DE4311360A1 - Anordnung zum reaktiven Abscheiden von Werkstoffen als Dünnfilm durch Mittelfrequenz-Katodenzerstäubung - Google Patents

Anordnung zum reaktiven Abscheiden von Werkstoffen als Dünnfilm durch Mittelfrequenz-Katodenzerstäubung

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Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum reaktiven Abscheiden von Werkstoffen als Dünnfilm durch Mittelfrequenz-Katodenzer­ stäubung, jeweils abwechselnd von mehreren Targets mit einem Einlaß für das Reaktivgas in die Prozeßkammer und mit einer den Katoden gegenüberliegenden, elektrisch isolierten Substrathalterung.
Es ist eine Einrichtung für die Beschichtung eines Substrats mit einem Material, das aus einem Plasma gewonnen wird, be­ kannt (DE-OS 38 02 852), wobei sich das Substrat zwischen einer ersten und einer zweiten Elektrode befindet und bei der die erste Elektrode an einem ersten Anschluß einer Wechselstrom­ quelle und die zweite Elektrode an einem zweiten Anschluß der Wechselstromquelle liegt. Die Wechselstromquelle ist in diesem Falle als Streufeldtransformator ausgebildet, der aus einer Schutzgasschweißanlage oder einer ähnlichen geregelten Wechsel­ stromversorgung gespeist wird. Darüberhinaus sind die beiden Elektroden wahlweise auch mit einer Gleichstromversorgung ver­ bindbar.
Weiterhin ist eine Zerstäubungseinrichtung bekannt (DD 2 52 205 A1), bestehend aus einem Magnetsystem und mindestens zwei darüber angeordneten Elektroden, die aus dem zu zerstäubenden Material bestehen und so geschaltet sind, daß sie wechselweise Katode und Anode einer Gasentladung sind, wobei die Elektroden an eine sinusförmige Wechselspannung von vorzugsweise 50 Hz angeschlossen sind. Jeder Elektrode ist dabei ein unabhängiges Magnetsystem zugeordnet, wobei ein Pol des einen Magnetsystems zugleich ein Pol des benachbarten Magnetsystems ist und die Elektroden in einer Ebene angeordnet sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Sputtern von Materialien mit hoher Affinität zu einem Reaktivgas zu schaffen, die einen gleichmäßigen bzw. stabilen Prozeß ermöglicht und auch bei langen Betriebszeiten störungsfrei und insbesondere überschlagsfrei arbeitet und dies bei Abscheidung isolierender Schichten, wie z. B. Al2O3, wobei diese Schichten besonders fest auf dem Substrat haften sollen und ihre Schichtdicken­ verteilung besonders gleichmäßig sein sollen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das sich in unmittelbarer Nachbarschaft der Katoden erstreckende Gaseinlaß- und Verteilungsrohr mit einer Vielzahl von über seine Länge verteilt angeordneten Auslaßdüsen versehen ist, wobei beide Enden des Verteilungsrohres mit der Gasquelle verbunden sind und der Gasströmungskanal des Verteilungsrohres etwa in seinem mittleren Bereich durch eine feste Trennwand unterbrochen ist und das Gas von beiden einander diametral gegenüberliegenden Enden her in die beiden Kanalabschnitte kontrolliert einströmt.
Weitere Einzelheiten und Merkmale sind in den Patentansprüchen näher charakterisiert und gekennzeichnet.
Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausführungsmöglich­ keiten zu; eine davon ist in den anhängenden Zeichnungen sche­ matisch näher dargestellt, die in Fig. 1 den Schnitt durch eine Sputteranlage mit zwei Magnetron-Sputterkatoden und in Fig. 2 die perspektivische Ansicht eines Gasverteilungsrohres zeigen.
In der Zeichnung sind Substrate 1, 1′, 1′′ dargestellt, die jeweils mit einer dünnen Schicht 2, 2′, 2′′ aus einem Oxid (z. B. Aluminiumoxid) versehen werden sollen. Diesen Substraten 1, 1′, 1′′ liegen Targets 3, 3a gegenüber, die zu zerstäuben sind. Jedes Target 3, 3a ist mit einem Katodengrundkörper 11, 11a verbunden, der ein Magnetjoch 4, 4a aufnimmt, das jeweils drei Magnete 19, 19a, 19b bzw. 19c, 19d, 19e aufweist.
