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Magnetron-Sputtervorrichtung
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Die Erfindung betrifft eine Magnetron-Kathodenzerstäubungsvorrichtung
oder -Sputter-Vorrichtung, die der Niederschlagung dünner Filme auf Substraten dient
und es ermöglicht, die Sputterbedingungen während des Sputterns konstant zu halten,
so daß gleichmäßige dünne Filme von guter Qualität gebildet werden können.
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Es gibt zahlreiche Sputter-Systeme, beispielsweise Dioden-Gleichstrom-Sputtersysteme,
Trioden-Gleichstrom-Sputtersysteme und Hochfrequenz-Sputtersysteme, die zur Bildung
dünner Filme auf Substraten verwendet werden.
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In diesen Sputter-Vorrichtungen ist ein Magnet an der gegenüberliegenden
Seite einer Elektrode, an der ein Target angebracht werden kann, befestigt, um ionisierte
Atome beispielsweise von Argon, Sauerstoff u.dgl., die filmbildende Atome von der
Oberfläche des Targets zerstäuben, zu beschleunigen, so daß es möglich ist, hohen
elektrischen Strom zu verwenden oder die Sputterrate zu steigern.
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Die Dicke des Targets wird jedoch mit fortschreitender Zerstäubung
geringer, da die filmbildenden Atome von der Oberfläche des Targets herausgeschleudert
werden.
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Dies hat eine Änderung des Abstandes zwischen dem Magneten und der
Oberfläche des Targets zur Folge, weil der Abstand zwischen dem Magneten und der
Elektrode, die einander gegenüberstehen, unveränderlich ist. Da der Abstand zwischen
dem Magneten und der Oberfläche des Targets die Magnetflußdichte an der Oberfläche
des Targets beeinflußt, ist es schwierig, gleichmäßige dünne Schichten zu bilden,
auch wenn die übrigen Bedingungen, z.B. die an die Kathode gelegte Spannung und
die Atmosphäre, konstant gehalten werden.
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Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, eine Sputter-Vorrichtung
zur Bildung gleichmäßiger dünner Schichten verfügbar zu machen.
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Die Sputter-Vorrichtung gemäß der Erfindung weist wenigstens zwei
mit Abstand einander gegenüberliegende Elektroden auf, von denen eine mit einem
Raum versehen ist und zur Befestigung eines Targets dient, aus dem filmbildende
Atome durch Ionenbeschuß herausgeschleudert werden, während die andere Elektrode
zur Befestigung eines Substrats dient, wobei im genannten Raum ein Magnet angeordnet
ist. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet an Bauteilen, die
zur Einstellung des Abstandes zwischen dem Target und dem Magneten dienen und in
der erstgenannten Elektrode angeordnet sind, befestigt ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bestehen die Bauteile
zur Einstellung des Abstandes zwischen dem Magneten und dem Target aus einer Auflage,
die beweglich in einer Elektrode, auf der das Target befestigt ist, angeordnet ist,
und einer Stellschraube, die lose oder fest an der Auflage an ihrem Gewindeende
befestigt ist und in eine Gewindebohrung greift, die im Boden der erstgenannten
Elektrode vorgesehen ist.
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Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung bestehen die Bauteile
zur Einstellung des Abstandes zwischen dem Magneten und dem Target aus einer scheibenförmigen
Auflage, die mit Außengewinde versehen und in ein in der zylindrischen Elektrode
vorgesehenes Innengewinde geschraubt ist, und einer an der Auflage befestigten Stellwelle.
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Der Magnet kann aus einem oder mehreren Dauermagneten oder Elektromagneten
bestehen.
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Bei der Sputter-Vorrichtung gemäß der Erfindung kann
die
Magnetflußdichte an der Oberfläche des Targets durch Regelung des Abstandes zwischen
dem Target und dem Magneten eingestellt werden, so daß es möglich ist, dünne Schichten
mit gleichmäßigen Charakteristiken auch dann zu bilden, wenn der Sputtervorgang
ohne Auswechseln des Targets sehr häufig wiederholt wird. Ferner ist es dadurch,
daß die anfängliche Magnetflußdichte konstant gehalten wird, möglich, die Haftfestigkeit
zwischen der dünnen Schicht und dem Substrat zu verbessern. Ferner ist es möglich,
piezoelektrische kristalline Filme mit guter Orientierung niederzuschlagen.
