DE4107711C2

DE4107711C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Abscheidung dotierter Schichten oder chemischer Verbindungen oder Legierungen mittels einer Magnetronkathode

Info

Publication number: DE4107711C2
Application number: DE19914107711
Authority: DE
Inventors: Rudolf Latz
Original assignee: Leybold AG; Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Current assignee: Oerlikon Deutschland Holding GmbH
Priority date: 1991-03-09
Filing date: 1991-03-09
Publication date: 1999-11-11
Anticipated expiration: 2011-03-10
Also published as: CH684950A5; BE1004534A3; FI920475A; FI920475A0; DE4107711A1; JPH0578837A; FI99029B; FI99029C

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abschei dung dotierter Schichten oder chemischer Verbin dungen oder Legierungen mittels einer Magnetronka thode, wobei die Abscheidung von einem mehrteili gen, aus unterschiedlichen Komponenten bestehenden Target erfolgt und jedem Targetteil mittels Ma gnetfeld ein eigenes Plasma zugeordnet wird.

Bei Zerstäubungsprozessen werden in der Praxis u. a. solche Hochleistungszerstäubungsvorrichtun gen eingesetzt, bei denen durch ein Magnetfeld vor der Kathode die Kollisions- und damit Ionisations wahrscheinlichkeit der Teilchen erhöht wird.

Eine derartige Hochleistungszerstäubungsvorrich tung wird beispielsweise in der deutschen Patent schrift 24 17 288 beschrieben.

Dort wird eine Kathodenzerstäubung mit hoher Rate mit einer Kathode bewirkt, die auf einer ihrer Oberflächen das zu zerstäubende und auf einem Substrat abzulagernde Material aufweist, wobei die von der Zerstäubungsfläche ausgehenden und zu ihr zurückkehrenden Magnetfeldlinien einen Entladungs bereich bilden, der die Form einer in sich ge schlossenen Schleife hat, wobei eine außerhalb der Bahnen des zerstäubten und sich von der Zerstäu bungsfläche zum Substrat bewegenden Materials an geordneten Anode vorgesehen ist.

In der genannten Patentschrift wird vorgeschlagen, daß die zu zerstäubende und dem zu besprühenden Substrat zugewandte Kathodenoberfläche eben ist, daß sich das Substrat nahe dem Entladungsbereich parallel zu der ebenen Zerstäubungsfläche über diese hinwegbewegen läßt, und daß die das Magnet feld erzeugende Magneteinrichtung auf der der ebe nen Zerstäubungsfläche abgewandten Seite der Ka thode angeordnet ist.

Durch die deutsche Offenlegungsschrift 38 12 379 ist eine Zerstäubungskathode nach dem Magnetron- Prinzip bekannt mit einem aus mindestens einem Teil bestehenden Target, mit einem hinter dem Tar get angeordneten Magnetsystem, mit mehreren hin tereinander liegenden und in sich geschlossenen Magneteinheiten abwechselnd unterschiedlicher Po lung, durch die mindestens zwei gleichfalls in sich geschlossene, ineinander liegende magnetische Tunnels aus bogenförmig gekrümmten Feldlinien ge bildet werden, wobei die dem Target abgekehrten Pole der Magneteinheiten über ein Magnetjoch mit einander verbunden sind, wobei die magnetische Feldstärke mindestens eines Magnetfeldes relativ zu der magnetischen Feldstärke mindestens eines weiteren Magnetfeldes über ein Verschieben eines der Jochteile zum Target über eine Verstellein richtung veränderbar ist.

In dieser Offenlegungsschrift wird vorgeschlagen, daß die Verstelleinrichtung über einen elektri schen Schaltkreis ansteuerbar ist, der mit minde stens einem optischen Sensor zusammenwirkt, der auf mindestens einen der sich beim Beschichtungs vorgang einstellenden Plasmaringe ausgerichtet ist und auf die Helligkeit dieses Plasmarings an spricht.

Bekannt ist weiterhin eine Magnetronkathode mit mehrteiligen, d. h. konzentrisch angeordneten Tar gets aus unterschiedlichen Materialien (JP 63- 65070 A), wobei jedem Target Magneten zur Erzeu gung gesonderter Plasmen zugeordnet sind.

Schließlich ist eine Magnetronkathode mit einem mehrteiligen Target bekannt (JP 61-243171 A), bei der die Versorgungsspannung gesteuert wird, um z. B. Mehrkomponentenschichten abzuscheiden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, chemi sche Verbindungen und Legierungen in Form von Schichten auf Substraten zu erzeugen sowie Grund material zu dotieren, wobei verbesserte Vorausset zungen für das kostengünstige Herstellen dieser Schichten geschaffen werden sollen.

