DE2026321A1 - Kathodenaufstäubungsverfahren und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents
Kathodenaufstäubungsverfahren und Vorrichtung zur Durchführung des VerfahrensInfo
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Description
Kathodenaufstäubungsverfahren und Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kathodischen Aufstäuben von haltbaren dielektrischen Schichten zum Passivieren
von Halbleiterbauelemenhen und monolithischen Strukturen.
Die Niederschlagung dünner Schichten unter Zuhilfenahme von
Kathodenzerstäubungsverfahren ist in der Technik bekannt. Man
kann die zur Durchführung der Kathodenzerstäubung benutzte Entladungsstrecke
mit Gleichstrom oder mit hochfrequentem Wechselstrom betreiben. Das Gleichstromkathodenzerstäubungsverfahren
bleibt gewöhnlich beschränkt auf die Niederschlagung von leitenden Materialien. Unter Verwendung des Hochfrequenzverfahrens
ist man jedoch in der Lage, sowohl leitende als auch dielektrische bzw. isolierende Materialien aufzustäuben. Die Auf s täubungs tecimik
dünner Schichten aus leitenden oder aus isolierenden Materialien findet fortgesetzt neue Anwendungsgebiete insbesondere auch bei
der Herstellung von Halbleiterbauelementen und von monolithischen Strukturen. Die in der Halbleitertechnik angewendetsn Verfahren
werden komplexer und bei fortschreitender fliniaturisierung worden
die an dünne passivierende Schichten insbesondere in der 1InIbIt;.!te :-
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technik gestellten Erfordernisse höher und höher. Zum Beispiel
ist ein Defekt innerhalb einer leitenden oder einer dielektrischen Schicht in einer sehr kleinen Halbleitervorrichtung sehr viel
eher in der Lage, die Arbeitsweise des gesamten Bauelementes in Frage zu stellen, als dies beispielsweise für Bauelemente grösserer
Abmessungen der Fall ist. Bei dem Aufstäuben dünner Schichten sowohl leitender als auch dielektrischer Materialien, wie sie
bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen gebraucht werden, sind eine Reihe von Faktoren zu berücksichtigen, die eine große
Wirkung auf Qualität und Brauchbarkeit der Ausgangsprodukte ausüben.
Bei metallischen dünnen Schichten ist es beispielsweise von Wichtigkeit, eine möglichst hohe Leitfähigkeit zu erzielen. Es
ist bekannt, daß Verunreinigungen, beispielsweise aus CO2, O2
oder Η,Ο die Leitfähigkeit stark beeinträchtigen. Fernerhin können
bei Anwesenheit von.H^O innerhalb der dünnen Schichten auch
schv/erwiegende Korrosionsprobleme entstehen. Bei dielektrischen dünnen Schichten beeinträchtigen sowohl aus GO2 als auch aus
H2O bestehende Verunreinigungen die Ätzraten und die dielektrischen
Güten. Weiterhin können durch Verunreinigungen feine Haarrisse und andere Defekte entstehen, welche meist eine starke
Herabsetzung der Durchbruchspannung nach sich ziehen und durch von Wasser hervorgerufene Korrosionseffekte können Schäden der
Metallisierungsstruktur auftreten»
Bei integrierten Schaltungen bestehen die metallischen Leitungsführungen aus leitenden Metallstreifenmustern, die durch einen
A'tzvorgang aus einer'zusammenhängenden Metallschicht erstellt
werden. Diese Metallisierung wird normalerweise auf die Oberfläche einer Siliziumdioxydschicht aufgebracht, die sich ihrerseits
wiederum auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers des Bauelementes
befindet: Die Metallisierung stellt somit eine irreguläre Oberfläche dar, welche vorteilhaft durch dünnen Schichten
aus Glas, Siliziumdioxyd, Siliziumnitrid oder Kombinationen an- <.
derer geeigneter passivierender Schichten abgedeckt und geschützt wird. Oft besteht die Metallisierung aus einer Vielzahl alter-
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nierendor, dielektrischer und metallischer Schichten, v/obei für
bestimmte Schaltungsauslegungen auch Querverbindungen senlcrecht
zu diesen Schichten durch Kontaktlöcher vorgesehen si.nd, eine Maßnahme, durch welche auch komplexere Schaltmuster realisiert
v;erden können. Jode dieser Hetallisicrungsebenen benötigt eine
wirksame Isolation bezüglich der benachbarten Schichten. Hierzu
benutzt man geeignete dielektrische Schichten des obengenannten Typs. Diese sind normalerweise verhältnismässig dünn und haben
im allgemeinen eine Dickenabmessung,die nur geringfügig stärker als diejenige der metallischen Schichten ist. Wirksame Passivierungsschichtcn
erfordern dielektrische Schichten guter Qualität. Eine weitere wichtige Forderung besteht darin, daß auch kantige
Hereiche der Oberfläche der Metallisierung ausreichend mit dielektrischem Material bedeckt sein müssen, um eine wirksame Isolation
auch dieser Kanten zu gewährleisten. Durch bisher bekannte Hochfrequenzniederschlagsverfahren erstellte dünne Schichten
bieten oft nur einen unzureichenden Schutz derartiger Kantenge- ■ biete.
Bekanntlich kann die Schichtqualität bei mittels Gleichstrom-Kathodenzerstciubungsverfahren
aufgebrachten metallischen Schichten durch ein zusätzliches Bombardement positiver Ionen während
des NiederschlagsVorganges wesentlich verbessert werden, eine
Maßnahme, die allgemein als Resputtering bekannt ist. Der gleiche
Mechanismus ist auch für die erhöhte Güte von Siliziumdioxydschichten verantwortlich, die mittels eines Hochfrequenz-Kathodenzerstäubungsverfahrens
aufgebracht werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Vorrichtung anzugeben, die es gestatten, den Käthodenaufstäubungsprozeß durch Erhöhung des Rückst8ubungsef~
fektes noch weiter zu verbessern. Die Maßnahmen nach der Lehre der Erfindung sollen die Herstellung hochqualitativer passivierender
Schichten ermöglichen, die eine bessere Undurhhlässigkeit,
einen besseren Kantenschutz, stärkere Schichthaftung und geringere
Verunreinigungen der Schicht aufweisen.
