DE4422472C2 - Einrichtung zum Hochgeschwindigkeitsgasfluß-Aufstäuben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Hochgeschwin­ digkeitsgasfluß-Aufstäuben zum industriellen Aufbringen sehr reiner und strukturell perfekter Schichten mit einer Hohlkatode, einer Anode und einer Gaseinlaßvorrichtung für Inertgas, wobei die Austrittsöffnung des Gas- und Materi­ alpartikelstromes aus der Hohlkatode den Substraten gegen­ über angeordnet ist. Die Einrichtung ist für Beschich­ tungsaufgaben in der Mikroelektronik oder optischen und metallurgischen Industrie einsetzbar.

Nach dem Stand der Technik sind bereits verschiedene Ver­ fahren und zugehörige Einrichtungen zum Hochgeschwindig­ keitsgasfluß-Aufstäuben, auch Gasflußsputtern, reaktives Gasflußsputtern oder Gas-flow-sputtering (GFS) bekannt. (Ishii, in J. Vac. Sci. Technol. A7(2), 1989, S. 256 ff sowie Koch u. a. in J. Vac. Sci. Technol. A9 (4), 1991, S. 2374 ff).

Für industrielle Zwecke wird in der DD 2 94 511 ein Ver­ fahren und eine Vorrichtung zum reaktiven Gasflußsputtern angegeben. Diese Erfindung schlägt u. a. auch eine Lösung zur Beschichtung großflächiger Substrate vor, bei der eine gemeinsame Anode und eine matrixförmig angeordnete Viel­ zahl von Hohlkatoden, die einzeln oder in Gruppen mit separaten Spannungsquellen verbunden sind, in einem gas­ dichten Kasten angeordnet sind, wobei der Kasten eine rückwärtige Gaseinströmöffnung für das Inertgas aufweist und die Einzelkatoden aus einzelnen oder gruppenweise verschiedenen Materialien bestehen.

Diese Einrichtung ist zur Beschichtung von Substraten ge­ eignet, die flächig vor der Hohlkatodenmatrix angeordnet sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der räumlich koaxial außerhalb oder axial innerhalb der Hohlkatode angeordnete Substrate, insbesondere Substratkörper, indu­ striell wirtschaftlich beschichtet werden können.

Die Erfindung löst die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale im Anspruch 1. Bei großflächigen oder länglichen Substratanordnungen wird die Aufgabe gemäß den kennzeich­ nenden Merkmalen nach Anspruch 2 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 3 bis 11 gekenn­ zeichnet.

Der für die Beschichtung relevante Materialpartikelausstoß aus der bzw. aus den einzelnen Hohlkatoden erfolgt ring­ förmig in der Richtung des Inertgasstromes.

Die Anordnung der Substrate kann bei einer Einrichtung mit einem radial nach außen wirkenden Materialpartikelausstoß vorteilhaft in bekannter Weise in konzentrischen Substrat­ halterungen bzw. Drehkörben erfolgen. Bei einem Materi­ alpartikelausstoß, der zentrisch zur Achse der Einrichtung wirkt, können vorteilhaft band- oder stabförmige Substrate in der axialen Beschichtungszone angeordnet oder mit geeigneter Geschwindigkeit durch die Beschichtungszone hindurchbewegt werden.

Die Katodenplatten sind als Targetmaterial Verschleißteile und sind leicht auswechselbar an der Einrichtung angeord­ net.

Die fertigungstechnische Ausführung der Katodenplatten muß derart erfolgen, daß die Oberflächen, welche die Hohlkato­ de bilden, mit sehr geringen Rauhigkeiten ausgeführt sind. Anderenfalls kann sich beim Vorhandensein von geringfü­ gigen kraterartigen Unebenheiten statt der erforderlichen Glimmentladung eine Bogenentladung ausbilden, die mit ihren heißen Spots zur Beschädigung der Einrichtung führen kann.