Darüber hinaus soll ein ökonomisches Verfahren zur Herstellung von Schichten mit beliebigen Dotierun gen geschaffen werden, das einerseits ein kosten günstiges Wechseln von einem Dotiermaterial zu ei nem anderen und andererseits ein kostengünstiges Variieren der Konzentration des jeweiligen Dotier materials ermöglicht.

Die Dotierung soll mit großer Präzision durchge führt werden können.

Die Erfindung macht sich weiterhin zur Aufgabe, Voraussetzungen dafür zu schaffen, daß ohne großen Zeitaufwand in einer Sputteranlage Dotiermaterial, das in Form eines Targets vorliegt, ausgewechselt werden kann.

Die gestellten Aufgaben werden erfindungsgemäß da durch gelöst, daß das Magnetfeld, insbesondere die Stärke des Magnetfelds der ersten Sputterplasmas verändert wird, um die Sputterleistung des ersten Sputterplasmas zu verändern, wodurch die Zusammen setzung der chemische Verbindung oder Legierung variiert wird.

Insbesondere wird ein Verfahren zum Dotieren eines Grundmaterials mit mindestens einem Dotiermaterial unter Verwendung einer Zerstäubungskathode, die nach dem Magnetronprinzip arbeitet, vorgeschlagen, bei dem vorgesehen ist, daß von einem mehrteili gen, inbesondere zweiteiligen Target gesputtert wird, wobei mindestens ein erstes Targetteil das Grundmaterial (Grundmaterialtarget) und mindestens ein zweites Targetteil das Dotiermaterial aufweist (Dotiermaterialtarget), wobei während des Sputter prozesses dem Grundmaterialtarget ein gesondertes erstes Sputterplasma (Grundmaterialplasma) und dem Dotiermaterialtarget ein gesondertes zweites Sput terplasma (Dotiermaterialplasma) zugeordnet ist, wobei während des Sputterprozesses das auf das Substrat aufgetragene, gesputterte Grundmaterial durch gesputtertes Dotiermaterial dotiert wird.

Weiterhin wird vorgeschlagen, daß das Magnetfeld, insbesondere die Stärke des Magnetfelds, des Do tiermaterialplasmas verändert wird, um die Sput terleistung des Dotiermaterialplasmas zu verän dern, wodurch die Dotierung des Grundmaterials va riiert wird.

Eine besonders kompakte Bauweise wird dadurch er zielt, daß die Magnet-Anordnung der Zerstäubungs kathode aus einer zentralen Magneteinheit, die po sitionierbar ist, und mindestens einer die zentra le Magneteinheit umgebenden Magneteinheit (äußere Magneteinheit), die eine feste Position hat, be steht, daß der Zentralmagneteinheit das erste Tar getteil mit der ersten Materialkomponente zugeord net und der äußeren Magneteinheit das zweite Tar getteil mit der zweiten Materialkomponente zuge ordnet ist.

Zusätzlich wird vorgeschlagen, daß eine Stellvor richtung für die bewegliche Magneteinheit vorgese hen ist, die die bewegliche Magneteinheit in be stimmten Abständen zur Oberfläche des ersten Tar getteils positioniert.

In der bevorzugten Ausführungsform wird vorge schlagen, daß das erste Targetteil als kreisrunde Scheibe ausgebildet ist, die durch das ringförmige zweite Targetteil umgeben ist.

Um Voraussetzungen für eine schnelle Umrüstung der Sputteranlage zu schaffen, wird weiterhin vorge schlagen, daß das erste Targetteil leicht lösbar, insbesondere durch eine Schraubenverbindung an der Kathodenwanne, vorzugsweise an einem Kupferbau teil, befestigt ist.

Eine raumsparende konstruktive Lösung besteht dar in, daß die positionierbare Magneteinheit durch das Joch hindurch, insbesondere durch die Joch platte hindurch, bewegbar angeordnet ist.

In einem besonderen Ausführungsbeispiel wird vor geschlagen, daß das Grundmaterialtarget aus In₂O₃ und das Dotiermaterialtarget aus Sn besteht.

Durch die Erfindung werden folgende Vorteile er reicht:

Es wird ein ökonomisches Verfahren zur Herstellung von Schichten, bestehend aus verschiedenen chemi schen Verbindungen oder Legierungen, und von Schichten mit beliebigen Dotierungen geschaffen. In kostengünstiger Weise können das Dotiermaterial in der Sputteranlage ausgewechselt und die Konzen tration des jeweiligen Dotiermaterials im Grundma terial variiert werden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung, der Aufgaben stellung und der erzielten Vorteile sind der fol genden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung zu entnehmen.

