DE3802852A1

DE3802852A1 - Einrichtung fuer die beschichtung eines substrats mit einem material, das aus einem plasma gewonnen wird

Info

Publication number: DE3802852A1
Application number: DE19883802852
Authority: DE
Inventors: Wolf Dieter Dr Muenz; Helmut Petersein; Michael Dipl Phys Dr Scherer
Original assignee: Leybold AG
Current assignee: Oerlikon Deutschland Holding GmbH
Priority date: 1988-02-01
Filing date: 1988-02-01
Publication date: 1989-08-03
Also published as: DE3802852C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung für die Beschichtung eines Substrats nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Auf zahlreichen Gebieten der Technik ist es erforderlich, dünne Schichten eines besonderen Materials auf einem Substrat anzubringen. Beispielsweise werden Fensterscheiben, die Licht von bestimmter Wellenlänge reflektieren sollen, mit einer dünnen Metallschicht versehen. Auch Masken, die bei der Fertigung von integrierten Halbleiterschaltungen verwendet werden, können mittels dünner Schichten erzeugt werden. Desgleichen ist es möglich, Dünn schichtkondensatoren oder elektrische Widerstände mit Hilfe dünner Schichten zu erzeugen.

Es ist bereits eine Vorrichtung zum Beschichten von Formteilen mit drei dimensionaler Beschichtungsfläche durch Kathodenzerstäubung von Target material bekannt, die eine erste Kathodenanordnung und eine zweite Kathodenanordnung aufweist (DE-OS 31 07 914, Fig. 11). Jede der beiden Kathodenanordnungen besitzt hierbei ein eigenes Target, das zerstäubt wird. Nachteilig ist hierbei, daß die Gleichstromansteuerung der Kathoden eine ungleichmäßige Ionisierung des Kathodenraums bzw. des Beschichtungs raums bedingt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, bei der eine gleich mäßigere Ionisierung des Kathodenraums bzw. Beschichtungsraums gewähr leistet ist.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß eine gemeinsame, kostengünstige Stromversorgung für eine Doppelmagne tron-Anordnung und eine besonders gleichmäßige Ionisierung im Kathoden raum ermöglicht wird. Außerdem ist die Entladung wesentlich stabiler als bei herkömmlichen Gleichstromversorgungen, d. h. Instabilitäten im Plasma wie Überschläge oder Lichtbögen werden im Nulldurchgang der Wechselfrequenz selbständig gelöscht. Ferner breitet sich das Plasma weiter in dem Raum aus und kann den gesamten Rezipienten erfassen. Dies wirkt sich insbesondere dann positiv aus, wenn sich das zu be schichtende Substrat dreht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung der erfindungsgemäßen Einrichtung;

Fig. 2 eine genauere Darstellung der Elektroden sowie einer Substrat halterung;

Fig. 3 einen Substrathalter mit Substraten.

In der Fig. 1 ist ein zu beschichtendes Substrat 1 mittels eines nicht dar gestellten Halters in einem Drehkäfig 2 angeordnet. Substrat 1 und Käfig 2 befinden sich innerhalb eines abgedichteten Kessels 3, der an Masse 4 liegt. Auf zwei Seiten des Käfigs 2 ist jeweils eine Elektrode angeordnet, von denen die eine Außenkathode 5 und die andere Innenkathode 6 genannt ist. Diese Elektroden 5, 6 sind beispielsweise Magnetrons mit aufgesetzten Targets aus Titan oder anderen Metallen bzw. Metallegierungen, wobei sich die Targets verbrauchen. Die Außenkathode 5 ist über einen Schalter 7 mit dem einen Anschluß 8 der Sekundärseite eines Streufeldtransformators 9 verbunden, während die Innenkathode 6 über einen Schalter 10 mit dem anderen Anschluß 11 der Sekundärseite des Streufeldtransformators 9 ver bunden ist. Die Primärseite des Streufeldtransformators 9 wird aus einer Schutzgasschweißanlage 12 gespeist. Eine Schutzgasschweißanlage ist eine kostengünstige und handelsübliche Stromversorgung, die mit einer sehr weichen, den Prozeß günstig beeinflussenden Regeleinrichtung ausgerüstet ist. Primär- und Sekundärwicklung des Streufeldtransformators 9 sind in zwei gleich große Hälften unterteilt. Der symmetrische Mittelpunkt 13 der beiden sekundärseitigen Hälften 14, 15 ist mittels eines Schalters 16 an Masse 4 legbar. Dieser Streufeldtransformator 9 dient als Übersetzungs transformator, der die Ausgangsspannung der Schutzgasschweißanlage auf die Kathoden-Betriebsspannung hochtransformiert.

