DE4210125A1 - Vorrichtung zum reaktiven Gasflußsputtern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum reaktiven Gasflußsputtern (GFS) und die Verwendung der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung zum Herstellen von dünnen Schichten.

In einem Artikel von K. ISHII in J.Vac.Sci. Technol.A 7 (2) 1989 S. 256ff., wird ein Beschichtungsverfah­ ren beschrieben, bei dem mittels Argon-Gasstrom bei einem Druck von 0,25 bis 1 Torr durch eine Hohlkatode abgestäubtes Katodenmaterial (Ti, Fe, Cu) mit hoher Rate auf einem über der Katodenöffnung angeordneten Substrat abgeschieden wird. Dieses Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß die abgestäubten Teilchen auf ihrem Weg zum Substrat thermalisieren und nur eine mäßige Substraterwärmung stattfindet. Dieses Verfah­ ren wird von den Autoren als Gasflußsputtern (GFS) bezeichnet.

In der DD 294 511 wird ebenfalls ein Verfahren und eine Vorrichtung zum reaktiven Gasflußsputtern darge­ stellt. Dabei werden aus einer inertgasdurchströmten Hohlkatodenentladung zunächst Inertgasionen geringer Energie auf das Substrat gelenkt und bewirken dessen Oberflächenreinigung ohne bzw. mit nur geringen Strukturschäden. Anschließend wird durch Veränderung der Betriebsparameter von den die Hohlkatode darstel­ lenden Targets Material abgestäubt, das auf dem Sub­ strat abgelagert wird. Dabei sollen Schichten hoher Reinheit entstehen. Die dazu verwendete Hohlkatode besteht aus mehreren gegeneinander elektrisch iso­ lierten Targets die eine zylindrische Hohlkatode bil­ den, an deren rückseitigen Ende eine Einströmöffnung für Inertgas oder eine Gaseinströmöffnung für reakti­ ves Gas vorhanden ist.

Diese Vorrichtung bringt allerdings, genau so wie die von K.Ishii beschriebenen Methode, einen großen Nachteil mit sich. Aufgrund der Ausgestaltung der zylindrischen Hohlkatode sowie der Gaszuführung ist es mit dieser Vorrichtung und dem Verfahren des Stan­ des der Technik nur möglich, Substrate mit einer ge­ ringen Größe zu beschichten. Die Ursache dafür liegt im Hohlkatodeneffekt. Charakteristische Größe für diesen Effekt ist das Produkt aus Gasdruck und räum­ licher Ausdehnung der Hohlkatode, welches nur relativ geringen Spielraum zuläßt. Vergrößert man nun die Hohlkatode, so muß man den Druck entsprechend verrin­ gern. Da außerdem entsprechend dem nun größeren Quer­ schnitt der Hohlkatode auch der Gasdurchsatz erhöht werden muß, wird ein beträchtlich höheres Saugvermö­ gen der Vakuumpumpe erforderlich. Außerdem wächst die zur Erhaltung der Katodenstromdichte erforderliche Spannung schnell so an, daß sich deutlich höhere Ko­ sten für die Stromversorgung und die dabei erforder­ liche Sicherheit ergeben. Weiterhin ist eine echte Skalierung nur in einer Dimension möglich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine neue Vorrichtung zum Gasflußsputtern anzugeben, bei der im Verhältnis zum Stand der Technik eine deutlich größere Oberfläche bei Erhaltung der Be­ schichtungsrate erzielt werden soll.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine Vorrichtung zum reaktiven Gasflußsputtern vorgeschlagen wird, die aus einer Hohlkatode, einer Einströmöffnung für den Inertgasstrom, einer Anode und einer geeigneten Stromversorgung sowie einem gegenüber der Öffnung der Hohlkatode angeordnetem Substrat besteht, wobei die Einströmvorrichtung innerhalb und/oder außerhalb der Hohlkatode angeordnet ist und daß die Einströmvor­ richtung so ausgebildet ist, daß sie einen divergen­ ten Gasstrom erzeugt. Die Hohlkatode selbst weist dabei eine geometrische Form auf, die derart ausge­ legt ist, daß die innere Oberfläche der Hohlkatode parallel oder annähernd parallel zum divergenten Gas­ strom ist.

Dadurch wird erreicht, daß gegenüber den Vorrich­ tungen des Standes der Technik größere Flächen bei gleicher Beschichtungsrate hergestellt werden können.

