DE4042288A1

DE4042288A1 - Verfahren und vorrichtung zum reaktiven beschichten eines substrats

Info

Publication number: DE4042288A1
Application number: DE4042288A
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr Szczyrbowski; Stephan Roegels
Original assignee: Leybold AG
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1990-12-31
Filing date: 1990-12-31
Publication date: 1992-07-02
Also published as: US5126033A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum reaktiven Beschichten eines Substrats, beispielsweise mit Silizi umdioxid (SiO₂), bestehend aus einer Stromquelle, die mit einer in einer evakuierbaren Beschichtungskammer angeord neten Elektrode verbunden ist, die elektrisch mit einem Target in Verbindung steht, das zerstäubt wird und dessen zerstäubte Teilchen sich auf dem Substrat niederschlagen, wobei in die Beschichtungskammer ein Prozeßgas und ein Reaktivgas einbringbar sind.

Bei bekannten Verfahren zum Beschichten von Substraten mit Hilfe von Kathodenzerstäubung und Materialien mit einer hohen Affinität zum Reaktivgas besteht das Problem, daß neben dem Substrat selbst auch Teile der Vorrichtung, wie die Innenwand der Prozeßkammer oder Teile von Blenden mit elektrisch nicht oder schlecht leitenden Materialien beschichtet werden, was die häufige Änderung der Prozeß parameter während eines einzigen Beschichtungsprozesses oder auch eine häufige Unterbrechung des Prozesses und auch eine häufige Reinigung oder einen Austausch von Teilen der Vorrichtung erforderlich macht, insbesondere aber zu den gefürchteten elektrischen Entladungen (Arcing) führt.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Sputtern von Materialien mit hoher Affinität zu einem Reaktivgas zu schaffen, die einen gleichmäßigen, stabilen bzw. Arcing-freien Prozeß ermöglicht und eine Reinigung der Teile der Vorrichtung überflüssig macht, und zwar ohne daß herkömmliche bzw. bereits vorhandene Vorrichtungen oder Anlagen hierfür ungeeignet sind bzw. ohne daß an diesen wesentliche oder kostspielige Umbauten oder Änderungen vorgenommen werden müssen. Darüber hinaus soll die Vorrichtung insbesondere bei langen Betriebszeiten störungsfrei arbeiten und dies auch bei reaktiver Abscheidung isolierender Schichten, wie z. B. SiO₂, Al₂O₃, NiSi₂-Oxid, ZrO₂, TiO₂, ZnO.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einer Sputteranlage zwei elektrisch voneinander und von der Sputterkammer getrennte Elektroden vorgesehen sind, wobei die eine Elektrode eine Magnetronkathode ist, bei der der Kathodenkörper und das Material des Targets elek trisch miteinander verbunden sind und die andere Elektro de als Anode bei der Plasmaentladung wirkt, und wobei eine Gleichstromversorgung (D.C. SSV) mit einem elek trisch hängenden (floatenden) Ausgang versehen ist, die mit ihrem negativen Pol mit der Kathode und mit ihrem positiven Pol mit der Anode verbunden ist, und wobei zwischen der Kathode und der Anode eine erste induktions arme, HF-taugliche Kapazität und zwischen Anode und der elektrisch getrennten Vakuumkammer eine zweite induk tionsarme, HF-taugliche Kapazität eingeschaltet ist.

Bei einer alternativen Ausführungsform mit einer mit einem ringförmigen Target ist erfindungsgemäß eine elek trisch von der Vakuumkammer und von der Anode getrennte, als Magnetronkathode ausgebildete, aus zwei elektrisch voneinander getrennten Teilen bestehende Kathode vorge sehen, bei der der Targetgrundkörper mit Joch und Mag neten als der eine Teil - unter Zwischenschaltung einer Kapazität - an den negativen Pol einer Gleichstrom- Spannungsversorgung und das Target als der andere Teil über eine Leitung unmittelbar an die Stromversorgung angeschlossen ist, wobei die Kathode über eine weitere Kapazität mit der Anode verbunden ist, die ihrerseits - unter Zwischenschaltung einer Kapazität - auf Masse liegt.

Weitere Einzelheiten und Merkmale sind in den Patentan sprüchen näher charakterisiert und gekennzeichnet.

Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausführungsmög lichkeiten zu; eine davon ist in den anhängenden zwei Zeichnungen schematisch näher dargestellt, die den Schnitt durch Sputteranlagen mit Magnetron-Sputter kathoden zeigen.

In der Zeichnung (Fig. 1) ist ein Substrat 1 dargestellt, das mit einer dünnen Schicht 2 aus einem Oxid (z. B. Siliziumdioxid oder Aluminiumoxid) versehen werden soll.

