DE3802852C2 - - Google Patents
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- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
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- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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- C23C14/34—Sputtering
- C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering
- C23C14/352—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering using more than one target
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.
Es ist weiterhin eine Sputtervorrichtung bekannt, die in einer Ionisationskammer zwei
Targetelektroden besitzt, die elektrisch von dieser Kammer isoliert sind (US-PS 38 60 507). Auf der einen Elektrode befindet sich eine Scheibe aus dem zu zerstäubenden Material,
während sich auf der anderen Elektrode eine Scheibe aus einem Material befindet, auf
dem sich das zerstäubte Material niederschlagen soll. Die eine Elektrode ist über einen
ersten Schalter an eine erste Wechselspannungsquelle und die andere Elektrode über einen
zweiten Schalter an eine zweite Wechselspannungsquelle angeschlossen. Beide Wechsel
spannungsquellen sind zusammen mit dem Gehäuse der Ionisationskammer an Masse
gelegt. Bei den Wechselspannungsquellen handelt es sich um solche, die hochfrequente
Wechselspannungen von 13,56 MHz abgeben. Aufgrund der Betätigung der ersten und
zweiten Schalter und wegen Ausgleichsimpedanzen, die zwischen Masse und einer
Wechselspannungselektrode vorgesehen sind, liegen die beiden Elektroden nicht an den
jeweils gegenpoligen Halbwellen einer einzigen Wechselspannung, sondern stets an zwei
verschiedenen Wechselspannungen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung nach
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, bei der eine gleich
mäßige 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 zeigt
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 20 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.
Zerstäubungsgase 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 durch
Zerstäubung gereinigt. 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 (14)
1. Einrichtung für die Beschichtung eines Substrats, mit zwei Elektroden und wenigstens
einem zu zerstäubenden Material, wobei die eine Elektrode mit einer ersten Wechselstrom
halbwelle versorgt wird, während die andere Elektrode mit einer gegenläufigen Wechsel
stromhalbwelle versorgt wird, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- a) das zu beschichtende Substrat (1) ist zwischen den beiden Elektroden (5, 6) angeordnet und weist zu diesen einen räumlichen Abstand auf;
- b) die Wechselstromhalbwellen sind niederfrequente Halbwellen mit im wesentlichen gleichen Amplituden;
- c) die Elektroden (5, 6) sind beide auf ihrer dem Substrat (1) zugewandten Seite mit einem zu zerstäubenden Material versehen.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die beiden Elektroden
(5, 6) mit ihrem zu zerstäubenden Material sowie das Substrat (1) innerhalb eines
evakuierten Kessels (3) befinden.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselstromhalb
wellen von einer Wechselstromquelle (9) mit einem Anpassungs-Übersetzungstransformator
erzeugt werden.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anpassungs-Über
setzungstransformator ein Streufeldtransformator (9) ist und aus einer Schutzgasschweiß
anlage (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. Verfahren zur Abscheidung von Hartstoffen in einer Einrichtung nach den vorangehenden
Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß als abzustäubendes Material auf den
Elektroden (5, 6) Titan eingesetzt wird, das in einer Argon und Stickstoff enthaltenden
Atmosphäre reaktiv als TiN aufgestäubt wird.
11. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Sekundärseite
(14, 15) des Anpassungs-Übersetzungstransformators (9) ein Mittenabgriff (13) vorge
sehen ist, der an ein definiertes Potential (4) legbar ist.
12. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) an eine
bestimmte Vorspannung (22) anschließbar ist.
13. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) an einen
regelbaren Widerstand (21) anschließbar ist und dadurch zur Potentialvorspannungs
regelung des Substrats (1) bei der Beschichtung benutzbar ist.
14. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) an eine
Ionenätzversorgung (20) anschließbar ist.
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