DE3506227A1 - Anordnung zur beschichtung von substraten mittels kathodenzerstaeubung - Google Patents

Description

• ANORDNUNG ZUR BESCHICHTUNG VON
• SUBSTRATEN MITTELS KATHODENZERSTAEUBUNG Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Kathodenzerstäubung, insbesondere mit dem Ziel der Metallisierung von Halbleiterscheiben. Diese Halbleiterscheiben haben im Verlauf der vorhergehenden Bearbeitung mittels photolithographischer Verfahren eine geometrische Oberflächenstruktur mit für elektrische Anschlüsse vorgesehenen Ausnehmungen in einer isolierenden Oberflächenschicht erhalten. Während die Scheibe oft einen Durchmesser zwischen 50 mm und 200 mm und eine Dicke von wenigen 1/10 mm aufweist, haben die Ausnehmungen meist nur eine Breite von wenigen um und eine Tiefe, die etwa der Dicke der isolierenden Schicht entspricht. Das nachfolgende Aufbringen der Metallisierungsschicht (Schichtdicke etwa 1 pm) dient der elektrischen Kontaktierung der Scheiben durch die Ausnehmungen hindurch, wobei im Verlauf von darauf folgenden Bearbeitungsschritten weitere Strukturen in die Metallschicht geätzt werden. Gebräuchliche Materialien für die Metallschicht sind Aluminium, Aluminiumlegierungen, Titan-Wolfram-Legierungen usw.
• Bei den für die Herstellung der Metallisierungsschichten gewöhnlich verwendeten bekannten Kathodenzerstäubungsanlagen mit planarem Magnetron unterscheidet man die folgenden Anordnungen: 1. Trommelanlagen: Mehrere Substratscheiben sind auf der äusseren Mantelfläche einer Trommel mit pol ygonförmi gen Querschnitt befestigt. Neben der Trommel befindet sich mindestens ein Zerstäubungs-Magnetron, welches in dem Bereich, wo es den Substratscheiben gegenübersteht, im wesentlichen eine lineare Materialquelle mit zwei geraden, an den Enden bogenförmig verbundenen Linienquellen darstellt. Die Erosionszone solcher Quellen besitzt also die Form einer geschlossenen Bahn. Wenn sich die Trommel gleichmässig um ihre Achse dreht, werden die Substratscheiben gleichmässig beschichtet, in axialer Richtung wegen der linearen Quelle, in peripherer Richtung wegen der gleichmässigen Bewegung. Der Abstand zwischen den Substratscheiben in der Beschichtungsposition und dem planaren Magnetron kann in gewissen Grenzen variiert werden, ohne dass dadurch die zulässigen Toleranzen für die Schichtdickenhomogenität überschritten werden.
• 2. Telleranlagen: Bei dieser Anordnung liegen mehrere Substratscheiben auf einem grossen kreisrunden Drehteller. Oberhalb desselben befindet sich mindestens ein Magnetron. Die Erosionszone dieses Magnetrons sollte in dem Bereich, wo sie den Substratscheiben gegenübersteht, so ausgebildet werden, dass letztere bei gleichmässiger Drehung des Drehtellers um seine Achse gleichmässig beschichtet werden. Auch in dieser bekannten Anordnung kann der Abstand zwischen den Substraten und dem planaren Magnetron in gewissen Grenzen variiert werden, ohne dass dabei die Toleranzen für die Schichtdickenhomogenität überschritten werden.
• 3. Einzel schei benanl agen: Bei diesen Anlagen steht eine einzelne runde Substratscheibe unbewegt einem planaren Magnetron gegenüber, dessen Erosionszone die Form eines Ringes hat. Hierbei muss eine bestimmte Beziehung zwischen dem Substratscheibendurchmesser, dem Kreisdurchmesser der Erosionszone und dem Abstand Substrat-Magnetron eingehalten werden, um Verteilungstoleranzen von + 5 % oder weniger einzuhalten.
