DE4230290A1 - Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmas mittels Kathodenzerstäubung und Mikrowelleneinstrahlung - Google Patents

Description

Auf zahlreichen Gebieten der Technik ist es erforderlich, dünne Schichten auf Substrate aufzubringen. Beispielsweise werden Glasscheiben beschichtet, um ihnen zu besonderen Eigenschaften zu verhelfen, oder es werden Uhrengehäuse aus einem weniger edlen Mate­ rial mit einer aus edlem Material bestehenden Schicht überzogen.

Für das Aufbringen dünner Schichten auf Substrate sind bereits zahlreiche Verfahren vor­ geschlagen worden, von denen lediglich die Galvanotechnik und das Beschichten aus einem Plasma heraus erwähnt seien. Das Beschichten aus dem Plasma hat in den letzten Jahren immer mehr an Bedeutung gewonnen, weil es eine Vielzahl von Materialien als Be­ schichtungsmaterial zuläßt.

Um ein für die Beschichtung geeignetes Plasma herzustellen, sind ebenfalls verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden. Von diesen Verfahren ist das Kathodenzerstäubungsver­ fahren, das auch Sputtern genannt wird, wegen seiner hohen Beschichtungsraten von gro­ ßem Interesse. Die Beschichtungsraten lassen sich mit dem Sputtern noch erhöhen, wenn in den Raum vor der zerstäubten Kathode eine Mikrowelle eingestrahlt wird.

Es sind bereits mehrere Vorrichtungen für ein mikrowellenunterstütztes Sputtern bekannt (US-A-4 610 770, US-A-4 721 553, DE-A-39 20 834). Hierbei werden die Mikrowellen entweder parallel oder senkrecht oder in einem bestimmten Winkel zur Substratoberfläche in den Plasmabereich eingeführt. Durch das Zusammenwirken des Magnetfelds des Magnetrons mit den Mikrowellen kann eine Elektronenzyklotronresonanz (ECR) herge­ stellt werden, welche die Teilchen des Plasmas verstärkt ionisiert.

Nachteilig ist bei den meisten bekannten Vorrichtungen indessen, daß die ECR-Bedingung in der Nähe der Sputterkathode auftritt, wo die Anregung der Teilchen nicht so notwendig ist wie im Bereich des Substrats. Um diesen Nachteil zu beheben, wird bei der Vorrichtung gemäß DE-A-39 20 834 die Mikrowelle auf ein Substrat gestrahlt, das seinerseits von den Feldlinien eines Dauermagneten durchdrungen ist. Hierdurch ist direkt über dem Substrat die ECR-Bedingung erfüllt. Allerdings kann bei dieser bekannten Vorrichtung eine Plasmaentladung nur bis zu einer bestimmten Mindestspannung und bis zu einem be­ stimmten Mindestdruck erfolgen. Selbst durch sehr starke Magnetfelder an der Targetober­ fläche läßt sich die Plasma-Brennspannung nicht mehr erniedrigen. Hohe Entladespannun­ gen führen aber zu unerwünschten Effekten, z. B. dem Einbau von Edelgasen in die Sub­ stratstruktur oder zu Strahlenschäden.

Um die Plasma-Brennspannung weiter zu erniedrigen, kann man einen Hohlleiter, mit dem Mikrowellenenergie zu einer Targetoberfläche geleitet wird, innerhalb einer Vakuumkam­ mer bis an den seitlichen Rand eines Targets führen. Die Ionisation des Plasmas wird hier­ durch erheblich erhöht, so daß es möglich ist, bei geringer Entladespannung und hohem Strom zu sputtern. Entladespannungen bis unter 100 Volt sind realisierbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Ionisierung des Plasmas in der Umgebung einer Sputterkathode weiter zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß bei Sputteranlagen eine sehr niedrige Entladespannung zum Einsatz kommen kann. Außerdem kann durch die Wahl des zusätzlichen Magnetfelds vor der Sputterkathode die Verteilung des Plasmas in einem weiten Bereich beeinflußt werden. Es kann z. B. mit einem normalen Magnetronfeld unterschiedlicher Stärke zusammenwirken, so daß für die Elektron-Gas-Wechselwirkung eine ECR-Bedingung geschaffen wird, oder mit einem schwachen Feld, wenn keine ECR- Bedingung vorliegt, gearbeitet werden kann.

Durch Überlagerung des zusätzlichen statischen Magnetfelds oder Wechselmagnetfelds wird die Mikrowellen-Plasma-Wechselwirkung erhöht. Dabei ist das Magnetfeld derart orientiert, daß die Magnetfeldlinien senkrecht auf dem Target stehen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im fol­ genden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Plasmakammer und eine Magnetronkathode und eine Mikrowellen­ einstrahlung;

Fig. 2 eine perspektivische Schnittdarstellung der Mikrowelleneinstrahlung und des Plasmaraums unmittelbar vor der Magnetronkathode.