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Die Erfindung mit ihren sonstigen Aufgaben, Merkmalen und Vorteilen
wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Abbildungen ausführlich beschrieben.
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Fig. l ist eine schematische Darstellung, die den allgemeinen Aufbau
einer erfindungsgemäß ausgebildeten Hochfrequenz-Sputtervorrichtung zeigt.
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Fig. 2 zeigt im vergrößerten Maßstab einen wesentlichen Teil der in
Fig. 1 dargestellten Vorrichtung gemäß der Erfindung.
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Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf ein Oberflächenschallwellenfilter.
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Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen
der Anzahl der Zerstäubungsvorgänge und der Magnetflußdichte veranschaulicht.
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Fig. 5 zeigt eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen
der Anzahl der Zerstäubungsvorgänge und der Mittenfrequenz eines Oberflächenschallwellenfilters
veranschaulicht.
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Fig. 6 zeigt im vergrößerten Maßstab einen wesentlichen Teil einer
anderen Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung.
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Fig. 1 zeigt eine mit hoher Geschwindigkeit arbeitende Hochfrequenz-Dioden-Sputtervorrichtung
mit einer Glocke 1, zwei einander gegenüberliegenden Elektroden, nämlich einer planaren
Kathode 2 und einer planaren Anode 3, die parallel zueinander in der Glocke angeordnet
sind, und einer zwischen den Elektroden angeordneten Blende 5 (shutter). Die Glocke
1 ist mit einem Abzug 7 für die Einführung von Luft, einem an eine (nicht dargestellte)
bekannte Vakuumpumpe angeschlossenen Ventil 8 und einem Eintritt 9 für ein ionisierbares
Medium, z.B. Sauerstoffgas, Stickstoffgas, Argongas oder deren Gemischen, versehen.
Der Gaseintritt 9 ist an eine (nicht dargestellte) Quelle für ein ionisierbares
Medium angeschlossen. Die Glocke 1 ist geerdet. Die Anode 3 ist geerdet oder durch
Schließen oder Öffnen eines Schalters 25 isoliert. Ein Pol einer Hochfrequenzstromquelle
10 von 13,5 MHz ist an die Kathode 2 elektrisch angeschlossen, und der andere Pol
ist geerdet. Eine Hochfrequenzspannung wird aus der Stromquelle 10 zwischen die
Kathode 2 und die Glocke 1 gelegt. Ein Target 4 aus einem filmbildenden Werkstoff
ist an der Kathode 2 befestigt. Ein Substrat 6, auf dem ein Dünnfilm gebildet wird,
ist an der Anode 3 gegenüber dem Target 4 befestigt und wird während der Kathodenzerstäubung
auf eine Temperatur im Bereich von 200 bis 5000C erhitzt.
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Die Kathode 2 (Fig. 2) besteht aus einem zylindrischen Kathodenkörper
11 mit einer darin vorgesehenen zylindrischen Ausnehmung 12 und einer KXthodenplatte
lla, auf der ein scheibenförmiges Target'aufs einem filmbildenden Werkstoff, z.B.
aus Keramik, Glas, Harzen oder Sinterlegierungen, mit Hilfe eines O-Ringes 15 und
von Schrauben 16 befestigt ist. In dem zwischen der Kathodenplatte lla und dem Kathodenkörper
11 gebildeten Raum 12 ist ein Magnet 13 dem Target 4 gegenüber angeordnet. Der Kathodenkörper
ist ferner mit (nicht dargestellten8Eintritts- und Austrittsrohren versehen, so
daß
Kühlwasser durch das Eintrittsrohr in den Raum eingeführt und
durch das Austrittsrohr daraus abgeführt werden kann. Im Raum 12 der Kathode 2 ist
eine scheibenförmige Auflage 17 beweglich angeordnet. Eine Stellschraube 18 mit
Außengewinde 18a und Rändelkopf 18b ist mit ihrem Gewindeende lose in die Auflage
17 eingesetzt und in das Innengewinde 20 einer im Bodeq9llb des Kathodenkörpers
11 vorgesehenen Gewindebohrungtgeschraubt. geschraubt.
