EP1525607A1 - Verfahren und einrichtung zur wechselweisen abscheidung zweier materialien durch kathoden-zerstäubung - Google Patents

Verfahren und einrichtung zur wechselweisen abscheidung zweier materialien durch kathoden-zerstäubung

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EP1525607A1
EP1525607A1 EP03735681A EP03735681A EP1525607A1 EP 1525607 A1 EP1525607 A1 EP 1525607A1 EP 03735681 A EP03735681 A EP 03735681A EP 03735681 A EP03735681 A EP 03735681A EP 1525607 A1 EP1525607 A1 EP 1525607A1
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EP
European Patent Office
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partial
target
targets
magnetic field
partial target
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03735681A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Torsten Winkler
Klaus Goedicke
Ralf Bluethner
Jörn-Steffen LIEBIG
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP1525607A1 publication Critical patent/EP1525607A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/34—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering
    • H01J37/3411—Constructional aspects of the reactor
    • H01J37/3414—Targets
    • H01J37/3426—Material
    • H01J37/3429—Plural materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • C23C14/3407—Cathode assembly for sputtering apparatus, e.g. Target
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • C23C14/34—Sputtering
    • C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering
    • C23C14/352—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering using more than one target
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    • H01J37/34—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering
    • H01J37/3402—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering using supplementary magnetic fields
    • H01J37/3405—Magnetron sputtering
    • H01J37/3408—Planar magnetron sputtering

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for alternating deposition of two different materials by cathode sputtering, also called sputtering, with a magnetron source on a stationary substrate.
  • the invention can be used for the deposition of multilayer systems for electronics, sensors, micromechanics and for the production of thin-film storage media.
  • Magnetron sputtering processes and systems are often used for the stationary coating of substrates in the manufacture of modern thin-film products. This also applies to a large number of individual layers made of different materials, which together form a layer system. In order to limit the expenditure for the production of such layer systems, the aim is to be able to deposit two layers of different materials with one magnetron source each.
  • the magnetron source must be suitable for the atomization of different materials.
  • a further requirement is generally a high uniformity of the layer thickness and the layer properties over the entire substrate area. For this reason, rotationally symmetrical targets are often used, but even with parallel arrangements of magnetron sources, good uniformity can be achieved with certain substrate shapes.
  • DE 41 27 261 C1 describes a sputtering device for the simultaneous or sequential deposition of two different materials with concentric magnetron arrangements and galvanically separated partial targets and separate magnet systems described. This device is well suited for the deposition of mixed layers if both materials are sputtered at the same time.
  • the individual partial targets are designed geometrically in such a way that each leads to a uniform covering of the substrate with the coating material. However, when the materials are sputtered in succession, contamination of the non-atomized material occurs
  • Partial targets with the sputtered material of the other partial target since this is not only reflected on the substrate, but also on the partial target that has just been switched off. This contamination must be removed after switching the targets before the actual material of the switched-on partial target can be removed and deposited as a layer on the substrate. Switching on a magnetron discharge of low power density on the partial target that is not to be atomized does not remedy this deficiency. A cleaning step is therefore required before each new deposition, since otherwise the growing layer is contaminated with the material of the layer below.
  • the essence of the invention is a procedure in which both of the materials to be sputtered one after the other or alternately in the form of two, preferably concentrically designed, partial targets are electrically connected to a respectively defined electrical target
  • Suitable states can generate two states of the Gas discharge can be set, wherein in one state a magnetron discharge is generated on the one partial target and this partial target is sputtered, and in the other state a magnetron discharge is generated on the other partial target and this partial target is sputtered. Switching between these two states is possible by suitable means.
  • the magnetic field-generating device is also dimensioned and designed in such a way that the gas discharge on the other partial target, each of which has a low plasma density, prevents deposition with sputtered particles or is at least reduced in size without this partial target itself being sputtered. It can be demonstrated experimentally within the scope of the measurement accuracy that the method described avoids contamination of the layer formed during sputtering of one material with the other material. It is essential to the invention that the switchover between the two operating states, that is to say the different plasma densities, is realized by changing the field direction of the magnetic field strength on the target surface. It was surprisingly found that this change in the field direction influences the effectiveness of the atomization of the target material much more than the resulting jump in the plasma density would be expected.
  • the magnetic field lines emerge essentially perpendicularly from the target surface, there is no significant atomization of the target material even with a relatively high plasma density of the discharge. However, the discharge maintained in this way is sufficient to prevent contamination of the target surface by parasitic coatings from adjacent sputtering processes. If the magnetic field strength is oriented away from the normal to the target surface, preferably in one direction with field lines running essentially parallel to the target surface, then an effective atomization of the target material begins immediately. No additional cleaning step is required because the
  • Target surface is available at any time without significant contamination from foreign material.
