DE4042289A1

DE4042289A1 - Verfahren und vorrichtung zum reaktiven beschichten eines substrats

Info

Publication number: DE4042289A1
Application number: DE4042289A
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: US5126032A

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, Ta₂O₃, SnO₂.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch zwei elektrisch voneinander und von der Sputterkammer getrennte Elektro den gelöst, wobei die eine Elektrode eine Magnetronkatho de ist, bei der der Kathodenkörper und das Material des Targets elektrisch miteinander verbunden sind und die andere Elektrode als Anode bei der Plasmaentladung wirkt, und wobei eine Gleichstromversorgung (D.C. SSV) mit einem elektrisch hängenden (floatenden) Ausgang versehen ist, die mit ihrem negativen Pol - unter Zwischenschaltung einer Drossel - mit der Kathode und mit ihrem positiven Pol mit der Anode verbunden ist, wobei parallel zur Dros sel ein Widerstand angeordnet ist und wobei zwischen der Kathode und der Anode eine erste induktionsarme, HF-taug liche Kapazität und zwischen Anode und der elektrisch ge trennten Vakuumkammer eine zweite induktionsarme Kapazi tät und zwischen dieser zweiten Kapazität und dem Masse anschluß ein zweiter Widerstand eingeschaltet ist.

Bei einer alternativen Ausführungsform mit einer Kathode mit einem ringförmigen oder ovalen Target ist erfindungs gemäß eine elektrisch von der Vakuumkammer und von der Anode getrennte, als Magnetronkathode ausgebildete, aus zwei elektrisch voneinander getrennten Teilen bestehende Kathode vorgesehen, bei der der Targetgrundkörper mit Joch und Magneten als der eine Teil - unter Zwischen schaltung einer Kapazität - an den negativen Pol einer Gleichstrom-Spannungsversorgung und das Target als der andere Teil über eine Leitung und unter Zwischenschaltung einer Drossel und einem dieser parallel liegenden Wider stand an die Stromversorgung angeschlossen ist, wobei das Target über eine weitere Kapazität mit dem Pluspol der Stromversorgung und mit der Anode verbunden ist, die ihrerseits - unter Zwischenschaltung einer Kapazität und einem dieser nachgeschalteten Widerstand - auf Masse liegt.

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

Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausführungsmög lichkeiten zu; zwei davon sind in den anhängenden zwei Zeichnungen schematisch näher dargestellt, die den Schnitt durch Sputteranlagen mit unterschiedlichen Magne tron-Sputterkathoden zeigen.

In der Zeichnung (Fig. 1) ist ein Substrat 1 darge stellt, 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 7, 8, 9 wechseln sich ab, so daß jeweils die Süd pole der beiden äußeren Magnete 7, 8 mit dem Nordpol des innenliegenden Magnets 8 etwa kreisbogenförmige Magnet felder durch das Target 3 bewirken. Diese Magnetfelder verdichten 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 - unter Zwischenschaltung einer Drossel 45 und einem zur Drossel parallel geschalteten Widerstand 46 - 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. Hier durch 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 niederschlagen.

Bei der Vorrichtung nach Fig. 1 ist die Leitung 28 außerdem über eine Zweigleitung 29 und einen in diese eingeschalteten Kondensator 34 und einen diesem parallel geschalteten weiteren Kondensator 48 an die Leitung 40 angeschlossen, die den Pluspol der Gleichstromquelle 10 mit der Anode 44 verbindet. Über eine weitere Zweiglei tung 41 mit einem in diese eingeschalteten Kondensator 35 und einem diesem nachgeschalteten Widerstand 47 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 (Silixiumdioxid) 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, 18 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 ihres Aufbaus verzichtet.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 weist die Kathode 30 ein ovales Target 32, 32′ auf, das über die Leitung 28 bzw. die Zweigleitungen 28a, 28b - unter Zwischenschal tung einer Drossel 45 und einem dieser Drossel parallel gelegten Widerstand 46 - mit dem negativen Pol der Gleichstromquelle 10 verbunden ist. Eine weitere Zweig leitung 42 mit einer in diese eingeschalteten Kapazität 38 und einer weiteren, dieser Kapazität parallelgeschal teten Kapazität 48 ist an die Leitung 43 angeschlossen, die den Pluspol der Gleichstromquelle 10 mit der Anode 44 verbindet und die ihrerseits über einen in die Zweiglei tung 41 eingeschalteten Kondensator 35 an Erde liegt, wobei der Kapazität 35 noch der Widerstand 47 nachge schaltet ist.

