DE4042287C2 - Vorrichtung zum reaktiven Aufstäuben von elektrisch isolierendem Werkstoff - Google Patents
Vorrichtung zum reaktiven Aufstäuben von elektrisch isolierendem WerkstoffInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum reaktiven
Aufstäuben von elektrisch isolierendem Werkstoff, insbesondere
SiO2, mit getrennten Magnetronkathoden mit elektrisch
isolierten Targets, die jeweils an den Außenenden einer
Wechselstromtrafospule angeschlossen sind, sowie mit einer
Blende, einer Ringanode sowie kapazitivem Anschluß der
Kathoden und mit einer negativen Gleichstromversorgung der
Ringanode über eine Mittelanzapfung und induktionsarmer
kapazitiver Überbrückung zur Unterdrückung überhöhter
positiver Kathodenspannung, d. h. zur Verhinderung von
Überschlägen (Arcing).
Bei bekannten Verfahren zum Beschichten von Substraten mit
Hilfe von Kathodenzerstäubung und Materialien mit einer hohen
Affinität zum Reaktivgas besteht das Problem, daß neben dem
Substrat selbst auch Teile der Vorrichtung - wie die Innenwand
der Prozeßkammer oder Teile von Blenden - mit elektrisch nicht
oder schlecht leitenden Materialien beschichtet werden, was
die häufige Änderung der Prozeßparameter, insbesondere auch
elektrische Überschläge, während eines einzigen
Beschichtungsprozesses oder auch eine häufige Unterbrechung
des Prozesses und auch eine häufige Reinigung oder einen
Austausch von Teilen der Vorrichtung erforderlich macht.
Bekannt ist eine Einrichtung zum Hochgeschwindigkeits-
Gleichstrom-Aufstäuben von isolierenden Oxidschichten, die zur
Verhinderung von elektrischen Überschlägen einen Kondensator
zwischen Kathoden- und Anodenanschluß vorsieht
(DD 221 202 A1).
Weiterhin ist eine Vorrichtung zum reaktiven Gleichstrom-
Aufstäuben von isolierenden Schichten, z. B. SiO2 bekannt
(DD 120 059), wobei die Vorrichtung eine Kathode, eine Anode
und eine ringförmige Hilfselektrode aufweist, die zur
Ladungskompensation mit Wechselspannung beaufschlagt wird.
Schließlich ist eine Vorrichtung zum Hochfrequenz-Aufstäuben
von metallischen Werkstoffen oder Cermet bekannt
(US 3,860,507), wobei die Elektrodenankoppelung über eine
Mittelanzapfung einer Sekundärspule und über ein Impedanz-
Netzwerk erfolgt.
Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde,
eine Vorrichtung zum Sputtern von Materialien mit hoher
Affinität zu einem Reaktivgas zu schaffen, die einen
gleichmäßigen bzw. stabilen Prozeß ermöglicht und eine
Reinigung der Teile der Vorrichtung überflüssig macht, und
zwar ohne daß herkömmliche bzw. bereits vorhandene
Vorrichtungen oder Anlagen hierfür ungeeignet sind bzw. ohne
daß an diesen wesentliche oder kostspielige Umbauten oder
Änderungen vorgenommen werden müssen. Darüber hinaus soll die
Vorrichtung bei langen Betriebszeiten störungsfrei und
insbesondere überschlagsfrei arbeiten und dies insbesondere
bei reaktiver Abscheidung isolierender Schichten, wie z. B.
SiO2, Al2O3, NiSi2-Oxid, ZrO2, TiO2, ZnO.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch drei elektrisch
voneinander und von der Sputterkammer getrennte Elektroden
gelöst, wobei zwei Elektroden als Magnetronkathoden
ausgebildet sind, bei denen jeweils die Kathodenkörper und das
Material der Targets elektrisch isoliert miteinander verbunden
sind, und die dritte Elektrode als zusätzliche Anode bei der
Plasmaentladung wirkt und wobei eine Wechselstromversorgung
vorgesehen ist und jede der beiden an diese Stromversorgung
angeschlossenen Kathoden in einer Periode der Wechselspannung
als negative Elektrode und als positive Elektrode wirkt, so
daß eine Plasmaentladung im Sputterprozeß hauptsächlich
zwischen den beiden Kathoden erfolgt, wozu die Stromversorgung
einen floatenden Ausgang mit drei Anschlüssen aufweist, die
beispielsweise aus den beiden Enden einer sekundären
Transformatorwicklung mit Mittenanzapfung gebildet sind, wobei
die Mittenanzapfung mit dem negativen Pol einer
Gleichstromversorgung verbunden ist, deren Spannung etwa der
effektiven Spannung der Wechselstromversorgung entspricht und
die mit ihrem Pluspol an eine elektrisch von der Vakuumkammer
isolierte Anode, die in der Sputterkammer vorgesehen ist,
angeschlossen ist, wobei zwischen der Anode und der geerdeten
Vakuumkammer eine induktionsarme, Hochfrequenz-taugliche
Kapazität und zwischen den Targets und ihrer Umgebung bei
jeder der beiden Kathoden jeweils eine weitere induktionsarme,
Hochfrequenz-taugliche Kapazität und zwischen dem Mittel
abgriff und der Anode ebenfalls eine induktionsarme,
Hochfrequenz-taugliche Kapazität angeschlossen ist.
