DE19651811A1 - Vorrichtung zum Belegen eines Substrats mit dünnen Schichten - Google Patents
Vorrichtung zum Belegen eines Substrats mit dünnen SchichtenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bele
gen eines Substrats mit dünnen Schichten von Tar
gets, zwischen denen ein Gasentladungsplasma auf
rechterhalten wird, um die zum Beschuß der an
Wechselspannung anliegenden Targets erforderlichen
Ionen zu erzeugen, wozu die Prozeßkammer ein unter
einem bestimmten Partialdruck stehendes Gas ent
hält und die Targets mit einer Stromquelle verbun
den und so geschaltet sind, daß sie wechselweise
Kathode und Anode der Gasentladung bilden.
Es ist eine Vorrichtung zum reaktiven Beschichten
eines Substrats bekannt (DE-A-41 36 655.7; Zusatz zu
DE-A-40 42 289.5), bei der eine elektrisch von der
Vakuumkammer getrennte, als Magnetronkathode ausge
bildete, aus zwei elektrisch voneinander getrennten
Teilen bestehende Kathode, bei der der Targetgrund
körper mit Joch und Magneten als der eine Teil -
unter Zwischenschaltung einer Kapazität - an den ne
gativen Pol einer Gleichstrom-Spannungsversorgung
und das Target als der andere Teil über eine Leitung
und unter Zwischenschaltung einer Drossel und einem
dieser parallel liegenden Widerstand an die Strom
versorgung angeschlossen ist, wobei das Target über
eine weitere Kapazität mit dem Pluspol der Stromver
sorgung und mit der Anode verbunden ist, die ihrer
seits - unter Zwischenschaltung eines Widerstandes -
auf Masse liegt, wobei in Reihe zur induktionsarmen
Kapazität eine Induktivität in die Zweigleitung zum
Widerstand und zur Drossel eingeschaltet ist und der
Wert für den Widerstand typischerweise zwischen
2 KΩ und 10 KΩ liegt.
Diese ältere Vorrichtung ist so ausgebildet, daß sie
die überwiegende Zahl der während eines Beschich
tungsprozesses auftretenden Arcs unterdrückt, die
Energie der Arcs absenkt und die Wiederzündung des
Plasmas nach einem Arc verbessert.
In einer weiteren älteren Patentanmeldung
(P 41 27 504.7) wurde auch bereits eine Schaltungs
anordnung zum Löschen von Lichtbögen in Plasmavor
richtungen geschaffen, um auch beim Sputtern von
schwierigen Materialien, z. B. von SiO2, hohe Be
schichtungsraten zu ermöglichen. Es wird dabei der
Augenblickswert der Spannung der Plasmastrecke mit
einem Spannungswert verglichen, der einer über eine
vorgegebene Zeit ermittelten mittleren Plasmaspan
nung entspricht, wobei dann, wenn die Differenz zwi
schen dem Augenblickswert der Plasmaspannung einen
vorgegebenen Wert übersteigt, die Plasmastrecke von
der Spannungsquelle getrennt wird.
Beim reaktiven Sputtern von Metalloxiden bzw. Me
tallnitriden kann die Entstehung von mehr oder weni
ger gut isolierenden Schichten auf der Targetober
fläche nicht vermieden werden. Solche Isolierschich
ten auf dem Target stehen in Plasmakontakt und laden
sich deshalb elektrisch auf. Aufgrund der hohen
elektrischen Feldstärke in diesen dünnen Schichten
kann es zu elektrischen Durchbrüchen kommen. Auf
diese Weise wird ein Arc initialisiert. Die Folgen
sind eine punktuelle Zerstörung des Targets und da
mit Schichtdefekte auf dem Substrat.
Beim Mittelfrequenzsputtern (wie es beispielsweise
in der DE-A-41 38 793 und DE-A-41 38 794 beschrieben
ist) hat sich gezeigt, daß spontane Arcs mit gerin
gerer Häufigkeit auftreten als beim normalen DC-
Sputtern. Die Besonderheit des bekannten Verfahrens
ist, daß die Kathoden im Takt der Mittelfrequenz pe
riodisch umgeladen werden.
