DE3920835C2 - Einrichtung zum Beschichten von Substraten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Beschichten von Substraten nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Auf zahlreichen Gebieten der Technik ist es erforderlich, sehr dünne Schichten von reinen Stoffen auf bestimmten Gegenständen aufzubringen. Beispiele hierfür sind Fenstergläser, die mit einer dünnen Metall- oder Metalloxid-Schicht versehen werden, um aus dem Sonnenlicht bestimmte Wellenlängenbereiche auszufiltern. Auch in der Halbleitertechnik werden oft auf einem ersten Substrat dünne Schichten eines zweiten Substrats auf­ gebracht. Besonders wichtig ist hierbei, daß die dünnen Schichten nicht nur sehr rein sind, sondern auch sehr genau dosiert werden müssen, damit die jeweiligen Schichtdicken exakt reproduzierbar sind.

Dünne Schichten können durch chemische oder elektrochemische Abscheidung, durch Verdampfen im Vakuum oder durch "Sputtern" oder Kathoden­ zerstäuben aufgebracht werden. Bei der Kathodenzerstäubung sind ein Gas­ entladungsplasma, eine zu zerstäubende Substanz an einer Kathode - die auch Target genannt wird - und ein zu beschichtendes Substrat in einer Vakuum­ kammer vorgesehen.

Es ist bereits eine Vorrichtung zum Aufbringen dünner Schichten auf ein Substrat mittels des Kathodenzerstäubungsverfahrens bekannt, bei dem zwischen einer zu zerstäubenden Kathode und einer Anode eine mechanische Blende vorgesehen ist, welche den Raum zwischen der Kathode und dem zu beschichtenden Substrat unterteilt (EP-A-0 205 028). Bei dieser Vorrichtung wird jedoch nur ein relativ geringer Anteil der vom Target abgesputterten Teilchen für den Niederschlag auf dem Substrat herangezogen.

Vorrichtungen, welche zur Erzeugung von geladenen Teilchen dienen, die wiederum für einen Beschichtungsvorgang verwendet werden können, sind ebenfalls bekannt bzw. vorgeschlagen worden (D. M. Goebel, G. Campbell und R. W. Conn in Journal of Nuclear Material 121, 1984, S. 277 bis 282, North Holland Physics Publishing Division, Amsterdam; deutsche Patent­ anmeldung 38 03 355.0; deutsche Patentanmeldung P 38 34 984.1).

Es ist weiterhin ein Verfahren zum Aufbringen dünner Schichten bekannt, bei dem ein erstes Target an einer Magnetronelektrode vorgesehen ist und Teile von diesem ersten Target abgesputtert werden, so daß sie auf ein aufgeheiztes Substrat treffen (EP-A-0 302 684). Gleichzeitig wird eine Teilchenkanone betrieben, die Teilchen von einem zweiten Target löst, wodurch diese auf das Substrat fallen. An der Substrat-Oberfläche mischen sich die beiden Teilchen-Plasmen und bilden hierdurch einen Niederschlag von vorgegebener chemischer Zusammensetzung. Die Teilchen der Teilchenkanone werden hierbei also nicht direkt auf das Substrat gegeben, son­ dern dienen dazu, aus einem weiteren Target Partikel herauszuschlagen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Beschichtungsvorrichtung mit nur einem Target vorzusehen, bei welcher ein Teilchengenerator derart angeordnet ist, daß seine Teilchen direkt zu einem Substrat gelangen.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß nahe­ zu beliebige chemische Verbindungen, z. B. Oxide, Nitride etc. durch Gleichstromsputtern mit sehr hohen Niederschlagsraten erzeugt werden können. Im Unterschied zum herkömmlichen reaktiven Sputtern in reaktiver Atmosphäre werden bei der Erfindung Ionen der Reaktionsgaskomponente aus einer oder mehreren Quellen, die außerhalb des Sputterplasmas ange­ ordnet sind, direkt zum Substrat geführt, wo diese mit den vom Target abgesputterten Atomen der Festkörperkomponente reagieren. Da diese Ionen einerseits selbst sehr reaktionsfreudig sind und andererseits bei ihrem Auf­ treffen auf die Substratoberfläche diese aktivieren, können Moleküle, Atome und Ionen des Reaktivgases weitgehend vom Sputtertarget ferngehalten werden, so daß dieses im metallischen Zustand gesputtert werden kann.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Sputteranlage mit zwei verschiedenen Ionenquellen;

