DE3004546C2

DE3004546C2 - Penning-Zerstäubungsquelle

Info

Publication number: DE3004546C2
Application number: DE3004546A
Authority: DE
Inventors: Gabor Dipl.-Ing. Kertesz; György Dipl.-Phys. Budapest Vago
Original assignee: Híradástechnikai Ipari Kutató Intézet, Budapest
Current assignee: Kurt J Lesker Co
Priority date: 1979-02-19
Filing date: 1980-02-07
Publication date: 1982-10-28
Also published as: US4282083A; HU179482B; DE3004546A1; CH646012A5

Description

θ₀

D-d

>0,5

D-d

erfüllt ist, wobei mit D der äußere Durchmesser des magnetischen Leiters (11), mit d der mittlere Durchmesser des Hilfsmagneten (13), mit θο die magnetische Spannung des Erregungsmagneten (8) und mit Θ, die magnetische Spannung des Hilfsmagneten (13) bezeichnet ist.

7. Penning-Zerstäubungsquelie nach Anspruch 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Hilfsmagneten (13) auf den magnetischen Leiter (11) so angeordnet sind, daß die Beziehung

erfüllt ist, wobei mit D der äußere Durchmesser des magnetischen Leiters (11), mit d„ und c/„_i die mittleren Durchmesser der Hilfsmagneten (13) und mit B_n und θ_π-1 die magnetischen Spannungen der Hilfsmagneten (13) bezeichnet sind und im Falle /1=1 θο die magnetische Spannung des Erregungsmagneten (8) bedeutet und cfo=0.

8. Penning-Zerstäubungsqueils nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet daß der Hilfsmagnet (13) auf dem magnetischen Leiter (11) so angeordnet ist daß die Beziehung

¹⁾²^7-"Ιγ^>0'⁵"ο^7

erfüllt ist wobei der Abstand der länge-en geraden Seiten des rechteck- oder ovalförmigen magnetischen Leiters (11) mit D und der Abstand zwischen den längeren geraden Seiten des rechteck- oder ovalförmigen Hilfsmagneten (13) mit d, die magnetische Spannung des Erregungsmagneten (8) mit θο und die magnetische Spannung des Hilfsmagneten (13) mit θι bezeichnet ist

9. Penning-Zerstäubungsquelie nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Hilfsmagnete (13) auf dem magnetischen Leiter (11) so angeordnet sind, daß die Beziehung

1,2-

-4,-! D-d,

0,-1

>0,5

D-d„

erfüllt ist, wobei der Abstand zwischen den längeren geraden Seiten des rechteck- oder ovalförmigen magnetischen Leiters (11) mit D und der Abstand zwischen den längeren geraden Seiten des rechteck- oder ovalförmigen η-ten bzw. (n— 1)-ten Hilfsmagneten (13) mit dn bzw. d_n-\, und die magnetischen Spannungen der entsprechenden Hilfsmagneten (13) mit θ_η bzw. θπ-ι bezeichnet sind und im Falle /J= 1 θο die magnetische Spannung des Erregungsmagneten (8) bedeutet und do=0.

10. Penning-Zerstäubungsquelie nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer magnetischer Leiter (14) vorgesehen ist, der mit dem Erregungsmagneten (8) über dessen, dem Target (3) gegenüberliegenden Pol so verbunden ist, daß zwischen dem weiteren magnetischen Leiter (14) und dem magnetischen Leiter (U) ein Zwischenraum (15) gebildet ist.

Die Erfindung betrifft eine Penning-Zerstäubungsquelle nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Es sind zwei grundsätzlich verschiedene Verfahren zur Herstellung von Halbleiterdünnschichten im Vakuum bekannt die auf dem Prinzip der Verdampfung bzw. der Zerstäubung beruhen.

