DE4020158C2 - Vorrichtung zum Beschichten von Substraten - Google Patents

Vorrichtung zum Beschichten von Substraten

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DE4020158C2 DE19904020158 DE4020158A DE4020158C2 DE 4020158 C2 DE4020158 C2 DE 4020158C2 DE 19904020158 DE19904020158 DE 19904020158 DE 4020158 A DE4020158 A DE 4020158A DE 4020158 C2 DE4020158 C2 DE 4020158C2
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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Beschichten von Substraten in einer Vakuumkammer mit einem in die­ ser angeordneten Substratträger und einer Einrichtung zur Erzeugung einer Plasmawolke und mit Magneten, die die Plasmawolke auf die Oberfläche der Substrate len­ ken, wobei die Einrichtung zur Erzeugung der Plasma­ wolke einen Elektronen-Emitter mit einer nachgeschal­ teten rohrförmigen Anode aufweist, die mit einem Einlaß für das Prozeßgas zum Zünden des Plasmas versehen ist und die weiterhin mit Magneten ausgestattet ist zum Ausrichten und Führen des Plasmas durch das Anodenrohr in die Prozeßkammer.
Es ist bereits ein Plasmagenerator mit Ionenstrahler­ zeuger bekannt (Aufsatz von D. M. Goebel, G. Campbell und R. W. Conn im "Journal of Nuclear Material", 121 (1984), 277-282, North Holland Physics Publishing Division, Amsterdam), der in einer mit der Vakuumkammer verbundenen, separaten Kammer angeordnet ist, wobei die etwa zylindrische Kammerwand dieser separaten Kammer die Anode bildet, und mit einem Einlaßstutzen für das Prozeßgas versehen ist. Die zylindrische Kammer ist von ringförmigen Magnetspulen und mit Rohren zur Kühlung der Kammerwand versehen. Der Elektronen-Emitter selbst befindet sich an einem das eine Ende der zylindrischen Kammer verschließenden, dem eigentlichen Vakuumkessel abgekehrten Wandteil.
Weiterhin ist eine Kathodenzerstäubungsvorrichtung bekannt (DE-OS 38 30 478), bei der die Vakuumkammer mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls verbunden ist und ein Target aufweist, das mit Magneten zusammenwirkt, die den Plasmastrahl auf die Oberfläche des Targets lenken, und mit einer Einrichtung versehen ist, um Ionen im Plasmastrahl zu beschleunigen, die die Oberfläche des Targets treffen und Teilchen herauslösen und Substrathalter aufweist, die im Inneren der Vakuum­ kammer zur Halterung der Substrate für die Beschichtung mit abgestäubten Teilchen angeordnet sind und vorzugs­ weise mit einer Einrichtung, beispielsweise einer Mag­ netanordnung, ausgestattet ist für die Ablenkung zumin­ dest eines Fadens oder Teilstrahls des Plasmastrahls vom Target auf das Substrat.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Beschichten metallischer oder dielektrischer Werkstoffe mit Hilfe eines fremderzeug­ ten Plasmas zu schaffen, bei der die Gleichmäßigkeit der Beschichtung besonders groß ist, deren Aufbau ein­ fach ist, in welcher die Plasmaerzeugung unabhängig von der Erzeugung des Beschichtungsmaterials erfolgt und bei der die einzelnen Parameter voneinander unabhängig einstellbar sind. Außerdem soll die beschichtbare Sub­ stratgröße möglichst frei bestimmbar und die Beschich­ tungsstärke möglichst gleichmäßig sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der Prozeßkammer eine Vorrichtung zur Erzeugung von Atomen, Molekülen oder Clustern der Materialien zur Erzeugung der Schicht auf den Substraten, vorzugsweise ein Elektronenstrahlverdampfer, ein thermischer Ver­ dampfer oder eine Sputterkathode, unmittelbar neben der Plasmaquelle, dem Substrathalter gegenüberliegend, angeordnet ist, von der aus das verdampfte oder abge­ stäubte Material unmittelbar auf die Substrate lenkbar ist.
Weitere Ausführungsformen, Einzelheiten und Merkmale sind in den Patentansprüchen näher gekennzeichnet.
Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausführungsmög­ lichkeiten zu; eine davon ist in der anhängenden Zeichnung näher gekennzeichnet, die den Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung rein schematisch näher darstellt.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Modifizierung von Schichteigenschaf­ ten von dünnen Schichten, die isolierend oder metal­ lisch sein können.