• Wäre der Abstand zu klein, so würde die Substratscheibe auf einer der Erosionszone gegenüberliegenden ringförmigen Zone mit einer dickewerden ren Schicht überzogen/als im Zentrum. Wäre dagegen der Abstand zu gross, würde die Substratscheibe im Zentrum die grösste Schichtdicke und einen starken Abfall zum Rand hin aufweisen.
• Neben der Schichtdickenhomogenität sollte in jedem Falle auch eine möglichst gute und gleichmässige Bedeckung von etwaigen Stufen auf den zu beschichtenden Substratflächen, z.B. an den Rändern der erwähnten Ausnehmungen für die elektrische Kontaktierung erzielt werden und zwar sowohl in Bezug auf die örtliche Verteilung auf den Substratscheiben als auch auf die Richtungsorientierung der Kanten. Die mit den bekannten Anordnungen erreichbare Bedeckung der zu einer Substratfläche senkrecht stehenden Flächen von Stufen, die sogenannte "Stufenbedeckung" (in % der Schichtdicke in bestimmtem Abstand von der Stufe angebbar) und deren Gleichmässigkeit waren bisher oft unzureichend.
• Eine nicht ausreichende Stufenbedeckung erhält man vielfach bei der Einzelscheibenanlage in der Nähe des Randes der Substratscheibe bei den nach aussen gerichteten Flächen der Stufen. Aber auch bei den Trommel-und Telleranlagen betragen die Werte für die Stufenbedeckung bei vertikalen Stufen kaum mehr als 50 %. Der Grund dafür liegt in der Richtungsverteilung des abgestäubten Kathodenmaterials. Sie gehorcht dem Lambert'schen Cosinus-Gesetz, d.h. sie hat ihre Hauptintensität senkrecht zur Kathodenebene. Daran ändert sich auch nichts Grundsätzliches, wenn im Verlauf der Materialabtragung von der zerstäubten Fläche des Magnetrons ein Erosionsgraben entsteht.
• Für Einzelscheibenanlagen wurde gelegentlich auch eine Abwandlung des planaren Magnetrons mit einem einzelnen Plasmaring auf einer konischen Kathodenfläche verwendet. Letztere bewirkt einen schräg nach innen gerichteten Materialstrom. Die Stufenbedeckung auf den Substratscheiben - - - nIi - - - -wird durch diese bekannte Massnahme aber7 unwesentlich verbessert.
• Der vorliegenden Erfindung liegt demnegenüber die Aufgabe zu Grunde, eine Anordnung zur Kathodenzerstäubung für die Beschichtung von Substraten zur Verfügung zu stellen, die eine verbesserte Stufenbedeckung bei unvermindert guter Schichtdickenhomogenität ermöglicht.
• Diese Aufgabe wird durch die Anordnung gemäss Patentanspruch 1 gelöst.
• An sich ist eine Zerstäubungsanordnung mit hohlkörperförmiger Kathodenfläche z.B. von Topfform aus CH-PS 204 862 (Berghaus)bereits bekannt.
• Eine ähnliche Anordnung mit einer halbkugelförmigen konkaven Kathodenfläche ist in Research/Development (Febr. 1971, Seite 40) beschrieben worden, bei der mittels zweier koaxialer Spulen ein Quadrupolfeld erzeugt und damit an der Kathodenfläche eine ringförmige Erosionszone aufrechterhalten wurde, und wobei die Gleichmässigkeit der Beschichtung eines ebenen Substrates sowie die Beschichtungsrate mittels der durch die beiden Spulen fliessenden Ströme beeinflusst werden konnte.
• Für die Beschichtung von Substraten mit Stufen (z.B. die oben beschriebenen Ausnehmungen in isolierenden Belägen auf Halbleiterscheiben zwecks Herstellung von elektrischen Anschlüssen) waren diese bekannten Anordnungen aber trotz einer die zu beschichtenden Gegenstände teilweise umhüllenden Kathodenfläche wenig geeignet, weil die Bestäubung aus verschiedenen Richtungen sich nicht den jeweiligen Bedürfnissen entsprechend einstellen liess.
