DE4422472A1 - Einrichtung zum Hochrategasflußsputtern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Hochrategasfluß­ sputtern entsprechend den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 2, insbesondere zum industriellen Aufbringen sehr reiner und strukturell perfekter Schichten für Anwendungen in der Mikro­ elektronik oder optischen und metallurgischen Industrie.

Nach dem Stand der Technik sind bereits verschiedene Ver­ fahren und zugehörige Einrichtungen zum Hochrategasflußsput­ tern, auch Gasflußsputtern, reaktives Gasflußsputtern oder Gas-flow-sputtering (GFS) bekannt. (Ishii, in J. Vac. Sci. Technol. A7(2), 1989, S. 256 ff sowie Koch u. a. in J. Vac. Sci. Technol. A9 (4), 1991, S. 2374 ff).

Für industrielle Zwecke wird in der DD 2 94 511 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum reaktiven Gasflußsputtern angegeben. Diese Erfindung schlägt u. a. auch eine Lösung zur Beschich­ tung großflächiger Substrate vor, bei der eine gemeinsame Anode und eine matrixförmig angeordnete Vielzahl von Hohlka­ toden, die einzeln oder in Gruppen mit separaten Spannungs­ quellen verbunden sind, in einem gasdichten Kasten angeordnet sind, wobei der Kasten eine rückwärtige Gaseinströmöffnung für das Inertgas aufweist und die Einzelkatoden aus einzelnen oder gruppenweise verschiedenen Materialien bestehen.

Diese Einrichtung ist zur Beschichtung von Substraten ge­ eignet, die flächig vor der Hohlkatodenmatrix angeordnet sind.

Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine wirtschaft­ liche industrielle Beschichtung von Substraten, insbesondere die allseitige Beschichtung von Substratkörpern, mittels des Hochrategasflußsputterns ermöglicht.

Die Erfindung löst die Aufgabe durch die in den kennzeichnen­ den Teilen der in den Ansprüchen 1 oder 2 genannten Merkmale. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Je nach dem technologischen Erfordernis können nach dem Anspruch 1 zwei Katodenplatten zu einer Hohlkatode oder nach Anspruch 2 eine Vielzahl der Katodenplatten zu mehreren einzelnen Hohlkatoden axial übereinander bzw. auch axial nebeneinander angeordnet werden. Der Unterschied besteht im wesentlichen lediglich in der axialen Länge der Einrichtung und damit in der möglichen Größe der zu beschichtenden Sub­ strate bzw. der Größe der Substratanordnung.

Der für die Beschichtung relevante Materialpartikelausstoß aus der bzw. aus den einzelnen Hohlkatoden erfolgt ringförmig in der Richtung des Inertgasstromes.

Die Anordnung der Substrate kann bei einer Einrichtung mit einem radial nach außen wirkenden Materialpartikelausstoß vorteilhaft in bekannter Weise in konzentrischen Substrat­ halterungen bzw. Drehkörben erfolgen. Bei einem Materialpar­ tikelausstoß, der zentrisch zur Achse der Einrichtung wirkt, können vorteilhaft band- oder stabförmige Substrate in der axialen Beschichtungszone angeordnet oder mit geeigneter Geschwindigkeit durch die Beschichtungszone hindurchbewegt werden.

Die Katodenplatten sind als Targetmaterial Verschleißteile und sind leicht auswechselbar an der Einrichtung angeordnet.

Die fertigungstechnische Ausführung der Katodenplatten muß derart erfolgen, daß die Oberflächen, welche die Hohlkatode bilden, mit sehr geringen Rauhigkeiten ausgeführt sind. Ande­ renfalls kann sich beim Vorhandensein von geringfügigen kraterartigen Unebenheiten statt der erforderlichen Glimment­ ladung eine Bogenentladung ausbilden, die mit ihren heißen Spots zur Beschädigung der Einrichtung führen kann.