  • the essence of the method according to the invention is therefore to keep a further partial target made of a different material in operation during the sputtering of a partial target, over which a plasma discharge burns, which is maintained by a magnetic field with a magnetic field strength emerging essentially perpendicularly from the target surface without this plasma discharge leading to a significant atomization of this partial target.
  • This partial target is then atomized by changing the magnetic field strength in one direction with field lines running essentially parallel to the target surface.
  • the partial target which was previously was atomized, the magnetic field direction was changed from a direction almost parallel to the target in a vertical direction, whereby this partial target is now only protected against contamination, but no longer contributes to the coating process.
  • a multiple change between the two operating states makes it possible to separate layer stacks from alternating individual layers with high effectiveness and without intermediate cleaning steps.
  • a target which consists of at least two partial targets of different materials and whose electrical potentials are the same or are close to one another, are exposed to different plasma densities, a magnetic field generating device being excited in a first operating state that first a first partial target made of one material is atomized by a magnetron discharge, while a second partial target made of the other material is exposed to a glow discharge that is not reinforced by a magnetic field, without being atomized, then the magnetic field generating device is excited in a second operating state in such a way that the first partial target is exposed to a non-magnetic field-enhanced glow discharge without being atomized and the second partial target is atomized by a magnetron discharge, after which it is possible to return to the first operating state.
  • the procedure according to the invention is particularly suitable for the use of rotationally symmetrical partial targets.
  • the alignment of the normals of the trapezoidal partial target can be such that when each of the partial targets is sputtered on a suitably spaced flat substrate, an im Essentially the same layer thickness distribution is formed.
  • the diameters of the erosion zones on the partial targets and the trapezoidal angle for the outer partial target are optimized and defined by simulation calculations known per se or by coating experiments and usual control measurements of the layer thickness.
  • the atomization process according to the invention is typically carried out with direct current. Instead, it may also be appropriate to use a medium-frequency pulsed voltage, e.g. B. in the frequency range 1 ... 100 kHz to use. This enables the layer deposition process to be energetically activated and the structure and properties of the deposited layers to be improved.
  • a medium-frequency pulsed voltage e.g. B. in the frequency range 1 ... 100 kHz
  • a device for carrying out the method comprises a magnetron sputtering source with a flat circular partial target of material A in the center and a coaxial annular partial target of material B, which has an essentially trapezoidal profile.
  • the normals between the partial targets form said trapezoidal angle 4.
  • both partial targets are directly electrically connected and attached in a heat-conducting manner on a common cooling plate. It can also be expedient to electrically couple the partial targets to one another by ohmic and / or inductive and / or capacitive components.
  • the dividing line between the two partial targets should preferably be designed without gaps if the partial targets are directly coupled.
  • An electromagnet consisting of several coaxial, separately controllable coil windings with a uniform ferromagnetic yoke, which is provided with three concentric ferromagnetic pole pieces, can advantageously serve as the magnetic field generating device.
  • the middle pole piece should be in the area of the dividing line of the partial targets, the inner pole piece in the center of the inner partial target and the outer pole piece outside the outer partial target.
  • Different magnetic fields can be generated by power supply devices, which correspond to the two operating states for carrying out the method according to the invention.
  • a magnetic field is generated which emerges in the area of the inner pole piece in a very limited manner and forms an extended magnetic pole of opposite polarity in an extended area between the middle and the outer pole piece, in which the magnetic field lines occur essentially perpendicularly
  • the device has a strong, narrowly delimited magnetic pole in the area of the outer pole piece and an extended pole with an essentially perpendicular exit of the magnetic field lines in the extensive area between the middle and the inner pole piece.
  • a particularly compact and advantageous embodiment of the device comprises a coating source in which a gas inlet system is integrated.
  • the process is intended in a process station of a sputtering system to coat numerous flat circular substrates, as they are known as magnetic data carriers, individually in succession with a 100 nm thick ferromagnetic chromium alloy and with a 20 nm thick titanium compound, without the positioning of the respective substrate for the Deposition of the two layers is changed.
  • Fig. 3 shows the magnetic field when sputtering the outer partial target.
  • a device for performing the method includes a magnetron sputter source.
  • a chrome alloy in the form of a flat target 1 and the titanium compound in the form of a partial target 2 are jointly bonded to an electrically conductive cooling plate 3 and cathodically connected to the sputtering power supply device.
  • the partial target 2 has an essentially trapezoidal profile.
  • the normals of the partial targets form the cone angle 4.
  • the partial targets 1, 2 there are coils 5 and 6, which are components of a magnetic field generating device and can be excited together with defined currents of different sizes and directions.
  • the electromagnet also contains a yoke 7 with three concentric ferromagnetic pole pieces 8, 9 and 10.
  • the middle pole piece 9 is located in the region of the dividing line of the partial targets, the inner pole piece is in the center of the inner partial target 1, and the outer pole piece 10 forms the Limitation of the outer partial target.
