DE19830404B4

DE19830404B4 - Vorrichtung zur Sputterbeschichtung mit variierbarem Plasmapotential

Info

Publication number: DE19830404B4
Application number: DE1998130404
Authority: DE
Inventors: Martin Dipl.-Phys. Dimer; Johannes Dipl.-Phys. Dr.rer.nat. Strümpfel; Dietmar Dr. Schulze; Hans-Christian Dipl.-Phys. Hecht; Klaus Dipl.-Ing. Gehm; Paul Dr.rer.nat. Gantenbein
Original assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Current assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Priority date: 1998-07-08
Filing date: 1998-07-08
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2018-07-09
Also published as: DE19830404A1

Abstract

Vorrichtung zur Sputterbeschichtung mit variierbarem Plasmapotiential mit einer Vakuumkammer, in der gegenüber eines Substrates ein Doppelmagnetron angeordnet ist, dessen einzelne Magnetrons potientialfrei an den Ausgang einer bipolaren Stromversorgung angeschlossen sind, und in der eine mit einer Zusatzspannung beaufschlagte Zusatzelektrode angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzelektrode (5) zumindest in einem Plasmaraum zwischen den einzelnen Magnetrons (3.1; 3.2) und dem Substrat (2) derart angeordnet ist, dass sie das Doppelmagnetron (3) in Richtung zum Substrat (2) überragt und bis auf einen Abstand zum Substrat (2) hin reicht und mit der Zusatzspannung gegenüber Masse vorgespannt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Sputterbeschichtung mit variierbarem Plasmapotential mit einer Vakuumkammer, in der gegenüber eines Substrates ein Doppelmagnetron angeordnet ist, dessen einzelne Magnetrons potentialfrei an den Ausgang einer bipolaren Stromversorgung angeschlossen sind und in der eine mit einer Zusatzspannung beaufschlagte Zusatzelektrode angeordnet ist.
Bekannte Doppelmagnetrons bestehen aus zwei zumeist längserstreckten Magnetrons, die in ihrer Längserstreckung nebeneinander angeordnet sind. Sie dienen der Sputterbeschichtung in einem Plasma.
Die Schichtbildung in plasmatechnischen Verfahren wird bestimmt durch die Stromdichte und die Energie der neutralen und elektrisch geladenen Teilchen, die auf die Substratoberfläche auftreffen.
Die Schichteigenschaften, wie z.B. die Vernetzung und die Dichte der Schichten, können während des Wachstumsprozesses vorteilhaft durch einen Ionenbeschuß beeinflußt werden. So ist beim Titandioxid bekannt, daß aufgedampfte Schichten eine geringere Packungsdichte besitzen, als mit dem Sputterverfahren hergestellte. Die geringere Packungsdichte führt zu einer Feuchtigkeitsaufnahme der Schichten, die auch nach der Be schichtung eine schleichende Veränderung des Brechungsindexes zur Folge hat. Damit werden die Schichteigenschaften unkon trollierbar beeinflußt.
Im Gegensatz zu den reinen Aufdampfverfahren tritt ein Ionenbeschuß der wachsenden Schicht auch während des Sputterverfahrens ein. Die Struktur und die Eigenschaften amorpher Kohlenwasserstoffschichten, die auch mit Metallen dotiert werden können (Me-C:H), sind abhängig von der Energie der Ionen, die während des Wachstums auf die Schicht treffen.
Die Energie der Ionen, die auf das Substrat treffen, wird bestimmt durch den Spannungsabfall über die Plasmarandschicht am Substrat bzw. über die Höhe des Plasmapotentials.
Um die Ionenenergie gezielt einzustellen, werden die Substrate gewöhnlich mit einem negativen Gleichspannungspotential oder einer hochfrequenten Wechselspannung als Substratvorspannung beaufschlagt.
Die Ionenenergie wird maßgeblich bestimmt durch die eingestellte Amplitude der Spannung.
Die Spannung zwischen den Elektroden verhält sich über den Abstand der Elektroden zueinander nichtlinear. So entsteht in der Nähe der Kathode ein bereits sehr starker Abfall der negativen Spannung. Der Bereich, in dem diese Erscheinung auftritt, wird als Kathodenfallraum oder Plasmarandschicht bezeichnet.
Im übrigen Raum stellt sich typischerweise ein positives Plasmapotential ein. Die Höhe dieses Plasmapotentiales und die Substratvorspannung sind entscheidend für die Energie, mit der Teilchen auf das Substrat treffen, wodurch die Schichteigenschaften gezielt beeinflußt werden können.
Es hat sich gezeigt, daß eine Erhöhung der Elektrodenspannung an dem Doppelmagnetron zwar eine Erhöhung des Spannungsabfalles im Kathodenfallraum mit sich bringt, jedoch das Plasmapotential nicht beeinflußt. Die Energie der auf das Substrat auftreffenden Ionen beträgt E = e·(|UP| + |US|), wobei UP das Plasmapotential gegen Masse und US die Substratvorspannung gegen Masse ist. Die Veränderung dieser Energie ist somit durch Veränderung der Substratvorspannung US oder des Plasmapotentiales UP erreichbar. In vielen Fällen ist es auch technischen und konstruktiven Gründen nicht möglich, das Substrat elektrisch gegen Masse zu isolieren. Um Einfluss auf die Schichteigenschaften nehmen zu können, ist dann die Variation des Plasmapotentiales erforderlich.

