DE4239843A1

DE4239843A1 - Vorrichtung für die Erzeugung von Plasma, insbesondere zum Beschichten von Substraten

Info

Publication number: DE4239843A1
Application number: DE19924239843
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dr Beisswenger; Michael Dr Geisler
Original assignee: Leybold AG
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1992-11-27
Filing date: 1992-11-27
Publication date: 1994-06-01

Description

Um Substrate mit dünnen Schichten bestimmter Materialien versehen zu können, wird häufig der Sputter-Prozeß eingesetzt, bei dem Teilchen aus einem Target herausgeschlagen werden, die sich hierauf auf dem Substrat ablagern. Das Herausschlagen der Teilchen aus dem Target erfolgt mittels geladener Teilchen, die auf das Target beschleunigt werden, welches zumeist auf negativem Potential liegt. Die geladenen Teilchen können aus neu tralen Gasen etc. durch Ionisierung erzeugt werden, wobei die Ionisierung mittels Mikro wellen erfolgen kann. Durch das Zusammenwirken der Mikrowellen mit Magnetfeldern kann eine Elektronen-Zyklotron-Resonanz entstehen, die eine Verbesserung des Ionisa tionsgrades der Teilchen bewirkt, die auf das Target hin beschleunigt werden.

Es ist bereits eine Vorrichtung für die Erzeugung eines regelmäßigen Mikrowellenfeldes bekannt, die einen Hohlraumresonator aufweist, in den Mikrowellen eingegeben und aus dem elektromagnetische Energie ausgekoppelt wird (EP-A1-0 486 943). Hierzu sind in dem Hohlraumresonator spezielle Koppelelemente vorgesehen, die in einem Abstand von λ/4 angeordnet sind und sowohl in den Hohlraumresonator als auch in einen Plasmaraum ragen.

Diese Koppelelemente haben somit die Funktion einer Primärantenne, die in den Hohl raumresonator hineinragt, sowie die Funktion einer Sekundärantenne, die in den Plasma raum hineinragt. Zwischen dem Hohlraumresonator und dem Plasmaraum ist eine Trenn wand vorgesehen, durch die eine Stromdurchführung gelegt ist, welche die Primär- und die Sekundärantenne miteinander verbindet (DE-OS 40 37 090).

Treten die Mikrowellen in den Plasmaraum ein und befindet sich dort ein Magnetfeld, so kann eine Elektronen-Zyklotron-Resonanz entstehen (vgl. Fig. 3 der EP-A1-0 486 943). Das Magnetfeld wird durch zwei Dauermagnete erzeugt, welche ein Eintrittsfenster von Mikrowellen einschließen und einen Winkel von 90° zueinander bilden.

Nachteilig ist hierbei, daß kein Sputtern möglich ist, weil keine Beschleunigungsspannung angelegt werden kann.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, bei der Mikrowellen von einem ersten in einen zweiten Raum transferiert werden und in dem zweiten Raum ein Sputterprozeß stattfindet.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß höchste Sputter raten aufgrund höchster Plasmadichte erreicht werden. Außerdem werden relativ geringe Sputterspannungen benötigt, was einen sehr gleichmäßigen Schichtaufbau zur Folge hat.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im fol genden näher beschrieben.

In der Figur ist eine Sputteranlage 1 dargestellt, die ein Gehäuse 2 aufweist, in dem eine Plasmakammer 3 angeordnet ist. Die Plasmakammer 3 ist mit einer Öffnung 4 versehen, durch die Plasma auf ein Substrat 5 gelangen kann, wo es eine dünne Schicht 6 bildet. Die sem Substrat 5 liegen zwei Targets 7, 7′ gegenüber. Es ist jedoch auch möglich, statt zweier Targets nur ein z. B. ovales Target vorzusehen, d. h. die Sputteranlage 1 kann einen rechteckigen oder einen ovalen Querschnitt haben. Das Target 7 ist mit einer als Kathode dienenden Targethalterung 8, 8′ verbunden, die über eine Leitung 9, 10 an negativem Gleichstrompotential liegt. Die Targethalterung 8 ist mit Kühlleitungen 11, 12 verbunden, durch die Kühlwasser einströmt bzw. ausströmt. Diese Kühlleitungen 11, 12 sind in elek trischen Isolatoren 13, 14 eingebettet, die sich ihrerseits in einer kombinierten Grund- und Jochplatte 15 befinden. An dieser Grund- und Jochplatte 15 sind nach innen ragende Vor sprünge 16 bis 19 vorgesehen, die Dauermagnete 20 bis 23 tragen. Jeweils zwei Dauer magnete 20, 21 bzw. 22, 23 von unterschiedlichem Potential schließen ein Target 7, 7′ ein. Zwischen den inneren Dauermagneten 21, 22 ist eine Schleife 24 angeordnet, die Mikro wellenenergie einkoppelt. Diese Schleife ist durch einen Isolator 26 in der Grund- und Jochplatte 15 geführt und bildet außerhalb der Plasmakammer 3 eine zweite Schleife 27, die in einem Hohlraumresonator 28 angeordnet ist. Mehrere dieser Schleifen 24 bis 27 können hintereinander angeordnet sein, wie es z. B. die Fig. 1 und 2a der EP- A1-0 486 943 zeigen. In den Hohlraumresonator 28 werden Mikrowellen mit Hilfe eines nicht dargestellten Mikrowellenoszillators eingegeben. Die Einstrahlung der Mikrowellen erfolgt hierbei z. B. in die Zeichenebene hinein.