Das Aufbringen solcher dünnen Schichten auf die vom Substratträger 30 gehaltenen Substrate 31, 31',... kann durch Verdampfen oder durch Sputtern in der Vaku­ umkammer 2 erfolgen. Das Verfahren selbst umfaßt einen plasmagestützten Prozeß, bei dem die Schichteigenschaf­ ten der aufwachsenden dünnen Schicht durch Ionenbeschuß aus einer Plasmarandschicht 32 modifiziert werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt eine insgesamt mit 29 bezeichnete Plasmaquelle (APS-Quelle), in der das benötigte Plasma 28 erzeugt wird und mit Hilfe ge­ eigneter magnetischer und elektrischer Felder aus der Quelle 29 extrahiert wird.
Nach der Extraktion aus der Quelle 29 wird das Plasma 28 mit Hilfe geeigneter magnetischer Felder von der Quelle 29 zum Substratträger 30 geführt, aufgeweitet und möglichst homogen auf den Bereich des Substrat­ trägers 30 verteilt. Die Ionen des Plasmas 28 werden von Ionen der über die Leitungen 20, 21 in die Plasma­ quelle 29 eingeführten Gase gebildet bzw. sind aus dem ionisierten Aufdampfmaterial 33 bzw. vom Sputtermate­ rial abgespalten, welches das Plasma 28 durchquert und hierbei ionisiert wird.
Der Substrathalter 30 ist entweder isoliert zur Vakuum­ kammer 2 oder über den Schalter 57 an ein DC- (35, 42) oder (und) HF-Netzgerät 34 angeschlossen. Dieser Sub­ strathalter 30 kann einen Bedampfungsschutz 25 aufwei­ sen, der beim Aufbringen von isolierenden Materialien das Beschichten eines Teils der Fläche des Substrat­ trägers 30 mit diesen isolierenden Materialien verhin­ dert und damit ein Abfließen von elektrischen Ladungen über den Substratträger 30 ermöglicht.
Die Vakuumanlage ist weiterhin mit einer Vorrichtung zur Erzeugung von Atomen bzw. Molekülen oder Clustern der Materialien zur Erzeugung der dünnen Schichten aus­ gestattet. Dies ist im beschriebenen Falle der Elektro­ nenstrahlverdampfer 37. Es kann jedoch auch ein thermi­ scher Verdampfer, eine HF- oder DC-Sputterkathode oder eine Ionenstrahl-Sputterkathode sein.
Die Vakuumanlage weist Gaseinlässe 19 zum Einlassen von reaktiven Gasen, z. B. 02 und N2, auf und umfaßt ein System von elektromagnetischen Spulen 4, 7 bzw. 26, 27 zur Führung des Plasmas 28 von der Plasmaquelle 29 zum Substrathalter 30 und zur Erzeugung einer geeigneten Dichteverteilung des Plasmas am Ort des Substrathalters 30.
Die Vakuumanlage beinhaltet auch einen Satz von Bedamp­ fungsschutzblechen 25, die beim Aufbringen von isolie­ renden Materialien ein Abfließen von Ladungsträgern ermöglichen.
Weiterhin ist die Plasmaquelle 29 mit zwei wasserge­ kühlten Hochstromdurchführungen 39, 40 und einem langen Solenoidmagneten 7, der über das Anodenrohr 38 gescho­ ben ist, ausgestattet, wobei dieser ein axiales Magnet­ feld parallel zur vertikalen Achse der Quelle 29 er­ zeugt.
Mit dem Magneten 7 wird die Beweglichkeit der Elektro­ nen in radialer Richtung stark erniedrigt und in verti­ kaler Richtung stark erhöht. Am oberen Ende des langen Solenoids 7 ist ein kurzer Solenoid 4 angeordnet, der das Magnetfeld am Ende des langen Solenoiden 7 ver­ stärkt. Das Magnetfeld wird auf diese Weise homogener, da das axiale Magnetfeld eines Solenoiden von seiner Mitte zum Ende hin bis auf die Hälfte abnimmt. Die Extraktion des Plasmas 28 aus der Quelle 29 in die Vakuumanlage wird also durch die geschilderte Anordnung verbessert.
