DE4310241A1 - Vorrichtung zur Kathodenstrahlzerstäubung, die ein durch Mikrowellen erzeugtes Plasma verwendet - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Katho­ denstrahlzerstäubungsvorrichtung.

Sie bezieht sich auf die Herstellung von dünnen Schich­ ten, die für mikroelektronische Anwendungen bestimmt sind, und auch auf die Herstellung von dünnen Schichten für opti­ sche Vorrichtungen.

Im Gebiet der Kathodenstrahlzerstäubung findet die Ver­ wendung eines durch eine angehängte Quelle erzeugten Plasmas schon seit langem in den "Trioden" genannten Systemen Ver­ wendung.

Das Interesse an solchen Systemen besteht darin, die Pa­ rameter für die Plasmaerzeugung von den Parametern für die Kathodenstrahlzerstäubung zu entkoppeln.

Unter den Bedingungen einer Elektronenzyklotronresonanz erlaubt eine Mikrowellenentladung ein Plasma mit einem höhe­ ren Ionisationsgrad bei einem niedrigeren Druck als die klassischen Entladungen zu erhalten.

Eine mittels einer Diode durchgeführte Zerstäubung wird bei einem Druck in der Größenordnung von 1 Pa durchgeführt, und eine mittels eines Magnetrons durchgeführte Zerstäubung wird bei einem Druck in der Größenordnung von 10^-1 Pa durch­ geführt, während man durch eine Mikrowellenentladung unter den Bedingungen einer Elektronenzyklotronresonanz ein Plasma bei einem Druck in der Größenordnung von 10^-2 Pa erzeugen kann.

Das Interesse, bei niedrigem Druck zu arbeiten, liegt darin, die Verschmutzung der gebildeten Schichten und die Thermalisierung der zerstäubten Teilchen zu minimieren.

Die Verbindung einer Mikrowellenentladung und einer Ka­ thodenstrahlzerstäubung wurde bereits gemacht.

Eine solche Verbindung ist zum Beispiel im folgenden Do­ kument offengelegt:

Der Artikel von T. ONO et al. in "Japanese Journal of Applied Physics", Band 23, Nr. 8, August 1984, Seiten L534 bis L536.

Dieses Dokument beschreibt ein Plasmaabscheidungssystem unter Elektronenzyklotronresonanzbedingungen.

In diesem System, das schematisch in Fig. 3 dargestellt ist, wird das Plasma in einer speziellen Kammer 2 erzeugt, in die die Mikrowellen MO durch ein Quarzfenster 4 einge­ führt werden.

Magnete 6, die in dem in dieser Fig. 3 gezeigten Bei­ spiel aus Magnetspulen bestehen, sind um diese Kammer 2 herum angeordnet.

Diese Magnete erlauben, ein Magnetfeld von 875×10^-4 T zu erzeugen, das zum Erhalt der Elektronenzyklotronresonanz notwendig ist.

Dieses Magnetfeld dient außerdem dazu, einen Plasmafluß aus der Entladungskammer 2 zu führen.

Nach dem Herausführen gelangt dieses Plasma in das In­ nere einer zylindrischen Kathode 8, die durch geeignete Mit­ tel 10 negativ polarisiert ist und die daher zerstäubt wird.

Die aus dieser Zerstäubung resultierenden Teilchen dif­ fundieren in alle Richtungen und insbesondere auf das Sub­ strat oder die Substrate 10, die in einer Abscheidungsein­ fassung angeordnet sind.

Ein Teil dieser Teilchen wird in dem Plasma ionisiert und von diesen negativ selbstpolarisierten Substraten ange­ zogen.

Man sieht außerdem in der Fig. 3 Kanäle c1 für die Zir­ kulation eines Kühlfluids für das System, Kanäle c2 zum Ein­ führen von für die Kathodenstrahlzerstäubung notwendigen Ga­ sen in das System und Kanäle c3 zum Pumpen dieser Gase.

Das systematisch in Fig. 3 dargestellte System erlaubt, dichte Abscheidungen mit guten Eigenschaften ohne Erwärmung der Substrate zu erhalten.

