DE4210125C2 - Vorrichtung zum Gasflußsputtern - Google Patents

Description

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

In einem Artikel von K. ISHII in J. Vac. Sci. Technol. A 7 (2) 1989 S. 256 bis 258, ist eine derartige Vorrichtung und ein Beschichtungsverfahren beschrieben, bei dem mittels Argon-Gasstrom bei einem Druck von 0,25 bis 1 Torr durch eine Hohlkathode abgestäubtes Kathodenmaterial (Ti, Fe, Cu) mit hoher Rate auf einem über der Kathodenöffnung 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 Verfahren wird von den Autoren als Gasflußsputtern (GFS) bezeichnet.

In der DD 294 511 wird ebenfalls ein Verfahren und eine Vorrichtung zum reaktiven Gasflußsputtern dargestellt. Dabei werden aus einer inertgasdurchströmten Hohlkathodenentladung 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 Hohlkathode darstellenden Targets Material abgestäubt, das auf dem Substrat abgelagert wird. Dabei sollen Schichten hoher Reinheit entstehen. Die dazu verwendete Hohlkathode besteht aus mehreren gegeneinander elektrisch isolierten Targets die eine zylindrische Hohlkathode bilden, an deren rückseitigen Ende eine Einströmöffnung für Inertgas und eine Gaseinströmöffnung für reaktives 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 Hohlkathode sowie der Gaszuführung ist es mit dieser Vorrichtung und dem Verfahren des Standes der Technik nur möglich, Substrate mit einer geringen Größe zu beschichten. Die Ursache dafür liegt im Hohlkathodeneffekt. Charakteristische Größe für diesen Effekt ist das Produkt aus Gasdruck und räumlicher Ausdehnung der Hohlkathode, welches nur relativ geringen Spielraum zuläßt. Vergrößert man nun die Hohlkathode, so muß man den Druck entsprechend verringern. Da außerdem entsprechend dem nun größeren Querschnitt der Hohlkathode auch der Gasdurchsatz erhöht werden muß, wird ein beträchtlich höheres Saugvermögen der Vakuumpumpe erforderlich. Außerdem wächst die zur Erhaltung der Kathodenstromdichte erforderliche Spannung schnell so an, daß sich deutlich höhere Kosten für die Stromversorgung und die dabei erforderliche 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 Beschichtungsrate erzielt werden soll. Gleichzeitig soll eine gleichmäßige Beschichtung erreicht werden.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale das Anspruchs 1 und 2 gelöst. Die Unteransprüche zeigen vorteilhaft Weiterbildungen auf.

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

Die Vergrößerung der beschichtbaren Fläche wird demnach erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß ein Gasstrom (Anspruch 1) oder Teilströme (Anspruch 2) hergestellt werden und daß a) zur Unterstützung der Einhaltung der gewünschten Richtung des Gasstromes bzw. der Teilströme innerhalb der Hohlkathode, b) zur Erhöhung der Beschichtungsrate auf der Basis einer Vergrößerung des Beitrags der Diffusion zum Transport des abgestäubten Kathodenmaterials zum Substrat sowie c) zur einfachen Beeinflussung der Schichthomogenität durch lokale Konzentrationen des Gasstromes die Hohlkathode eine solche geometrische Form hat, bei welcher große Bereiche ihrer inneren, d. h. aktiven Oberfläche genau oder annähernd parallel zum Gasstrom liegen.

Erfindungswesentlich ist somit die geometrische Form der Hohlkathode sowie die Erzeugung und Führung des Gasstromes.

Die Hohlkathode hat einen zweiseitig offenen oder geschlossenen Querschnitt. Erfindungsgemäß wird unter einem zweiseitigen offenen Querschnitt eine Hohlkathode verstanden, wie sie zum Beispiel in den Fig. 1 und 2 wiedergegeben ist. Die Form mit einem zweiseitig offenen Querschnitt ist ein offener Pyramidenstumpf oder auch ein zweiseitig offener Kegelstumpf.