Weitere Einzelheiten und Merkmale sind in dem Patentanspruch
näher charakterisiert und gekennzeichnet.
Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausführungsmög
lichkeiten zu; eine davon ist in der anhängenden Zeichnung
schematisch näher dargestellt, die den Schnitt durch eine
Sputteranlage mit zwei Magnetron-Sputterkathoden zeigt.
In der Zeichnung ist ein Substrat 1 dargestellt, daß mit einer
dünnen Schicht 2 aus einem Oxid (z. B. Siliziumdioxid oder
Aluminiumoxid) versehen werden soll. Diesem Substrat 1 liegen
Targets 3, 3a und 3b, 3c gegenüber, die zu zerstäuben sind.
Die Targets 3, 3a und 3b, 3c stehen über zwei Joche 11, 11a in
Verbindung, die jeweils drei Magnete 19, 19a, 19b bzw. 19c,
19d, 19e einschließen.
Die auf die Targets 3, 3a bzw. 3b, 3c gerichteten Polaritäten
der Pole der sechs Magnete wechseln sich ab, so daß jeweils
die Südpole der beiden jeweils äußeren Magnete 19, 19b bzw.
19c, 19e mit dem Nordpol des jeweils innenliegenden Magnets
19a bzw. 19d etwa kreisbogenförmige Magnetfelder durch die
Targets 3, 3a, 3b, 3c bewirken. Diese Magnetfelder verdichten
das Plasma vor den Targets, so daß es jeweils dort, wo die
Magnetfelder das Maximum ihrer Kreisbögen aufweisen, seine
größte Dichte hat. Die Ionen im Plasma werden durch
elektrische Felder beschleunigt, die sich aufgrund einer
Wechselspannung aufbauen, die von den Stromquellen 10, 21
abgegeben wird.
Diese Wechselstromquelle 10 weist drei Anschlüsse 12, 13, 14
auf, von denen die beiden äußeren Anschlüsse 12, 13, die von
den Enden einer sekundären Transformatorwicklung gebildet
sind, an die beiden Kathoden 5, 5a angeschlossen sind. Der
Mittenabgriff 14 der sekundären Transformatorwicklung steht
über eine Leitung 20 mit dem negativen Pol der
Gleichstromquelle 21 in Verbindung, wobei die Größe der
Gleichspannung etwa der effektiven Spannung der Wech
selstromquelle 10 entspricht oder aber gegenüber dieser erhöht
ist. Die beiden Stromleiter 8, 9, die die sekundäre
Transformatorwicklung mit den beiden Targets 3, 3a bzw. 3b, 3c
bzw. über zusätzliche Zweigleitungen 21, 22 mit in diese
eingeschalteten Kondensatoren 17, 18 mit den Magnetjochen 11,
11a verbinden, stehen durch eine Leitung 23, in die ein
Kondensator 24 eingeschaltet ist, miteinander in Verbindung.
(Anstelle des Begriffs "Kondensator" wird nachstehend für
dieses Bauelement auch der allgemeinere Begriff "Kapazität"
benutzt). Der dritte Stromanschluß 14 ist außerdem über eine
Leitung 28 mit einer in diese eingeschalteten Kapazität 27 an
den Pluspol der Gleichstromquelle 29 angeschlossen, die
ihrerseits zum einen an die Anode 6 und zum anderen über die
Zweigleitung 25, in die die Kapazität 16 eingeschaltet ist,
mit der Vakuumkammer 26 bzw. dem Erdleiter verbunden.