Jedoch besitzt dieses bekannte System auch verschiedene Nachteile:

• - Da die Mikrowellen durch ein Quarzfenster eingeführt werden, bedeckt sich dieses Fenster mit einer Abscheidung und diese Abscheidung ist entsprechend der Natur des zer­ stäubten Materials geeignet, eine Abschirmung für die Mikro­ wellen zu bilden was eine Verwendungsbeschränkung dar­ stellt.
• - Da die Entladung unter den Elektronenzyklotronreso­ nanzbedingungen in einer besonderen Kammer stattfindet, ist das Plasma in dieser besonderen Kammer am dichtesten und nicht am Punkt seiner Verwendung, welcher die Kathode ist, woraus ein Wirkungsverlust resultiert.
• - Das für die Resonanz notwendige Magnetfeld ist auf das Substrat oder die Substrate gerichtet, und die energeti­ schen, ionisierten Teilchen, deren Trajektorien sich um die Feldlinien winden, werden daher auf diese Substrate gerich­ tet, und entsprechend der Energie dieser Teilchen riskiert man, daß Fehler in den abgeschiedenen Schichten erzeugt wer­ den.
• - Die Gleichförmigkeit der Abscheidung ist mit ±5° auf einen Durchmesser von 10 Zentimetern gegeben, was für be­ stimmte Anwendungen klar nicht ausreichend ist, insbesondere in der Optik, wo man Gleichförmigkeiten in der Größenordnung von 1% auf Durchmessern größer als 10 Zentimeter erhalten muß.
• - Entsprechend der Natur des zu zerstäubenden Materials ist die Herstellung einer zylindrischen Kathode nicht sehr einfach.

Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, diese pro­ bleme zu lösen.

Sie hat zum Gegenstand eine Kathodenstrahlzerstäubungs­ vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie umfaßt:

• - eine gerade Anzahl, wenigstens gleich 4, von ebenen Targets, die zu zweien einander gegenüberliegen und einen polyederhohlraum begrenzen, wobei die Basis dieses Hohlraums frei ist,
• - Magnete, die jeweils mit den Targets verbunden sind und zum Erzeugen eines Magnetfelds in dem Hohlraum vorgese­ hen sind, wobei jeder Magnet gegenüber dem entsprechenden Target außerhalb des Hohlraums angeordnet ist,
• - wenigstens eine in diesem Hohlraum befindliche, paral­ lel zu den Targets angeordnete Mikrowellenantenne, wobei diese Antenne dazu vorgesehen ist, eine Mikrowellenentladung in dem Hohlraum zu erzeugen und in diesem dank eines in die­ sen Hohlraum eingeführten, Plasma-erzeugenden Gases ein Plasma zu erzeugen, und
• - einen Substratträger, der gegenüber der freien Basis des Hohlraums angeordnet ist und der dazu bestimmt ist, ein Substrat zu halten, das man mit Material bedecken möchte, aus dem die Targets bestehen.

Vorzugsweise umfaßt die erfindungsgemäße Vorrichtung au­ ßerdem Abdeckungen, die jeweils mit den Targets verbunden sind, wobei jede Abdeckung die zu zerstäubende Oberfläche des entsprechenden Targets begrenzt.

Dies ermöglicht, die Form der Targets zu optimieren, um eine gute Dickengleichförmigkeit der Abscheidung auf dem Substrat zu erhalten.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann außerdem Vorrich­ tungen zum Drehen des Substratträgers um seine Achse umfas­ sen.

Der Substratträger kann elektrisch leitend sein, und die Vorrichtung kann außerdem Vorrichtungen zum Polarisieren dieses Substratträgers umfassen.

Vorzugsweise umfaßt die Vorrichtung Vorrichtungen, die vorgesehen sind, die von den Magneten erzeugten magnetischen Feldlinien auf den Flächen derjenigen Magnete, die auf der gegenüberliegenden Seite der Targets liegen, zu schließen.

Dies erlaubt den Einschluß des Magnetfelds zwischen den Targets zu verbessern.

