DE69216685T2

DE69216685T2 - Sputteranlage

Info

Publication number: DE69216685T2
Application number: DE69216685T
Authority: DE
Inventors: Leroy A Bartolomei; Thomas Read; Craig Shevlin
Original assignee: Deposition Sciences Inc
Current assignee: Deposition Sciences Inc
Priority date: 1991-05-31
Filing date: 1992-05-28
Publication date: 1997-05-28
Anticipated expiration: 2012-05-29
Also published as: JPH05156436A; ATE147890T1; EP0516436A3; EP0516436A2; EP0516436B1; DE69216685D1; JP3420594B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Verbesserung des Plasmas an einem Sputtertarget sowie auf die Verwendung dieser Vorrichtung zum Bewirken einer Reaktion eines auf ein Substrat aufgebrachten ausgewählten Materials.
Die Verwendung von reaktivem Gleichstrom-Magnetronsputtern zum Aufbringen dünner Filme von Metallverbindungen ist bereits seit ziemlich langer Zeit bekannt. Meistens wurde ein solches reaktives Sputtern in Formen durchgeführt, bei welchen das Substrat über dem metallischen Target befestigt ist und ein Compoundieren (Verbindungsbilden) des aufgebrachten Metallfilms in der gleichen Zeit und an der gleichen Stelle als Niederschlag der Metallatome erfolgt. Das Erzielen von stöchiometrischen Filmen bei vernünftigen Niederschlagsmengen erfordert dann einen sorgfältigen Ausgleich der Bedingungen derart, daß der Film auf dem Substrat vollständig zusammengesetzt oder compoundiert wird, die Sputtertargetoberfläche jedoch nicht, da eine solche "Vergiftung" des Targets zu viel kleineren Sputtermengen und oftmals zur Bogenbildung an der Targetoberfläche führt.
JP-A-5875839 beschreibt eine Vorrichtung zum Durchführen des Sputterns eines Targetmaterials 3 zum Beschichten eines statischen Substratplättchen 2, wobei ein Gasplasma durch die Verwenndung von Mikrowellen bei 2,45 GHZ erzeugt wird. JP-A- 5875839 lehrt, daß zur Vergrößerung der Plasmadichte und daher zur Verringerung der Erhitzung des Targetmaterials die Mikrowellen erzeugende Vorrichtung in der Umgebung des Gaseinlasses angeordnet sein sollte.
In US-A-4 420 385 Hartsough wird ein Verfahren beansprucht, bei welchem das Substrat, auf welchem die metallische Verbindung niedergeschlagen werden soll, abwechselnd über das Sputtertarget und durch eine reaktive Atmosphäre geführt wird. Auf diese Weise ist das Niederschlagen der Metallatome wenigstens teilweise zeitlich und räumlich von dem Compoundieren des Films getrennt. Das Ausmaß der Trennung hängt von dem Ausmaß der atmosphärischen Isolierung zwischen der Sputter- und compoundierungszone ab.
Hartsough lehrt auch die Verwendung eines Plasmas in einer compoundierungszone zur Erhöhung der Reaktionsrate. So wird z.B. das Niederschlagen eines Oxidfilms verbessert, wenn Sauerstoff in der Compoundierungs-(Oxidierungs-)Zone durch ein Plasma aktiviert wird, da angeregte Sauerstoffarten viel leichter mit dem Metallfilm reagieren als O&sub2;-Moleküle im Grundzustand.
US-A-4 851 095 Scobey et al. beansprucht eine besondere Ausführungsform der in der vorgenannten US-Patentschrift Hartsough beanspruchten allgemeinen Vorrichtung. Während Hartsough breit die Trennung von Niederschlags- und Reaktionszone beansprucht, ohne Beschreibung oder Einschränkung bezüglich des Ausmaßes der Trennung, und den Vorteil der Verwendung eines aktivierenden Plasmas in der Reaktionszone lehrt, beansprucht Scobey et al. ein lokalisiertes Plasma als Reaktionszone und betont die Notwendigkeit, daß dieses Plasma physisch und atmosphärisch von der Niederschlagszone getrennt ist. Tatsächlich unterscheidet sich Scobey et al. von Hartsough durch die Betonung der physischen und atmosphärischen Trennung von Reaktions- und Niederschlagszone.
Es gibt einige Nachteile, die unvermeidliche Folgen der Durchführung des oben beschriebenen Standes der Technik sind. Viele dieser Nachteile beruhen direkt auf der Notwendigkeit der physischen und atmosphärischen Trennung von Reaktions und Niederschlagszone. Beispielsweise begrenzt diese Trennung offensichtlich die Anzahl von Targets und Reaktionszonen, die in einer bestimmten Vakuumkammer angeordnet werden können, und die Gesamtmenge der Filmaufbringung wird dadurch begrenzt. Als weiteres Beispiel kann das Freiliegen des nicht zur Reaktion gebrachten Films zwischen den zwei nicht zusammenhängenden Zonen gemäß Scobey et al. unabsichtlich zur Verunreinigung des wachsenden Films durch Hintergrundgase führen. Als noch weiteres Beispiel sind bestimmte synergistische Vorteile durch das Zusammenhängen und Koppeln des aktivierenden Plasmas und des Plasmas vom Sputtertarget erzielbar, wobei diese Vorteile offensichtlich nicht verwirklicht werden können, wenn diese zwei Plasmazonen physisch getrennt werden.
Die Erfindung vermeidet diese Nachteile durch das Zusammenbringen der Sputter- und Aktivierungszone atmosphärisch und physisch, während alle Prallflächen oder unterschiedliches Pumpen ausgeschaltet und dadurch wirksam die Plasmen dieser beiden Zonen zu einem einzigen kontinuierlichen Plasma vermischt werden, das sowohl zum Sputtern von Material vom Target und zum Reagieren desselben auf dem Substrat dient.
Die Erfindung schafft eine Magnetron-Sputtervorrichtung zum Sputtern wenigstens eines ausgewählten Materials auf ein Substrat und Bewirken einer Reaktion dieses Materials, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Vakuumkammer, einen Substrathalter innerhalb der Vakuumkammer, der zur Halterung von Substraten auf demselben geeignet ist, wobei der Substrathalter und die Vakuumkammer zwischen sich ein verhältnismäßig schmales langgestrecktes Reaktionsvolumen bilden, in das ein reaktives Gas eingeleitet wird, wenigstens eine Magnetron- Sputtereinrichtung, die in einer ersten Arbeitsstation nahe dem Substrathalter angeordnet ist und ein Target aus ausgewähltem Material aufweist, das zur Erzeugung eines ersten Plasmas im ganzen Reaktionsvolumen zum Sputtern wenigstens eines ausgewählten Materials auf die Substrate geeignet ist, sowie wenigstens eine sekundäre Plasmaeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die sekundäre Plasmaeinrichtung in der ersten Arbeitsstation nahe der Magnetron-Sputtereinrichtung und nahe dem Substrathalter angeordnet ist, wobei die Sputtereinrichtung und die sekundäre Plasmaeinrichtung jeweils Sputter- und Aktivierungszonen bilden, die atmosphärisch und physikalisch benachbart sind, und zur Verbesserung des Plasmas der Sputtereinrichtung geeignet ist, um eine Reaktion der Ionen des reaktiven Gases mit dem Sputtermaterial unter einem verhältnismäßig niedrigen Umgebungsteildruck des reaktiven Gases zu bewirken, und daß der Substrathalter geeignet ist, die Substrate an den zugeordneten ausgewählten Arbeitsstationen vorbei zu drehen.
Die Erfindung sieht ferner die Verwendung einer Magnetron- Sputtervorrichtung vor, wie im Anspruch 29 beschrieben. Die abhängigen Ansprüche beschreiben besondere Ausführungsformen der Erfindung.
Die Erfindung wird nunmehr lediglich beispielhaft mit Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Es zeigt:
Fig.1 einen vereinfachten schematischen Querschnitt eines trommelförmigen Vakuumbeschichters gemäß der Erfindung;
Fig.2 einen vereinfachten Querschnitt einer bekannten, ausgeglichenen Magnetron-Sputtervorrichtung, bei der das Ausgleichen von Mittel- und Randmagneten gezeigt ist;
Fig.3 einen vereinfachten Querschnitt einer unausgeglichenen Magnetron-Sputtervorrichtung, welche den Mangel eines Ausgleichs zwischen den Randmagneten und dem Mittelmagnet und das sich daraus ergebende divergierende Magnetfeld oberhalb des Targets zeigt;
Fig.4 eine Konzeptzeichnung des verbesserten verbreiterten Plasmas, das erfindungsgemäß erzeugt wird, wobei die Stromwege durch das Plasma und das zugehörige Erzeugungssystem gezeigt sind;
