DE2000054A1

DE2000054A1 - Getter-Spruehvorrichtung und Verfahren zum Aufspruehen eines Werkstoffs auf ein Substrat

Info

Publication number: DE2000054A1
Application number: DE19702000054
Authority: DE
Inventors: Coltman Harvey David; James David William Francis
Original assignee: Bangor University
Current assignee: Bangor University
Priority date: 1969-01-02
Filing date: 1970-01-02
Publication date: 1971-03-04
Also published as: US3691053A; FR2027696A1; GB1301653A

Description

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Patentanwälte : Dipl. Ing. C. Wallach" ..... «„,«

Dipl. Ing. G. Koch '- I JAN. 1970

Dr. T. Kaibach
8 München 2 *.3i T42402ZS

12^29 - H/We

UNIVERSITY COLLEGE OP NORTH WALES, g Bangor /North Wales (Großbritannien)

Getter-Sprühvorrichtung und Verfahren zum Aufsprühen eines Werkstoffs auf ein Substrat

Die Erfindung betrifft eine Getter-Sprühvorrichtung und ein Verfahren zum Aufsprühen eines Werkstoffs auf ein Substrat, indem man eine reine Gasatmosphäre aus einem inerten Gas durch Getterwirkung herstellt und sodann den gewünschten Werkstoff durch Aufsprühen auf dem Substrat abscheidet. Durch die Erfindung sollen ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abscheidung von Dünnfilmen aus leitenden und/oder isolierenden Werkstoffen für DUnnfilm- und integrierte Schaltungen u.dgl. geschaffen werden, welche die Abscheidung von Werkstoffen, die bisher nur schwierig zu handhaben waren, oder mit Reinheitsgraden gestattet, die bisher wegen niedriger Sprühgeschwindigkeiten oder anderweitiger schlechter Eigenschäften schwierig zu erreichen waren.

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Zu diesem Zweck kennzeichnet sich eine Getter-Sprüfvorrichtung gemäß der Erfindung durch ein Gehäuse, in welchem ein SprUhraum vorgesehen ist; durch einen In dem SprUhraum vorgesehenen Träger für ein Substrat, auf welchen ein Werkstoff aufgesprüht werden soll; durch eine in dem SprUhraum vorgesehene Sprühkathode; durch einen Getterraum In dem Gehäuse, wobei der SprUhraum für Gas nur Über den Getterraum zugänglich ist; sowie durch eine in den Getterraum angeordnet e Getterelektrode.

Nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß als SprUhraum und als Oetterraum Kamera innerhalb des Gehäuses dienen, welche durch eine Trennwandung voneinander getrennt sind, längs welcher der einzige Zutritt fUr Gas zu der SprUhkanuaer besteht. Nach einer AusfUhrungsform kann dabei vorgesehen sein, daß die SprUhkammer zylindrisch 1st und daß die Getterkamoer eine die SprUhkammer umgebende Ringkammer ist, und daß das Substrat auf einer Plattform angeordnet ist, die von unten gegen den unteren Rand der zylindrischen Trennwandung heranreicht.

Nach einer Alternativausführung kann vorgesehen sein, daß als Oehäuse eine an der Oberseite offene Büchse mit einem abnehmbaren Deckel und einer die Trennwandung bildenden herausnehmbaren Querwandung vorgesehen ist, wobei der Raum unterhalb der Trennwandung die SprUhkammer und der Raum oberhalb der Querwandung die Getterkammer bilden.

Nach einer anderweitigen AusfUhrungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, daß der SprUhraum und der Getterraim zwischen einer planeren Kathodenanordnung und einer parallel zu dieser

ebenen

in geringem Abstand von ihr angeordneten/Anodenfläche begrenzt werden, und daß die planare Kathodenanordnung ein· Abschirmung mit einer ebenen Fläche aufweist, an oder nahe welcher eine SprUhkathode und eine Getterkathode parallel

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zu der Oberfläche angeordnet sind« wobei die Getterkathode ringförmig ausgebildet ist und die Sprühkathode in Abstand umgibt. Zweckmäßig kann vorgesehen sein, daS die Abschirmung eine geerdete Metal!abschirmung aufweist, und daß die Getter- und die Sprühkathode in Ausnehmungen in der ebenen Stirnfläche der Metallabschirmung angeordnet sind.