Die Schalter 7, 10, welche die Außenkathode 5 bzw. die Innenkathode 6 mit den Anschlüssen 8 bzw. 11 der Sekundärseite des Streufeldtrans formators 9 verbinden, können diese Kathoden 5, 6 auch mit jeweils eigenen Gleichstrom-Stromversorgungen 17, 18 verbinden. Bei diesen Gleich stromversorgungen handelt es sich um geregelte Netzgeräte mit Über setzungen auf die entsprechende Betriebsspannung der Kathoden. Die Polarität der Gleichstromversorgungen ist für beide Kathoden 5, 6 Minus polarität. Pluspotential liegt an Masse.

Der Drehkäfig 2, in dem sich der Halter und das Substrat 1 befinden, ist über einen Schalter 19 wahlweise mit einer Ätzversorgung 20, einem regel baren Widerstand 21 und einer Vorspannungsversorgung 22 verbindbar. Bei dieser Vorspannungsversorgung 22 handelt es sich um ein elektronisches Gerät, welches die Funktion eines geregelten Widerstands erfüllen kann. Von der Vorspannungsversorgung wird Minuspotential an den Käfig 2 bzw. an das Substrat 1 gelegt, und zwar bezogen auf das Plasmapotential. Der regelbare Widerstand 21 hat die Funktion eines Ionenstrom-Ableitwider stands, der mit seinem einstellbaren Wert die Möglichkeit der Potential- Anpassung der jeweiligen Substrate ermöglicht.

Die Ätzversorgung 28 ist eine elektrische Spannungsquelle, die eine nega tive Gleichspannung zwischen 1000 und 2000 V an das Substrat 1 legt. Hierdurch wird das Substrat 1 z. B. durch Argonionenbeschuß gereinigt und seine Oberfläche für die nachfolgende Beschichtung aktiviert. Die Haftung der Beschichtung wird somit wesentlich verbessert. Der Entladungs druck während des Argonionenbeschusses beträgt etwa 1×10^-2 bis 3×10^-2 mbar. Alle drei Versorgungen 20, 21, 22 sind einseitig an Masse 4 gelegt. Der Schalter 19 steht sowohl mit dem Käfig 2 als auch mit einem Sub strathalter und dem Substrat 1 in elektrischer Verbindung.

Sputtergase bzw. Reaktivgase werden über Regelventile 23, 24 mittels eigener Rohrleitungen in den Kessel 3 eingeleitet und sind über Rohrver bindungen mit jeweils zugeordneten Gasauslässen 25, 26 verbunden.

Die in der Fig. 1 dargestellte Einrichtung arbeitet wie folgt.