Bekannt ist auch eine Vorrichtung zum beschichten
eines Substrats, insbesondere mit elektrisch nicht
leitenden Schichten (DE-A-42 02 425) von einem elek
trisch leitfähigen Target in reaktiver (z. B. oxydie
render Atmosphäre), bestehend aus einer Gleichstrom
quelle, die mit einer in einer evakuierbaren Be
schichtungskammer angeordneten, einen Magneten ein
schließenden Kathode verbunden ist, die elektrisch
mit dem Target zusammenwirkt, die zerstäubt wird und
deren abgestäubte Teilchen sich auf dem Substrat
niederschlagen, wobei eine elektrisch von der Sput
terkammer getrennte Anode angeordnet ist und eine
DC-Magnetronkathode, die an eine DC-Stromquelle an
geschlossen ist, mit Hilfe einer angepaßten zusätz
lichen Schaltung periodisch für kurze Zeitspannen
auf ein positives Potential bringbar ist, wobei die
Frequenz dieses periodischen Umpolens - abhängig von
der abzuscheidenden Schicht - einstellbar ist.
Ausgehend von den Erfahrungen mit Vorrichtungen zum
Mittelfrequenzsputtern von dünnen Schichten liegt
der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ei
ne Vorrichtung des in Frage stehenden Typs so zu
verbessern, daß bei der Beschichtung von sehr groß
flächigen Substraten ein starkes und gleichmäßiges
Ionenbombardement ohne den Einsatz kostspieliger
Stromversorgungen erreicht wird, wobei das Ionenbom
bardement selbst kontrollierbar erfolgen soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vor
richtung gelöst, bei der das Umpolen der Stromrich
tung über eine aus vier Schaltern gebildete H-Brücke
erfolgt, deren Diagonalpunkte mit jeweils einer Ma
gnetronkathode, die je ein Target tragen, verbunden
sind, wobei von dem die Brücke mit der ersten Span
nungsquelle verbindenden ersten Leiter eine Leitung
abzweigt, die mit dem Pluspol einer Spannungsquelle
oder eines Ladungsspeichers verbunden ist, deren Mi
nuspol über einen fünften Schalter mit der Prozeß
kammer verbunden ist, und ein zweiter Leiter die er
ste Spannungsquelle mit einer Drossel verbindet und
die Drossel mit einer Brücke verbunden ist und alle
Schalter von einer Steuerschaltung in einem regelmä
ßigen und einstellbaren Modus betätigt werden.
Bei einer alternativen Ausführungsform erfolgt das
Umpolen der Stromrichtung über eine aus vier Schal
tern gebildeten H-Brücke, deren Diagonalpunkte mit
jeweils einer Magnetronkathode, die je ein Target
tragen, verbunden sind, wobei von dem die Brücke mit
der ersten spannungsquelle verbindenden ersten Lei
ter eine Leitung abzweigt, die mit dem Pluspol einer
Spannungsquelle oder eines Ladungsspeichers verbun
den ist, dessen Minuspol über einen fünften Schalter
mit der Prozeßkammer verbunden ist, und ein zweiter
Leiter die erste Spannungsquelle mit der Brücke ver
bunden ist, wobei ein zweiter Ladungsspeicher mit
der ersten und zweiten Leitung verbunden ist und al
le Schalter von einer Steuerschaltung in einem re
gelmäßigen und einstellbaren Modus betätigt werden.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung sind
in den Patentansprüchen näher dargestellt und ge
kennzeichnet.
Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausführungs
möglichkeiten zu; vier davon sind in den anhängenden
Zeichnungen rein schematisch näher dargestellt, und
zwar zeigen:
Fig. 1 das stark vereinfachte Blockschaltbild
einer Vorrichtung der in Frage stehen
den Art,
Fig. 2 das Strombild verschiedener Schaltpha
sen der Schaltung nach Fig. 1,
Fig. 3-5 das elektrische Schaltschema mit einer
mit einer ersten Stromquelle verbunde
nen, den beiden Elektroden vorgeschal
teten H-Brücke, einer zweiten Strom
quelle und einer Drossel im Neutrallei
ter der Brücke.