Fig. 2 eine zweite Sputteranlage mit einer anderen Ionenquelle;

Fig. 3 eine Vorrichtung, bei der eine Magnetronkathode und eine zusätzliche Plasmaquelle räumlich voneinander getrennt angeordnet sind.

In der Fig. 1 ist eine Beschichtungsanlage 1 dargestellt, die eine Sputter­ vorrichtung 2 und zwei Ionenquellen 3, 4 unterschiedlicher Bauweise enthält. Die Sputtervorrichtung 2 besteht aus einem Target 5, einer Elektrode 6, die am negativen Potential einer Spannungsquelle 7 angeschlossen ist, drei Dauermagneten 8, 9, 10, die über ein Joch 11 miteinander gekoppelt sind und einem Magnetträger 12, der einerseits mit der Elektrode 6 und anderer­ seits mit dem Target 5 verbunden ist. Die Dauermagnete 8, 9, 10 sind derart angeordnet, daß sich ihre Nord- bzw. Südpole abwechseln und zwischen diesen Feldlinien verlaufen, wie sie durch die Bezugszahlen 13, 14 angedeutet sind.

Die Sputtervorrichtung 2 ist im oberen Bereich einer Kammer 15 angeordnet, die mit Vakuumpumpen 16, 17 und Gaszuführungen 18, 19 versehen ist, wobei die Gaszuführungen 18, 19 über Ventile 20, 21 mit Gasbehältern 22, 23 in Verbindung stehen. Der obere Bereich der Kammer 15 liegt elektrisch an Masse, während ein unterer Bereich 24, 25 dieser Kammer 15 mit dem positiven Potential einer Spannungsquelle 26 verbunden ist.

Das Substrat 27, welches in der Beschichtungsanlage 1 beschichtet werden soll, befindet sich auf einer Walze 28, die sich in Richtung eines Pfeils 29 dreht.

Zwischen dem oberen Bereich der Kammer 15 und dem unteren Bereich 24 ist die Ionenquelle 3 vorgesehen, wie sie in der deutschen Patentanmeldung P 38 03 355.0 beschrieben ist.

Diese Ionenquelle 3 weist einen Gaseinlaß 30 auf, über den das Gas in einen Quarzbehälter 31 einströmt. Mittels elektromagnetischer Wellen, die von einem Hornstrahler 32 ausgesendet werden, wird das Gas ionisiert. Aufgrund der magnetischen Feldverteilung, die durch Dauermagnete 33, 34 hervorgerufen wird, bildet sich innerhalb des Quarzbehälters 31 eine "Rennbahn" für Elektronen und Ionen aus, wie sie bei Magnetron-Sputter­ kathoden bekannt ist. Dadurch ist es möglich, den Ionisationsgrad, der allein aufgrund der Mikrowelleneinstrahlung noch nicht sehr groß ist, wesentlich zu erhöhen. Der Vorteil des toroidförmigen Magnetfelds gegenüber anderen Magnetfeldern besteht darin, daß im Randbereich des Quarzbehälters 31, d. h. im Wirkungsbereich des elektromagnetischen Wechselfeldes, ein magnetisches Feld geschaffen wird, das die Elektronen-Zyklotron-Resonanz­ bedingungen erfüllt. Dadurch entsteht eine Zone mit sehr hoher Ionisations­ effizienz, die den für die Teilchenextraktion relevanten Plasmabereich um­ schließt und in diesem Plasmabereich die zu extrahierenden Plasmabestand­ teile liefert. Das überlagerte Magnetfeld eines Elektromagneten 35 be­ wirkt, je nach Richtung des erzeugten Magnetfelds, eine radiale Kontraktion bzw. eine radiale Expansion des ECR-Anregungsbereichs und dient der Steuerung der Plasmadichteverteilung im Behälter 15.