Die Vergrößerung der beschichtbaren Fläche wird dem­ nach erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß erstens eine divergente Ausrichtung des Gasstroms innerhalb oder nach Verlassen der Hohlkatode hergestellt wird und daß zweitens a) zur Unterstützung der Einhaltung der gewünschten Richtung eines innerhalb der Hohlka­ tode divergenten Gasstroms, b) zur Erhöhung der Be­ schichtungsrate auf der Basis einer Vergrößerung des Beitrags der Diffusion zum Transport des abgestäubten Katodenmaterials zum Substrat sowie c) zur einfachen Beeinflussung der Schichthomogenität durch lokale Konzentrationen des Gasstroms die Hohlkatode eine solche geometrische Form hat, bei welcher große Be­ reiche ihrer inneren, d. h. aktiven Oberfläche genau oder annähernd parallel zum divergenten Gasstrom lie­ gen.

Erfindungswesentlich ist somit die geometrische Form der Hohlkatode sowie die Erzeugung und Führung eines divergenten Gasstroms. Erfindungsgemäß wird unter einem divergenten Gasstrom ein in Einzelströme aufge­ teilter Gasstrom verstanden, wobei diese Gasströme sowohl auseinander laufen können oder auch parallel sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform hat die Hohlka­ tode einen zweiseitig offenen Querschnitt. Erfin­ dungsgemäß wird unter einem zweiseitigen offenen Querschnitt eine Hohlkatode verstanden, wie sie zum Beispiel in den Fig. 1 und 2 wiedergegeben ist. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsform ist die Hohlkatode, mit zweiseitig offenem Querschnitt, ein zweiseitig offener pyramidenstumpf oder auch zum Beispiel ein zweiseitig offener Kegelstumpf.

Die Hohlkatode kann dabei auch als lineare Hohlkatode ausgebildet sein. Dies führt dann etwa zu gleich großen oder ähnlich geformten Katodenhälften, wobei durch die kleinere Öffnung das Gas mittels einer geeigneten Einströmungsvorrichtung eingespeist wird. Dies macht deutlich, daß mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch eine entsprechende Auswahl der Hohlkatode und der Gasführung beliebig geformte Sub­ strate beschichtet werden können. Die beschichtbare Fläche entspricht dabei mindestens der Fläche die durch die substratseitige Öffnung aufgespannt wird. Die Hohlkatode selbst besteht dabei aus einem geeig­ neten Stützgerüst und dem Targetmaterial.

In der der substratseitigen Öffnung gegenüberliegen­ den Öffnung ist die Einströmvorrichtung angeordnet. Die geometrische Form dieser Einströmvorrichtung wird dabei so gewählt, daß die Einströmvorrichtung annä­ hernd dem Durchmesser dieser Öffnung entspricht. Die Einströmvorrichtung selbst kann dabei verschieden ausgestaltet sein. Es kann sich dabei sowohl um eine Gasdüse handeln die eine Doppelkegelform aufweist, so daß der Gasstrom radial verteilt wird, eine Doppel-v-Form, besonders bei linearer Holkatode, so daß der Gasstrom in zwei Teilströme geteilt wird oder auch um einen Düsenstock, d. h. um ein entsprechend dickwan­ diges Rohr in dem entsprechende Löcher oder Schlitze angeordnet sind, so daß ebenfalls geteilte Gasströme entstehen, die dann parallel oder annähernd parallel zur Innenfläche der Hohlkatode geführt werden können.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung hat die Hohlkatode einen einseitig offenen Querschnitt. Erfindungsgemäß werden hier Hohlkatoden verstanden, wie sie z. B. in den Fig. 3 bis 5 beschrieben sind. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform, bei der Gruppe der Hohlkatoden mit dem einseitig offenen Querschnitt, ist die Hohlkatode entweder in v-Form oder in Form eines offenen Trapezes, Rechteckes, Kreisbogen oder Teil einer Ellipse, Hyperbel oder Pa­ rabel ausgestaltet. Die Einströmvorrichtung ist dabei wieder so angeordnet, daß die aus ihr austretenden Gasströme parallel oder annähernd parallel der Innen­ fläche der Hohlkatode geführt werden können. Dies ist einerseits möglich, wenn als Einströmvorrichtung ein Düsenstock verwendet wird, der entweder innerhalb an einer entsprechenden Stelle oder auch außerhalb der Hohlkatode angeordnet ist. Entscheidend ist hierbei wiederum, daß die Einströmungsvorrichtung entspre­ chend geteilte Teilströme erzeugt, die dann das abge­ stäubte Katodenmaterial von der Fläche mitnehmen kön­ nen um es dem Substrat entsprechend zuzuführen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Ein­ strömvorrichtung eine Gasdüse z. B. in Kegelform oder ein Düsenstock z. B. eines hinreichend dickwandigen Rohres mit entsprechenden Bohrungen oder Schlitzen. Als Einströmungsvorrichtung kann jedoch auch jede anders ausgestaltete Vorrichtung dienen, sofern sie in der Lage ist, entsprechende Teilströme zu erzeu­ gen.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorzüge der Erfin­ dung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung anhand der Figuren.