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Das die genannten Forderungen erfüllende Verfahren beruht auf an sich bekannten kathodischen Aufstäubungsprozessen, bei welchen
die die Aufstäubung bewirkende Entladungsstrecke über eine ankoppelnde Kapazität von einer Hochfreguenzenergiequelle gespeist
und diese Kapazität so gewählt wird, daß sich ein günstiges Verhältnis
zwischen der Aufstäubungs-und der Ruckstäubungsrate ergibt.
Das Verfahren ist nach der Lehre der Erfindung dadurch gekennzeichnet,
daß das Verhältnis der Fläche der substrathaltenden zur Fläche der das aufzustäubende Material haltenden Elektrode
kleiner als 2,5 gewählt wird.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele
unter Zugrundelegung der Zeichnungen beschrieben. In diesen bedeuten:
Fig.l eine Querschnittsdarstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
einer Kathodenzerstäubungsapparatur nach der Lehre der vorliegenden Erfindung?
Fig.2A eine teilweise als Querschnitt mit hoher Vergrößerung
dargestellte Ansicht einer aufgestäubten dielektrischen Schicht auf einem streifen der Leitungsführung auf der
Oberfläche eines Halbleitermaterials, wobei die Aufstäubung nach bisher bekannten Verfahren vorgenommen
wurde;
Fig.2B die gleiche Querschnittsdarstellung wie iß .Fig,2Ά, wobei
jedoch die dielektrische Schicht nach der Lehre üer
vorliegenden Erfindung aufgestäubt wurde;
Fig.3 eine Querschnittsdarstellung eines
apparates zur Erläuterung der sur stäubens erforderlichen Flächenverhältnisü© eiaeti der
Lehre der vorliegendem Erfindung?
Fig.4 eine Teildarstellung als Querschnittsdarstellung zur*
ErIäuterung der Elektrodenstruktur eines weiteren bevorzugten
Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig.5,6,7 als Quersc hnitt dargestellte Teilansichten einer
Elektrodenstruktur von modifizierten Kathodenzerstäubungsapparaturen;
Fig.8 ein Ersatzschaltbild zur Darstellung des Potentialabfalls
infolge des während des Kathodenzerstäubungsvorganges
innerhalb der Apparatur auftretenden elektrischen Stromes.
Mit Hochfrequenz betriebene Kathodenzerstäubungssystem nutzen
die Tatsache aus, daß Elektronen und Ionen sich bezüglich ihrer Beweglichkeiten stark unterscheiden. Bei derartigen Geräten wird
die hochfrequente Betriebsenergie so gewählt, daß deren Frequenz größer ist als die Ionenresonanzfrequenz im Plasma der Gasentladungsstrecke
und niedriger als die Elektronenresonanz innerhalb des Plasmas. In der Nähe der Elektroden bilden sich gegen Ionen
abgeschirmte Teilbereiche aus, die allgemein als Dunkelräume bezeichnet werden.
Zur Erklärung sei angenommen, daß ein Glasrohr mit zwei Elektroden
gleicher Fläche versehen sei, wobei diese in einem beträchtlichen Abstand einander gegenüberstehen. Beim Anlegen einer ausreichenden Gleichspannung zündet eine Entladung und in der Nähe
der Kathode kann ein Dunkelraum beobachtet werden. Die Spannungsdifferenz
zwischen der Kathode und der Anode erleidet fast seinen gesamten Spannungsabfall entlang dieses Dunkelraumes, wobei der
mit Glimmlicht erfüllte Paum fast ohne elektrisches Feld verbleibt.
Wird nun die Speisung der Entladungsstrecke anstelle von Gleichspannung mit einer Wechselspannung relativ niedriger
Frequenz wi^rjmmeii so beobachtet man, daß das System sich so benimmt,
als besäße es zwei Kathoden, da nunmehr sich in der Nähe
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beider Elektroden je ein Dunkelraum einstellt. Tatsächlich ist
das System in Wirklichkeit eine Aufeinanderfolge von nur kurze Zeit andauernden Gleibhstromentladungen mit alternierender Polarität,
da die Entladungsstrecke bei diesen niedrigen Frequenzen
genügend Zeit findet/ innerhalb eines jeden Zyklus in ihren stationären Zustand zurückzukehren.
Wird die Frequenz der angelegten Spannung erhöht, so beobachtet
man, daß der Minimaldruck, bei welchem die Entladung noch stattfindet,
abnimmt, wobei dieser Effekt etwa von 50 kHz bis in den Frequenzbereich von einigen MHz beobachtbar ist. Daraus kann geschlossen
werden, daß im letztgenannten Fall noch eine zusätzliche Ionisationsquelle wirksam ist, wobei diese zusätzliche
Ionisation nicht auf Sekundärelektronen zurückzuführen ist, welche
durch Stoßprozesse aus den Elektroden freigesetzt werden. Diese zusätzliche Ionisation wird von Elektronen innerhalb des mit
Glimmlicht erfüllten Raumes bewirkt, welche infolge des hochfrequenten
Feldes aufgeheizt werden und die so gewonnene Energie
durch elastische Stöße mit den Gasatomen abgeben. Die an die Elektroden zur Aufrechterhaltung eines gleichstrombetriebenen
Gasentladung anzulegende hohe Spannung ist für eine hochfrequenzbetriebene
Gasentladung nicht mehr erforderlich, da die Erzeugung der Sekundärelektronen, wie oben erläutert, einem anderen
Mechanismus unterliegt.
