DE2307649B2

DE2307649B2 - Anordnung zum Aufstäuben verschiedener Materialien auf einem Substrat

Info

Publication number: DE2307649B2
Application number: DE2307649A
Authority: DE
Inventors: Helmut Adam; Hans Lutz; Gert Dipl.-Phys. Dr. 7253 Renningen Siegle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1973-02-16
Filing date: 1973-02-16
Publication date: 1980-07-31
Also published as: CH564096A5; GB1465745A; IT1007287B; US3985635A; JPS49114585A; DD109670A5; FR2218402B1; FR2218402A1; DE2307649A1

Description

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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Aufstäuben verschiedener Materialien auf einem Substrat, bei der in einem Zerstäubungsger'äß eine einzige Glimmentladung angeregt ist und bei der Trennbleche als elektrisch leitfähige Abschirmmittel vorgesehen sind, wobei die Materialien gleichzeitig in der Glimmentladung zerstäubt werden.

Solche Anordnungen sind bereits bekannt (US-PS 24 019). Dort wird mittels Hilfselektroden eine Glimmentladung aufrechterhalten und dort werden mittels separater Spannungssteuerungen an verschiedenen Teilelektroden die zu zerstäubenden Materialien abgestäubt. Hierdurch ergibt sich bei der bekannten Anordnung eine Legierungsbildung auf den Substraten, deren Bestandteile aus den verschiedenen Kathodenmaterialien bestehen.

Üblicherweise werden durch Zerstäubung in einer Glimmentladung nur dünne Schichten aus einem einzigen Material hergestellt Will man Schichten aus mehreren verschiedenen Substanzen oder Legierungen aus den einzelnen Bestandteilen durch Zerstäubung entsprechender Kathodenmaterialien in einem Vakuumkessel erzeugen, so kann eine gegenseitige Bestäubung der verschiedenen Kathoden auftreten, unabhängig davon, ob alle oder nur eine der Kathoden an Spannung liegen und somit zerstäubt werden. Dadurch verändern sich bereits nach wenigen Minuten bis Stunden die Oberflächen der Kathoden so, daß sich die Abstäubraten und damit bei konstant gehaltenen Zerstäubungsparametern wie Gasdruck, Kathodenspannung und Bestäubungszeit die Eigenschaften der erzeugten Schichten auf Substraten in der Nähe der Kathoden ändern.

Unter den bekannten Anordnungen zur Zerstäubung verschiedener Materialien befinden sich sowohl solche mit mehreren getrennten Kathoden als auch solche mit einer gemeinsamen Kathode, auf der die verschiedenen Materialien nebeneinander angeordnet sind. Beim Zerstäuben der verschiedenen Materialien nimmt man bei der zuletzt geschilderten, gemeinsamen Kathode, insbesondere bei Versuchsanordnungen, eine Reihe von Nachteilen in Kauf, wenn auch ohne Substratbewegung eine einheitliche Legierungsschicht entsteht. Zu diesen Nachteilen zählen insbesondere die Bildung von Kegeln auf dem leichter zu zerstäubenden Material und die Erhöhung der Stromdichte an der schlechter zu zerstäubenden Kathode auf Kosten der ersteren. Die Kegelbildung tritt dadurch auf, daß Partikel des schwerer zu zerstäubenden Materials sich auf dem leichter zu zerstäubenden Material ablagern und dessen Zerstäubung behindern. Die Schichtzusammensetzung ändert sich dadurch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Anordnung der eingangs genannten Art eine gegenseitige Bestäubung der Kathoden untereinander zu vermeiden. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zur Erzeugung aufeinanderfolgender Schichten aus den verschiedenen Kathodenmatcrialicn im Bereich zwischen den bewegten Substraten und den Grenzlinien der als Kathode geschalteten, zu zerstäubenden Materialien Trennbleche angeordnet sind, welche gleichzeitig elektrisch leitfähige Abschirmmittel an der Kathode bilden.

Dadurch kann vorteilhafterweise mit einer kompakten Apparatur ohne gegenseitige Beeinflussung, d. h. insbesondere ohne gegenseitige Bestäubung und verschiedenen Kathodenbereiche, eine gewünschte Schichtenfolge auf vorbeigeführte Substrate aufgestäubt werden kann. Die Anordnung erlaubt mit minimalem Aufwand eine kontinuierliche Arbeitsweise auf engstem Raum.

Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Abbildung einer Zerstäubungsanordnung für kontinuierlichen Betrieb,

Fig. 2a—c schematische Abbildungen einer Mehrfachkathode mit unterschiedlich gestalteten Trennblechen,

Fig. 3 eine schematisierte Seitenansicht einer Zerstäubungsanordnung mit einem Trennbleeh und

K i g. 4 eine Zerstäubungsanordnung mit zwei ge-

«.rennten Kathoden mit einer gemeinsamen Abschirmung und einem Trennblech.

Die Abbildung zeigt ein Zerstäubungsgeiäß 10 mit einer Grundplatte 11 und einer Haube 12. In der Grundplatte ist ein Auslaß 13 zum Anschluß einer nicht dargestellten Pumpe vorgesehen. In der Haube sitzt ein mit einem Einlaßventil 31 versehenes Rohr zum Einlassen des Zerstäubungsgases, vorliegenden Fall Argon.

Weiterhin ist in der Haube 12 ein Isolator 14 befestigt, durch den eine Zuführung IS in das Innere des Zerstäubungsgefäßes 10 hindurchgeführt ist. An die Zuführung 15 ist eine Leitung 16 angeschlossen, welche zu einem Gleichspannungs- oder Hochfrequenzgenerator 17 führt.

An den Isolator 14 schließt sich eine Abschirmung 18 an, in deren Hals 19 die Zuführung 15 mittels eines Isolierstückes 20 zentriert ist. Die Abschü/mung 18 überdeckt die Rückseite und die seitliche Stirnfläche einer Kathodengrundplatte 21, welche mit der Zuführung 15 elektrisch und mechanisch verbunden ist und auf deren von der Zuführung 15 abgekehrten Vorderseite die verschiedenen, zu verdampfenden Materialien beispielsweise durch nicht dargestellte Schrauben befestigt sind. Die verschiedenen Materialien sind mit 22,23 und 24 bezeichnet. Im Ausführungsbeispiel st das Material 22 Kupfer. Die Abschirmung 18 liegt an Masse. Die Kathodengrundplatte 21 mit den darauf befestigten Materialien 22, 23 und 24 bilden eine gemeinsame Kathode 25.

Die zu bedampfenden Substrate sind mit 26 bezeichnet und sitzen auf einem Substratträger 27, welcher beim Ausführungsbeispiel in der durch einen Pfeil 28 bezeichneten Richtung bewegbar ist. Die Substrate 26 liegen über den Substratträger 27 an Masse.

Zwischen der Substratebene und der Kathode 25 sind entlang der Grenzlinie zwischen den verschiedenen Materialien 22, 23, 24 Abschirmmittel angeordnet, welche als doppelwandige Trcnnbleche 29 ausgebildet und ebenfalls geerdet sind. Die Trennbleche bestehen aus einem schwer verdampfbaren Material, vorzugsweise aus Edelstahl, und reichen sehr dicht bis auf wenige Millimeter an die Oberfläche der Kathode 25 heran. Im Ausführungsbeispiel übergreifen die Trennbleche 29 die Substrate U-förmig und sind in den Punkten 30 mechanisch befestigt. Sie liegen elektrisch auf Erdpotential oder auf einer gegenüber den Substraten nicht mehr als ± 50 V abweichenden Spannung.

Bei der beschriebenen Zerstäubungs-Anordnung sind also die verschiedenen Kathodenmaterialien nicht als getrennte voneinander elektrisch isolierte Kathoden mit getrennter Abschirmung und Stromzuführung angeordnet, sondern nebeneinander — beispielsweise durch Aufschrauben auf den Substratträger 27 — zusammengefaßt zu einer einzigen großen Kathode, welche wiederum unter einer einzigen Abschirmung 18 angeordnet ist. Die gegenseitige Bestäubung der verschiedenen Kathodenteile wird durch die vorzugsweise auf Erdpotential liegenden Trennbleche 29 soweit reduziert, daß Bestäubungszeiten bis zu mehreren 100 Stunden ohne Änderung der relativen Dicken aufeinanderfolgender Schichten beim einmaligen Vorbeiführen des Substrats 26 um mehr als typial 10% möglich werden. Durch die doppelwandige Ausführung der Trennbleche 29, wird die noch verbleibende gegenseitige Bestäubung der einzelnen Kathodenteile gegenüber Anordnungen mit einfachen Trennblechen noch weiter verringert

Die Bildung von Kegeln auf dem leichter zu zerstäubenden Material — im Ausführungsbeispiel Kupfer — und die Erhöhung der Stromdichte an dem schlechter zu zerstäubenden Kathodenmaterial — im Ausführungsbeispiel Eisen — auf Kosten des ersteren Materials wird durch die beschriebene Anordnung soweit verlangsamt, daß die zuvor genannten Zerstäubungszeiten möglich werden. Ohne Trennwände hingegen verringert sich bei einer Cu-Fe-Kathode die Schichtzusammensetzung bereits nach etwa 10 Stunden derart, daß die Abstäubrate des Cu um den Faktor 2 in einer Gleichstromentladung mit zwei 10 χ 10 cm² großen Cu- und Fe-Flächen vergrößert werden kann.

