DE69226322T2

DE69226322T2 - Zerstäubungsanlage

Info

Publication number: DE69226322T2
Application number: DE69226322T
Authority: DE
Inventors: Michael Hook Basingstoke Hampshire Rg27 9Pf Thwaites
Original assignee: BOC Group Ltd
Current assignee: BOC Group Ltd
Priority date: 1991-10-11
Filing date: 1992-10-08
Publication date: 1998-12-24
Anticipated expiration: 2012-10-09
Also published as: US5384021A; EP0537011B1; DE69226322D1; EP0537011A1; GB9121665D0; JPH05214522A

Description

Diese Erfindung betrifft ein Gerät für den Zerstäubungsauftrag dünner Materialüberzüge auf einem Substrat, und mehr im einzelnen ein solches Gerät, das ein rohrförmiges Target (Kathode) aus dem Beschichtungsmaterial verwendet.
Kathodenzerstäubungsprozesse werden in weitem Umfang zum Auftragen dünner Materialüberzüge bzw. Materialfilme auf Substraten eingesetzt. Ein solches Verfahren findet in einer evakuierten Kammer statt, die nur eine kleine Menge eines ionisierbaren Gases enthält, beispielsweise Argon; von einer innerhalb der Kammer gehaltenen Quelle emittierte Elektronen ionisieren das Gas zur Bildung eines Plasmas, und das Target, welches das zu zerstäubende Material enthält, wird durch die Ionen bombardiert, wodurch Atome aus dem Targetmaterial herausgeschlagen und sodann als Film auf dem beschichteten Substrat abgelagert werden.
Es ist bekannt, daß in einem Magnetrongerät die Auftragsrate durch Verwendung von Magnetmitteln gesteigert werden kann, beispielsweise durch eine Anordnung von Parmanentmagneten, die in einer vorgegebenen Weise (üblicherweise als geschlossene Schleife bezeichnet) im Zusammenhang mit dem Kathodentarget angeordnet sind, um einen Bereich zu bilden, der oftmals als "Rennbahn" bezeichnet wird, aus welchem das Zerstäuben bzw. die Erosion des Targetmaterials auftritt.
Das Target hat gewöhnlich eine ebene, längliche und rechteckige Form, und das beschichtete Substrat wird während des Zerstäubungsprozesses kontinuierlich oder intermittierend relativ zum Target bewegt. Ein Gerät mit einem Target und mit Magnetmitteln der oben beschriebenen Bauart ist als ebenes Magnetron bekannt.
Ein Nachteil des herkömmlichen ebenen Magnetrons liegt darin, daß die "Rennstrecke", entlang derer die Zerstäubung stattfindet, verhältnismäßig klein ist und dies eine Erosion in der Targetoberfläche in einem verhältnismäßig kleinen, beispielsweise ringförmigen Bereich entsprechend der Form der geschlossenen Magnetfeldschleife auftritt. Infolgedessen wird nur ein kleiner Teil der gesamten Targetoberfläche verbraucht, bevor das Target ersetzt werden muß.
Es ist außerdem bekannt, beispielsweise aus der WO-A-91/07521 auf den Namen unserer Tochtergesellschaft, der BOC Group Inc, das ebene Target durch ein hohlzylindrisches Target zu ersetzen, dessen Außenfläche mit dem zu zerstäubenden Material beschichtet ist oder daraus besteht. Ein Gerät mit einem solchen Target ist als zylindrisches Magnetron bekannt und wird von Airco Coating Technology (einer Abteilung der Anmelderfirma) unter der Handelsmarke "C-Mag" vertrieben.
In einem zylindrischen Magnetrongerät ist das zylindrische Target im Betrieb entweder kontinuierlich oder intermittierend um seine Längsachse drehbar, so daß die Zerstäubung nicht nur auf einen bestimmten Bereich der Targetoberfläche beschränkt ist. Ebenso wie bei dem ebenen Magnetron wird das beschichtete Substrat entweder kontinuierlich oder intermittierend relativ zum Target in Querrichtung zur Längsachse des Targets bewegt.
Die Magnetronmittel in Form einer Anordnung von Permanentmagneten sind innerhalb des zylindrischen Targets in einer Position in nächster Nähe zum Substrat während dessen Beschichtung angeordnet und werden innerhalb des zylindrischen Targets im allgemeinen feststehend gehalten, während das Target (im Betrieb) sich dreht. Jedoch ist normalerweise eine gewisse Einstellung der Magnetanordnung relativ zum Target für eine Gesamteinstellung vor jedem Zerstäubungsprozeß möglich. Ein solches Gerät ermöglicht daher den Verbrauch einer viel größeren Targetmenge während des Zerstäubungsprozesses, da selektiv verschiedene Bereiche des Targets in eine Zerstäubungsposition mit Bezug auf das von den Magneten gebildete Magnetfeld gebracht werden.