Fig.5 eine graphische Darstellung einer Strom-Spannungscharakteristik einer Magnetron-Sputtervorrichtung ohne ein benachbartes Hilfsplasma und eine Strom-Spannungscharakteristik einer Magnetron-Sputtervorrichtung, die gemäß einer Ausführungsform der Erfindung arbeitet;
Fig.6 eine vereinfachte schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, welche die Einzelheiten des Mikrowellen-Injektionssystem und der Elektronenzyklotron-Resonanzfeldspulen darstellt;
Fig.7 einen vereinfachten Querschnitt durch eine andere Ausführungsform der Erfindung, welche eine Mikrowellenform darstellt, die zur Verbreiterung des Hilfsplasmas zur besseren Anpassung an ein lineares Targetplasma bestimmt ist;
Fig.8 eine Tabelle, welche die Beziehung zwischen der Sputterausbeute und der Spannung für ein Siliziumtarget darstellt,
Fig.9 einen vereinfachten Querschnitt, welcher eine Magnetron-Sputtervorrichtung und eine benachbarte Vorrichtung zur Erzeugung eines gekoppelten Plasmas darstellt, die innerhalb einer substrattragenden Trommel angeordnet ist;
Fig.10 einen vereinfachten Querschnitt, welcher Magnetron-Sputtervorrichtungen und zugehörige benachbarte Vorrichtungen zum Erzeugen von gekoppelten Plasmen innerhalb und außerhalb einer substrattragenden Trommel darstellt; und
Fig.11 einen vereinfachten Querschnitt einer Vakuum-Kammer mit zylindrischen Innen- und Außenwänden, die beide Magnetron-Sputtervorrichtungen und zugehörige gekoppelte Hilfsplasmavorrichtungen zum Beschichten einer rotierenden substrattragenden Trommel von beiden Seiten darstellt.
Die Erfindung läßt sich ausführen, indem gemäß Fig.1 eine Vakuumkammer abgeändert wird, die eine Drehtrommel sehr ähnlich der in US-A-4 851 095 (Scobey et al) beschriebenen aufnimmt, wobei auf die Offenbarung dieser Druckschrift hier Bezug genommen wird.
In Fig.1 weist ein Sputtersystem 10 ein Gehäuse 1 auf, dessen Umfang eine Vakuum- oder Tiefdruckumgebung bildet. Das Gehäuse 1 kann selbst mit einem geeigneten Vakuumpumpsystem (nicht gezeigt) verbunden sein. Bei normalem Betrieb liegt der Druck innerhalb des Gehäuses 1 allgemein im Bereich von 0,0133 bis 1,33 N/m² [10&supmin;&sup4; bis 10&supmin;² Torr] . Eine Magnetron Sputtervorrichtung 5 ist am Umfang des Vakuumgehäuses der Kammer 1 eng benachbart der Plasmaerzeugervorrichtung 6 angeordnet.
Bei Betrieb wird ein inertes Sputtergas, wie Argon, in die Kammer durch einen Einlaß 4 eingeleitet. Zusätzlich wird ein Reaktions- oder Compoundierungsgas, wie Sauerstoff, wiederum durch den Einlaß 4 eingeleitet. Da die Substrate 3, die von der Drehtrommel 2 getragen werden, in den Bereich 9 des größeren Plasmas 11 gedreht werden, wird ein vom Target 5 gesputterter Metallfilm niedergeschlagen. Die Reaktion dieses Films mit dem Compoundierungsgas beginnt unmittelbar, wenn der Film im Bereich 9 unter dem Target 5 niedergeschlagen ist. Wenn das Substrat in den Bereich 8 des Plasmas unter der Plasmaerzeugervorrichtung 6 geführt wird, wird diese Reaktion fortgesetzt und die Umwandlung des Films in ein Dielektrikum mit der gewünschten Stöchiometrie beendet. Offensichtlich kann diese Abfolge durch Drehung der Trommel wiederholt werden, um eine dielektrischen Film einer gewünschten Stärke auszubilden. Durch Vorsehen weiterer Sputtertarget-Plasmaerzeugervorrichtungen können Mehrschichtfilme verschiedener Materialien auf die Substrate 3 aufgebracht werden.
Wie oben bemerkt, unterscheidet sich die vorliegende Erfindung wesentlich von bekannten Vorrichtungen dieser Art dadurch, daß das Plasma 11 räumlich kontinuierlich über das Target 5 und die Plasmaerzeugervorrichtung 6 verläuft und das Compoundieren des Films kontinuierlich im Plasma 11 durchgeführt wird. Tatsächlich koppelt das Plasma 11 elektrisch das Target und die Plasmaerzeugervorrichtung. Dies steht in merklichem Kontrast zur Druckschrift Scobey et al, die insbesondere die physische und atmosphärische Trennung des Sputtertargets und der Reaktionszonen lehrt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Plasmaerzeugervorrichtung 6 (Fig.1) eine Mikrowellenvorrichtung, die bei 2,45 Gigahertz arbeitet. Das Plasma 11 wird sodann durch die Mikrowellen und das damit zusammenwirkende Sputtertarget erzeugt. Wenn die freie Elektronendichte des Plasmas im Bereich 8 höher ist als die kritische Dichte für Mikrowellen von 2,45 Gigahertz, der normalerweise verwendeten Frequenz, dann ist das Plasma im wesentlichen undurchlässig für die Mikrowellen und eine gegenseitige Diffusion des Plasmas im Bereich 8 mit dem Plasma im Bereich 9 macht das Plasma kontinuierlich. Wenn das Plasma für die Mikrowellen ausreichend durchlässig ist, entweder durch eine Elektronendichte unterhalb der kritischen Dichte oder durch Betreiben der Mikrowellen in einem zirkular polarisierten Modus, so daß der sogenannte Whistlermodus betrieben wird, dann wird das Plasma 11 sowohl durch gegenseitige Diffusion als auch Absorption der Mikrowellen durch das ganze Plasma kontinuierlich gemacht.
Die elektrische Kopplung zwischen dem Target und dem oben erwähnten Plasmaerzeuger kann, obwohl stets vorhanden, verbessert werden, wenn gewünscht, durch die Formgebung des Magnetfeldes am Sputtertarget. Bei bekannten Magnetron-Sputtertargets (Fig.2) sind die magnetischen Feldlinien 18 im wesentlichen auf den Bereich direkt oberhalb des Targets 19 eingegrenzt. Dies wird bewirkt, indem der Mittelmagnet 20 die zweifache Breite des äußeren Magneten 21 erhält, so daß der ganze Fluß von dem äußeren Magneten durch den Mittelmagnet fließt. Bei einer neueren Vorrichtung (Fig.3), dem sogenannten "unausgeglichenen Magnetron", wird der Mittelmagnet 24 kleiner gemacht oder durch ein magnetisch permeables Material ersetzt, so daß ein Teil des Flusses 22 vom Target 23 wegflgedrücktll wird. Dieses einfassende Magnetfeld trägt einen Teil des Plasmas vom Target weg und zum Substrat 3 (Fig.1) und zur Erzeugervorrichtung 6 für ein kontinuierliches Plasma (Fig.1) hin. Zusätzlich zu einer Erhöhung der elektrischen Kontinuität des Sputter-Aktivierungsplasmas kann der Betrieb in diesem unausgeglichenen Modus andere, weiter unter erläuterte vorteilhafte Wirkungen aufweisen.
Da das Plasma 11 räumlich kontinuierlich ist, ist es elektrisch kontinuierlich, und die Bereiche 8 und 9 des größeren Plasmas 11 sind elektrisch gekoppelt; d.h., durch dieses Plasmakoppeln ist eine elektrische Kopplung des Sputtertargets und der Mikrowellenvorrichtung vorhanden, was in merklichem Kontrast zur Druckschrift Scobey et al steht. Um dies zu zeigen, ist das Plasma 11 von Fig.1 in Fig.4 im einzelnen als Plasma 16 dargestellt. Der Strom im Plasma 16 ist komplex und besteht sowohl aus Ionen- als auch Elektronenkomponenten. Der äußere Strom durch Erde 17 zur Spannungsquelle 15 und durch die Spannungsquelle zum Sputtertarget 13 ist jedoch rein elektronisch. So findet durch das Plasma 16 ein Netto-Elektronenstromfluß gleich demjenigen statt, der durch die Spannungsquelle 15 fließt. Das Plasma wirkt so als stromtragendes Widerstandselement. Wie Fig.4 zeigt, kann der Elektronenstrom zur Erde aus dem Plasma an einer beliebigen Anzahl von Stellen 12 übergehen, was von der Form der Maschine, der Werkzeuge und von anderen Überlegungen abhängt. Jedenfalls wird aber ein Elektronenstrom aus dem Plasma gezogen, wenn Spannung an das Target 13 angelegt wird.
Für gegebene Betriebsbedingungen zeigt der Kreis aus Plasma- Erde-Spannungsquelle-Target eine besondere Spannung, bei der das Target ein Plasma auslöst. Unter dieser Spannung ist kein Strom vorhanden. Sobald jedoch das Plasma ausgelöst wird, beginnt die Spannungsquelle, aus dem Plasma Strom zu ziehen, wobei sich der Strom mit steigender Targetspannung erhöht.