Das zusätzliche Anbringen von Bohrungen, Gräben oder spiral­ förmigen Nuten in den Oberflächen der Katodenplatten führt zu sekundären Hohlkatoden und insgesamt zur Stabilisierung der Glimmentladung in den Hohlkatoden und zur Erhöhung der Sput­ terrate.

Die Katodenplatten werden vorteilhafterweise mittels eines Kühlkreislaufes von der Rückseite gekühlt.

Bei der Einrichtung nach Anspruch 2 können die Katodenplat­ ten, die jeweils zwei nebeneinanderliegende Hohlkatoden bilden, aus einem Stück bestehen. Es ist jedoch vorteilhaf­ ter, die beiden Katodenplatten einer Hohlkatode separat und unabhängig von den Katodenplatten der benachbarten Hohlkatode auszubilden und zu haltern. Dabei ist es vorteilhaft, zwi­ schen den Katodenplatten zweier benachbarter Hohlkatoden eine Kühleinrichtung vorzusehen.

Die Form der wirksamen Katodenplatten kann an die technologi­ schen Erfordernisse der Beschichtungsaufgabe frei angepaßt werden. Regelmäßig werden Katodenplatten in Form von Kreis­ ringen verwendet. Es ist aber auch möglich, viereckige Kato­ denplatten mit zentrischer Bohrung einzusetzen. Für spezifi­ sche Aufgaben, insbesondere wenn verschiedene Targetmateria­ lien mit unterschiedlichen Abstäuberaten erforderlich sind, kann es günstig sein, die Katodenplatten auch in anderer geometrischer Form, z. B. sternförmig, auszubilden. Die Form, z. B. der Außendurchmesser, von zwei nebeneinanderliegenden Hohlkatoden kann ebenso Unterschiede aufweisen, wenn damit in vorteilhafter Weise die Beschichtung besser an die spezifi­ schen Substrate angepaßt werden kann.

Wenn z. B. Mischschichten abgeschieden werden sollen, können innerhalb einer Hohlkatode die zwei zusammengehörenden Kato­ denplatten aus unterschiedlichem Material bestehen oder es können die Katodenplatten der benachbarten Hohlkatoden aus unterschiedlichem Material bestehen.

Die konkrete Ausgestaltung der zentralen bzw. koaxialen Anode sowie der in gleicher Lage angeordneten Gaszuführeinrichtung kann in unterschiedlicher Weise erfolgen. Bei der Einrichtung nach Anspruch 2 ist es wesentlich, daß sich die Anode und die Gaseinlaßvorrichtung zentral bzw. koaxial über alle einzelnen Hohlkatoden erstrecken. Vorteilhaft ist es, die Anode als Einzelanoden auszuführen, die zentrisch oder koaxial den einzelnen Hohlkatoden zugeordnet sind. In ähnlicher Weise ist es vorteilhaft, auch die Gaseinlaßvorrichtung derart auszu­ bilden, daß eine Vielzahl von radialen Bohrungen oder Ring­ spalten jeweils den einzelnen Hohlkatoden zugeordnet sind.

Wenn die Schichtbildung in einer reaktiven Atmosphäre erfol­ gen soll, dann wird das Reaktivgas jeweils außerhalb der einzelnen Hohlkatode in den Materialpartikelstrom einge­ bracht, derart daß der Materialpartikelstrom und das Reaktiv­ gas auf dem Weg zu den Substraten oder während der Abschei­ dung auf den Substraten miteinander reagiert.

Der Abstand der zwei zu einer Hohlkatode gehörenden zwei Katodenplatten zueinander beträgt üblicherweise zwischen 15 bis 50 mm. Die radiale Tiefe der einzelnen Hohlkatode beträgt dabei zwischen 0,8 bis 3,5 mal dem Abstand der Katodenplat­ ten.