ι > Die beschriebene Anordnung kann verwendet werden für Zerstäubungsanlagen vom sogenannten Diodenoder Trioden- bzw. Tetrodentyp bei Gleich- oder Wechselspannungsentladungen.
Es ist bekannt, daß Kathoden in Gasentladungsröhren durch den intensiven lonenbeschuß zerstäuben und daß sich das abgestäubte Material als dünne Schicht in der Nähe der Kathode niederschlägt. Aus dieser bekannten Tatsache ergab sich die Möglichkeit, durch Kathodenzerstäubung dünne Schichten auch in technischem

>> Umfang herzustellen. Der industrielle Einsatz der Kathodenzerstäubung erfolgt vor allem zur Herstellung elektrischer Widerstände aus dünnen, metallisch leitenden Schichten sowie von Isolier- und Passivierungsschichten auf Halbleiter-Bauelementen. Die Zahl der

«ι Anwendungsfälle steigt laufend, wobei Schichten aus nahezu allen Substanzen — Metalle". Isolatoren, Halbleitern, Legierungen, Gemischen von Metallen und Isolatoren, ferroelektrischen und sogar einigen hochpolymeren Materialien — in hoher Reinheit, Dichte und

i> Haftfestigkeit erzeugt werden können. Im Ausführungsbeispiel ist nur die Zerstäubung von Metallen in einer sogenannten Dioden-Anlage hergestellt.

Die Diode stellt die einfachste Anordnung zur Herstellung dünner Schichten durch Kathodenzerstäu-

w bung dar. Hierbei wird in dem Zerstäubungsgefäß 10 dem zu metallisierenden Teil, dem sogenannten Substrat 26 in einigen 7entimeter Abstand eine Platte aus dem Material oder den Materialien 22 bis 24 gegenübergestellt, woraus die Schicht bestehen soll. Diese Platte, die

4^r> Kathode 25, wird später durch Anlegen einer gegen die übrige Apparatur und das Substrat 26 negativen Spannung von einigen kV, in der Regel etwa 3 bis 8 kV, als Kathode geschaltet. Zuvor wird die Apparatur zunächst auf wenigstens 10-⁴Torr evakuiert. Anschlie-

^r>o ßend wird über ein Regelventil 31 ein Gas, vorzugsweise Argon, bis zu einem Druck von etwa 10-²Torr zugelassen und durch das Einschalten der Kathodenspannung eine Glimmentladung gezündet. Bei dem üblicherweise verwendeten Argon leuchtet die Entla-

v, dung intensiv violett. Die Entladungsgrenze ist in der Abbildung gestrichelt angedeutet, der Raum der Glimmentladung ist dünn schraffiert. Die gestrichelte Linie stellt die Dunkelraumgrenze dar. Druck und Abstand zwischen der Kathode 25 und den Substraten

M) 26 sind so gewählt, daß die Dunkelraumgrenze vor den Substraten liegt. Die Zerstäubungsrate entspricht dem Verlauf der Dunkelrauingrenze, d. h. in der Mitte der einzelnen, durch die Trennbleche 29 abgeteilten Kathoden-Teilflächen ist die Zerstäubung der Katho-

>^r> denmaterialien am größten, an den Rändern der Kathode und im Bereich der Trennbleche 29 ist die Zerstäubung ungefähr 0.

Um die Zerstäubung der Kathode 25 aut die den

Substraten 26 zugekehrte Seite zu begrenzen, ist die andere Seite der Kathode 25 mit einer geerdeten Abschirmung 18 umgeben, die in einem Abstand angebracht ist, der kleiner als der Dunkelraumabstand ist. Dadurch kann sich zwischen der Kathode 25 und der ^r, Abschirmung 18 kein Plasma ausbilden; lonenstrom und Zerstäubung sind in diesen Bereichen deshalb nicht möglich.

Da bei einer bestimmten Kombination von Kathodenmaterial und Zerstäubungsionen die Zerstäubungs- ι ο rate von der Kathodentemperatur in gewissen Grenzen unabhängig ist, kann man die Kathode 25 auch ohne wesentlichen Verlust an Niederschlagsrate kühlen.

