DE4223505C1 - Einrichtung zum aufbringen elektrisch schlecht leitender oder isolierender schichten durch reaktives magnetronsputtern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Aufbringen elek­ trisch schlecht leitender oder isolierender Schichten auf ein Substrat durch reaktives Magnetronsputtern von elektrisch leitfähigen Targets. Derartige Magnetrons werden verwendet, um u. a. optische Schichten auf Glassubstraten oder Verschleißschutzschichten, z. B. auf Magnetköpfen, aufzubringen.

Es sind verschiedene Einrichtungen und Verfahren zur Beschich­ tung, insbesondere Langzeitbeschichtung von Substraten mit hochohmigen und isolierenden Schichten durch Magnetronsputtern eines leitfähigen Targets bekannt. Dabei treten eine Reihe von Problemen auf, die insbesondere bei solchen Targetmaterialien wie Al, Si oder C zu Defekten oder Droplets in der aufgebrach­ ten Schicht oder zu Störungen im Prozeßablauf führen. Die Mängel bestehen im wesentlichen darin, daß sich die Anode mit hochohmigen oder isolierenden Schichten bedeckt und dadurch ihre Funktion einbüßt. D. h., die Entladung wird instabil und kann sogar erlöschen oder sie brennt zu anderen Teilen im Rezipienten, die Anodenpotential besitzen. Diese Instabilitäten entstehen durch die Änderung der Potentialverhältnisse. Es entstehen auch Aufladungen und elektrische Durchbrüche isolie­ render Schichten, was zu Bogenentladungen, d. h. Überschlägen führt. Die Bedeckung von Teilen des Targets mit Reaktionspro­ dukten führt zu Aufladungen dieser Schichten. Dies führt wiederum zu Bogenentladungen mit Dropletbildung in den auf dem Substrat abgeschiedenen Schichten. Die Bedeckung des Plasma­ schirmes und der Elektroden im Plasmaraum führt zu Änderungen der Potentialverhältnisse, und das zu Instabilitäten des Arbeitspunktes der Entladung. Tritt trotz aller möglichen bekannten Maßnahmen eine Bogenentladung auf, muß ihre Wirkung begrenzt werden, um die Größe und Anzahl der Droplets in den abgeschiedenen Schichten gering zu halten, und damit die Targetoberfläche nicht derartige Narben erhält, die wieder Ansatzpunkte für Bogenentladungen sind.

Zur Beseitigung der Mängel ist es bekannt, in Kombination mit dem Reaktionsgaseinlaß in Targetnähe mit einer speziellen geometrischen Anordnung einer Abschirmeinrichtung relativ zum Substrat und Target eine Verbesserung der Prozeßstabilität zu erreichen (DE 37 09 175 A1). Insbesondere ist dort auch eine vor Ablagerungen, durch isolierende Schichten geschützte besondere Anode vorgesehen. Erfahrungsgemäß reichen jedoch diese Maßnahmen nicht aus, um die Mängel zu beseitigen, da es in Targetnähe geerdete, mit der Stromversorgung verbundene Flächen gibt, die sich mit hochohmigen oder isolierenden Schichten bedecken und somit eine Drift der Potentialverhältnisse bewir­ ken.

