DE4136655A1

DE4136655A1 - Verfahren und vorrichtung zum reaktiven beschichten eines substrats

Info

Publication number: DE4136655A1
Application number: DE19914136655
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr Szczyrbowski; Stephan Roegels
Original assignee: Leybold AG
Current assignee: Oerlikon Deutschland Holding GmbH
Priority date: 1990-12-31
Filing date: 1991-11-07
Publication date: 1993-05-13
Anticipated expiration: 2011-11-08
Also published as: DE4136655C2

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 und wobei zwei elektrisch voneinander und von der Sputterkammer getrennte Elektro den vorgesehen sind, von denen die eine Elektrode eine Magnetronkathode ist, bei der der Kathodenkörper und das Material des Targets elektrisch miteinander verbunden sind und die andere Elektrode als Anode bei der Plasma entladung wirkt, und wobei eine Gleichstromversorgung mit einem elektrisch hängenden (floatenden) Ausgang vorge sehen ist, die mit ihrem negativen Pol - unter Zwischen schaltung einer Drossel - mit der Kathode und mit ihrem positiven Pol mit der Anode verbunden ist, wobei parallel zur Drossel ein erster Widerstand angeordnet ist und wobei zwischen der Kathode und der Anode eine induktions arme Kapazität und zwischen Anode und dem Masseanschluß ein zweiter Widerstand eingeschaltet ist nach Patent ......(Patentanmeldung P 40 42 289.5).

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 Erfindung nach der Hauptanmeldung lag nun 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 ist die Vorrichtung nach der Hauptanmeldung geeignet, insbesondere bei langen Be triebszeiten störungsfrei zu arbeiten - und dies auch bei reaktiver Abscheidung isolierender Schichten, wie z. B. SiO₂, Al₂O₃, NiSi₂-Oxid, ZrO₂, TiO₂, ZnO, Ta₂ O₃, SnO₂.

In der Praxis hat sich nun gezeigt, daß die in der Haupt anmeldung beschriebene Vorrichtung zwar die überwiegende Zahl der Arcs unterdrückt bzw. die Zeitdauer jedes Arcs erheblich verkürzt; daß es aber wünschenswert ist, die Energie der Arcs noch weiter abzusenken bzw. die Wieder zündung nach einem Arc zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in Reihe zur induktionsarmen Kapazität eine Induktivität in die Zweigleitung zum Widerstand bzw. zur Drossel einge schaltet ist, und zwar mit einem typischen Wert für L von etwa 15 µHe.

Bei einer alternativen Ausführungsform mit einer Kathode mit einem ringförmigen oder ovalen Target und mit einer elektrisch von der Vakuumkammer und von der Anode ge trennten, als Magnetronkathode ausgebildeten, aus zwei elektrisch voneinander getrennten Teilen bestehenden Kathode, bei der der Targetgrundkörper mit Joch und Magneten 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 und unter Zwischenschaltung einer Drossel und einem dieser parallel liegenden Widerstand an die Stromversorgung angeschlossen ist, wobei das Target über eine weitere Kapazität mit dem Pluspol der Stromver sorgung und mit der Anode verbunden ist, die ihrerseits über einem Widerstand - auf Masse liegt, ist erfindungs gemäß in Reihe zur induktionsarmen Kapazität eine weitere Induktivität in die Zweigleitung zum Widerstand und zur Drossel eingeschaltet, wobei der Wert für den auf Masse liegenden Widerstand typischerweise zwischen 2 kΩ und 10 kΩ beträgt.

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 Zeich nungen schematisch näher dargestellt, die den Schnitt durch Sputteranlagen mit verschieden ausgebildeten 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, 9 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 die Maxima ihrer Kreisbögen aufwei sen, seine größte Dichte hat. Die Ionen im Plasma werden durch ein elektrisches Feld beschleunigt, das sich auf grund einer Gleichspannung aufbaut, die von einer Gleich stromquelle 10 abgegeben wird. Diese Gleichstromquelle 10 ist mit ihrem negativen Pol über die Leitung 28 mit der Elektrode 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 Par tikel 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, in die eine Indukti vität 49 eingeschaltet ist, und einen 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 Zweigleitung 41 und einen in diese einge schalteten Widerstand 47 sind die Vakuumkammer 25 und die Leitung 40 an Erde gelegt. Der Widerstand 47 ist typi scherweise auf 2 kΩ bemessen.