Das zusätzliche Anbringen von Bohrungen, Gräben oder spiralförmigen Nuten in den Oberflächen der Katodenplatten führt zu sekundären Hohlkatoden und insgesamt zur Stabili­ sierung der Glimmentladung in den Hohlkatoden und zur Erhöhung der Geschwindigkeit der Aufstäubung.

Die Katodenplatten werden vorteilhafterweise mittels eines Kühlkreislaufes von der Rückseite gekühlt.

Bei der Einrichtung nach Anspruch 2 können die Katoden­ platten, die jeweils zwei nebeneinander liegende Hohlkato­ den bilden, aus einem Stück bestehen. Es ist jedoch vor­ teilhafter, die beiden Katodenplatten einer Hohlkatode separat und unabhängig von den Katodenplatten der benach­ barten Hohlkatode auszubilden und zu haltern. Dabei ist es vorteilhaft, zwischen den Katodenplatten zweier benach­ barter Hohlkatoden eine Kühleinrichtung vorzusehen.

Die Form der wirksamen Katodenplatten kann an die techno­ logischen Erfordernisse der Beschichtungsaufgabe frei angepaßt werden. Regelmäßig werden Katodenplatten in Form von Kreisringen verwendet. Es ist aber auch möglich, viereckige Katodenplatten mit zentrischer Bohrung ein­ zusetzen.

Für spezifische Aufgaben, insbesondere wenn verschiedene Targetmaterialien mit unterschiedlicher Abstäubegeschwin­ digkeiten erforderlich sind, kann es günstig sein, die Katodenplatten auch in anderer geometrischer Form, z. B. sternförmig, auszubilden. Die Form, z. B. der Außendurch­ messer, von zwei nebeneinanderliegenden Hohlkatoden kann ebenso Unterschiede aufweisen, wenn damit in vorteilhafter Weise die Beschichtung besser an die spezifischen Sub­ strate angepaßt werden kann.

Wenn z. B. Mischschichten abgeschieden werden sollen, können innerhalb einer Hohlkatode die zwei zusammengehö­ renden Katodenplatten aus unterschiedlichem Material bestehen oder es können die Katodenplatten der benachbarten Hohlkatoden aus unterschiedlichem Material bestehen.

Die konkrete Ausgestaltung der zentralen bzw. koaxialen Anode sowie der in gleicher Lage angeordneten Gaszuführ­ einrichtung kann in unterschiedlicher Weise erfolgen.

Bei der Einrichtung nach Anspruch 2 ist es wesentlich, daß sich die Anode und die Gaseinlaßvorrichtung zentral bzw. koaxial über alle einzelnen Hohlkatoden erstrecken. Vor­ teilhaft ist es, die Anode als Einzelanoden auszuführen, die zentrisch oder koaxial den einzelnen Hohlkatoden zugeordnet sind. In ähnlicher Weise ist es vorteilhaft, auch die Gaseinlaßvorrichtung derart auszubilden, daß eine Vielzahl von radialen Bohrungen oder Ring-spalten jeweils den einzelnen Hohlkatoden zugeordnet sind.

Wenn die Schichtbildung in einer reaktiven Atmosphäre erfolgen soll, dann wird das Reaktivgas jeweils außerhalb der einzelnen Hohlkatode in den Materialpartikelstrom eingebracht, derart daß der Materialpartikelstrom und das Reaktivgas auf dem Weg zu den Substraten oder während der Abscheidung auf den Substraten miteinander reagiert.

Der Abstand der zwei zu einer Hohlkatode gehörenden zwei Katodenplatten zueinander beträgt üblicherweise zwischen 15 bis 50 mm. Die radiale Tiefe der einzelnen Hohlkatode beträgt dabei zwischen 0,8 bis 3,5 mal dem Abstand der Katodenplatten.