Die auf die Targets 3, 3a gerichteten Polaritäten der Pole der sechs Magnete 19a bis 19e wechseln sich ab, so daß jeweils die Südpole der beiden jeweils äußeren Magnete 19, 19b bzw. 19c, 19e mit dem Nordpol der jeweils innenliegenden Magneten 19a bzw. 19d etwa kreisbogenförmige Magnetfelder durch die Targets 3, 3a bewirken. Diese Magnetfelder verdichten das Plasma vor den Targets 3, 3a, so daß es jeweils dort, wo die Magnetfelder das Maximum ihrer Kreisbögen aufweisen, seine größte Dichte hat. Die Ionen im Plasma werden durch elektrische Felder be­ schleunigt, die sich aufgrund einer Wechselspannung aufbauen, die von der Wechsel-Stromquelle 10 abgegeben wird.
Diese Wechsel-Stromquelle 10 weist zwei Anschlüsse 12, 13 auf, die von den Enden einer sekundären Transformatorwicklung 27 gebildet sind und an die beiden Katoden 5, 5a angeschlossen sind. Die beiden Stromleiter 8, 9 der sekundären Transformator­ wicklung 27 sind mit den beiden Targets 3, 3a elektrisch ver­ bunden, wobei in diese Stromleiter Kondensatoren 46, 46a eingeschaltet sind.
Die Targets 3, 3a sind außerdem jeweils über eine Leitung 14, 14a mit einer gegen Erde geschalteten Spannungseffektivwert­ erfassung 20 verbunden, die wiederum über eine zweite Leitung 21 an einen ersten Regler 16 angeschlossen ist, der seiner­ seits über Leitungen 17, 17a mit Absperrventilen 18, 18a in Verbindung steht, die den Zufluß der in den Behältern 22, 23 befindlichen Gase in die Verteilerleitung 6 bzw. 7 bzw. in die Leitungen 6a, 6b, 6c und 6a′, 6b′, 6c′ bzw. 7a, 7b und 7a′, 7b′ kontrollieren. Über eine dritte Leitung 21a ist der Regler 20 mit einem weiteren Regler 21a elektrisch verbunden, von dem aus die Durchflußmesser 29, 29a, 30, 30a, 31, 31a, 45, 45a elektrisch angesteuert werden.
Die Beschichtungskammer 28 ist mit drei zueinander parallel angeordneten Gas-Verteilungsrohre 32, 32a bzw. 33, 33a bzw. 34, 34a versehen, durch die Gase aus den Verteilerleitungen 6 bzw. 7 in die Beschichtungskammer 28 einströmen können. Jedes dieser drei Gas-Verteilungsrohre 32, 32a bzw. 33, 33a bzw. 34, 34a weist einen Längskanal auf, der in der Mitte durch eine Trennwand 44 geschlossen ist, so daß jeweils zwei separate von den gegenüberliegenden Enden aus zugängliche Kanäle 43a, 43b gebildet sind. Im übrigen ist jede Hälfte jedes Gasverteilungsrohrs 32, 32a bzw. 33, 33a bzw. 34, 34a mit Düsen 38, 38′, . . . bzw. 39, 39′ bzw. 40, 40′ versehen.
Die Frequenz der Wechselstromquelle 10 ist während des Sputter­ prozesses so eingestellt, daß die Ionen dem Wechselfeld noch folgen können, was bei einer Frequenz von etwa 1 kHz-100 kHz der Fall ist. Die über die Leitungen 14, 14a abgegriffenen Entladespannungen sind mit Hilfe der Spannungseffektivwerterfas­ sung 20 über die Leitung 21 als Gleichspannung einem ersten Regler 16 zugeführt, der wiederum über die Leitung 17, 17a die Magnetventile 18, 18a für die Zuführung bzw. den Einlaß der Gase ansteuert und zwar derart, daß die gemessene Spannung die erforderliche Gasmenge bestimmt.