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Durch Drehen der Stellschraube 18 im Uhrzeigersinn oder entgegen dem
Uhrzeigersinn bewegt sich der Magnet nach oben bzw. unten. Hierdurch wird der Abstand
zwischen dem Target und dem Magneten eingestellt. Durch einen Anschluß 21 wird ein
Hochfrequenzstrom dem Kathodenkorper 11 zugeführt.
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Fig. 6 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung.
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Hier bestehen die Bauteile zur Einstellung des Abstandes zwischen
dem Target und dem Magneten aus einer scheibenförmigen Auflage 17 mit Außengewinde
23, das in ein Innengewinde 22 des zylindrischen Kathodenkörpers 11 geschraubt ist.
Eine Stellwelle 24 ist an der Mitte der Auflage 17 befestigt und ragt von dieser
nach unten.
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Durch Drehen der Stellwelle 24 im Uhrzeigersinn oder entgegen dem
Uhrzeigersinn dreht sich die Auflage 17 und bewegt sich nach oben bzw. unten, so
daß der Abstand zwischen dem Magneten und dem Target eingestellt werden kann.
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Die vorstehend beschriebene Vorrichtung kann beispielsweise wie folgt
betrieben werden: Nach luftdichtem Abschluß wird die Glocke 1 mit der bekannten
Vakuumpumpe durch das Ventil 8 auf einen Druck von mehr als 1,33 x 10 6 mbar evakuiert.
Ein ionisierbares Medium, z.B. Argon oder Sauerstoff oder ein Gemisch dieser Gase,
wird durch den Gaseintritt 9 in die Glocke 1 eingeführt, wodurch der Druck in der
Glocke auf 1,33 x 10 1 bis 1,33 x 10 4 mbar eingestellt wird. Eine Hochfrequenz-
spannung
wird aus der Hochspannungsstromquelle 10 an die Kathode 2 gelegt, um eine Stromentladung
zu bewirken, wodurch das ionisierbare Medium ionisiert wird.
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Wenn die Spannung angelegt wird, wird der Schalter 25 im allgemeinen
geöffnet, um die Anode 3 von der Erde zu isolieren. Die Ionen des Mediums prallen
auf dem Target auf, so daß Atome des filmbildenden Materials von der Oberfläche
des Targets 4 als Folge des Ionenbeschusses herausgeschleudert und auf dem Substrat
6 unter Bildung einer Dünnschicht niedergeschlagen werden.
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Beispiel 1 Unter Verwendung der in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten,
mit hoher Geschwindigkeit arbeitenden Hochfrequenz-Dioden-Sputtervorrichtung wurden
piezoelektrische Dünnfilme auf Glassubstraten gebildet und Oberflächenschallwellenfilter
wie folgt hergestellt: Ein Target aus einer Keramik, die im wesentlichen aus 99%
Zinkoxid und 1% Mn bestand, wurde an der Kathode befestigt. Nach luftdichtem. Abschluß
der Glocke wurde sie durch das Ventil 8 auf 1,33 x 10 6 mbar evakuiert, worauf ihr
ein ionisierbares Medium, das im wesentlichen aus einem Gemisch von 10 Yol.-% Sauerstoff
und 90 Vol.-% Argon bestand, zugeführt wurde, wodurch das Vakuum in der Glocke auf
6,65 x 10 3 mbar eingestellt wurde. Die Hochfrequenz-Kathodenzerstäubung wurde durchgeführt,
indem ein Hochfrequenzstrom von der Stromquelle 10 an die Kathode 2 gelegt wurde.
Die Einstellung des Abstandes zwischen dem Magneten und der Oberfläche des Targets
erfolgte mit Hilfe der Stellschraube 18, wodurch die Magnetflußdichte an der Oberfläche
des Targets auf den vorbestimmten Wert eingestellt wurde. Nach der Einstellung des
Abstandes wurde das Sputtern durchgeführt, bis die Dünnschicht eine Dicke von 20m
erreicht hatte.
