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Der Erfindung zugrundeliegender allgemeiner Stand der
Technik
1. Gebiet der Erfindung:
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Diese Erfindung betrifft die Plasmadampfabscheidung einer
Schicht eines elektrisch isolierenden Materials auf ein
Substrat durch reaktives Sputtern. Insbesondere
ermöglichen es das Verfahren und die Vorrichtung der
Erfindung, daß das Beschichten mittels Sputtern unter
Verwendung einer Gleichstromplasmaentladung ausgeführt
werden kann.
2. Beschreibung des Standes der Technik
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Das Beschichten mittels Sputtern ist eine häufig
verwendete Technik zum Abscheiden einer dünnen
Materialschicht auf ein Substrat. Bei einer Form dieser
Technik, die als Gleichstrom-Sputtern bekannt ist, werden
positive Ionen von einer Plasmaentladung, die zwischen
einer Anode und einer Target-Kathode ausgebildet ist, zum
Target hin angezogen und treffen dort auf, wobei sie
Atome von der Targetoberfläche entfernen oder davon
absputtern. Einige der entfernten Atome fallen auf die
Oberfläche des Substrats und bilden eine Beschichtung.
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Beim reaktiven Sputtern ist ebenfalls eine gasförmige
Spezies an der Substratoberfläche vorhanden und reagiert
mit den Atomen der Targetoberfläche und bei einigen
Ausführungsbeispielen bildet die Spezies mit den Atomen
der Targetoberfläche eine Verbindung, um das gewünschte
Beschichtungsmaterial auszubilden. Dieses Material wird
ebenfalls auf jeder anderen Oberfläche, die den
abgesputterten Atomen ausgesetzt ist, abgeschieden. Gemäß
dem Stand der Technik wurde erkannt, daß, wenn die
Beschichtung eine elektrisch isolierendes Material ist,
wie z. B. ein Metalloxid, das Ansammeln des Materials an
anderen Teilen der Sputter-Vorrichtung Probleme
verursachen kann. Besonders der Aufbau einer isolierenden
Beschichtung auf der Anode stört die Fähigkeit der Anode
Elektronen aus dem Plasma zu entfernen, wie dies
erforderlich ist, um das Plasmaladungsgleichgewicht
aufrechtzuerhalten. Dies destabilisiert das Plasma und
stört die gesteuerte Abscheidung. Folglich ist es üblich
eine andere Sputtertechnik, das Hochfrequenz-Sputtern,
zu verwenden, um Schichten isolierenden Materials
abzuscheiden. Jedoch ist das Hochfrequenz-Sputtern ein
weniger effizienter, weniger steuerbarer und teurer
Prozeß als Gleichstrom-Sputtern.
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Pinarbasi ist auf dieses Problem gestoßen, als er
versuchte, Schichten von wasserstoffhaltigem, amorphem
Silicium abzuscheiden. Seine Arbeit wurde 1989 als
Doktorarbeit an der Universität von Illinois in Urbana-
Champaign mit dem Titel "Growth, Properties and
Electrical Stability of DC Magnetron Reactive Sputtered
Hydrogenated Amorphous Silicon Thin Films" und in Thin
Solid Films, 171 (1989) S. 217-233 veröffentlicht. Zur
Verringerung dieses Effekts, schirmte Pinarbasi die Anode
mit einer Anodenabschirmung auf positiver Vorspannung ab,
um den Elektronenstrom vom Plasma zu transportieren. Dies
reduzierte das Problem soweit, daß es das Abscheiden der
experimentellen Schichten ermöglichte. (Siehe Besonderes
Seite 220). Aber ein kaum verstandener Einschwingvorgang,
von dem Pinarbasi berichtet, zeigt an, daß das Problem
nicht vollständig unter Kontrolle war. Dieses Problem
könnte einen Langzeiteinsatz dieses Prozesses ernsthaft
beeinflussen, wie z. B. bei einer Produktionseinstellung.
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In EP-A-0 534 066 wird eine Vorrichtung offenbart, bei
der eine zusätzliche Anode verwendet wird, wobei die
Anode auf einem Nebenpotential gehalten wird, das
positiver ist als das erste Potential des Verdampfers.
Bei dieser Vorrichtung ist keine effiziente Vermeidung
von unerwünschter Abscheidung vorgesehen.