Bei der Reaktionszerstäubung wird ein "reaktives" Gas zusätzlich zu dem normalen ionisierbaren Gas (gewöhnlich Argon) in die evakuierte Kammer eingeleitet. Dieses reaktive Gas ist vorhanden, um an Ort und Stelle mit Teilchen des Targetmaterials zu reagieren, um einen Zerstäubungsüberzug zu bilden, der die Reaktionsprodukte enthält. Beispielsweise ist es bekannt, einen Überzug aus einem Gemisch aus Silizium- und Aluminiumoxiden von einen Silizium-Aluminium-Legierungstarget durch Zerstäubung in einer Argon und Sauerstoff enthaltenden Kammer aufzubringen. Ein alternativer Austausch des Sauerstoffs durch Stickstoff als reaktives Gas kann einen überzug erzeugen, der ein Gemisch aus Silizium- und Aluminiumnitriden erzeugt, oder der Austausch durch ein Kohlenwasserstoff kann einen Überzug erzeugen, der ein Gemisch aus Karbiden enthält.
Jedoch kann in solchen Zerstäubungssystemen eine Tendenz dahingehend bestehen, daß das reaktive Gas mit dem Targetmaterial schon reagiert, bevor die einzelnen Targetmaterialteilchen aus dem Target heraus zerstäubt worden sind, wodurch in dem Target eine Oxid- Nitrid- oder Karbidschicht (oder sonstige Schicht) gebildet wird. Die Bildung einer solchen Schicht auf dem Target ist natürlich unerwünscht, da sie die Zerstäubungsleistung beeinträchtigt.
Es ist übliche Praxis, daß das ionisierbare Gas und das reaktive Gas in die evakuierte Kammer durch individuelle Einlässe oder durch einen gemeinsamen Einlaß eingeleitet werden. Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit der Steuerung der Einleitung dieser Gase derart, daß die mit der Bildung unerwünschter Targetschichten verbundenen Probleme verringert oder zumindest minimiert werden.
Gemäß der Erfindung ist ein Gerät zur Zerstäubungsbeschichtung von Material auf einem Substrat aus einer Kammer vorgesehen, die im Betrieb im wesentlichen evakuiert ist, mit
- einem im wesentlichen zylindrischen Targetrohr mit dem zu zerstäubenden Material auf seiner Oberfläche,
- Mitteln zum Drehen des Targetrohrs um seine Längsachse,
- Magnetmitteln zur Unterstützung des Zerstäubungsvorgangs durch das Erzeugen eines Magnetfelds in einer Zerstäubungszone, die dem Targetrohr zugeordnet ist,
- Mitteln zum Bewegen des Substrats durch die Kammer und in die Zerstäubungszone,
- Mitteln zum Einleiten eines ionisierbaren Gases und eines reaktiven Gases in die Kammer in der Nähe der Zerstäubungszone,
wobei zusätzliche Magnetmittel vorgesehen sind, um ein zusätzliches Magnetfeld entfernt von der Zerstäubungszone zu erzeugen, und wobei Mittel vorgesehen sind, um ionisierbares Gas, jedoch kein reaktives Gas, in die Nähe des zusätzlichen Magnetfelds einzuleiten, um dadurch einen ergänzenden Zerstäubungsvorgang des Materials in der Nähe des zusätzlichen Magnetfelds zu bewirken.
Reaktives Gas sollte nicht in der Nähe des zusätzlichen Magnetfelds in die Kammer eingeleitet werden. Dies ermöglicht einen zusätzlichen Zerstäubungsvorgang in dem zusätzlichen Magnetfeld beim Fehlen eines reaktiven Gases. Insoweit dient der zusätzliche Zerstäubungsvorgang, indem man das Ionisierbare Gas durch den in der Kammer vorhandenen Elektronenstrom ionisieren und das ionisierte Gas die Oberfläche des Targetrohrs bombardieren läßt, zum Entfernen des Films aus Reaktionsprodukten mit dem reaktiven Gas von der Targetrohroberfläche durch diese Bombardierung.
In bevorzugten Ausführungsformen befassen die Hauptmagnetmittel zur Herstellung des Felds für die Zerstäubungszone und die zusätzlichen Magnetmittel jeweils längliche Anordnungen von Magneten, die sich im wesentlichen über die Länge des Rohrs erstrecken und im wesentlichen parallel zur Längsachse des Targetrohrs sind, sowie nahe an der Innenoberfläche des Targetrohrs an diametral gegenüberliegenden Stellen des Rohrs positioniert sind. Das Rohr muß für eine Drehung um seine Längsachse relativ zu den beiden Magnetanordnungen ausgelegt sein, während diese stillstehend bleiben.
Vorzugsweise werden das ionisierbare Gas und das reaktive Gas in die Zerstäubungszone, die der Hauptmagnetanordnung zugeordnet ist, und an der Außenseite des Rohrs mittels eines Rohrs (oder eines sonstigen Organs) eingeleitet, welches die Zerstäubungszone durchdringt; das Rohr kann vorteilhafterweise entlang seiner Länge innerhalb der Zerstäubungszone perforiert sein. Die Gase können gesondert oder vorgemischt eingeleitet werden.