• Bei der erfindungsgemässen Anordnung mit zwei getrennten Zerstäubungszonen bedeutet dagegen die Möalichkeit, gewissermassen zwei Zerstäubungsquellen unabhängig voneinander bezüglich ihrer Leistung einstellen zu können, einen grossen Fortschritt gegenüber allen bekannten Anordnungen mit einer einzigen Zerstäubungszone auf einer konischen oder halbkugelförmigen Kathodenfläche. Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemässe Anordnung dann, wenn jede der beiden Zerstäubungszonen so dimensioniert und örtlich angeordnet wird, dass sie für sich allein auf einer ebenen Substratfläche eine homogene Schichtdickenverteilung liefert; das Verhältnis der Zerstäubungsleistungen kann dann in Hinblick auf die Stufenbedeckung optimal gewählt werden. Auch eignet sich eine solche Anordnung ganz besonders zur Herstellung von Legierungsschichten durch gleichzeitiges Zerstäuben eines ersten Metalls von der ersten Zone und eines zweiten Metalls von der zweiten Zone. Die Zusammensetzung der Legierung kann dabei durch Einstellen des Verhältnisses der simultanen oder sequentiellen Zerstäubungsleistungen und/oder der Zeitintervalle beliebig gewählt werden. An den Stufen der zu beschichtenden Substuatflächen ist die Zusammensetzung der Legierung dabei wesentlich besser, als man auf Grund der Lage der beiden Zerstäubungszonen relativ zu den seitlichen Flächen der Stufen zunächst vermuten würde. Dies ist eine Folge davon, dass sich die verschiedenen Flächenteile der Kathode geaenseitig beschichten, so dass die Durchmischung nicht nur auf den Substraten sondern auch auf den Kathoden stattfindet.
• Bei Verwendung von an sich bekannten Zerstäubungsmagnetrons im Rahmen der Erfindung kann am einfachsten eine erste Zerstäubungszone durch ein Magnetron mit einer ebenen Kathodenfläche und eine zweite Zerstäubungszone durch ein Magnetron mit einer dazu senkrecht stehenden zylindermantelförmagen Kathodenfläche gebildet werden. Aber auch mit zwei konischen Kathodenteilen ist die Erfindungsidee leicht zu verwirklichen, wie die nachfolgenden Beispiele zeigen.
• Im folgenden wird die Erfindung anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert: Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel mit einem planaren Magnetron als Boden und einem ringzylindrischen Magnetron als Seitenwand einer topfförmig ausgebildeten Kathode.
• Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem zwei konusförmige Kathodenteile zusammen einen Kathodenhohlraum bilden.
• In dem in der Figur 1 dargestellten Beispiel bezeichnet 1 die Kathode eines planaren Magnetrons bestehend aus dem Beschichtungsmaterial, wobei die Kathode mit der mit Wasserkanälen versehenen Kühl platte 2 verbunden ist. Die Kathode kann mit der Kühl platte verlötet, verschweisst oder auch nur an diese angepresst sein.
• Das Magnetsystem des planaren Magnetrons besteht in dem Beispiel der Figur 1 aus einem Elektromagneten mit einem Eisenjoch 3 und einer Spule 4 und ist in der Art eines Topfmagneten ausgebildet. Es sind aber auch entsprechende Magnetsysteme mit Permanentmagneten üblich. Sofern die Kathode aus unmagnetischem Material hergestellt ist, wird sie von den magnetischen Feldlinien durchdrungen, so dass über ihre freie Seite ein ringförmig geschlossener Tunnel aus Feldlinien gebildet wird, der im Betrieb den Einschluss von Elektronen und Ionen bewirkt. Letztere führen durch Ionenbeschuss der Kathode zur Kathodenzerstäubung in der Erosionszone 5 des Beschichtungsmaterials.