Da die Hochfrequenz-Gasentladung nicht mehr ausschließlich von
der Erzeugung von Sekundärelektronen durch das von den Elektroden
gelieferte elektrische Feld angewiesen ist, sind keine hohen Elektrodenspannungen zur Aufrechterhaltung der Glimmentladung
erforderlich. Außerdem ist der Mechanismus, durch den die Elektroden aus dem Hochfrequenzfeld Energie aufnehmen, nicht In
gleichem Maße für die wesentlich schwereren Ionen wirksam, von denen daher erwartet werden muß, daß sie nur eine verhältnismäßig
geringfügige Energie aus dem Hochfrequenzfeld aufnehmen. Auf den ersten Blick würde man daher erwarten, daß eine hoch-
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frequenzbetriebene Entladungsstrecke keine Ionen ausreichender
Energie zu liefern vermag, um einen Zerstäubungsvorgang in Gang setzen und aufrecht erhalten zu können.
Man findet jedoch, daß der vom Glimmlicht erfüllte Raum einer
Hochfrequenzgasentladung ein merkliches positives Potential bezüglich der Elektroden entwickelt, wobei die Potentialdifferenz
im wesentlichen über dem Dunkelraum in Erscheinung tritt. Dies
ist darauf zurückzuführen, daß die Elektronen eine sehr viel höhere Beweglichkeit als die Ionen besitzen und so sehr leicht
an der Elektrode gesammelt werden können, wann immer diese im Hinblick auf die Glimmentladung positiv wird, Hierdurch ergibt
sich eine Abwanderung der Elektronen aus dem Dunkelraum mit einem entsprechenden Anwachsen des Potentials im Glimmraum bezüglich
der Elektroden.
Das im glimmlichterfüllten Kaum entstehende Potential ist so
hoch, daß während fast der gesamten Dauer der Hochfrequenzzyklen keine Elektronen diesen verlassen können. Andererseits werden
positive Ionen von den Elektroden angezogen, wobei diese von den Ionen nach einigen Frequenzzyklen erreicht werden, nachdem
diese erst einmal in den Dunkelraum hineingelangtsind. Zum Ausgleich
des verhältnismäßig geringen Ionenstromes fließen genügend Elektronen vom Glimmraum während eines Bruchteils des Hochfrequenzzyklus,
während dessen die Potentialdifferenz zwischen Glimmraum und den Elektroden ein Minimum ist,zu den Elektroden
ab. Der Hochfrequenzstrom im Dunkelraum ist so in der Hauptsache
ein von Elektronen getragener Verschiebungsstrom und nur ein sehr
geringer Anteil des Gesamtstromes kommt aufgrund von Elektronenoder Ionenbewegung zustande. Infolgedessen ist in erster Annäherung
die Hochfrequenzkopplung über den Dunkelraum kapazitiver
Natur. Die Mehrzahl der an die Elektroden gelangenden Ionen besitzen
genügend Energie, um einen Zerstäubungsvorgang zu unterhalten.
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— ο ~
Die' vorstehenden Überlegungen gelten für Elektroden gleicher
Flächengröße. Wie verhält sich nun eine Konfiguration, in der eine Elektrode beträchtlich größer als die andere ist? Die relative
Koppelkapazität des vom Glimmlicht erfüllten Raumes der
Gasentladung wird sich nun mit der Wirkung ändern, daß gleichfalls eine Potentialänderung dos vom Glimmlicht erfüllten Raumes
eintritt. Im äußeren Hochfrequenzkreis kann jedoch keine Gleichspannung aufrechterhalten v/erden, so daß die Gleichvorspannung
über dem Dunkelraum bei der Elektroden gleich bleibt. Deshalb
verhält sich die Konfiguration wie die im Vorstehenden beschriebene, d.h. als wenn beide Elektroden gleiche Flächen aufwiesen
und das MATERIAL wird mit der gleichen Rate pro Flächeneinheit an beiden Elektroden zerstäubt werden.
Wird nunmehr jedoch ein Kondensator in den äußeren Stromkreis ein
gefügt, so wird das Gleichspannungspotential zwischen dem vom Glimmlicht erfüllten Raum und der kleineren Elektrode nicht
länger gleich sein müssen demjenigen, welches auftritt zwischen der größeren Elektrode und dem Glimmlicht. Hierdurch ergibt sich
eine ungleiche Rate für das Ionenbombardement der Elektrode mit der größeren Fläche, weshalb sich ein Materialniederschlag von
der kleineren Elektrode her ergibt.
Zusammenfassend kann in erster Annäherung gesagt werden, daß der
vom Glimmlicht erfüllte Raum ein gleichförmiges Potential aufweist und daß eine Potentialdifferenz zwischen den Elektroden
im wesentlichen über dem Dunkelram existiert. Fernerhin ist der vom Glimmlicht .erfüllte Raum der Entladung kapazitiv über
die Dunkelräume an die Elektroden gekoppelt und weist stets ein höheres Potential auf als dies für die Elektrodenoberfläche
mit dem höchsten Potential der Fall ist» Ein die vorliegenden Verhältnisse gut wiedergebendes Ersatzschaltbild für die Entladungsstrecke
mit Zerstäubungswirkung ist in Fig»8 dargestellt='.
Das von der Hochfrequensenergiequelle 50 bereitgestellte Potea=·"
tial fällt über den Ankopplwigskondensator 52 ff. die" im
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Materialquelle 54 (Target) den der genannten Elektrode zugehörigen
Dunkelraum 56, über einen zweiten Dunkelraum 58, welcher
der das Substrat haltenden Elektrode benachbart ist sowie über der auf dem Substrat aufgedampften Schicht 60 ab.
Die beiden Dunkelräume verhalten sich wie Kondensatoren mit parallelgeschalteten Dioden.
Die Dunkelräume stehen miteinander über dem mit Glimmlicht erfüllten
Raum in Verbindung, der eine verhältnismäßig geringe Impedanz aufweist. Die Hochfrequenzspannungen über den Dunkelräumen
werden gleichgerichtet, wodurch sich eine über diesen liegende Gleichspannung ergibt.