Beim Betreiben der vorgeschlagenen Einrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2 wird zwischen den Katodenplatten und der Anode bzw. den Einzelanoden eine Spannung zwischen 350 und 1000 V angelegt. Der Gasdruck liegt nicht wesentlich unter 6×10^-2 mbar. Unter diesen Bedingungen kommt es innerhalb jeder einzelnen Hohlkatode zur Ausbildung einer stabilen und intensiven Entladung mit Stromstärken zwischen 5 und 20 A. Die Leistungsdichte am Target liegt regelmäßig über 8 Wcm^-2. Unter derartigen Bedingungen werden Beschichtungsraten bis zu 300 nm/Minute erreicht.

Da das Hochrategasflußsputtern in verfahrenstypischer Weise mit relativ hohen Gasdrücken arbeitet, hat sich der zur Beschichtung relevante Materialpartikelstrom bereits kurz nach Verlassen der einzelnen Hohlkatoden zu einem relativ einheitlichen Partikelstrom aus den beteiligten Targetmate­ rialien und Gasen formiert. Die Schichtabscheidung auf den Substraten erfolgt mit hoher Gleichmäßigkeit, wobei auch unterschiedliche Targetmaterialien und gegebenenfalls Reak­ tionsprodukte mit Reaktivgasen mit außerordentlich guter Homogenität vermischt bzw. reagiert abgeschieden werden.

Die Katodenplatten als Target können grundsätzlich aus allen leitfähigen Materialien hergestellt sein. Die Materialien können direkt als entsprechende Schicht auf den Substraten abgeschieden werden, aber auch als Mischschicht oder Schicht aus Reaktionsprodukten mit Gasen oder anderen Targetmateria­ lien. Vorzugsweise werden als Targetmaterial Metalle einge­ setzt. Es können aber auch andere leitfähige Materialien, wie Silizium, Kohlenstoff und Bor, gesputtert werden, wobei diese Materialien während, nach und bei der Abscheidung vorteilhaft mit Gasen in Reaktion gebracht und als Reaktionsprodukte abgeschieden werden können.

Die räumliche Ausdehnung der erfindungsgemäßen Einrichtung und zugehörig die Substrate bzw. die Substratträgereinrich­ tung ist in einem weiten Bereich frei an die technologischen Erfordernisse anpaßbar. Im gleichen Maße wie die axiale Länge der erfindungsgemäßen Einrichtung vergrößert wird, kann auch die Substratlage ausgedehnt werden. Bei relativ kleinen Substraten kann es ausreichend sein, wenn die Einrichtung gemäß Anspruch 1 nur aus einer Hohlkatode besteht.

Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, daß eine praktikable und industriell wirtschaftliche Einrichtung geschaffen wurde, die eine industrielle Beschichtung einer Vielfalt von Substraten, insbesondere auch von Substratkör­ pern, z. B. für die Mikroelektronik, die optische oder metal­ lurgische Industrie, mittels des Hochrategasflußsputterns ermöglicht. Je nach der Struktur der Substratkörper können diese sowohl koaxial als auch zentral zur erfindungsgemäßen Einrichtung angeordnet und mit hoher Rate beschichtet werden.

Die Erfindung soll nachfolgend an drei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

Die Zeichnungen zeigen in Fig. 1, zugehörig zum Beispiel I, eine erfindungsgemäßen Einrichtung mit einer einzelnen Hohl­ katode. Die Fig. 2 und 3 zeigen zugehörig zum Beispiel II zwei Schnitte einer erfindungsgemäßen Einrichtung mit mehre­ ren Hohlkatoden und zentrischer Anode sowie Gaszuführung.