Zur Lösung der obengenannten Aufgabe sind also (Fig. 1) bei einer Sputteranlage zwei elektrisch voneinander und von der Sputterkammer 25 getrennte Elektroden 5 bzw. 44 vorgesehen, wobei die eine Elektrode eine Magnetronkatho de 5 ist und die andere Elektrode als Anode 44 bei der Plasmaentladung benutzt wird. Außerdem weist die Sputter anlage

a) eine Gleichstrom-SSV 10 mit einem elektrisch hängen den (floatenden) Ausgang auf, wobei diese SSV mit ihrem negativen Pol über eine Drossel 45 an die Kathode 5 und mit ihrem positiven Pol an die Anode 44 angeschlossen ist und
b) parallel zu der Drossel 45 einen Widerstand 46 und
c) zwischen Kathode 5 und Anode 44 eine induktions arme, HF-taugliche Kapazität 34 und
d) zwischen Anode 44 und der elektrisch getrennten Sputterkammer 25 eine Kapazität 35 und einen zu dieser in Reihe liegenden Widerstand 47.

In einer alternativen Ausführungsform einer Sputteranlage (Fig. 2), bei der die Kathode aus zwei elektrisch getrennten Teilen konstruiert ist, nämlich aus einem Teil, das die eigentliche Elektrode darstellt (z. B. das Targetmaterial 32, 32′ zusammen mit dem Targetträger), und aus einem zweiten Teil, einer Targetumgebung 31, 36, (z. B. einer Zwischen-Pol-Target-Kathode, bei der das eigentliche Target von Jochen, Magneten und Polschuhen elektrisch getrennt ist), ist außerdem noch zwischen (dem ovalen) Target 32, 32′ und der elektrisch getrennten Tar getumgebung 31, 36 eine induktionsarme Kapazität 37 ein geschaltet.

Die Aufgabe der Kapazität 34 bzw. 38 besteht darin, die durch den Sputterprozeß induzierte Hochfrequenzspannungs- und Stromschwingungen, die zu Überschlägen und Bogenent ladungen (Arcing) führen, kurzzuschließen.

In einem D.C.-Sputterprozeß können Plasmaschwingungen bei sehr hohen Frequenzen (MHz bis GHz) entstehen, die zu einer momentanen und lokalen Spannungserhöhung führen, die teilweise höher als die sogenannte Durchbruchsspan nung für die gegebene Kathode-Anode-Konfiguration sein können. Diese lokalen Spannungsüberhöhungen führen zu elektrischen Überschlägen und Bogenzündungen. Die Kapazi tät 34 bzw. 38 soll diese Spannungsüberhöhungen kurz schließen.

Die Aufgabe der Drosselinduktivität 45 besteht darin, die Kathodenspannung während des Kurzschlußverlaufs drastisch zu reduzieren und damit die Löschung des eventuellen Bogens zu ermöglichen.

Die Induktivität 45, die Kapazität 34 bzw. 38 und dazu gehörenden elektrischen Bauelemente stellen einen elek trischen Schwingkreis dar. Das elektrische Schwingen ist unerwünscht und wird deshalb mit Hilfe des Widerstands 46 gedämpft.

Die Kapazität 35 ist insbesondere dann wichtig, wenn bei einer reaktiven Abscheidung eine elektrisch isolierende Schicht erzeugt wird, die auch auf der Gegenelektrode (Anode) wächst. Eine mit der Sputterzeit wachsende Bedek kung der positiven Elektrode mit einer elektrisch isolie renden Schicht kann eine Neuzündung des Sputterplasmas bedeutend erschweren. Die Aufgabe dieses Kondensators 35 ist eine Wiederzündung des Sputterplasmas nach einer beabsichtigten oder unbeabsichtigten Abschaltung der SSV zu erleichtern.

Eine Bedeckung mit einer elektrisch isolierenden Schicht der der Kathode am nächsten liegenden Teile der Oberflä che der Anode 44 führt in einer Sputteranlage mit von der Kammer 25 elektrisch getrennten Elektroden 5, 30 zu einer Erhöhung der Zündspannung. Je größer die bedeckte Fläche wird, desto höher wird die Zündspannung, und ab einer bestimmten Bedeckung wird diese höher als die SSV-Span nungsgrenze. Da es immer eine endliche Wahrscheinlichkeit einer zufälligen Abschaltung der Kathodenspannung gibt, wird dies nach einer bestimmten Sputterzeit zum Abbruch des Plasmaprozesses führen. Schaltet man eine Kapazität 35 zwischen Anode 44 und Masse, d. h. zwischen Anode 44 und Kammerwände 25 (die auf Masse liegen), so wird im Zündmoment die ganze Kammer 25 als eine Anode wirksam. Bei Einschaltung einer Gleichstrom-SSV findet in einer sehr kurzen Zeit eine schnelle Steigung der Spannung an der Kapazität 35 statt, was zu einem Verschiebungsstrom fluß durch diesen Kondensator führt (eine Kapazität wird für hohe Frequenzen kurzgeschlossen). Dieser Effekt setzt die Zündspannung praktisch auf einen Wert, der bei einer direkten Verbindung der Anode 44 mit der Kammerwand 25 zustande kommen würde.