Die beiden Magnetronkatoden 5, 5a (Rechteckkatoden) können - wie dies Fig. 1 zeigt - nebeneinander oder aber dachförmig angeordnet sein (nicht näher dargestellt), wobei sie dann z. B. einen Winkel von 168 Grad einschließen. Neben jeder Katode 5, 5a ist aber bei jeder Ausführungsform außen ein Gasverteilungs­ rohr 32, 32a bzw. 34, 34a parallel zu ihren Längsachsen ange­ ordnet. Zwischen beiden Katoden 5, 5a ist außerdem ein Gasver­ teilungsrohr 33, 33a vorgesehen. Diese Gasverteilungseinrich­ tungen bestehen aus Rohren (Fig. 2), in die an mindestens zwei Stellen Gas durch große Öffnungen eingelassen werden kann. In Längsrichtung der Rohre sind eine Vielzahl von kleinen, düsenartigen Bohrungen 38, 38′, . . . bzw. 39, 39′, bzw. 40, 40′, . . . vorhanden, durch die das Gas gleichmäßig in den Prozeßraum 15 verteilt wird bzw. dem Target 3, 3a gleich­ mäßig verteilt zuströmt.
Gegenüber den Katoden 5, 5a befindet sich ein wassergekühlter Substrattisch 41 für die (z. B. statische) Beschichtung. Der Substrattisch besteht aus der eigentlichen wassergekühlten Substrataufnahmeplatte 41, welche durch die Wanne 42 elektrisch isoliert so aufgebaut ist, daß ein elektrisches Potential angelegt werden (DC und/oder HF) und mit einer Dunkelraumabschirmung versehen sein kann.
Für den Prozeß des reaktiven Katodenzerstäubens muß sowohl Argon (oder evtl. ein anderes Inertgas) als Prozeßgas und mindestens ein Reaktivgas (O2 im Fall von Al2O3) in die Pro­ zeßkammer 15 eingelassen werden. Für Argon ist ein Gasfluß­ regler bzw. Durchflußmesser 45, 45a vorgesehen. Von diesem Gasflußregler 45, 45a zweigen Rohrleitungen 7a, 7b etwa gleicher Länge ab und münden jeweils in eines der äußeren Gasverteilungsrohre 32, 34 ein.
Es ist Ziel und Inhalt der Erfindung, das Reaktivgas (oder die Reaktivgase) so in den Prozeßraum bzw. Plasmaraum 15 einzu­ leiten, daß über den gesamten Substratbereich homogene Eigen­ schaften (z. B. Schichtdicke, Transparenz, Härte, . . . ) der zu erzeugenden Schichten 2, 2′, 2′′ erreicht werden und daß diese Homogenität über die Lebenszeit der Targets 3, 3a erhalten bleibt (Langzeitstabilität).
Das Reaktivgas bzw. die Reaktivgase (O2 und/oder N2) werden deshalb über Gasflußmesser 29, 29a bzw. 30, 30a bzw. 31, 31a den Gasverteilungsrohren zugeführt, wobei pro Gasver­ teilungsrohr 32, 32a bzw. 33, 33a bzw. 34, 34a mindestens ein Gasflußmesser 29, 29a bzw. 30, 30a bzw. 31, 31a vorgesehen ist.
Mit der Aufteilung des Reaktivgasflusses auf die beiden äußeren Gasrohre 32, 32a bzw. 34, 34a kann die Querverteilung der Schichteigenschaften eingestellt werden. Das mittlere Gasrohr 33, 33a ist notwendig, um die Schichthomogenität quer zur Ka­ todenlängsachse zu verbessern.
In einer alternativen Ausführungsform können für jedes Gasver­ teilungsrohr jeweils zwei Gasflußmesser für eine Reaktivgas­ sorte vorgesehen sein, die an den zwei Enden in das Gasver­ teilungsrohr einmünden. Zwei (oder mehrere) Gasflußmesser pro Gasverteilungsrohr (und für eine Reaktivgassorte) sind erfah­ rungsgemäß für die Einstellung der Schichthomogenität in Ka­ todenlängsrichtung notwendig.
