DE2344581A1 - Verfahren und vorrichtung zum reaktiven aufdampfen duenner schichten - Google Patents

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT München 2, den "4. SER 1973

Berlin und München Witte!sbacherplatz 2

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Verfahren und Vorrichtung zum reaktiven Aufdampfen dünner Schichten.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum reaktiven Aufdampfen dünner Schichten aus Metallverbindungen, insbesondere Oxid- und Nitridschichten, auf einem Substrat innerhalb eines eine Aufdampfquelle und ein ionisiertes Reaktionsgas einschließenden Reaktionsgefäßes.

Ein Verfahren zum Aufbringen von chemisch widerstandsfähigen, lichtdurchlässigen dünnen Schichten aus Metallverbindungen, insbesondere aus Siliciumoxid oder Titanoxid, welches auf dem Prinzip des reaktiven Aufdampfens beruht, ist aus der CH-PS 322.265 = DT-AS 1. 104.282 bekannt. Es wird bei diesem Verfahren von Metallverbindungen, insbesondere von Metallsuboxiden wie SiO und TiO, ausgegangen, welche im Reaktionsraum zusammen mit dem entsprechenden Metall verdampft werden. Der Aufdampfprozeß selbst findet dann in einer Restgasatmosphäre eines verbindungsbildenden Gases,' z.B. Sauerstoff oder Wasserdampf, bei Drücken um 1Ί0 Torr (1,3*10 Pa) statt. Die Reaktionen laufen im allgemeinen nicht · vollständig ab, so daß der erforderliche Oxydationsgrad nicht erreicht wird. Eine Verbesserung des Oxydationsgrades wird dadurch geschaffen, daß das verbindungsbildende Gas, d.h. das Reaktionsgas, vor Einführung in den Evakuierungsraum ionisiert wird. Nach dem vorbeschriebenen Aufdampfverfahren werden damit Schichten, beispielsweise Siliciumoxidschichten, erhalten die überv/ie-

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gend aus Si₀O^ bestehen und welche sich in den optischen Eigenschaften (Absorption bereits im Wellenlängenberexch des blauen Lichtes und stärkerer Absorptionsanstieg bei kürzeren Wellenlängen) und elektrischen Eigenschaften (größerer Verlustfaktor) von reinen SiC^-Schichten unterscheiden.

Aus der DT-OS 2 100 262 ist ein Entladungsgefäß zum Ionisieren und Anregen von Gasen, insbesondere zur. Erhöhung des Oxydationsgrades von in einer oxydierenden Gasatmosphäre bei Drücken unter 2*10 Torr (2,6-10"²Pa) aufgedampften Oxidschichten bekannt. Das Entladungsgefäß, welches dazu in einem Hochvakuumkessel angeordnet ist, ist in seinem Mittelteil zu einer Kapillare verengt und die Wandung der Kapillare weist wenigstens eine Öffnung auf, durch die das Gas unmittelbar in den Hochvakuumbereich aus strömt. Bei dieser Anordnung werden die Gasionen weitab vom Substrat erzeugt; auf dem Weg dorthin rekombinieren sie bereits und gehen damit der Reaktion am Substrat verloren*

In der Veröffentlichung von Szuszczewicz " On electron-cyclotron wave resonance in inductively coupled hf-discharges " in " Journ. Appl. Phys. " 42 (1971), S. 4794-4798, wird der Effekt einer auf Resonanzerscheinungen beruhenden Erhöhung der Plasmastärke einer elektrodenlosen Ringentladung durch Überlagerung des magnetischen HF-Wechselfeldes mit einem senkrecht dazu verlaufenden magnetisehen Gleichfeld beschrieben. Die Veröffentlichung stellt jedoch lediglich eine theoretische Betrachtung und einen Versuch einer Berechnung des physikalischen Effekts dar, gibt aber keine Anweisung für eine technische Anwendung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum reaktiven Aufdampfen dünner Schichten aus Metallverbindungen in ionisierten Gasen anzugeben, bei dem durch Erhöhung des Ionisa-

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■tionsgrad.es des Gasgemisches die Reaktionen am Substrat vollständig verlaufen. Es werden damit dünne Schichten aus stabilen Verbindungsstufen angestrebt, die sich durch gute mechanische und optische Eigenschaften, z.B. Absorptionsfreiheit, auszeichnen.

Diese Aufgabe wird erfindungsge.mäß dadurch gelöst, daß das Reaktion.?-gas mit Hilfe einer elektrodenlosen Ringentladung einer induktiv gekoppelten HF-Spule, welche ringförmig um das zylindrische Reaktionsgefäß aus elektrisch isolierendem Material angeordnet ist, ionisiert wird, daß dem magnetischen Viechselfeld der HF-Spule ein senkrecht dazu gerichtetes magnetisches Gleichfeld eines Spulenpaares, dessen Achse senkrecht auf der Achse der HF-Spule steht, überlagert ist und daß das magnetische Wechselfeld und d&s magnetische Gleichfeld zueinander in einem Elektron-Cyclotron-Resonanz-bzw. Elektron-Helikon-Resonanz-Verhältnis stehen.

