DE2253769C3 - Kathodenzerstäubungsanlage mit kontinuierlichem Substratdurchlauf - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kathodenzerstäubungsanlage mit kontinuierlichem Substratdurchlauf, mit einer Eingangsschleusenkarnmer, einer Aufheizkammer, wenigstens einer Bestäubungskammer, einer Abkühlkammer und einer Ausgangsschleusenkammer, mit je einer Drosselstelle an den Enden der Bestäubungskammer, mit einer Einrichtung zum kontinuierlichen Transport der Substrate durch die Kammern, mit Einrichtungen zum Zuführen von Zerstäubungsgas und Zerstäubungsspannung in die Bestäubungskammer und mit Einrichtungen zum Evakuieren der Aufheiz- und Abkühlkammer sowie der Schleusenkammern.

Eine solche Kathodenzerstäubungsanlage ist bereits bekannt (DE-OS 21 14 470). Bekannt ist auch bereits ein Verfahren zum Herstellen meta.'';scher Schichten mittels Kathodenzerstäubung durch eine unselbständige Gasentladung in einem vorzugsweise mit Edelgas gefüllten Zerstäubungsgefäß, in dem zur Erzeugung eines Plasmas eine Hilfsentladung betrieben wird, wobei in dem Zerstäubungsgefäß mit Hilfe einer um dieses in der Nähe der Anode herumgelegten Spule durch ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld eine elektrodenlose Ringentladung erzeugt wird, deren hochionisiertes Plasma mit der Anode in elektrischer Verbindung steht und die für die Zerstäubung erforderlichen Ionen liefert, und wobei die Ionen durch das elektrische Feld zwischen Anode und Kathode unmittelbar zur Kathode beschleunigt werden (DE-PS 11 22 801).

Es ist weiterhin eine Vorrichtung zur Kathodenzerstäubung mit Ringentladung in einem Plasmaraum, die innerhalb eines Rezipienten durch ein hochfrequentes, den Rezipienten axial durchdringendes, elektromagnetisches Feld erzeugt ist, bekannt, wobei Kathode, Anode und Auffänger als den Plasmaraum umhüllende Elektroden ausgebildet sind. Dabei können die Elektroden wahlweise mit einer Kühl- oder Heizeinrichtung verbunden sein (DE-PS 15 15 311). Zur Bestäubung von in der Mittelachse der Bestäubungskammer angeordneten Substraten, umgeben von zylindrischen Kathoden, dienen Vorrichtungen nach DE-OS 16 90 688.

Gemäß einer bekannten Weiterbildung der vorstehend genannten Vorrichtung ist der von dem hochfrequenten, elektromagnetischen Feld durchdrungene Plasmaraum zusätzlich von einem magnetischen Gleich-

oder Wechselfeld durchdrungen. Das deich- oder Wechselfeld kann senkrecht oder parallel zum hochfrequenten, elektromagnetischen Feld ausgerichtet sein (DE-PS 16 90 689).

Aus der DE-OS 19 01 891 ist eine Kathodenzerstäubungsanlage bekannt, bei der die Zerstäubungskammer aus einem zylindrischen Rohr aus Isoliermaterial besteht, bei der die Zerstäubungselektroden den Plasmaraum umhüllen, bei der um die Zerstäubungskammer eine hochfrequente Spule zur Erzeugung eines elektrodenlosen Ringentladungsplasmas im Inneren der Kammer gelegt ist, bei der die den Plasmaraum umhüllenden Elektroden aus zwei Zylindermantelteilen für Kathoden bestehen, bei der Bleche zur Abschirmung vorgesehen sind, bei der der Durchmesser des Elektrodenzylinders etwa viermal größer ist als der der Substratmenge, bei der die zu beschichtenden Substrate einen rotierenden, als Anode geschalteten Drahtkäfig durchlaufen, in dem sie laufend umgewälzt werden und bei der ein die Bestäubungskammer axial durchsetzendes Magnetfeld erzeugt wird.