Im Fall von jeweils einem Gaseinlaß zu jedem Ende der Gasver­ teilungsrohre, kann die Längsverteilung der Schichteigen­ schaften eingestellt werden, indem ein bestimmtes Verhältnis eingehalten wird, zwischen dem Gesamtfluß an Reaktivgas durch alle Gasflußmesser der einen Seite zu dem Gesamtfluß an Reak­ tivgas durch alle Gasflußmesser der anderen Seite. Bei einer Änderung dieses Verhältnisses darf der Gesamtfluß an Reaktiv­ gas durch alle Gasflußmesser nicht geändert werden.
Zur Regelung/Steuerung des Prozesses, z. B. von Al2O3:
Targets Aluminium
Gase Ar, O2
Mittelfrequenzversorgung 1 kHz-100 kHz
aktuell 40 kHz.
Die beiden floatenden Ausgänge der MF-Versorgung 10 sind je mit einer Katode 5, 5a über in Reihe geschaltete Kondensatoren 46, 46a verbunden, die für die verwendete Frequenz niederohmig sind, aber dafür sorgen, daß die Katoden 5, 5a gleich­ spannungsmäßig getrennt sind. Auf diese Weise kann das Gleich­ spannungspotential jeder Katode 5, 5a separat gemessen werden.
Mit Hilfe der Spannungsmeßeinrichtung 20 wird die Entlade­ spannung jeder Katode 5, 5a gegen Masse gemessen. An den ge­ messenen, zeitabhängigen Spannungsverläufen werden zwei Aus­ gangssignale (z. B. 0 . . . 10 V) erzeugt. Das erste Signal ent­ spricht der gemittelten Summe der beiden Spannungsverläufe und wird zur Prozeßregelung benötigt. Das zweite Signal entspricht der gemittelten Differenz der beiden Spannungsverläufe und kann zur Regelung der Homogenität der Schichteigenschaften quer zur Längsrichtung der Katoden verwendet werden.
Das Summensignal wird zur Prozeßregelung verwendet, d. h., über einen ersten Regelkreis wird die Summenspannung konstant gehalten (Arbeitspunktstabilisierung). Durch den Reglerausgang wird der Strom oder die Leistung des MF-Senders festgelegt. Dagegen werden der Gesamtfluß des Reaktivgases (der über die verschiedenen Gasflußmesser 29, 29a bzw. 30, 30a bzw. 31, 31a in der Prozeßkammer 15 verteilt wird) und natürlich der Argonfluß über die Durchflußmesser 45, 45a konstant gehalten.
Einem zweiten Regelkreis wird das Signal der Differenzspannung zugeführt. Dieser Regler steuert die Aufteilung des Reaktivgas­ flusses auf die beiden äußeren Gasverteilungsrohre 32, 32a bzw. 34, 34a derart, daß die gemessene Differenzspannung mit einem gewünschten Sollwert übereinstimmt, wobei der Gesamtfluß durch die äußeren Gasverteilungsrohre konstant bleibt und auch das Verhältnis der Flüsse in Längsrichtung nicht geändert wird.
Damit wird sichergestellt, daß die Eigenschaften der zu er­ zeugenden Schichten quer zur Längsrichtung der Katoden 5, 5a homogen sind und daß diese Homogenität der Eigenschaften über einen langen Zeitraum (Targetabbrand) erhalten bleibt.
Um auch eine Langzeitstabilisierung der Schichthomogenität in Längsrichtung der Katoden 5, 5a zu erreichen, ist eine Mes­ sung, z. B. der Schichtdicke, jeweils am rechten und linken Ende des Substratbereiches vorgesehen. Über einen weiteren Regelkreis (nicht näher dargestellt) kann durch Verstellen des Verhältnisses der Reaktivgasflüsse rechts/links eine konstante Schichtdicke in Längsrichtung aufrecht erhalten werden. Die Messung kann mittels Schwingquarzen oder auch optisch er­ folgen.