Beim Betreiben der vorgeschlagenen Einrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2 wird zwischen den Katodenplatten und der Anode bzw. den Einzelanoden eine Spannung zwischen 350 und 1000 V angelegt. Der Gasdruck liegt nicht wesentlich unter 6 × 10^-2 mbar. Unter diesen Bedingungen kommt es innerhalb jeder einzelnen Hohlkatode zur Ausbildung einer stabilen und intensiven Entladung mit Stromstärken zwi­ schen 5 und 20 A. Die Leistungsdichte am Target liegt regelmäßig über 8 Wcm^-2. Unter derartigen Bedingungen werden Geschwindigkeiten der Beschichtung bis zu 300 nm/Minute erreicht.

Da das Hochgeschwindigkeitsgasfluß-Aufstäuben in verfah­ renstypischer Weise mit relativ hohen Gasdrücken arbeitet, hat sich der zur Beschichtung relevante Materialparti­ kelstrom bereits kurz nach Verlassen der einzelnen Hohlkatoden zu einem relativ einheitlichen Partikelstrom aus den beteiligten Targetmaterialien und Gasen formiert. Die Schichtabscheidung auf den Substraten erfolgt mit hoher Gleichmäßigkeit, wobei auch unterschiedliche Target­ materialien und gegebenenfalls Reaktionsprodukte mit Reaktivgasen mit außerordentlich guter Homogenität ver­ mischt bzw. reagiert abgeschieden werden.

Die Katodenplatten als Target können grundsätzlich aus allen leitfähigen Materialien hergestellt sein. Die Mate­ rialien können direkt als entsprechende Schicht auf den Substraten abgeschieden werden, aber auch als Mischschicht oder Schicht aus Reaktionsprodukten mit Gasen oder anderen Targetmaterialien. Vorzugsweise werden als Targetmaterial Metalle eingesetzt. Es können aber auch andere leitfähige Materialien, wie Silizium, Kohlenstoff und Bor, abgestäubt werden, wobei diese Materialien während, nach und bei der Abscheidung vorteilhaft mit Gasen in Reaktion gebracht und als Reaktionsprodukte abgeschieden werden können.

Die räumliche Ausdehnung der erfindungsgemäßen Einrichtung und zugehörig die Substrate bzw. die Substratträgerein­ richtung ist in einem weiten Bereich frei an die technolo­ gischen Erfordernisse anpaßbar. Im gleichen Maße wie die axiale Länge der erfindungsgemäßen Einrichtung vergrößert wird, kann auch die Substratlage ausgedehnt werden. Bei relativ kleinen Substraten kann es ausreichend sein, wenn die Einrichtung gemäß Anspruch 1 nur aus einer Hohlkatode besteht.

Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, daß eine praktikable und industriell wirtschaftliche Einrich­ tung geschaffen wurde, die eine industrielle Beschichtung einer Vielfalt von Substraten, insbesondere auch von Substratkörpern, z. B. für die Mikroelektronik, die opti­ sche oder metallurgische Industrie, mittels des Hochge­ schwindigkeitsgasfluß-Aufstäubens ermöglicht. Je nach der Struktur der Substratkörper können diese sowohl koaxial als auch zentral zur erfindungsgemäßen Einrichtung angeordnet und mit hoher Geschwindigkeit beschichtet werden.

Die Erfindung soll nachfolgend an drei Ausführungsbei­ spielen näher erläutert werden.

Die Zeichnungen zeigen in Fig. 1, zugehörig zum Beispiel I, eine erfindungsgemäßen Einrichtung mit einer einzelnen Hohlkatode. Die Fig. 2 und 3 zeigen zugehörig zum Beispiel II zwei Schnitte einer erfindungsgemäßen Einrich­ tung mit mehreren Hohlkatoden und zentrischer Anode sowie Gaszuführung.