Zusammenfassend sind also folgende Merkmale für die Erfindung
von besonderer Bedeutung:
- a) Anstelle einer einzigen Kathode sind zwei elektrisch voneinander isolierte Kathoden 5, 5a in einer Sput terkammer 15a eingebaut, die beide an eine Wechselstrom- Versorgung 10 angeschlossen sind, wobei jede von den beiden Kathoden 5, 5a in einer Periode der Wechsel spannung als negative Elektrode und als positive Elektrode wirkt, d. h. daß die Plasmaentladung eines Sputterprozesses zwischen den beiden Kathoden 5, 5a stattfindet.
- b) Die Wechselstrom-Versorgung 10, an die die beiden Kathoden 5, 5a angeschlossen sind, weist einen elektrisch hängenden (floatenden) Ausgang mit drei Anschlüssen 12, 13, 14 auf, wobei einer der beiden außenliegenden Anschlüsse 12, 13, die im übrigen elektrisch symmetrisch gegenüber dem dritten Anschluß 14 sind (z. B. zwei Enden einer sekundären Transformatorwicklung mit ausgeführter Mitte der sekundären Wicklung), an die eine der beiden Kathoden 5, 5a und der anderen an die zweite der beiden Kathoden angeschlossen ist.
- c) Der dritte Anschluß 14 der Wechselstrom-Versorgung 10 (z. B. die Transformatorwicklungsmitte) steht mit dem negativen Pol einer Gleichstrom-Versorgung 29 mit einem (floatenden) Ausgang in Verbindung, wobei die Größe der Gleichstromspannung etwa der effektiven Spannung der Wechselstrom-Versorgung entspricht oder höher ist.
- d) Der zweite Anschluß der Gleichstrom-Versorgung 29 ist mit einer Anode 6 in der Sputterkammer 15 verbunden, wobei diese Anode 6 elektrisch isoliert von der Vakuumkammer 26 eingebaut ist.
- e) Zwischen den beiden Kathoden 5, 5a ist eine induk tionsarme, Hochfrequenz-taugliche Kapazität 24 eingeschaltet.
- f) Zwischen der Anode 6 der Gleichstrom-Versorgung 29 und der geerdeten Vakuumkammer 26 ist eine weitere induk tionsarme Kapazität 16 eingeschaltet.
- g) Zwischen den Targets 3, 3a und 3b, 3c und den Targetum gebungen ist bei jeder von den beiden Kathoden 5, 5a jeweils eine induktionsarme, Hochfrequenz-taugliche Kapazität 17, 18 eingeschaltet.
- h) Zwischen dem mittleren Anschluß 14 der Wechselstrom- Versorgung (Transformatormitte, an die auch der negative Pol der Gleichstrom-Versorgung 29 angeschlossen ist) und der Anode 6 ist eine induktionsarme, Hochfrequenz taugliche Kapazität 27 (in die Leitung 24) eingefügt.
Aufgabe der Gleichstrom-Versorgung 29 ist es, den
Spannungspegel der Wechselstrom-Versorgung 10 auf hohem
negativem Wert zu halten. Dies soll vermeiden, daß der
maximale positive Spannungswert der Kathode 5, 5a bezüglich
Masse (Sputterkammer 26) oder Kathodenumgebung nicht allzu
hoch ist. Eine überhöhte positive Kathodenspannung führt zu
einem instabilen Verhalten des Sputterprozesses (z. B. Plasma
zündung an der Kathodenumgebung), zu Überschlägen und Arcing
der Kathoden. Der Strom, der durch die Gleichstrom-SSV fließt,
soll viel kleiner sein als der eigentliche Sputterstrom der
Wechselstromquelle 10.
Aufgabe der Kapazität 24 ist es, die durch das Sputterplasma
induzierten Hochfrequenzspannungs- und Stromschwingungen, die
zu Überschlägen und Bogenentladungen (Arcing) führen,
kurzzuschließen.
Die Kapazität 16 ist besonders wichtig, wenn bei einer
reaktiven Abscheidung eine elektrisch isolierende Schicht
erzeugt wird, die auch auf der Anode 6 wächst. Aufgabe dieses
Kondensators 16 ist es, eine Wiederzündung des Sputterplasmas
nach einer Abschaltung der Sputter-Stromversorgung zu ermög
lichen.
Aufgabe der Kapazität 17, 18 ist es, die Häufigkeit der
zufälligen elektrischen Überschläge, die zwischen dem Target
3, 3a bzw. 3b, 3d) und der Targetumgebung entstehen, zu
beseitigen.
Die Aufgabe der Kapazität 27 ist identisch mit derjenigen der
Kapazität 24; in diesem Falle aber für den elektrischen Kreis
der Gleichstromversorgung 29.