Hierbei zeigen:

Fig. 1 prinzipieller Aufbau einer Vor­ richtung für reaktives Gasfluß­ sputtern,

Fig. 2 eine lineare Hohlkatode mit zwei­ seitig offenem Querschnitt,

Fig. 3 eine lineare Hohlkatode mit ein­ seitigem offenen Querschnitt in Form eines offenen Trapezes,

Fig. 4 quadratisch, runde oder lineare einseitig offene Hohlkatode,

Fig. 5 lineare Hohlkatode in Form eines offenen Rechtecks.

Fig. 1 zeigt in einem Ausführungsbeispiel, wie die erfindungsgemäße Vorrichtung aufgebaut sein kann. In einem Vakuumgefäß 1 ist dabei die erfindungsgemäße Hohlkatode 2 so angeordnet, daß der divergente Gas­ strom auf das Substrat 3 hin gerichtet ist. Die er­ findungsgemäße Hohlkatode hat in Fig. 1 einen zwei­ seitig offenen Querschnitt z. B. in Form eines offenen Pyramiden- oder Kegelstumpfes. Die Hohlkatode 2 selbst besteht dabei aus einem Stützgerüst 7 und dem Targetmaterial 8. In der der substratseitigen Öffnung gegenüberliegenden Öffnung ist dabei die Einströmvor­ richtung 5 angeordnet. Im Beispielsfall ist die Ein­ strömvorrichtung 5 eine Gasdüse in Doppelkegelform. Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung entstehen divergente Teilströme, die parallel oder annähernd parallel zur inneren aktiven Oberfläche der Hohlkato­ de 2 verlaufen. Die Gaszuführung zur Einströmvorrich­ tung 5 erfolgt dabei über eine Zuleitung 11. Die Hohlkatode 2 selbst ist dabei über die Hohlkatodenbe­ festigung 9 im Vakuumgefäß 1 zentriert. Diese Hohlka­ todenbefestigung 9 ist gegenüber der Hohlkatode 2 isoliert. Die Anode 4 ist im Beispielsfall unterhalb der Hohlkatode 2, d. h. gegenüberliegend der substrat­ seitigen Öffnung angeordnet. Die Katode 2 ist dabei mit der Anode 4 über eine geeignete Spannungsquelle 6 verbunden. Die Spannungsquelle weist in diesem Fall noch einen Vorwiderstand 12 auf. Das Vakuumgehäuse 1 weist dann noch einen Ausgang 10 auf, der zur Pumpe führt, damit die Vorrichtung entsprechend evakuiert werden kann.

Fig. 2 zeigt nun eine weitere Ausführungsform einer Hohlkatode 2 mit zweiseitigem offenen Querschnitt. Die Hohlkatode 2 ist in diesem Fall als lineare Hohl­ katode ausgebildet, wobei etwa gleich große und gleich oder ähnlich geformte Katodenhälften entste­ hen. In der der substratseitigen Öffnung gegenüber­ liegenden kleineren Öffnung ist die Einströmungsvor­ richtung 5 angeordnet. Die Einströmungsvorrichtung 5 ist im Beispielsfall ein Düsenstock, d. h. zum Bei­ spiel ein hinreichend dickwandiges Rohr mit Bohrungen oder Schlitzen in geeigneter Anzahl, Größe und Rich­ tung der seinerseits z. B. durch eine oder beide Stirnseiten der Katode mit Gas gespeist wird. Dadurch ist es erfindungsgemäß möglich, Substrate mit großen Abmessungen die mindestens denen entsprechen die durch die Fläche der substratseitigen Öffnung aufge­ spannt werden, zu beschichten.