Es wird ein gereinigtes Substrat 1 in eine Halterung des Drehkäfigs 2 einge setzt, der ein zusätzliches Rechteckblech aus V₂A-Stahl enthalten kann, welches die Funktion einer Blende ausübt. Nach dem Auspumpen und Aus heizen des Kessels 3 wird Argon bis ca. 10^-2 mbar eingelassen und die Außenkathode 5 wird an die Sekundärseite 8 des Streufeldtransformators 9 und die Innenkathode 6 an die Sekundärseite 11 des Streufeldtransfor mators 9 gelegt, während der Drehkäfig 2 über den Widerstand 21 an Masse 4 liegt. Bei einer Wechselspannung von U=450 Veff und einem Wechselstrom von 20 Aeff von der Wechselstromversorgung 12/9 bildet sich ein Plasma zwischen den Kathoden 5, 6 und dem Käfig 2 bzw. der Blende aus. Hierdurch werden die Targets der Kathoden gegen die Blende frei gesputtert. Nach etwa 80 Sekunden wird der Schalter 19 auf die Ätzver sorgung 20 umgeschaltet, die Blende herausgefahren und das Substrat in Ätzposition gebracht. Durch Ätzen des Substrats wird eine bessere Schicht haftung erzielt. Dazu werden die Außenkathode 5 an die Gleichstromver sorgung 17 und die Innenkathode 6 an die Gleichstromversorgung 18 ge schaltet und die Spannung aus diesen Versorgungen jeweils auf -170 V und die Ströme auf 0,15 A eingestellt. Die Ätzspannung U _A aus der Ätzver sorgung 20 beträgt dabei -1600 bis -1750 V, während der Ätzstrom I _A in Abhängigkeit von der Beladung etwa 0,20 bis 0,40 A beträgt. Die Ätzzeit be trägt etwa 10 Minuten bei einem Arbeitsdruck von 1×10^-2 bis 3×10^-2 mbar Argon.

Für den eigentlichen Beschichtungsprozeß werden in den Kessel 3 über die Regelventile 23, 24 Gase oder andere Stoffe eingeleitet, die zur Erzeugung eines Plasmas verwendet werden, welches für die Beschichtung sorgt. Solche Gase können beispielsweise Argon, Stickstoff oder/und andere Reaktivgase sein. Nun werden die Schalter 7, 10 von den Gleichstromversorgungen 17, 18 auf die Sekundärseite 8, 11 des Streufeldtransformators 9 geschaltet, wo durch eine 50 Hz-Wechselspannung zwischen der Außenkathode 5 und der Innenkathode 6 liegt. Die im Kessel 3 befindlichen Plasmateilchen pulsieren im 50 Hz-Rhythmus hin und her und gewährleisten bis auf die Spannungs nulldurchgänge eine stetige Ionisation der Argon- und Stickstoffgase. Be stehen die Targets oder Kathoden 5, 6 zum Beispiel aus Titan, so lagert sich auf dem Substrat 1 eine TiN-Schicht ab.

Der Drehkäfig 2 wird während der Beschichtung mit der Vorspannungsver sorgung 22 verbunden oder wahlweise an den regelbaren Widerstand 21 an geschlossen. Durch den sich auf Massepotential befindlichen Mittenabgriff 13 der Sekundärwicklung des Transformators 9 fällt jeweils die Hälfte der Entladespannung über der momentanen Kathode oder Anode gegenüber Masse ab. Dabei nimmt die Anode eine positive Spannung gegenüber Masse an. Bei der Gasentladung nimmt das Plasma - die positive Säule - in etwa das Potential der Anode an, d. h. bei absoluten Entladespannungen von z. B. 500 V liegt das Plasma in etwa auf +250 V gegenüber Masse. Wenn nun der Drehkäfig 2 oder das Substrat 1 auf Massepotential liegen, besteht zwischen dem Plasma und dem Substrat 1 eine Potentialdifferenz von etwa 250 eV auf das Substrat beschleunigt. Durch den Widerstand 21 oder die Versor gung 22 kann aber das Substratpotential so angehoben werden, daß es zu einer Absenkung der Potentialdifferenz zwischen Plasma und Substrat 1 führt. Dadurch kann die übertragene Energie der Ionen gesteuert werden.

Der Schalter 16 kann geöffnet oder geschlossen sein. Bei geöffnetem Schalter 16 hängt die Zündspannung stark von der Substratbelegungsdichte ab. Befindet sich beispielsweise zwischen den Kathoden 5, 6 eine Blende, so ist es selbst bei hohem Argondruck nicht möglich, eine Zündung zu er reichen. Aufgrund der an den Kathoden 5, 6 anliegenden Wechselspannung ist jede dieser Kathoden 5, 6 einmal Anode und einmal Kathode. Der Ionenstrom und Elektronenstrom pulsiert somit zwischen der Kathode 5, 6 hin und her. Eine Blende zwischen diesen Kathoden verhindert, daß diese Ströme ungehindert pulsieren können und läßt somit keine Zündung zu. Durch Anlegen einer Vorspannung an den Käfig 2 aus der Vorspannungs versorgung 22 kann der Zündzeitpunkt beeinflußt werden.