Die Getter- und die Sprühkathode können aus einer Gleichstromwelle gespeist werden, wobei die Kathoden auf einem Negativpotential bezüglich dem Gehäuse und dem Substrat gehalten werden; das Gehäuse und das Substrat können beispielsweise geerdet sein. In dem Getterraum wird dann eine Getterwirkung durch eine Entladung zwischen der Getter- "

elektrode (Kathode) und der Wandung des Gehäuses oder der Anodenoberfläche bewirkt. Alternativ können die Getter- und die Sprühkathode mit HF-Strömen gespeist werden. Dies eignet sich insbesondere zur Abscheidung von isolierenden Werkstoffen.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Aufsprühen

eines Werkstoffs auf ein Substrat, wobei man das Substrat in einen Sprühraum einbringt, in welchen Gas nur über einen

Getterraum eintreten kann, daß man eine inerte Gasatmos-

phäre bei einem Druck unterhalb des äußeren Luftdrucks in den Sprüh- und den Getterraum einführt, daß man dae Gas M in den Sprüh- und Getterräumen durch Getterwirkung reinigt, und daß man sodann das gewünschte Material von einer Sprüh kathode auf das Substrat aufsprüht, unter Aufrechterhaltung der Getterwirkung in dem Getterraum.

Als inertes Gas kann Argon verwendet werden, das auf einem

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Druck von etwa 10 Torr gehalten wird. Das Argon kann erforderlichenfalls vor der Einleitung in den umschlossenen Raum vorgereinigt werden, Indem man es über Hanganoxyd leitet,

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wodurch Sauerstoff, der die hauptsächliche Unreinheit darstellt, entfernt wird.

Im folgenden werden AusfUhrungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:

Flg. 1 in perspektivischer, teilweise aufgebrochener Ansicht eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Flg. 2 in Schnittansicht eine Vorrichtung gemäß einer Abwandlung der AusfUhrungsform nach Fig. 1;

Flg. 3 in Schnittansicht eine Vorrichtung gemäß einer weiteren AusfUhrungsform der Erfindung;

Flg. 4 In Schnittansicht eine Vorrichtung nach einer weiteren AusfUhrungsform der Erfindung.

Bei der in Flg. 1 gezeigten AusfUhrungsform weist die Vorrichtung eine Büchse aus rostfreiem Stahl mit einem zylindrischen Körper H und einem festen Boden I auf. Die Buche· 1st mit einem abnehmbaren Deckel A versehen; dieser trägt drei Stäbe B, an welchen eine Plattform C befestigt ist, die gleitend In die Büchse eingepaßt ist. Die Plattform unterteilt die Buchee in eine untere SprUhkanaer S und «in· ober· Oetterkammer T. Innerhalb der Oetterkammer befindet sloh eine ringförmige Getterkathode D aus Kupfer; dies· ist an einem Durchführungsisolator G aus hochwertiger Keramik so gehaltert, daß sie mit der Zylinderwandung der BUohee einen Ringspalt bildet. Dieser Spalt liegt unterhalb des oberen Randes der Büchse. Die Zylinderwand der BUohee ist geerdet und bildet die Qetteranode.