Es wird auch eine Einrichtung beschrieben, die eine geerdete, mit dem Rezipienten elektrisch leitend verbundene Anode mit Ausfräsungen aufweist und in Targetnähe angeordnet ist. Nach Bedeckung der Anode mit isolierenden Schichten sollen außerhalb des Reaktionsraumes angeordnete geerdete Flächen für das Aufrechterhalten der Entladung sorgen (DD 2 22 900 A1). In dem zeitlich langen Intervall bis zum Eintritt dieses Zustandes kommt es zu einer ständigen Potentialverschiebung. Dabei ist der Übergangsbereich besonders kritisch, da die Impedanz der Entladung bei noch wirksamer targetnaher Anode wesentlich geringer ist, als bei wirksamer externer Anode. Dadurch wird die Tendenz zur Entstehung von Gleitfunken, elektrischen Durchschlägen an isolierenden Schichten und von Überschlägen drastisch erhöht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung (Magnetron) zu schaffen, mit deren Hilfe elektrisch schlecht leitende oder isolierende Schichten durch reaktives Magnetron­ sputtern von elektrisch leitfähigen Targets abgeschieden werden können. Es soll eine stabile Prozeßführung bei langzeitstabilen Potentialverhältnissen an den Teilen der Einrichtung über die gesamte Targetstandzeit möglich sein. Das Entstehen von Bogenentladungen soll stark reduziert werden, wobei im Falle des Auftretens eines Überschlages dessen Wirkung auf den Targetzustand und die Schichtqualität begrenzt werden soll. Aus ökonomischen Gründen soll es auch möglich sein, die Entladung unter den genannten Bedingungen ohne Verwendung einer HF-Strom­ versorgung zu betreiben. Es soll weiterhin auch der Betrieb des Magnetrons mit einer Gleichstromversorgung möglich sein. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe nach den Merkmalen des Haupt­ anspruches gelöst. Weitere Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Durch die erfindungsgemäße Lösung nach den Merkmalen des Hauptanspruches wird die Anode gegen die Beschichtung (Streu­ dampf) geschützt. Auch bei teilweiser Belegung mit hochohmigen oder isolierenden Schichten wird der Entladungsstrom nahezu vollständig über die Anode abgeleitet. Die Widerstände bewirken bei kritischen Anwendungen bzw. bei speziellen Ausgestaltungen des Magnetrons ein stabiles Potential der besagten Teile des Magnetrons gegenüber dem Rezipienten und der Anode, ohne daß es bei zu großem floating-potential zur plötzlichen Entladung zur Anode oder dem Rezipienten kommen kann. Die Widerstände begren­ zen mögliche Ausgleichsströme. Bei vollständig elektrisch isolierten Elektroden können u. U. Gleitfunken auftreten, die zu Defekten in der abgeschiedenen Schicht bzw. zur Auslösung einer Bogenentladung führen. Außerdem lassen sich für die Stabilität der Entladung günstige Potentiale an den mit dem Plasma in Berührung kommenden Teilen der Einrichtung relativ zu den Potentialen von Katode und Anode einstellen. Durch die Widerstandsbeschaltung der übrigen Teile werden max. einige Prozent des Entladungsstromes über diese Teile abgeleitet.

Die Einrichtung ist besonders für das Sputtern von Al oder Si mit Reaktivgas O₂ zur Erzeugung von Schichten aus Al₂O₃ bzw. SiO₂ bei hoher Stabilität des Beschichtungsprozesses im Lang­ zeitbetrieb geeignet. Auch Targetmaterial C bei Reaktivgas H₂- oder CH-Verbindungen ist zur Erzeugung von C oder C : H-Schichten mittels dieser Einrichtung gut geeignet. Die periodisch hergestellte niederohmige Verbindung zwischen Katode und Anode bewirkt, daß die Spannung zwischen Katode und Anode kleiner 15 V beträgt und eine evtl. brennende Bogenentladung gelöscht wird, da die typischen Bogenbrennspannungen ca. 20 V . . . 50 V betragen. Dieses Schalten erfolgt periodisch im zeitlichen Abstand ≦ωτ100 µs (bei Frequen­ zen ≦λτ10 kHz). Damit ist die maximal mögliche Bogenbrenndauer auf ≦ωτ100 µs begrenzt. Die bekannten Bogenfortschaltungen schalten die Stromversorgung nach Ablauf der Netzhalbwelle vom Netz ab, d. h. mit einer Zeitverzögerung im 10 ms-Bereich. Durch die kurze maximal mögliche Bogenbrenndauer ≦ωτ100 µs wird die Energie des Bogens ohne zusätzliche Bogenerkennungsschal­ tung gegenüber den bekannten Bogenfortschaltungen bereits um mehrere Größenordnungen verringert.