Bei einer weiteren bekannten Kathode izerstäubungsanlage (DE-OS 19 27 253) werden die zu beschichtenden Substrate in senkrechter Lage durch das Zentrum der Beschichtungskammer geführt, wobei dort die Kathoden und Anoden aus einer Anzahl von Stäben, und zwar jeweils aus miteinander abwechselnden Kathoden- und Anodenstäben bestehen, deren gegenseitiger Abstand dem etwa dreifachen Stabdurchmesser entspricht

Der vorliegenden Erfindung Hegt die Aufgabe zugrunde, eine Kathodenzerstäubungsanlage der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß sich die Substrate in großen Stückzahlen rationell und mit über die gesamte Substratfläche gleichmäßig dicken Überzügen beschichten lassen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Bestäubungskammer aus zwei zylindrischen Rohren aus Isoliermaterial besteht die durch einen Metallring vakuumdicht verbunden sind, daß dieser Metallring die Zerstäubungselektroden sowie Anschlüsse für die Zerstäubungsspannung, das Zerstäubungsgas und die Wasserkühlung träft, daß um die Bestäubungskammer eine Hochfrequenzspule zur Erzeugung eines elektrodenlosen Ringentladungsplasmas im Innern der Kammer gelegt ist, daß der Zerstäubungselektroden einen längigeschlitzten Zylindermantel bilden und den Plasmaraum umhüllen, daß die Verbindung der Zerstäubungskammer mit den übrigen Anlageteilen mittels zweier Federkörper erfolgt, daß die den Plasmaraum umhüllenden Elektroden aus je zwei Zylindermantelteilen für Anode bzw. Kathode bestehen, daß die Kathoden von den Substraten aus gesehen einen Winkel λ von je ca. 135° überdecken, daß an den Stirnseiten der Bestäubungskammer scheibenförmige Kathodenbleche zusätzlich angebracht sind, deren Durchmesser etwa dem halben Durchmesser des Elektrodenzylinders entspricht und daß auf der Transportvorrichtung die zu beschichtenden Substrate Rücken an Rücken in senkrechter Lage durch das Zentrum der Beschichtungskammer geführt werden.

Ein wesentlicher Vorteil der beschriebenen Anlage ist die für den Durchlauf der Substrate durch den Bestäubungsraum angepaßte Elektrodenanordnung bei waagerecht aufgebautem Rezipientenzylinder. Substrat und Kathode stehen senkrecht, damit sie durch abplatzende Teile nicht verunreinigt werden können. Kathode und Anode bestehen je aus zwei Zylindermantelteilen. Bei dieser Aufteilung der Mantelfläche in Kathode und Anode wird die Schichtdickenstreuung quer zur Transportrichtung sehr klein für ,Substrats, deren Abmessungen in dieser Richtung rund ein Viertel des Durchmessers betragen. Bei reinen Zylinderkathoden würde die Schichtdicke auf dem Substrat nach außen zunehmen. Während des Betriebs der Anlage werden die Wände der Zerstäubungskammer, die aus einem elektrisch isolierendem Material bestehen müssen, aufgeheizt Um zu verhindern, daß die dabei

ίο entstehenden mechanischen Spannungen zu einer Zerstörung führen, sind zwischen Bestäubungskamnier und übrigen Anlageteilen Metallfederungskörper vorgesehen. Durch die zusätzliche, spezielle Anordnung von Kathodenblechen an den Stirnseiten der Bestäu bungskammer wird der bei einer zylindrisch ausgebilde ten Kathode auftretende Nachteil, daß die Bestäubungsrate zum Ende der Bestäubungskamm ;r hin auf rund die Hälfte abnimmt, ausgeglichen.

Gemäß einer weiteren Ausbildung sind die den

Zerstäubungsraum umhüllenden EW-'.troden alle als Anode geschaltet; die Kathode besteht dann aus einer Anzahl von Stäben, die in geringem Abstand vor der Anode befestigt sind und die vom Substrat aus gesehen einen Winkel von je ca. 135° überdecken. Bei gleichen elektrischen Bestäubungsdaten und mindestens der gleichen Bestäubungsrate am Substrat wie bei flächenförmigen Kathoden erfolgt bei dieser Ausführungsform die Bestäubung unter reineren Bedingungen, da die jetzt extrem großflächige zylindrische Anod» als Getterflä ehe für unerwünschte Anteile im Bestäubungsgas dient Auch ist Herstellung und Austausch bei stabförmigen Kathoden einfacher als bei blechförmigen Kathoden. • Der gegenseitige Abstand der Kathodenstäbe entspricht etwa dem dreifachen Stabdurchmesser.

Vorzugsweise sind die zu beschichtenden Substrate in einer Kassette gehalten. Diese Kassette weist an ihrem oberen Ende Transportrollen und an ihrem unteren Ende eine Führungsnase auf, wodurch sich zusammen mit dem feststehenden Teil der Transportvorrichtung ein ungestörter Substratdurchlauf erreichen läßt. Jede Kassette trägt vorzugsweise vier Substrate, auf jeder Seite somit zwei.