Der Kondensator 35 stellt mit seiner Eigeninduktivität und den Kapazitäten und Induktivitäten der Zuleitungen 43, 41 ebenfalls einen Schwingkreis dar. Dieser Schwing kreis wird durch den Widerstand 47 gedämpft.

Um einen langfristig stabilen Sputterprozeß zu erreichen, sind also Maßnahmen unvermeidlich, die es erschweren oder sogar verhindern, die Anode 44 mit einer isolierenden Schicht zu bedecken.

Schließlich besteht die Aufgabe der Kapazität 37 darin, die Häufigkeit der zufälligen elektrischen Überschläge, die zwischen dem Target 32, 32′ und der Targetumgebung 31 entstehen, zu mindern oder sogar vollständig zu beseiti gen.

Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1
Standard-Planar-Magentronkathode
Kathodenlänge\|750 mm
Kathodenbreite	280 mm
LH-SSV	30 kW

Dimensionierung der elektrischen Bauteile
45\|1 mH
46	100 Ω
34	2 µF
47	100 Ω
35	2 µF
48	20 nF

In der Praxis kann eine relativ große Kapazität (einige µF) bei hohen Frequenzen ihre kapazitive Eigenschaft ver lieren und besitzt auch oft eine sehr hohe Eigenindukti vität. Die Aufgabe des Kondensators 48 ist es deshalb, die hohe Eigeninduktivität und den damit verbundenen großen induktiven Widerstand des Kondensators 34 her unterzusetzen.

Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2
ZPT-(Zwischen-Pol-Target)Kathode
Kathodenlänge\|750 mm
Kathodenbreite	260 mm
LH-SSV	30 kW

Dimensionierung der elektrischen Bauteile
45\|1 mH
46	100 Ω
38	3 µF
47	100 Ω
35	2 µF
37	1 µF
48	20 nF

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 Blenden
25 Behälter, Vakuumkammer
27 elektrischer Anschluß (Masseleitung)
28, 28a, 28b elektrischer Anschluß
29 Zweigleitung
30 Kathode
31 Kathodenkörper
32, 32′ Target
34 Kapazität, Kondensator
35 Kapazität, Kondensator
36 Joch
37 Kapazität
38 Kapazität
40 Plus-Leitung, Leitung
41 Zweigleitung
42 Zweigleitung
43 Zweigleitung
44 Elektrode
45 Drossel
46 Widerstand
47 Widerstand
48 Kapazität, HF-tauglicher Kondensator

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 (10) mit einem elektrisch hängenden (floatenden) Ausgang vorgesehen ist, die mit ihrem negativen Pol - unter Zwischenschaltung einer Dros sel (45) - mit der Kathode (5) und mit ihrem positi ven Pol mit der Anode (44) verbunden ist, wobei parallel zur Drossel (45) ein Widerstand (46) ange ordnet ist und wobei zwischen der Kathode (5) und der Anode (44) eine erste induktionsarme Kapazität (34) und zwischen Anode (44) und der elektrisch getrennten Vakuumkammer (25) eine zweite induktions arme Kapazität (35) und zwischen dieser zweiten Kapazität (35) und dem Masseanschluß ein zweiter Widerstand (47) 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) einschließende Ka thode (30) verbunden ist, die elektrisch mit einem Target (32, 32′) 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 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, 32′) als der andere Teil über eine Leitung (28) und unter Zwischenschaltung einer Dros sel (45) und einem dieser parallel liegenden Wider stand (46) an die Stromversorgung (10) angeschlossen ist, und wobei das Target (32, 32′) über eine weite re Kapazität (38) mit dem Pluspol der Stromversor gung (10) und mit der Anode (44) verbunden ist, die ihrerseits - unter Zwischenschaltung einer Kapazität (35) und einem dieser nachgeschalteten Widerstand (47) - auf Masse liegt.