Durch die Ausnützung der Resonanzerscheinungen eines dem magnetischen Wechselfeld senkrecht überlagerten magnetischen Gleichfeldes erfährt das durch eine elektrodenlose Ringentladung erzeugte Plasma eine Erhöhung bis etwa um einen Faktor 10. Es ergibt sich daraus eine Vergrößerung des Ionisationsgrades, d.h. das Verhältnis der Anzahl von gebildeten Ionen zur Gesamtanzahl der im Reaktionsraum vorhandenen Gasmoleküle wird vergrößert. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme kann im Reaktionsgefäß der Gasdruck um den gleichen Faktor reduziert werden, ohne daß die Anzahl der Ionen, die am Substrat der Reaktion zur Verfügung stehen, gegenüber bekannten Aufdampfverfahren verringert ist.

Das erfindungsgeraäße Verfahren wird daher vorteilhafterweise in

einem Reaktionsgefäß vorgenommen, in dem ein Druck von 1,3«10 Pa

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(1·10 Torr) und geringer herrscht; die HF-Spule wird dabei von einem HF-Strom von 1 bis 15 MHz durchflossen.

In der Vorrichtung gemäß der Erfindung, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß sich in dem zylindrischen Reaktionsgefäß ein in Längsrichtung geschlitzter Blechzylinder befindet, daß das Reaktionsgefäß ringförmig von einer HF-Spule umschlossen ist, daß weiterhin ein Spulenpaar außerhalb des Reaktionsgefäßes angeordnet ist, dessen magnetisches Gleichfeld das Reaktionsgefäß durchdringt, und daß das von der HF-Spule erzeugte magnetische Wechselfeld und das magnetische Gleichfeld des Spulenpaares senkrecht aufeinanderstehen, ist es möglich, ein Plasma mit einem sehr hohen Ionisationsgrad im gesamten Raum zwischen Aufdampfquelle und Substrat auch bei tiefen Arbeitsdrücken zu erzeugen.

An Hand der Zeichnung werden die Vorrichtung und das Verfahren nach der Erfindung näher erläutert.

Die Figur stellt eine Vorrichtung zum reaktiven Aufdampfen dünner Schichten in ionisierten Gasen dar. Das Reaktionsgefäß 1_ wird von einem Glasrezipienten gebildet und besteht aus einem zylindrischen Mittelteil 12, aus Bodenteil 13 und Deckenteil Das Reaktionsgefäß ^ schließt ein Substrat 2 und eine Aufdampfquelle 3 ein. Die Aufdampfquelle 3 wird von einem Tiegel gebildet, in dem die Ausgangssubstanz 4 untergebracht ist. Das Substrat 2 kann auch aus einer Anordnung mehrerer Substratscheiben bestehen. Am Boden des Reaktionsgefäßes Λ_ befindet sich ein Pumpstutzen 5> welcher zur Hochvakuumpumpe (nicht dargestellt) führt, und ein Gaseinlaß 6 für das Reaktionsgas, dessen Menge mit Hilfe des Ventils 7 reguliert wird.

Eine HF-Spule 8, welche das Reaktionsgefäß Λ_ ringförmig umschließt, wird von einem HF-Strom von 1 bis 15 MHz, vorzugsweise

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von ungefähr 4 MIIz, durchflossen und unterhalt im Reaktionsgefäß I₁₁ eine elektrodenlose Ringentladung. Das Spulenpaar 9 ist so angeordnet, daß sein magnetisches Gleichfeld das Reaktions- _t gefäß I_- durchdringt und senkrecht auf dem von der HF-Spule 8 aufgebauten magnetischen Wechselfeld steht. Bei dieser Anordnung der Spulen 8 und 9 treten in der Entladungszone Resonanzerscheinungen auf, welche das Plasma 10 (in der Zeichnung durch Kreuzschraffur dargestellt) verstärken, d.h. die Anzahl der Gasionen im gesamten Raum zwischen Aufdampfquelle und Substrat Ms etwa um einen Faktor 10 erhöhen.

Die Erhöhung bzw. die Vergrößerung der Anzahl der Ionen, welche der Reaktion am Substrat zur Verfügung stehen, gestattet es, einen Aufdampfprozeß noch bei einem Druck von 1«10 Torr

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(1,3*10" Pa) und geringer vorzunehmen.

Bei einer Steigerung der HF-Frequenz ist es zur Aufrechterhaltung einer Resonanzerscheinung erforderlich, das magnetische Gleichfeld in entsprechendem Maße zu verstärken, was auch zur Erhöhung des Verstärkungsfaktors führt.