Gemäß einer weiteren Ausbildung der beschriebenen Anlage ist an den Stirnseiten der Bestäubungskammer

außen je eine Spule angebracht, mit 'deren Hilfe ein die Bestäubungskammer axial durchsetzendes niederfrequentes Magnetfeld erzeugt wird. Magnetfelder können, wie an sich bekannt, dazu benutzt werden, Plasmaelektronen in einer Kathodenzerstäubungsappa ratur im Entladungsraum auf Spiralbahnen zu lenken, so daß eine Stromerhöhung zwischen Kathode und Anode auftritt Auch ist im aligemeinen durch die höhere Ionisierungswahrscheinlichkeit der Elektronen ein Arbeiten bei geringerem Edelgasdruck möglich. Außer- dem ist bekannt, d?ß mit Hilfe von Magnetfeldern

Elektronen vor dem Substrat so abgelenkt werden

können, daß das Substrat nicht von energiereichen

Elektronen getroffen und aufgeheizt wird. Durch die seitlicL·· Ablenkung der Elektronen würde

bei einem magnetischen Gleichfeld das Plasmadichte-Profil verschoben, so daß die beschichteten Substrate senkrecht zur Transportrichtung eine nicht zu vernachlässigende Schichtdickenabweichung aufweisen würden. Aus diesem Grund wird vorzugsweise 50 Hz Wechsel strom an die Spule abgelegt Wie Versuche ergeben haben, kann damit diese Schichtdickenänderung vermieden werden. Als Zerstäubungsspannung zwischen Kathode und

Anode wird vorteilhaft eine pulsierende Gleichspannung verwendet, die durch eine Einphasenbrücken-Gleichrichtung gewonnen wird. Das zusätzliche axiale niederfrequente Magnetfeld muli dann phasengleich mit der Zerstäubungsspannung sein, da sich die Plasmaelek- =, tronen in Phase mit der Zerstäubungsspannung zum Substrat bewegen.

Bei einem zylinderförmigen Kathodenzerstäubungssystem nimmt die Aufstäubrate zu den Enden der Bestäubungskammer hin ab. Da das axiale Magnetfeld in durch je am Ende der Bestäubungskammer angeordnete Spulen erzeugt wird, kann man durch einen geeigneten Abstand erreichen, daß das Magnetfeld zur Mitte hin abnimmt.

Auf diese Weise ist es möglich, eine Erhöhung der ΐί Aufstäubrate in den Randzonen durch eine größere Stromdichte auf der Kathode zu erzielen, womit auch die Aufstäubratc- der Mittelachse gleichmäßiger wird. Um diesen Effekt zu erreichen, ist es erforderlich, daß der gegenseitige Abstand der zusätzlichen Spulen den von Helmholtz-Spulen übersteigt. Als Helmholtz-Spulen bezeichnet man Spulenpaare, deren Abstand voneinander gleich dem Spulenradius ist.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. μ

Fig. I zeigt einen Blick auf die beschriebene Kathodenzerstäubungsanlage. Man erkennt eine Eingütigsschleuse 1, in die die zu beschichtenden Substrate, die in Kassetten 11 gehalten sind, einge^rzi werden. Nach dem Schließen der äußeren Schleusentüren wird m die Schleuse 1 evakuiert mit Hilfe von (nicht dargestellten) Vakuumpumpen, die an den Stutzen 2 angeschlossen werden. Wenn die Schleuse 1 auf einen Druck von ca. 10~⁵ Torr evakuiert ist, wird sie mit einem Gasgemisch, das dem Zerstäubungsgas entspricht, i-> gespült. Nach öffnen der inneren Schleusentür werden die Kassetten 11 in die Aufheizkammer 3 gebracht. Die Kammer 3 wird ebenfalls über den Pumpstutzen 2 evakuiert. Zwischen Aufheizkammer 3 und Bestäubungskammer 5 ist ein Federkörper 4 angeordnet, der 4n die mechanischen Spannungen beim Erwärmen der Anlage aufnimmt. Die Bestäubungskammer 5, deren linke Seite aufgeschnitten dargestellt ist, besteht aus zwei Glaszylindern 51, die über ein metallisches Zwischenstück 6 miteinander verbunden sind. Das Verbindungsstück 6 trägt Anschlüsse für die Wasserkühlung 14, für die Spannungszuführung 15 und für die Gaszuführung 16. Um die Glaszylinder 51 sind auch die Hochfrequenzspulen 12 herumgelegt, mit deren Hilfe im Innern der Bestäubungskammer 5 das Zerstäubungs- so plasma erzeugt und aufrechterhalten wird. Die Bestäubungskammer 5 ist durch zwei Endplatten 17 abgeschlossen.