An der Plasmaquelle 29 ist über den langen Solenoiden 7 ein zylindrisches Abschirmrohr 5 aus weichmagnetischem Material geschoben. Dieses Abschirmrohr 5 dient zum Abschirmen von Streumagnetfeldern, die sich innerhalb der Anlage befinden können (verursacht z. B. durch Elektronenstrahlverdampfer), damit das Plasma 28 inner­ halb der Quelle 29 nicht gestört wird. Die Plasmaquelle 29 ist darüber hinaus noch mit einer Dunkelraumabschir­ mung 3 versehen, die dafür Sorge trägt, daß nicht außen an der Quelle 29 unerwünschte Nebenplasmen entstehen.
Zur Vorrichtung gehört die insgesamt mit 29 bezeichnete Plasmaquelle (APS-Quelle) zur Erzeugung der Plasmawolke 28 zur Modifizierung der Schichteigenschaften der dün­ nen Schichten.
In dieser Plasmaquelle 29 wird zur Erzeugung des Plasma 28 eine heiße Glimmentladung erzeugt. Die Plasmaquelle 29 besitzt dazu eine relativ zur Anlage isolierte Kathode 11. Die Kathode 11 ist mit einem Heizer 12, z. B. aus Graphit, versehen, der mit einem Wechselstrom geheizt wird. Der Heizer 12 heizt indirekt über Wärme­ strahlung die Kathode 11. Die Kathode 11 besteht aus einem Material, welches im heißen Zustand die Emission von Elektronen ermöglicht, so z. B. Lanthanhexaborid (LaB6). Die Kathode 11 selbst besteht aus einem zylin­ drischen und einem deckelförmigen Teil, so daß die Emission von Elektronen sowohl in radialer als auch axialer Richtung relativ zur Achse der Quelle, im dargestellten Falle also in vertikaler Richtung, möglich ist.
Die Plasmaquelle 29 ist außerdem mit einem relativ zur Anlage und zur Kathode 11 isolierten Anodenrohr 38 ver­ sehen, das z. B. mit einer von Wasser durchströmten Kühlschlange 8 ausgestattet ist. Der Fluß des elektri­ schen Stromes erfolgt ebenfalls über das zur Anlage isolierte Kühlmittelrohr 22.
Das Prozeßgas selbst kann ein Edelgas sein, z. B. Ar, oder ein Reaktivgas, z. B. 02, oder ein Gemisch von beiden. Die beiden Gaszuführungen 20, 21 sind von der Anlage selbst elektrisch isoliert.
Die Plasmaquelle 29 und der Substrathalter 30 sind jeweils an die Netzgeräte 34, 35, 42 anschließbar, durch das die Funktionsweise der Plasmaquelle 29 und die Eigenschaften des Plasmas 28 bestimmbar sind. Außerdem ist ein besonderes Heizungsnetzgerät 41 für den Heizer 12 der Kathode 11 vorgesehen.
Weiterhin besitzt die Plasmaquelle 29 eine Stromversor­ gung 35 für den Entladungsstrom, mit dem die Potential­ differenz zwischen der Kathode 11 und der Anode 38 bzw. 30 bzw. 2 festgelegt wird.
Schließlich ist die Plasmaquelle 29 mit einer Span­ nungsversorgung 42 versehen, die es ermöglicht, eine "Bias"-Potentialdifferenz z. B. zwischen der Plasma­ quelle 29 und der Anlage 2 oder dem Substrathalter 30 anzulegen. Damit ist es möglich, das Plasmapotential und die Energie der auf die Substrate 31, 31',... auf­ treffenden Ionen zu beeinflussen.
Der Substrathalter 30 ist mit einer Hochfrequenz- Spannungsversorgung 34 ausgestattet, mit der es möglich ist, auch isolierende Substrate 31, 31',... eine zusätzliche DC-Bias-Spannung relativ zum Plasma 28 zu bringen und damit die Energie und Stromstärke der auf die Substrate 31, 31',... auftreffenden Ionen zu erhöhen.
Bei der dargestellten Verschaltung arbeitet die Quelle als eine "Reflex-Arc"-Quelle. Das Anodenrohr 38 ist direkt mit dem Pluspol der Entladungsversorgung 35 verbunden, so daß der Entladungsstrom nur über das Anodenrohr 38 abfließen kann. Die Plasmaquelle 29 ist gegenüber den übrigen Teilen der Anlage isoliert ange­ ordnet. Die Elektronen, die aus der Kathode 11 austre­ ten, werden durch das axiale Magnetfeld der Solenoid­ magneten 7 gehindert, direkt zum Anodenrohr 38 zu ge­ langen. Vielmehr folgen sie den Magnetfeldlinien und gelangen so aus der Quelle 29 heraus und erzeugen ein Plasma 28 außerhalb der Quelle. Die gesamte Quelle 29 stellt sich dazu auf ein positives Potential relativ zu den übrigen Teilen der Anlage ein, was dazu führt, daß sich ein elektrisches Feld aufbaut, das bewirkt, daß die Elektronen außerhalb der Quelle reflektiert werden und entlang der Feldlinien zum Anodenrohr 38 zurücklau­ fen.