1
Substrat
2
Schicht
3
,
3
a,
3
b,
3
cTargets
4
Blende
5
,
5
aKathode
6
Anode
7
,
7
a,
7
bPolschuh
7
c,
7
d,
7
e
8
Stromleiter
9
Stromleiter
10
Wechselstromquelle,
Wechselstrom-Spannungsversorgung
11
,
11
aKathodenkörper, Magnetjoch
12
Ausgang, Stromanschluß
13
Ausgang, Stromanschluß
14
Ausgang, Stromanschluß, Mittenanzapfung
15
,
15
aBeschichtungskammer, Rezipient
16
Kapazität (induktionsarm)
17
Kapazität (induktionsarm, Hochfrequenz-tauglich)
18
Kapazität (induktionsarm, Hochfrequenz-tauglich)
19
,
19
a,
19
b,
19
c,
19
d,
19
eMagnet
20
Leitung
21
Zweigleitung
22
Zweigleitung
23
Verbindungsleitung
24
Kapazität (Hochfrequenz-tauglich)
25
Zweigleitung
26
Vakuumkammer
27
Kapazität (Hochfrequenz-tauglich)
28
Zweigleitung
29
Gleichstromquelle
Claims (1)
1. Vorrichtung zum reaktiven Aufstäuben von isolierendem
Werkstoff, insbesondere von Siliziumdioxid (SiO2),
bestehend aus einer Wechselstromquelle (10), die mit in
einer evakuierbaren Beschichtungskammer (15, 15a)
angeordneten Magnete (19, 19a, 19b bzw. 19c, 19d, 19e)
einschließende Kathoden (5, 5a) verbunden ist, die
elektrisch mit Targets (3, 3a, 3b, 3c) zusammenwirken,
die zerstäubt werden und deren zerstäubte Teilchen sich
auf dem Substrat (1) niederschlagen, wobei in die
Beschichtungskammer (15, 15a) ein Prozeßgas und ein
Reaktivgas, insbesondere Argon und Sauerstoff,
einbringbar sind, gekennzeichnet durch drei elektrisch
voneinander und von der Sputterkammer (26) getrennte
Elektroden (6, 5, 5a), wobei zwei Elektroden als Magne
tronkathoden (5, 5a) ausgebildet sind, bei denen jeweils
die Kathodenkörper (11, 11a) und das Material der Targets
(3, 3a, 3b, 3c) elektrisch isoliert miteinander verbunden
sind, und die dritte Elektrode als zusätzliche Anode (6)
bei der Plasmaentladung wirkt, und wobei eine
Wechselstromversorgung (10) vorgesehen ist und jede der
beiden an diese Stromversorgung (10) angeschlossenen
Kathoden (5, 5a) in einer Periode der Wechselspannung als
negative Elektrode und als positive Elektrode wirkt, so
daß eine Plasmaentladung im Sputterprozeß insbesondere
zwischen den beiden Kathoden (5, 5a) erfolgt, wozu die
Stromversorgung (10) einen floatenden Ausgang mit drei
Anschlüssen (12, 13, 14) aufweist, die beispielsweise aus
den beiden Enden einer sekundären Transformatorwicklung
mit Mittenanzapfung (14) gebildet sind, wobei die
Mittenanzapfung (14) mit dem negativen Pol einer
Gleichstromversorgung (29) verbunden ist, deren Spannung
etwa der effektiven Spannung der Wechselstromversorgung
entspricht, und die mit ihrem Pluspol elektrisch an die
Anode (6), die in der Sputterkammer (15) vorgesehen ist,
angeschlossen ist, wobei zwischen der Anode (6) und der
geerdeten Vakuumkammer (26) eine induktionsarme,
Hochfrequenz-taugliche Kapazität (16) und zwischen den
Targets (3, 3a bzw. 3b, 3c) und ihrer Umgebung (11, 11a)
bei jeder der beiden Kathoden (5, 5a) jeweils eine
weitere induktionsarme, Hochfrequenz-taugliche Kapazität
(17 bzw. 18) und zwischen dem Mittelabgriff (14) und der
Anode (6) eine vierte induktionsarme, Hochfrequenz
taugliche Kapazität (27) und zwischen den beiden
Anschlüssen (12, 13) bzw. den Anschlußleitungen (8, 9)
für die Targets (3, 3a bzw. 3b, 3c) in eine Verbindungs
leitung (23) eine fünfte Kapazität (24) eingeschaltet
ist.
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