Mit­ telanzapfung 15 des Transformators 9 angeschlossen sind.

Die Anlage gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 1 in Bezug auf die Ausbildung der Stromversorgungen für die einzelnen Kathoden 6, 6' bzw. 5, 5'. In diesem Falle sind die Anzapfun­ gen 11 bzw. 12 des Transformators 9 an die Gleich­ stromversorgungen 13, 14 angeschlossen, wozu sie über eine gemeinsame Leitung 16 und ein Netzwerk 17 mit Drosseln 18, 19 zum Schließen des Gleich­ strompfades zu den DC-Stromversorgungen 13, 14 und Dioden 23, 24, an die beiden Leiter 20, 21 für die planaren Magnetrons 6, 6' angekoppelt sind, wobei in den einen Leiter 20 vor dem Abzweig für das Netzwerk 17 noch ein Blockkondensator 22 einge­ schaltet ist, der die Trennung des Gleichstroms vom Transformator 9 bewirkt.

Die Anlage gemäß Fig. 3 unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 1 dadurch, daß an stelle von planaren Magnetronkathoden 6, 6' einzelne drehbare Rohrkathoden 25, 26 vorgesehen sind, die an die An­ zapfungen 11, 12 des Transformators 9 angeschlossen sind.

Die Anlage nach Fig. 4 ist weitgehend identisch mit derjenigen nach Fig. 3, lediglich mit dem Un­ terschied, daß alle drehbaren Rohrkathoden 5, 5' bzw. 25, 26 zusammen in einer einzigen großen Pro­ zeßkammer angeordnet und hierfür auch nur eine Gaszuleitung 28 und eine Vakuumpumpe 29 vorgesehen sind.

Die Anlage nach Fig. 5 ähnelt wiederum derjenigen nach Fig. 4, allerdings mit dem Unterschied, daß in der großen Prozeßkammer 27 insgesamt 3 Paare 30, 31, 32 von rotierbaren Rohrkathoden 5, 5', . . . an­ geordnet sind, von denen jedoch nur ein Kathoden­ paar 30 an die Anzapfungen 11, 12 des Transforma­ tors 9 angeschlossen ist, während die beiden ande­ ren Kathodenpaare 31, 32 bzw. ihre einzelnen Rohr­ kathoden 5, 5', . . . jeweils mit eigenen Gleichstrom­ versorgungen 13, 14 bzw. 13', 14' verbunden sind.

Die in den Zeichnungen dargestellten Magnetrons können in der gleichen Abteilung oder Kammer 27 des Durchlaufkessels 36 wie die beschichtenden Ka­ thoden 5, 5', . . . angebracht werden oder aber in ge­ trennten Kammern 3', 3''' des Durchlaufkessels 36 angeordnet sein. Wichtig ist, daß ein durchgehen­ der Spalt oder Öffnung 8, 8', . . . zwischen den bei­ den Magnetrons 6, 6' bzw. 25, 26 frei bleibt. Dabei ist es unerheblich, ob dieser Spalt oder Öffnung 8, 8' gerade oder ein- oder mehrfach geknickt ist. Diese zwei Magnetrons 6, 6' bzw. 25, 26 erzeugen bei Speisung mit Mittelfrequenz ein intensives Plasma­ band, das sich durch die Prozeßkammer zieht. Die­ ses Plasmaband wird als virtuelle Anode für die DC-Entladung benutzt, indem entweder der MF-Trafo 9 eine Mittelanzapfung 15 für die Gleichstromzu­ führung aufweist oder eine andere bekannte Art zur Einkopplung von Gleichstrom in Wechselstromkreise benutzt wird, z. B. wie in Fig. 2, wo der Gleich­ strom über Drosseln 18, 19 und Freilauf-Dioden 18, 19 in die Leitungen 34, 35 zu den Magnetrons 6, 6' eingespeist wird. Diese Schaltung ist tech­ nisch einfach und damit besonders billig.

Die mit Gleichstrom betriebenen Rohrmagnetrons 5, 5' tragen die Targets, die die gewünschte Schicht erzeugen sollen, während die Magnetrons 6, 6' bzw. 25, 26 bzw. 31, 32, die das Plasmaband er­ zeugen, mit Targets bestückt sind, die eine mög­ lichst geringe Sputterrate haben, z. B. Titan oder Graphit. Außerdem muß lediglich so viel MF-Leistung in die Entladung gespeist werden, daß die Targetoberflächen metallisch leitend bleiben.