Diese Ausführungsbeispiele und der Stand der Tech nik, von dem bei den Ausführungsbeispielen ausge gangen wird, werden anhand von drei Figuren erläu tert.

Fig. 1 zeigt eine Sputteranlage des Standes der Technik.

Die Fig. 2 und 3 zeigen in schematischer Darstellung Einzelheiten zweier Ausführungsbeispiele.

Bei der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbei spiele der Erfindung wird von einem Stand der Technik ausgegangen, wie er sich in Form der deutschen Patent schrift 24 17 288 und der deutschen Offenlegungsschrift 38 12 379 darstellt.

Die Beschreibungen und die Figuren dieser Schriften können zur Erläuterung der Ausgangsbasis für die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung herange zogen werden.

In den Ausführungsbeispielen werden Sputterverfahren und Sputteranlagen für die Dotierung von Grundmaterial beschrieben. Wie dargelegt, umfasst die Erfindung auch Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung chemischer Verbindungen und zur Herstellung von Legierungen.

In Fig. 1 werden die wesentlichen Bestandteile einer an sich bekannten Sputteranlage gezeigt. Es handelt sich hierbei um den Rezipienten, der in seiner Gesamtheit mit 1 bezeichnet ist. Im Rezipienten ist ein Abschirm kasten 2 angeordnet. Auf dem Boden des Rezipienten befindet sich das Substrat 3. Während des Sputtervorgangs wird auf dem Substrat die Schicht 4 aufgetragen. Während des Sputtervorgangs steht der Innenraum des Rezipienten, bzw. des Abschirmkastens, unter Vakuum, genauer gesagt, der Druck im Rezipienten wird auf das für den Sputterpro zess notwendige niedrige Druckniveau gebracht.

Im oberen Bereich des Rezipienten befindet sich die Magnetronkatode, die in ihrer Gesamtheit mit 5 bezeichnet ist. Einzelheiten dieser Hochleistungskathode sind der eingangs erläuterten deutschen Patentschrift 24 17 288 und der deutschen Offenlegungsschrift 38 12 379 zu entnehmen.

Charakteristisch für die Hochleistungskathode ist die Magnet-Anordnung (Array), bestehend aus den Magneten 6, 7, 8. Die Magnet-Anordnung ist in der Kathodenwanne 9 untergebracht.

Auf der dem Zentrum des Rezipienten zugewandten Seite der Kathodenwanne befindet sich das Target 10.

Die vorliegende Sputteranlage ist mit einer DC-Energiever sorgungseinheit 11 und einer HF-Energieversorgungseinheit 12 ausgerüstet.

Mit 13 und 14 sind ein O₂-Behälter, beziehungsweise ein Ar-Behälter bezeichnet. Über die Leitungen 15 und 16 gelangen O₂ und Ar in den Rezipienten. Sie bilden dort das für den reaktiven Sputtervorgang notwendige reaktive Gasgemisch bzw. die notwendige reaktive Gasatmosphäre.

Auf der Targetoberfläche 17 sind erodierte Bereiche 18, 19 zu erkennen (Erosionsgräben).

Zwischen diesen Erosionsgräben befindet sich ein mittlerer Bereich 20, der nicht oder nicht stark erodiert ist. Ebenso sind die Randbereiche 21, 22 nicht oder nicht stark erodiert.

Bei den Ausführungsbeispielen wird von einer an sich bekannten Zerstäubungskatode nach dem Magnetron-Prinzip ausgegangen, die unter anderem dadurch gekennzeichnet ist, daß sich vor der Katode zwei konzentrische Plasma ringe bzw. Sputterringe bilden. Siehe hierzu die oben genannte deutsche Offenlegungsschrift 38 12 379, Bezugsziffern 29 und 30 der Fig. 1.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 der vorliegenden Unterlagen wird eine Katodenanordnung gewählt, die ebenfalls mehrere Sputterringe auf der gleichen Katode zulässt. Dies erfolgt über ein speziell gewähltes Magnet feld. Auf der Katode wird, und dies ist die erfinderische Leistung, die dem Gegenstand der Erfindung zugrundeliegt, jedem Sputterring ein anderes Targetmaterial angeboten. Da über die Stärke des Magnetfeldes eines jeden Sputter rings die Sputterleistung aufgeteilt werden kann, können unterschiedliche Materialien mit unterschiedlichen Raten gesputtert werden, so daß beliebige Dotierungen möglich sind.