Die Targets 7, 7′ können beispielsweise aus einem Material mit hoher Affinität zu einem Reaktivgas bestehen. Während des Sputterprozesses bewirken die Felder der Magnete 22, 23 bzw. 20, 21 in Verbindung mit der eingestrahlten Mikrowelle eine Elektronen-Zyklotron-Resonanz, die ihrerseits eine Intensivierung des Sputterpro zesses bewirkt.

Die Ionen, welche auf die Targets 7, 7′ beschleunigt werden, entstehen u. a. aus Gas teilchen, die aus Behältern 30, 31 über Ventile 32, 33 und Einlässe 34, 35 in eine Kammer 36 gelangen, in welcher sich die Plasmakammer 3 mit der Öffnung 4 befin det. Die Beschleunigungsspannung für die erzeugten Ionen liegt zwischen den Target haltern 8, 8′ und einer Anode 37 an, die ebenfalls eine Öffnung 38 aufweist. Dieser Anode 37 ist eine Blende 39 nachgeschaltet.

Das Gehäuse 2 liegt an Masse 40, wobei zwischen dieser Masse 40 und der Anode 37 ein Widerstand 41 geschaltet ist. Von der Anode 37 führt eine elektrische Verbindung zum Pluspol einer Gleichstromquelle 42, deren Minuspol über eine Parallelschaltung aus Spule 45 und Widerstand 46 an den Targethaltern 8, 8′ liegt. Zwischen dem Ver bindungspunkt 47 zwischen Spule 45 und Widerstand 46 und dem Pluspol der Span nungsquelle 42 ist eine Spule 48 vorgesehen, zu der zwei parallelgeschaltete Konden satoren 49, 50 in Reihe liegen. Die aus den Elementen 41, 45, 46, 48, 49, 50 bestehen de Schaltung verhindert, daß es zwischen den Targets 7, 7′ und der Anode 37 zu Überschlägen kommt.

Solche Überschläge, auch "Arcing" genannt, treten beim Sputtern oder Zerstäuben von Silizium-Targets, deren Si-Atome mit Sauerstoff zu SiO₂ reagieren, das sich als Schicht 6 auf dem Substrat 5 niederschlägt, relativ häufig auf. Indem die Beschleuni gungsspannung reduziert wird, wird die Arcinghäufigkeit ebenfalls reduziert. Eine weitere Reduktion bewirkt die elektrische Beschaltung.

Bei niedriger Beschleunigungsspannung bilden sich besonders homogene Schichten 6 aus. Allerdings sinken bei niedriger Spannung auch der Entladestrom und die Sputter ausbeute. In erster Näherung ist die Niederschlagsrate D proportional zur Sputter leistung N

D∼N = U²/R,

wobei U die Sputterspannung zwischen Anode und Kathode und R die Entlade impedanz ist. Die Entladeimpedanz ist aber umgekehrt proportional zur Plasmadichte vor dem Target. Wird folglich durch eine Elektronen-Zyklotron-Resonanz das Plasma dichter, so sinkt die Entladeimpedanz. Man erreicht auf diese Weise schon bei sehr geringer Spannung U hohe Sputterleistungen und damit Depositionsraten.

Claims

1. Vorrichtung für die Erzeugung von Plasma, insbesondere zum Beschichten von Substraten, mit

1.1 einem Hohlraumresonator (28), in den Mikrowellenenergie eingespeist wird;
1.2 einer Kammer (3), in der Plasma erzeugt wird;
1.3 eine Trennwand (15) zwischen dem Hohlraumresonator (28) und der Kammer (3);
1.4 eine Koppeleinrichtung (24, 27), die elektromagnetische Energie von dem Hohlraumresonator (28) in die Kammer (3) einkoppelt;
1.5 wenigstens einem Permanentmagneten (20), dessen Magnetfeld in die Kammer (3) ragt;

dadurch gekennzeichnet, daß in der Kammer (3) wenigstens ein Target (7) vorgesehen ist, das mit einem An schluß einer Gleichstromquelle (42) in elektrischer Verbindung steht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (15) auf ihrer in die Kammer (3) gerichteten Unterseite mit wenigstens einem Permanent magneten (20) versehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (15) mehrere Vorsprünge (16 bis 19) aufweist, auf denen Permanentmagneten (20 bis 23) angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (15) auf ihrer Unterseite wenigstens zwei Vorsprünge (16, 17) mit jeweils gegensätzlich gepolten Dauermagneten (20, 21) aufweist und daß sich zwischen diesen Dauer magneten (20, 21) ein Target (7) befindet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (15) auf ihrer Unterseite vier Magnete (20 bis 23) aufweist, von denen jeweils zwei (20, 21 bzw. 22, 23) unterschiedliches Potential besitzen und zwischen sich ein Target (7, 7′) einschließen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Targets (7, 7′) Koppelelemente (24) vorgesehen sind, welche Mikrowellenenergie in den Plasmaraum (3) einkoppeln.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (7 bzw. 7′) mit einer Targethalterung (8, 8′) verbunden ist, die an negativem Potential liegt und von einem Kühlmedium durchströmt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldstärke des Dauermagneten und die Mikrowelle so ausgelegt sind, daß sich eine Elektronen- Zyklotron-Resonanz herausbildet.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Katho de (8, 8′) und der Anode (37) der Sputteranlage (1) eine Schaltungsanordnung (45, 46, 48, 49, 50) zum Verhindern von Überschlägen ("Arcing") vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Target (7) ein Substrat (5) gegenüberliegt und zwischen Substrat (5) und Target (7) eine Blende (39) und eine Anode (37) mit einer Öffnung (38) angeordnet sind.