Schließlich sind die Magnete vorzugsweise so ausgewählt, daß das durch diese erzeugte Magnetfeld ungefähr gleich 875×10^-4 T auf der Höhe der Mikrowellenantenne beträgt.

Die vorliegende Erfindung wird durch die Lektüre der Be­ schreibung von Ausführungsbeispielen, die hiernach lediglich beispielhaft und keinesfalls einschränkend gegeben sind, un­ ter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen besser ver­ standen werden.

Fig. 1 ist eine schematische Draufsicht auf ein speziel­ les Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kathoden­ strahlzerstäubungsvorrichtung.

Fig. 2 ist ein schematischer, longitudinaler Querschnitt durch die in Fig. 1 gezeigte und in eine Abscheidungseinfas­ sung integrierte Vorrichtung.

Fig. 3 ist eine schematische Ansicht einer bekannten und zuvor beschriebenen Kathodenstrahlzerstäubungsvorrichtung.

Die erfindungsgemäße Kathodenstrahlzerstäubungsvorrich­ tung, die schematisch in einer Draufsicht in Fig. 1 darge­ stellt ist, umfaßt:

• - vier ebene Targets 16,17, 18 und 19, die sich jeweils zu zweien gegenüberliegen,
• - einen Substratträger 20,
• - einen magnetische Struktur, die aus vier identischen Magneten 21, 22, 23, 24 besteht, und
• - wenigstens eine Mikrowellenantenne 25.

Die ebenen Targets 16 bis 19 begrenzen einen Hohlraum in der Form eines rechtwinkligen parallelepipeds, wobei die oberen und unteren Flächen dieses Hohlraums frei, das heißt offen, sind.

Die Targets 16 bis 19 sind polarisiert, entweder ge­ trennt oder gemeinsam, um zerstäubt zu werden.

Die Targets 16, 17, 18 und 19 sind jeweils mit Abdeckun­ gen 16a, 17a, 18a und 19a versehen, die elektrisch leitend und auf Masse gelegt sind.

Jede Abdeckung ist vorgesehen, die zu zerstäubende Ober­ fläche auf jedem Target, das mit dieser Abdeckung verbunden ist, zu begrenzen.

So kann man die Form des Targets optimieren, um eine gute Dickengleichförmigkeit der Abscheidung auf dem Substrat oder den Substraten 26, die auf dem Substratträger 20 ange­ ordnet sind, zu erhalten.

Der Substratträger 20 ist unter der unteren, offenen Fläche des von den Targets begrenzten Hohlraums derart ange­ ordnet, daß das Substrat 26, das er trägt, parallel zu den freien Flächen des von diesem Hohlraum geformten Paral­ lelepipeds ist.

Es sind nicht dargestellte Vorrichtungen zum Regeln des Abstands zwischen dem Substrat und den Targets vorgesehen.

Die durch einen Pfeil F gekennzeichneten Vorrichtungen in Fig. 2 sind vorgesehen, um den Substratträger 20 (und so­ mit das Substrat 26) um seine Achse X, die mit der Achse Y des durch die Targets begrenzten Hohlraums zusammenfällt, zu drehen.

Der Substratträger 20 kann elektrisch leitend sein und über geeignete Vorrichtungen 28 auf ein festes Potential ge­ legt sein.

Die vier identischen Magnete 21, 22, 23 und 24 sind je­ weils hinter den entsprechenden Targets angeordnet.

Genauer befindet sich jeder Magnet gegenüber einer Seite des entsprechenden Targets, dessen andere Seite eine der Seiten des Hohlraums bildet.

Wie man in Fig. 1 sieht, sind die Nord- (N) und Süd- (S) Pole der Magnete so angeordnet, daß, wenn man die dem Inne­ ren des Hohlraums gegenüberstehenden Pole betrachtet, die nächsten pole entgegengesetzt sind.

Auf diese Weise schließt sich das von den Magneten er­ zeugte Magnetfeld von einem Magneten zu den nächsten, be­ nachbarten Magneten.