• Im vorliegenden Beispiel wird eine kreisrunde Substratscheibe 6 als unbewegte Einzel scheibe beschichtet. Um eine möglichst homogene Beschichtung zu erzielen, ist das planare Magnetron, das den Boden des Kathodenhohlraumes bildet, ebenfalls als Rotationskörper aufgebaut und parallel und konzentrisch zu der Substratscheibe 6 angeordnet.
• Insoweit würde die beschriebene Anordnung dem Bekannten entsprechen. Dabei wird der Abstand der Kathode 1 von der Substratscheibe 6 und der Durchmesser der Erosionszone 5 so gewählt, dass eine möglichst homogene Schichtdickenverteilung erreicht wird.
• Die Anordnung umfasst nun entsprechend der Erfindung zusätzlich ein zweites Magnetron, bestehend aus einer hohlzylindrischen Kathode 7 aus dem Beschichtungsmaterial, dem Kühlzylinder 8 sowie dem Eisenjoch 9 und der Spule 10. Die Kathodenfläche dieses zweiten Magnetrons steht also, wie aus der Zeichnung ersichtlich, senkrecht auf der Kathodenfläche des planaren ersten Magnetrons und stellt zusammen mit dieser einen in Richtuna zur Substratscheibe offenen Hohlraum dar. Die beiden Kathodenflächen sind in diesem Beispiel elektrisch und mechanisch miteinander also zu einer einzigen hohlkörperförmigen Kathode verbunden und bilden zusammen mit dem Isolatorring 11 und einer Anode 12 eine Baueinheit, in welcher die Substratscheiben 6 mittels einer Halterung 13 in axialer Richtung eingeführt und dann stehend beschichtet werden können.
• Für den Zerstäubungsbetrieb müssen Anode und Kathode mit entsprechenden Spannungen versorgt werden. Besonders einfach ist die Verwendung von nur einem Speisegerät und damit gleicher Brennspannung der beiden Magnetron-Gasentladungen. Man vermeidet so die im nächsten Beispiel beschriebene elektrische Isolierung der Kathoden der beiden Magnetrons. Das Verhältnis der Zerstäubungsleistungen der beiden Zerstäubungszonen 5 und 14 wird durch entsprechende Wahl der Ströme in den Spulen 4 und 10 so eingestellt, dass die Substratscheibe und auch etwaige Stufen des Substrats ausreichend gleichmässig beschichtet werden.
• Bei Anordnungen gemäss der Erfindung können die beiden Zerstäubungszonen wahlweise mit Gleich- oder Wechsel spannung betrieben werden. Die Vorteile der Erfindung sind in beiden Fällen gegeben. Ausserdem kann an das Substrat in bekannter Weise Gleich- oder Wechselspannung angelegt werden, um die Einwirkung des Plasmas auf die Substratoberfläche zu steuern.
• Ein weiterer Fortschritt kann durch eine Relativbewegung der Magnetfelder und damit der Zerstäubungszonen gegenüber den Substraten erzielt werden.
• Man bewegt dabei - siehe das nachfolgende Ausführungsbeispiel der Figur 2 -vorteilhafterweise nur die Magnete, nicht die Kathoden. Der Fortschritt besteht dabei nicht nur in der Verbesserung des Ausnützungsgrades der Kathoden, sondern auch im gleichmässigen Abtragen infolge des zwischen den verschiedenen Teilen der Kathode hin- und hergestäubten Materials.