Die Ionen, welche die Materialquelle zerstäuben und diejenigen,
welche eine Rückstaubung der aufzustäubenden Schicht bewirken,
besitzen Energien, die in erster Annäherung den über den entsprechenden
Dunkelräumen liegenden Spannungen proportional sind. Das Verhältnis dieser Ionenenergien und daher das Verhältnis
der Spannungsabfälle über die beiden Dunkelräume kontrollieren die Qualität der aufzustäubenden dünnen Schichten. Dieses Verhältnis wird bestimmt durch das Verhältnis der Kapazitäten der
Dunkelräume, die ihrerseits im weiten Maße abhängig sind vom Verhältnis der Elektrodenoberflächen. Eine in erster Annäherung
• geltende Beziehung zwischen den Elektrodenflächen und den Spannungsabfällen
über den Dunkelräumen kann wie folgt abgeleitet werden:
Wir nehmen erstens an, daß die Stromdichte aus dem Anteil positiver
Ionen gleichförmig und an beiden Elektroden gleich ist, daß zweitens die positiven Ionen innerhalb des Glimmlichts gebildet
werden und den Dunkelraum ohne unelastische Stöße durchqueren
und daß drittens die Kapazität über den Dunkelräumen proportional
zu den Elektrodenflächen und indirekt proportional zu der Dickenabmessung des Dunkelraumes ist.
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Aus den Annahmen 1 und 2 erhält man unter Zugrundelegung der
Gleichung für den raumladungsbegrenzten Ionenstrom den Ausdruck D-/Ο« - V-/V«) ' , wobei D und D? die Dicken der Dunkelräurne
und V und V2 die Gleichvorspannungen über diesen bedeuten.
Die kapazitive Spannungsteilung der Hochfrequenzspannung zwischen beiden Dunkelräumen/ deren beide Komponenten gleichgerichtet
zu der Gleichvorspannung führen, erfordert/ daß das Verhältnis V,/V2 gleich ist dem Verhältnis C2ZC1, wobei C und C2 die entsprechenden
Kapazitätswerte über den Dunkelräumen sind. Die Annahme 3 erfordert, daß die Gleichung C3ZC1 = A3D ZAjD- erfüllt
ist, wobei A. und A„ die Flächen der Elektroden bedeuten. Durch
Kombination der obigen Gleichungen erhält man
Im konventionellen Kathodenzerstäubungssystem wird der Substrathalter
auf dem gleichen Potential gehalten wie die Wände der
Vakuumkammer und der RaJiim für das Glimmlicht füllt das gesamte
Vakuumgefäß aus. Der Substrathalter und die anderen metallischen Oberflächen innerhalb der Vakuumkammer besitzen eine große Elektrodenoberfläche
im Vergleich zum Target, wobei das Verhältnis leicht größer als 4si gemacht werden kann«
Dünne Schichten, welche mit Systemen der bisher bekannten Art
erzeugt wurden, wiesen Mängel bezüglich der Adhäsion und der Widerstansfähigkeit gegenüber chemisch angreifenden Substanzen
auf, außerdem hatten sie Defekte, Verunreinigungen und zeigten einen ungenügenden Kantenschutz.
Das Verfahren und die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung vergrößern in effektiver Weise den Rückstäubungsvorgang innerhalb
eines Kathodenzerstäubungsgefäßes sowohl bei der Aufbringung von leitenden als auch von nichtleitenden oder isolierenden Schichten
und sie reduzieren die Verunreinigung in den zu züchtenden dünnen Schichten, außerdem liefern sie Schichten mit einer bes- .
seren Adhäsion zwischen niedergeschlagener Schicht und Substrat. · Weiterhin ergibt sich ein ausgezeichneter Kantenschutz durch die
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aufgestäubte Schicht, insbesondere bei isolierenden Abdeckungen.
Gleichzeitig bekommt man eine starke Reduktion der Porosität
sowie eine Steigerung der Widerstandsfähigkeit gegenüber chemisch angreifenden Substanzen.
Fig.l zeigt ein erstes, bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines
Kathodenzerstäubungssystems zur Durchführung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung. Die Apparatur 10 besitzt eine Target-Elektrode
12 mit dem Target 14 aus dem Material, v/elches durch
Zerstäubung niederzuschlagen ist. Vorzugsweise ist die Target-Elektrode 12 mit geeigneten Kühlmitteln ausgerüstet, beispielsweise
mit einem Rohr 15, welches in dem größeren Rohr 16 axial verläuft und in welchem Wasser oder eine andere geeignete Kühlflüssigkeit
der hohl ausgeführten zu kühlenden Elektrode zugeführt werden kann. He als Substrathalter ausgebildete Elektrode
18 besitzt einen definierten Abstand von der Elektrode 12. Als Substrat sind die Halbleiterplättchen 19 bezeichnet,welche mittels
der Elektrode 18 gehaltert sind. Diese besitzt einen ringförmigen nach unten zurückgebogenen Bereich 20, eine Formgebung,
durch welche sich eine erhebliche Erhöhung der Oberfläche der
Elektrode 18 ergibt. Das Flächenverhältnis des Substrathalter 80 zur Target-Elektrode ist kleiner als 2,5 und liegt vorzugsweise
im Gebiet zwischen 1,4 bis 2. Dies ist ein signifikantes Merkmal des vorliegenden Zerstäubungsapparates nach der Lehre
der Erfindung. Die substrathaltende Elektrode 18 ist mit dem zurückgebogenen Flansch 21 unter Zuhilfenahme der Stifte 22 so
am Deckel des Systemgefäßes befestigt, daß die Elektrode 18 einen definierten Widerstand vom Target 14 erhält. Dieser Abstand wird
so gewählt, daß nur ein sehr geringer Zwischenraum zwischen dem Flansch und dem Target 14 besteht, Man sieht, daß die Kombination
aus Target 14 und der Elektrode 18 das Gebiet der Glimmentladung . auf das Innere des größeren Teiles des Vakuumgefäßes beschränkt.