Das im Behälter 15 befindliche Plasma, das in der Fig. 1 durch Punkte angedeutet ist, kann mit Hilfe besonderer Steuerverfahren als Ionenquelle, Elektronenquelle oder als Quelle für neutrale Teilchen dienen. Wird beispiels­ weise ein Gitter 36 auf positives Potential, ein Gitter 37 auf negatives Potential und ein Gitter 38 auf Null-Potential (= Masse) gelegt, so bleiben die negativ geladenen Teilchen (Elektronen, negative Ionen) im Behälter gefangen, während die positiv geladenen Teilchen (positive Ionen) abgesaugt werden.

Auf der rechten Seite des Gehäuses 15 ist die zweite Teilchenquelle 4 vor­ gesehen, die ganz anders aufgebaut und in der deutschen Patentanmeldung P 38 34 984.1 näher beschrieben ist.

Bei dieser Teilchenquelle 4, die gyromagnetisch abstimmbar ist, kommt das Prinzip der Elektronen-Zyklotron-Resonanz ebenfalls zur Anwendung. Hierbei ist ein Quarzgefäß 40 zur Aufnahme eines Plasmas vorgesehen, das auf seiner Oberseite eine Einbuchtung 41 besitzt und auf seiner Unterseite mit einem Extraktionsgitter 42 versehen ist, mit dem Ionen abgezogen werden können. Bei einer reinen Plasmaextraktion entfällt dieses Gitter 42. Um das Quarzgefäß 40 herum ist ein Topfkreis 43 vorgesehen, der eine Öffnung 44 aufweist, durch die ein Mikrowellen-Einkoppler 45 in einen Raum 46 ein­ tritt, der sich oberhalb des Quarzgefäßes 40 befindet. Die Einkopplung der Mikrowelle kann kapazitiv, induktiv oder über eine Leitung erfolgen. Die Fig. 1 zeigt eine kapazitive Einkopplung, bei der das Ende einer offenen Leitung in einen Hohlraum hineinragt. Die Einkopplung erfolgt zweckmäßiger­ weise dort, wo große elektrische Feldstärken auftreten.

Der Topfkreis 43 ist an die Einbuchtung 41 angepaßt, d. h. er besitzt ebenfalls eine Einbuchtung 47, in der sich eine ringförmige Spule 48 befin­ det, die einen senkrechten Steg eines im Querschnitt T-förmigen Weich­ eisenkerns 49 umgibt. Diese Spule 48 dient dazu, die Elektronen-Zyklotron- Resonanzbedingungen herzustellen. Hat die eingekoppelte Mikrowelle eine Frequenz von 2,45 GHz, so beträgt die von der Spule 48 erzeugte magne­ tische Flußdichte 8,75 × 10^-2 V · s/m², damit die ECR-Bedingung erfüllt ist.

Der Topfkreis 43 schmiegt sich im wesentlichen an die Außenkonturen des Quarzgefäßes 40 an, wobei allerdings im oberen Bereich die beiden in der Längsschnittdarstellung erkennbaren Hohlräume 46 und 50 im Topfkreis 43 gebildet werden, die einen Ring bilden, der wenigstens teilweise die Spule 48 umgibt. Dieser Ring 46, 50 ist auf seiner Oberseite mit einem dünnen Ring 51, 52 eines gyromagnetischen Materials, z. B. Ferrit, abgeschlossen.