In der DE 196 51 811 A1 wird eine Vorrichtung zur Sputterbeschichtung beschrieben, bei der gegenüber eines Substrates ein Doppelmagnetron angeordnet ist. Die einzelnen Magnetrone des Doppelmagnetrons sind potentialfrei an den Ausgang einer bipolaren Stromversorgung angeschlossen. Dabei wird eine Gleichspannungsquelle zu einem Zeitpunkt mit ihrem Pluspol mit dem einen Magnetron und mit ihrem Minuspol mit dem anderen Magnetron verbunden. Zu einem weiteren Zeitpunkt wird diese Polung genau umgekehrt. Dieses Umpolen kann beispielsweise im Mittelfrequenzbereich geschehen. Damit ist einmal das eine Target Anode und das andere Target Kathode und zu einem späteren Zeitpunkt ist das genau umgekehrt.

In der DE 195 06 799 A1 und in der DE 42 23 505 C1 werden je eine klassische Kathoden-Anoden-Anordnung beschrieben, bei der ein von einem Magnetfeld durchflutetes Target als Kathode und ein Substrat als Anode geschaltet ist oder das Substrat zumindest eine gegenüber der Kathode positivere Spannung aufweist. Bei dieser Anordnung ist es in Folge der klaren Zuordnung von Spannungsverhältnissen – negative Spannung am Target und positive Spannung am Substrat – möglich, mittels einer zusätzlichen Elektrode eine Schichtabscheidung auf dem Substrat zu beeinflussen.

Allerdings sieht die Lösung nach der DE 42 23 505 C1 in erster Linie keine Beeinflussung der Schichtabscheidung auf dem Substrat vor, sondern soll hauptsächlich der starken Reduzierung von parasitären Bogenentladungen dienen. Im wesentlichen wird dies dadurch erreicht, dass ein Plasmaschirm zwischen der Kathode und dem Substrat angeordnet wird und dass eine Anode außerhalb dieses Plasmaschirms angeordnet wird. Dabei liegt sowohl der Plasmaschirm als auch das Substrat und naturgemäß auch die Anode auf positivem Potential, wohingegen die Kathode auf negativem Potential liegt.

Bei der genannten DE 195 06 799 A1 ist eine Steuerelektrode zwischen dem als Kathode geschalteten Magnetron mit dem Target und dem Substrat angeordnet. Diese Steuerelektrode bewirkt, dass Targetteilchen, die aus dem Target gesputtert und im Plasma positiv ionisiert werden, durch ein im Verhältnis zur Kathode positives Potential an der Steuerelektrodeneinrichtung beeinflusst werden. Dabei werden die positiv ionisierten Teilchen von dem anodenähnlichen elektrischen Feld um die Steuerelektrodeneinrichtung herum abgestoßen und gelangen nur dort zum Substrat, wo dieses anodenähnliche Potential nicht wirksam ist. Mit der Höhe des Potentiales an der Steuerelektrodeneinrichtung wird somit eine gezielte Beeinflussung der Abscheidung des Targetmateriales ermöglicht.

In der DE 195 06 515 C1 werden bei einem Beschichtungsverfahren zwei Magnetrone als Doppelmagnetron eingesetzt. Dabei weisen beide Magnetrone wiederum alternierend Anoden- und Kathodenpotential auf.

In dieser Druckschrift ist auch eine Zusatzelektrode beschrieben, die auf ein wahlfreies elektrisches Potential eingestellt werden kann. Dabei ist entweder vorgesehen, das elektrische Potential als Anodenpotential zu wählen. Dabei wirkt sich eine derartige Potentialeinstellung günstig auf das Zündverhalten aus. In diesem Falle brennt die Entladung zwischen jedem Teiltarget und der als Anode geschalteten Zusatzelektrode. In diesem Falle hat die Zusatzelektrode ausschließlich die Funktion einer Anode, dient also nicht der Veränderung der Höhe des Plasmapotentiales.

Im anderen Fall der Einstellung des Potentiales der Zusatzelektrode wird diese floatend angeordnet. Dadurch soll die Arc-Neigung der Anordnung reduziert werden.