Zur Langzeitstabilisierung der Abscheiderate werden zwei Möglichkeiten berücksichtigt, mit dem Ziel, die Leistung bzw. den Strom des MF-Senders über längere Zeiträume (Target­ alterung) konstant zu halten. Diese Stabilisierung wird über einen weiteren Regelkreis erreicht, der
  • 1. entweder den Summenspannungswert (Arbeitspunkt),
  • 2. oder den Gesamtfluß des Reaktivgases geeignet ändert, so daß die Leistungs-/Spannungsdrift ver­ hindert wird.
Die Vorrichtung zielt vor allem auf das Sputtern von Aluminium­ oxidschichten (Al2O3).
Die Arbeitspunktstabilisierung wird über die Leistung bzw. den Strom des MF-Senders erreicht.
Die drei Gaseinlaßrohre 32, 32a bzw. 33, 33a bzw. 34, 34a, die im Regelfall durch mindestens je zwei Gasflußregler 29, 29a bzw. 30, 30a bzw. 31, 31a mit Reaktivgas beschickt werden ermöglichen durch unterschiedliche Gasflüsse durch die ein­ zelnen Durchflußmesser homogene Schichteigenschaften über den gesamten Substratbereich.
Bei einer alternativen Ausführungsform können auch pro Gasein­ laßrohr drei Gaseinlässe mit Gasflußreglern vorgesehen sein.
Weiterhin liegt es im Sinne der Erfindung, die Gaseinlaßrohre unterteilt aufzubauen, so daß pro Gaseinlaß nur ein separater Teil 43a, 43b des Rohres (z. B. 32, 32a gemäß Fig. 2) be­ schickt werden kann (siehe Fig. 2).
Im übrigen sind zwei Regelkreise vorgesehen, die den Einlaß des Reaktivgases durch die verschiedenen Gasflußregler so organisieren, daß einerseits die Querverteilung der Schichteigenschaften und andererseits die Längsverteilung der Schichteigenschaften über längere Zeiträume konstant bleibt, wobei bei allen Änderungen der Gasflüsse durch diese Regel­ kreise der Gesamtfluß konstant bleiben muß.
Ein weiterer Regelkreis stabilisiert die Leistung des MF- Senders gegen Langzeitdrift.
Bezugszeichenliste
1, 1′, 1′′ Substrat
2, 2′, 2′′ Schicht
3, 3a Target
4, 4a Magnetjoch
5, 5a Katode
6, 6a, 6b, 6c Verteilerleitung
7, 7a, 7b Verteilerleitung
8 Stromleiter
9 Stromleiter
10 Wechselstromquelle
11, 11a Katodenkörper
12 Stromanschluß
13 Stromanschluß
14, 14a Stromleiter
15 Plasmaraum
16, 16a Regler
17, 17a Signalleitung
18, 18a Einlaßventil, Absperrventil
19, 19a, 19b, 19c, 10d, 19e Magnet
20 Spannungseffektivwerterfassung
21 Stromleiter
22 Behälter für Reaktivgas
23 Behälter für Inertgas (Argon)
24, 24a Gasleitung
25, 25a Gasleitung
26, 26a Gasleitung
27 sekundäre Transformatorwicklung
28 Rezipient
29, 29a Durchflußmesser
30, 30a Durchflußmesser
31, 31a Durchflußmesser
32, 32a Gasverteilungsrohr
33, 33a Gasverteilungsrohr
34, 34a Gasverteilungsrohr
35, 35a Isolator
36, 36a Isolator
37, 37a Isolator
38, 38′, . . . Düse
39, 39′, . . . Düse
40, 40′, . . . Düse
41 Substrathalter
42 Isolator-Wanne
43a, 43b Kanalabschnitt
44 Trennwand
45, 45a Durchflußmesser
46, 46a Kondensator

Claims (7)

1. Anordnung zum reaktiven Abscheiden von Werkstoffen als Dünnfilm durch Mittelfrequenz-Katodenzerstäubung, jeweils abwechselnd von mehreren Targets (3, 3a), mit einem Ein­ laß für das Reaktivgas in die Prozeßkammer und einer den Katoden (5, 5a) gegenüberliegenden elektrisch isolierten Substrathalterung (41), dadurch gekennzeichnet, daß die sich in unmittelbarer Nachbarschaft der Katoden (5, 5a) erstreckenden Gaseinlaß- und Verteilungsrohre (32, 32a bzw. 33, 33a bzw. 34, 34a) mit einer Vielzahl von über ihre Länge verteilt angeordneten Auslaßdüsen (38, 