• In der Figur 2 bezeichnet 20 den mit einem Flansch 21 versehenen oberen Teil eines vakuumdichten Gehäuses, welches z.B. an einer anderen Vakuumkammer oder an einem Vakuumpumpstand angeflanscht werden kann. An seiner Unterseite ist der Gehäuseteil 20 durch den Bodenteil22 mittels der Isolierscheibe 23 mit den beiden Ringdichtungen 24 und 25 vakuumdicht abgeschlossen. Diesem Vakuumraum zugewandte Innenseite des Gehäuses ist mit Kathodenteilen 26 und 27 aus dem zu zerstäubenden Material ausgelegt, die wiederum eine Topfform bilden, welche mit ihrer offenen Seite dem zu beschichtenden Substrat 28 zugewandt ist. Am äusseren Umfang des Gehäuseteiles 20 ist ein erstes ringförmiges Magnetsystem 29 schräg angeordnet und an einem drehbar gelagerten Aussenmantel 31 befestigt. Dieses erste Magnetsystem erzeugt im Innern der Zerstäubungskammer im Bereich der Kathode 26 ein Magnetfeld, welches in an sich bekannter Weise die Zerstäubung in einer ersten Zerstäubungszone bewirkt, wenn zwischen der Kathode und den Substraten eine entsprechende Spannung angelegt wird.
• In ähnlicher Weise ist auch unterhalb des Bodenteils 22 an der Aussenseite ein exzentrisch angeordnetes zweites ringförmiges Magnetsystem 32 vorgesehen, welches von einem mit dem drehbaren Aussenmantel 31 verbundenen Boden 34 getragen und also bei Drehung desselben mitbewegt wird. Dieses zweite Magnetsystem erzeugt im Innern des Zerstäubungsraumes oberhalb der Kathode 27 das für den Betrieb einer zweiten Zerstäubungszone erforderliche Magnetfeld.
• Die Polung der beiden Magnetsysteme wird vorteilhafterweise so gewählt, dass sich die Systeme gegenseitig abstossen. Die Schrägstellung, d.h. der Winkel zwischen den Achsen der ringförmigen Magnetsysteme und der Achse der hohlkörperförmigen Kathode sowie die Exzentrizität der beiden Magnetsysteme werden am besten so orientiert, dass letztere bei ihrer Drehung stets einen vorgewählten Mindestabstand aufweisen.
• Wie in Figur 2 weiter dargelegt ist, wird das Gehäuse mit Bodenteil 22 von einer ortsfesten Säule 35 getragen, an welcher die Kugellager 36 zur drehbaren Lagerung des Bodens 34 sowie des Aussenmantels 31 gehaltert sind und der Antrieb der beiden letztgenannten Teile erfolgt durch die ortsfeste Welle 37 mittels des Zahnrades 38, welches in den am Kugellagergehäuse aussen befestigten Zahnkranz 39 eingreift.
• Wenn das mit der Kathode 26 zusammenwirkende ringförmige Magnetsystem 29 schräg und das zur Kathode 27 gehörige Magnetsystem 32 relativ zu dieser assymmetrisch angeordnet sind, wie dies die Figur 2 zeigt, dann ergibt sich durch die Drehbewegung eine periodische Verschiebung der Magnetfelder relativ zu den feststehenden Kathodenflächen. Das erbringt eine gleichmässigere Abtragung von den verschiedenen Flächenteilen der Kathoden, wobei es meist zweckmässig ist, die Bewegungen zeitlich aufeinander so abzustimmen, dass eine maximale Ausnutzung der Kathodenmaterialien erreicht wird.
• Anhand des Ausführungsbeispiels der Figur 2 wird eine weitere Methode zur Einstellung des Verhältnisses der Zerstäubungsleistungen der durch die beiden Magnetrons gebildeten Zerstäubungszonen näher erläutert. Sie erfordert die Verwendung von zwei getrennten Speisegeräten. Auf diese Weise können dann die voneinander isolierten Kathodenteile auf verschiedene Potentiale gelegt und damit die Zerstäubungsleistungen gesteuert werden.