Die Hohlkathode kann dabei auch als lineare Hohlkathode ausgebildet sein. Dies führt dann etwa zu gleich großen oder ähnlich geformten Kathodenhälften, 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 Hohlkathode und der Gasführung beliebig geformte Substrate beschichtet werden können. Die beschichtbare Fläche entspricht dabei mindestens der Fläche die durch die substratseitige Öffnung aufgespannt wird. Die Hohlkathode selbst besteht dabei aus einem geeigneten Stützgerüst und dem Targetmaterial.

In der der substratseitigen Öffnung gegenüberliegenden Öffnung ist mittig die Einströmvorrichtung angeordnet. Die geometrische Form dieser Einströmvorrichtung wird dabei so gewählt, daß die Einströmvorrichtung annähernd dem Durchmesser dieser Öffnung entspricht. Die Einströmvorrichtung selbst ist eine Gasdüse in Form eines Doppelkegels, so daß der Gasstrom radial verteilt wird. Bei der Ausführungsform nach Anspruch 2 oder 3 ist die Einströmungsvorrichtung so ausgebildet daß sie ein Doppel-v bildet, so daß der Gasstrom in zwei Teilströme geteilt wird oder einen Düsenstock, d. h. um ein entsprechend dickwandiges Rohr in dem entsprechende Löcher oder Schlitze angeordnet sind, so daß ebenfalls geteilte Gasströme entstehen, die dann parallel oder annähernd parallel zur Innenfläche der Hohlkathode geführt werden können.

Die Hohlkathode kann auch einen einseitig offenen Querschnitt aufweisen. Erfindungsgemäß wird hier eine Hohlkathode verstanden, wie sie in Fig. 3 beschrieben ist. Die Form der Hohlkathode ist entweder in v-Form oder in Form eines offenen Trapezes, Kreisbogens oder Teiles einer Ellipse, Hyperbel oder Parabel ausgestaltet. Die Einströmvorrichtung ist dabei wieder mittig so angeordnet, daß die aus ihr austretenden Gasströme parallel oder annähernd parallel der Innenfläche der Hohlkathode geführt werden können. Dies ist möglich, wenn als Einströmvorrichtung ein Düsenstock verwendet wird, der innerhalb einer entsprechenden Stelle der Hohlkathode angeordnet ist. Entscheidend ist hierbei wiederum, daß die Einströmungsvorrichtung entsprechend geteilte Teilströme erzeugt, die dann das abgestäubte Kathodenmaterial von der Fläche mitnehmen können um es dem Substrat entsprechend zuzuführen.

Die Einströmvorrichtung ist eine Gasdüse in Kegelform oder ein Düsenstock z. B. eines hinreichend dickwandigen Rohres mit entsprechenden Bohrungen oder Schlitzen.

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

Hierbei zeigt

Fig. 1 prinzipieller Aufbau einer Vorrichtung für reaktives Gasflußsputtern,

Fig. 2 eine lineare Hohlkathode mit zweiseitig offenem Querschnitt,

Fig. 3 eine lineare Hohlkathode mit einseitigem offenen Querschnitt in Form eines offenen Trapezes.