38′, bzw. 39, 39′, . . . bzw. 40, 40′, . . . ) versehen sind, wobei jeweils beide Enden oder jeweils eine mittlere Partie jedes Verteilungsrohres mit der Gasquelle (22) verbunden sind und der Gasströmungskanal (43a, 43b) jedes Verteilungsrohres etwa in seinem mittleren Bereich durch eine feste Wand in zwei voneinander getrennte Abschnitte (44) unterteilt ist, wobei das Gas von beiden einander diametral gegenüberliegenden Enden bzw. von der jeweils mittleren Partie her in die beiden Kanal-Abschnitte (43a, 43b) über in die Gasleitungen (24, 24a bzw. 25, 25a bzw. 26, 26a) eingeschaltete und jeweils von einem Regler (16a) angesteuerte Durchflußmesser (29, 29a bzw. 30, 30a bzw. 31, 31a) kontrolliert einströmt.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Gasverteilungsrohr oder jeweils dessen Gaszuleitung (24, 24a bzw. 25, 25a bzw. 26, 26a) von einem elektrischen Isolator (35, 35a, 35b) an der Wand der Prozeßkammer (28) gehalten ist und so selbst auf elektrisch floatendem Potential liegt.
3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Effektivwerte der Entladespannungen von einer über elektrische Leitungen (14, 14a) an die Katoden (5, 5a) angeschlossenen Spannungseffektivwerterfassung (20) gemessen und als Gleichspannung Reglern (16, 16a) über elektrische Leitungen (21, 21a) zugeführt wird, wo­ bei der eine Regler (16) Absperrventile (18, 18a) an­ steuert, über die Gase aus Behältern (22, 23) in die Ver­ teilerleitungen (6, 7) einlaßbar sind und wobei der andere Regler (16a) mit Durchflußmessern (29, 29a, 30, 30a, 31, 31a) zusammenwirkt, die die durch die Gas-Ver­ teilungsrohre (32, 32a bzw. 33, 33a bzw. 34, 34a) in den Plasmaraum (15) einströmenden Gasmengen kontrollieren.
4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils beider­ seits jeder Längsseite jeder Katode (5, 5a), mit einer rechteckigen Targetflächenkonfiguration (5, 5a) bin Gasverteilungsrohr (32, 32a bzw. 33, 33a bzw. 34, 34a) angeordnet ist, das jeweils über ein eigenes Paar Gasleitungen (24, 24a bzw. 25, 25a bzw. 26, 26a) an die Verteilerleitung (6) des Behälters (22) für das Reak­ tivgas (Sauerstoff) angeschlossen ist.
5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einander diametral gegenüberliegenden Enden bzw. die jeweils mittleren Abschnitte (43a, 43b) jedes einzelnen Gasverteilungsrohrs (32, 32a bzw. 33, 33a bzw. 34, 34a) über jeweils eine Verteiler-Zweigleitung (7a, 7b bzw. 7a′, 7b′) mit dem Behälter (23) für das Inertgas (Argon) unter Zwischenschaltung eines Einlaßventils (18a) und/oder eines Durchflußmessers (45, 45a) verbunden sind.
6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einander diametral gegenüberliegenden Enden bzw. die jeweils mittleren Partien eines jeden Gas-Verteilungsrohres (32, 32a bzw. 33, 33a bzw. 34, 34a) über Zweigleitungen (6a, 6b, 6c bzw. 6a′, 6b′, 6c′) mit dem Behälter (22) für das Reaktivgas (z. B. Sauerstoff) in Verbindung stehen, wobei der gemeinsamen Zuleitung (6) ein Absperr-Ventil (18) vorgeschaltet ist.
7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Substratträger (41) gegenüber dem Gehäuse (28) der Prozeßkammer durch eine elektrisch isolierende Platte oder Wanne (42) ge­ trennt ist und somit auf elektrisch floatendem Potential liegt.
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Cited By (12)

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