SE521095C2 - Förfarande för reaktiv sputtring - Google Patents

Description

l5 20 25 521 095 Genom att tillföra en reaktiv gas till sputtringsprocessen är det möjligt att reaktivt sputtra tunna filmer bestående av oxider, nitrider, karbider, etc. Den reaktiva sputtringsprocessen har fått ett brett tillämpningsområde, vid exempelvis verktygsbeläggning, dekorativa beläggningar, fönsterglas, plastnät, elektroniska komponenter, datalagringskomponenter etc. På grund av dess högst komplicerade beteende är den reaktiva sputtringsprocessen sammankopplad med ett antal svårigheter. Processen uppvisar vanligen ett beteende som har en hystereseffekt, vilket gör den svår att styra. Dessutom är depositionstakten för föreningar vanligen mycket lägre än depositionstakten för ren metall (ibland så mycket som 10-20 gånger lägre). Slutligen innebär deposition av isolerande tunna filmer av föreningar från metalltargetar uppladdning och påföljande gnistbildning (“arcing”) vid targeten.

Det enda hittills förekommande sättet att undvika hysteres i den rcaktiva sputtringsprocessen har varit att öka den externa pumphastigheten av reaktiv gas. Detta kan ibland genomföras för små system men leder till orealistiskt höga pumphastigheter i stora industriella system.

I en ideal styrbar process skulle reaktiv sputtring utföras från en target av ren metall och metallatomerna skulle reagera med gasen när de anländer till substratet. Då skulle det vara möjligt att ändra halten av olika föreningar i den avsatta filmen genom flödet av reaktiv gas. Tyvärr är det inte möjligt att uppnå dessa ideala förhållanden eftersom den reaktiva gasen även reagerar med targeten, vilket resulterar i bildning av föreningar vid targeten. Tidigare har experiment utförts för att införa en tryckgradient i processkammaren och därigenom minska bildningen av föreningar vid targeten. En sådan gradient är inte lätt att skapa och påverkan på processens beteende har hittills varit tämligen liten. 10 15 20 25 521 095 För att lösa problemet med uppladdning och gnistbildning vid deposition av isolerande filmer är det möjligt att använda specialutvecklad effekttillförsel vilket tillför extra positiva pulser i syfte att neutralisera targeten. Ett annat sätt att delvis lösa detta problem är att öka det totala gastrycket så att en väsentlig del av den sputtrade metallen från targetens högerosionsdelar sprutar tillbaka på targetens lågerosionsdelar, varvid dessa delar således blir mer metalliska vilket undertrycker uppladdning och efterföljande gnistbildning.

Konceptet att använda en magnet som rör sig i förhållande till targeten för att inducera en erosionsarea i rörelse är välkänt och beskrivs i flera patent, se till exempel det amerikanska patentet US 6,l83,6l4, WO 01/23634 och WO 92 / 02659. I US 6,183,614, införs asymmetriska magnetfält för att uppnå gynnsam plasmasputtring med hög densitet. WO Ol / 23634 använder ett flertal magneter för att inducera ett magnetfält med en förutbestämd godtycklig form och därigenom förbättra materialutnyttjandet. En alternativ targetuppställning visas i WO 92/ 02659, som nyttjar en cylindrisk magnet i syfte att reducera gnistbildning.

Problem kopplade till sputtringsprocesser enligt teknikens ståndpunkt återstår och dct finns ett starkt behov av ett förbättrat sputtringsförfarande.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Syftet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en hysteresfri reaktiv sputtringsprocess.

Detta syfte uppnås i enlighet med bifogade patentkrav. 20 25 » | . i , ~ 521 095 4 Uppñnningen är ett förfarande för reaktiv sputtring där hysteresbeteendet elimineras genom att minska arean från vilken sputtring äger rum. För att kompensera för den ökade lokala uppvärmningen rör sig den reducerade arean från vilken sputtring äger rum längs targeten. Det är avgörande att den reducerade arean är tillräckligt liten för att erhålla tillräckligt hög strömtäthet.

Det är mycket viktigt att den reducerade arean rör sig med en hastighet hög nog för att undvika lokal smältning av targeten. Dessutom bör hastigheten hos den reducerade arean vara tillräckligt liten för att säkerställa att de allra flesta av de sputtrade ämnena är metallatomer.