Die Stärke des Magnetfeldes eines Sputterrings kann zum Beispiel durch Anheben oder Näherrücken der entsprechenden Magnete zur Targetoberfläche verändert werden.

Im einzelnen wird in Fig. 2 anhand einer Doppelringmag netron-Hochleistungskatode schematisch und in einer Schnittdarstellung, wobei der Schnitt durch das Zentrum des Doppelrings geführt wird, folgendes gezeigt:
In der kreisförmigen Katodenwanne 23 ist eine Jochplatte 24 untergebracht. Auf der Jochplatte sind zwei, konzen trisch zueinander angeordnete, ringförmige Magnete befestigt. In Fig. 2 sind die Querschnitte des äußeren ringförmigen Magnets mit 25, 28 bezeichnet. Die Querschnitte des inneren ringförmigen Magneten tragen die Bezugsziffern 26, 27.

Mit 29 ist ein Magnet gezeigt, der zentral und in der Jochplatte beweglich angeordnet ist. Die Bewegungen des Magnets 29 werden durch den Doppelpfeil 30 dargestellt. Mit 31 ist ein Positionierorgan bezeichnet, mit dem der Magnet 29 in Bezug auf die Oberfläche 36 des zentralen Targets 37 positioniert wird. Das Positionierorgan wird im Bauteil 42 geführt.

Das zentrale Target ist von einem ringscheibenförmigen äußeren Target 38 umgeben.

In an sich bekannter Weise ist innerhalb der Prozesskammer der Sputteranlage der Katode gegenüberliegend ein aufheizbarer Substratträger 43 angeordnet, auf dem sich das Substrat in Form eines Films befindet. Auf dem Substrat 39 wird eine Schicht 41 aufgetragen. Bei simultanem Sputtern des Grundmaterials und des Dotiermaterials wächst auf dem Substrat eine dotierte Schicht auf.

Wie in Fig. 2 durch die Buchstaben S und N gekennzeich net, sind die Süd- und Nordpole der Magnete 25 bis 29 jeweils wechselnd oben bzw. unten angeordnet, so daß zwischen den Magneten Magnetfelder erzeugt werden, die wie beim Magnetron bekannt, zu konzentrierten Plasmaschläuchen führen.

Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel entstehen zwei ringförmige Plasmaschläuche, und zwar ein zentraler Sputterplasmaschlauch, dessen Querschnitte mit 32 und 33 bezeichnet sind, und ein äußerer Sputterplasmaschlauch, dessen Querschnitte mit 34 und 35 bezeichnet sind.

Die Konzentration des Dotiermaterials in der Schicht 41 auf dem Substrat 39 kann dadurch variiert werden, daß der zentrale Magnet 29 in verschiedenen Entfernungen von der Oberfläche 36 des zentralen Targets positioniert wird.

Das zentrale Target 37 ist mittels einer Schraubenverbin dung 40 leicht lösbar mit der Katodenwanne 23 verbunden.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 besteht das Dotier material, das heißt das zentrale Target 37 aus Zinn (Sn), das auf eine Kupferplatte aufgeschraubt ist. Das Grundma terial, das heißt das ringförmige äußere Target 38 besteht aus Indiumoxid (In₂O₃).

Selbstverständlich ist es möglich, je nach den vorliegen den Wünschen des Anwenders andere Materialien einzusetzen. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 wurde eine an sich bekannte Langkatode gewählt, die einen rechteckigen Quer schnitt aufweist. Die Fig. 3 ist eine Explosionsdarstel lung.

Die Katodenwanne trägt die Bezugsziffer 47. Das Target ist in seiner Gesamtheit mit 48 bezeichnet. Es besteht aus einem äußeren Targetteil 49 und einem zentralen Targetteil 50, die in Fig. 3 durch unterschiedliche Schraffuren kenntlich gemacht wurden.

Die Gesamtheit der Magnet-Anordnung ist mit 46 bezeichnet. Die Magnet-Anordnung (Array) umfasst die Magneteinheiten 44 und 53. 44 ist eine stationäre und außen angeordnete Magneteinheit. 53 ist eine stationäre und innen angeordnete Magneteinheit. Beide Magneteinheiten haben wie aus Fig. 3 zu sehen, Rechteckform.

Mit stationärer Anordnung ist gemeint, daß die beiden Magneteinheiten 44 und 53 in Bezug auf die Oberfläche des äußeren Targetteils 49, das aus Grundmaterial besteht, fest angeordnet sind.