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Die SprUhkammer wedst ein© Sprt'ühkathode E auf, die asu Ende eines an dem Deckel A und der Plattform C befestigten Durchführungsisolators P hoher Qualität befestigt ist. Das zu besprühende Substrat ist auf einer Halterung K angeordnet; diese weist eine Heizvorrichtung auf, welcher über durch eine Durchführung J führende Leitungen gespeist wird. Von außerhalb der Büchse her ist eine Blende M zur Abdeckung eines bestimmten Teils des Substrats von Hand betätigbar. Und zwar ist die Blende über eine Vakuumdichtung an einer Rastvorrichtung betätigbar. Auf diese Weise kann entweder das ganze Substrat oder können verschiedene Teile des Substrats aufeinanderfolgend freigegeben werden, was die Abscheidung von Dünnfilm-Thermoelementen ermöglicht.

Bei einem typischen Auf3prühvorgang gemäß der Erfindung wird nach dem folgenden Verfahren vorgegangen. Zunächst befestigt man das Substrat, auf welchem der Sprühfilm abgeschieden werden soll, auf dem Träger K. Sodann werden der Deckel A und die Plattform C, zusammen mit den daran befindlichen Kathoden D und E, angebracht. Die Büchse wird in eine (nicht dargestellte) Umhüllung eingebracht, die mehrmale auf einen Druck von 10 Torr evakuiert und wieder mit Argon gefüllt wird. Sodann wird in der Umhüllung eine Strömung von 99*995 % Argon bei etwa 10" Torr aufrechterhalten.

Sodann wird in der Qetterkammer eine Getterentladung bei etwa I₄2 kV und 10 mA dreißig Minuten lang unterhalten. Sodann läßt man die SprUhkathode einige Zelt lang im Sprühbetrieb arbeiten, um den inneren Teil der Büchse zu gettern und auch um Oberflächenunreinheiten von der SprUhkathode zu entfernen, bevor die Blende M geöffnet und die Pilmab-βoheidung eingeleitet wird. Die Bedingungen hängen im einzelnen vom Material der Sprühelektrode ab; für Molybdän wären typische Bedingungen etwa 2,3 kV dreißig Minuten lang

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mit 6 mA und nachfolgender Filmabsciieidung.

Auf dem Träger K ist zur Überwachung der Temperatur des Substrats ein (nicht gezeigtes) Thermoelement angebracht; von diesem Thermoelement führen Leitungen über die dicht schließenden Zufuhranschlüsse L zu Jberwachungsvorrlchtungen.

An einer Anzahl von Werkstoffen wurden Versleichstests zur Herstellung von Filmen mit und ohne Verwendung der ringförmigen Getterelektrode D durchgeführt. Al3 Kriterium zur Feststellung einer nennenswerten Verbesserung der Filmqualität durch die Verwendung der zusätzlichen Getterelektrode diente der Filmwiderstand. In fast jedem Falle ergab sich eine äußerst beachtliche Verbesserung der Qualität des Films. Selbst im FaIIo von Kupfer, das selbst sehr rasch versprüht, ergab sich eine Verbesserung. In diesem Falle trat auch ein geringfügiger Parbunterschied in den abgeschiedenen Filmen auf, sobald die zusätzliche Elektrode angewandt wurde. Die folgenden Ergebnisse zeigen die für Kupfer- und Molybdänfilme erzielte Verbesserung; das Verhältnis des Filmwiderstanda ohne Betrieb der Getterelektrode zu dem Wert mit Verwendung der Getterelektrode beträgt für Kupfer 12 : 1 und für Molybdän 3,5 s 1.

PIg. 2 zeigt grundsätzlich die gleiche Vorrichtung wie in Fig. 1, jedoch mit einem Gleitträger SS für das Substrat, was einen Substratwechsel im Wege der Entnahme durch die Wandung der Büchse gestattet. An der Stelle der Wandung der Büchse, wo die Halterung SS eintritt, 1& ein· Gasdichtung OS vorgesehen.

Aus Fig. 2 ist auch ersichtlich, daß die Büchse von einem Vakuumbund VC umgeben 1st; es sind (nicht dargestellt«) Vorrichtungen vorgesehen, mittels welcher der Raum innerhalb

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des Vakuumbunds ausgepumpt und wit Argon gefüllt werden kann. An seiner Oberseite ist der Bund mit einem flachen Deckel dicht verschlossen; auf dem Deckel ist eine HF-Anpassung MU vorgesehen, welche HF-Signale an die Getter- und SprUhelektroden liefert.