Zusammenfassung der Erfindung
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Bei der vorliegenden Erfindung ist eine
Nebenanodenelektrode in der Sputter-Kammer eingeschlossen
und so plaziert, daß sie vom Strom der gesputterten Atome
abgeschirmt ist. Diese Nebenanode wird nicht wesentlich
mit elektrisch isolierendem Material beschichtet und
behält ihre Fähigkeit, genug Elektroden aus dem Plasma
anzuziehen, bei, um das Plasmaladungsgleichgewicht
aufrechtzuerhalten. Dies ermöglicht den effizienten
Einsatz des Gleichstrom-Sputtern zum Abscheiden von
isolierenden Materialien und vermeidet den allgemein als
notwendig betrachteten Einsatz der weniger effizienten
und weniger steuerbaren Hochfrequenz-Sputter-Technik.
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Bei einer Gleichstrom-Sputter-Vorrichtung wird ein
elektrisches Feld zwischen einer Hauptanode und einem
Targethalter, der ein Target des zu sputternden Materials
hält, erzeugt. Das Target und der Targethalter bilden die
Kathode aus. Das Feld ionisiert das Sputter-Gas, das in
der Sputter-Kammer auf einem Druck weit unterhalb
Atmosphärendruck gehalten wird und eine Plasmaentladung
bildet. Positive Ionen aus dem Plasma werden zum Target
angezogen, treffen auf das Target und entfernen Atome aus
der Targetoberfläche Die Atome werden von der
Targetoberfläche in alle Richtungen emittiert. Da diese
Atome beinahe vollständig ladungsneutral sind, sind ihre
Bahnen geradlinig und werden durch elektrische oder
magnetische Felder nicht beeinflußt. Sie schlagen sich
auf jeder Oberfläche, auf die sie auftreffen, nieder und
beschichten diese. Sie treffen auf das zu beschichtende
Substrat, auf die Wände der Sputter-Kammer und auf die
Hauptanode auf. Falls das abgeschiedene Material
elektrisch isolierend ist, z. B. wenn sich die
gesputterten Atome mit den reaktiven Gasspezies, die
ebenfalls in der Kammer und auf der Hauptanode vorhanden
sind, chemisch verbinden, stört eine isolierende
Beschichtung auf der Hauptanode dessen Fähigkeit
Elektronen aus dem Plasma anzusaugen. Die
erfindungsgemäße Plazierung einer Nebenanode, die gegen
den Strom der gesputterten Atome abgeschirmt ist,
verhindert das Abscheiden dieser Beschichtungen oder
verringert die Abscheidung unter eine Menge, die ein
wesentliches Problem darstellt. Die Nebenanode kann z. B.
hinter einem Abschirmelement, in einer Aussparung oder
hinter einer Schulter plaziert sein, solange sie
außerhalb der geometrischen Sichtlinie der
Targetoberfläche ist. Die Wirksamkeit dieser Nebenanode
beim Anziehen von Elektronen aus dem Plasma kann durch
elektrisches Isolieren der Anode gegen die Hauptanode und
durch Anlegen einer positiven Vorspannung bezüglich der
Hauptanode verbessert werden.
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Kurze Beschreibung der Abbildungen
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Fig. 1 ist eine Seitenansicht im Querschnitt einer
Sputter-Vorrichtung der Erfindung, die eine
Nebenanode darstellt, die von der
Targetoberfläche durch ein Abschirmelement
abgeschirmt ist.
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Fig. 2 ist eine Seitenansicht im Querschnitt eines
Teils einer Sputter-Vorrichtung der Erfindung,
die die Nebenanode in einer Aussparung gelegen
darstellt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Die Vorrichtung der Erfindung zur Plasmadampfabscheidung
von Schichten eines isolierenden Materials auf ein
Substrat verwendet die Gleichstrom-Sputter-Technik. Diese
Technik ermöglicht den Einsatz einer einfachen Kammer und
eines günstigeren Netzteus gegenüber der allgemein
verwendeten Hochfrequenz-Sputter-Technik. Zusätzlich
ermöglicht das Gleichstrom-Sputtern eine schnellere und
steuerbarere Abscheidung. Bei dieser Technik wird ein
elektrisches Feld zwischen einer Anodenelektrode auf
positiver Vorspannung und einer gegenüber dazu negativ
vorgespannten Kathodenelektrode erzeugt. Die Elektroden
liegen in einer evakuierbaren Kammer, innerhalb derer
sich ein Gas (normalerweise ein Edelgas, wie z. B. Argon)
auf einem Druck weit unterhalb des Atmosphärendrucks
gehalten wird. Das elektrische Feld ist stark genug, um
die lonisierung eines Teils der Gasatome, die
Beschleunigung der Ionen im Feld, Stöße mit anderen
Atomen und schließlich eine anhaltende Plasmaentladung zu
erzeugen. Der Entladungsbereich, der sowohl Elektronen
als auch positive Ionen enthält, ist ungefähr
ladungsneutral und behält diese Neutralität bei, da
positive Ionen auf der Kathode, die auf negativer
Vorspannung liegt, auftreffen und neutralisiert werden
und Elektroden durch die positive Anode angesaugt werden.