Fig. 6-8 eine Schaltung ähnlich derjenigen nach
den Fig. 3 bis 5, jedoch mit einer
zwischen Stromleiter und Minuspol ge
schalteten Kapazität.
Fig. 9-11 eine Schaltung ähnlich derjenigen nach
den Fig. 6 bis 8, jedoch mit einer
zweiten Stromquelle in Gestalt eines
Kondensators und
Fig. 12 eine Schaltung ähnlich derjenigen gemäß
den Fig. 3 bis 5 mit einer zweiten
als Kondensator ausgebildeten Strom
quelle.
Die in Fig. 1 dargestellte Prinzipschaltung besteht
aus einer ersten Stromquelle 3 einer Vakuumkammer 6
mit den darin angeordneten Elektroden 9, 10 mit Tar
gets 12, 13 und dem Substrat 24, einer Schalteranord
nung 4 und einer zweiten Stromquelle 5. Der an die
Elektrode 9 angeschlossene Stromleiter ist über die
Schalteranordnung 4 und die Leitung 21 mit der zwei
ten Stromquelle 5 und über den Schalter 20 mit der
Erde verbunden, wenn die Schalteranordnung 4 in der
Phase II (siehe Fig. 2) die Stromquelle 3 kurz
schließt. In der Phase III sind die Elektroden 9 und
10 mit der Stromquelle 3 verbunden.
Die Schaltung gemäß den Fig. 3 bis 5 besteht aus
dem Generator 3, der mit diesem elektrisch verbunde
nen Brückenschaltung 4, dem zweiten Generator 5, der
Vakuumkammer 6 mit Vakuumpumpe 7, dem Gaseinlaßven
til 8, den beiden Elektroden 9, 10 mit zugehörigen
Targets 12,13, der Drossel 11, dem Erdleiter 15 und
den Schaltern 16 bis 20. Die IGBT-Schalter 16 bis 20
werden während des Sputtervorgangs von einer nicht
näher dargestellten Steuerschaltung nach einem re
gelmäßigen und einstellbaren Modus in der in den
Zeichnungen (Fig. 3 bis 5) dargestellten drei Phasen
betätigt, so daß die Targets 12, 13 wechselweise Ka
thode und Anode der Gasentladung bilden.
Wie Fig. 3 zeigt, fließt der Strom vom Generator 3
über den Leiter 14 und den Schalter 19 zur Elektrode
10 mit Target 13, während die zweite Stromquelle 5
von den Elektroden 12, 13 abgekoppelt ist, da der in
die Zweigleitung 21 eingefügte Schalter 20 und auch
der Schalter 18 der H-Brücke 4 geöffnet sind. Der
Strom wird in dieser Zeit durch die Drossel 11 in
der Stromversorgung begrenzt.
In Fig. 4 ist die nächste Phase des Sputtervorgangs
dargestellt, in der alle Schalter 16 bis 19 der H-
Brücke und auch der Schalter 20 kurzgeschlossen
sind. Diese Pausenzeit für die Entladung wird ausge
nutzt, um die beiden Elektroden 9, 10 durch den
Schalter 20 an eine externe Spannungsquelle 5 anzu
schließen. Die Zeitdauer für die Pause und damit die
Beschleunigungszeit für die Ionen ist so gewählt,
daß die Mehrzahl der Ionen die Strecke von den Elek
troden 9, 10 zum Substrat 24 zurückgelegt hat. Da
auch die Zeitdauer durch die Ansteuerung der Schal
ter einstellbar ist, können sowohl die Energie durch
die externe Spannungsquelle 5 als auch die Anzahl
der Ionen durch die Zeitdauer gewählt werden.