In Fig. Z> ist eine andere Ausfiihrungsform der Getter-SprLihvorrichtung gezeigt. Diese vielst eine Sprühkammer S auf, welche von einer an ihrer Unterseite offenen und an ihrer Oberseite mit dem Deckel eines zylindrischen Gehäuses CC dicht verschlossenen zylindrischen Trennwandung DW gebildet wird. Das Substrat SU ist auf einer Plattform P angeordnet, die von unten gegen den unteren Rand der Wandung DW heranreicht, derart, daß allenfalls nur ein kleiner Zwischenabstand verbleibt. Die die Wandung DW umgebende Ringkammer GC bildet die Getterkaramer und weist eine ringförmige Getterkathode D auf.

Das Gehäuse CC ist genügend fest ausgebildet, um Jm evakuierten Zustand den Atmosphäredruck auszuhaltenj der Raum innerhalb des Gehäuses CC wird daher direkt ausgepumpt und eine zusätzliche gesonderte Vakuumkammer, wie sie bei den Vorrichtungen gemä3 den Figg. 1 und 2 vorgesehen ist, wird entbehrlich.

Die Wandungen dee Gehäuses, der Getter- und der Sprühelektroden und der Plattform P sind sämtlich hohl und mit Einlassen und Auslässen für Kühlwasser versehen. Durch diese KUhlung wird ein Ausgasen aus den Metalloberflächen wirksam vermieden.

Fig. 4 zeigt eine andere Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Bei dieser wird eine Kathodenanordnung verwendet, welche eine Kathodenhalterung 1 aus rostfreiem Stahl aufweist, die in der Mitte mit einer kreisförmigen Ausnehmung 2 und an ihrem Umfang mit einer ringförmigen Ausnehmung 3 versehen

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ist. In der Ausnehmung 2 ist eine Scheibe 4 angeordnet, welche die Sprühkathode darstellt; die elektrische Zuleitung zu der Kathode erfolgt mittels einer isolierten Durchführung 5. Die Sprühkathode ist in Abstand von der Halterung 1 angeordnet, und zwar derart, da^ ihre Unterseite mit der Unterseite 6 der Halterung fluchtet.

In der Ausnehmung ^ 1st eine ringförmige Getterkathode aus Kupfer oder Titan angeordnet, und zwar ebenfalls in Abstand von der Halterung 1 und so, daß ihre Unterseite mit der Fläche 6 der Kathodenhalterung 1 fluchtet. Die elektrische Zuleitung zu der Getterkathode 7 erfolgt mittels einer Isolierten Leitungsdurchführung 8. ·

Im Betriebszustand wird diese Kathodenanordnung in einer (nicht gezeigten) Vakuumkammer mit Glaswandungen angeordnet, die mit Argon mit einem Druck zwischen 20 und Mikron gefüllt 1st. Unmittelbar unterhalb der Kathodenanordnung befindet sich ein Substrattisch 9; auf diesem liegt unterhalb der Kathode 4 ein Substrat 10. Der Tisch und die Halterung 1 sind geerdet; an den Kathoden 4 und liegen Gleichricht-Kathodenpotentiale an, derart, daß Material von der Kathode 4 auf dem Substrat 10 abgeschieden wird. Argon, das in den Sprühraum unterhalb der 4Ca&hode eintritt, wird zunächst durch die Getterwirkung dfer Kathode gereinigt.