Bei der Herstellung von Halbleitern mittels des Verdampfungsverfahrens wurde vorzugsweise mit Elektronenstrahlen gearbeitet. Dieses Verfahren stellt eine effektive, produktive und gut anwendbare Methode zur Herstellung von monolithischen dünnen Schichten dar. Ein großer Nachteil dieses Verfahrens liegt jedoch darin begründet, daß Legierungen mit exakt bestimmbarer Zusammensetzung nicht hergestellt werden können. Darüber hinaus wird bei der Verdampfung eine große Energiemenge frei, weshalb dünne Schichten auf Kunststofftragplatten nicht hergestellt werden können. Darüber hinaus wird durch die Elektronenstrahlen auch eine Röntgenstrahlung erzeugt, weshalb die Qualität der empfindlichen halbleitenden MOS-Strukturen schon

während der Herstellungsphase nachteilig beeinträchtigt werden können.

Demgegenüber hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Herstellung von Legierungsschichten mittels des Zerstäubungsverfahrens durchzuführen. Dieses Verfahren wird nach dem Grundprinzip der Penning-Entladung von Gasen durchgeführt Bei der Herstellung eines Plasmas nach diesem Prinzip sind in einem Füllgas, vorzugsweise einem Edelgas wie beispielsweise Argon, eine Anode und eine Kathode angeordnet deren Po'e an eine Spannungsquelle angeschlossen sind. Zusätzlich wird das Plpema einem im wesentlichen konstanten Magnetfeld ausgesetzt Soll auf einem Träger für die Herstellung von Isolatorschichten die Kondensation von Verbindungen möglich sein, wird für das Füllgas auch häufig ein reaktives Gas verwendet Der Unterdruck des Füllgases in der Penning-Röhre soll vorzugsweise zwischen einem Druck von 0,1 — 1 Pa und die Magnetfeldstärke zwischen 0,01 und 0,25 tesla gewählt werden. Das Magnetfeld kann dabei mit Hilfe eines Permant- oder eines Elektromagneten erzeugt werden, während die Kathode und die Anode an eine Batterie mit einem Potentialunterschied von vorzugsweise 400—800 Volt angeschlossen sind. In diesem Magnetfeld bewegen sich die Elektronen auf einem spiralenförmigen Weg und legen demzufolge in dem Füllgas eine Wegstrecke zurück, die erheblich größer ist als der Abstand zwischen der Kathode und der Anode. Entsprechend diesem längeren Weg der Elektronen vergrößert sich auch die Wahrscheinlichkeit daß die Atome und Moleküle des Füllgases ionisiert werden. Die ionisierten Atome des Gases treffen auf der Oberfläche des als Kathode benutzten Targets auf und zerstäuben so das Material des Targets.

Eine optimale Bedingung bei diesem bekannten Zerstäubungsvorgang wird dann erreicht wenn das Magnetfeld und das elektrische Feld zueinander senkrecht verlaufen. Hierbei kann die Gasentladung im Hochvakuum auch zu einer Zündung führen, ein Prinzip, nach dem das Penning-Manometer arbeitet

Eine Penning-Zerstäubungsquelle der eingangs genannten Art ist bereits bekannt (DE-OS 28 24 289); sie enthält eine Anode und eine von der Anode getrennt angeordnete und ein Target bildende Kathode, sowie einen Erregungsmagneten, der das Target ringförmig umgibt und über einen magnetischen Leiter mit der Anode verbunden ist Dabei ist das Target konisch aufgebaut Diese Penning-Zerstäubungsquelle weist jedoch mehrere Nachteile auf. Zum einen ist der ringförmige Erregungsmagnet relativ weit von der aktiven Zone des Targets entfernt angeordnet. Um die benötigten magnetischen Feldstärken zu erreichen, müssen deshalb größere Magnete vorgesehen werden, was zu einer Vergrößerung der Maße der Vorrichtung führt. Darüber hinaus können aufgrund der ferneren Anordnung des ringförmigen Erregungsmagneten bezüglich des Targets unerwünschte Parasitärentladungen entstehen. Insbesondere aber auch der konische Aufbau des Targets führt zu einigen Herstellungsschwierigkeiten. _e0