Die gleiche Schaltung ist auch für einen Spannungs
pulser realisierbar, wie er in den Fig. 6 bis 8
dargestellt ist, wobei sich die zugehörige Schaltung
von derjenigen nach den Fig. 1 bis 3 dadurch un
terscheidet, daß die beiden Stromleiter 14, 23 über
eine Leitung 25 mit einer in diese eingeschalteten
Kapazität 26 verbunden sind. Darüber hinaus fehlt
die den Strom bei der Ausführung nach den Fig. 1
bis 3 begrenzende Drossel 11.
Die Fig. 9 bis 11 zeigen eine weitere Variante,
bei der das externe Netzteil 5 durch einen Kondensa
tor 29 ersetzt ist. Während der Sputterzeit wird
der Kondensator 29 aufgeladen und in der Pausenzeit
wird die im Kondensator 29 gespeicherte Energie be
nutzt, die Ionen zum Substrat 24 zu beschleunigen.
Diese Variante schränkt die Freiheit in der Be
schleunigungsspannung ein, aber für einige Anwendun
gen besteht so die Möglichkeit für einen kostengün
stigeren Aufbau.
Fig. 12 zeigt die vereinfachte Schaltung mit dem
Kondensator 29 in der Strompulser-Version.
Bekannte Lösungen benutzen zur Verstärkung des Io
nenbombardements entweder separate Ionenquellen,
z. B. die APS, oder beim Sputtern eine Biasspannung.
Während separate Ionenquellen den Hauptnachteil in
der Ionenverteilung haben, d. h. nicht auf große Flä
chen selektierbar sind, besteht beim Einbringen ei
ner Biasspannung besonders bei großen Glasflächen
das Problem, großflächige Hochfrequenzelektroden und
entsprechende Leistungen zu installieren. Die ge
nannten Probleme haben verursacht, daß bisher bei
der Großflächenbeschichtung keine Ionenunterstützung
eingesetzt wurde. Bei der herkömmlichen Mittelfre
quenzentladung in der Doppel-Magnetron-Anordnung
stellt sich durch die Entladungsparameter eine na
türliche Beschleunigungsspannung ein, die nur in en
gen Grenzen in Abhängigkeit von den anderen Parame
tern variiert werden kann. Der Variationsbereich ist
für viele Anwendungen nicht ausreichend, wo eine
drastische Strukturveränderung benötigt wird.
Die erfindungsgemäße Lösung hat demgegenüber den
Vorteil, daß die Beschleunigungsspannung unabhängig
von anderen Prozeßparametern gewählt werden kann,
wodurch bestimmte Schichten überhaupt erst großflä
chig herstellbar werden.
3
Generator, erste Stromquelle
4
Brückenschaltung
5
Generator, zweite Stromquelle,
externes Netzteil
6
Vakuumkammer, Prozeßkammer
7
Vakuumpumpe
8
Gaseinlaßventil
9
Elektrode
10
Elektrode
11
Drossel
12
Target
13
Target
14
Stromleiter
15
Erdleiter
16
Schalter
17
Schalter
18
Schalter
19
Schalter
20
Schalter
21
Zweigleitung
22
Kondensator
23
Stromleiter
24
Substrat
25
Zweigleitung
26
Ladungsspeicher, Kondensator
27
Zweigleitung
28
Schalter
29
Kondensator, Ladungsspeicher
30
Schalter
31
Zweigleitung
Claims (5)
1. Vorrichtung zum Belegen eines Substrats (24)
mit dünnen Schichten mittels Kathodenzerstäu
bung von Targets (12, 13), zwischen denen ei
ne Spannung angelegt wird, um ein Gasentla
dungsplasma aufrechtzuerhalten, um die zur
Kathodenzerstäubung erforderlichen Ionen zu
erzeugen, wozu die Prozeßkammer (6) ein unter
einem bestimmten Partialdruck stehendes Gas
enthält und die Targets (12, 13) mit einer
Stromquelle verbunden und so geschaltet sind,
daß sie wechselweise Kathode und Anode der
Gasentladung bilden, dadurch gekennzeichnet,
daß das Umpolen der Stromrichtung über eine
aus vier Schaltern (16 bis 19) gebildete H-
Brücke (4) erfolgt, deren Diagonalpunkte mit
jeweils einer Magnetronkathode (9 bzw. 10),
die je ein Target (12 bzw. 13) tragen, ver
bunden sind, wobei von dem die Brücke (4) mit
der ersten Spannungsquelle (3) verbindenden
ersten Leiter (14) eine Leitung (21) ab
zweigt, die mit dem Pluspol einer Spannungs
quelle (5) oder eines Ladungsspeichers (29)
verbunden ist, deren Minuspol über einen
fünften Schalter (20) mit der Prozeßkammer
(6) verbunden ist, und ein zweiter Leiter
(23) die erste Spannungsquelle (3) mit einer
Drossel (11) verbindet und die Drossel (11)
mit der Brücke (4) verbunden ist und alle
Schalter (16 bis 19, 20, 28) von einer Steuer
schaltung in einem regelmäßigen und einstell
baren Modus betätigt werden.