Es 1st wesentlich, daß eine Kontamination des Substrats durch Material von der Getterkathode 7 vermieden wird. Zu diesem Zweck muß ein genügend großer Abstand von der Kathode 7 zu dem Substrat gewährleistet sein. Die Abmessung DB beträgt wenigstens 1 cm und kann noch größer sein. Die Abmessung DA, d.h. der Abstand des Substrattisches von der Unterseite 6 der Kathodenanordnung, beträgt typischerweis·

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zwischen 8 und 15 mm. Die Breite DC der Getterkathode beträgt 5 bis 20 ram. Der Durchmesser DD der Sprühkathode kann jede beliebige Abmessung besitzen. .

Die Getter- und die Sprühkathode können, falls erforderlich, wassergekühlt sein. Statt aus rostfreiem Stahl kann die Kathodenhalterung 1 auch aus Aluminium bestehen.

Die Erfindung 1st nicht auf Einzelheiten der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeiepiele beschränkt. Beispielsweise können auch andere Werkstoffe, wie beispielsweise bestimmte Halbleiterverbindungen aufgesprüht werden. Der abgeschiedene Film kann amorph, polykristallin oder einkristallin sein. Auch können statt Argon andere inerte Qase verwendet werden. Der Betriebsgasdruck kann beispieleweise im Bereich von 0,1 bis 100 Mikron betragen.

Bei der Anordnung gemä3 Fig. 4 kann das Verfahren kontinuierlich ausgestaltet werden. So kann das Substrat ein biegsames Band sein, das mit kontinuierlichem Vorschub angetrieben wird und so angeordnet ist, daj die zu der Sprühkathode hin bzw. von ihr weglaufenden Teile des Bandes im wesentlichen senkrecht zur Sprühkathode verlaufen, derart, daß der Aufsprühvorgang nur auf einer kurzen, parallel zur SprUhkathode verlaufenden Bandlänge stattfindet. Auf diese Weise wird verhindert, da3 Gettermaterial das Substrat veruneinigen kann. Der Substrattisch dient ebenfalls als Abschirmung zu diesem Zweck. Bei einer alternativen Ausgestaltung für kontinuierlichen Betrieb werden Substratproben aufeinanderfolgend entlang dem Substrattisch an die Sprühkathode herangebracht. Da3 bedeutet, daß sie unter der Oetterkathode vorbeiwandern, wobei zur Verhinderung einer Kontamination Abschirmungen vorgesehen sein können, die ■ich mit den Substratproben bei ihrem Durchtritt unter der Oetterkathode verschieben. Typischerweise besteht die Qetter-

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kathode aus einem schnell-sprühenden MateriaL, wie bei~,pieli weise Titan oder Kupfer. Jedoch können ebenso gut auch andere Metalle verwendet werden.

Es können auch mehr als eine Sprühkathode innerhalb der ringförmigen Getterkathode vorgesehen sein, und das Ver- ^v fahren kann so ausgestaltet sein, daß das Substrat aufeinanderfolgend jeder der Sprühkathoden ausgesetzt wird, die aus verschiedenen Metallen bestehen, derart, daß aufeinanderfolgend Schichten verschiedener Metalle auf dem Substrat abgeschieden werden. Die Kathoden brauchen nicht kreisförmig zu sein. Beispielsweise kann die Getterkathode eine ovale oder elliptische Form haben uod kann, zusätzlich zu der Sprühkathode, noch ein oder mehrere anderweitige Kathoden umschließen, die als Solche* Sprühkathoden zum Aufsprühen verschiedener Werkstoffe sein "können.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

