DE4239843A1 - Appts for sputter coating substrates - using microwave resonator to improve coating - Google Patents

Appts for sputter coating substrates - using microwave resonator to improve coating

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DE4239843A1 DE19924239843 DE4239843A DE4239843A1 DE 4239843 A1 DE4239843 A1 DE 4239843A1 DE 19924239843 DE19924239843 DE 19924239843 DE 4239843 A DE4239843 A DE 4239843A DE 4239843 A1 DE4239843 A1 DE 4239843A1
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Abstract

Appts for plasma sputter coating consists of a hollow resonator (28) into which microwave energy is fed; a chamber (3) in which a plasma is produced; a separation wall (15) between the resonator and chamber; a coupling device (24,27) which transfers the electromagnetic energy from the resonator into the chamber; and at least one set of permanent magnets (20,21) which creates a magnetic field in the chamber with a target (7) between them which is connected to the negative pole of an electrical DC source (72). The appts. has pref. several permanent magnets with targets between two magnets forming a pair. The coupling element (24) for the microwave energy is located between two targets. Each target has a holder (8,8") which is connected to the negative pole of the energy source and has a chamber for coolant flow. The field strength of the permanent magnets and the microwave source are adjusted so that an electron-cyclotron-resonance is produced. ADVANTAGE - Due to the combination of the antenna coupling and sputter magnetron, high plasma densities are created leading to high sputter rates. Very uniform coatings can be produced at relative low sputter voltages.

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.In order to be able to provide substrates with thin layers of certain materials often used the sputtering process, in which particles are knocked out of a target which are then deposited on the substrate. Knocking out the particles the target is carried out by means of charged particles which are accelerated onto the target, which is mostly at negative potential. The charged particles can be made from new central gases etc. are generated by ionization, the ionization using micro waves can occur. By the interaction of microwaves with magnetic fields an electron cyclotron resonance can arise, which improves the ionisa degrees of particle effects, which are accelerated towards the target.

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.It is already a device for generating a regular microwave field known, which has a cavity, entered in the microwaves and off which electromagnetic energy is coupled out (EP-A1-0 486 943). For this purpose, in the cavity resonator provided special coupling elements that are at a distance of λ / 4 are arranged and both in the cavity and in a plasma room protrude.

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). These coupling elements thus have the function of a primary antenna, which is in the hollow room resonator protrudes, as well as the function of a secondary antenna that enters the plasma space protrudes. There is a separator between the cavity resonator and the plasma space wall provided through which a current feedthrough is placed, which the primary and Connects secondary antenna with each other (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.If the microwaves enter the plasma space and there is a magnetic field there, an electron cyclotron resonance can arise (cf. FIG. 3 of EP-A1-0 486 943). The magnetic field is generated by two permanent magnets, which enclose an entry window for microwaves and form an angle of 90 ° to one another.

Nachteilig ist hierbei, daß kein Sputtern möglich ist, weil keine Beschleunigungsspannung angelegt werden kann.The disadvantage here is that no sputtering is possible because there is no acceleration voltage can be created.

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.The invention is therefore based on the object of providing a device in which Microwaves are transferred from a first to a second room and in the a sputtering process takes place in the second room.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved in accordance with the features of patent claim 1.

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.The advantage achieved with the invention is in particular that the highest sputtering rates can be achieved due to the highest plasma density. It will also be relatively minor Sputter tensions are required, which results in a very even layer structure.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im fol­ genden näher beschrieben.An embodiment of the invention is shown in the drawing and is in fol described in more detail.

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.In the figure, a sputtering system 1 is shown, which has a housing 2 in which a plasma chamber 3 is arranged. The plasma chamber 3 is provided with an opening 4 through which the plasma can reach a substrate 5 , where it forms a thin layer 6 . The sem substrate 5 are two targets 7 , 7 'opposite. However, it is also possible to use only one z instead of two targets. B. provide oval target, ie the sputtering system 1 can have a rectangular or an oval cross-section. The target 7 is connected to a target holder serving as a cathode 8 , 8 ', which is connected via a line 9 , 10 to negative DC potential. The target holder 8 is connected to cooling lines 11 , 12 through which cooling water flows in and out. These cooling lines 11 , 12 are embedded in electrical isolators 13 , 14 , which in turn are located in a combined base and yoke plate 15 . On this base and yoke plate 15 protruding inward projections 16 to 19 are provided, which carry permanent magnets 20 to 23 . Each two permanent magnets 20 , 21 and 22 , 23 of different potential include a target 7 , 7 '. Between the inner permanent magnets 21 , 22 , a loop 24 is arranged, the micro wave energy is coupled. This loop is guided through an insulator 26 in the base and yoke plate 15 and forms a second loop 27 outside the plasma chamber 3 , which is arranged in a cavity resonator 28 . Several of these loops 24 to 27 can be arranged one behind the other, as z. B. FIGS . 1 and 2a of EP-A1-0 486 943 show. Microwaves are input into the cavity resonator 28 with the aid of a microwave oscillator (not shown). The microwaves are irradiated here, for. B. into the drawing plane.