2. Vorrichtung zum Belegen eines Substrats (24)
mit dünnen Schichten mittels Kathodenzerstäu
bung von Targets (12, 13), zwischen denen ei
ne Spannung angelegt wird, um ein Gasentla
dungsplasma aufrechtzuerhalten, um die zur
Kathodenzerstäubung erforderlichen Ionen zu
erzeugen, wozu die Prozeßkammer (6) ein unter
einem bestimmten Partialdruck stehendes Gas
enthält und die Targets (12, 13) mit einer
Stromquelle verbunden und so geschaltet sind,
daß sie wechselweise Kathode und Anode der
Gasentladung bilden, dadurch gekennzeichnet,
daß das Umpolen der Stromrichtung über eine
aus vier Schaltern (16 bis 19) gebildete H-
Brücke (4) erfolgt, deren Diagonalpunkte mit
jeweils einer Magnetronkathode (9 bzw. 10),
die je ein Target (12 bzw. 13) tragen, ver
bunden sind, wobei von dem die Brücke (4) mit
der ersten Spannungsquelle (3) verbindenden
ersten Leiter (14) eine Leitung (21) ab
zweigt, die mit dem Pluspol einer Spannungs
quelle (5) oder eines Ladungsspeichers (29)
verbunden ist, deren Minuspol über einen
fünften Schalter (20) mit der Prozeßkammer
(6) verbunden ist, und ein zweiter Leiter
(23), der den Plus-Pol der ersten Spannungs
quelle (3) mit der H-Brücke (4) verbindet, an
einen Kondensator (26) gekoppelt ist, dessen
anderer Pol an den ersten Leiter (14) ange
schlossen ist und alle Schalter (16 bis
19, 20) von einer Steuerschaltung in einem re
gelmäßigen und einstellbaren Modus betätigt
werden.
3. Vorrichtung zum Belegen eines Substrats (24)
mit dünnen Schichten mittels Kathodenzerstäu
bung von Targets (12, 13), zwischen denen ei
ne Spannung angelegt wird, um ein Gasentla
dungsplasma aufrechtzuerhalten, um die zur
Kathodenzerstäubung erforderlichen Ionen zu
erzeugen, wozu die Prozeßkammer (6) ein unter
einem bestimmten Partialdruck stehendes Gas
enthält und die Targets (12, 13) mit einer
Stromquelle verbunden und so geschaltet sind,
daß sie wechselweise Kathode und Anode der
Gasentladung bilden, dadurch gekennzeichnet,
daß das Umpolen der Stromrichtung über eine
aus vier Schaltern (16 bis 19) gebildete H-
Brücke (4) erfolgt, deren Diagonalpunkte mit
jeweils einer Magnetronkathode (9 bzw. 10),
die je ein Target (12 bzw. 13) tragen, ver
bunden sind, wobei von dem die Brücke (4) mit
der ersten Spannungsquelle (3) verbindenden
ersten Leiter (14) eine Leitung (21) ab
zweigt, die mit dem Pluspol eines Ladungs
speichers (29) verbunden ist, dessen Minuspol
über einen fünften Schalter (20) mit der Pro
zeßkammer (6) verbunden ist, und ein zweiter
Leiter (23) die erste Spannungsquelle (3) mit
der Brücke (4) verbunden ist, wobei ein zwei
ter Ladungsspeicher (26) mit der Leitung (23)
und der Leitung (14) verbunden ist, und wobei
die die Brücke (4) mit dem Minus-Pol der er
sten Spannungsquelle (3) verbindende Leitung
(23) über eine Zweigleitung (27) mit Schalter
(30) an den Leiter (15) zur Prozeßkammer (6)
angeschlossen ist und alle Schalter (16 bis
19, 20, 28, 30) von einer Steuerschaltung in ei
nem regelmäßigen und einstellbaren Modus be
tätigt werden.