Förfarandet enligt uppfinningen har flera fördelar jämfört med konventionella sputtringstekniker. Till följd av den höga strömtätheten kommer andelen joniserade sputtrade ämnen att öka dramatiskt, vilket är önskvärt av fördel sputtringsprocess enligt uppfinningen är att ovan beskrivna problem kopplade ovanstående anledningar. En annan stor med en reaktiv till denna process, i synnerhet hysteresproblemet, försvinner. Vidare försvinner problemet med gnistbildning vid reaktiv sputtring, eftersom det isolerande föreningsmaterialet vid targeten effektivt avlägsnas genom sputtring när strömtätheten är tillräckligt hög. Slutligen möjliggör den ökade jonisatíons- takten sputtring vid lägre tryck.

KORTFATTAD FIGURBESKRIVNING Uppñnningen, samt ytterligare syften och fördelar därmed, förstås bäst genom hänvisning till efterföljande beskrivning tillsammans med tillhörande ritningar, där: Fig. 1 illustrerar erosionsspåret på en typisk DC-magnettarget enligt teknikens ståndpunkt; 10 15 20 25 Fig. 2 Fig. 3 Fig. 4 Fig. 5 Fig. 6 Fig. 7 521 095 5 är en exemplifierande illustration av en reducerad area i konstant rörelse enligt uppfinningen; visar tryck hos reaktiv gas, sputtringstakt samt target- och substratsammansättning mot flöde av reaktiv gas i ett system för reaktiv sputtring som använder en konventionell target av normal storlek; visar tryck hos reaktiv gas, sputtringstakt samt target- och substratsarnmansättning mot flöde av reaktiv gas i ett system för reaktiv sputtring med en erosionsarea av liten storlek i enlighet med uppfinningen; illustrerar situationen vid targetytan i en reaktiv sputtringsprocess när en reducerad erosionsarea rör sig längs den med en hastighet v, varvid tjockleken hos föreningslagret på targetytan visas i ett diagram som funktion av positionen på ytan; illustrerar situationen vid targetytan i en reaktiv sputtringsprocess när en reducerad erosionsarea rör sig längs den med en hastighet 3v, varvid tjockleken hos föreningslagret på targetytan visas i ett diagram som funktion av positionen på ytan; och är ett flödesdiagram över ett förfarande för reaktiv sputtring i enlighet med uppfinningen. 10 15 20 25 521 095 DETALJERAD BESKRIVNING Fig. 1 illustrerar erosionsspåret på en typisk DC-magnettarget enligt teknikens ståndpunkt. Sputtrat material avlägsnas från en target (katod) 10, varvid ett erosionsspår 12 bildas vid targetens 10 yta. Konventionella DC-magnettargetar 10 har i allmänhet ringformade erosionsareor 12 som sträcker sig över en väsentlig del av targeten.

Uppñnningen baseras på ett förfarande att öka jonströmtätheten på targeten genom att minska arean från vilken sputtring äger rum. Fig. 2 är en exempliñerande illustration av en reducerad erosionsarea i konstant rörelse i enlighet med uppfinningen. För att undvika lokal uppvärmning av targeten 10 bör en reducerad erosionsarea 14 konstant vara i rörelse, vilket i Fig. 2 indikeras med en pil. Andra utföringsformer av uppfinningen kan innefatta andra former hos den reducerade erosionsarean 14, vilken inte nödvändigtvis mäste vara cirkulär. Det är emellertid avgörande att den reducerade erosionsarean 14 är i konstant rörelse för att undvika lokal smältning av targeten 10. Detta garanterar att effekten sprids ut så att den genomsnittliga uppvärmningen över targetens 10 area väsentligen är densamma som för den stora erosionsarean 12.

Det finns flera sätt att åstadkomma den lilla erosionsarean 14 i rörelse i enlighet med uppfinningen. Ett tillvägagångssätt är att placera en liten magnet som rör sig bakom targeten 10. Ett annat tillvägagångssätt är att arrangera en skärm med en liten öppning nära targetens 10 yta och låta skärmen röra sig.