Die bekannte Penning-Zerstäubungsquelle weist aber vor allem den Nachteil auf, daß die Ausnutzung des Targets lediglich 23 bis 30% beträgt. Dies ist eine Folge der Inhomogenität des Magnetfelds, wodurch die aktive Zone und damit die Effektivität der Zerstäubung _b$ begrenzt wird. Dies führt zu einer ungleichmäßigen Abnahme und nachteiligen Ausnützung der oft aus sehr teurem Material hergestellten aktiven Zone des Targets.

Es ist auch bereits eine Penning-Zerstäubungsquelle bekannt (DE-OS 25 56 607), bei der unter einer Targetplatte eine Vielzahl von Magneteinrichtungen mit U-förmigen Magneten vorgesehen sind. Bei dieser Anlage sind Polplatten aus einem magnetischen Stoff wie z. B. aus Weicheisen vorgesehen, die durch einen nicht-magnetischen Abschnitt voneinander getrennt sind. Darüber hinaus ist eine das Target umschließende Spule vorgesehen, mit der ein zusätzliches, veränderbares magnetisches Feld erzeugt werden kann, das sich senkrecht zum und im wesentlichen Ober den Erosionsbereich der Kathodenplatte erstreckt Die Anwendung dieses veränderbaren magnetischen Feldes bewirkt eine kontinuierliche Veränderung der allgemeinen Lage derjenigen Punkte, an denen die magnetischen Flußlinien parallel zur Kathodenplatte verlaufen, wodurch die aktive Zone vergrößert bzw. verbessert ausgenutzt werden kann. Diese Anordnung weist aber vor allem den Nachteil auf, daß die Penning-Zerstäubungsquelle durch einen relativ komplizierten Aufbau gekennzeichnet ist So müssen die U-förmigen Magnete von einer Grundplatte isoliert mit Schrauben festgestellt werden. Darüber hinaus ist es notwendig, die jeweiligen Polstücke der U-förmigen Magnete durch ein Teil aus einem nicht-magnetischen Material zu trennen, um einen Nebenschluß der magnetischen Flußlinien zwischen den jeweiligen Polstücken zu verhindern. Zusätzliche technische Probleme treten vor allem deshalb auf, da zur Erzeugung eines variablen magnetischen Feldes Wechselstrom benötigt wird, während gleichzeitig die Anode an einer Gleichstromoder Wechselstromversorgung angeschlossen ist je nachdem, ob das Target ein Leiter oder ein Isolator ist

Bekannt ist auch bereits eine solche Penning-Zerstäubungsquelle (DE-OS 27 07 144), bei der eine Magneterzeugungseinrichtung relativ zu einem Target bewegt wird bzw. die Bewegung des magnetischen Feldes nicht durch eine körperliche Bewegung der Magnete, sondern durch eine geeignete Veränderung des Stroms durch die Windungen der vorgesehenen Spulen erfoigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Penning-Zerstäubungsquelle der eingangs genannten Art eine bedeutende Vergrößerung der Aktivzone, eine Erhöhung der Zerstäubungsgeschwindigkeit und eine gleichmäßige Ausnutzung des zu zerstäubenden Targets (oder seiner aktiven Zone) zu erzielen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Mittel gelöst