Ein geeigneter Einsatz 24 ist vorgesehen, um Gas einzuleiten, vorzugsweise wird hierzu ein inertes Gas wie Argon benutzt, welches
in den abgegrenzten Bereich der Glimmentladung eingegeben
wird. Die Elektroden 12 und 16 sind innerhalb des EntladungEgefässes
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gehaltert, welches einmal aus der Bodenplatte 26, der zylindrischen
Seitenwand 28 und der Deckplatte 30 besteht. Die Dichtungsringe 32 innerhalb der ringförmigen Rillen 33 der Boden-
und Deckplatten 26 und 30 sorgen für die Vakuumfähigkeit des
Entladungsgefäßes. Die Elektrode 12 besitzt ein ringförmiges
Isolierglied 34, welches für die Isolation zwischen der Deckplatte
des Vakuumsystems und dem Elektrodenhaltestab 16 sorgt.
Ein abschirmendes Glied, welches die Elektrode 12 umgibt und
sich in einem definierten kurzen Abstand von dieser befindet,
kann vorgesehen werden. Die Elektrode 18 umschließt ein verschiebbares
Trägerelement 36, welches durch die Führung 37 innerhalb
der Bodenplatte 26 gehaltertist. Das Trägerelement 36 ist
aus leitendem Material und steht elektrisch in Kontakt mit der Elektrode 18. Eine geeignete, in der Zeichnung nicht dargestellte
Hochfrequenz energieque lie dient der Bereitstellung eines Hoch—
frequenzpotentials zwischen der Targetelektrode 12 und der als
Substrathalter angeordneten Elektrode 18. Die zylindrische Wand
28 besitzt einen Durchbruch 39, über den sie mittels eines verhältnlsmässig
weiten Rohres 38 mit einer geeigneten Vakuumpumpe verbunden ist.
Die Apparatur 10 besitzt eine als Substrathalter dienende Elektrode
18 mit einer effektiven Oberfläche, die wesentlich größer ist als diejenige der das Target tragenden Elektrode 12. Mit
einer substrathaltenden Elektrode mit einer effektiven Oberfläche, welche kleiner als das 2,5-fache der Fläche der Targethai terelekt rode ist, ergibt sich eine gesteigerte Rückzerstäubungsrate
der niederzuschlagenden Schicht während des Zerstäubungsprozesses.
Die Fig.2A zeigt im Querschnitt eine mittels Kathodenzerstäubung niedergeschlagene Schicht einer anorganischen isolierenden Substanz,
wobei ein konventionelles Kathodenzerstäubungsverfahren ,-benutzt wurde. Den meisten Strukturen von Halbleiterbauelementen
liegt normalerweise ein Plättchen 40 zugrunde, welches unter Zwischenlage einer isolierenden Siliziumdioxydschichfc 41 ein
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darauf angebrachtes metallisches Leitungsmuster 42 trägt. Eine
weitere isolierende Schicht 43, die typischerweise aus Siliziumdioxyd oder Glas besteht, bedeckt ihrerseits die Oberfläche des
Halbleiterplattchens, wobei sie sowohl dieisolierenden als auch
die metallischen Bestandteile 41 und 42 der Plättchenoberfläche schützt, Wie bereits erwähnt, befindet sich am Grunde der vertikal
verlaufenden Kante 44 oberhalb des metallischen Streifens 42 eine Diskontinuität bzw. ein Kanal 45 innerhalb der aufgebrachten
Isolierschicht. Diese Diskontinuität kann Anlaß zu mannigfachen Schäden sein und zum Versagen der gesamten Vorrichtung führen.
Ist z.B. die Schicht 43 passivierende Schicht eines Halbleiterbauelementes, so können Feuchtigkeit oder andere verunreinigende
Substanzen z.B. den metallischen Streifen 72 durch die Öffnungen 45 erreichen und eine Korrosion mit anschließendem Ausfall des
Bauelementes verursachen. Sind verschiedene Metallisierungsebenen oberhalb der Vorrichtung 40 vorgesehen, so besteht die Möglichkeit,
daß auch metallische Bestandteile von der oberen Schicht durch derartige fehlerhafte Kanäle oder Poren der Diskontinuität
45 den darunterliegenden Metallstreifen berühren und so Kurzschlüsse
bilden.
Im Gegensatz hierzu zeigt Fig.2B als Querschnitt die isolierende Glasschicht 46, welche über eine ähnliche Vorrichtungsstruktur
aufgebracht ist. Es ist zu bemerken, daß anders als dies in Fig.2A
der Fall ist, keinerlei Kanalbildung oder Diskontinuität auftritt,
welche zur Kante 44 des Streifens 42 führt. Die dielektrische Schicht 46 passt sich zwar an der Oberfläche etwas der
darunterliegenden stufenförmigen Diskontinuität an, innerhalb der Schicht selbst verläuft jedoch eine völlig kontinuierliche
Materialverteilung, so daß auch an der kantenförmigen Stufe 42 ein wirksamer Schutz für die abgedeckte Struktur gewährleistet
ist.
Ein1 signifikantes Kennzeichen der Apparatur nach der Lehreder
vorliegenden Erfindung ist darin zu erblicken, daß entsprechend den Ausführungsbeispielen nach Fign. 1,4 und 5 das Gas, in
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welchem die Glimmentladung gezündet und aufrechterhalten wird,
in den abgegrenzten Raum der eigentlichen Glimmentladung eingeführt
wird. Hierdurch besteht die Möglichkeit, einen höheren Druck innerhalb dieses abgegrenzten Ent1adungsraumes zu benutzen,
da die Gasverluste lediglich durch verhältnismässig enge Spalten hindurch im Ausgleich mit dem restlichen Gebiet des Entladungsgefäßes
entstehen. Im allgemeinen erhält man durch Erhöhen des Druckes der Entladungsatmosphäre auch eine höhere Zerstäubungsrate. Die vom Target emittierten Elektronen werden innerhalb
des Dunkelraumes auf hohe Energien beschleunigt und sie sind daher in der Lage/ mehr ionisierende Stöße auszuführen, bevor sie
auf dem Substrathalter gesammelt werden, wenn das Gasdruck höher ist. Dahingegen ist ein geringer Druck wünschenswert, um eine
Entladung zwischen Targethalter und den diesen umgebenden Abschirmgliedern
sicherzustellen.