Eine typische Strom(I)-Spannungs(V)-Kurve für ein 0,127 bis 0,381 m [5 inches x 15 inches]-Siliziumtarget ist als Kurve A in Fig.5 dargestellt, wobei die Mikrowellenvorrichtung nicht zur Plasmaerzeugung beiträgt. Das heißt, die Mikrowelle wird nicht zur Erzeugung der Kurve A verwendet. Die aus Versuchsdaten entwickelte Kurve zeigt, daß unterhalb einer bestimmten Spannung (in diesem Fall 410 Volt), bei der das Target ein Plasma auslöste, kein Strom vorhanden war, aber bei Auslösung des Plasmas die Spannungsquelle Strom aus dem Plasma zu ziehen begann
Im Gegensatz dazu wird auf Kurve B der Fig.5 Bezug genommen, die auf Daten beruht, welche durch anfängliches Einstellen der Sputtertargetspannung auf 0 erzeugt wurden, während ein Plasma unter Verwendung lediglich der Mikrowellenvorrichtung ausgelöst wurde. Visuell wurde beobachtet, daß dieses Plasma sich so ausdehnte, daß es das Sputtertarget einhüllte. Wenn die Spannung an der Sputtertarget-Spannungsquelle von 0 anstieg, begann die Spannungsquelle unmittelbar, Strom aus dem mikrowellenerzeugten Plasma zu ziehen. Wenn die Spannung noch weiter gesteigert wurde, so daß zum Target beschleunigte positive Ionen Sekundärelektronenemission aus der Targetoberfläche bewirkten, begann die Sputter-Spannungsqeulle zum Plasma beizutragen. Durch Messen von 1 bei Steigerung von V unter diesen Bedingungen wurde die Kurve B erzeugt.
Beim Vergleichen der Kurven A und B bemerkt man zwei Punkte. Zuerst ist ganz offensichtlich, daß ein beträchtlicher Strom aus dem Mikrowellenplasma gezogen wird, auch bevor das Targetplasma einsetzt. Zweitens setzt das Targetplasma bei einer niedrigeren Spannung ein, wenn das Mikrowellenplasma vor dem Anlegen von Spannung an das Target ausgelöst worden ist. Tatsächlich ist an der Kurve B manchmal nicht klar, an welcher Stelle das Targetplasma ausgelöst wird, was in merklichem Kontrast zur Lage bei der Kurve A steht.
Aus diesen Beobachtungen geht klar hervor, daß das Sputter- Magnetron und die Mikrowellenvorrichtung als eine zusammengehörige Einheit bei der Erzeugung eines Plasmas arbeiten, und daß eine Veränderung eines der beiden die Arbeitsweise des anderen beeinflußt. Dies wird noch klarer, indem man beispielsweise feststellt, daß beim Steigen der Mikrowellenleistung die zur Aufrechterhaltung eines gegebenen Stromes durch die Magnetron-Sputterquelle erforderliche Spannung sinkt. Dies wird erläutert durch die Bemerkung, daß die erhöhte Mikrowellenleistung den Widerstand des Plasmas absenkt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in der Lage, höhere Sputterraten im Vergleich mit bekannten Vorrichtungen zu erzielen. Höhere Sputterraten folgen aus der Fähigkeit der Sputterkathode, aus dem Mikrowellen-induzierten Teil des Plasmas Strom zu ziehen. Dieser Anstieg der Rate ist offensichtlich bei Spannungen unterhalb der Sputtertarget-Auslösespannung ohne das Mikrowellenplasma. Wie abermals aus Fig.5 ersichtlich, bei 370 Volt, was unterhalb der für das Auslösen eines Plasmas mit der Targetspannungsquelle allein erforderlichen 410 Volt liegt, ist die Sputterrate Null ohne ein durch die Mikrowellenvorrichtung erzeugtes Plasma (Kurve A) Bei 370 Volt ist jedoch eine beträchtliche Sputterrate vorhanden, wenn der Betrieb in der erfindungsgemäßen Weise erfolgt (Kurve B).
Diese Fähigkeit der vorliegenden Erfindung, lonenstrom aus dem Plasma bei niedrigen Spannungen zu ziehen, ermöglicht ein Sputtern bei Spannungen unterhalb derjenigen der entsprechenden bekannten Vorrichtungen. Da die Energieverteilung von gesputterten Atomen sich mit steigender Sputter-Ionenenergie zu höheren Werten verschiebt, ist diese Fähigkeit besonders vorteilhaft zur Reduzierung der Anzahl von Atomen, die mit höheren Energien gesputtert werden, um eine Beschädigung des wachsenden Films minimal zu machen.
Es wurde ferner beobachtet, daß die Sputterrate bei Spannungen erhöht wird, die oberhalb der Auslösespannung liegen. Dies kann verstanden werden, wenn man die Ausbeutekurve für das gesputterte Material und die Abhängigkeit der Sputterrate von Ausbeute und Strom betrachtet. "Ausbeute" bedeutet einfach die Anzahl von für jedes das Target treffende Ion gesputterten Targetatomen.
Bei Betreiben des Targets in dem unvergifteten Modus ist die Sputterrate in Atomen pro Sekunde im wesentlichen gegeben durch die Beziehung
R = C&sub1;Y (1)
wobei: C&sub1; eine Konstante ist, die von der Targetgeometrie abhängt;
I der Target-Ionenstrom in Ampere ist; und
Y die Ausbeute in der für jedes auf das Target
einfallende Ion gesputterten Atomzahl ist.
Die Ausbeute Y ist eine Funktion der Targetspannung V. Diese Funktion kann gemessen werden und ist in Fig.8 für in Argon gesputtertes Silizium angegeben. Eine Untersuchung zeigt, daß die Funktion durch
Y = 1,85 x 10&supmin;² V1/2 (2)
gut angenähert wird.
Ein Substituieren von (1) in (2) ergibt
wobei P=IV die Leistung und C&sub2;=1,85 x 10&supmin;² C&sub1; eine Konstante ist.
In einem praktischen System ist nunmehr die maximale Sputterrate durch die Leistung begrenzt, die an das Target ohne Beschädigung durch Ablösen von der Stützplatte oder Verzerren durch Überhitzen angelegt werden kann. Um die maximale Sputterrate zu erzielen, wird so die Leistung auf das mögliche Maximum erhöht. Es kann bedacht werden, daß die Ausbeuten gemäß der Erfindung höhere Sputterraten bei dieser maximalen Leistung ergeben, wenn R' und I' Rate bzw. Strom ohne Beitrag der Mikrowellenvorrichtung zur Plasmaerzeugung sind, dann ergibt sich aus Gleichung (3)
da P=P' die maximal erreichbare Leistung ist. Da V', die bei der maximalen Leistung ohne die Mikrowellenvorrichtung erforderliche Spannung, größer ist als V, die mit der Mikrowellenvorrichtung erforderliche Spannung, ist die Sputterrate R größer als die Rate R'.
Wenn diese größere Sputterfähigkeit mit der Verwendung einer wirksamen Oxidierungsvorrichtung kombiniert wird, wie dem mikrowellenerzeugten Plasma bei einer der bevorzugten Ausführungsformen, kann die Rate der Oxidniederschlagung viel höher sein als die bisher erzeugte. Beispielsweise ergab die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein niedergeschlagenes klares SiO&sub2; bei Über-Target-Raten oberhalb 1,8 x 10&supmin;&sup8; m/s [180 Å/s] nahezu die doppelten Werte, als sie in US-A-4 420 385 berichtet werden. Dies gilt auch für andere Materialien, wie die folgende Erläuterung zeigt.
Es wurde auch beobachtet, daß die Erfindung den Sauerstoff oder ein anderes reaktives Gas erhöht, das in die Vakuumkammer eingeleitet werden kann, bevor die Targetoberfläche vollständig von einer Oxidschicht bedeckt ist, d.h. bevor das Target "vergiftet" ist. Dies beruht auf der Fähigkeit des verbesserten Plasmas, aktive Sauerstoffarten zu erzeugen, die leicht mit dem wachsenden Film reagieren. Dieser Film ist tatsächlich eine zweite Pumpe für das reaktive Gas, wobei die Pumpe des Vakuumsystems die erste ist. Die Pumpgeschwindigkeit der zweiten Pumpe ist größer, wenn der Sauerstoff oder das andere reaktive Gas reaktiver gemacht wird. Bei einer Ausführungsform arbeitet die Vorrichtung mit 2 bis 3 kW Mikrowellenleistung, verteilt über ein Plasma von 0,203 bis 0,254 m [8 bis 10 inches] Länge. Dies steht in merklichem Kontrast zu den einigen hundert Watt über 0,508 bis 0,635 m [20-25 inches] , die beispielsweise in US-A-4 420 385 zitiert werden. Diese hohe Eingangsleistung in das verbreiterte verbesserte Plasma gemäß der Erfindung ist besonders wirksam zur Anregung des reaktiven Gases und daher zur Erhöhung der Punktgeschwindigkeit des wachsenden Films.
Während es oftmals erwünscht ist, das System mit dem maximal möglichen reaktiven Gas vor der Target-Vergiftung zu betreiben, ist es manchmal nicht zweckmäßig. Infolge seiner Wirksamkeit bei der Erzeugung aktiver Arten bewirkt die verbesserte Plasmavorrichtung gemäß der Erfindung oftmals eine vollständige Oxidierung oder Nitrierung usw. bei reaktiven Gasflüssen wesentlich unterhalb des Target-Vergiftungswertes. Diese Betriebsart ist oftmals zweckmäßig, wenn ein sehr stabiler Betrieb erwünscht ist, d.h., wenn ein Betrieb entfernt vom Vergiftungsknie der Systemkurve erwünscht ist.