Die Magnet-Anordnung umfasst weiterhin einen zentralen Magneten 45, der gerade ausgebildet ist und der in Bezug auf die Oberfläche des zentralen Targetteils 50, das aus Dotiermaterial besteht, verschiedene Positionen, insbesondere verschiedene Abstände, einnehmen kann.

Diese Positioniermöglichkeiten für den zentralen Magnet 45 werden durch die beiden Doppelpfeile 51, 52 darge stellt.

Die Arbeitsweise des Ausführungsbeispiels nach Fig. 3 ist analog derjenigen des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2: Die Konzentration des Dotiermaterials wird durch den Abstand zwischen der Oberfläche des zentralen Targetteils 50 und dem zentralen Magneten 45 bestimmt. Wird dieser Abstand verändert, ändert sich auch die Konzentration des Dotiermaterials im Grundmaterial.

Bezugszeichenliste

1

Rezipient

2

Abschirmkasten

3

Substrat

4

Schicht

5

Magnetronkatode

6

Magnet

7

Magnet

8

Magnet

9

Katodenwanne

10

Target

11

Einheit

12

Einheit

13

O₂

-Behälter

14

Ar-Behälter

15

Leitung

16

Leitung

17

Targetoberfläche

18

Bereich

19

Bereich

20

Bereich

21

Bereich

22

Bereich

23

Katodenwanne

24

Jochplatte

25

Magnetquerschnitt

26

Magnetquerschnitt

27

Magnetquerschnitt

28

Magnetquerschnitt

29

Magnet

30

Doppelpfeil

31

Positionierorgan

32

Querschnitt, Plasmaschlauch

33

Querschnitt, Plasmaschlauch

34

Querschnitt, Plasmaschlauch

35

Querschnitt, Plasmaschlauch

36

Oberfläche

37

zentrales Target

38

äußeres Target

39

Substrat, Film

40

Schraubenverbindung

41

Schicht

42

Bauteil

43

Substratträger

44

Magneteinheit

45

Magneteinheit

46

Magnet-Array

47

Katodenwanne

48

Target

49

äußeres Targetteil

50

zentrales Targetteil

51

Doppelpfeil

52

Doppelpfeil

53

Magneteinheit

Claims

1. Verfahren zur Abscheidung dotierter Schichten oder chemischer Verbindungen oder Legierungen mittels einer Magnetronkathode, wobei die Ab scheidung von einem mehrteiligen, aus unter schiedlichen Komponenten bestehenden Target erfolgt und jedem Targetteil mittels Magnet feld ein eigenes Plasma zugeordnet wird, da durch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld, insbesondere die Stärke des Magnetfelds des ersten Sputterplasmas verändert wird, um die Sputterleistung des ersten Sputterplasmas zu verändern, wodurch die Zusammensetzung der chemischen Verbindung oder Legierung variiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Magnetfeld, insbesondere die Stärke des Magnetfelds des Grundmaterial plasmas verändert wird, um die Sputterlei stung des Grundmaterialplasmas zu verändern, wodurch die Dotierung des Grundmaterials va riiert wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß das Magnet-Anordnung der Zerstäu bungskathode aus einer zentralen Magnetein heit (29), die positionierbar ist, und aus mindestens einer, die zentrale Magneteinheit umgebenden Magneteinheit (äußere Magnetein heit) (25, 26, 27, 28), die eine feste Position hat, besteht, daß der Zentralmagneteinheit das erste Targetteil mit der ersten Material komponente (37) zugeordnet und der äußeren Magneteinheit das zweite Targetteil mit der zweiten Materialkomponente (38) zugeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß eine Stellvorrichtung (31, 42) für die bewegliche Magneteinheit (29) vorge sehen ist, die die bewegliche Magneteinheit in bestimmten Abständen zur Oberfläche (36) des ersten Targetteils (37) positioniert.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Tar getteil (37) als kreisrunde Scheibe ausgebil det ist, die vom ringförmigen zweiten Tar getteil (38) umgeben ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Tar getteil (37) leicht lösbar, insbesondere durch eine Schraubenverbindung (40) an der Kathodenwanne (23), vorzugsweise an einem Kupferbauteil, befestigt ist.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der An sprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die positionierbare Magneteinheit durch das Joch hindurch, insbesondere durch die Joch platte (24) hindurch, bewegbar angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der An sprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmaterialtarget (38) aus In₂O₂ und das Dotiermaterialtarget (37) aus Sn bestehen.