Noch ein anderer Vorteil kann inder Abgrenzung des Glimmentladungsgebietes
erblickt werden, welcher darin besteht, daß der Ausheizeffekt nach vorangehender Öffnung der Vakuumkammer ,
durch den unerwünschte Gase frei werden» stark herabgesetzt ist. Bei jedem öffnen des Entladungsgefäßes sindnämlich die inneren
Oberflächen der Apparatur der Atmosphäre ausgesetzt und diese Bereiche absorbieren atmosphärische Bestandteile. Nachdem das
Vakuumgefäß wieder geschlossen wurde, werden diese Bestandteile
durch Ausheizen befreit und verunreinigen die Zerstäubungsapparatur. Aufgrund der besonderen Konfiguration der Apparatur naph
der Lehre der Erfindung werden im wesentlichen nur die Elektroden selbst auf eine wesentliche Temperatur gebracht, so daß eine ins
Gewicht fallende Gasabgabe durch Ausbeizen nur in diesen begrenzten
Oberflächenbereichen stattfindet.
Fig.4 zeigt eine andere bevorzugte Ausführungsform mit einer
Elektrodenstruktur nach der Lehreder vorliegenden Erfindung. Die Targetelektrode 12 trägt das aufzustäubende Material 10, welches'
durch ein Abschirmglied 35 abgeschirmt ist, wobei die gesamte Konfiguration der Abschirmung aus der Fig.l hervorgeht. Die als
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Substrathalter wirkende Elektrode 18 ist mit einer kreisringförmigen
Vertiefung 20 versehen, welche dazu dient, die Oberfläche dieser Elektrode zu vergrößern. Außerdem besitzt sie
einen Flansch 21 zur Halterung der metallischen Haltestifte 22. Weiterhin ist ein zylindrisch gestaltetes Glied 70 aus dielektrishhem
Material vorgesehen, welchem die Aufgabezufällt, den Spalt zwischen der Substrat- und der Target-Elektrode 18,14
zu schließen. Dieses Element 70 kann aus Glas oder einem anderen geeigneten Isoliermaterial bestehen.
Fig.5 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel für
eine Apparatur zur Durchführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung. Die Target-Elektrode 12 sowie das Abschirmglied 35
stimmen mit den entsprechenden Elementen der in Fig.l gezeigten
Struktur überein. Die substrathaltende Elektrode 22 besitzt eine periphere ringartige Aussparung, welche sich radial nach außen
weiter erstreckt als dies für die Peripheriekante des Targets 14 der Fall ist. Die Elektrode 72 besitzt einen sich radial nach
innen erstreckenden Flansch, welcher sich zurück bis an die
Kante des Targets 14 erstreckt und von diesem einen definierten Abstand besitzt. Dieser Abstand ist festgelegt durch die Haltestifte
22, die ihrerseits auf der Oberkante 74 der die Substrat-Elektrode
seitlich begrenzenden Wandfläche 72 befestigt sind.
Eine weitere Modifikation der Apparatur zur Realisierung des Verfahrens
nach der Erfindung ist in Fig.6 gezeigt. Hier sind die Target-Elektrode 12, der Target 14 und die Abschirmglieder 35
ähnlich gestaltet wie das für die genannten Elemente in der Fig.l ersichtlich ist. Die das Substrat haltende Elektrode 80 wird, je-r
doch durch die Haltestifte 82 gehaltert und weiterhin ist eine Spaltöffnung 84 vorgesehen, die sich kreisringförmig entlang der
Peripherie des vorgezogenen Flansches 85 befindet. Ein Schirm kann dazu dienen, die Spaltöffnung 84 mehr oder weniger abzuschließen.
Die seitliche Gefäßwand 87 ist so gestaltet, daß sich
zusammen mit der Elektrode 80- eine verhältnismäßig große Ober-
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- 16 -
fläche ergibt tmd dor Dereich der Glimmentladung" innerhalb der
Apparatur abgegrenzt wird. Die Innenseite, der Wände 80 sind mit einer dünnen Schicht 90 aus Glas oder einem anderen geeigneten
dielektrischen Material überzogen. Der Gaseinlaßstutzen 92 sowie der Pumpstutzen 94 sind in der Bodenplatte unterhalb der Elektrode
80 vorgesehen. Dichtungsringe 32 sorgen für Vakuumdichtigkeit zwischen der oberen Deckplatte 30, den Wänden 87 und der
Bodenplatte 93.
Fig.7 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel zur
Realisierung der vorliegenden Erfindung. Wird die Elektrode über einen gewissen Grad hinaus vergrößert, so gewinnen von
einem bestimmten Wert an die kapazitiven Effekte an den Kanten
erhöhte Bedeutung, und die elektrischen Felder werden ungleichmäßig. Um nun ein gleichförmiges Aufwachsen der Niederschläge
auf das Substrat zu gewährleisten, ist eine zusätzliche Justierung der einander gegenüberstehenden Oberfläche der Elektroden
erforderlich. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel entsprechen die targethaltende Elektrode und die mit dieser Elektrode zusammenhängenden
Elemente der elementaren Struktur, wie sie in Fig.l gezeigt ist. Auf der Oberfläche der substrathaltenden Elektrode
100 ist eine Vielzahl von ringförmigen Vertiefungen 102 vorgesehen. Hierdurch wird eine gleichförmige Anpassung des OberflHchenbereichs
der substrathaltenflen Elektrode an denjenigen der targethaltenden Elektrode erreicht, wodurch sich ein gleichförmigerer
Verlauf des elektrischen Feldes ergibt. Hierdurch wiederum wird eine gleichmäßigere Niederschlagung der zu erstellenden
dünnen Schichten begünstigt. Das folgende Beispiel möge zur Erläuterung eines speziellen Ausführungsbeispiels zur
Realisierung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung dienen.