Es wurde ferner beobachtet, daß bei einigen Ausführungsformen die Erfindung in der Lage ist, ein Plasma bei viel niedrigeren Drücken auszulösen als sie normalerweise bei Magnetron- Sputtern angewendet werden. Normalerweise erfordert ein Gleichstrom-Magnetron Drücke oberhalb 0,133 N/m² [10&supmin;³ Torr], während die Erfindung in der Lage ist, ein Plasma bei Drücken weit unterhalb 1,33 x 10&supmin;² N/m² [10&supmin;&sup4; Torr] auszulösen. So ist die Erfindung geeignet, Sputterstrom bei Drücken zu ziehen, für welche der mittlere Kollisionsweg größer ist als 50 cm. Dies kann vorteilhaft sein, wenn Sichtlinien-Niederschlag erforderlich ist, d.h., wenn eine Streuung der gesputterten Atome für den wachsenden Film nachteilig ist. Dies kann beispielsweise einen Niederschlag mit hohen Einfallswinkeln verhindern, der zu porösen oder beanspruchten Filmen führen kann.
Niederdruckbetrieb wird erreicht durch Verwendung eines Mikrowellengenerators als Plasma-Verbesserungsvorrichtung. Wie aus Fig.1 hervorgeht, werden die in das System durch 6 kommenden Mikrowellen von der Metalltrommel 2 reflektiert, was eine intensive stehende Welle im Bereich oberhalb der Trommel 2 bewirkt, in dem Bereich, in dem das Plasma erwünscht ist. So wird die Trommel 2 ein Teil eines Mikrowellenhohlraums mit hoher Qualität, in welchem intensive Felder ausgelöst und aufrechterhalten werden können, die zur Plasmaerzeugung bei Drücken bis herunter zu etwa 6,7 x 10&submin;&sub2; N/m&sub2; [5 x 10&submin;&sub4; Torr] geeignet sind.
Zur Durchführung der Erfindung bei Drücken unterhalb 1,33 x 10&submin;&sub2; N/m&sub2; [10&submin;&sub4; Torr] ist ein Betrieb mit Elektronen-Zyklotronresonanz (ECR) erforderlich. ECR ist eine bekannte Erscheinung. Sie tritt ein, wenn die Elektronenrotationsfrequenz um ein erzeugtes konstantes Magnetfeld B mit der Frequenz eines überlagerten elektromagnetischen Feldes übereinstimmt. Diese Elektronen-Zyklbtronfrequenz wird gegegeben durch
f = eB/m (5)
wobei e und m Elektronenladung und -masse sind. Für eine Mikrowellenfrequenz f von 2,45 Gigahertz, eine allgemein verwendete Frequenz wegen der leichten Verfügbarkeit von Mikrowellenofen-Magnetrons, ist B in der Gleichung (5) 0,0875 Tesla [875 Gauss]
Bei der vorliegenden Erfindung kann das Magnetfeld B für den ECR-Betrieb auf eine Anzahl von Arten erzeugt werden. Beispielsweise kann eine stromführende Spule rings um den Mikrowellenleiter gewickelt werden, wo er in die Vakuumkammer eintritt. Statt dessen kann man einfach einen Dauermagneten in den Bereich der Mikrowellenfenster an der Kammer einsetzen. Wenn dies getan wird, wird ein ECR-induziertes Plasma in den Bereichen rings um den Magneten ausgelöst, wo das Magnetfeld 0,0875 Tesla [875 Gauss] beträgt.
Die Erfindung ist auch geeignet zum Niederschlag einiger Nicht-Oxid-Dielektrika, und zwar in wirksamerer Weise als es beim Stand der Technik möglich ist. Beispielsweise ist Titannitrid, TiN, eine bekannte Beschichtung, die oftmals als abnützungsbeständige Beschichtung verwendet wird. In seiner optimalen abnützungsbeständigen Form ist es leitend und besitzt goldgelbe Farbe. Titandioxid ist andererseits eine klare Beschichtung, die oftmals in optischen Filtern verwendet wird. Titanmetall reagiert leicht mit Sauerstoff, reagiert jedoch im wesentlichen nicht mit Stickstoff. Um einen guten TiN-Film zu erzielen, benötigt man daher ein Plasma zum Anregen des Stickstoffs, um es reaktiver zu machen, und man muß Sauerstoff aus dem Niederschlagssystem in maximal möglichem Ausmaß ausschließen.
Wenn die Erfindung zum Niederschlagen dünner Filme von TiN verwendet wird, wird ein Titantarget angewendet und Stickstoffgas nach einem anfänglichen Auspumpen in das System eingemischt. Das Auspumpen entfernt den Sauerstoff aus dem System, wobei Temperatur- und Vakuumkammerhistorie wichtige Variable bei der Bestimmung der erforderlichen Zeit sind. Wenn beispielsweise die Kammer eine dicke poröse Beschichtung von früheren Durchläufen auf ihren Wänden trägt, dann kann eine lange Zeit erforderlich sein, damit Wasserdampf von den Wänden desorbiert wird. Es wird stets ein gewisser Restsauerstoff im System vorhanden sein und dieser Sauerstoff steht im Wettbewerb mit dem Stickstoff beim Reagieren mit dem gesputterten Ti-Film. Da Sauerstoff soviel stärker reaktiv ist als Stickstoff, kann selbst eine kleine Menge nachteilig sein.
Beim Betreiben der Erfindung zum Niederschlagen von TiN werden Substrate auf die Trommel gelegt, die beispielsweise mit 30 U/min gedreht wird. Wenn man annimmt, daß die Mikrowellenquelle auf der Gegenzeigerseite des Magnetron-Sputtertargets angeordnet ist, wie in Fig.1 gezeigt, wird das Ti-Metall nur in der Umgebung des Magnetrons gesputtert, worauf die Substrate direkt in die von der Mikrowellenvorrichtung dominierte Zone übergehen. Die Einwirkung von Hintergrundsauerstoff ist minimal, da die Reaktion, die an der Stelle des Targets ausgelöst wird, an der Stelle der Mikrowellenvorrichtung beendet wird und kein freies Ti für die Reaktion nach dem Durchlaufen der Mikrowelleneingabezone zur Verfügung steht.
Wenn die Trommel im Uhrzeigersinn gedreht wird, kommt Ti teilweise zur Reaktion unter dem Sputtertarget, und dieser teilweise zur Reaktion gebrachte Film wird dem Sauerstoffhintergrund über eine Periode ausgesetzt, die etwas kürzer ist als zwei Sekunden, was der Zeit entspricht, die für das Drehen der Trommel erforderlich ist, bis die Substrate die Mikrowellenvorrichtung erreichen. Dies kann zu einer potentiellen Oxidation des Films führen.
Aus der obigen Diskussion ist ersichtlich, daß bei Betreiben nach einem durch die US-A-4 851 095 beschriebenen Schema, wo das Sputtertarget und die Mikrowellenreaktionszonen physisch voneinander getrennt sind, größere Sorgfalt aufgewendet werden muß, um den Restsauerstoff aus dem System zu entfernen, wenn Nicht-Oxid-/Metallfilme niedergeschlagen werden, in welchen das Metall verhältnismäßig leicht mit Sauerstoff reagiert. Die in dem freien Raum zwischen den aktiven Zonen verbrauchte Zeit kann beim Stand der Technik nicht minimal gemacht werden, wie es bei Durchführung der vorliegenden Erfindung der Fall sein kann, wo eine einzige, kontinuierliche Aktivierungszone vorhanden ist. Das praktische Ergebnis hiervon besteht darin, daß die Erfindung kürzere Auspumpzeiten bedingt und weniger Aufmerksamkeit auf die Sauberkeit der Maschine gelegt werden muß als beim Stand der Technik, was zu einem wirtschaftlichen Vorteil führt.
Weitere Vorteile der Erfindung entstehen bei einer Ausführungsform, bei welcher das Sputtertarget in dem unausgeglichenen Modus geformt ist, wie oben in Verbindung mit Fig.3 kurz beschrieben. Es ist bekannt, daß die Qualität eines dünnen Films durch Bombardieren des Films mit energiereichen Atomen während des Niederschlagens beeinflußt werden kann. Die Energie dieser Atome ist vorzugsweise groß genug, um Atome rings um den wachsenden Film zu bewegen, und klein genug, um wesentliches Sputtern des Films zu vermeiden. Um dies nochmals festzuhalten, es ist erwünscht, die Beweglichkeit der Atome zu erhöhen, während ihr abermaliges Sputtern vermieden wird. Dies wird am besten erreicht, wenn die Energie der bombardierenden Art zwischen etwa 10 und 100 Elektronenvolt liegt. Das unausgeglichene Magnetron der Fig.3 ergibt Ionen auf dem Substrat in diesem Energiebereich. Dies tritt ein, da die freien Elektronen in diesem Teil des Plasmas in dem divergierenden Magnetfeld oberhalb des Targets durch dieses Feld gegen das Substrat geleitet werden. Diese Elektronen gewinnen Energie, indem sie sich gegen die schwächeren Feldbereiche bewegen, durch den magnetischen Spiegeleffekt. Obwohl die positiven Ionen, die Arten, denen man die bevorzugte Substrat-Bombardierungsenergie erteilen möchte, zu schwer sind, um im wesentlichen Ausmaß durch das divergierende Magnetfeld geleitet zu werden, werden sie gegen das Substrat durch ambipolare Diffusion beschleunigt, d.h., die negativ geladenen Elektronen "ziehen" die Ionen mit sich fort.