Dadurch läßt sich vorteilhafterweise die Effektivität der Ausnutzung des Targets auf 50 bis 58% steigern. Diese Erhöhung der Effektivität wird vor allem dadurch gewährleistet, daß eine relativ konstante, radial nach außen kaum abnehmbare magnetische Feldstärke aufgebaut wird, da durch den bzw. durch die in der beschriebenen Weise angeordneten Hilfsmagneten die Abnahme der Feldstärke über der aktiven Zone ausgeglichen werden kann. Durch die Verwendung einer ebenen Targetplatte werden auch deren Herstellungskosten gesenkt Zweckmäßigerweise isf bei der beschriebenen Penning-Zerstäubungsquelle der Erregungsmagnet in der Mitte eines gefäßförmigen Behälters angeordnet wobei dieser Behälter aus dem magnetischen Leiter gebildet ist. Durch diese Ausbildung des Behälters aus einem magnetisch leitenden Stoff s/ird die Entstehung von Parasitärentladungen vermindert. Überdies wird bei der beschriebenen Penning-Zerstäubungsquelle nur eine geringe Wärmemenge frei, so daß diese Vorrichtung zur Herstellung

insbesondere von dünnen Schichten auf praktisch allen festen Oberflächenarten verwendet werden kann.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Penning-Zerstäubungsquelle gemäß dem Patentanspruch 1 sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 10.

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

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch eine bekannte Penning-Zerstäubungsquelle,

Fig.2 einen schematischen Schnitt durch eine anmeldungsgemäße Penning-Zerstäubungsquelle mit einem kreisförmigen Target,

Fig.3 das durch die Penning-Zerstäubungsquelle nach F i g. 2 erzeugte Magnetfeld,

Fig.4 äie Draufsicht auf eine rechteckförmige Penning-Zerstäubungsquelle und

F i g. 5 die Draufsicht auf eine ovale Penning-Zerstäubungsquelle.

In F i g. 1 ist eine bekannte Penning-Zerstäubungsquelle gezeigt, die einen aus magnetischem Stoff hergestellten Ring 10, der einen im inneren Teil eines Schirmsystems 7 angeordneten Erregungsmagneten 8 umfaßt, eine im Zentrum der Vorrichtung angeordnete Anode 6, und eine die Anode 6 umfassende und von der Anode 6 getrennte Kathode 5 aufweist Der magnetische Ring 10 ist bezüglich eines Kühlsystems 4 im kalten Zustand der Vorrichtung so angepaßt, daß im erwärmten Zustand ein die Kathode 5 bildendes Target in dieses System eingespannt werden kann. Im Kühlsystem 4 ist eine Röhre 12 vorgesehen. Die aktive Zone 9 wird beim Einfallen der zwischen der Kathode 5 und der Anode 6 durch das Magnetfeld des Erregungsmagneten 8 und das elektrische Feld der Elektroden in vorbeschriebener Weise in einem Füllgas erzeugten Ionen zerstäubt Die Anode 6 ist durch einen Zwischenraum 15 von der Kathode 5 getrennt und zentrisch in der Kathode 5 angeordnet Mit 2 sind Magnetfelder bezeichnet die auf einem relativ großen Bereich zu der aktiven Zone 9 des Targets parallel verlaufen. Das Target wird bei der unvermeidlich auftretenden Erhöhung der Temperatur während des Betriebs der Quelle in das Kühlsystem 4 gleichmäßig eingespannt wodurch eine wirksame Kühlung sichergestellt wird.

Nachfolgend wird auf die anmeldungsgemäße Penning-Zerstäubungsquelle nach F i g. 2 Bezug genommen, bei der das Target 3 mit der zusammengebauten aktiven Zone 9 eine relativ ebene Oberfläche aufweist. Die aktive Zone 9 und das Target 3 können aus demselben Stoff hergestellt werden, jedoch kann die dünne aktive Zone 9 aus einem teureren Material ausgebildet sein. In diesem Fall dient der weitere Teil des Targets 3 nur zur Stützung und zum Halten der aktiven Zone 9.