Beispiel I

Fig. 1 zeigt, zugehörig zum Beispiel I, eine erfindungs­ gemäße Einrichtung im Schnitt mit nur einer Hohlkatode 1. Die Hohlkatode 1 wird dabei aus zwei Katodenplatten 1a und 1b gebildet. Die Fig. 1 zeigt in der rechten Hälfte einen Schnitt durch die Gaszuführungsbohrung 6a mit der elektri­ schen Verbindung 5 zur Anode 4. In der linken Hälfte der Fig. 1 verläuft der Schnitt gegenüber der rechten Hälfte um 90 Grad versetzt durch die Kühlwasserzuleitung 9a. Die weite­ ren Einzelteile und angegebenen Positionsnummern entsprechen denen im Beispiel II und sind dort ausführlicher beschrieben. Eine derartig relativ kleine Einrichtung ist vorteilhaft für die Beschichtung kleinerer Substrate oder für Forschungs­ zwecke geeignet.

Beispiel II

In Beispiel II wird eine erfindungsgemäße Einrichtung zum Hochrategasflußsputtern beschrieben, bei der der Gas- und Materialpartikelstrom radial nach außen gerichtet ist und die zu beschichtenden Substrate (in der Zeichnung nicht darge­ stellt) radial außen, z. B. in bekannten Drehkörben, angeord­ net werden können. Dabei handelt es sich um eine Einrichtung mit mehreren Hohlkatoden und radial nach außen gerichtetem Materialpartikelstrom. Die Gesamtzahl der Hohlkatoden richtet sich nach dem technologischen Erfordernis. D. h. eine erfin­ dungsgemäße Einrichtung kann in axialer Richtung mehrere solcher einzelnen Hohlkatoden aufweisen.

Die zugehörige Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch eine erfin­ dungsgemäße Einrichtung in der Ebene der Gaszuführung und der Stromzuführung für die Anode.

Fig. 3 zeigt einen um 90 Grad gedrehten Schnitt von Fig. 2 in der Ebene der Kühlwasserzu- bzw. Abflußleitung.

Die Fig. 2 zeigt die beiden Endteile der erfindungsgemäßen Einrichtung und ein Zwischenteil von mehreren. Im oberen Teil der Fig. 2 ist eine einzelne Hohlkatode 1 komplett darge­ stellt. Alle einzelnen Hohlkatoden 1 bestehen im wesentlichen aus gleichen Hohlkatodenplatten, wobei die beiden Katoden­ platten, die in einer Hohlkatode 1 zusammenwirken, mit Kato­ denplatten 2a und 2b bezeichnet sind. Die Katodenplatten 2a und 2b sind im Beispiel kreisförmige Ringe aus dem jeweils gewählten Targetmaterial. Innerhalb der zentrischen Bohrung 3 in den Katodenplatten 2a bzw. 2b befindet sich isoliert angeordnet in jeder einzelnen Hohlkatode 1 eine Einzelanode 4. Die verschiedenen Einzelanoden 4 sind untereinander mit der elektrischen Verbindung 5 verbunden. Dabei verläuft die elektrische Verbindung 5 innerhalb von zwei Gaszuführungen 6a und 6b. Die Zufuhr von Inertgas zu den Hohlkatoden verläuft über die Gaszuführungsbohrung 6a bzw. 6b und mündet über Ringspalte 7 (siehe auch Fig. 3) zwischen der Einzelanode 4 und den Isolierringen 8 in die Hohlkatode 1.

Die gesamte erfindungsgemäße Einrichtung ist außen, ausgenom­ men der Bereich, in dein der Materialpartikelstrom die Hohlka­ toden verläßt, mit einer elektrischen Abschirmung 13 ver­ sehen, damit es zu keiner unerwünschten elektrischen Entla­ dung kommt.

Die Fig. 3 zeigt einen um 90 Grad gedrehten Schnitt durch Fig. 2. In dieser Schnittebene befinden sich die Kühlwasser­ zuleitung 9a und die Kühlwasserableitung 9b. Im Bereich der Einzelanoden 4, wo auch die Ringspalte 7 für die Inertgaszu­ führung verlaufen, sind die Kühlwasserzu- und Ableitungen 9a und 9b jeweils über Isolierrohre 10 geführt. Die Kühlung der Katodenplatten 2a und 2b erfolgt jeweils sehr intensiv von der Rückseite, die über eine dünnwandige Abdichtung 11 nahezu direkt am Kühlwasserstrom im Kühlwasserraum 12 anliegt.