Das unausgeglichene Magnetron kann erfindungsgemäß als Sputtertarget verwendet werden, wobei eine Plasmaverbesserung und -verbreiterung beispielsweise durch das oben erläuterte Mikrowellensystem als Teil einer bevorzugten Ausführungsform erzeugt wird. Es kann auch als Hilfsplasmagenerator in Verbindung mit einem zusammenhängenden Sputtertarget verwendet werden, welches selbst unausgeglichen oder nicht unausgeglichen sein kann. In diesem Modus würde der unausgeglichene Hilfsgenerator im vergifteten Modus arbeiten und ein intensives Plasma erzeugen, während das Sputtern mit geringer Rate und das Sputtertarget selbst im unvergifteten Modus arbeiten würden, um die gewünschten Metallatome mit hoher Rate zu erzielen. Diese doppelte Arbeitsweise von zwei Targets, einem vergifteten und einem unvergifteten, läßt sich leicht erzielen, auch wenn der reaktive Gasdruck über beiden der gleiche ist, indem einfach das Sputtertarget mit einer Leistung läuft, die hoch genug ist, um zu gewährleisten, daß es nicht vergiftet wird, während der Hilfsgenerator mit einer Leistung läuft, die tief genug ist, um sicherzustellen, daß er vergiftet wird.
Bei Verwendung eines Sputtertargets, das entweder ausgeglichen oder unausgeglichen ist, als die Hilfsvorrichtung zur Verbesserung und Verbreiterung des Sputterplasmas, ergibt sich ein Problem bezüglich des Materials, aus dem das Hilfstarget herzustellen ist. In der obigen Diskussion wurde unausgesprochen angenommen, daß das Hilfstarget aus dem gleichen Material besteht wie das Hauptsputtertarget, so daß jedes von diesem gesputterte Material einfach dem wachsenden Film hinzugefügt würde und ihn nicht verunreinigen würde. Dies kann manchmal unzweckmäßig und/oder weniger wirkungsvoll sein, als es für die Verbesserung des Plasmas erwünscht ist, das letztere, wenn ungenügende Leistung angelegt wird, ohne eine Reinigung des Hilfstargets von seiner vergifteten Ober flächenschicht. Eine weitere, oftmals anzuwendende Ausführungsform besteht darin, daß das Hilfstarget aus einem anderen Material hergestellt wird, das eine niedrigere Sputterausbeute besitzt, oder das Einbringen kleiner Mengen desselben in den wachsenden Film hat keine praktischen Folgen. So kann man beispielsweise zum Niederschlagen von Al&sub2;O&sub3; ein vergiftetes Si-Target als Hilfstarget und ein unvergiftetes Aluminium-Target als Haupttarget verwenden. Da auch im unvergifteten Zustand Silizium eine geringere Sputterausbeute besitzt als die Hälfte derjenigen von Aluminium, würde sehr wenig Silizium in den Film eingebracht werden, und dieses als SiO&sub2;. Für die meisten Anwendungen ist diese kleine Menge von SiO&sub2; in Al&sub2;O&sub3; unwesentlich.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung verwendet einen Mikrowellengenerator als Plasmaverbesserungsvorrichtung 6 gemäß Fig.1. Eine Ausführungsform ist in Fig.6 als Seitenansicht der Vakuumkammer 25 und der Drehtrommel 26 gezeigt, auf der Substrate 27 angebracht sind. Ein für Mikrowellen durchlässiges Fenster 30 aus z.B. Quarzglas, ist an der Wand der Kammer angebracht. Ein Wellenleiter 28 leitet Mikrowellen durch das Fenster 30 zur Verbesserung des Plasmas 31.
Die Mikrowellenfrequenz beträgt 2,45 GHz und der Wellenleiter und das Fenster besitzen für diese Frequenz geeignete Abmessungen. So ist der Wellenleiter WR284 rechteckig und mißt 7,62 cm x 3,81 cm [3 inches x 1,5 inches] . Das Fenster ist kreisförmig und besitzt einen Durchmesser von etwa 7,62 cm [3 inches] . Die Mikrowellenspannungsquelle ist zur Erzeugung von 3 kW Mikrowellenenergie geeignet. Dies wird auf das Plasma 30 unter Verwendung eines Blindleitungstuners (stub tuner) 29 im Wellenleiter 28 abgestimmt.
Das (in Fig.6 nicht gezeigte) Sputtertarget bei einer Ausführungsform ist 0,127 m x 0,381 m [5 inches x 15 inches] und ist auf dem Außenumfang der Vakuumkammer 25 nahe dem Mikrowellenfenster 30 angeordnet. Die Trennung des Targets und des Fensters ist normalerweise geringer als 0,254 m [10 inches], was ermöglicht, daß das Plasma 31 leicht zwischen dem Bereich des Mikrowellenfensters 30 und dem Bereich des Targets diffundiert, so daß die Vorteile der Erfindung, wie oben diskutiert, erreicht werden können. Wenn die Vakuumkammer nach dem Betrieb untersucht wird, beobachtet man eine regenbogenartige Beschichtung am Mikrowellenfenster. Dies ist eine Metalloxid- Beschichtung, die durch Metallatome aus dem Sputtertarget und Sauerstoff gebildet wird, und sie zeigt eine Kopplung des am Target und an der Mikrowellenerzeugervorrichtung erzeugten Plasmas sowie eine beträchtliche Anregung von Metall- und Sauerstoffatomen im ganzen Bereich des kontinuierlichen Plasmas.
Wenn ein Betrieb bei Drücken unterhalb etwa 6x10&supmin;² N/m² [0,5 Millitorr] erwünscht ist, wird ein Magnetfeld 32 im Plasma 31 durch eine stromführende Spule 33 erzeugt, die um den Wellenleiter 28 gewickelt ist. Die Amperewindungen in dieser Spule reichen aus, um eine Feldstärke von 0,0875 Tesla [875 G] über eine bestimmte Oberfläche im Plasma 31 zu erzeugen und dadurch einen ECR-Betrieb in dieser Oberfläche hervorzurufen. Es hat sich gezeigt, daß 400 Ampere in 75 Windungen ausreichen, um dies zu erreichen.
Zusätzlich zur Erzielung eines ECR-Betriebes kann das Magnetfeld 32 auch als Magnetspiegel wirken, um das heiße Plasma 31 vom Fenster 30 abzuhalten, und dadurch eine höhere Leistung ohne Beschädigung des Fensters oder der Vakuumdichtungen zu ermöglichen. In der Tat tritt der magnetische Spiegeleffekt bei Feldstärken unterhalb denjenigen ein, die für einen ECR-Betrieb erforderlich sind, und die Erfindung kann, wenn gewünscht, so durchgeführt werden.
Mit einem einzigen Mikrowelleneingang, wie er in Fig.6 gezeigt ist, kann ein Film, der auf den Substraten 27 in Abständen über 0,2 - 0,3 m [8-12 inches] niedergeschlagen wird, wobei die exakte Breite von der Plasmaleistung abhängt, zur Reaktion gebracht werden. Dies liegt daran, daß die reaktiven Sorten des Plasmas 31 leicht in Bereiche jenseits des Mikrowellenfensters 30 von 7,62 cm [3 inches] diffundieren. Wenn eine Aktivierung über einen breiteren Bereich erwünscht ist, um beispielsweise größere Lastabmessungen zu erzielen, kann die Anzahl von Mikrowelleneingängen verwendet werden, wie sie jeweils in Fig.6 gezeigt sind. Beispielsweise können drei solche Quellen für die Verwendung von einem Target mit 0,63 m [25 inches] leicht ausreichen, wobei die drei Plasmazonen ineinander und in den Bereich unter dem Target diffundieren.
Statt solcher getrennter Eingänge kann die Erfindung auch ein Mikrowellenhorn verwenden, wie in Fig.7 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform werden Mikrowellendurch einen WR284-Wellenleiter 35 in ein Mikrowellenhorn 36 injiziert. Die Länge dieses Horns längs der Trommel beträgt etwa 0,381 m [15 inches], wenn es mit einem Target von 0,635 m [25 inches] verwendet wird. Das Mikrowellenfenster 37 mit Abmessungen von 38,1 cm x 7,62 cm [15 inches auf 3 inches], welches in der Kammerwand 38 angebracht ist, ist rechteckig. Bei dieser Anordnung wird ein langes Plasma 39 erzeugt, das eine Aktivierung eines Films auf den Substraten 40 und einen gekoppelten Betrieb mit dem (nicht gezeigten) Sputtertarget ermöglicht.
Andere Anordnungen zum Einleiten der Mikrowellen in die Kammer, wie die Verwendung der Streufeldapplikatoren, die von Gerling Laboratories in Modesto, Californien, VSTA, vertrieben werden, dürften dem Fachmann geläufig sein.