  • the coils 5 and 6 are excited together with defined currents of different sizes and directions by means of a switchable coil current supply device (not shown).
  • the magnetic field shown in FIG. 2 is created by superposition of the individual magnetic fields of the coils 5, 6.
  • a partial magnetron discharge is formed in the coating chamber filled with argon at a pressure of 0.5 Pa on the partial target 1 due to the negative potential compared to the coating chamber, which is connected as an anode.
  • a gas discharge likewise arises in the region of the partial target 2, but is not reinforced by a magnetic field, since the magnetic field lines emerge essentially perpendicularly from the target surface.
  • the plasma density has a pronounced gradient in the region of the dividing line 11 between the partial targets.
  • the partial target 2 is not atomized, but there is practically no covering of the partial targets with layers of the chromium alloy.
  • the homogeneity is the same as that used
  • the zone of highest target erosion has a diameter of 1 18 mm.
  • a magnetic field according to FIG. 3 is now generated without changing the electrical potential of the targets.
  • the gas discharge changes in such a way that a plasma density and a plasma density distribution in the manner of a magnetron discharge are effective on the partial target 2.
  • a non-magnetically amplified glow discharge burns in the area of the partial target 1.
  • the location of the erosion zone on partial target 2, in the example with a diameter of 172 mm, and the cone angle 4 of 35 ° have the effect that the layer of the titanium compound deposited on the specified substrate area has a homogeneity of ⁇ 1.5% and contains no chromium.
  • a time of 0.9 s is required for the deposition of this layer with an average power density of 12 Wom "2 .
  • the described method and the device for its implementation are also suitable for producing alternating layer systems from several partial layers of the two materials (so-called multilayers) with high precision and sharp material transitions at the interfaces.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine zugehörige Einrichtung zur wechselweisen Abscheidung zweier Materialien durch Kathoden-Zerstäubung zur Abscheidung eines Schichtsystems aus wenigstens zwei stofflich unterschiedlichen übereinanderliegenden Schichten, bei dem von einem Target, welches aus mindestens zwei Teiltargets der unterschiedlichen Materialien besteht und die elektrisch miteinander gekoppelt sind, die Teiltargets unterschiedlichen Plasmadichten ausgesetzt werden, wobei in einem ersten Betriebszustand eine magnetfelderzeugende Einrichtung so erregt wird, dass zunächst das erste Teiltarget aus dem einen Material durch eine Magnetronentladung zerstäubt wird, während das zweite Teiltarget aus dem anderen Material einer nicht magnetfeldverstärkten Glimmentladung ausgesetzt wird, ohne dabei zerstäubt zu werden, anschliessend in einem zweiten Betriebszustand die magnetfelderzeugende Einrichtung so erregt wird, dass das erste Teiltarget einer nicht magnetfeldverstärkten Glimmentladung ausgesetzt wird, ohne zerstäubt zu werden, und das zweite Teiltarget durch eine Magnetronentladung zerstäubt wird, wonach in den ersten Betriebszustand zurückgekehrt werden kann.

Description

Verfahren und Einrichtung zur wechselweisen Abscheidung zweier Materialien durch Kathoden-Zerstäubung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur wechselweisen Abscheidung zweier stofflich unterschiedlicher Materialien durch Kathoden-Zerstäubung, auch Sputtern genannt, mit einer Magnetronquelle auf einem stationär angeordneten Substrat. Die Erfindung kann zur Abscheidung von Mehrlagen-Schichtsystemen für die Elektronik, Sensorik, Mikromechanik und für die Herstellung von Dünnfilm-Speichermedien angewendet werden. Bei der Herstellung moderner Dünnfilmprodukte werden häufig Magnetron-Sputter- verfahren und -anlagen für die stationäre Beschichtung von Substraten genutzt. Das gilt auch bei einer hohen Zahl von Einzelschichten aus unterschiedlichen Materialien, die gemeinsam ein Schichtsystem bilden. Um den Aufwand zur Herstellung solcher Schichtsysteme zu begrenzen, wird angestrebt, mit jeweils einer Magnetronquelle zwei Schichten aus stofflich unterschiedlichen Materialien nacheinander abscheiden zu können. Dafür muss die Magnetronquelle für die Zerstäubung unterschiedlicher Materialien geeignet sein. Eine weitere Anforderung stellt in der Regel eine hohe Gleichmäßigkeit der Schichtdicke und der Schichteigenschaften über die gesamte Substratfläche dar. Aus diesem Grunde werden häufig rotationssymmetrische Targets verwendet, doch auch mit Parallelanordnungen von Magnetronquellen lassen sich bei bestimmten Substratformen gute Gleichmäßigkeiten erzielen.