Durch das periodische Ein- und Ausschalten der Entladung werden darüberhinaus evtl. auftretende lokale Instabilitäten oder Inhomogenitäten des Plasmas gelöscht, bevor sie eskalieren und sich für den reaktiven Beschichtungsprozeß destruktiv, z. B. in Form eines Bogens, auswirken können. Nach jedem Neuzünden bildet sich das Plasma neu aus und durch die Wirkung statisti­ scher Effekte im Plasma kommt es zu einer stochastischen Wanderung dieser Instabilitäten bzw. Inhomogenitäten an jeweils anderen Stellen, so daß sie sich nicht durch positive Rückkopplung lokal verstärken und manifestieren können, was u. U. zur Unbrauchbarkeit des Targets führen kann. Dadurch wird die Bogenhäufigkeit insgesamt reduziert. Wenn ein Bogen ent­ steht, so wird er durch die kurze Brenndauer in seiner Wirkung begrenzt.

Die Anordnung der Schalteinheit am Magnetron ist günstig, da sich Leitungsinduktivitäten nicht auf die periodisch geschal­ tete Entladung auswirken können.

Anhand von zwei Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine Einrichtung zum Magnetronsputtern mit einem Plasmaschirm und der zugehörigen Schaltung,

Fig. 2 eine Einrichtung mit zwei Plasmaschirmen und erweiter­ ter Schaltung zur Prozeßstabilisierung.

In Fig. 1 ist im Rezipienten 1 isoliert das in einem Gehäuse befindliche Magnetsystem 2 angeordnet. Das Magnetsystem 2 besteht bekannterweise aus mehreren Magneten, die insgesamt eingehaust sind. Es umgibt das als Katode wirkende Target 3 mit seiner Kühlplatte 4. Ringförmig um das Magnetsystem 2 ist im Abstand b≦ωτ6 mm die Anode 5 angeordnet. Gegenüber dem Target 3 ist isoliert der Substrathalter 6 angebracht, an dem das Substrat 7 befestigt ist. Vom Magnetsystem 2 isoliert ist der das Plasma umgebende Plasmaschirm 8 so angeordnet, daß er einen Abstand a≦λτ40 mm von seiner dem Substrat 7 zugewandten Kante zur Oberkante der Anode 5 hat. Den Plasmaschirm 8 umgibt die Leitung 9 für die Zufuhr von Reaktivgas, wozu entsprechende Öffnungen 10 in ihr und in dem Plasmaschirm 8 vorgesehen sind. Im Raum zwischen dem Plasma­ schirm 8 und dem Rezipienten 1 befindet sich die Leitung 11 mit ihren Öffnungen 12 für die Zufuhr des Inertgases. Von einer an sich bekannten Stromversorgungseinrichtung 13 wird das Magne­ tron gespeist. In der Katoden- und Anodenleitung ist eine Schalteinheit 14 mit integriertem Impulsgenerator 15 angeord­ net. Am vorteilhaftesten geschieht dies in der Nähe der Zer­ stäubungseinrichtung, wodurch beim Abschalten kleinere Indukti­ vitäten wirksam werden. Die Schaltereinheit 14 arbeitet peri­ odisch am günstigsten mit einer Frequenz im Bereich von 30 kHz bis 150 kHz. Die besagte Frequenz bewirkt eine geringe Zeitver­ zögerung bei Auftreten eines Bogens, da wenig Zeit zur Ausbil­ dung von Inhomogenitäten und Instabilitäten ist. Diese Schalt­ einheit 14 bewirkt periodisch eine niederohmige (≦ωτ1 Ω) Ver­ bindung zwischen Katode und Anode. Zur Stromkonstanthaltung durch Strombegrenzung im Kurzschlußfall zwischen Anode und Katode sind zwischen die Stromversorgungseinrichtung 13 und die Schaltereinheit 14 Induktivitäten L_A; L_K geschaltet. Mit diesen Induktivitäten L_A; L_K sind zur weiteren Prozeßstabilisierung jeweils Widerstände R_A; R_K und Kondensatoren C_A; C_K kombiniert. Der Plasmaschirm 8 ist über den Widerstand R_P, der Substrathal­ ter 7 über den Widerstand R_S und das Magnetsystem 2 über den Widerstand R_M mit der Anodenspannung verbunden. Dadurch wird erreicht, daß der Beschichtungsprozeß stabilisiert wird, indem Überschläge weitgehend vermieden werden. Diese Widerstände R_P; R_S; R_M sind größer als 100 Ω. Eine langzeitstabile Potential­ verteilung durch die abgestimmte Potentialeinstellung ist hiermit auch gesichert, wenn hochohmige oder isolierende Schichten abgeschieden werden.