In der Fig. 1 ist eine Plasmakammer 1 dargestellt, deren Gehäuse 2 einen Gasauslaß 3 auf­ weist, der an eine nicht gezeigte Vakuumpumpe angeschlossen ist. In dem Gehäuse 2, das aus Edelstahl besteht, befindet sich ein zu beschichtendes oder zu ätzendes Substrat 5 auf einem Drehteller 6, der am Boden 7 des Gehäuses 3 angeordnet ist. Gegenüber dem Sub­ strat 5 und in die obere Wand 4 des Gehäuses 2 integriert ist eine Sputterelektrode 8 vorge­ sehen, die mit einer Kathodenwanne 9 in Verbindung steht. An die Kathodenwanne 9 ist eine Stromversorgung 10 angeschlossen, bei der es sich vorzugsweise um eine Gleich­ stromversorgung handelt. Die Kathodenwanne 9 sitzt auf elektrischen Isolatoren 11, 12, die ihrerseits in einer Aussparung der oberen Wand 4 des Gehäuses 2 eingelassen sind und jeweils einen Dichtungsring 35, 36 tragen.

In der Kathodenwanne 9 sind drei Dauermagnete 15, 16, 17 mit jeweils einem Nordpol und einem Südpol vorgesehen, wobei diese Dauermagnete 15, 16, 17 über ein Joch 14 mit­ einander in Verbindung stehen. Die Feldlinien 18, 19 der Dauermagneten 15 bis 17 treten durch die Elektrodenwanne 9 und das Target 8 hindurch und bilden im Plasmaraum 20 zwei Bögen.

Dieser Plasmaraum 20 wird seitlich durch zwei Winkel- oder Abschirmbleche 21, 22 aus Kupfer begrenzt, die an die Innenseite der oberen Wand 4 stoßen. Im Plasmaraum 20 und zwischen oberer Wand 4 und den Abschirmblechen 21, 22 ist eine Spule angeordnet, die ein Magnetfeld erzeugt, das auf dem Target 8 senkrecht steht. Von dieser Spule sind die beiden Spulenhälften 24, 25 zu erkennen, die auf nicht dargestellte Weise miteinander ver­ bunden sind. Mit dem weitgehend homogenen Magnetfeld der Spule 24, 25 sollen im wesentlichen drei Effekte erzielt werden. Zum einen soll durch eine effektive Wechsel­ wirkung der Elektronen mit der Mikrowelle eine zusätzliche Plasmaaktivierung erreicht werden. Zum anderen soll durch das Magnetfeld das Plasma vor dem Target bzw. der Sputterelektrode 8 vergleichmäßigt werden, so daß sich eine bessere Targetausnutzung er­ gibt. Schließlich soll durch das Magnetfeld das Plasma stärker in Richtung auf das Substrat ausgedehnt werden, was einen günstigen Einfluß auf das Schichtwachstum hat.

Auf der Außenseite des Gehäuses 2 ist ein Hohlleiter 26 vorgesehen, der das aus den Magneten 15 bis 17, dem Joch 14 und der Elektrodenwanne 9 bestehende Magnetron um­ gibt. Dieser Hohlleiter 26 hat die Form eines rechtwinkligen Rohrs und ist auf Resonanz gestimmt. In diesen Hohlleiter 26 werden Mikrowellen eingegeben, und zwar senkrecht zur Zeichenebene. Nähere Einzelheiten über die Eingabe der Mikrowellen sind der Fig. 2 entnehmbar.

Die Mikrowellen gelangen über die Isolatoren 11, 12, die beispielsweise aus Teflon beste­ hen, sowie über Spalten 27, 28 in den Plasmaraum 20. Dort erzeugen sie in Verbindung mit den Magnetfeldern 18, 19 der Dauermagneten 15 bis 17 und dem Magnetfeld des Zu­ satzmagneten 24, 25 eine Elektronen-Zyklotron-Resonanz eines aus Zuführungsröhren 29, 30 strömenden Gases. Die positiv elektrisch geladenen Partikel im Plasmaraum 20 treffen mit hoher Geschwindigkeit auf dem Target 8 auf und schlagen aus diesem Teilchen heraus, die sich auf dem Substrat 5 niederschlagen. Damit die Zuführungsröhren 29, 30 nicht im Laufe der Zeit zugesputtert werden, sind Schutzwinkel 31, 32 vorgesehen.