Es sind zahlreiche Magnetronquellen mit ringförmigen konzentrischen Entladungszonen bekannt. Allen diesen Lösungen ist gemein, dass damit nur ein Targetmaterial gesputtert wird, um auf einer möglichst großen Substratfläche eine Homogenität der Schichtdicke zu erreichen oder um die Bedeckung von Stufen auf dem Substrat zu verbessern, wie das z. B. in der Halbleiter-Metallisierung und Herstellung von MikroStrukturen erforderlich ist. Für die wechselweise Abscheidung mehrerer Materialien können diese Systeme nicht verwendet werden, da erst durch Überlagerung aller Beschichtungsanteile, die durch Kathoden- Zerstäubung in den einzelnen Entladungszonen zum Substrat gelangen, die erforderliche Schichtdickengleichmäßigkeit erreicht wird.
In DE 41 27 261 C1 wird eine Sputtereinrichtung zur gleichzeitigen oder aufeinanderfolgenden Abscheidung zweier unterschiedlicher Materialien mit konzentrischen Magnetron- anordnungen und galvanisch getrennten Teiltargets und getrennten Magnetsystemen beschrieben. Diese Einrichtung eignet sich gut zum Abscheiden von Mischschichten, wenn beide Materialien gleichzeitig gesputtert werden. Die einzelnen Teiltargets sind geometrisch so ausgestaltet, dass jedes für sich zu einer gleichmäßigen Belegung des Substrates mit dem Beschichtungsmaterial führt. Beim zeitlich aufeinander folgenden Sputtern der Materialien kommt es jedoch zu einer Kontamination des jeweils nicht zerstäubten
Teiltargets mit dem gesputterten Material des anderen Teiltargets, da dieses sich nicht nur auf dem Substrat, sondern auch auf dem gerade ausgeschalteten Teiltarget niederschlägt. Diese Kontamination muss nach dem Umschalten der Targets abgetragen werden, bevor das eigentliche Material des eingeschalteten Teiltargets abgetragen und als Schicht auf dem Substrat abgeschieden werden kann. Auch das Einschalten einer Magnetronentladung geringer Leistungsdichte auf dem jeweils nicht zu zerstäubenden Teiltarget beseitigt diesen Mangel nicht. Vor jeder neuen Abscheidung ist also ein Reinigungsschritt erforderlich, da es ansonsten zu einer Kontamination der aufwachsenden Schicht mit dem Material der darunter liegenden Schicht kommt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Einrichtung anzugeben, die das wechselweise Sputtern zweier Materialien unterschiedlicher stofflicher Zusammensetzung mit einer Magnetronquelle zur Beschichtung eines stationären Substrates ohne zusätzliche Reinigungsschritte zwischen den einzelnen Beschichtungen erlaubt, ohne dass eine nennenswerte gegenseitige Kontamination der Schichten durch Material der jeweils anderen Schicht entsteht und das zu Einzelschichten hoher Gleichmäßigkeit führt.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Die Ansprüche 2 und 5 beschreiben besonders vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens. Eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Anspruch 6 beschrieben. Die Ansprüche 7 bis 12 enthalten weitere Ausführungen dieser Einrichtung.
Der Kern der Erfindung ist eine Vorgehensweise, bei der sich beide der nacheinander oder im Wechsel zu sputternden Materialien in Form zweier, vorzugsweise konzentrisch ausgebildeter, Teiltargets elektrisch verbunden auf ein jeweils definiertes elektrisches
Potenzial bringen lassen, wobei dieses Potenzial ausreicht, um gegenüber einer Anode eine Gasentladung aufrecht zu erhalten. Diese Gasentladung wird aus zwei parallel betriebenen Bereichen sehr unterschiedlicher Plasmadichte gebildet, wobei die Plasmadichte im Bereich der Trennlinie der beiden stofflich unterschiedlichen Teiltargets eine sprunghafte Änderung aufweist. Durch geeignete magnetfelderzeugende Einrichtungen können zwei Zustände der Gasentladung eingestellt werden, wobei in dem einen Zustand auf dem einen Teiltarget eine Magnetron-Entladung erzeugt und dieses Teiltarget gesputtert wird, und in dem anderen Zustand auf dem anderen Teiltarget eine Magnetron-Entladung erzeugt und dieses Teiltarget gesputtert wird. Durch geeignete Mittel ist ein Umschalten zwischen diesen beiden Zuständen möglich. Die magnetfelderzeugende Einrichtung ist darüber hinaus so bemessen und gestaltet, dass die Gasentladung auf dem jeweils mit geringer Plasmadichte beaufschlagten anderen Teiltarget eine Deposition mit gesputterten Teilchen verhindert oder zumindest größenordnungsmäßig reduziert wird, ohne dass dieses Teiltarget selbst gesputtert wird. Es kann experimentell im Rahmen der Messgenauigkeit nachgewiesen werden, dass mit dem beschriebenen Verfahren eine Kontamination der beim Sputtern eines Materials gebildeten Schicht mit dem jeweils anderen Material vermieden wird. Erfindungswesentlich ist dabei, dass die Umschaltung zwischen den beiden Betriebs- zuständen, also den unterschiedlichen Plasmadichten, über einen Wechsel der Feldrichtung der magnetischen Feldstärke an der Targetoberfläche realisiert wird. Überraschend wurde festgestellt, dass dieser Wechsel der Feldrichtung die Effektivität der Zerstäubung des Targetmaterials wesentlich stärker beeinflusst, als das der resultierende Sprung in der Plasmadichte erwarten ließe. Bei einem im Wesentlichen senkrechten Austritt der magnetischen Feldlinien aus der Targetoberfläche kommt es auch bei einer relativ hohen Plasmadichte der Entladung zu keiner nennenswerten Zerstäubung des Targetmaterials. Die auf diese Weise unterhaltene Entladung genügt jedoch, um eine Verunreinigung der Targetoberfläche durch parasitäre Beschichtungen benachbarter Sputterprozesse zu verhindern. Erfolgt eine Ausrichtung der magnetischen Feldstärke weg von der Normalen der Targetoberfläche, vorzugsweise in eine Richtung mit im Wesentlichen parallel zur Targetoberfläche verlaufenden Feldlinien, so setzt sofort eine effektive Zerstäubung des Targetmaterials ein. Es wird kein zusätzlicher Reinigungsschritt erforderlich, da die
Targetoberfläche jederzeit ohne nennenswerte Kontamination durch Fremdmaterial zur Verfügung steht.