Das Kühlsystem 4 ist dem Target in ähnlicher Weise wie nach Fig. 1 angepaßt In der Mitte des Targets 3 bzw. der aktiven Zone 9 ist davon durch einen Zwischenraum 15 getrennt der Erregungsmagnet 8 angeordnet, der einen zu der Seite des Targets 3 liegenden nördlichen Pol N und einen gegenüberliegend angeordneten südlichen Pol 5 aufweist Der Erregungsmagnet 8 ist unter dem Target 3 von einem magnetischen Leiter 11 umfaßt und mit ihm Ober den Zwischenraum 15 magnetisch gekoppelt Mit dem Südpol S des Erregungsmagneten 8 ist vorzugsweise ein weiterer magnetischer Leiter 14 verbunden; der durch einen dünnen parallelen Zwischenraum vom magnetischen Leiter 11 getrennt ist Die Aufgabe des weiteren

magnetischen Leiters 14 ist es, eine elektrische Isolation und gleichzeitig eine effektive magnetische Kopplung zu gewährleisten.

Die beschriebene Penning-Zerstäubungsquelle kann z. B. ein kreisförmiges (F i g. 3), ein rechteckförmiges mit abgerundeten Ecken (Fig.4) oder ein ovales (Fig.5) Target 3 und einen entsprechend ausgebildeten magnetischen Leiter 11 aufweisen. Auf dem magnetischen Leiter 11 ist mindestens ein Hilfsmagnet 13 angeordnet, der den Erregungsmagnet 8 umfaßt und zur Kompensation der Abnahme des Magnetfeldes des Erregungsmagneten 8 dient. In den F i g. 3,4 und 5 sind dabei die Vorrichtungen ohne das Schirmsystem dargestellt.

Bei der kreisförmigen Ausführung des Targets 3 hat der Erregungsmagnet 8 vorzugsweise die Form eines zentrisch angeordneten Stabes, bei den weiteren Ausführungen die Form eines Rechtecks, das in Richtung der Längsachse des Targets 3 angeordnet liegt.

Bei der kreisförmigen Ausführung der beschriebenen Penning-Zerstäubungsquelle wurde gefunden, daß es besonders zweckmäßig ist, die oder den Hilfsmagneten 13 in einem Ring 10 anzuordnen und den Platz des Rings 10 so auszuwählen, daß die Gleichung

1,2

J-4,-1

D-d„

>0,5

£>-4,-i
D-d_n

erfüllt ist, worin D der äußere Durchmesser des magnetischen Leiters 11, d„ und d„-\ der mittlere Durchmesser des n-ten und (n— l)-ten Ringes 10,6„ und θπ-ι die magnetische Spannung der Hilfsmagneten bedeutet. Wenn n=l, soll der Wert cfo-0 gesetzt werden; θο bedeutet dabei die magnetische Spannung des Erregungsmagneten 8.

Wie aus F i g. 3 zu ersehen ist kann das von der Mitte des Targets 3 nach außen abnehmende Magnetfeld des Erregungsmagneten 8 durch die in den in Fig.3 mit Punktlinien dargestellten Ringen 10 angeordneten und in dieser Figur nicht dargestellten Hilfsmagnete verstärkt werden. Durch die zweckmäßige Anordnung der Hilfsmagnete 13 wird also die gleichmäßige Verteilung der Feldstärke bis zum Rand der aktiven Zone 9 erzeugt

Im Falle des rechteckigen oder ovalen Targets 3 und des magnetischen Leiters 11 wurde gefunden, daß das Verhältnis der längeren und kürzeren Seiten des Rechtecks bzw. der Länge und des Abstands der Geraden des Ovals mindestens einen Wert von 1,2 haben soll, anderenfalls ist der kreisförmige Aufbau vorzuziehen. In diesem Fall gilt die obige Gleichung entsprechend, wobei jedoch D den Abstand der längeren Seiten des rechteckigen bzw. den Abstand der Geraden des ovalen magnetischen Leiters 11, d„ und do_i die ähnlichen Größen bei den n-ten und (n— l)-ten Hilfsmagneten 13 bedeuten. Wenn n=l, soll der Wert da=0 eingesetzt werden, und θο bedeutet dabei die magnetische Spannung des Erregungsmagneten 8.