Diesem Substrat 1 liegt ein Target 3 gegenüber, das zu zerstäuben ist. Das Target 3 steht über eine Platte 4 mit einer Elektrode 5 in Verbindung, die auf einem Joch 6 ruht, das zwischen sich und dem Element 4 Magnete 7, 8, 9, einschließt.

Die auf das Target 3 gerichteten Polaritäten der Pole der Magnete wechseln sich ab, so daß jeweils die Südpole der beiden äußeren Magnete 7, 8 mit dem Nordpol des innenlie genden Magnets 8 etwa kreisbogenförmige Magnetfelder durch das Target 3 bewirken. Diese Magnetfelder verdich ten das Plasma vor dem Target 3, so daß es dort, wo die Magnetfelder das Maximum ihrer Kreisbögen aufweisen, seine größte Dichte hat. Die Ionen im Plasma werden durch ein elektrisches Feld beschleunigt, das sich aufgrund einer Gleichspannung aufbaut, die von einer Gleichstrom quelle 10 abgegeben wird. Diese Gleichstromquelle 10 ist mit ihrem negativen Pol über die Leitung 28 mit der Elek trode 5 verbunden. Das elektrische Feld steht senkrecht auf der Oberfläche des Targets 3 und beschleunigt die positiven Ionen des Plasmas in Richtung auf dieses Target 3. Hierdurch werden mehr oder weniger viele Atome oder Partikel aus dem Target 3 herausgeschlagen, und zwar insbesondere aus den Gebieten 13, 14. Die zerstäubten Atome oder Partikel wandern vorwiegend in Richtung auf das Substrat 1 zu, wo sie sich als dünne Schicht 2 nie derschlagen.

Bei der Vorrichtung nach Fig. 1 ist die Leitung 28 außer dem über eine Zweigleitung 29 und einen in diese einge schalteten Kondensator 34 an die Leitung 40 angeschlos sen, die den Pluspol der Gleichstromquelle 10 mit der Anode 44 verbindet. Über eine weitere Zweigleitung 41 mit einem in diese eingeschalteten Kondensator 35 sind die Vakuumkammer 25 und die Leitung 40 an Erde gelegt.

Das Target 3 kann beispielsweise aus einem Material hoher Affinität zum Reaktivgas bestehen, beispielsweise Si. Während des Sputterprozesses tragen nun diese Konfigura tion und Werkstoffauswahl, die entsprechenden Magnet felder und ein abgestimmtes Verhältnis von Sauerstoff zu Argon dafür Sorge, daß sich die Schicht 2 auf dem Sub strat 1 aus SiO₂ (Siliziumdioxid) aufbaut.

Für die Steuerung der dargestellten Anordnung kann ein Prozeßrechner vorgesehen werden, der Meßdaten verarbeitet und Steuerungsbefehle abgibt. Diesem Prozeßrechner können beispielweise die Werte des gemessenen Partialdrucks in der Prozeßkammer 15, 15a zugeführt werden. Aufgrund die ser und anderer Daten kann er zum Beispiel den Gasfluß aus den Behältern 16, 17 über die Ventile 18, 19 regeln und die Spannung an der Kathode 5 einstellen. Der Prozeß rechner ist auch in der Lage, alle anderen Variablen, z. B. den Kathodenstrom und die magnetische Feldstärke, zu regeln. Da derartige Prozeßrechner bekannt sind, wird auf eine Beschreibung seines Aufbaus verzichtet.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 weist die Kathode 30 ein ringförmiges (d. h. ovales) Target 32, 32′ das über die Leitung 28 bzw. die Zweigleitungen 28a, 28b an den negativen Pol der Gleichstromquelle 10 angeschlossen ist. Eine weitere Zweigleitung 42 mit einer in diese einge schalteten Kapazität 38 ist an die Leitung 43 angeschlos sen, die den Pluspol der Gleichstromquelle 10 mit der Anode 44 verbindet und die über einen Kondensator 38 auf Masse liegt.

Aufgabe der Kapazität 34 bzw. 38 ist es, die durch den Sputterprozeß induzierten Hochfrequenzspannungs- und Stromschwingungen, die zu Überschlägen und Bogenentladun gen (Arcing) führen, kurzzuschließen.

Die Kapazität 35 bzw. 39 ist besonders wichtig, wenn bei einer reaktiven Abscheidung eine elektrisch isolierende Schicht erzeugt wird, die auch auf der Anode 44 wächst. Eine mit der Sputterzeit wachsende Bedeckung der positi ven Elektrode mit einer elektrisch isolierenden Schicht kann eine Neuzündung des Sputterplasmas bedeutend er schweren. Aufgabe dieses Kondensators 35 bzw. 39 ist es, eine Wiederzündung des Sputterplasmas nach einer Abschal tung der SSV zu erleichtern.