Es ist somit Aufgabe der Erfindung, die Höhe des Plasmapotentiales zu verändern, um somit eine Beeinflussung der Schichtqualität zu erreichen.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Zusatzelektrode zumindest in einem Plasmaraum zwischen den einzelnen Magnetrons und dem Substrat derart angeordnet ist, dass sie das Doppelmagnetron in Richtung zu dem Substrat überragt und bis auf einen Abstand zum Substrat hin reicht und mit der Zusatzspannung gegenüber Masse vorgespannt ist.

Mit dieser Zusatzelektrode wird ein Anheben des Plasmapotentiales erreicht, wodurch sich die Schichteigenschaften beeinflussen lassen.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Zusatzelektrode als metallische Baugruppe ausgeführt ist, die das Doppelmagnetron kastenförmig umschließt. Dadurch wird das Plasma auf diesen Bereich konzentriert, wodurch parasitäre Beschichtungen oder parasitäre Entladungen verringert werden.

In einer weiteren Ausgestaltung ist die Zusatzelektrode gegenüber Masse mit der Zusatzspannung, die aus einer zeitweise positiven oder bipolaren Wechselspannung besteht, vorgespannt.

Es ist zweckmäßig, die Baugruppe aus metallischen Blechen bestehen zu lassen, die auch perforiert sein können oder aus Streckmetall bestehen.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt
1 einen schematisierten Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Einrichtung und
2 einen Verlauf einer mittelfrequenten Elektrodenspannung an einem Doppelmagnetron.
In einer Vakuumkammer 1 ist gegenüber eines Substrats 2 ein Doppelmagnetron 3 angeordnet, dessen einzelne Magnetrons 3.1 und 3.2 potentialfrei an den Ausgang einer bipolaren Stromversorgung 4 angeschlossen sind. In einem Plasmaraum zwischen den einzelnen Magnetrons 3.1 und 3.2 und dem Substrat 2 ist eine Zusatzelektrode 5 angeordnet. Diese ist gegenüber Masse mit einer ständig positiven Zusatzspannung vorgespannt.
Die Zusatzelektrode 5 ist als metallische Baugruppe ausgeführt ist, die das Doppelmagnetron 3 kastenförmig umschließt und es in Richtung zum Substrat 2 überragt und bis auf einen Abstand zum Substrat 2 hin reicht. Die Zusatzelektrode 5 besteht aus metallischen Blechen, die perforiert sind oder aus Streckmetall bestehen, da somit ein besserer Gasdurchlass gewährleistet wird.
In 2 ist der Verlauf der mittelfrequenten Elektrodenspannung an dem Doppelmagnetron 3 dargestellt. Das obere Kur venpaar A zeigt den Spannungsverlauf an dem Magnetron 3.1 und das untere Kurvenpaar B den Spannungsverlauf an dem Magnetron 3.2, gemessen gegenüber Masse.
Der obere Spannungsverlauf A' des Kurvenpaares A und der obere Kurvenverlauf B' des Kurvenpaares B zeigen die Erhöhung des Plasmapotentiales gegenüber dem unteren Spannungsverlauf A'' und B'', die ohne positive Zusatzspannung gemessen wurden.

1: Vakuumkammer
2: Substrat
3: Doppelmagnetron
3.1: Magnetron
3.2: Magnetron
4: Stromversorgung
5: Zusatzelektrode
A: Kurvenpaar
A',: A'' Spannungsverlauf
B: Kurvenpaar
B',: B'' Spannungsverlauf

Claims

Vorrichtung zur Sputterbeschichtung mit variierbarem Plasmapotiential mit einer Vakuumkammer, in der gegenüber eines Substrates ein Doppelmagnetron angeordnet ist, dessen einzelne Magnetrons potientialfrei an den Ausgang einer bipolaren Stromversorgung angeschlossen sind, und in der eine mit einer Zusatzspannung beaufschlagte Zusatzelektrode angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzelektrode (5) zumindest in einem Plasmaraum zwischen den einzelnen Magnetrons (3.1; 3.2) und dem Substrat (2) derart angeordnet ist, dass sie das Doppelmagnetron (3) in Richtung zum Substrat (2) überragt und bis auf einen Abstand zum Substrat (2) hin reicht und mit der Zusatzspannung gegenüber Masse vorgespannt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzelektrode (5) als metallische Baugruppe ausgeführt ist, die das Doppelmagnetron (3) kastenförmig umschließt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzelektrode (5) gegenüber Masse mit der Zusatzspannung, die aus einer zeit weise positiven oder bipolaren Wechselspannung besteht, vorgespannt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Baugruppe aus metallischen Blechen besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Bleche perforiert sind oder aus Streckmetall bestehen.