Das Hinzufügen eines magnetischen Felds von geeigneter
Geometrie und Stärke in den Plasmabereich hilft dabei,
das Plasma auf den gewünschten Bereich zu beschränken.
Dieses ist aus dem Stand der Technik als die
Magnetrontechnik bekannt
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Das Sputtern, dies ist sozusagen die Emission von Atomen
von einem Target, findet statt, wenn das Target in der
Bahn der positiven Plasmaionen angeordnet ist, da diese
in Richtung der Kathodenelektrode beschleunigt werden.
Falls das Target metallisch ist, kann es selbst die
Kathode oder einen Teil davon bilden. Die energiereichen,
positiven Ionen des Sputtergases kollidieren mit der
Targetoberfläche und schlagen Atome aus der Oberfläche
heraus, wie getroffene Billardkugeln. Sie werden von der
Targetoberfläche in alle Richtungen emittiert. Die
abgesputterten Atome des Targetmaterials haften auf allem
worauf sie auftreffen, wie z. B. einem zu beschichtenden
Substrat. Sie haften ebenfalls auf der Anodenelektrode,
anderen Aufbauten in der Kammer und den Kammerwänden.
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Eine abgeschiedene Schicht aus einer Verbindung des
Targetmaterials mit einer anderen chemischen Spezies kann
ausgebildet werden, indem die andere Spezies in
gasförmiger Form in die Sputter-Kammer eingeführt wird.
Dies ist als reaktives Sputtern bekannt. Die chemische
Verbindung der Targetspezies mit der reaktiven,
gasförmigen Spezies kann in der Kammer oder an der
Substratoberfläche stattfinden. Z. B. kann das
ferroelektrische Material, das als PZT (Blei-Zirkonat-
Titanat) bekannt ist, abgeschieden werden, indem ein
Blei, Zirkon und Titan enthaltendes Target bei
Anwesenheit von Sauerstoff in der Sputter-Kammer
verwendet wird, um das Oxid der gewünschten
Zusammensetzung auszubilden. Solche Oxidschichten wurden
in der Vergangenheit durch die weniger wünschenswerte
Hochfrequenz-Sputter-Technik hergestellt, weil sich die
isolierende Oxydbeschichtung ebenfalls auf der
Anodenelektrode ausbildet, was zur Plasmainstabilität
führt. Die Hochfrequenz-Technik erfordert eine Quelle mit
hoher Leistung (z. B. einige hundert Watt) und hoher
Frequenz (z. B. 15 MHz) und eine Kammer, die sorgfältig
entworfen ist, um elektrisch an das Stromversorgungsteil
(Quelle) angepaßt zu sein. Zusätzlich werden bei der
Hochfrequenz-Technik häufig toxische, gasförmige
Metallverbindungen als Quelle der metallischen
Komponenten der Schicht verwendet.
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Bei der hier offenbarten Vorrichtung wird eine Nebenanode
gegen die abgesputterten Atome abgeschirmt, was die
Ausbildung einer isolierenden Beschichtung unterdrückt.
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Dann behält die Nebenanode ihre Fähigkeit, Elektronen aus
dem Plasma aufzunehmen und das Ladungsgleichgewicht des
Plasmas aufrechtzuerhalten, bei. Diese Nebenanode kann
gegen die Hauptanode elektrisch isoliert sein und
bezüglich der Hauptanode auf positiver Vorspannung
liegen, um ihre Fähigkeit, Elektronen anzuziehen, zu
erhöhen.