Für das Aufdampfen von leitfähigen Schichten ist zur Vermeidung von Kurzschlüssen mindestens ein Blechstreifen auf der Innenseite des Reaktionsgefäßes J[ vorzusehen. Bei größerer Hitzeeinwirkung · ist es vorteilhaft, den Blechstreifen als wassergekühlten, in Längsrichtung geschlitzten Blechzylinder 11 auszubilden.

Beim Aufdampfen von absorptionsfreien SiO2~Schichten wird im allgemeinen von Siliciumsuboxid (SiO) ausgegangen. Es befindet sich im Tiegel 3 aus Tantal und wird im Vakuum bei ca. 1400⁰C verdampft. Am Gaseinlaß 6 strömt die nötige Menge Reaktionsgas, welche mit Hilfe des Gasventils 7 bemessen wird, z.B. Sauerstoff,

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in das Reaktionsgefäß I_- ein. Bei Erreichen eines Sauerstoffdrucks von z.B. 1' 10" Torr (1,3'10""Pa) wird die elektrodenlose Ringentladung im Reaktionsgefäß 1_ gezündet, indem die , HF-Spule 8, welche das Reaktionsgefäß 1. ringförmig umschließt, von einem HF-Strom, beispielsweise von 4 MHz, durchflossen wird. Gleichzeitig wird das magnetische Gleichfeld von dem Spulenpaar 9 aufgebaut, das senkrecht zum magnetischen Wechselfeld steht und eine Stärke vori beispielsweise 1200 A/m (15 OeJ besitzt. Unter diesen Bedingungen scheidet sich am Substrat 2, das vorzugsweise bei einer Temperatur von ungefähr 200⁰C gehalten wird,.eine Siliciumoxidschicht ab, deren Schichtdicke ca. 0,5 /um beträgt und welche eine Absorption aufweist, die dem reinen Siliciumdioxid entspricht.

Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in einer Vorrichtung nach der Erfindung vorgenommener Aufdampfprozeß führt zu dünnen Aufdampfschichten, welche vor allem als Isolier- und Schutzschichten oder als optisch wirksame Schichten, z.B. SiO2" und TiOp-Schichten, Verwendung finden und welche durch die vollständiger verlaufenden Reaktionen an den Substraten in ihren mechanischen und optischen Eigenschaften anderen Aufdampfschichten überlegen sind.

4 Patentansprüche
1 Figur

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Claims (4)

1. P_a_t_e_n_t_a_n_s_£_r_ü_c_h_e

   Verfahren zum reaktiven Aufdampfen dünner Schichten aus Metallverbindungen, insbesondere Oxid- und Nitridschichten, auf einem Substrat innerhalb eines eine Aufdampfquelle und ein ionisiertes Reaktionsgas einschließenden Reaktionsgefäßes, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsgas mit Hilfe einer elektrodenlosen Ringentladung einer induktiv gekoppelten HF-Spule (8), welche ringförmig um das zylindrische Reaktionsgefäß (IJ aus elektrisch isolierendem Material angeordnet ist, ionisiert wird, daß dem magnetischen Wechselfeld der HF-Spule (8) ein senkrecht dazu gerichtetes magnetisches Gleichfeld eines Spulenpaares (9J, dessen Achse senkrecht auf der " Achse der HF-Spule (8) steht, überlagert ist und daß das magnetische Wechselfeld und das magnetische Gleichfeld zueinander in einem Elektron-Cyclotron-Resonanz-bzw. Elektron-Helikon-Resonanz-Verhältnis stehen.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Reaktionsgefäß (1) ein Druck von

   1,3'10 Pa und geringer herrscht.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn-, zeichnet , daß die HF-Spule (8) von einem HF-Strom von 1 bis 15 MHz durchflossen wird.
4. 4. Vorrichtung zum reaktiven Aufdampfen dünner Schichten aus Metallverbindungen, insbesondere Oxid- und Nitridschichten, welche aus einem eine Aufdampfquelle, ein Substrat und ein ionisiertes Gas einschließenden Reaktionsgefäß aus elektrisch isolierendem Material besteht, das eine öffnung zu einer Hochvakuumpumpe und einen

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   Einlaß für das Reaktionsgas aufweist, dadurch gekennzeichnet , daß sich in dem zylindrischen Reaktionsgefäß (IJ ein in Längsrichtung geschlitzter Blechzylinder (11; befindet, daß das Reaktionsgefäß (IJ ringförmig von einer HF-Spule (8) umschlossen ist, daß weiterhin ein Spulenpaar (9) außerhalb des Reaktionsgefäßes (IJ angeordnet ist, dessen magnetisches Gleichfeld das Reaktionsgefäß (IJ durchdringt, und daß das von der HP-Spule (8) erzeugte magnetische Wechselfeld und das magnetische Gleichfeld des Spulenpaares (9) senkrecht aufeinanderstellen«

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