Zur Darlegung der im vorstehenden behaupteten Korrelation zwischen
den Spannungsabfällen über den Dunkelräumen und den entsprechenden
Elektrodenflächenvorhclltnissen wurden diese experimentell in einem
Fi SG8 in 009850/1524.
Kathodenzerstäubungsapparat, wie er in Fig.3 gezeigt ist, geändert
und die zugehörigen über den Dunkelräumen auftretenden Spannungen gemessen. Diebenutzte Apparatur besteht aus der Hochfrequenzenergiequelle,
welche an die Elektroden 12 und 18 angeschlossen wurde. Als zu zerstäubendes Taryetmaterial 114 wurde Quarz benutzt.Für
die verschiedenen Meßreihen wurden verschiedene Flanschelemente
110 aus leitendem MateriaL im Zusammenhang mit der Elektrode
benutzt, gleichzeitig erfolgte eine Einschränkung des Raumes zwischen den Elektroden mittels eines Glaszylinders 112. Zur Erzielung
unterschiedlicher Flächenverhältnisse der Elektroden wurdedas Element 110 mit verschiedenen Längen der nach oben gerichteten
geflanschten Teile 139 während der Messungen benutzt.
Die Zerstäubungsatmosphäre wurde in die Zerstäubungskammer eingeführt
und ein geeigneter Druck einreguliert. Durch Auswechslung verschiedener Elemente 110 wurden Flächenverhältnisse von 1 bis
2,28 realisiert. Mittels einer Meßsonde wurden die Energieverteilungen der geladenen auf die geerdete substrathaltende Elektrode
auftreffenden Partikel ermittelt und aus diesen Werten die
über den Dunkelräumen anliegenden Spannungen berechnet. Als Ergebnis
wurdedie folgende Tafel erhalten.
A1ZA2 | (A1ZA2)4 | VV1 | V +V 12 |
1,00 | 1,0 | ι,ο | 1370 |
1,36 | 3,8 | 1,7 | 1330 |
1,80 | 10,5 | 6,0 | 1330 |
2,28 | 27,3 | 12,0 | 1400 |
In der Tafel bedeutet A. die Gesamtfläche der ELektrode 18 und
der inneren Oberfläche des Flanschteiles 114; A„ bedeutet die
Fläche der Elektrode 12 innerhalb des Zylinders 112; V bedeutet
die Spannung zwischen dem mit Glimmlicht erfüllten Raum und der
Elektrode 18 und V2 die Spannung zwischen dem Glimmraum und
der TargeteLektrode 12. Wie aus der Tabelle zu entnehmen
ist, besteht eine bestimmte _ Fortsetzung Seite 18 -
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Korrelation zv/ischen dem ßpannungsverhältnis und dem zur vierton
Potenz genommenen Elektrodenflächenvorhältriis innerhalb der
Grenzen, die durch experimentelle Irrtümer/"feh'lerhafte Meßtechnik
und anderen Einflüssen unumgänglich sind, welche stets zu einer
gewissen Abweichung zwischen den theoretischen und den praktischen Ergebnissen führen. Natürlich ist der Grad der Genauigkeit, mit dem diese Relation erfüllt ist,- weitgehend begrenzt
durch das Ausmaß, in dem die bei der Ableitung gemachten vereinfachenden Annahmen wirklich gültig sind. In Systemen, wie sie
der Fig.l entsprechen und wie sie zur Niederschlagung von dünnen Schichten benutzt werden, werden diezusätzlichen Flächen mit erheblich
größerem Verrundungsradius benutzt anstelle von fast rechtwinkligen
Verlaufen, wodurch sich eine besaere Übereinstimmung ergibt als dies bei der durch die Tafel wiedergegebenen experimentellen
Anordnung der Fall ist. Fernerhin ka'i^^ife-^iS^IiiSÄa^^^
selbst verfeinert werden, indem berücksichtigt wird, daß das
Glimmlicht nicht direkt an die Elektroden angrenzt, sondern von diesen durch einen Dunkelraum getrennt ist. In kleinen Systemen,
wie sie in der experimentellen Anordnung zur Aufstellung der oben aufgeführten Tafel benutzt werden und in denen die Dickenabmessung
des Dunkelraumes einen beträchtlichen Teil der Gesamtkammerlänge ausmacht, spielt diese Korrektur eine größere Rolle. Insbesondere
seidarauf hingewiesen, daß der gesamte Potentialabfall über die Elektroden im wesentlichen konstant bleibt.
Um genauere Aussagen über nach der Lehre der Erfindung erstellte dünne Schichten machen zu können, wurden durch Kathodenzerstäubungsprozesse
wie sie zum bisherigen Stand der Technik gehörten, und nach der Lehre der Erfindung Niederschläge erstellt
und die so erhaltenen Schichten miteinander verglichen. In beiden Zerstäubungsapparaturen wurden als Targetmaterial Quarz benutzt.
In der Apparatur nach der Lehre der vorliegenden Erfindung wurde ein Verhältnis zwischen Substrafc-imd Targetfläche
von etwa 2 benutzt, wohingegen in der Vorrichtung nach dem Stande "
der Technik das genannte Verhältnis etwa bei 5 lag«, In beiden,
FI 968 111 ·
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Fallen wurde als Entladimgsatmosphäre Argon mit einem Druck von
— 2
5 * 10 Torr, dahingegen in dem Entladungsgefäß, in dem die NiedeiSchlagsreaktion nach dem Stande der Technik durchgeführt wurde, ein Druck von 5 *1O*~ Torr angewendet. Der Druckunterschied bei beiden Versuchen wurde deshalb eingehalten, weil andernfalls die Benutzung eines höheren Druckes in der /ipparatur nach dem Stande der Technik zu außerordentlich schlechter Qualität der Niederschläge führte. Es war daher eine Verringerung des Druckes nötig, um die Güten der zu vergleichenden Niederschläge nicht vonvornherein zu verschieden werden zu lassen. Es wurde eine Quarzschicht von etwa 2 *> Dicke auf ein Siliziumsubstrat niodergeschlagen, das einerseits ausgestattet war mit einem metallischen Leitungsmuster mit der Dicke von 1 »λ . Als Aufwachsrate wurde in beiden Fällen etwa 250 A/Minute gewählt.