Beispiel I

Fig. 1 zeigt, zugehörig zum Beispiel I, eine erfindungs­ gemäße Einrichtung im Schnitt mit nur einer Hohlkatode 1. Die Hohlkatode 1 wird dabei aus zwei Katodenplatten 1a und 1b gebildet. Die Fig. 1 zeigt in der rechten Hälfte einen Schnitt durch die Gaszuführungsbohrung 6a mit der elektri­ schen Verbindung 5 zur Anode 4. In der linken Hälfte der Fig. 1 verläuft der Schnitt gegenüber der rechten Hälfte um 90 Grad versetzt durch die Kühlwasserzuleitung 9a. Die weiteren Einzelteile und angegebenen Positionsnummern entsprechen denen im Beispiel II und sind dort aus führ­ licher beschrieben.

Eine derartig relativ kleine Einrichtung ist vorteilhaft für die Beschichtung kleinerer Substrate oder für For­ schungszwecke geeignet.

Beispiel II

In Beispiel II wird eine erfindungsgemäße Einrichtung zum Hochgeschwindigkeitsgasfluß-Aufstäuben beschrieben, bei der der Gas- und Materialpartikelstrom radial nach außen gerichtet ist und die zu beschichtenden Substrate (in der Zeichnung nicht dargestellt) radial außen, z. B. in be­ kannten Drehkörben, angeordnet werden können. Dabei han­ delt es sich um eine Einrichtung mit mehreren Hohlkatoden und radial nach außen gerichtetem Materialpartikelstrom.

Die Gesamtzahl der Hohlkatoden richtet sich nach dem technologischen Erfordernis. D. h. eine erfindungsgemäße Einrichtung kann in axialer Richtung mehrere solcher einzelnen Hohlkatoden aufweisen.

Die zugehörige Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Einrichtung in der Ebene der Gaszuführung und der Stromzuführung für die Anode.

Fig. 3 zeigt einen um 90 Grad gedrehten Schnitt von Fig. 2 in der Ebene der Kühlwasserzu- bzw. Abflußleitung.

Die Fig. 2 zeigt die beiden Endteile der erfindungsgemä­ ßen Einrichtung und ein Zwischenteil von mehreren. Im oberen Teil der Fig. 2 ist eine einzelne Hohlkatode 1 komplett dargestellt. Alle einzelnen Hohlkatoden 1 beste­ hen im wesentlichen aus gleichen Hohlkatodenplatten, wobei die beiden Katodenplatten, die in einer Hohlkatode 1 zusammenwirken, mit Katodenplatten 2a und 2b bezeichnet sind. Die Katodenplatten 2a und 2b sind im Beispiel kreis­ förmige Ringe aus dem jeweils gewählten Targetmaterial. Innerhalb der zentrischen Bohrung 3 in den Katodenplatten 2a bzw. 2b befindet sich isoliert angeordnet in jeder einzelnen Hohlkatode 1 eine Einzelanode 4. Die verschiede­ nen Einzelanoden 4 sind untereinander mit der elektrischen Verbindung 5 verbunden. Dabei verläuft die elektrische Verbindung 5 innerhalb von zwei Gaszuführungen 6a und 6b. Die Zufuhr von Inertgas zu den Hohlkatoden verläuft über die Gaszuführungsbohrung 6a bzw. 6b und mündet über Rings­ palte 7 (siehe auch Fig. 3) zwischen der Einzelanode 4 und den Isolierringen 8 in die Hohlkatode 1.

Die gesamte erfindungsgemäße Einrichtung ist außen, ausge­ nommen der Bereich, in dem der Materialpartikelstrom die Hohlkatoden verläßt, mit einer elektrischen Abschirmung 13 versehen, damit es zu keiner unerwünschten elektrischen Entladung kommt.

Die Fig. 3 zeigt einen um 90 Grad gedrehten Schnitt durch Fig. 2. In dieser Schnittebene befinden sich die Kühl­ wasserzuleitung 9a und die Kühlwasserableitung 9b. Im Bereich der Einzelanoden 4, wo auch die Ringspalte 7 für die Inertgaszuführung verlaufen, sind die Kühlwasserzu- und Ableitungen 9a und 9b jeweils über Isolierrohre 10 geführt. Die Kühlung der Katodenplatten 2a und 2b erfolgt jeweils sehr intensiv von der Rückseite, die über eine dünnwandige Abdichtung 11 nahezu direkt am Kühlwasserstrom im Kühlwasserraum 12 anliegt.