Die in dem Plasmaraum 20 eintretenden Mikrowellen sind symbolisch dargestellt und mit den Bezugszahlen 33, 34 versehen. Bei der Einkopplung der Mikrowelle durch die Schlit­ ze bzw. die Dunkelräume 27, 28 in den Plasmaraum 20 sind keine aufwendigen Vorrich­ tungen erforderlich. Es genügt vielmehr eine Standard-Sputterelektrodenanordnung. Der Atmosphärenseite der Kathode 9 wird lediglich ein Mikrowellenresonatorkasten überge­ stülpt, aus dem die Mikrowelle über die Dunkelräume 27, 28 in das Plasma geleitet wird. Die Isolatoren 11, 12 aus Teflon haben auch eine Vakuum-Dichtfunktion, weshalb auf bei­ den Seiten der Isolatoren 11, 12 O-Ringe 35, 36 als Dichtungsringe vorgesehen sind.

In der Fig. 2 ist die Vorrichtung gemäß Fig. 1 noch einmal in einer perspektivischen Teil­ ansicht dargestellt. Man erkennt hierbei, daß die Mikrowelle über einen Ansatz 40 in den Hohlraumresonator 26 gegeben wird, der hier aufgeschnitten dargestellt ist, um einen Ein­ blick in das Magnetron zu gewährleisten. Die Gas-Zuführungsleitungen 29, 30 weisen zahlreiche auf den Plasmaraum 20 gerichtete Löcher auf, von denen nur drei mit den Be­ zugszahlen 41, 42, 43 versehen sind. Vor diesen Löchern 41 bis 43 ist der Schutzwinkel 31, 32 vorgesehen worden, der dazu dient, das Zusputtern der Löcher zu verhindern. Wird die Spule 24, 25 von Wechselstrom durchflossen, so kann das Plasma vor der Kathode 9 zum Pulsieren gebracht werden. Zudem oszilliert das Plasma vor dem Target 8 etwas hin und her, so daß eine höhere Targetausnutzung resultiert.

Durch die Abschirmbleche 21, 22 wird der Hohlraumresonator in einen oberen und einen unteren Hohlraumresonator unterteilt. Der untere Resonator ist ein Ringresonator entlang den Teflondichtungen 11, 12 mit einer Verbindung zum oberen Resonator an der dem Mikrowelleneintritt gegenüberliegenden Seite. Von dem unteren Resonator gelangt die Mikrowelle über die Dunkelräume 27, 28 zum Plasma. Der obere Resonator wirkt hierbei als Pufferresonator. Durch die Struktur des Resonators wird eine ausgeprägte Gleich­ mäßigkeit des Feldes im Dunkelraum entlang der Kathodenseite erzielt.

Es versteht sich, daß in den Fig. 1 und 2 nur eine von mehreren möglichen Ausführungs­ formen dargestellt ist. Anstelle eines Drehtellers 6 kann auch ein linear beweglicher Substratträger vorgesehen sein, wie er in herkömmlichen In-Line-Anlagen vorzugsweise verwendet wird.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmas mittels Kathodenzerstäubung und Mikro­ welleneinstrahlung, mit

• a) einer Plasmakammer (20);
• b) einem Target (8) in dieser Plasmakammer (20), das mit einer Elektrode (9) verbunden ist, die an einer Stromversorgung (10) liegt;
• c) einem Magnetron (13), dessen Magnetfeld (18, 19) aus dem Target (8) austritt und in dieses wieder eintritt;
• d) einem Mikrowellensender, der über einen Hohlleiter (26) Mikrowellen (33, 34) in den Bereich vor dem Target (8) sendet, wobei senkrecht zur Targetoberfläche parallele Ab­ schirmbleche (21, 22) vorgesehen sind;

dadurch gekennzeichnet, daß an den Abschirmblechen (21, 22) ein Magnet (24, 25) vor­ gesehen ist, der ein Feld erzeugt, welches im wesentlichen parallel zu den Abschirm­ blechen (21, 22) verläuft.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (24, 25) ein Elektromagnet ist, der eine um das Abschirmblech (21, 22) gewickelte Spule (24, 25) ent­ hält.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld ein Gleichfeld ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld ein Wechselfeld ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Plasmakammer (20) in einem Gehäuse (2) befindet, auf dessen Außenseite der Hohlleiter (26) angeordnet ist, der über eine für Mikrowellen durchlässige Dichtung (11, 12) und einen Spalt (27, 28) mit dem Plasmaraum (20) in Verbindung steht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Abschirmbleche (21, 22) Gaszuführungsleitungen (29, 30) integriert sind, die mehrere in den Plasmaraum (20) gerichtete Löcher (41 bis 43) aufweisen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmbleche (21, 22) Gaszuführungsleitungen (29, 30) aufweisen, die von Schutzwinkeln (31, 32) umgeben sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (11, 12) aus einem Teflon-Element mit einem Dichtungsring (35, 36) besteht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 und Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Teflon-Element als ein unterer Resonator wirkt.