Im Beispiel II beträgt der Abstand der Katodenplatten 2a und 2b zueinander 30 mm. Der Durchmesser der zentrischen Bohrung 3 wurde mit 75 mm und der Außendurchmesser der Katodenplatten 2a und 2b mit 200 mm gewählt. Dabei handelt es sich um eine industriell sehr praktikable Einrichtung mit denen Substrate in einer Substrathalterung wirtschaftlich beschichtet werden können.

Beim Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Hochrate­ gasflußsputtern wird zu Beginn der Kühlwasserstrom, über die Kühlwasserzu- und Ableitung 9a und 9b und die Inertgaszufüh­ rung über die Gaszuführungsbohrungen 6a und 6b sowie die Ringspalte 7 eingestellt. Danach wird zwischen der Anode 4 und den Katodenplatten 2a und 2b eine erforderliche Spannung eingestellt. Diese liegt üblicherweise zwischen 500 und 750 Volt. Der Gasdruck wird derart eingestellt, daß in der Hohl­ katode ein Druck von ca. 5×10^-1 mbar vorhanden ist. Unter diesen Bedingungen kommt es zur Hohlkatodenglimmentladung zwischen den beiden Katodenplatten 2a und 2b und in der Folge zu dem gewünschten Abstäuben des Targetmaterials, d. h. des Materials der Katodenplatten 2a und 2b. In Fig. 2 ist sche­ matisch der Weg eines bei der Glimmentladung abgestäubten Atoms A dargestellt, welches über den Inertgasstrom, der radial vom Ringspalt 7 nach außen führt, ebenfalls nach außen getrieben wird und sich letztlich vorwiegend auf den Sub­ straten abscheidet. Die in der Zeichnung nicht dargestellten Substrate können in bekannter Weise koaxial zur Einrichtung in einem Substratkorb angeordnet werden, der auch drehbar sein kann. Der Abstand der Substrate zum äußeren Rand der Katodenplatten beträgt etwa 50 bis 250 mm. Im Beispiel I kann der Durchmesser der Substrathalterung somit bis 700 mm betra­ gen. Die Beschichtung der Substrate erfolgt im wesentlichen gemäß den verfahrenstypischen Parametern des Hochrategas­ flußsputterns.

Im Beispiel II ist einrichtungsmäßig keine Reaktivgaszufüh­ rung zur Schichtabscheidung in reaktiver Atmosphäre darge­ stellt. Das läßt sich aber vorteilhaft realisieren, wenn ein erforderliches Reaktivgas zwischen der elektrischen Abschir­ mung 13 und den Katodenplatten 2a und 2b eingelassen wird.

Beispiel III

Als Beispiel III soll eine Ausführung der erfindungsgemäßen Einrichtung mit koaxialer Anordnung der Anode und der Gaszu­ führung nur kurz beschrieben werden. Die praktische Ausfüh­ rung kann weitgehend äquivalent zu den Beispielen I und II erfolgen.

Der wesentlicher Unterschied gegenüber den Beispielen I und II besteht darin, daß der Raum innerhalb der zentrischen Bohrungen in den Katodenplatten frei ist und darin der zu beschichtende Substratkörper gehaltert oder langsam hindurch­ geführt werden kann. Alle übrigen Elemente, wie Anode (Ein­ zelanode 4), die elektrische Verbindung (5), die Inertgaszu­ führung (Gaszuführungsbohrungen 6a und 6b) mit den Gaseinlaß­ öffnungen in die Hohlkatode (Ringspalte 7) und die Kühlwas­ serzu- und Abführleitungen (9a und 9b) sind nicht zentral innerhalb der zentrischen Bohrung (3) sondern koaxial radial außerhalb der Katodenplatten (2a und 2b) angeordnet.