Beispiel 1

Um einen TiN-Film auf Substraten 3 zu erzeugen, wurde die im Querschnitt in Fig.1 dargestellte Vorrichtung mit einem Titanmetalltarget ausgestattet und es wurden die in Tabelle 1 wiedergegebenen Niederschlagsbedingungen verwirklicht. Tabelle 1
Die Trommel 2 wurde zuerst im Gegenzeigersinn zur Erzeugung der Probe A gedreht, und die Drehrichtung wurde im Uhrzeigersinn umgekehrt, um die Probe B zu erzeugen. Die erhaltenen Filme waren teilweise durchsichtig, mehr jedoch die Probe B als die Probe A. Die Leitfähigkeit der Probe A wurde mit 10 Ω/Square gemessen, während diejenige der Probe B 25 Ω/Square betrug. Diese Messungen zeigen deutlich, daß Probe A besser nitriert war als Probe B. Anders gesagt, Probe B war durch ihr längeres Ausgesetztsein dem Sauerstoffhintergrund teilweise oxidiert.

Beispiel 2

Um einen Film von SiO&sub2; auf Substraten 3 zu erzeugen, wurde die in Fig.1 dargestellte Vorrichtung mit einem Siliziumtarget und einem Mikrowellenplasmagenerator unter den in Tabelle 2 angegebenen Niederschlagsbedingungen betrieben.
Unter diesen Bedingungen wurde ein klarer, voll oxidierter Film von SiO&sub2; bei einer Niederschlagsrate über dem Target von 1,8 x 10&supmin;&sup8; m/s [180 Å/s] erhalten. Dies ist viel mehr als die 1 x 10&supmin;8 m/s [100 Å/s] , die bei US-A-4 851 095 unter Verwendung getrennter Sputter- und Niederschlagszonen erzielt wurden. Tabelle 2

Beispiel 3

Um Tantalpentoxid niederzuschlagen, wurde die in Fig.1 dargestellte Vorrichtung mit einem Tantalmetalltarget unter den in Tabelle 3 angegebenen Niederschlagsbedingungen betrieben. Unter diesen Bedingungen wurde ein klarer Film von Ta&sub2;O&sub5; mit einer Rate über dem Target von 1,2x10&supmin;&sup8; m/s [120 Å/s] niedergeschlagen, was erreicht wurde, ohne den Teil nach dem Niederschlag zu backen, ein Verfahren, das gewöhlich zum Vervollständigen der Oxidierung dünner Filme angewendet wird, wie in US-A-4 851 051 beschrieben. Tabelle 3

Beispiel 4

Für viele Materialien, wie Ta&sub2;O&sub5; und Nb&sub2;O&sub5;, können die Niederschlagsraten erhöht werden, wenn ein Backen nach dem Niederschlagen zur Vervollständigung der Reaktion des Films angewendet werden kann, d.h., um die Restabsorption von dem Film zu entfernen. Dies gilt auch für die vorliegende Erfindung. Um Ta&sub2;O&sub5; niederzuschlagen, wurde die Vorrichtung gemäß Fig.1 bei den in Tabelle 4 angegebenen Niederschlagsbedingungen betrieben, und ein Film von 1 Mikron wurde mit einer Rate von 2,1x10&supmin;&sup8; m/s [210 Å/s] niedergeschlagen. Der Film war beim Herausnehmen aus der Beschichtungskammer absorbierend, klarte jedoch nach dem Backen über 30 Minuten bei 600ºC auf. Dies steht im Gegensatz zu den in US-A-4 851 095 erzielten 1,5x10&supmin;&sup8; m/s [150 Å/s] Tabelle 4