4. Vorrichtung zum Belegen eines Substrats (24)
mit dünnen Schichten mittels Kathodenzerstäu
bung von Targets (12, 13), zwischen denen ei
ne Spannung angelegt wird, um ein Gasentla
dungsplasma aufrechtzuerhalten, um die zur
Kathodenzerstäubung erforderlichen Ionen zu
erzeugen, wozu die Prozeßkammer (6) ein unter
einem bestimmten Partialdruck stehendes Gas
enthält und die Targets (12, 13) mit einer
Stromquelle verbunden und so geschaltet sind,
daß sie wechselweise Kathode und Anode der
Gasentladung bilden, dadurch gekennzeichnet,
daß das Umpolen der Stromrichtung über eine
aus vier Schaltern (16 bis 19) gebildete H-
Brücke (4) erfolgt, deren Diagonalpunkte mit
jeweils einer Magnetronkathode (9 bzw. 10),
die je ein Target (12 bzw. 13) tragen, ver
bunden sind, wobei von dem die Brücke (49 mit
der ersten Spannungsquelle (3) verbindenden
ersten Leiter (14) eine Leitung (21) ab
zweigt, die mit dem Pluspol einer Spannungs
quelle (5) oder eines Ladungsspeichers (29)
verbunden ist, deren Minuspol über einen
fünften Schalter (20) mit der Prozeßkammer
(6) verbunden ist, und ein zweiter Leiter
(23) die erste Spannungsquelle (3) mit einer
Drossel (11) verbindet und die Drossel (11)
mit der Brücke (4) verbunden ist, wobei an
der Verbindung zwischen der Drossel (11) und
der Brücke (4) ein sechster Schalter (28) an
geschlossen ist, der mit dem Minuspol des La
dungsspeichers (29) an der Anschlußstelle des
fünften Schalters (20) verbunden ist, und al
le Schalter (16 bis 19, 20, 28) von einer Steu
erschaltung in einem regelmäßigen Modus betä
tigt werden.
5. Verfahren zum Belegen eines Substrats (24)
mit dünnen Schichten mittels Kathodenzerstäu
bung von Targets (12, 13), zwischen denen ei
ne Spannung angelegt wird, um ein Gasentla
dungsplasma aufrechtzuerhalten, um die zur
Kathodenzerstäubung erforderlichen Ionen zu
erzeugen, wozu die Prozeßkammer (6) ein unter
einem bestimmten Partialdruck stehendes Gas
enthält und die Targets (12, 13) mit einer
Stromquelle verbunden und so geschaltet sind,
daß sie wechselweise Kathode und Anode der
Gasentladung bilden, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kathodenzerstäubungsprozeß in einem
vorgewählten Rhythmus für vorbestimmte Zei
tintervalle unterbrochen wird, in dem die
beiden Kathoden (9, 10) durch eine Brücke (4)
kurzgeschlossen werden und an diesen Kurz
schluß eine positive Spannung gegenüber der
Prozeßkammer (6) oder dem Substrat (24) ange
legt wird, wobei die Höhe der Spannung durch
eine zweite Spannungsquelle (5) bzw. die
Zeitdauer der Aufladung eines Ladungsspei
chers (29) kontrolliert wird.
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