Fig. 1 zeigt in einem Ausführungsbeispiel, wie die erfindungsgemäße Vorrichtung aufgebaut sein kann. In einem Vakuumgefäß 1 ist dabei die erfindungsgemäße Hohlkathode 2 so angeordnet, daß der divergente Gasstrom auf das Substrat 3 hin gerichtet ist. Die erfindungsgemäße Hohlkathode hat in Fig. 1 einen zweiseitig offenen Querschnitt z. B. in Form eines offenen Pyramiden- oder Kegelstumpfes. Die Hohlkathode 2 selbst besteht dabei aus einem Stützgerüst 7 und dem Targetmaterial 8. In der der substratseitigen Öffnung gegenüberliegenden Öffnung ist dabei die Einströmvorrichtung 5 angeordnet. Im Beispielsfall ist die Einströmvorrichtung 5 eine Gasdüse in Doppelkegelform. Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung entstehen divergente Teilströme, die parallel oder annähernd parallel zur inneren aktiven Oberfläche der Hohlkathode 2 verlaufen. Die Gaszuführung zur Einströmvorrichtung 5 erfolgt dabei über eine Zuleitung 11. Die Hohlkathode 2 selbst ist dabei über die Hohlkathodenbefestigung 9 im Vakuumgefäß 1 zentriert. Diese Hohlkathodenbefestigung 9 ist gegenüber der Hohlkathode 2 isoliert. Die Anode 4 ist im Beispielsfall unterhalb der Hohlkathode 2, d. h. gegenüberliegend der substratseitigen Öffnung angeordnet. Die Kathode 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 Hohlkathode 2 mit zweiseitigem offenen Querschnitt. Die Hohlkathode 2 ist in diesem Fall als lineare Hohlkathode ausgebildet, wobei etwa gleich große und gleich oder ähnlich geformte Kathodenhälften entstehen. In der der substratseitigen Öffnung gegenüberliegenden kleineren Öffnung ist die Einströmungsvorrichtung 5 angeordnet. Die Einströmungsvorrichtung 5 ist im Beispielsfall ein Düsenstock, d. h. zum Beispiel ein hinreichend dickwandiges Rohr mit Bohrungen oder Schlitzen in geeigneter Anzahl, Größe und Richtung der seinerseits z. B. durch eine oder beide Stirnseiten der Kathode mit Gas gespeist wird. Dadurch ist es erfindungsgemäß möglich, Substrate mit großen Abmessungen die mindestens denen entsprechen die durch die Fläche der substratseitigen Öffnung aufgespannt werden, zu beschichten.

Fig. 3 zeigt nun eine lineare Hohlkathode 2 mit einem nur einseitig offenen Querschnitt in Form eines offenen Trapezes. Die Strinseiten der Hohlkathode 2 können 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 Einströmungsvorrichtung 5 ist in diesem Fall wieder ein Düsenstock 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 Kathodenwand erfolgt, wobei diese Düsen mit Gas versorgt werden.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Gasflußsputtern mit einer als Target dienenden Hohlkathode (2), einer Einströmungsvorrichtung (5) für den Inertgasstrom, einer Anode (4), einer geeigneten Stromversorgung (6), sowie einem gegenüber der Öffnung der Hohlkathode (2) angeordneten Substrat (3), dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkathode (2) einen zweiseitig oder einseitig offenen Querschnitt in Form eines Pyramiden- oder Kegelstumpfes hat und daß die Einströmungsvorrichtung (5) eine Gasdüse in Doppelkegelform ist und mittig der substratseitigen Öffnung gegenüber angeordnet ist, so daß der so vorgebbare Gasstrom annähernd parallel zur inneren Targetoberfläche der Hohlkathode (2) verläuft.

2. Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkathode (2) eine lineare Hohlkathode ist, die zur Substratseite hin aufgeweitet ist, mit einem zweisetiig offenen oder mit einem zur Substratseite hin gerichteten offenen Querschnitt in Form eines V, Trapezes, Kreisbogens oder Teiles einer Ellipse, Hyperbel oder Parabel und daß die Einströmungsvorrichtung (5) in Form eines Düsenstockes mit Bohrungen oder Schlitzen ausgebildet und mittig gegenüber der substratseitigen Öffnung angeordnet ist, so daß die so vorgebbaren Gasteilströme annähernd parallel zur inneren Targetoberfläche der Hohlkathode (2) verlaufen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einströmungsvorrichtung in Form eines Doppel-V ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkathode (2) selbst aus Targets (8) und einem entsprechend ausgebildeten Stützgerüst (7) besteht.

5. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4 zum Herstellen von dünnen Schichten, z. B. für Halbleiter- oder Supraleiter-Bauelemente.