Oberhalb dieses Rings 51, 52 und auf dem Topfkreis 43 befindet sich ein rotationssymmetrischer Weicheisenkern 53, in den eine kreisringförmige Abstimmspule 54 zur gyromagnetischen Einstellung der Resonanzfrequenz des Topfkreises 43 eingelassen ist.

Der Topfkreis 43 stellt bei der Anordnung gemäß Fig. 1 einen kapazitiv belasteten Resonator dar, der nach außen vollständig durch leitende, aber magnetisch nicht abschirmende Wände, zum Beispiel aus Kupfer oder Alu­ minium, abgeschlossen ist. Durch Veränderung der Gesamthöhe des Topf­ kreises 43 und/oder der Höhe der den Boden der Einbuchtung 41 über­ ragenden Einbuchtung 47 und/oder des Gesamtdurchmessers des Topfkreises 43 und/oder des Durchmessers der Einbuchtung 47 läßt sich sowohl eine im Topfkreis 43 stabile Feldkonfiguration als auch eine kapazitive Last in weiten Grenzen variieren und so einem optimalen Arbeitspunkt der Plasma- und Ionenquelle 4 anpassen. Für diese Plasma- und Ionenquelle 4 ist der gyromagnetische Ring 51, 52 in Verbindung mit der Spule 54 wichtig, durch deren Magnetfeld eine Verstimmung des Topfkreises 43 bewirkt werden kann.

Für die vorliegende Erfindung kann sowohl die Plasma- und Ionenquelle 3 als auch die Plasma- und Ionenquelle 4 verwendet werden. Die gemeinsame Darstellung der beiden verschiedenen Ionenquellen in der Fig. 1 dient lediglich der Vereinfachung der Darstellung. Es könnten ebensogut auch zwei gleichartige Teilchenquellen oder nur eine Teilchenquelle vorgesehen sein. Entscheidend ist lediglich, daß der Teilchenstrahl der Quellen 3, 4 auf das zu beschichtende Substrat gerichtet ist. Mit Hilfe der Kombination aus einer oder mehreren der Teilchenquellen 3, 4 und der Magnetronsputter­ kathode 2 werden Verbindungsschichten auf einem Substrat hergestellt. In der Teilchenquelle 3, 4 selbst werden die Reaktivgasteilchen hergestellt, die zum Substrat geführt werden, wo sie mit den aufgesputterten Atomen des Magnetron-Targets 5 reagieren.

Die Kombination von Magnetron-Sputterkathode mit Teilchenquellen, um Ionen des Reaktivgases zum Substrat zu führen, ist in weiteren Varianten möglich.

Eine solche Variante ist in der Fig. 2 gezeigt. Diese Fig. 2, die im übrigen wie die Fig. 1 aufgebaut ist, zeigt eine Ionenquelle 60, wie sie in dem oben erwähnten Aufsatz von Goebel, Campbell und Conn beschrieben ist.

Bestandteile dieser Ionenquelle 60 sind eine rohrförmige Anode 61, ein Elektronen- Emitter 62, eine Heizung 63, eine Generatorkammer 64, eine Magnetspule 65, eine Lochplatte 66, Wasser- und Stromzuführungen 67, 68, 69, 70, ein Rohrstutzen 71, eine Rohrschlange 72, ein Einlaßstutzen 73, eine weitere Magnetspule 74, eine Öffnung 75 und ein Flansch 76.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 3 sind die Magnetronkathode 2 und die zusätzlichen Ionen- und Plasmaquellen 3, 4, 60 örtlich vollständig voneinander getrennt angeordnet. Auf einem rotierenden Tisch 100 befindet sich das Substrat 27 in einer ersten Position unterhalb der Magnetronkathode 2, während es sich in einer zweiten Position unterhalb der Ionenquelle 3, 4, 60 befindet. Bei dieser Anordnung muß das Substrat 27 sehr schnell unter der Magnetronkathode 2 und der jeweiligen Ionenquelle 3, 4, 60 vorbei­ geführt werden, damit die auf das Substrat 27 gesputterten Teilchen auch vollständig mit den Reaktionsteilchen reagieren können. Als Plasmaquelle für Ionen könnte in dieser Anordnung auch eine zweite Magnetronkathode dienen, bei welcher der Sputtereffekt stark unterdrückt ist.