Beispiel 5

Um einen Film von AlN zu erzeugen, wurde die in Fig.1 dargestellte Vorrichtung mit einem Aluminiumtarget ausgestattet und es wurden die in Tabelle 5 angegebenen Niederschlagsbedingungen hergestellt. Unter diesen Bedingungen wurde ein harter klarer Film von AlN mit einer Dicke von 3,5 µm mit einer Niederschlagsrate über dem Target von 5x10&supmin;&sup9; m/s [60 Å/s] erzeugt. Dieser Film war sehr geeignet als durchsichtige abnützungsbeständige Beschichtung. Tabelle 5
Die Erfindung kann auf viele Arten angewendet werden, einschließlich bei Mehrschicht-Interferenzfiltern, undurchsichtigen abnützungsbeständigen Beschichtungen, durchsichtigen abnützungsbeständigen Beschichtungen, geschichteten ultradünnen kohärenten Strukturen (LUCS), durchsichtigen leitenden Beschichtungen und anderen. Einige dieser Anwendungen werden unten kurz beschrieben.
Die Erfindung wurde zum Niederschlagen eines leitenden dünnen Oxids unter Verwendung eines Zinntargets und eines mikrowellenerzeugten Hilfsplasmas angewendet. Die erhaltene Beschichtung war klar mit einer Leitfähigkeit von 10&supmin;&sup4; Ω x cm.
Die Erfindung ist auch zum Niederschlagen von Filtern auf Lampen geeignet. Beispielsweise wurde ein im sichtbaren durchlässiges und im Infrarot reflektierendes Filter bis zu etwa 2 µm als Energievorrichtung für Glühlampen verwendet, insbesondere Wolfram-Halogenlampen. Die reflektierte Infrarotenergie hält die Farbentemperatur auf einem gegebenen Wert bei geringerer elektrischer Leistungsaufnahme, wodurch man sichtbares Licht mit geringeren Kosten erhält. Solche Filter und Lampen sind bekannt. Sie werden im großen durch The General Electric Co. hergestellt und sind in US-A-4 851 095 beschrieben. Diese IR-reflektierenden Filter auf Lampen können unter Anwendung der vorliegenden Erfindung niedergeschlagen werden, indem Werkzeuge vorgesehen werden, welche die Lampen drehen, wenn sie durch das Sputter-Aktivierungsplasma laufen. Nb&sub2;O&sub5;/SiO&sub2; und TiO&sub2;/SiO&sub2; wurden als Materialpaare zur Herstellung der Filter verwendet.
Viele Produkte erfordern hohe Reflexion im Sichtbaren und Durchlässigkeit im Infrarot, so daß das reflektierte Licht "kalt" ist. Beispiele sind Dentalspiegel und kleinere Parabolreflektoren, in welchen eine Lampe im Brennpunkt angeordnet ist. Sogenannte MR 16 bilden ein Beispiel für die letzteren. Diese sind Halbparaboloide mit einer Querabmessung von 5 cm [16/8 inch] . Sie werden beispielsweise in Overheadprojektoren verwendet. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere zum Beschichten dieser MR 16 geeignet. Ihre hohen Niederschlagsraten erlauben ein wirtschaftliches Niederschlagen von sehr stabilen Oxiden in Produkten dieser Anwendungsart.
Bei Verwendung von zwei oder mehreren Targets, die zu Hilfsplasmageneratoren gekoppelt sind, ist es einfach, abwechselnde ultradünne Schichten von verschiedenen Materialien niederzuschlagen, indem man die Trommeldrehzahl und die Sputterrate steuert. Beispielsweise kann man leicht eine Struktur, die aus SiO&sub2;-Schichten mit 6x10&supmin;¹&sup0; m [6 Å] mit dazwischenliegenden TiO&sub2;-Schichten von 1x10&supmin;&sup9; m[10 Å] bei einer Gesamtfilmdicke von 1 µm bei einer Trommeldrehzahl von 10 U/min und drei bzw. fünf Kilowatt Leistung am Siliziumbzw. Titantarget herstellen.
Während die Trommelform der Fig.1 eine zweckmäßige Anordnung für die erfindungsgemäße Anwendung ist, ist sie keineswegs die einzige Möglichkeit. Irgendwelche Formen gemäß US-A-4 851 095 können ebenfalls die Anwendung der Erfindung ausnützen.
Fig.9 zeigt beispielsweise eine Hilfsplasmageneratorvorrichtung 6 gekoppelt mit einem Sputtertarget 5 auf der Innenseite einer sich drehenden, substrattragenden Trommel 2. Als weiteres Beispiel zeigt Fig.10 gekoppelte Hilfsvorrichtungen 6 und Sputtertargets 5 sowohl auf der Innenseite als auch Außenseite einer substrattragenden Trommel 2.
Fig.11 zeigt eine neue Ringröhrenform ("donut" configuration), in welcher die Vakuumkammer 1 zylindrische innere und ußere Vakuumwände 1 mit in den Wänden 1 angebrachten gekoppelten Hilfsvorrichtungen 6 und Sputtertargets 5 aufweist. Es ist ersichtlich, daß eine solche Formgebung die Beschichtung von Substraten ermöglicht, die entweder von der Trommel nach innen oder nach außen weisen und somit die Lastgröße wirksam verdoppeln.

Claims

1. Magetron-Sputtervorrichtung (10) zum Sputtern wenigstens eines ausgewählten Materials auf ein Substrat (3) und Bewirken einer Reaktion dieses Materials, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Vakuumkammer, einen Substrathalter (2) innerhalb der Vakuumkammer, der zur Halterung von Substraten auf demselben geeignet ist, wobei der Substrathalter und die Vakuumkammer zwischen sich ein verhältnismäßig schmales langgestrecktes Reaktionsvolumen bilden, in das ein reaktives Gas eingeleitet wird, wenigstens eine Magnetron-Sputtereinrichtung (5), die in einer ersten Arbeitsstation nahe dem Substrathalter angeordnet ist und ein Target aus ausgewähltem Material aufweist, das zur Erzeugung eines ersten Plasmas (9) im ganzen Reaktionsvolumen zum Sputtern wenigstens eines ausgewählten Materials auf die Substrate geeignet ist, sowie wenigstens eine sekundäre Plasmaeinrichtung (6), dadurch gekennzeichnet, daß die sekundäre Plasmaeinrichtung in der ersten Arbeitsstation nahe der Magnetron- Sputtereinrichtung und nahe dem Substrathalter angeordnet ist, wobei die Sputtereinrichtung und die sekundäre Plasmaeinrichtung jeweils Sputter- und Aktivierungszonen bilden, die atmosphärisch und physikalisch benachbart sind, und zur Verbesserung des Plasmas der Sputtereinrichtung geeignet ist, um eine Reaktion der Ionen des reaktiven Gases mit dem Sputtermaterial unter einem verhältnismäßig niedrigen Umgebungsteildruck des reaktiven Gases zu bewirken, und daß der Substrathalter geeignet ist, die Substrate an den zugeordneten ausgewählten Arbeitsstationen vorbei zu drehen.

2. Magnetron-Sputtervorrichtung (10) nach Anspruch 1, bei welcher die verbesserte Plasmaeinrichtung, welche aus der Magnetron-Sputtereinrichtung (5) und der sekundären Plasmaeinrichtung (6) besteht, geeignet ist, eine reaktive Atmosphäre (11) zu bewirken, welche so gewählt ist, daß das ausgewählte Material wenigstens teilweise in wenigstens eine der folgenden Substanzen umgewandelt wird: ein Oxid, ein Nitrid, ein Hydrid, ein Oxynitrid oder eine Kohlenstoff enthaltende Legierung oder Verbindung.

3. Magnetron-Sputtervorrichtung (10) nach Anspruch 1, bei welcher die sekundäre Plasmaeinrichtung (6) in Verbindung mit der Magnetron-Sputtereinrichtung (5) geeignet ist, eine reaktive Amtosphäre (11) zu erzeugen, die so gewählt ist, daß die Umwandlung des ausgewählten Materials in wenigstens eine der folgenden Substanzen vervollständigt wird: ein Oxid, ein Nitrid, ein Hydrid, ein Oxynitrid oder eine Kohlenstoff enthaltende Legierung oder Verbindung, wobei die Umwandlung von der Magnetron-Sputtereinrichtung ausgelöst wird.

4. Magnetron-Sputtervorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die sekundäre Plasmaeinrichtung (6) für die Reinigung des Substrats (3) in situ geeignet ist.

5. Magnetron-Sputtervorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die sekundäre Plasmaeinrichtung (6) zum Beschießen des ausgewählten Materials durch energiegeladene Atome während des Bedampfens geeignet ist.

6. Magnetron-Sputtervorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die sekundäre Plasmaeinrichtung (6) eine Mikrowellen-Generatoreinrichtung ist.

7. Magnetron-Sputtervorrichtung (10) nach Anspruch 6, bei welcher die sekundäre Plasmaeinrichtung (6) eine Mikrowellen-Generatoreinrichtung ist, die in einem Elektronenzyklotron-Resonanzmodus (ECR) arbeitet.

8. Magetron-Sputtervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher die sekundäre Plasmaeinrichtung (6) eine Ionenkanoneneinrichtung ist.

9. Magnetron-Sputtervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher die sekundäre Plasmaeinrichtung (6) eine lineare Magnetroneinrichtung ist, die in einem ausgeglichenen Magnetmodus arbeitet.