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.The targets 7 , 7 'can for example consist of a material with a high affinity for a reactive gas. During the sputtering process, the fields of the magnets 22 , 23 and 20 , 21 in conjunction with the irradiated microwave cause an electron cyclotron resonance, which in turn causes an intensification of the sputtering process.

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.The ions, which are accelerated to the targets 7 , 7 ', arise, among other things, from gas particles that come from containers 30 , 31 via valves 32 , 33 and inlets 34 , 35 into a chamber 36 , in which the plasma chamber 3 with the Opening 4 is det. The acceleration voltage for the ions generated is between the target holders 8 , 8 'and an anode 37 , which also has an opening 38 . This anode 37 is followed by an aperture 39 .

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.The housing 2 is connected to ground 40 , a resistor 41 being connected between this ground 40 and the anode 37 . From the anode 37 leads an electrical connection to the positive pole of a direct current source 42 , the negative pole of which is connected to the target holders 8 , 8 'via a parallel connection of coil 45 and resistor 46 . Between the connection point 47 between the coil 45 and the resistor 46 and the positive pole of the voltage source 42 , a coil 48 is provided, to which two capacitors 49 , 50 connected in parallel are connected in series. The consisting of the elements 41 , 45 , 46 , 48 , 49 , 50 de circuit prevents that there is a flashover between the targets 7 , 7 'and the anode 37 .

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.Such arcing, also called "arcing", occurs relatively frequently when sputtering or sputtering silicon targets whose Si atoms react with oxygen to form SiO 2 , which is deposited as layer 6 on the substrate 5 . By reducing the acceleration voltage, the arcing frequency is also reduced. The electrical circuitry leads to a further reduction.

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 NAt low acceleration voltage, particularly homogeneous layers 6 form . However, the discharge current and the sputtering yield also decrease at low voltage. In a first approximation, the precipitation rate D is proportional to the sputtering power N

D∼N = U2/R,D∼N = U 2 / 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.where U is the sputter voltage between the anode and cathode and R is the discharge is impedance. However, the discharge impedance is inversely proportional to the plasma density in front of the target. Consequently, the plasma is generated by an electron cyclotron resonance denser, the discharge impedance drops. In this way you can reach very well low voltage U high sputtering performance and thus deposition rates.

Claims (11)

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;
1. Device for generating plasma, in particular for coating substrates, with
  • 1.1 a cavity resonator ( 28 ) into which microwave energy is fed;
  • 1.2 a chamber ( 3 ) in which plasma is generated;
  • 1.3 a partition ( 15 ) between the cavity resonator ( 28 ) and the chamber ( 3 );
  • 1.4 a coupling device ( 24 , 27 ) which couples electromagnetic energy from the cavity resonator ( 28 ) into the chamber ( 3 );
  • 1.5 at least one permanent magnet ( 20 ) whose magnetic field projects into the chamber ( 3 );
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. characterized in that in the chamber ( 3 ) at least one target ( 7 ) is provided which is in electrical connection with a connection to a direct current source ( 42 ). 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.2. Device according to claim 1, characterized in that the partition ( 15 ) on its in the chamber ( 3 ) facing the bottom with at least one permanent magnet ( 20 ) is provided. 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.3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the partition ( 15 ) has a plurality of projections ( 16 to 19 ) on which permanent magnets ( 20 to 23 ) are arranged. 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.4. The device according to claim 1, characterized in that the partition ( 15 ) on its underside at least two projections ( 16 , 17 ) each with oppositely polarized permanent magnets ( 20 , 21 ) and that between these permanent magnets ( 20 , 21 ) a target ( 7 ) is located. 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. 5. The device according to claim 1, characterized in that the partition ( 15 ) on its underside has four magnets ( 20 to 23 ), each of which two ( 20, 21 or 22, 23 ) have different potential and a target between them Include ( 7 , 7 '). 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.6. The device according to claim 5, characterized in that between the two targets ( 7 , 7 ') coupling elements ( 24 ) are provided which couple microwave energy into the plasma space ( 3 ). 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.7. The device according to claim 1, characterized in that the target ( 7 or 7 ') with a target holder ( 8 , 8 ') is connected, which is at negative potential and is flowed through by a cooling medium. 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.8. The device according to claim 1, characterized in that the field strength of Permanent magnets and the microwave are designed so that an electron Cyclotron resonance develops. 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.9. The device according to claim 1, characterized in that between the Katho de ( 8 , 8 ') and the anode ( 37 ) of the sputtering system ( 1 ), a circuit arrangement ( 45 , 46 , 48 , 49 , 50 ) for preventing flashovers ( "Arcing") is provided. 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.10. The device according to claim 1, characterized in that the target ( 7 ) is opposite a substrate ( 5 ) and between the substrate ( 5 ) and target ( 7 ) has an aperture ( 39 ) and an anode ( 37 ) with an opening ( 38 ) are arranged.
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