Die beschriebene Penning-Zerstäubungsquelle arbeitet in folgender Weise:

Die nut dem Target 3, das die aktive Zone 9 enthält, identische Kathode und die in Form des Erregungsmagneten 8 ausgebildete Anode sind an die Pole einer es Gleichstromquelle angeschlossen und werden mit einer Gleichspannung von 400 bis 800 V gespeist Dadurch wird ein zu der Oberfläche des Targets 3 senkrechtes elektrisches Feld erzeugt Die magnetischen Elemente,

d. h. der Erregungsmagnet 8, der magnetische Leiter 11, die Hilfsmagneten 13 und der weitere magnetische Leiter 14 erzeugen ein Magnetfeld, das eine Stärke von 0,01 ... 0,025 T hat und zu der Oberfläche der aktiven Zone 9 parallel verläuft und das annähernd homogen ist. So wird die Entstehung des Penning-Plasmas über der gesamten aktiven Zone 9 gewährleistet. Um die Penning-Gasentladung zu bewirken, wird in dem Gasraum der Zerstäubungsquelle Druck von 0,1 ... 1,2 Pa erzeugt. Die zwischen der Kathode und Anode strömenden Elektronen ionisieren die den Gasraum ausfüllenden Atome. Die im Gasplasma entstehenden lone werden im Potentialfeld des Kathodenfalls

beschleunigt und treffen nach einer spiralförmigen Wegstrecke mit groSer Geschwindigkeit auf der aktiven Zone 9 des Targets 3 auf. Diese Ionen schlagen die Atome des Stoffes der aktiven Zone 9 heraus und bewirken eine Zerstäubung des Targets 3. Der zerstäubte Stoff kann auf zweckmäßig angeordneten Platten aufgefangen werden, wodurch eine gleichmäßige Schicht aufgetragen werden kann.
Durch Abänderung des Targetstoffes sowie durch gleichzeitige Anwendung mehrerer Zerstäubungsquellen können Schichten mit einer bestimmten Dicke und in einer gewünschten Zusammensetzung hergestellt werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

I. Penning-Zerstäubungsquelie, die eine Anode, eine von der Anode getrennte und ein Target bildende Kathode, einen permanenten Erregungsmagneten und einen mit ihm gekoppelten magnetischen Leiter, ein das Target kühlendes Kühlsystem, ein Schirmsystem und eine vorzugsweise mit dem Schirmsystem identische äußere Abdeckung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Leiter (11) gefäßförmig um den Erregungsmagneten (8) angeordnet ist, und zumindest einen zentralsymmetrisch zum Erregungsmagneten (8) angeordneten Permanent-Hilfsmagneten (13) trägt, wobei der Permanent-Hilfsmagnet (13) die gleiche Polrichtung wie der E; regungsmagaet (8) aufweist, und der dem Target (3) zugewandte Pol sich unterhalb der durch das Target (3) gebildeten Ebene befindet
2. Penning-Zerstäubungsquelie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (3) ringförmig ausgebildet ist und der magnetische Leiter (11) einen kreisförmigen Rand aufweist
3. Penning-Zerstäubungsquelie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das Target (3) rechteckförmig mit abgerundeten Ecken oder oval ausgebildet ist, und der magnetische Leiter (U) einen entsprechend geformten Rand aufweist
4. Penning-Zerstäubungsquelie nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß das Verhältnis zwischen der Länge und des Abstandes der längeren Geraden des rechteckförmig bzw. oval ausgebildeten Targets (3) bzw. des magnetischen Leiters (11) mindestens 1,2 beträgt.
5. Penning-Zerstäubungsquelie nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Form des Erregungsmagneten (8) im wesentlichen der Form des Targets (3) bzw. des Rands des magnetischen Leiters (11) entspricht und der Erregvingsmagnet entsprechend deren Lage ausgerichtet ist.
6. Penning-Zerstäubungsquelie nach Anspruch 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsmagnet (13) auf dem magnetischen Leiter (11) so angeordnet ist, daß die Beziehung