Skärmen förhindrar effektivt plasmaurladdning förutom där öppningen är placerad. Ytterligare ett sätt att erhålla den önskade lilla erosionsarean 14 i rörelse kan vara att dela upp targeten 10 i flera delar som är elektriskt isolerade från varandra. Genom att distribuera effekt till en del i taget är det möjligt att styra plasmaurladdningens placering och därigenom arean rån 10 15 20 25 521 095 vilken sputtring äger rum på liknande sätt som enligt tidigare tillvägagångssätt.

Andra möjliga sätt att erhålla en liten erosionsarea 14 i rörelse längs targeten 10 ligger också inom uppñnningens ram.

Det finns två avgörande parametrar att styra i förfarandet enligt uppfinningen; storleken hos den reducerade erosionsarean 14 samt hastigheten med vilken arean 14 rör sig längs targeten 10.

För att erhålla en hög jonisationstakt, d.v.s. en hög andel joner bland de sputtrade ämnena, bör strömtätheten vara så stor som möjligt. Följaktligen bör erosionsarean vara så liten som möjligt och kraven på erosionsareans 14 hastighet styrs av den maximala lokala uppvärmningen av targeten 10. Således måste erosionsareans 14 hastighet vara högre än en viss minimumhastighet.

Då huvudsyftet är att erhålla en hysteresfri reaktiv sputtringsprocess måste även andra effekter beaktas. Fig. 3 visar resultat från simuleringar av ett system för reaktiv sputtring med target och erosionsarea av normal storlek medan Fig. 4 visar simuleringar av ett system med en betydligt mindre erosionsarea. Erosionsarean som resulterar i Fig. 4 är ungefär 30 gånger mindre än den som leder till Fig. 3. Grafer över partiellt tryck av reaktiv gas, sputtringstakt samt andel förening visas. Det är tydligt att hysteresbeteendet försvinner då erosionsarean reduceras väsentligt. Det kan i själva verket visas att hysteresbeteendet alltid kan elimineras genom en tillräckligt liten erosionsarea. Det bör noteras att hysteresbeteendet inte elimineras genom att öka strömtätheten genom att öka den totala strömmen medan en stor erosionsarea bibehålls. Ur denna synvinkel är det följaktligen fördelaktigt med en så liten erosionsarea som möjligt. På grund av kylningsproblem är det dock inte praktiskt möjligt att ha en godtyckligt liten erosionsarea. Under vissa omständigheter är det emellertid ekvivalent att använda erosionsarean 14 i l0 15 20 25 m =.,, 521 095 :4 nu 8 rörelse såsom beskriven ovan, i stället för att använda den konventionella targeten 10 med ett statiskt erosionsspår 12 av samma storlek. Men av ovanstående orsaker kan en erosionsarea i rörelse göras mycket mindre än en statisk area. Denna lilla erosionsarea har fördelen att en hög strömtäthet uppnås, vilket som ses i Fig. 4 i sin tur ger en hysteresfri process.

Fig. 5 illustrerar situationen vid targetytan i en process för reaktiv sputtring när erosionsarean rör sig längs den med en hastighet v. Det ses att en viss mängd förening har bildats i området framför erosionsarean. En godtycklig punkt på targetytan kommer att ha denna mängd förening innan den bombarderas med joner under en viss tid. Denna tid är lika med erosions- areans hastighet multiplicerad med dess längd. Då punkten kommer in i erosionsarean 14 sputtras föreningen gradvis bort tills en ny sammansättnings- balans med en betydligt lägre mängd förening uppnås. När den inte längre bombarderas med joner blir targetytan gradvis mer rik på förening igen allteftersom den reaktiva gasen bildar en förening med targetens 10 metall.

När sputtring utförs med en erosionsarea 14 i rörelse är ett viktigt kriterium att uppfylla att den föreningsrika del av targeten 10 som kommer in i erosionsarean 14 sputtras under tillräckligt lång tid för att den nya, mer metallrika, sammansättningsbalansen ska uppnås. I själva verket är det avgörande att den nya sammansättningsbalansen nås rått tidigt under sputtringspulsen. Med andra ord måste erosionsareans 14 hastighet vara tillräckligt låg för att säkerställa att targetytan sputtras en relativt kort tid i föreningsmod, betecknat C i Fig. 5, och större delen av tiden i imetallmod, betecknat M i Fig. 5. Detta kriterium inför begränsningar på erosionsareans 14 maximala hastighet. Ett diagram i Fig. 5 visar sammansättningen vid targetytan som en funktion av positionen på targetens 10 yta när erosionsarean rör sig med hastigheten v. 10 15 20 25 u -w « ~ I » i i» 521 095 Fig. 6 illustrerar situationen på targetytan i en reaktiv sputtringsprocess när erosionsarean skannar den med en hastighet 3v, varvid tjockleken hos föreningslagret på targetytan visas i ett diagram som en funktion av positionen på ytan. Samma beteckningar som i Fig. 5 används. Genom att jämföra Fig. 5 och 6 ses att när erosionsarean 14 rör sig med hastigheten v är större delen av erosionsarean i metallmod medan den mest består av förening när hastigheten är 3v. Erosionsarcans 14 maximala hastighet bör i detta fall ligga någonstans mellan v och Sv för en föredragen reaktiv sputtringsprocess.