Die bekannten Anordnungen zur Kathodenzerstäubung arbeiten entweder mit selbständiger oder unselbständiger Entladung.

Im ersten Fall ist das Produkt aus Gasdruck und Abstand Kathode-Anode so groß, daß sich ein Plasma ausbilden kann. Da im einfachsten Fall Kathode und Anode zum Aufbau ausreichen, spricht man auch von der Diodenanordnung, wie sie in der Abbildung dargestellt ist. Im zweiten Fall ist das Produkt aus Gasdruck und Abstand zwischen Kathode und Anode wesentlich kleiner, so daß keine selbständige Entladung entstehen kann und daß Zerstäubungsgas künstlich >■> ionisiert werden muß. Dazu läßt man einen zusätzlichen Elektronenstrom von einer Glühkathode durch das Gas zu einer Hilfsanode fließen. Das zu zerstäubende Material wird wieder an ein gegenüber der restlichen Apparatur negatives Potential gelegt. Die zur Kathode jo hin beschleunigten Ionen zerstäuben diese, und die freigesetzten Atome kondensieren auf dem Substrat. Wegen der zusätzlichen Elektroden, der Glühkathode und der Hilfsanode, bezeichnet man diese Anordnungen auch als Trioden oder Tetroden. Die beschriebene Ji Anordnung ist auch dort verwendbar. Dioden werden bevorzugt eingesetzt bei der Herstellung von Schichten aus Metallen, Legierungen, Nitriden und Oxiden, Trioden dagegen bei der Herstellung von Schichten aus Halbleitern, Supraleitern oder auch Metallen und Legierungen. Bei gleichen Abständen Kathode-Substrat benötigt die Diode einen um ein bis zwei Größenordnungen höheren Gasdruck als die Triode. In die mit Triodenanordnungen hergestellten Schichten ist daher weniger Gas eingebaut, sie werden folglich dichter und reiner als Schichten aus Diodenanlagen. Umgekehrt bieten die Stöße der abgestäubten Atome in dem Zerstäubungsgas bei der Diode die Möglichkeit reaktiver Aufstäubungen, d. h. Abscheiden von Oxiden, Nitriden und Karbiden trotz metallischer Kathoden.

Die Anordnung kann sowohl eine mit Gleichspannung wie auch mit hochfrequenter Wechselspannung beaufschlagte Kathode enthalten. Für den industriellen Einsatz von Kathodenzerstäubungsanordnungen wird vorzugsweise die Diodenanordnung gewählt wegen des einfachen, wenig störanfälligen Aufbaus und der guten Gleichmäßigkeit der Schichtdicken auch über größere Flächen hinweg.

An den Rändern der Kathode 25, bzw. der Teilkathoden, oder an den Rändern der Substrate 26 ändern sich Dichte, Impedanz und Ausdehnung des Plasmas, weshalb dort nicht die gleiche Ab- bzw. Aufstäubrate besteht wie im Zentrum der einzelnen Kathoden-Teilflächen oder Substratflächen. Macht man jedoch die Kathoden größer als die Substrate oder bewegt man die Substrate unter den Kathoden hinweg, so wird man von Randeffekten der Kathode bzw. der Kathodenabschnitte unabhängig.

Durch die Trennbleche 29 verhindert man die Kegelbildung auf den leichter zu zerstäubenden Materialien der Kathode 25, im Ausführungsbeispiel dem Kupfer in den Kathodenbereichen 22 und 24. Beim Abstäuben wird ein Teil der Atome an Gasatomen gestreut und kann dadurch zur Kathode zurückkehren. Bei einer Kathode aus zwei oder mehr verschiedenen Metallen erreichen dabei Atome des einen Metalls auch Kathodenteile mit dem anderen Metall und umgekehrt. Zerstäubt das eine Metall wesentlich leichter als das andere, können sich nach längerer Abstäubung Inseln aus dem schwerer zerstäubbaren Metall auf dem leichter zerstäubbaren Metall bilden, die dort das Zerstäuben des Metalls verhindern. Auf den Spitzen der sich so bildenden Kegeln ist das schwer zerstäubbare Metall chemisch leicht nachweisbar, bei geeigneter Färbung ist es manchmal auch im Mikroskop sichtbar.