1.iGetter-Sprühvorrichtung, gekennzei ahnet durch eIn Gehäuse, in welchem ein Sprühr-aua vorgesehen ist; durch einen In de« Sprühraum vorgesehenen Träger TUr elu Substrat, auf welchen ein Werkstoff aufgesprüht werden soll; durch eine in de« SprUhraum vorgesehene Sprühkathode; durch einen Getterraum in dem Gehäuse, wobei der SprUhraum für Gas nur über den Getterraun zugänglich ist; sowie· durch eine in dem Getterraua angeordnete Getterelektrode.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet« dafl als SprUhraum und als Qetterraum Kammern (S,. T) innerhalb des Gehäuses (H, Figg. 1 und 2; CC, Fig. 3) dienen, welche durch eine Trennwandung (C, Flgg. 1 und 2; DW, Fig. 2) voneinander getrennt sind, längs welcher der einzige Zutritt für Gas zu der Sprühkanuaer (S) besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2_t dadurch gekennzeichnet , daS die Spriliikaaner (S, Fig. J>) zylindrisch ist und dafl die Getterkannter eine die Sprtihkammer umgebende Ringkammer (GC) ist, und daß das Substrat (SU, Fig. 3) auf einer Plattform (P) angeordnet 1st, die von unten gegen den unteren Rand der zylindrischen Trennwandung (DW) heranreicht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeioh» net, daß das zylindrisch ausgebildete Gehäuse (CC, Flg. 3). die Getterkaeeer (OC) begrenzt und die Plattform (P) für das Substrat (SU) umgibt, und daß das Gehäuse (CC) genügend fest ausgebildet 1st, üb im evakuierten Zustand den atmos-

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phärischen Druck ausuuhalten.

5· Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Gehäuse eine an der Oberseite offene Büchse (H, Figg. 1 und 2) mit einem abnehmbaren Deckel (A) und einer die Trennwandung bildenden herausnehmbaren Querwandung (C) vorgesehen ist, wobei der Raum unterhalb der Trennwandung die Sprühkammer (S) und der Raum oberhalb der Querwandung die Getterkammer (T) bilden (Figg. 1 und 2).

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch g e k e η η -

zeichnet, daß die Trennwandung (C), die Getterelektrode (D) und die SprUhkathode (£) an dem Deckel (A) befestigt und mit diesem herausnehmbar sind.

7* Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Substratträger eine gleitend verschiebbare Halterung (SS, Fig. 2) vorgesehen ist, die durch eine Öffnung in der Seitenwandung der Büchse (H) einführbar bzw. herausnehmbar ist, und daß zwischen der Halterung (SS) und der Öffnung eine gasdlcht-schließende Dichtung (GS) vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeich net, daß der Sprühraum (2, Fig. 4) und der Oetterraum (3) zwischen einer planeren Kathodenanordnung (1, Flg. 4) und einer parallel zu dieser in geringem Abstand von Ihr angeordneten ebenen Anodenfläche (9) begrenzt werden, und daß die planare Kathodenanordnung (1) eine Abeohlraung Bit einer ebenen Fläche (6) aufweist, an oder nahe welcher eine SprUhkathode (4) und eine Oetterkathode (7) parallel zu der Oberfläche (6) angeordnet sind, wobei die Oetterkathode (7) ringförmig ausgebildet ist und die SprUhkathode (l) In Abstand umgibt.

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9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung eine geerdete Iletallabschit'inung (1) aufweist, und daß die Getter- und die Sprühkathode (7 bzw. 4) in Ausnehmungen (3 bzw. 2) in der ebenen Stirnfläche (6) der Metallabschirmung (1) angeordnet sind.

10· Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Sprühelektrode und die Getterelektrode au3 einer HP-Wechselstromquelle gespeist sind.

11. Verfahren zum Aufsprühen eines Werkstoffs auf ein Substrat, dadurch gekennzei eh. net, daß man das Substrat in einen Sprühraum (S, Pigg. 1 bis 3; 2, Pig. 4) einbringt, in welchen Gas nur über einen Getterraum (T, Figg. 1 bis 3; 3, Flg. 4) eintreten kann, daß man eine inerte Gasatmosphäre bei einem Druck unterhalb des äußeren Luftdrucks in den Sprüh- und den Getterraum einführt, daß man das Gas in den Sprüh- und Getterräumen durch Getterwirkung reinigt, und daß man sodann das gewünschte Material von einer Sprühkathode auf das Substrat aufsprüht, unter Aufrechterhaltung der Getterwirkung in dem Getterraum.

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