Wird der Schalter 16 geschlossen, so erhält man ein sehr stabil brennendes Plasma, weil die Anodenspannung stets gleich der negativen Kathoden spannung gemessen gegen Masse ist. Durch die Verbindung mit Masse 4 kann der Strom in Abhängigkeit von der jeweiligen Beladung mit einem Substrat auf Masse hin ausweichen. Durch die Symmetrisierung der Sekundärwicklung, die durch die Masseverbindung erzielt wird, liegt das Plasmapotential etwa auf Anodenpotential, z. B. auf +250 V.

Vor der Beschichtung wird zweckmäßigerweise statt eines Substrats eine nicht dargestellte Blende zwischen die beiden Kathoden 5, 6 geschoben, um die Targets der Kathoden gegen die Blende freizusputtern.

In der Fig. 2 sind die Elektroden 5, 6 sowie der Substrathalter bzw. Käfig 2 näher dargestellt. Man erkennt hierbei die Magnetrons 27, 28 der Kathoden 5, 6 sowie die Targets 29, 30 und die Gasauslässe 25, 26. Die Bezugszahl 1 bezeichnet ein zu beschichtendes Substrat bzw. eine Blende.

Die Fig. 3 zeigt einen Substrathalter 36, der aus verschiedenen Rahmen teilen 37, 38, 39 besteht. In die Rahmenteile 37, 40 sind hierbei Bohrer 41 bis 48 eingefügt. Im Hintergrund ist das Target 29 zu erkennen.

Claims

1. Einrichtung für die Beschichtung eines Substrats mit einem Material, das aus einem Plasma gewonnen wird, wobei sich das Substrat zwischen einer ersten und einer zweiten Elektrode befindet, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (5) an einem ersten Anschluß (8) einer Wechsel stromquelle (9) und die zweite Elektrode (6) an einem zweiten Anschluß (11) der Wechselstromquelle (9) liegt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektroden (5, 6) und das Substrat (1) sich innerhalb eines evakuierten Kessels (3) befinden und daß die Elektroden (5, 6) mit zu zerstäubenden Targets versehen sind, die sich in dem evakuierten Kessel (3) befinden.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechsel stromquelle (9) einen Anpassungs-Übersetzungstransformator enthält.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der An passungs-Übersetzungstransformator ein Streufeldtransformator (9) ist und aus einer Schutzgasschweißanlage (12) oder einer ähnlichen, geregelten Wechselstromversorgung gespeist wird.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (5, 6) wahlweise auch mit Gleichstromversorgungen (17, 18) verbindbar sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) innerhalb eines Käfigs (2) oder Gitters angeordnet und mit einer Substrathaltevorrichtung verbunden ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Wechselstromquelle (9) der Netzfrequenz entspricht.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz zwischen 50 Hz und 100 Hz liegt.

9. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die besonderen Stromversorgungen (17, 18) vor dem eigentlichen Beschichtungsprozeß eingeschaltet werden, um das Substrat kathodenunterstützt zu ätzen.

10. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Kessel (3) Argon und Stickstoff eingeleitet werden, um eine Hartstoff schicht auf dem Substrat (1) aufzubringen.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Hart stoffschicht eine TiN-Schicht ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Sekundärseite (14, 15) des Anpassungs-Übersetzungstransformators (9) ein Mittenabgriff (13) vorgesehen ist, der an ein definiertes Potential (4) legbar ist.

13. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) an eine bestimmte Vorspannung (22) anschließbar ist.

14. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) an einen regelbaren Widerstand (21) anschließbar ist und dadurch zur Potentialvorspannungsregelung des Substrats (1) bei der Beschichtung benutzbar ist.

15. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) an eine Ionenätzversorgung (20) anschließbar ist.