Im Beispiel II beträgt der Abstand der Katodenplatten 2a und 2b zueinander 30 mm. Der Durchmesser der zentrischen Bohrung 3 wurde mit 75 mm und der Außendurchmesser der Katodenplatten 2a und 2b mit 200 mm gewählt. Dabei handelt es sich um eine industriell sehr praktikable Einrichtung mit denen Substrate in einer Substrathalterung wirtschaft­ lich beschichtet werden können.

Beim Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Hoch­ geschwindigkeitsgasfluß-Aufstäuben wird zu Beginn der Kühlwasserstrom, über die Kühlwasserzu- und Ableitung 9a und 9b und die Inertgaszuführung über die Gaszuführungs­ bohrungen 6a und 6b sowie die Ringspalte 7 eingestellt. Danach wird zwischen der Anode 4 und den Katodenplatten 2a und 2b eine erforderliche Spannung eingestellt. Diese liegt üblicherweise zwischen 500 und 750 Volt. Der Gas­ druck wird derart eingestellt, daß in der Hohlkatode ein Druck von ca. 5 × 10^-1 mbar vorhanden ist. Unter diesen Bedingungen kommt es zur Hohlkatodenglimmentladung zwi­ schen den beiden Katodenplatten 2a und 2b und in der Folge zu dem gewünschten Abstäuben des Targetmaterials, d. h. des Materials der Katodenplatten 2a und 2b.

In Fig. 2 ist schematisch der Weg eines bei der Glimment­ ladung abgestäubten Atoms A dargestellt, welches über den Inertgasstrom, der radial vom Ringspalt 7 nach außen führt, ebenfalls nach außen getrieben wird und sich letzt­ lich vorwiegend auf den Substraten abscheidet. Die in der Zeichnung nicht dargestellten Substrate können in bekann­ ter Weise koaxial zur Einrichtung in einem Substratkorb angeordnet werden, der auch drehbar sein kann. Der Abstand der Substrate zum äußeren Rand der Katodenplatten beträgt etwa 50 bis 250 mm. Im Beispiel I kann der Durchmesser der Substrathalterung somit bis 700 mm betragen. Die Beschich­ tung der Substrate erfolgt im wesentlichen gemäß den verfahrenstypischen Parametern des Hochgeschwindigkeits­ gasfluß-Aufstäubens.

Im Beispiel II ist einrichtungsmäßig keine Reaktivgaszu­ führung zur Schichtabscheidung in reaktiver Atmosphäre dargestellt. Das läßt sich aber vorteilhaft realisieren, wenn ein erforderliches Reaktivgas zwischen der elektri­ schen Abschirmung 13 und den Katodenplatten 2a und 2b eingelassen wird.

Beispiel III

Als Beispiel III soll eine Ausführung der erfindungsgemä­ ßen Einrichtung mit koaxialer Anordnung der Anode und der Gaszuführung nur kurz beschrieben werden. Die praktische Ausführung kann weitgehend äquivalent zu den Beispielen I und II erfolgen.

Der wesentlicher Unterschied gegenüber den Beispielen I und II besteht darin, daß der Raum innerhalb der zentri­ schen Bohrungen in den Katodenplatten frei ist und darin der zu beschichtende Substratkörper gehaltert oder langsam hindurchgeführt werden kann. Alle übrigen Elemente, wie Anode (Einzelanode 4), die elektrische Verbindung (5), die Inertgaszuführung (Gaszuführungsbohrungen 6a und 6b) mit den Gaseinlaßöffnungen in die Hohlkatode (Ringspalte 7) und die Kühlwasserzu- und Abführleitungen (9a und 9b) sind nicht zentral innerhalb der zentrischen Bohrung (3) sondern koaxial radial außerhalb der Katodenplatten (2a und 2b) angeordnet.