Wie bereits vorstehend erwähnt, befindet sich bei der Anordnung gemäß Fig. 1 das Substrat 27, das beschichtet werden soll, auf der Walze 28. Anstelle einer Walze 28 kann auch ein Fördertisch vorgesehen werden, der mit dem Substrat versehen ist und der sich zwischen den beiden Ionen­ quellen hindurchbewegt, z. B. in die Zeichenebene hinein. Besonders vorteil­ haft ist es, wenn sich das Substrat dort befindet, wo sich die Teilchenströme maximal durchmischen, z. B. in der Ebene, die als Bezugslinie für die Winkel α und β dargestellt ist.

Claims (11)

1. Beschichtungsvorrichtung mit

• 1.1 einer Kathode (6), die mit einem Target (5) in elektrischer Verbindung steht,
• 1.2 einem Substrat (27), das einen vorgegebenen Abstand von dem Target (5) besitzt,
• 1.3 einem Teilchengenerator (3, 4, 60), der Reaktivgase aussendet,

dadurch gekennzeichnet, daß

• 1.4 die Mittenachse des Teilchengenerators (3, 4, 60) zur Mittenachse des Targets (5) einen Winkel (90°-α; 90°-β3) einschließt und daß
• 1.5 der Schnittpunkt beider Achsen dicht über der Oberfläche des Substrats (27) liegt.

2. Beschichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (6) eine Magnetronkathode ist.

3. Beschichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Teilchengenerator (3, 4, 60) vorgesehen ist.

4. Beschichtungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittenachse des zweiten Teilchengenerators (3, 4, 60) mit der Mittenachse des Tar­ gets (5) einen Winkel einschließt und daß der Schnittpunkt beider Achsen dicht über der Oberfläche des Substrats (27) liegt.

5. Beschichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilchengenerator (3) einen Plasmaraum (31) aufweist, in dem mittels Mikrowellen­ einstrahlung und eingreifenden Magnetfeldern Elektronen-Zyklotron-Resonanzen entstehen, und daß Teilchen mittels elektrischer und magnetischer Potentiale in Rich­ tung auf das Substrat (27) beschleunigt werden.

6. Beschichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilchengenerator (4) einen gyromagnetisch abstimmbaren Topfkreis für Mikrowel­ len aufweist, in dem Plasmen erzeugt werden, wobei geladene Teilchen mit Hilfe elektrischer oder magnetischer Teilchen auf das Substrat hin beschleunigt werden.

7. Beschichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilchengenerator (60) eine Anode (61), einen Elektronen-Emitter (62), eine Heizung (63), eine Generatorkammer (64) und eine Magnetspule (65) aufweist, wobei in der Generatorkammer geladene Teilchen erzeugt werden, die mittels elektrischer oder magnetischer Felder direkt auf das Substrat hin beschleunigt werden.

8. Beschichtungsvorrichtung nach Anspruch 1 und Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden Teilchengeneratoren (3, 4) im wesentlichen spiegelsymme­ trisch zur Kathode (6) angeordnet sind.

9. Beschichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Drehtisch (100) mit einem Substrat (27) vorgesehen ist, über dem sich eine Magne­ tronkathode (2) und ein Teilchengenerator (3, 4, 60) befinden, wobei das Substrat aufgrund der Drehbewegung des Drehtischs (100) zunächst unter der Magnetron­ kathode (2) und anschließend unter dem Teilchengenerator (3, 4, 60) vorbeigeführt wird.

10. Beschichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchenquellen außerhalb des zwischen dem Target (5) und dem Substrat (27) be­ findlichen Raums angeordnet sind.