An Stelle der Rohrmagnetrons kann auch ein Planar­ magnetron 6, 6' oder eine gewöhnliche Diodenkathode treten. Die DC-Stromversorgung ist nicht an der Kammer geerdet oder arbeitet auch nicht gegen eine zusätzliche Anode, sondern ist direkt in den Mit­ telfrequenz-Kreis einbezogen.

Bezugszeichenliste

3

,

3

', . . . Kammer

4

,

4

', . . . Gaszuleitung

5

,

5

', . . . Vakuumpumpe

6

,

6

', . . . planare Magnetron-Kathode

7

,

7

', . . . Trennwand

8

,

8

', . . . Öffnung, Durchlaß

9

Transformator

10

Mittelfrequenzquelle

11

Anzapfung

12

Anzapfung

13

,

13

' Gleichstromversorgung

14

,

14

' Gleichstromversorgung

15

Mittenanzapfung

16

elektrischer Leiter

17

Netzwerk

18

Drossel

19

Drossel

20

Stromleiter

21

Stromleiter

22

Kondensator

23

Diode

24

Diode

25

Rohrkathode

26

Rohrkathode

27

Prozeßkammer

28

Gaszuleitung

29

Vakuumpumpe

30

Kathodenpaar

31

Kathodenpaar

32

Kathodenpaar

33

Substrat

34

Zweigleitung

35

Zweigleitung

36

Durchlaufanlage, Durchlaufkes­ sel

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Aufstäuben von dünnen Schich­ ten aus elektrisch isolierendem Material auf Substrate (33, 33',. . .) mit einem ersten Paar (31) in einer evakuierbaren, an eine Gasquel­ le angeschlossenen Kammer angeordneten Rohr­ kathoden (5, 5' bzw. 31) des Magnetrontyps und mit mindestens einem weiteren Paar Kathoden (6, 6' bzw. 25, 26 bzw. 30, 32)) des Magnetron­ typs und mit einem Mittelfrequenzgenerator (10) mit nachgeschaltetem Transformator (9), dessen beide Ausgänge (1, 12) seiner Sekundär­ wicklung jeweils mit den Kathoden des zweiten Paars (6, 6' bzw. 25, 26 bzw. 30, 32) verbunden sind, wobei über eine Mittelanzapfung (15) des Transformators (9) und über ein Netzwerk (17 bzw. 13, 14) Gleichstrom in die Leitungen zum ersten Kathodenpaar (31) eingespeist wird.

2. Vorrichtung zum Aufstäuben von dünnen Schich­ ten aus elektrisch isolierendem Material auf flache Substrate (33, 33',. . .) mit einem Paar (31) in einer evakuierbaren, an eine Gasquel­ le (4') angeschlossenen Kammer (3'') angeord­ neten Rohrkathoden (5, 5') des Magnetrontyps und mit weiteren, dieser Kammer (3'') jeweils vor- und nachgeschalteten evakuierbaren Kam­ mern (3' bzw. 3''') und mit jeweils einer, in jeder dieser weiteren Kammern (3', 3''') ange­ ordneten planaren Kathode (6, 6') des Magne­ trontyps und mit in den die Kammern (3', 3'', 3''') voneinander trennenden Wänden (7', 7'') vorgesehenen Öffnungen oder Durch­ brüchen (8, 8') und mit einem Mittelfrequenz­ generator (10) mit nachgeschaltetem Transfor­ mator (9), wobei die beiden Ausgänge (1, 12) seiner Sekundärwicklung jeweils mit den planaren Kathoden (6, 6') verbunden sind und eine Mittelanzapfung (15) des Transformators (9) an die zwei Gleichstromversorgungen (13, 14) für die Rohrkathoden (5, 5') ange­ schlossen ist.