In Fig. 2 ist prinzipiell die Einrichtung wie in Fig. 1 aufge­ baut, jedoch ist der Plasmaschirm 8 von einem weiteren Plasma­ schirm 17 umgeben, der den gesamten Raum, in dem die Entladung, d. h. Beschichtung stattfindet, bis auf einen Spalt s≦ωτ5 mm umschließt. Der Plasmaschirm 17 ist isoliert angeordnet. Er bildet im Prinzip eine Art Beschichtungskammer. Das Inertgas und Reaktivgas wird durch die gemeinsame Leitung 9 zugeführt. Eine Bogenerkennungsschaltung 18 bekannter Art ist dem Magne­ tron vorgeschaltet. Während des Beschichtungsprozesses laden sich die auf dem Target 3 aufwachsenden Oxidschichten auf. Um diese Aufladung zu beseitigen, wird in den durch die Schaltein­ heit 14 erzeugten Pausen eine gegenüber dem normalen Magnetron­ betrieb entgegengesetzt gepolte Spannung mit der Gleichstrom­ versorgung 19 angelegt.

Die Widerstands-Kondensator-Kombination R_A; R_K; R_KA; C_KA dient der Prozeßstabilisierung. Da der Rezipient 1 als eine Elektro­ denfläche wirkt, ist es vorteilhaft, ihn potentialmäßig mit einzubeziehen, um dadurch Prozeßinstabilitäten zu verhindern. Dazu sind die dem Magnetsystem 2, dem Substrat 7 und den Plasmaschirmen 8; 17 vorgeschalteten Widerstände R_M; R_S; R_P; R_B zusätzlich über Widerstände R_R mit dem Rezipienten 1 verbunden. Das Potential ist dadurch besser einzustellen. Diese Wider­ stände R_M; R_S; R_P; R_B sind ≦λτ100 Ω bemessen.

Claims (20)

1. Einrichtung zum Aufbringen elektrisch schlecht leitender oder isolierender Schichten auf ein Substrat durch reaktives Magnetronsputtern, bestehend aus einem Magnetsystem mit darauf angebrachten Target, einer ringförmig um das Magnetsystem angeordneten Anode, einem das Plasma umgebenden Plasmaschirm und einer Stromversorgungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (5) außerhalb des das Plasma umgebenden Plasmaschirmes (8) von diesem mit einem Abstand a40 mm isoliert angeordnet ist, daß zwischen der Anode (5) und dem Plasmaschirm (8) bzw. dem Gehäuse des Magnetsystems (2) ein Abstand von b6 mm eingehalten wird, und daß der Abstand (a) zwischen der Oberkante der ringförmig um das Magnetsystem angeordneten Anode (5) und der dem Substrat (7) zugewandten Plasmaschirmkante mindestens 40 mm beträgt, und daß alle Teile des Magnetrons, außer dem Target (3), die mit dem Plasma in Berührung kommen oder in dessen unmittel­ barer Nähe angeordnet sind, wie Substrat (7), Substrathalter (6), Magnetsystem (2) und Plasmaschirme (8; 17) einzeln oder gemeinsam dem Anodenpotential gegenüber isoliert angeordnet sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Wand des Rezipienten (1) und dem das Plasma begrenzenden inneren Plasmaschirm (7) zusätzlich ein weiterer Plasmaschirm (17) gegenüber dem Rezipienten (1) elektrisch isoliert angeordnet ist, daß der Raum zwischen dem Target (3), inneren Plasmaschirm (8) und Substrat (7) bis auf einen Spalt s≦ωτ5 mm umschlossen ist und daß zwischen beiden Plasmaschirmen (8; 17) die Anode (5) angeordnet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Plasmaschirm (17) mit dem Rezipienten (1) über einen Widerstand (R_R)≦λτ100 Ω angeschlossen ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß besagte Teile, wie Substrat (7), Substrathalter (6), Magnetsy­ stem (2), Plasmaschirm (8; 17) einzeln oder gemeinsam über Widerstände (R_G; R_P; R_B; R_S)≦λτ100 Ω an Anodenpotential ange­ schlossen sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (3) mit einer Schalteinheit (14) periodisch mit einer Frequenz≦λτ10 kHz niederohmig derart leitend verbunden ist, daß die Spannung zwischen der Katode und Anode (5)≦ωτ15 V beträgt.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (3) mit der Schalteinheit (14) periodisch mit einer Frequenz von 30 kHz bis 150 kHz niederohmig leitend verbunden ist.

7. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß einige oder alle Teile, außer dem Target (3), die mit dem Plasma in Berührung kommen oder in dessen unmittelbarer Nähe angeordnet sind, wie Substrat (7), Substrathalter (6), Magnetsystem (2), Plasmaschirme (8; 17) über Widerstände R_S; R_M; R_P; R_B≦λτ100 Ω mit dem Rezipienten (1) verbunden sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 1, 4 und 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Widerstände (R_G; R_P; R_B; R_S; R_M) 500 Ω bis 2 kΩ sind.

9. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgungseinrichtung (13) erdfrei ist, indem keine niederohmige galvanische Verbin­ dung zum Rezipienten (1) besteht.

10. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgungseinrichtung (13) im U=constand-mode betrieben wird.

11. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktivgaseinlaß und/oder Inertgaseinlaß direkt in den Plasmaraum vorgesehen ist.

12. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in die Leitungen zwischen der Stromversorgungseinrichtung (13) und der Schalteinrichtung (14) ein passives elektrisches Netzwerk geschaltet ist, dessen Wider­ standswerte den max. auftretenden negativen differentiellen Widerstand der Magnetronentladung mindestens kompensieren.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das passive elektrische Netzwerk zwischen die Schalteinheit (14) und das Magnetron geschaltet ist.

14. Einrichtung nach Anspruch 12 und 13, dadurch gekennzeich­ net, daß das passive elektrische Netzwerk eine Kombination aus Widerständen (R_K; R_A; R_KA) und Kondensatoren (C_K; C_A; C_KA) ist.

15. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Stromversorgungsein­ richtung (13) und die Schalteinheit (14) eine Einrichtung zur Stromkonstanthaltung über den Zeitraum mindestens einer Periode des Umschalttaktes, in die Leitung zur Katode oder Katode und Anode geschaltet ist.

16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Stromkonstanthaltung mindestens aus einer Induktivität (L_K; L_A) besteht, die mit Kondensatoren (C_K; C_A) und Widerständen (R_K; R_A) zur Prozeßstabilisierung kombiniert ist.

17. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß in die Leitung zur Anode und Katode vor dem Magnetron eine bekannte Bogenerkennungsschaltung (18) geschaltet ist, um bereits vor Ablauf der Ein-Zeit die Katode und Anode niederohmig kurzzuschließen.

18. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungsleistung bei konstant eingestellter Entladungsspannung durch den Reaktivgasfluß steuerbar ist.

19. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktivgasfluß bei konstant eingestellter Entladungsleitung über eine Regelschleife derart regelbar ist, indem die Intensität einer charakteristischen optischen Linie des Targetmaterials konstant bleibt.

20. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Schalteinheit (14) eine Gleichstromversorgung (19) derart verbunden ist, daß während der Schaltpause der Schalteinheit (14) die Stromversorgung des Magnetrons gegenüber dem normalen Betrieb umgepolt ist.