Der Kern des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht also darin, während der Zerstäubung eines Teiltargets jeweils ein weiteres Teiltarget aus einem anderen Material in Betrieb zu halten, über dem eine Plasmaentladung brennt, die durch ein Magnetfeld mit im Wesentlichen senkrecht aus der Targetoberfläche austretender magnetischer Feldstärke aufrecht erhalten wird, ohne dass diese Plasmaentladung zu einer nennenswerten Zerstäubung dieses Teiltargets führt. Durch einen Wechsel der magnetischen Feldstärke in eine Richtung mit im Wesentlichen parallel zur Targetoberfläche verlaufenden Feldlinien wird dieses Teiltarget anschließend zerstäubt. Gleichzeitig wird über dem Teiltarget, welches bisher zerstäubt wurde, ein Wechsel der magnetischen Feldrichtung von einer nahezu parallel zum Target verlaufenden in eine senkrechte Richtung vorgenommen, wodurch nunmehr dieses Teiltarget nur noch vor Verunreinigungen geschützt wird, jedoch nicht mehr zum Beschichtungsprozess beiträgt. Durch einen mehrfachen Wechsel zwischen beiden Betriebszuständen lassen sich auf diese Weise Schichtstapel aus alternierenden Einzelschichten mit hoher Effektivität und ohne zwischengeschaltete Reinigungsschritte abscheiden.
Es kommt also darauf an, dass von einem Target, welches aus mindestens zwei Teiltargets der unterschiedlichen Materialien besteht und deren elektrische Potenziale gleich sind oder nahe beieinander liegen, die beiden Teiltargets unterschiedlichen Plasmadichten ausgesetzt werden, wobei in einem ersten Betriebszustand eine magnetfelderzeugende Einrichtung so erregt wird, dass zunächst ein erstes Teiltarget aus einem Material durch eine Magnetronentladung zerstäubt wird, während ein zweites Teiltarget aus dem anderen Material einer nicht magnetfeldverstärkten Glimmentladung ausgesetzt wird, ohne dabei zerstäubt zu werden, anschließend in einem zweiten Betriebszustand die magnetfelderzeugende Einrichtung so erregt wird, dass das erste Teiltarget einer nicht magnetfeldverstärkten Glimmentladung ausgesetzt wird, ohne zerstäubt zu werden und das zweite Teiltarget durch eine Magnetronentladung zerstäubt wird, wonach in den ersten Betriebszustand zurückgekehrt werden kann.
Die erfindungsgemäße Verfahrensweise eignet sich besonders für die Verwendung rotationssymmetrischer Teiltargets. Im Falle eines inneren kreisförmigen ebenen Teiltargets aus einem der Materialien und eines äußeren ringförmigen Teiltargets mit im Wesentlichen trapezförmigem Querschnitt aus dem anderen Material kann die Ausrichtung der Normalen des trapezförmigen Teiltargets derart erfolgen, dass beim Sputtern jedes der Teiltargets auf einem geeignet beabstandeten ebenen Substrat eine im Wesentlichen gleiche Schichtdickenverteilung ausgebildet wird. Um diese Forderung zu erfüllen, werden die Durchmesser der Erosionszonen auf den Teiltargets sowie der Trapezwinkel für das äußere Teiltarget durch an sich bekannte Simulationsrechnungen oder durch Beschichtungs- experimente und übliche Kontrollmessungen der Schichtdicke optimiert und festgelegt. Allgemein gültige Angaben für die geometrischen Parameter der Teiltargets lassen sich nicht niederlegen, da weitere Verfahrenskenngrößen, insbesondere Durchmesser und Abstand des Substrats sowie der Druck des Arbeitsgases, von Einfluss sind. Das erfindungsgemäße Prinzip ist jedoch weitgehend unabhängig von diesen Verfahrenskenngrößen. Das erfindungsgemäße Zerstäubungsverfahren wird typischerweise mit Gleichstrom durchgeführt. Stattdessen kann es aber auch zweckmäßig sein, eine mittelfrequent gepulste Spannung, z. B. im Frequenzbereich 1...100 kHz, zu verwenden. Dadurch kann der Schichtabscheidungsprozess energetisch aktiviert und dadurch Struktur und Eigen- Schäften der abgeschiedenen Schichten verbessert werden.