3. Vorrichtung zum Aufstäuben von dünnen Schich­ ten aus elektrisch isolierendem Material auf flache Substrate (33, 33', . . .) mit einem Paar (31) in einer evakuierbaren, an eine Gasquel­ le (4') angeschlossenen Kammer (3'') angeord­ neten Rohrkathoden (5, 5') des Magnetrontyps und mit weiteren, dieser Kammer jeweils vor- und nachgeschalteten evakuierbaren Kammern (3', 3''') und mit jeweils einer in jeder die­ ser weiteren Kammern (3', 3''') angeordneten planaren Kathode (6, 6') des Magnetrontyps und mit in den die nebeneinander angeordneten Kammern (3', 3'', 3''') voneinander trennenden Wänden (7', 7'') vorgesehenen Öffnungen (8, 8') oder Durchbrüchen und mit einem Mittelfre­ quenzgenerator (10) mit nachgeschaltetem Transformator (9), wobei die beiden Ausgänge (11, 12) seiner Sekundärwicklung jeweils mit einer planaren Kathode (6, 6') verbunden und jeweils über Zweigleitungen (34, 35) mit Gleichstromversorgungen (13, 14) verbunden sind, die jeweils eine Rohrkathode (5 bzw. 5') mit Strom versorgen, wobei in die Zweig­ leitungen (34, 35) Drosseln (18, 19) und/oder Freilaufdioden (23, 24) eingeschaltet sind.

4. Vorrichtung zum Aufstäuben von dünnen Schich­ ten aus elektrisch isolierendem Material auf flache Substrate (33, 33', . . .) mit einem Paar in einer ersten evakuierbaren Kammer (3'') angeordneten Rohrkathoden (5, 5') des Magne­ trontyps und mit weiteren, dieser Kammer (3'') jeweils vor- und nachgeschalteten, eva­ kuierbaren Kammern (3', 3''') und mit jeweils einer in jeder dieser zusätzlichen Kammern (3', 3''') angeordneten Rohrkathode (25, 26) des Magnetrontyps und mit in den die neben­ einander angeordneten Kammern (3', 3'', 3''') voneinander trennenden Wänden (7', 7'') vorge­ sehenen Öffnungen (8, 8') oder Durchbrüchen und mit einem Mittelfrequenzgenerator (10) mit nachgeschaltetem Transformator (9), wobei die beiden Ausgänge (11, 12) seiner Sekundär­ wicklung jeweils mit den einzelnen Rohrkatho­ den (25, 26) verbunden sind und die Mittelan­ zapfung (15) des Transformators (9) an zwei Gleichstromversorgungen (13, 14) für das Ka­ thodenpaar (31) angeschlossen ist.

5. Vorrichtung zum Aufstäuben von dünnen Schich­ ten aus elektrisch isolierendem Material auf flache Substrate (33, 33', . . .) mit einer Viel­ zahl von in einer evakuierbaren Kammer ange­ ordneten Rohrkathoden des Magnetrontyps und mit einem Mittelfrequenzgenerator (10) mit nachgeschaltetem Transformator (9), wobei die beiden Ausgänge (11, 12) seiner Sekundärwick­ lung jeweils mit Rohrkathoden (25, 26) des Ma­ gnetrontyps verbunden sind und eine Mittelan­ zapfung (15) des Transformators (9) an zwei Gleichstromversorgungen (13, 14) angeschlossen ist, wobei die Gleichstromversorgungen (13, 14) jeweils mit einer Rohrkathode (5, 5') des Magnetrontyps verbunden sind und die mit Gleichstrom versorgten Rohrkathoden (5, 5') unmittelbar nebeneinander vorgesehen sind.

6. Vorrichtung zum Aufstäuben von dünnen Schich­ ten aus elektrisch isolierendem Material auf flache Substrate (33, 33', . . .) mit paarweise in einer evakuierbaren, an eine Prozeßgas­ quelle (28) angeschlossene Kammer (27) ange­ ordneten Rohrkathodenpaare (30, 31, 32) des Ma­ gnetrontyps und mit einem Mittelfrequenzgene­ rator (10) mit nachgeschaltetem Transformator (9), wobei die beiden Ausgänge (11, 12) seiner Sekundärwicklung jeweils mit den Kathoden ei­ nes Rohrkathodenpaares (30) verbunden sind und eine Mittelanzapfung (15) über Zweiglei­ tungen an mehrere Gleichstromversorgungen (13, 14 bzw. 13', 14') für weitere Rohrkatho­ denpaare (31, 32) angeschlossen ist.