Das ionisierbare Gas alleing das heißt ohne reaktives Gas, wird vorzugsweise in der Nähe des zusätzlichen Magnetfelds durch ein ähnliches Rohr in die Kammer eingeleitet, das vorzugsweise wiederum perforiert ist.
Auf diese Weise und während des Betriebs des Geräts nach der Erfindung dienen die Hauptmagnetmittel zum Konzentrieren des Auftrags von zerstäubtem Material auf einem Substrat, das nahe am Targetrohr positioniert ist, und insbesondere auf die Zerstäubungszone, in welche das reaktive Gas kontinuierlich zugeführt wird.
Indem nur das ionisierbare Gas (und kein reaktives Gas) in den Bereich des zusätzlichen Magnetfelds auf der gegenüberliegenden Seite des Targetrohrs zugeführt wird, findet dort ein zusätzlicher Zerstäubungsvorgang von Material in diesem Teil des Rohres statt, und, in Abwesenheit wesentlicher Mengen reaktiven Gases, sollte dieser zusätzliche Zerstäubungsvorgang nur einen unerwünschten "Reaktions"-Film entfernen, der sich während der reaktiven Auftragsphase auf der Oberfläche des Targetrohrs gebildet hat.
Obwohl dies nicht wesentlich ist, können Leitbleche in der Kammer verwendet werden, um das Halten des reaktiven Gases nur in der Zerstäubungszone zu unterstützen und zu verhindem, daß wesentliche Mengen hiervon den den Bereich des zusätzlichen Magnetfelds wandern.
Für ein besseren Verständnis der Erfindung wird nun lediglich beispielshalber auf die anliegende Zeichnung Bezug genommen, die einen schematischen Schnitt durch ein Gerät nach der Erfindung zeigt.
In der Zeichnung ist ein Gerät nach der Erfindung mit einer Kammer mit einer Wand 1 dargestellt, innerhalb welcher ein Targetrohr 2 angeordnet ist, das durch nichtdargestellte Mittel um seine Längsachse drehbar montiert ist.
Innerhalb des Targetrohrs 2 (und darin feststehend gehalten) befindet sich eine Hauptmagnetanordnung 3, die drei längliche Permanentmagnete 4, 5 und 6 mit abwechselnder Polarität aufweist. Die Magnete 4, 5 und 6 haben im wesentlichen die gleiche Länge wie das Rohr 2 und sind parallel zur Längsachse des Rohrs 2 angeordnet.
Ebenfalls innerhalb des Targetrohrs 2 angeordnet ( und darin feststehend gehalten) ist eine zusätzliche Magnetanordnung 7 mit drei länglichen Permanentmagneten 8, 9, 10, die jeweils im wesentlichen die gleiche Länge wie das Rohr 2 haben und parallel zur Längsachse des Rohrs 2 angeordnet sind.
Außerhalb des Rohrs 2 sind zwei Leitbleche 11, 12 angeordnet, die sich über die Länge der Kammer erstrecken und so ausgebildet sind, daß sie die Kammer in obere und untere Bereiche unterteilen.
Ein perforiertes Rohr 13 dient zum Zuführen eines ionisierbaren Gases in den oberen Kammerbereich. Ein perforiertes Rohr 14 dient zum Zuführen eines Gemischs aus einem ionisierbaren Gas und einem reaktiven Gas in den unteren Kammerbereich.
Ein Substrat 15, das durch Zerstäubung von dem Targetrohr 2 zu beschichten ist, ist ebenfalls dargestellt, das sich im Betrieb des Geräts in einer Richtung rechtwinklig zur Längsachse des Rohrs 2 bewegt, das heißt, in der Zeichnung von links nach rechts (oder umgekehrt).
Das Gerät bildet daher im Betrieb eine Zerstäubungszone im unteren Teil der Kammer zwischen der Außenfläche des Rohrs 2 und dem Substrat 15 und ein zusätzliches Magnetfeld (entfernt von der Zerstäubungszone) aus, das der zusätzlichen Magnetanordnung 7 zugeordnet ist.
Im Betrieb des Geräts wird reaktives Gas (plus ionisierbares Gas) nur über das Rohr 14 in die Zerstäubungszone in unteren Kammerbereich eingeleitet, wobei die Leitbleche 11, 12 das Reaktionsgas insbesondere in dieser Zone halten. Das Zerstäuben auf das Substrat 15 schreitet daher in der normalen Weise fort. Jedoch kann, wie oben erwähnt, das reaktive Gas auch mit dem Targetmaterial reagieren und eine Schicht aus Oxid, Karbid und Nitrid auf der Oberfläche des Rohrs 2 bilden, was die Zerstäubungsleistung beeinträchtigen kann.
Jedoch findet bei jeder Umdrehung des Targetrohrs 2 die zusätzliche Zerstäubung im oberen Kammerbereich (in Abwesenheit von Reaktionsgas) statt, wodurch die schädliche Schicht von der Rohroberfläche durch Bombardierung mit ionisierten Gasteilchen entfernt wird.
Auf diese Weise wird die Oberfläche des Targetrohrs 2 bei jeder Umdrehung gereinigt.