Vorteilhafterweise umfasst eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens eine Magnetronsputterquelle mit einem ebenen kreisförmigen Teiltarget des Materials A im Zentrum und einem koaxialen ringförmigen Teiltarget des Materials B, welches ein im Wesentlichen trapezförmiges Profil aufweist. Die Normalen zwischen den Teiltargets bilden den besagten Trapezwinkel 4. Vorteilhafterweise sind beide Teiltargets direkt elektrisch verbunden und auf einer gemeinsamen Kühlplatte wärmeleitend befestigt. Es kann auch zweckmäßig sein, die Teiltargets durch ohmsche und/oder induktive und/oder kapazitive Bauelemente elektrisch miteinander zu koppeln. Die Trennlinie zwischen beiden Teiltargets sollte bevorzugt spaltfrei gestaltet sein, wenn die Teiltargets direkt gekoppelt sind. Als magnetfelderzeugende Einrichtung kann vorteilhafterweise ein Elektromagnet aus mehreren koaxialen, getrennt ansteuerbaren Spulenwicklungen mit einem einheitlichen ferromagnetischen Joch dienen, welches mit drei konzentrischen ferromagnetischen Polschuhen versehen ist. Der mittlere Polschuh sollte sich im Bereich der Trennlinie der Teiltargets, der innere Polschuh im Zentrum des inneren Teiltargets und der äußere Polschuh außerhalb des äußeren Teiltargets befinden.
Durch Stromversorgungseinrichtungen lassen sich unterschiedliche Magnetfelder erzeugen, die den beiden Betriebszuständen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechen. Beim Sputtern des Teiltargets aus dem Material A wird ein Magnetfeld erzeugt, welches im Bereich des inneren Polschuhs eng begrenzt austritt und in einem ausgedehnten Bereich zwischen dem mittleren und dem äußeren Polschuh einen ausgedehnten Magnetpol entgegengesetzter Polarität bildet, in dem die magnetischen Feldlinien im Wesentlichen senkrecht eintreten. Beim Sputtern des Teiltargets mit im Wesentlichen trapezförmigem Querschnitt aus dem Material B besitzt die Einrichtung dagegen im Bereich des äußeren Polschuhs einen starken, eng begrenzten Magnetpol und im ausgedehnten Bereich zwischen dem mittleren und dem inneren Polschuh einen ausgedehnten Pol mit im Wesentlichen senkrechtem Austritt der Magnetfeldlinien. Besonders vorteilhaft ist es, wenn zwischen diesen beiden in Form und Betrag unterschiedlichen Magnetfeldern durch elektrische Mittel mit geringer Zeitkonstante umgeschaltet werden kann. Dazu sind die Spulen einzeln erregbar, oder es sind Kombinationen von Spulenströmen in den Spulenwicklungen geeignet eingestellt. Bei längerem Betrieb der Einrichtung verändert sich bekanntermaßen durch Erosion die Form der Targets und damit allmählich auch Größe und Form der auf der Targetoberfläche wirksamen Magnetfelder. Besonders vorteilhaft ist es daher, wenn dieser Einfluss durch stetige oder stufige Veränderung der Spulenströme weitgehend kompensiert werden kann, wobei die beschriebenen Merkmale der Magnetfelder erhalten bleiben. Besonders vorteilhaft ist ein schnelles Umschalten zwischen den beiden Betriebszuständen der magnetfelderzeugenden Einrichtung, da so eine besonders scharfe Abgrenzung zwischen den einzelnen Schichten erzielt wird. Als vorteilhaft für das Umschalten haben sich Zeitkonstanten unter 100 ms, als besonders vorteilhaft Zeitkonstanten unter 5 ms erwiesen.
Es kann zweckmäßig sein, die Anlagenmasse als Anode zu schalten. In einigen Anwendungsfällen ist es zweckmäßig, die Einrichtung mit einer von Anlagenmasse elektrisch getrennten separaten Anode auszustatten. Eine besonders kompakte und vorteilhafte Ausgestaltung der Einrichtung umfasst eine Beschichtungsquelle, in die ein Gaseinlasssystem integriert ist.