5 * 10 Torr, dahingegen in dem Entladungsgefäß, in dem die NiedeiSchlagsreaktion nach dem Stande der Technik durchgeführt wurde, ein Druck von 5 *1O*~ Torr angewendet. Der Druckunterschied bei beiden Versuchen wurde deshalb eingehalten, weil andernfalls die Benutzung eines höheren Druckes in der /ipparatur nach dem Stande der Technik zu außerordentlich schlechter Qualität der Niederschläge führte. Es war daher eine Verringerung des Druckes nötig, um die Güten der zu vergleichenden Niederschläge nicht vonvornherein zu verschieden werden zu lassen. Es wurde eine Quarzschicht von etwa 2 *> Dicke auf ein Siliziumsubstrat niodergeschlagen, das einerseits ausgestattet war mit einem metallischen Leitungsmuster mit der Dicke von 1 »λ . Als Aufwachsrate wurde in beiden Fällen etwa 250 A/Minute gewählt.
Nach Beendigung des AufstäubungsVorganges wurden die so erzeu .en
Schichten miteinander verglichen. Das Substrat mit dem Niederschlag, welches nach der Lehre der Erfindung aufgebracht worden
war, zeigte einen besseren Kantenschutz mit einem Profil wie es dem In Fig.2B dargestellten ähnlich ist«
Im Gegensatz hierzu erwies sich das Profil der mittels der Apparatur
nach dem Stande der Tehhnik aufgestäubten dünnen Schicht
ähnlich wie eß in der Fig.2A dargestellt ist» Es zeigt feine
Haarrisse, welche von den Katen der Metallstreifen bis zur Oberfläche
der isolierenden Schutzschicht reichten» Bei Bruchversuchen zeigte sich, daB das nach der Lehre der vorliegenden Erfindung behandelte Plättchen eineziemlich gleichmäßig über den
ganzen Querschnitt reichende Bruchfläche aufwies, was als Anzeichen
für eine gute Adhäsion zu deuten ist» Dahingegen zeigt das andere Substrat beim Durchbrechen eine ungleichmäßige Bruchfläche
zwischen Metallstreifen und der aufgestäubten Schicht, . eine Folge der hier vorliegenden wesentlich geringeren Adhäsion.
Um eine Vorstellung von dem Widerstandsverhalten gegenüber
chemisch angreifenden Substanzen zu bekommen, wurden beide Substrate einem A" t ζ versuch unterworfen, wosu eine gepufferte
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Fluorwasserstofflösung benutzt wurde. Die Ätzrate der dünnen
Schicht, welche nach der Lehre der vorliegenden Erfindung aufgebracht
wurde, lag wesentlich niedriger als die Ätzrate für die anderen aufgestäubten Schichten, die mit den Hilfsmitteln nach
dem Stande der Technik aufgebracht worden waren. Weiterhin wurde über die Oberfläche beider Plättchen Salzwasser gegeben und eine
Spannung von 40 Volt zwischen das Wasser und die unter der Schutzschicht
liegenden Leitungsmuster angelegt. Hierbei macht sich jeder Riß in der Schutzschicht durch eine Blase oberhalb der
Öffnung bemerkbar. Es sei darauf hingewiesen, daß bei den Schichten, die nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung
erstellt waren, lediglich ein Zehntel der feinen Durchbrüche und Haarrisse festgestellt werden konnten im Vergleich zu den
nach dem Stand der Technik hergestellten Schutzschichten.
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Claims (1)
- - 21 - 'Böblingen, 20. Mai 1970 si-skPatentansprücheVerfahren zum kathodischen Aufstäuben von haltbaren dielektrischen Schichten zum Passivieren von Halbleiterbauelementen und monolithischen Strukturen, bei welchem die die Aufstäubung bewirkende Entladungsstrecke über eine ankoppelnde Kapazität von einer Hochfrequenzenergiequelle gespeist und diese Kapazität so gewählt wird, daß sich ein günstiges Verhältnis zwischen der Aufstäubungsund der Rückstäubungsrate ergibt, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Fläche der substrathaltenden zur Fläche der das aufzustäubende Material haltenden Elektrode kleiner als 2,5 gemacht wird.Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodenoberflächenverhältnis zwischen den Werten 1,4 und 2,0 gewählt wird.3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die das Substrat haltende Elektrode in ihren peripheren Bereichen flanschartig in Richtung auf die das zu zerstäubende Material tragende Elektrode abgewinkelt und nahe bis zu deren Rand herangeführt ist, derart,daß bis auf einen engen peripheren Spalt das Gebiet der eigentlichen Gasentladung gegen das restliche Volumen des Entladungsgefäßes abgegrenzt ist.4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß , . in den abgegrenzten Raum der Gasentladungsstrecke ein inertes, als Entladungsatmosphäre dienendes Gas unter überdruck bezüglich des restlichen Volums des Entladungsgefäßes anwesend ist.Fi 968 in 00 9 8 50/ 1 5245. Vorrichtung nach dem Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Entladungsatmosphäre Argon oder ein< anderes Edelgas anwesend ist.6. Vorrichtung nach einemoder mehreren Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die substrathaltende Elektrode zur Realisierung eines bestimmten Elektrodenoberflächenverhältnisses und/oder zur Homogenisierung des Verlaufs des elektrischen Feldes mit einer Vielzahl von ringförmigen Vertiefungen versehen ist.009850/1524Leerseite
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