Bei dieser Betriebsart lädt sich der Substrathalter 30 nicht auf ein negatives Bias-Potential auf, wie z. B. bei einem Ion-planting-Verfahren. Der Substrathalter 30 lädt sich typischerweise auf +2 V bis +5 V auf, wobei die Ionen ihre Energie über die Potentialdifferenz zwischen dem Anodenrohr 38 und dem Substrathalter 30 erhalten.
Typische Werte hierfür sind:
Par = 2 . 10-4 mbar durch die Quelle
P02 = 4 . 10-4 mbar durch die Anlage
UKathode-Anode = 60 V
UAnode-Anlage = +75 V
IEntladung = 45 A
Wie aus der Zeichnung ersichtlich, ruhen sowohl das Anodenrohr 38 als auch die hohlzylindrische Magnetfeld­ abschirmung 5 auf dem aus Keramik bestehenden Isolator­ platte 6, der seinerseits auf der aus Kupfer bestehenden Kontaktplatte 16 abgestützt ist.
Der Heizer 12 ist mit Hilfe eines Klemmrings 13 mit dem hutförmigen Elektronen-Emitter 11 fest verbunden, wobei zwei Kontaktbolzen 14, 15 vorgesehen sind, mit denen der Heizer 12 einerseits auf der Kontaktplatte 16 und andererseits auf dem Kontaktzapfen 47 abgestützt ist.
Die Kontaktplatte 16 ist über den Zapfen 17 mit der Hochstromdurchführung 39 verbunden, die mit Hilfe des Isolators 53 an der Wand der Vakuumkammer 2 gehalten ist und der außerdem ein wasserdurchströmtes Kühlmit­ telrohr 23 aufweist. Die Kontaktplatte 16 ist mit Hilfe eines Keramikrings 18 gegenüber der Hochstromdurchfüh­ rung 40 elektrisch isoliert, die ebenfalls mit einem Kühlmittelrohr 24 versehen ist und die über den Zapfen 47 elektrisch leitend an dem Kontaktbolzen 14 anliegt. Die Hochstromdurchführung 48 ist mit dem Isolator 55 am Bodenteil der Vakuumkammer gehalten und umschließt das wasserdurchströmte Kühlmittelrohr 22, das im übrigen mit dem DC-Netzgerät 35 verbunden ist. Die Rohre 20, 21 sind mit den Einlaßstutzen 9 bzw. 10 verbunden und weisen beide ein elektrisch isolierendes Schlauchzwi­ schenstück 50 bzw. 51 auf.
Der seitlich neben der Plasmaquelle 29 am Bodenteil der Vakuumkammer 2 angeordnete Verdampfer 37 besteht aus einem Verdampfergestell 46, einem von diesem an seiner Oberseite gehaltenen Tiegel 45 mit dem zu verdampfenden Beschichtungswerkstoff, einer Elektronenstrahlkanone 44 zum Aufschmelzen und Verdampfen des Werkstoffs und einer Blende 56 für die Ausrichtung der Elektronenstrah­ lung.
Bezugszeichenliste
2
Vakuumkammer
3
Dunkelraumabschirmung
4
Solenoid, Magnet
5
Magnetfeldabschirmung
6
Isolatorplatte, Keramikplatte
7
Magnet, Solenoid
8
Kühlschlange
9
Sauerstoff-Einlaß, Einlaßstutzen
10
Argon-Einlaß, Einlaßstutzen
11
Lanthanhexaborid-Kathode, Elektronen- Emitter
12
Graphit-Heizer
13
Klemmring (verschraubt mit Heizer
12
)
14
,
15
Stab, Kontaktbolzen
16
Kupferplatte, Kontaktplatte
17
Zapfen, Kontaktzapfen
18
Keramikring
19
Sauerstoff und/oder Stickstoff
20
Sauerstoff und/oder Stickstoff, elektrisch isoliert
21
Argon-Einlaß
22
,
23
,
24
wasserdurchströmtes Kühlmittelrohr
25
Lochblech, schirmartiger Blechzuschnitt
26
,
27
Ringspule, Magnet
28
Plasmawolke
29
Plasmaquelle
30
Substrathalter, Substratträger, Anode
31, 31', ...