• In der vorstehenden Beschreibung wurden nur Beispiele mit zwei Kathodenteilen, bei denen das Verhältnis der Zerstäubungsleistungen einstellbar ist, beschrieben. Es ist für den Fachmann aufgrund der Darlegungen aber klar, dass die Kathode im Sinne der Erfindung auch mit mehreren Zerstäubungszonen bzw. mehrteilig ausgebildet werden könnte, wobei es dann zweckmässig ist, für alle Einzel zonen die Möglichkeit zur getrennten Einstellung der Zerstäubungsleistung vorzusehen, um den verschiedensten Anwendungsfällen gerecht werden zu können. Die Einrichtungen für die Steuerung der Zerstäubungsleistung einer Zerstäubungszone können von an sich bekannter Art sein und können je nach Anwendungsfall u.U. auch als Regeleinrichtung zur Konstanthaltung des Leistungsverhältnisses zweier oder mehrerer Zerstäubungszonen ausgebildet werden. Es ist u.U. zweckmässig die einzelnen Zerstäubungszonen abwechselnd zu betreiben und die Einstellung der über die Beschichtungszeit gemittelten Leistungen der einzelnen Zerstäubungszonen durch die jeweilige Einschaltdauer festzulegen. Solche Einrichtungen zur Leistungsregelung sind in der Literatur schon mehrfach beschrieben worden und bilden keinen Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
• Bei Vorsehen von mehr als zwei Zerstäubungszonen im Sinne der Erfindung muss aber stets das Merkmal erfüllt werden, dass wenigstens für zwei Zerstäubungszonen das Verhältnis der Zerstäubungsleistungen einstellbar sein muss.
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Claims (9)

1. PATENTANSPRUECHE 1. Anordnung zur Beschichtung von Substraten mittels Kathodenzerstäubung mit einer hohikörperförmigen, dem zu bestäubenden Substrat zu offenen Kathode und einer Anode, wobei auf der vom Substrat abgewandten Aussenseite der hohlkörperförmigen Kathode ein Magnetsystem zur Festlegung der Zerstäubungszone auf der Innenseite der Kathode vorgesehen ist, da d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, dass das Magnetsystem (3, 4, 9, 10, 29, 32) derart ausgebildet ist, dass beim Betrieb auf der zu zerstäubenden Innenseite der Kathode (1, 7, 26, 27) zwei Zerstäubunaszonen (5, 14) entstehen und das Verhältnis der Zerstäubungsleistungen der beiden Zerstäubungszonen einstellbar ist.
2. 2. Anordnung nach Patentanspruch 1, d a d u r c h 9 e k e n n -z e i c h n e t, dass die hohlkörperförmige Kathode (1, 7) die Form eines einseitig offenen Hohl zylinders besitzt und eine erste Zerstäubungszone (14) im wesentlichen auf die innere Zylindermantelfläche und eine zweite Zerstäubungszone (5) auf die geschlossene Stirnseite des Zylinders beschränkt ist.
3. 3. Anordnung nach Patentanspruch 1, d a d u r c h 9 e k e n n -z e i c h n e t, dass die hohlkörperförmige Kathode (26, 27) konusförmig mit zwei verschiedenen koaxialen Zonen als erste und zweite Zerstäubungszone ausgebildet ist.
4. 4. Anordnung nach Patentanspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, dass die Kathode (26, 27) zweiteilig ausgebildet ist und für die beiden Teile getrennte Anschlüsse zum Anlegen unterschiedl icher Kathodenpotentiale vorgesehen sind.
5. 5. Anordnung nach Patentanspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, dass die durch das Magnetsystem (29, 32) erzeugten Magnetfelder gegenüber der Kathode (26, 27) bewegbar sind.
6. 6. Anordnung nach Patentanspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, dass das Magnetsystem aus zwei ringförmigen Teilsystemen (9, 10, 29 bzw. 3, 4,32 ) besteht.
7. 7. Anordnung nach Patentanspruch 6, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, dass wenigstens eines der Teilsysteme (29, 32) um die Achse der hohlkörperförmigen Kathode(26, 27) drehbar ist.
8. 8. Anordnung nach Patentanspruch 5, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, dass die Magnete (29, 32) so gepolt sind, dass die Teilsysteme sich gegenseitig abstossen.
9. 9. Anordnung nach Patentanspruch 6, da d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, dass der Winkel zwischen den Achsen der ringförmigen Teilsysteme (29) und der Achse der hohlkörperförmigen Kathode (26) einstellbar ist.