Das Magnetfeld ist somit zwischen den Targets 16 bis 19 eingeschlossen, und man minimiert die Magnetfeldverluste in Richtung des Substrats 26.

Der Einschluß des Magnetfelds kann verbessert werden, indem man den magnetischen Fluß hinter den Magneten schließt.

Um dies durchzuführen, verwendet man, wie man es in Fig. 1 sieht, ein Gehäuse 30, das aus einem magnetischen Material besteht und dessen innere und obere Seiten offen sind.

Dieses Gehäuse 30 ist in Kontakt mit den Seiten der Ma­ gnete, die zur Außenseite des von den Targets begrenzten Hohlraums gerichtet sind.

In dem dargestellten Beispiel ruht, wie man es in Fig. 2 sieht, jedes Target mit seiner peripherie auf einem Target­ träger 32, der elektrisch leitend ist und mit Polarisations­ vorrichtungen 34 verbunden ist, die vorgesehen sind, das entsprechende Target auf eine geeignete Spannung zu bringen, die die Zerstäubung dieses Targets ermöglicht; der diesem Target entsprechende Magnet ist in dem durch diesen Target­ träger und das entsprechende Target begrenzten Raum angeord­ net; in diesem Beispiel ist jede Abdeckung gleichfalls dazu vorgesehen, eine parasitäre Zerstäubung des entsprechenden Targetträgers zu verhindern.

Kühlvorrichtungen durch Zirkulation 16b, 17b, 18b und 19b sind jeweils mit den Targets 16, 17, 18 und 19 verbunden und zum Abkühlen derselben vorgesehen, wie man in Fig. 1 sieht (diese Kühlvorrichtungen sind in Fig. 2 nicht darge­ stellt).

Die Fig. 2 stellt schematisch die Integration der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung in einer Abscheidungsein­ fassung 36 dar.

Diese Einfassung 36 ist dicht und über Kanäle 38 mit nicht dargestellten Pumpvorrichtungen verbunden, die ermög­ lichen, in der Einfassung 36 einen für die Kathodenstrahl­ zerstäubung geeigneten Druck herzustellen.

Man sieht in Fig. 2 außerdem eine Röhre 40, die ermög­ licht, ein Plasma-erzeugendes Gas in die Einfassung 36 zu leiten.

In der Erfindung verwendet man, wie man gesehen hat, eine Mikrowellenantenne, die in Fig. 1 das Bezugszeichen 25 trägt und die in dem durch die Targets begrenzten Hohlraum angeordnet ist, wobei diese Antenne parallel zu den Targets ist.

Man kann indessen auch mehrere Mikrowellenantennen ver­ wenden, was in der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Vor­ richtung der Fall ist, bei der man vier Mikrowellenantennen verwendet, also die Antenne 25 und drei weitere Mikrowellen­ antennen mit den Bezugszeichen 42, 44 und 46.

Diese Antennen 25, 42, 44 und 46 sind in dem durch die Targets begrenzten Hohlraum angeordnet und sind parallel zu den Targets und diesen nahe.

Die Mikrowellenantennen erzeugen eine Mikrowellenentla­ dung und erzeugen somit ein Plasma in dem Hohlraum dank des in diesen eingeführten Gases.

Da dieses Plasma von dem Magnetfeld eingeschlossen wird, verfügt man über ein dichtes Plasma auf der Höhe der Targets und daher an der Stelle, an der das Plasma verwendet wird.

Wie man in Fig. 2 sieht, werden die Antennen 25, 42, 44 und 46 durch ein Magnetron 48 über einen Mikrowellenleiter 50 und Koaxialkabel 52 mit elektromagnetischer Energie ver­ sorgt.

Das Gehäuse 30 ist von den Wänden der Einfassung ge­ trennt und ruht auf dieser mittels elektrisch isolierender Träger 54.

In der Tat sind Kurzschlußströme zwischen den Targets und der Einfassung 36, die im allgemeinen aus einem elek­ trisch leitenden Material besteht (und auf Masse gelegt ist), zu vermeiden.