Verfahren und Einrichtung entsprechend der Erfindung sollen anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Mit dem Verfahren sollen in einer Prozessstation einer Sputteranlage zahlreiche ebene kreisringförmige Substrate, wie sie als magnetische Datenträger bekannt sind, einzeln nacheinander mit einer 100 nm dicken ferromagnetischen Chromlegierung und mit einer 20 nm dicken Titanverbindung beschichtet werden, ohne dass die Positionierung des jeweiligen Substrates für die Abscheidung der beiden Schichten verändert wird.
In den zugehörigen Figuren zeigen:
Fig. 1 eine Sputterquelle mit zwei rotationssymmetrischen Teiltargets zur Durchführung des Verfahrens schematisch im Schnitt,
Fig. 2 das Magnetfeld beim Sputtern des inneren Teiltargets,
Fig. 3 das Magnetfeld beim Sputtern des äußeren Teiltargets.
In Fig. 1 ist eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens dargestellt. Diese umfasst eine Magnetronsputterquelle. Eine Chromlegierung in Form eines ebenen Teiltargets 1 und die Titanverbindung in Form eines Teiltargets 2 sind gemeinsam auf eine elektrisch leitfähige Kühlplatte 3 gebondet und mit der Sputterstromversorgungseinrichtung katodisch verbunden. Das Teiltarget 2 hat ein im Wesentlichen trapezförmiges Profil. Die Normalen der Teiltargets bilden den Konuswinkel 4. Unter den Teiltargets 1 , 2 befinden sich Spulen 5 und 6, die Bestandteile einer magnetfelderzeugenden Einrichtung sind und mit definierten Strömen unterschiedlicher Größe und Richtung gemeinsam erregt werden können. Der Elektromagnet enthält weiterhin ein Joch 7 mit drei konzentrischen ferromagnetischen Polschuhen 8, 9 und 10. Der mittlere Polschuh 9 befindet sich im Bereich der Trennlinie der Teiltargets, der innere Polschuh befindet sich im Zentrum des inneren Teiltargets 1 , und der äußere Polschuh 10 bildet die Begrenzung des äußeren Teiltargets.
Zum Sputtern der Chromlegierung werden mittels einer schaltbaren Spulenstrom- Versorgungseinrichtung (nicht dargestellt) die Spulen 5 und 6 mit definierten Strömen unterschiedlicher Größe und Richtung gemeinsam erregt. Durch Superposition der einzelnen Magnetfelder der Spulen 5, 6 entsteht das in Fig. 2 dargestellte Magnetfeld. Bei kathodischer Beschaltung bildet sich auf dem Teiltarget 1 durch das negative Potenzial gegenüber der Beschichtungskammer, die als Anode geschaltet ist, eine Magnetronentladung in der mit Argon bei einem Druck von 0,5 Pa gefüllten Beschichtungskammer aus. Im Bereich des Teiltargets 2 entsteht ebenfalls eine Gasentladung, die jedoch nicht magnetfeldverstärkt ist, da die magnetischen Feldlinien im Wesentlichen senkrecht aus der Targetoberfläche austreten. Die Plasmadichte weist im Bereich der Trennlinie 11 zwischen den Teiltargets einen ausgeprägten Gradienten auf. Das Teiltarget 2 wird nicht zerstäubt, es findet jedoch auch praktisch keine Bedeckung der Teiltargets mit Schichten der Chromlegierung statt. Auf dem Substrat (nicht dargestellt), das im Abstand von 80 mm parallel zum Teiltarget 1 und zentrisch angeordnet ist, bildet sich bei einer Leistungsdichte von 16 Wem"2 in 1 ,5 s eine Schicht der angestrebten Dicke. Die Homogenität beträgt auf der genutzten Substratfläche zwischen den Substratradien 46 mm und 14 mm ± 2 %. Die Zone höchster Targeterosion hat einen Durchmesser von 1 18 mm.
Durch Änderung von Größe und Richtung der Spulenströme innerhalb von 2 Millisekunden wird nun ein Magnetfeld entsprechend Fig. 3 erzeugt, ohne dass das elektrische Potenzial der Targets geändert wird. Die Gasentladung verändert sich dergestalt, dass auf dem Teiltarget 2 eine Plasmadichte und eine Plasmadichteverteilung in der Art einer Magnetronentladung wirksam ist. Im Bereich des Teiltargets 1 brennt dagegen eine nicht magnetisch verstärkte Glimmentladung. Die Lage der Erosionszone auf dem Teiltarget 2, im Beispiel mit einem Durchmesser von 172 mm, und der Konuswinkel 4 von 35° bewirken, dass die auf dem angegebenen Substratbereich abgeschiedene Schicht aus der Titanverbindung eine Homogenität von ± 1 ,5 % aufweist und kein Chrom enthält. Für die Abscheidung dieser Schicht wird bei einer mittleren Leistungsdichte von 12 Wem"2 eine Zeit von 0,9 s benötigt.