Fig. 3 zeigt nun eine lineare Hohlkatode 2 mit einem nur einseitig offenen Querschnitt in Form eines of­ fenen Trapezes. Die Stirnseiten der Hohlkatode 2 kön­ nen dabei ebenfalls durch ein Target gebildet werden oder vom Target durch einen Nichtleiter oder einen Spalt isoliert sein und auf einem Potential liegen, bei dem kein Materialabtrag erfolgt. Die Einströ­ mungsvorrichtung 5 ist in diesem Fall wieder ein Dü­ senstock wie er bereits in Fig. 2 beschrieben wurde. Erfindungsgemäß ist es aber genau so möglich, daß die Gaszufuhr durch mehrere einzelne kleine Öffnungen in der Katodenwand erfolgt, wobei diese Düsen mit Gas versorgt werden.

Fig. 4 zeigt nun eine quadratisch, runde oder lineare einseitig offene Hohlkatode 2, wobei die Einströ­ mungsvorrichtung 5 in Form eines Düsenstockes außer­ halb der Hohlkatode angeordnet ist. Die Einströmungs­ vorrichtung 5 ist dabei so ausgestaltet, daß die Gas­ düsen in die Hohlkatode 2 hinein gerichtet sind und so parallel oder annähernd parallel an der inneren Oberfläche der Hohlkatode 2 geführt werden und der reflektierende Gasfluß auf das Substrat 3 trifft.

Fig. 5 zeigt nun eine lineare Hohlkatode 2 in Form eines offenen Rechtecks. Im Beispielsfall sind zwei Einströmungsvorrichtungen 5 vorhanden, die jeweils wieder in Form eines Düsenstockes ausgebildet sind und innerhalb der Hohlkatode 2 liegen. Durch die An­ ordnung des Düsenstockes in den Ecken der Hohlkatode 2, mit den entsprechenden Schlitzen im Düsenstock wird erreicht, daß der Inertgasstrom parallel oder annähernd parallel zur inneren Oberfläche der Hohlka­ tode 2 verläuft.

Claims (9)

1. Vorrichtung zum reaktiven Gasflußsputtern mit einer Hohlkatode (2), einer Einström­ vorrichtung (5) für den Inertgasstrom, ei­ ner Anode (4), einer geeigneten Stromver­ sorgung (6), sowie einem gegenüber der Öff­ nung der Hohlkatode (2) angeordnetem Sub­ strat (3), dadurch gekennzeichnet, daß min­ destens eine Einströmvorrichtung (5) inner­ halb und/oder außerhalb der Hohlkatode (2) angeordnet ist und daß die Einströmvorrich­ tung (5) so ausgebildet ist, daß sie einen divergenten Gasstrom erzeugt und daß die Hohlkatode (2) eine geometrische Form auf­ weist, die derart ausgelegt ist, daß die innere Oberfläche der Hohlkatode (2) par­ allel oder annähernd parallel zum divergen­ ten Gasstrom ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Hohlkatode (2) einen zweiseitig offenen Querschnitt aufweist, wobei der Durchmesser der substratseitigen Öffnung größer ist und daß in der der sub­ stratseitigen Öffnung gegenüberliegenden Öffnungen mindestens eine Einströmvorrich­ tung (5) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die geometrische Form der Hohlkatode (2) die Form eines zweiseitig offenen Pyramiden- oder zweiseitig offenen Kegelstumpfes hat.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Hohlkatode (2) einen einseitig offenen Querschnitt hat.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die geometrische Form der Hohlkatode (2) eine v-Form, ein offenes Trapez, Rechteck, Kreisbogen oder Teil ei­ ner Ellipse, Hyperbel oder Parabel ist, oder diesen Formen nahekommt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkatode 2 selbst aus Targets (8) und einem entsprechend aus­ gebildeten Stützgerüst (7) besteht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einströmvorrichtung (5) eine Gasdüse z. B. in Kegelform oder ein Düsenstock z. B. in Form eines hinreichend dicken Rohres mit Bohrungen oder Schlitzen in geeigneter Anzahl, Größe und Richtung ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (4) sowohl innerhalb der Hohlkatode (2) wie auch außerhalb der Hohlkatode (2) angeordnet ist.

9. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8 zum Herstellen von dünnen Schichten, z. B. für Halbleiter- oder Supraleiter-Bau­ elemente.