Aufgabe der Kapazität 37 ist es, die Häufigkeit der zufälligen elektrischen Überschläge, die zwischen dem Target 32, 32′ und der Targetumgebung 31, 36 in beiden Kathoden entstehen, zu beseitigen.

Bezugszeichenliste

1 Substrat
2 Schicht
3, 3a, 3b Target
4 Platte, Kupferplatte
5 Kathode
6 Joch
7 Magnet
8 Magnet
9 Magnet
10 Gleichstromquelle, Gleichstrom- Spannungsversorgung
11 Kathodenkörper
13 Sputtergraben (Gebiet)
14 Sputtergraben (Gebiet)
15, 15a Beschichtungskammer, Rezipient
16 Gasbehälter
17 Gasbehälter
18 Ventil
19 Ventil
20 Einlaßstutzen, Argoneinlaß
21 Einlaßstutzen, Reaktivgaseinlaß
22 Gaszuführungsleitung
23 Gaszuführungsleitung
24 Behälter
25 Behälter, Vakuumkammer
26 Blende
27 elektrischer Anschluß (Masseleitung)
28, 28a, 28b elektrischer Anschluß
29 Zweigleitung
30 Kathode
31 Kathodenkörper
32, 32′ Target
33 Target
34 Kapazität, Kondensator
35 Kapazität, Kondensator
36 Joch
37 Kapazität
38 Kapazität
39 Kapazität
40 Plus-Leitung, Leitung
41 Zweigleitung
42 Zweigleitung
43 Zweigleitung
44 Anode

Claims

1. Vorrichtung zum reaktiven Beschichten eines Sub strats (1) mit einem elektrisch leitfähigen Werk stoff, beispielsweise mit Siliziumdioxid (SiO₂), bestehend aus einer Stromquelle (10), die mit einer in einer evakuierbaren Beschichtungskammer (15, 15a) angeordneten, Magnete (7, 8, 9) einschließende Ka thode (5) verbunden ist, die elektrisch mit einem Target (3) zusammenwirkt, das zerstäubt wird und dessen zerstäubte Teilchen sich auf dem Substrat (1) niederschlagen, wobei in die Beschichtungskammer (15, 15a) ein Prozeßgas und ein Reaktivgas, z. B. Argon mit Sauerstoff, einbringbar sind, gekennzeich net durch zwei elektrisch voneinander und von der Sputterkammer (25) getrennte Elektroden (44, 5) , wobei die eine Elektrode eine Magnetronkathode (5) ist, bei der der Kathodenkörper (11) und das Mate rial des Targets (3) elektrisch miteinander verbun den sind und die andere Elektrode als Anode (44) bei der Plasmaentladung wirkt, und wobei eine Gleich stromversorgung (D.C. SSV) mit einem elektrisch hängenden (floatenden) Ausgang vorgesehen ist, die mit ihrem negativen Pol mit der Kathode (5) und mit ihrem positiven Pol mit der Anode (44) verbunden ist, und wobei zwischen der Kathode (5) und der Anode (44) eine erste induktionsarme, HF-taugliche Kapazität (34) und zwischen Anode (44) und der elek trisch getrennten und geerdeten Vakuumkammer (25) eine zweite induktionsarme, HF-taugliche Kapazität (35) eingeschaltet ist.

2. Vorrichtung zum reaktiven Beschichten eines Sub strats (1) mit einem elektrisch leitfähigen Werk stoff, beispielsweise mit Siliziumdioxid (SiO₂), bestehend aus einer Stromquelle (10), die mit einer in einer evakuierbaren Beschichtungskammer (15, 15a) angeordneten, Magnete (7, 8, 9) einschließenden Kathode (30) verbunden ist, die elektrisch mit einem Target (32, 32′) zusammenwirkt, das zerstäubt wird und deren zerstäubte Teilchen sich auf dem Substrat (1) niederschlagen, wobei in die Beschichtungskammer (15, 15a) ein Prozeßgas und ein Reaktivgas, z. B. Argon und Sauerstoff, einbringbar sind, gekennzeich net durch eine elektrisch von der Vakuumkammer (25) und von der Anode (44) getrennte, als Magnetronka thode ausgebildete, aus zwei elektrisch voneinander getrennten Teilen bestehende Kathode (30), bei der der Targetgrundkörper (31) mit Joch (36) und Magne ten (7, 8, 9) als der eine Teil - unter Zwischen schaltung einer Kapazität (37) - an den negativen Pol einer Gleichstrom-Spannungsversorgung (10) und das Target (32, 33) als der andere Teil über eine Leitung (28 bzw. 28a, 28b) unmittelbar an die Strom versorgung (10) angeschlossen ist, wobei die Kathode (30) über eine weitere Kapazität (38) mit der Anode (44) verbunden ist, die ihrerseits - unter Zwischen schaltung einer Kapazität (39) - auf Masse liegt.