Das beschriebene Verfahren und die Einrichtung zu seiner Durchführung sind, wie unschwer erkennbar ist, auch geeignet, um Wechselschichtsysteme aus mehreren Teilschichten der beiden Materialien (sogenannte Multilayer) mit hoher Präzision und scharfen Materialübergängen an den Grenzflächen herzustellen.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur wechselweisen Abscheidung zweier Materialien durch Kathoden- Zerstäubung zur Abscheidung eines Schichtsystems aus wenigstens zwei stofflich unterschiedlichen übereinanderliegenden Schichten, gekennzeichnet dadurch, dass von einem Target, welches aus mindestens zwei Teiltargets der unterschiedlichen Materialien besteht und die elektrisch miteinander gekoppelt sind, die Teiltargets unterschiedlichen Plasmadichten ausgesetzt werden, wobei in einem ersten Betriebszustand eine magnetfelderzeugende Einrichtung so erregt wird, dass zunächst das erste Teiltarget aus dem einen Material durch eine Magnetronentladung zerstäubt wird, während das zweite Teiltarget aus dem anderen Material einer nicht magnetfeldverstarkten Glimmentladung ausgesetzt wird, ohne dabei zerstäubt zu werden, anschließend in einem zweiten Betriebszustand die magnetfelderzeugende Einrichtung so erregt wird, dass das erste Teiltarget einer nicht magnetfeldverstärkten Glimmentladung ausgesetzt wird, ohne zerstäubt zu werden und das zweite
Teiltarget durch eine Magnetronentladung zerstäubt wird, wonach in den ersten Betriebszustand zurückgekehrt werden kann.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetron- entladung in jedem Betriebszustand so eingestellt wird, dass die Schichtdicke der jeweils auf dem Substrat aufwachsenden Schicht zumindest auf Teilbereichen des Substrates homogen ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung zwischen den Magnetfeldkonfigurationen innerhalb einer Zeit von weniger als 100
Millisekunden, vorzugsweise von weniger als 5 Millisekunden, durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenzerstäubung mit Gleichspannung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenzerstäubung durch eine unipolar gepulste Gleichspannung, vorzugsweise mit einer Pulsfrequenz im Bereich von 1...100 kHz, erfolgt.
6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, enthaltend zwei konzentrisch angeordnete Teiltargets (1 , 2) aus unterschiedlichen Materialien, gekennzeichnet durch einen Konuswinkel (4) zwischen den Normalen der zwei konzentrischen Teiltargets (1 , 2) im Bereich zwischen 10 Grad und 55 Grad, einen Elektromagneten, bestehend aus einem vorzugsweise gemeinsamen Magnetjoch (7) mit drei konzentrischen ferromagnetischen Polschuhen (8, 9, 10) und mindestens zwei getrennt ansteuerbaren koaxialen Spulen (5, 6) und Mitteln zur Aufrechterhaltung und Umschaltung der Spulenströme derart, dass in einem Betriebszustand ein Magnetfeld ausgebildet werden kann, dessen Feldlinien auf dem Teiltarget (1) nahe dem inneren Polschuh (8) eng benachbart verlaufen und im
Bereich zwischen dem mittleren (9) und dem äußeren Polschuh (10) weit auseinander liegen und im Wesentlichen senkrecht auf dem äußeren Teiltarget (2) stehen und in einem anderen Betriebszustand ein Magnetfeld ausgebildet werden kann, dessen Feldlinien auf dem Teiltarget (2) nahe dem äußeren Polschuh (10) eng benachbart verlaufen und im Bereich zwischen dem mittleren (9) und dem inneren Polschuh (8) weit auseinander liegen und im Wesentlichen senkrecht auf dem inneren Teiltarget (1) stehen.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Teiltarget (2) einen im Wesentlichen trapezförmigen Querschnitt und das innere Teiltarget (1) einen im Wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt besitzt und die Gestalt der Targets und die Lage der Erosionszonen auf den Targets so bemessen sind, dass sich auf einem geeignet beabstandeten Substrat für das Sputtern beider stofflich unterschiedlicher Materialien eine im Wesentlichen gleiche Schichtdickenverteilung auf dem Substrat ausbildet.
8. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 7, gekennzeichnet durch eine von Anlagenmasse isolierte Anode.
9. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch ein in die Beschichtungsquelle integriertes Gaseinlasssystem.
10. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Teiltargets elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
1 1. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Teiltargets durch ohmsche und/oder induktive und/oder kapazitive Bauelemente elektrisch miteinander gekoppelt sind.
12. Einrichtung nach Anspruch 6 bis 1 1 , gekennzeichnet durch eine gemeinsame Kühlplatte (3) für die Teiltargets (1) und (2), welche sehr gut wärmeleitend und elektrisch leitend mit der Kühlplatte verbunden sind.
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