Der Gasstrom durch die Hohlkatode (1) verläuft dadurch gegen­ über den Beispielen I und II in entgegengesetzter Richtung. Er ist von außen nach innen zur zentrischen Bohrung (3) gerichtet. Damit ändert sich auch der Materialpartikelstrom in Richtung auf das Zentrum der Einrichtung, d. h. auf die zentrisch angeordneten Substrate hin.

Ein derartige Ausführung der erfindungsgemäßen Einrichtung ist besonders für die Beschichtung von stab- oder bandförmi­ gen Substraten vorteilhaft, die mit geeigneter Geschwindig­ keit durch das Zentrum, d. h. innerhalb der zentrischen Bohrung (3), hindurchbewegt werden. Die Beschichtung erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel mit extrem hoher Rate, da kaum Streubeschichtungen an übrigen Einrichtungsteilen auftreten.

Claims (11)

1. Einrichtung zum Hochrategasflußsputtern bestehend aus einer Hohlkatode, einer Anode und einer Gaseinlaßvor­ richtung für Inertgas, wobei die Austrittsöffnung des Gas- und Materialpartikelstromes aus der Hohlkatode den Substraten gegenüber angeordnet ist, dadurch gekennzeich­ net, daß die Hohlkatode aus zwei axial auf Abstand zuein­ ander angeordneten Katodenplatten gebildet wird, welche zentrische Bohrungen aufweisen, und daß die Anode und die Gaseinlaßvorrichtung gemeinsam zentral oder koaxial zur Hohlkatode angeordnet sind.

2. Einrichtung zum Hochrategasflußsputtern bestehend aus mehreren Hohlkatoden, einer Anode und einer Gaseinlaßvor­ richtung für Inertgas, wobei die Austrittsöffnungen des Gas- und Materialpartikelstromes aus den Hohlkatoden den Substraten gegenüber angeordnet sind, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jede einzelne Hohlkatode aus zwei axial auf Abstand zueinander angeordneten Katodenplatten gebildet wird, welche zentrische Bohrungen aufweisen, daß eine Vielzahl der einzelnen Hohlkatoden axial aneinanderge­ reiht ist, und daß die Anode und die Gaseinlaßvorrichtung gemeinsam zentral oder koaxial angeordnet sind und sich über alle einzelnen Hohlkatoden erstrecken.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaseinlaßvorrichtung jeweils zugeordnet zu den ein­ zelnen Hohlkatoden eine Vielzahl von radialen Bohrungen oder Ringspalte aufweist.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Anode jeweils Einzelanoden zentrisch bzw. koaxial den einzelnen Hohlkatoden zugeordnet sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne oder mehrere Einzelanoden separaten Stromquellen zugeordnet sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Oberflächen der Katodenplatten, die der Hohlkatode zugewandt sind, Aussparungen zur Bildung von sekundären Hohlkatoden wie Bohrungen, Gräben oder spiral­ förmigen Nuten aufweisen.

7. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Katodenplatten an einen Kühlkreislauf ange­ schlossen sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die zwei Katodenplatten, die zu einer Hohlkatode gehören, aus zwei unterschiedlichen Materialien, vorzugs­ weise aus Kombinationen der Metalle Titan, Zirconium, Chrom, Aluminium, Vanadium und Hafnium oder Silizium, Kohlenstoff und Bor bestehen.

9. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Katodenplatten, welche verschiedene Hohlkatoden bil­ den, unterschiedliche Geometrien, insbesondere einen unterschiedlichen Außen- und Bohrungsdurchmesser, auf­ weisen.

10. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Einrichtung, ausgenommen im Bereich der Aus­ trittsöffnung des Gas- und Materialpartikelstromes mit einer elektrischen Abschirmung (13) umschlossen ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß außerhalb der Austrittsöffnung des Gas- und Materialpartikelstromes eine Reaktivgaszuführung vorhan­ den ist.