Ifall erosionsareans 14 hastighet överskrider minimumhastigheten som krävs för att undvika smältning och underskrider den maximala hastigheten som erfordras för att bibehålla större delen av erosionsarean 14 i metallmod, kommer den totala reaktiva sputtringsprocessen att bete sig på liknande sätt som en process med en target 10 vilken har ett statiskt erosionsspår med den reducerade storleken. Eftersom simuleringar av statiska erosionsspår av liten storlek tydligt visar att hystereseffekten försvinner blir följden att en tillräckligt liten erosionsarea 14 i rörelse också kommer att ge en hysteresfri process förutsatt att hastigheten befinner sig mellan ovan givna gränser. En hysteresfri process för reaktiv sputtring är mycket önskvärd eftersom den är enkel att styra. Dessutom kommer problemet med gnistbildning vid reaktiv sputtring att försvinna eftersom det isolerande föreningsmaterialet vid targeten effektivt avlägsnas genom sputtring när strömtätheten är tillräckligt hög.

Fig. 7 är ett flödesdiagram över ett förfarande för reaktiv sputtring i enlighet med uppfinningen. Sputtringsprocessen börjar i ett steg S1. Dä en reaktiv sputtríngsprocess utan hysteres eftersträvas arrangeras targeten så att jonströmmen fokuseras på den reducerade erosionsarean eller fläcken i ett steg S2. Erosionsfläckens area är liten nog att ge erfordrad strörntäthet för en 10 521 095 -- :m1 10 hysteresfri reaktiv sputtringsprocess. Erosionsfläckens position måste vara möjlig att styra. Rörelse av fläcken orsakas i ett steg S3. Hastigheten med vilken erosionsfläcken förflyttas är högre än den minimala hastigheten erfordrad för att undvika smältning av targetmaterial och lägre än den maximala hastighet som krävs för att större delen av erosionsfläcken ska förbli i metallmod. Sputtringsprocessen avslutas i ett steg S4.

Fackmanrlen inser att olika modifikationer och förändringar av uppfinningen kan göras utan avvikelse från dess räckvidd och anda, såsom definierade av bifogade patentkrav.

Claims (4)

10 15 20 25 521 095 i. Ur, ll PATENTKRAV

1. Förfarande för reaktiv sputtring inbegripande en target (10), kännetecknat av stegen: arrangerande av en reducerad erosionsarea (14) på targeten (10), varvid den reducerade erosionsareans (14) storlek är mindre än en kritisk storlek erfordrad för en reaktiv sputtringsprocess med ett elíminerat eller kraftigt minskat hysteresbeteende, och åstadkommande av rörelse av den reducerade erosionsarean (14) längs targeten (10) med en konstant eller variabel hastighet, varvid hastigheten är vald högre än en minirnumhastighet för undvikande av smältning av targetmaterial, varigenom en maximal tolerabel strömtäthet hos targeten (10) ökas, och under en maximurnhastighet för att bibehålla större delen av den reducerade erosionsarean (14) i metallmod.

2. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av att arrangerandesteget innefattar arrangerande av åtminstone en magnet bakom targeten (10) och påläggande av en relativ rörelse mellan magneten och targeten (10).

3. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av att arrangerandesteget innefattar arrangerande av en skärm med en öppning framför targeten (10) och påläggande av en relativ rörelse mellan skärmen och targeten (10).

4. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av att arrangerandesteget innefattar uppdelning av targeten (10) i elektriskt isolerade delar och fördelning av effekt till en del åt gängen.