Natürlich sind in diesem Fall elektrisch isolierende Durchgänge für die Verbindungen zwischen den Polarisations­ vorrichtungen 34 (im allgemeinen außerhalb der Einfassung 36) und den Targetträgern (die sich im Innern der Einfassung 36 befinden) vorgesehen; gleichfalls sind die Mikrowellenan­ tennen in dem Beispiel der Fig. 2 an dem oberen Teil der Einfassung 36 befestigt und durch geeignete, nicht darge­ stellte Mittel elektrisch von dieser isoliert.

Um die Ionisationswirksamkeit zu erhöhen, sind die hin­ ter den Targets angeordneten Magnete vorzugsweise so ausge­ wählt, daß das auf der Höhe der Antennen erhaltene Magnet­ feld 875×10^-4 T beträgt, welches die für die Elektronenzyklo­ tronresonanz mit einer Mikrowellenfreguenz von 2,45 GHz (industriell erlaubte Frequenz) notwendige Feldstärke ist.

In der Tat sei in Erinnerung gebracht, daß diese in Hertz ausgedrückte Freguenz gleich der in T ausgedrückten magnetischen Feldstärke multipliziert mit einem Koeffizien­ ten gleich 2,8×10¹⁰ ist, so daß man, wenn diese Freguenz gleich 2,45 GHz ist, effektiv ein Magnetfeld mit 875×10^-4 T erhält.

Man könnte mehr als 4 Targets verwenden, nämlich eine gerade Anzahl von Targets (damit sich die magnetischen Feld­ linien schließen können), wobei diese Targets zu zweien ein­ ander gegenüberliegen und einen Hohlraum von Polyederform begrenzen.

Claims (6)

1. Kathodenstrahlzerstäubungsvorrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie umfaßt:

• - eine gerade Anzahl, wenigstens gleich 4, von ebenen Targets (16, 17, 18, 19), die zu zweien einander gegenüber­ liegen und einen Polyederhohlraum begrenzen, wobei die Basis dieses Hohlraums frei ist,
• - Magnete (21, 22, 23, 24), die jeweils mit den Targets verbunden sind und zum Erzeugen eines Magnetfelds in dem Hohlraum vorgesehen sind, wobei jeder Magnet gegenüber dem entsprechenden Target außerhalb des Hohlraums angeordnet ist,
• - wenigstens eine in diesem Hohlraum befindliche, paral­ lel zu den Targets angeordnete Mikrowellenantenne (25, 42, 44, 46), wobei diese Antenne dazu vorgesehen ist, eine Mi­ krowellenentladung in dem Hohlraum zu erzeugen und in diesem dank eines in diesen Hohlraum eingeführten, Plasma-erzeu­ genden Gases ein Plasma zu erzeugen, und
• - einen Substratträger (20), der gegenüber der freien Basis des Hohlraums angeordnet ist und der dazu bestimmt ist, ein Substrat (26) zu halten, das man mit Material be­ decken möchte, aus dem die Targets bestehen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem Abdeckungen (16a, 17a, 18a, 19a), die je­ weils mit den Targets (16, 17, 18, 19) verbunden sind, um­ faßt, wobei jede Abdeckung die zu zerstäubende Oberfläche des entsprechenden Targets begrenzt.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem Vorrichtungen (F) zum Dre­ hen des Substratträgers (20) um seine Achse (X) umfaßt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Substratträger (20) elektrisch leitend ist und daß die Vorrichtung außerdem Vorrichtungen (28) zum polarisieren dieses Substratträgers umfaßt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem Vorrichtungen (30) umfaßt, die vorgesehen sind, die von den Magneten (21, 22, 23, 24) erzeugten magnetischen Feldlinien auf den Flächen derjenigen Magnete, die auf der gegenüberliegenden Seite der Targets liegen, zu schließen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete (21, 22, 23, 24) so ausge­ wählt sind, daß das durch diese erzeugte Magnetfeld ungefähr gleich 875×10^-4 T auf der Höhe der Mikrowellenantenne (25, 42, 44, 46) beträgt.