Claims

1. Gerät zur Zerstäubungsbeschichtung von Material auf einem Substrat aus einer Kammer, die in Betrieb im wesentlichen evakuiert ist, mit

- einem im wesentlichen zylindrischen Targetrohr mit dem zu zerstäubenden Material auf seiner Oberfläche,

- Mitteln zum Drehen des Targetrohrs um seine Längsachse,

- Magnetmitteln zur Unterstützung des Zerstäubungsvorgangs durch das Erzeugen eines Magnetfelds in einer Zerstäubungszone, die dem Targetrohr zugeordnet ist,

- Mitteln zum Bewegen des Substrats durch die Kammer und in die Zerstäubungszone,

- Mitteln zum Einleiten eines ionisierbaren Gases und eines reaktiven Gases in die Kammer in der Nähe der Zerstäubungszone,

dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Magnetmittel vorgesehen sind, um ein zusätzliches Magnetfeld entfernt von der Zerstäubungszone zu erzeugen, und daß Mittel vorgesehen sind, um ionisierbares Gas, jedoch kein reaktives Gas, in der Nähe des zusätzlichen Magnetfelds einzuleiten, um dadurch einen ergänzenden Zerstäubungsvorgang des Materials in der Nähe des zusätzlichen Magnetfelds zu bewirken.

2. Gerät nach Anspruch 1, wobei die primären Magnetmittel zur Erzeugung des Felds für die Zerstäubungszone und die zusätzlichen Magnetmittel jeweils längliche Anordnungen von Magneten aufweisen, die sich im wesentlichen über die Länge des Rohrs erstrecken, im wesentlichen parallel zur Längsachse des Targetrohrs verlaufen und nahe an der Innenoberfläche des Targetrohrs an diametral gegenüberliegenden Rohrseiten positioniert sind.

3. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das ionisierbare Gas und das reaktive Gas in die der primären Magnetanordnung zugeordneten Zerstäubungszone und auf die Außenseite des Rohrs durch die Zerstäubungszone durchdringende Mittel eingeleitet werden.

4. Gerät nach Anspruch 3, wobei die Mittel durch ein entlang seiner Länge innerhalb der Zerstäubungszone perforiertes Rohr gebildet sind.

5. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das ionisierbare Gas allein in der Nähe des zusätzlichen Magnetfelds mittels eines perforierten Rohrs in die Kammer eingeleitet wird.

6. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Kammer Sperrwände angeordnet sind, um das Zurückhalten des reaktiven Gases in der Zerstäubungszone zu fördern und das Wandern wesentlicher Mengen hiervon in den Bereich des zusätzlichen Magnetfelds zu verhindern.