Der Gasstrom durch die Hohlkatode (1) verläuft dadurch gegenüber den Beispielen I und II in entgegengesetzter Richtung. Er ist von außen nach innen zur zentrischen Bohrung (3) gerichtet. Damit ändert sich auch der Materi­ alpartikelstrom in Richtung auf das Zentrum der Einrich­ tung, d. h. auf die zentrisch angeordneten Substrate hin.

Ein derartige Ausführung der erfindungsgemäßen Einrichtung ist besonders für die Beschichtung von stab- oder band­ förmigen Substraten vorteilhaft, die mit geeigneter Ge­ schwindigkeit durch das Zentrum, d. h. innerhalb der zentrischen Bohrung (3), hindurchbewegt werden. Die Be­ schichtung erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel mit extrem hoher Geschwindigkeit, da kaum Streubeschichtungen an übrigen Einrichtungsteilen auftreten.

Claims (11)

1. Einrichtung zum Hochgeschwindigkeitsgasfluß-Aufstäuben mit einer Hohlkatode, die aus zwei axial auf Abstand zueinander angeordneten Katodenplatten gebildet wird, welche zentrische Bohrungen aufweisen, und einer Anode sowie einer Gaseinlaßvorrichtung für Inertgas, die beide gemeinsam entweder in der Achse der zentrischen Bohrungen in den Katodenplatten angeordnet sind, derart daß der Gas- und Materialpartikelstrom allseitig radial nach außen gerichtet ist, wobei sich die Substrate koaxial außerhalb der Hohlkatode befinden, oder daß die Anode und die Gaseinlaßvorrichtung gemeinsam koaxial am äußeren Rand der Hohlkatode angeordnet sind, derart daß der Gas- und Materialpartikelstrom allseitig radial nach innen gerichtet ist, wobei sich die Substrate innerhalb der zentrischen Bohrungen in den Katodenplatten befinden.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Achse der zentrischen Bohrungen in den Katoden­ platten eine Vielzahl gleicher oder geometrisch unter­ schiedlicher Hohlkatoden aneinandergereiht sind und die Substrate sich zur jeweiligen Gesamtanordnung koaxial außerhalb der Vielzahl der Hohlkatoden befinden bzw. axial innerhalb der zentrischen Bohrungen befinden.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaseinlaßvorrichtung jeweils zugeordnet zu den ein­ zelnen Hohlkatoden eine Vielzahl von radialen Bohrungen oder Ringspalte aufweist.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Anode jeweils Einzelanoden zentrisch bzw. koaxial den einzelnen Hohlkatoden zugeordnet sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne oder mehrere Einzelanoden separaten Stromquellen zugeordnet sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Oberflächen der Katodenplatten, die der Hohlkatode zugewandt sind, Aussparungen zur Bildung von sekundären Hohlkatoden wie Bohrungen, Gräben oder spiral­ förmigen Nuten aufweisen.

7. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Katodenplatten an einen Kühlkreislauf ange­ schlossen sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die zwei Katodenplatten, die zu einer Hohlkatode gehören, aus zwei unterschiedlichen Materialien, vorzugs­ weise aus Kombinationen der Metalle Titan, Zirconium, Chrom, Aluminium, Vanadium und Hafnium oder Silizium, Kohlenstoff und Bor bestehen.

9. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Katodenplatten, welche verschiedene Hohlkatoden bil­ den, unterschiedliche Geometrien, insbesondere einen unterschiedlichen Außen- und Bohrungsdurchmesser, auf­ weisen.

10. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Einrichtung, ausgenommen im Bereich der Aus­ trittsöffnung des Gas- und Materialpartikelstromes mit einer elektrischen Abschirmung (13) umschlossen ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß außerhalb der Austrittsöffnung des Gas- und Materialpartikelstromes eine Reaktivgaszuführung vorhan­ den ist.