Im Inneren des linken, aufgeschnittenen Glaszylinders 51 erkennt man die den Plasmaraum umhüllenden Elektroden 52, 56, 54. Die zylindermantelförmigen Elektroden 52 sind dabei mit Schlitzen 57 versehen, um eine Abschirmung des von den Spulen 12 erzeugten Hochfrequenzfeldes zu verhindern. Die plattenförmige Elektrode 56 ist als Anode geschaltet Die Elektrode 54 ist als Kathode geschaltet, sie verbessert die Aufstäubrate an den Enden der Bestäubungskammer 5. Der Abstand zwischen den Elektroden 56 bzw. 54, den Durchbrüchen in den Endplatten 17 und der kontinuierlichen Substratförden/orrichtung 7 ist möglichst gering, so daß hier, d. h. zwischen Besiäubungskarnmcr 5 und Aufheizkammer 3 eine erwünschte Drosselstelle 9 entsteht. Eine weitere Drosselstelle ist zwischen Bestäubungskammer 5 und Abkühlkammer 8 eingebaut. In der Bestäubungskammer, in die das zur Zerstäubung dienende Edelgas, z. B. Argon und reaktive Gase eingelassen werden, herrscht ein Gasdruck um 10-' Torr. Außerhalb der Bestäubungskammer ist der Totaldruck entsprechend niedriger, so daß durch die Drosselung ein Einströmen von Restgasen gegen den Argonstrom in den Bestäubungsraum behindert wird. Bei Verwendung von Diffusionspumnen bietet die Drosselung den Vorteil des geringeren Totaldrucki/r. am Pumpstutzen. Diffusionspumpen neigen bei Drücken > IO-^JTorrzu Störungen. Durch die Drcssaistelle wird ferner eine definierte Begrenzung des Bestäubungsraumes erreicht, wodurch ein Bestäuben der Substrat-.* außerhalb des eigentlichen Plasmaraumes verhindert wird.

An den beiden Enden der Bestäubungskammer 5 i?· außerdem je eine Spule 13 ango'dnet. mit deren liiile ein niederfrequentes magnetisches Wechselfeld, das die Bestäubungskammer 5 axial durchsetzt, erzeuji wird. Die in dor Bestäubungskammer 5 beschichteten Substrate 20 gelangen mit Hilfe der Transportvorrichtung 7 durch einen zwenen Federbalg 4 in die Abk'iblkammer 8, von wo sie zur Ausgangsschleuse 10 gelangen. Die Abkühlkammer 8 und die Ausgangsschleuse 10 sind Ober die Pumpstutzen 2 mit (nicht dsigestellten) Vakuumpumpen verbunden.

F i g. 2 zeigt einen Schnitt durch die Bestäubungskammer 5. Man erkennt den Glaszylinder 51, die außen herumgelegte Hochfrequenzspule 12 und im Zentrum die Drosselstelle 9. Die Transportvorrichtung ist der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Die eigentlichen Bestäubungselektroden bestehen aus vier Zylindermantelteilen 52, die den Plasmaraum umhüllen, der kreisscheibenförmigen Elektrode 56, die eine Bestäubung der Stirnwand der Bestäubungskammer verhindert und immer als Anode geschaltet ist, und die ebenfalls kreisscheibenförmige Elektrode 54, die immer als Kathode geschaltet ist und die Aufstäubrate an den Enden der Bestäubungskammer verbessert. Der Elektrodenzylinder ist durch vier Schlitze 57 in insgesamt vier Mantelteile aufgeteilt, um eine Abschirmung des äußeren Hochfrequenzfeldes der Spulen 12 zu verhindern. Im vorliegenden Beispiel sind alle Elektrodenteile 52 als Anode geschaltet Die eigentliche Zerstäubungskathode besteht hierbei aus einer Anzahl von Stäben 53, die in geringem Abstand vor der Anode angebracht sind. Von den zu beschichtenden Substraten aus gesehen überdecken die Kathodenstäbe 53 einen Winkel « von ca. 135°.

Statt der Kathodenstäbe 53 kann auch eine Blechkathode eingesetzt werden. Zu diesem Zweck werden die vom Substrat 20 aus hinter den Kathodenstäben 53 liegenden Zylindermantelteile als Kathoden geschaltet.

Um eine unnötig starke Aufheizung der Elektroden 52 zu verhindern, sind sie auf ihrer Rückseite mit Rohren 55 zur Wasserkühlung versehen.