10. Magnetron-Sputtervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher die sekundäre Plasmaeinrichtung (6) eine lineare Magnetroneinrichtung ist, die in einem unausgeglichenen Magnetmodus arbeitet.

11. Magnetron-Sputtervorrichtung (10) nach Anspruch 9 oder 10, bei welcher die lineare Magnetroneinrichtung (6) aus einem Targetmaterial besteht, welches das gleiche Material ist wie das ausgewählte Material, und in einem vergifteten Modus (poisoned mode) betrieben wird.

12. Magetron-Sputtervorrichtung (10) nach Anspruch 9 oder 10, bei welcher die lineare Magnetroneinrichtung (6) aus einem Targetmaterial besteht, das aus einem Sputtermaterial mit niedrigerer Ausbeute als das ausgewählte Material besteht.

13. Magnetron-Sputtervorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die sekundäre Plasmaeinrichtung (6) eine Erhitzung des Substrats bewirkt.

14. Magnetron-Sputtervorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Magnetron-Sputtereinrichtung (5) eine zylindrische Magnetroneinrichtung ist.

15. Magetron-Sputtervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei welcher die Magnetron-Sputtereinrichtung (5) eine planare Mangetroneinrichtung ist.

16. Magetron-Sputtervorrichtung (10) nach Anspruch 15, bei welcher die planare Magnetroneinrichtung (5) in einem nicht ausgeglichenen Magnetmodus betrieben wird.

17. Magnetron-Sputtervorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Magnetron-Sputtereinrichtung (5) in Verbindung mit der sekundären Plasmaeinrichtung (6) für eine Sputterbeschichtung der ausgewählten Materialien bei Drücken unterhalb 133,3 10&supmin;³ Pa (10&supmin;³ Torr) geeignet ist.

18. Magetron-Sputtervorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Magnetron-Sputtereinrichtung (5) in Verbindung mit der sekundären Plasmaeinrichtung (6) zur Umwandlung des ausgewählten Materials in ein Oxid, ein Nitrid, ein Hydrid, ein Oxynitrid oder eine Kohlenstoff enthaltende Legierung oder Verbindung bei Drücken unterhalb 133,3 10&supmin;³ Pa (10&supmin;³ Torr) geeignet ist.

19. Magnetron-Sputtervorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher der Substrathalter (2) ein Band in einem Band-zu-Band-Rollbeschichter ist.

20. Magnetron-Sputtervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei welcher der Substrathalter (2) eine Scheibe ist.

21. Magetron-Sputtervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei welcher der Substrathalter (2) eine Trommel ist.

22. Magnetron-Sputtervorrichtung (10) nach Anspruch 21, bei welcher die sekundäre Plasmaeinrichtung (6) außerhalb der Trommel (2) angeordnet ist.

23. Magnetron-Sputtervorrichtung (10) nach Anspruch 21, bei welcher die sekundäre Plasmaeinrichtung (6) innerhalb der Trommel (2) angeordnet ist.

24. Magnetron-Sputtervorrichtung (10) nach Anspruch 21, bei welcher wenigstens eine sekundäre Plasmaeinrichtung (6) innerhalb der Trommel (2) angeordnet ist und wenigstens eine sekundäre Plasmaeinrichtung außerhalb der Trommel angeordnet ist.

25. Magnetron-Sputtervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 21 bis 24, mit einer Substratträgereinrichtung, welche nahe dem Umfang der Trommel drehbar gelagert ist, um ausgewählte Substrate (3) oder Oberflächenabschnitte derselben der Arbeitsstation (5,6) drehbar darzubieten.

26. Magnetron-Sputtervorrichtung (10) nach Anspruch 25, bei welcher die drehbar gelagerte Einrichtung eine Planetenradanordnung aufweist, die in Verbindung mit der Drehung der Trommel (2) drehbar ist.

27. Magetron-Sputtervorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit wenigstens einer zweiten Magetron-Sputtereinrichtung (5) oder Gruppe von Magnetron- Sputtereinrichtungen, die zum Aufbringen wenigstens eines zweiten Materials auf Substrate (3) in einer zweiten Arbeitsstation oder Gruppe von Arbeitsstationen nahe dem Substrathalter geeignet sind.

28. Magnetron-Sputtervorrichtung (10) nach Anspruch 27, mit wenigstens einer zweiten sekundären Plasmaeinrichtung (6) oder Gruppe von sekundären Plasmaeinrichtungen, die nahe der zweiten Magnetron-Sputtereinrichtung (5) oder Gruppe von Magnetron-Sputtereinrichtungen angeordnet sind und zur Erzeugung eines Plasmas (8) für die Verbesserung des Plasmas (9) geeignet sind, welches von der zweiten Magnetron-Sputtereinrichtung oder Gruppe von Magetron-Sputtereinrichtungen gebildet wird.

29. Verwendung einer Magnetron-Sputtervorrichtung (10) nach Anspruch 28, bei welcher die Magnetron-Sputtereinrichtung (5) und die Magnetron-Sputter- und sekundären Plasmaeinrichtungen in Kombination selektiv und nacheinander betrieben werden, um eine zusammengesetzte Beschichtung zu bilden, die wenigstens eine Mehrzahl von Schichten umfaßt, wobei die Zusammensetzung jeder Schicht ausgewählt ist aus wenigstens einer der folgenden Substanzen: ein erstes Metall, ein zweites Metall, ein Oxid des ersten Metalls, ein Oxid des zweiten Metalls, Mischungen des ersten und zweiten Metalls und ein Oxid von Mischungen des ersten und zweiten Metalls.

30. Verwendung einer Magnetron-Sputtervorrichtung (10) nach Anspruch 29, bei welcher ausgewählte der Magnetron-Sputtereinrichtungen nacheinander betrieben werden, um Schichten der ausgewählten Materialien auf das Substrat (3) durch Sputtern auf zudampfen, und ausgewählte der zweiten Plasmaeinrichtungen selektiv und nacheinander in Verbindung mit der Zuleitung eines ausgewählten Reaktionsgases oder einer Kombination von ausgewählten Reaktiongasen in dieselben betrieben werden, um eine Reaktion mit wenigstens ausgewählten der Schichten vor dem Sputteraufdampfen der nächstfolgenden Schicht zu bewirken.

31. Verwendung einer Magnetron-Sputtervorrichtung (10) nach Anspruch 30, bei welcher die Reaktion die Umwandlung der ausgewählten Schichten in wenigstens eine Substanz umfaßt, die ausgewählt ist aus einem Oxid, Nitrid, Hydrid, Sulfid, Oxynitrid oder einer Kohlenstoff enthaltenden Verbindung oder Mischung.

32. Verwendung einer Magnetron-Sputtervorrichtung (10) nach Anspruch 30 oder 31, bei welcher die ausgewählte Reaktion Oxidation ist.

33. Verwendung einer Magnetron-Sputtervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 29 bis 32, bei welcher Mischungen von Materialien aufgedampft werden, die abwechselnde Schichten von zusammengesetzten Materialien mit hohem und niedrigem effektivem Brechungsindex und nahezu gleicher optischer Dicke erzeugen, wobei die abwechselnden Schichten ein- oder mehrmals wiederholt werden, um eine Mehrschicht-Beschichtung zu erzeugen, die eine hohe Spitze des Reflexionsvermögens für elektromagnetische Strahlung bei der wirksamen optischen Viertelwellenlängen-Dicke des Mehrschichtstapels und ein breites Band hoher Durchlässigkeit sowohl bei längeren als auch kürzeren Wellenlängen außerhalb des Bandes des Spitzenreflexionsvermögens der Schicht hervorruft.

34. Verwendung einer Magnetron-Sputtervorrichtung (10) nach Anspruch 33, bei welcher jede Schicht der Beschichtung einer kontinuierlich veränderlichen Mischung von ausgewählten Materialien oder zur Reaktion gebrachten ausgewählten Materialien darstellt, um einen kontinuierlich veränderlichen Brechungsindex gegenüber demjenigen eines Materials mit einem hohen Brechungsindex in der Mischung zu demjenigen eines Materials mit einem niedrigen Brechungsindex in der Mischung zu bewirken, wobei die Änderung des Brechungsindex sich für jede folgende Schicht umkehrt.

35. Verwendung einer Magnetron-Sputtervorrichtung (10) nach Anspruch 33 oder 34, bei welcher die Schichten der Beschichtung zur Unterdrückung der Reflexionsbänder höherer Ordnung in den Mehrschicht-Beschichtungen vorgesehen sind.