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Eine beispielhafte Vorrichtung der Erfindung ist
schematisch in Fig. 1 dargestellt. Sie ist mit einer
zylindrischen Symmetrie um die vertikale Achse
dargestellt. Die Gleichstrom-Sputter-Kammer 10 ist
hermetisch abgedichtet, so daß sie mittels einer Pumpe 11
evakuiert werden kann. Von einer Sputtergasquelle 12 kann
dann ein Sputtergas in die Kammer 10 eingeführt werden.
Das Sputtergas ist normalerweise ein Edelgas, wie z. B.
Argon. Falls dies gewünscht ist, kann ebenfalls von einer
Reaktionsgasquelle 13 ein Reaktionsgas in die Kammer 10
eingeführt werden. Normalerweise wird die Kammer 10 als
das elektrische Massebezugsnormal der Vorrichtung
betrachtet
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Der Bereich 14, innerhalb dessen die Plasmaentladung
stattfindet, wird durch die Hauptanode 15, die
typischerweise auf dem elektrischen Potential der Kammer
gehalten wird, die Kathode 16, die ein Target 17 des
zu sputternden Materials hält, und den Substratträger 18
begrenzt, der ein Substrat 19 hält. Eine elektrisch
isolierende Dichtung 20 hält die Luftdichtigkeit der
Vorrichtung aufrecht und ein Gleichstromnetzteil 21 hält
die Kathode 16 auf einem negativen Potential bezüglich
der Hauptanode 15. Die Höhe des negativen Potentials, das
zum Aufrechterhalten einer Plasmaentladung in einem Gas
einer speziellen Spezies bei einem speziellen Druck in
einem Plasmabereich von bestimmten Abmessungen benötigt
wird, und wie diese Eigenschaften miteinander in
Zusammenhang stehen, ist nach dem Stand der Technik gut
bekannt. Potentiale im Bereich von 300 Volt bis 400 Volt
bei (z. B.) Argon mit einem Druck im Bereich von 2,66 10&supmin;³
mbar (2 mtorr) bis 2,66 10 &supmin;²mbar (20 mtorr) mit einem
Abstand Anode-Kathode im Bereich von einem bis zehn
Zentimetern sind beispielhaft für solche Größen.
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Die Vorrichtung weist ebenfalls eine Nebenanode 22 auf.
Eine elektrische Verbindung zur Nebenanode 22 wird über
ein hermetisch abdichtendes Mittel 23 für die Vorspannung
hergestellt. Die Variabilität einer
Vorspannungsversorgung 24 ist dargestellt, um anzudeuten,
daß die Nebenanode 22 auf dem Potential der Hauptanode 15
oder auf einem positiven Potential bezüglich der
Hauptanode 15 gehalten werden kann, um ihre Fähigkeit,
Elektronen aus der Plasmaentladung herauszuziehen, zu
verbessern. Eine positive Vorspannung im Bereich von 10
Volt bis 200 Volt kann wirkungsvoll sein, bei einem
anderen System können es 25 Volt bis 100 Volt sein.
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Die Nebenanode 22 ist durch ein Abschirmungselement 25
gegen den vom Target 17 kommenden Strom von
abgesputterten Atomen abgeschirmt. Das Abschirmelement 25
muß mindestens weit genug herabhängen bzw
heruntergezogen sein, daß alle Teile der Nebenanode 22
bezüglich aller Teile des Targets 17 außerhalb der
geradlinigen Bestrahlung liegen. Da die gesputterten
Atome durch Stöße mit Atomen des Sputtergases etwas
gestreut werden, kann es notwendig sein, daß das
Abschirmelement etwas weiter als dieses Minimummaß
herabhängt. Wenn es jedoch etwas zu weit herabhängt,
stört das Abschirmelement 25 den Strom der Elektronen von
der Plasmaentladung zur Nebenanode 22 Das Aufheizen der
Nebenanode durch Elektronenbeschuß hilft ebenfalls dabei,
die Abscheidung des gesputterten Materials zu vermindern,
weil es bewirkt, daß das Material verdampft, wenn es
abgeschieden wird. Die Nebenanode kann ebenfalls ein
Widerstandselement zum Heizen aufweisen. Viele
verschiedene konstruktive Anordnungen zum Abschirmen der
Nebenanode 22 gegen den Strom von gesputterten Atomen
wären für einen Apparateentwickler offensichtlich. Z. B.
zeigt Fig. 2, wie die Nebenanode 30 innerhalb einer Rille
31 im Element 32, das den Targethalter 33 trägt,
angeordnet ist.