Die Fig.3 zeigt im Schnitt die beschriebene Transportvorrichtung 7. Die Kassette 11 besitzt an ihrem oberen Ende eine Transportrolle 110 und an ihrem unteren Ende eine Führungsnase 111. Rolle 110 und Nase 111 laufen in einem geeigneten Profil 70, das in der Kathodenzerstäubungsanlage fest montiert ist Auf

ts*.ivn*ii kj*»iM.ii uw ηιΙΛη.1». ι B 3111U Uli. 4.U UV3Viin.ii».ii* den Substrate 20 befestigt

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Kathodenzerstäubungsanlage mit kontinuierlichem Substratdurchlauf, mit einer Eingangsschleusenkammer, einer Aufheizkammer, wenigstens einer Bestäubungskammer, einer Abkühlkammer und einer Ausgangsschleusenkammer, mit je einer Drosselstelle an den Enden der Bestäubungskammer, mit einer Einrichtung zum kontinuierlichen Transport der Substrate durch die Kammern, mit Einrichtungen zum Zuführen von Zerstäubungsgas und Zerstäubungsspannung in die Bestäubungskammer und mit Einrichtungen zum Evakuieren der Aufheiz- und Abkühlkammer sowie der Schleusenkammern, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestäubungskammer (5) aus zwei zylindrischen Rohren (51) aus Isoliermaterial besteht, die durch einen Metallring (6) vakuumdicht verbunden sind, cteß dieser Metallring (6) die Zerstäubungselekiroden (52,53) s^wie Anschlüsse für die Zerstäubungs- Spannung (15/, das Zerstäubungsgas (16) und die Wasserkühlung (14) trägt, daß um die Bestäubungskammer (5) eine Hochfrequenzspule (12) zur Erzeugung eines elektrodenlosen Ringentladungsplasmas im Innern der Kammer (5) gelegt ist, daß die Zerstäubungselektroden einen längsgeschlitzten Zylindermantel (52) bilden und den Plasmaraum umhüllen, daß die Verbindung der Zerstäubungskammer (5) mit den übrigen Anlageteilen (3, 8) mittels zweier Federkörper (4) erfolgt, daß die den Plasmaraum '.'mhüllenden Elektroden (52) aus je zwei Zylindermantelteilen für Anode bzw. Kathode bestehen, daß die Kathoden vos· den Substraten (20) aus gesehen einen Winicei χ von je ca. 135° überdecken, daß an den Stirnseiten der Bestäubungskammer (5) scheibenförmige Kathodenbleche (54) zusätzlich angebracht sind, deren Durchmesser etwa dem halben Durchmesser des Elektrodenzylinders (52) entspricht und daß auf der Transportvorrichtung {7) die zu beschichtenden Substrate (20) Rücken an Rücken in senkrechter Lage durch das Zentrum der Beschichtungskammer (5) geführt werden.

2. Kathodenzerstäubungsanlage nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß alle den Plasmaraum umhüllenden Zylindermantelteile (52) als Anode geschaltet sind und daß die Kathode aus einer Anzahl von Stäben (53) besteht, die in geringem Abstand von der Anode (52) befestigt sind und von den Substraten (20) aus gesehen einen Winkel α von je ca. 135° überdecken.

3. Kathodenzerstäubungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der gegenseitige Abstand der Kathodenstäbe (53) etwa dem dreifachen Stabdurchmesser entspricht.

4. Kathodenzerstäubungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Elektrodenzylinders (52) etwa viermal größer ist als die Höhe der Substrate (20).

5. Kathodenzerstäubungsanlage nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zu beschichtenden Substrate (20) in einer Kassette (11) gehalten sind.

6. Kathodenzerstäubungsanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kassette (II) an ihrem oberen Ende Transportrollen (110) und an ihrem unteren Ende eine Führungsnase (111) aufweist.

7. Kathodenzerstäubungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an den Stirnseiten der Bestäubungskammer (5) außen je eine Spule (13) angebracht ist, mit deren Hilfe ein die Bestäubungskammer (5) axial durchsetzendes, niederfrequentes Magnetfeld erzeugt wird.

8. Kathodenzerstäubungsanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß 50 Hz Wechselspannung an die Spulen (13) angelegt sind.

9. Kathodenzerstäubungsanlage nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der gegenseitige Abstand der zusätzlichen Spulen (13) den von Helmholtz-Spulen übersteigt

10. Kathodenzerstädbungsanlage nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Zerstäubungsspannung eine durch Einphasenbrükkengleichrichtung gewonnene pulsierende Gleichspannung Verwendung findet und daß das zusätzliche axiale Magnetfeld mit der Zerstäubungsspannung phasengleich ist.