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Die gebildete Dünnschicht wurde aus der Vorrichtung genommen, um die
nachstehend beschriebenen Oberflächen-
schallwellenfilter herzustellen.
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Dann wurde ein neues Substrat an der Anode befestigt, worauf das Sputtern
nach Einstellung der Magnetflußdichte auf den vorbestimmten Wert erneut durchgeführt
wurde.
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Diese Arbeitsgänge wurden danach wiederholt. Die vor und nach der
Einstellung des Abstandes gemessenen Werte der Magnekflußdichte G sind in F.g.4durch
die ausgezogene Kurve dargestellt.
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Unter Verwendung der in dieser Weise auf den Substraten gebildeten
Dünnschichten wurden Oberflächenschallwellenfilter mit einer Mittenfrequenz von
58 MHz wie folgt hergestellt: Eine Aluminiumschicht wurde auf den Dünnfilm F aufgedampft
und dann in üblicher Weise geätzt, um ein Paar Interdigital-Transduktoren T in der
in Fig. 3 dargestellten Weise zu bilden. Der Transduktor hatte die folgenden Abmessungen:
Abstand d zwischen den Fingern 11,4/um Zahl der Finger 15 Paare Breite W 1,0 mm
Länge L der Finger 1,0 mm An den in dieser Weise hergestellten Oberflächenschallwellenfiltern
wurde die Mittenfrequenz f gemessen. Die Ergebnisse sind in Fig. 5 durch die ausgezogene
Kurve A dargestellt.
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Zum Vergleich wurden Vergleichs-Dünnschichten mit der üblichen Sputter-Vorrichtung
hergestellt, die nicht mit Mitteln zur Einstellung des Abstandes zwischen dem Magneten
und der Oberfläche des Targets versehen war.
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Die Magnetflußdichte wurde immer dann gemessen, wenn ein neues Substrat
an der Kathode befestigt wurde. Die Ergebnisse sind in Fig. 4 durch die strichpunktierte
Kurve B dargestellt. Die Mittenfrequenz der unter Verwendung der Vergleichsdünnschichten
hergestellten Oberflächenschallwellenfilter sind in Fig. 5 durch die gestrichelte
Kurve
B dargestellt.
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Wi Fig. 4 und Fig. 5 deutlich zeigen, verändert sich in der üblichen
Sputter-Vorrichtung die Magnetflußdichte mit der Zeit. Dies hat eine Veränderung
der Mittenfrequenz der Oberflächenschallwellenfilter zur Folge.
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Im Gegensatz hierzu ermöglicht es die Vorrichtung gemäß der Erfindung,
die Magnetflußdichte ungefähr konstant zu halten, wie Fig. 4 zeigt, und Oberflächenschallwellenfilter
mit konstanter Mittenfrequenz herzustellen.
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Die Erfindung wurde vorstehend im Zusammenhang mit einer Magnetron-Dioden-Hochfrequenz-Sputtervorrichtung
beschrieben, jedoch ist die Erfindung offensichtlich auch auf andere Magnetron-Spuctervorrichtungen,
z.B.
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Dioden-Gleichstrom-Magnetron-Sputtervorrichtungens Gleichstromtrioden-Magnetron-Sputtervorrichtungen,
reaktive Magnetron-Sputtervorrichtungen und Magnetron-Sputtervorrichtungen mit angelegter
Vorspannung, anwendbar.
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Ferner ist die Erfindung mit beliebigen anderen Targetmaterialien
wie Gläsern, Kunstharzen, Hartmetalllegierungen u.dgl. durchführbar.
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Außerdem wird bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform die
Vorrichtung zur Herstellung von piezoelektrischen Dünnfilmen für Oberflächenschallwellenfilter
verwendet, jedoch eignet sie sich auch zur Herstellung piezoelektrischer Dünnfilme,
die für andere Zwecke verwendet werden, zur Herstellung von dielektrischen Dünnfilmen,
Dünnfilmwiderständen und Isolierdünnfilmen.