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, 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 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 Induktivität 50 und einer weiteren, dieser Kapazität parallelgeschalteten Kapazität 48 ist an die Leitung 43 angeschlossen, die den Pluspol der Gleich stromquelle 10 mit der Anode 44 verbindet und die ihrer seits über einen in die Zweigleitung 41 eingeschalteten Widerstand 47 an Erde liegt.

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 eine Induktivi tät 49 und
d) zwischen Anode 44 und der elektrisch getrennten Sputterkammer 25 einen Widerstand 47 auf.

In der alternativen Ausführungsform einer Sputteranlage (Fig. 2), bei der die Kathode aus zwei elektrisch ge trennten Teilen konstruiert ist, nämlich aus einem Teil, das die eigentliche Elektrode darstellt (z. B. das Tar getmaterial 32, 32′ zusammen mit dem Targetträger), und aus einem zweiten Teil, einer Targetumgebung 31, 36, (z. B. einem Zwischen-Pol-Target-Kathode, bei dem 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 und der Induktivität 49 bzw. 50 besteht darin, die durch den Sputterprozeß induzierte Hochfrequenzspannungs- und Stromschwingungen, die zu Überschlägen und Bogenentladungen (Arcing) führen, kurzzuschließen bzw. zu unterdrücken.

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.

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	2 kΩ
49	15 µHe
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	2 kΩ
50	15 µHe
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
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
49 Induktivität
50 Induktivität

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 zwei elektrisch voneinander und von der Sputterkammer (25) getrennte Elektroden (44, 5) vorgesehen sind, von denen die eine Elektro de eine Magnetronkathode (5) ist, bei der der Katho denkörper (11) und das Material des Targets (3) elektrisch miteinander verbunden sind und die andere Elektrode als Anode (44) bei der Plasmaentladung wirkt, und wobei eine Gleichstromversorgung (10) mit einem elektrisch hängenden (floatenden) Ausgang vorgesehen ist, die mit ihrem negativen Pol - unter Zwischenschaltung einer Drossel (45) - mit der Kathode (5) und mit ihrem positiven Pol mit der Anode (44) verbunden ist, wobei parallel zur Drossel (45) ein erster Widerstand (46) angeordnet ist und wobei zwischen der Kathode (5) und der Anode (44) eine induktionsarme Kapazität (34) und zwischen Anode (44) und dem Masseanschluß ein zweiter Wider stand (47) eingeschaltet ist, dadurch gekennzeich net, daß in Reihe zur induktionsarmen Kapazität (34) eine Induktivität (49) in die Zweigleitung (29) zum Widerstand (49) und zur Drossel (45) eingeschaltet ist mit einem typischen Wert von L von etwa 15 µHe.

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 eine elektrisch von der Vakuumkammer (25) und von der Anode (44) getrennte, als Magnetronkathode ausgebildete, aus zwei elek trisch voneinander getrennten Teilen bestehende Kathode (30), bei der der Targetgrundkörper (31) mit Joch (36) und Magneten (7, 8, 9) als der eine Teil - unter Zwischenschaltung einer Kapazität (37) - an den negativen Pol einer Gleichstrom-Spannungsversor gung (10) und das Target (32, 32′) als der andere Teil über eine Leitung (28) und unter Zwischenschal tung einer Drossel (45) und einem dieser parallel liegenden Widerstand (46) an die Stromversorgung (10) angeschlossen ist, und wobei das Target (32, 32′) über eine weitere Kapazität (38) mit dem Plus pol der Stromversorgung (10) und mit der Anode (44) verbunden ist, die ihrerseits unter Zwischenschal tung eines Widerstands (47) auf Masse liegt, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zur induktionsarmen Kapazität (38) eine Induktivität (50) in die Zweig leitung (42) zum Widerstand (46) und zur Drossel (46) eingeschaltet ist, wobei der Wert für den Widerstand (47) typischerweise zwischen 2 kΩ und 10 kΩ liegt.