Die Hauptvorteile der beschriebenen Anordnung liegen darin, daß der Aufbau der Anordnung sehr einfach und die Baulänge der Apparatur gegenüber Anlagen mit getrennter Anordnung der Kathoden für verschiedene Materialien um 20% verkürzt sind, bei der besonders vorteilhaften Ausgestaltung mit einer gemeinsamen Kathode weiterhin darin, daß Kühlung, Stromzufuhr, Halterung und Abschirmung nur für eine Kathode nötig sind.

Auch wenn im Bereich der Trennwände 29 die Kathode 25 dort nicht zerstäubt, wo die Trennwände der Kathode nahe kommen, erreicht man dennoch eine Verkürzung der Anordnung.

F i g. 2 zeigt drei unterschiedliche Ausgestaltungen der Trennbleche an den Grenzen der verschiedenen, zu zerstäubenden Kathodenmaterialien. In Fig.2a ist ein ebenes, normales Abschirmblech angedeutet, in F i g. 2b ist eine labyrinthartige Ausgestaltung eines Abschirmbleches dargestellt, welches sich in der Praxis besonders bewährt hat, und Fig. 2c zeigt ein T-förmiges Abschirmblech. Letzteres verringert die gegenseitige Bestäubung ebenfalls sehr effektiv.

F i g. 3 zeigt eine schematisierte Seitenansicht einer Zerstäubungsanordnung, worin die Form eines das Substrat U-förmig umgreifenden Trennbleches deutlich erkennbar ist.

Fig.4 zeigt eine Zerstäubungsanordnung mit zwei getrennten Kr.thoden mit einer gemeinsamen Abschirmung und einem Trennblech 29, welches zwischen den beiden Kathoden 25a und 256 hindurchreicht und an die Kathoden-Abschirmung 18 anstößt. Das Trennblech 29 kann auch einen geringen Abstand von weniger als 5 mm von der gemeinsamen Kathodenabschirmung 18 haben, wie vorher bereits ausgeführt ist.

Neben den dargestellten Ausführungsformen können die Zerstäubungsanordnungen auch mit kreisförmigen Kathoden ausgerüstet sein und — insbesondere bei der kreisförmigen Ausgestaltung der Kathoden, können die Substrate unter der oder den Kathoden im Kreis herumgeführt werden.

Soll eine Legierungsbildung zwischen den nach der Beschreibung erzeugten Schichten erreicht werden, so läßt man entweder die Schichten rasch und häufig die Bereiche unter den verschiedenen Kathodenmaterialien passieren oder man läßt die Abschirmungen einige Millimeter bis Zentimeter über den Substraten enden. Die verschiedenen Materialien werden dort dann ineinanderstäuben und eine Legierung oder ein Gemenge bilden.

HieTZU 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentensprüche:

1. Anordnung zum Aufstäuben verschiedener Materialien auf einem Substrat, bei der in einem Zerstäubungsgefäß eine einzige Glimmentladung angeregt ist und bei der Trennbleche als elektrisch leitfähige Abschirmmittel vorgesehen sind, wobei die Materialien gleichzeitig in der Glimmentladung zerstäubt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung aufeinanderfolgender Schichten aus den verschiedenen Kathodenmaterialien im Bereich zwischen den bewegten Substraten (26, 2) und den Grenzlinien der als Kathode geschalteten, zu zerstäubenden Materialien (22, 23, 24) Trennbleche (29) angeordnet sind, welche gleichzeitig elektrisch leitfähige Abschirmmittel (29) an der Kathode (25) bilden.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstäubung mittels einer gemeinsamen Kathode (25) erfolgt, die aus den verschiede- nen Materialien zusammengesetzt ist

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zu zerstäubenden Materialien (22,23,24) unter einer gemeinsamen, elektrisch leitfähigen und auf Erdpotential befindlichen Abschirmung (18) angeordnet sind.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zu zerstäubenden Materialien (22, 23, 24) auf einer gemeinsamen, elektrisch leitfähigen Kathodengrundplatte (21) to befestigt sind, welche beim Aufbringen von neuem, zu zerstäubenden Kathodenmaterial nicht oder nur in größeren Zeitabständen ausgewechselt wird.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmmittel ι^Γ> (29) aus einem schwer verdampfbaren Material, vorzugsweise aus Edelstahl, bestehen.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Abschirmmittel (29) sehr dicht, vorzugsweise bis auf wenige Millimeter, an die Oberfläche der Kathode (25) heranreichen.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmmittel mit der Kathodenabschirmung mechanisch und/oder elektrisch verbunden sind.

8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Abschirmmittel (29) zwischen wenigstens zwei Kathoden hindurchreicht bis kurz vor oder bis zur Kathoden-Abschirmung