Substrat
32
Plasmarandschicht
33
Aufdampfmaterial (Sputtermaterial)
34
HF-Netzgerät, HF-Generator
35
DC-Netzgerät, Plasmaversorgung
36
Bedampfungsschutz, schirmartiger Blechzuschnitt
37
Elektronenstrahlverdampfer, Verdampfer
38
Anodenrohr
39
,
40
Hochstromdurchführung
41
Stromversorgung
42
Spannungsversorgung (für Bias-Spannung)
43
Prozeßkammer
44
Elektronenstrahlkanone
45
Tiegel
46
Verdampfergestell
47
Zapfen, Kontaktzapfen
48
Hochstromdurchführung
49
Welle
50
,
51
Isolierschlauch
52, 52',...
Lochung
53
,
54
,
55
Isolator
56
Blende
57
Schalter

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Beschichten von Substraten (31, 31', ...) in einer Vakuumkammer (2) mit einem in dieser angeordneten Substratträger (30) und einer Einrichtung (29) zur Erzeugung einer Plasmawolke (28) und mit Magneten (26, 27), die die Plasmawolke (28) auf die Oberflä­ che der Substrate (31, 31', ...) lenken, wobei in der Prozeßkammer (43) eine Vorrichtung zur Erzeugung von Atomen, Molekülen oder Clustern der Materialien zur Erzeugung der Schicht auf den Substraten (31, 31', ...), vorzugsweise ein Elektronenstrahlverdampfer (37), ein ther­ mischer Verdampfer oder eine Sputterkathode, unmittelbar neben der Plasmaquelle (29), dem Substrathalter (30) gegenüberliegend, angeord­ net ist, von der aus das verdampfte oder abge­ stäubte Material (33) direkt auf die Substrate (31, 31', ...) aufbringbar ist, wobei die Ein­ richtung (29) zur Erzeugung der Plasmawolke (28) aus einer Kathode (11) besteht, die von einer rohrförmigen Anode (38) umschlossen ist, die mit einem Einlaß (10) für das Prozeßgas versehen und die weiterhin mit Magneten (4, 7) zum Führen und Ausrichten des Plasmas durch das Anodenrohr (38) ausgestattet ist, und die relativ zur Anlage und zur Kathode (11) elek­ trisch isoliert ist und Ionen emittiert, wobei die Kathode (11) über eine erste Hochstrom­ durchführung (40) und das Anodenrohr (38) über eine zweite Hochstromdurchführung (48) an eine Stromversorgung (35) angeschlossen sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der gegenüber der Prozeßkammer­ wand (2) elektrisch isoliert angeordnete Substrathalter (30) wahlweise an einem Hoch­ frequenz-Generator (34) oder an ein Gleich­ strom-Netzgerät (35) anschließbar ist.
3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß sowohl die das Plas­ ma (28) erzeugende Quelle (29) als auch der Verdampfer (37), dem schirmförmig ausgeformten Substrathalter (30) gegenüberliegend, auf der­ selben Seite der Prozeßkammerwand (2) vorgese­ hen sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Substrathalter (30) im wesentlichen aus einem schirmartig ausgeform­ ten, mit einer Vielzahl von Lochungen (52, 52', ...) versehenen Blechzuschnitt gebildet ist, über dem mit Abstand ein zweiter, eben­ falls schirmartiger Blechzuschnitt (36) ge­ stülpt ist, wobei beide Blechzuschnitte (25, 36) drehfest mit einer motorisch angetriebenen Welle (49) verbunden sind.
5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Anodenrohr (38) der Plasmaquelle (29) von mindestens einem Magneten (4, 7) ringför­ mig umschlossen ist, wobei zumindest einer der Magnete (7) von einem rohrförmigen, magneti­ schen Abschirmblech (5) umfaßt ist, über das seinerseits mit Abstand eine röhrenförmige oder kastenförmige Dunkelfeldabschirmung (3) gestülpt ist.
6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der der Plasmaquelle (29) abgewandten Seite des Substratträgers (30) Magnete (26, 27), vorzugsweise Ringmagnete, angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand der Prozeßkammer (43) mit Abstand von einem Lochblech (25) bekleidet ist.
DE19904020158 1990-06-25 1990-06-25 Vorrichtung zum Beschichten von Substraten Expired - Lifetime DE4020158C2 (de)

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