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DE19651811B4 - Vorrichtung zum Belegen eines Substrats mit dünnen Schichten - Google Patents

Vorrichtung zum Belegen eines Substrats mit dünnen Schichten Download PDF

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DE19651811B4
DE19651811B4 DE19651811A DE19651811A DE19651811B4 DE 19651811 B4 DE19651811 B4 DE 19651811B4 DE 19651811 A DE19651811 A DE 19651811A DE 19651811 A DE19651811 A DE 19651811A DE 19651811 B4 DE19651811 B4 DE 19651811B4
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bridge
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conductor
sputtering
process chamber
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Joachim Dr. Szczyrbowski
Götz Teschner
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Oerlikon Deutschland Holding GmbH
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Unaxis Deutschland Holding GmbH
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Abstract

Vorrichtung zum Belegen eines Substrats (24) mit dünnen Schichten mittels Kathodenzerstäubung von Targets (12, 13), zwischen denen eine Spannung angelegt wird, um ein Gasentladungsplasma aufrechtzuerhalten, um die zur Kathodenzerstäubung erforderlichen Ionen zu erzeugen, wozu die Prozesskammer (6) ein unter einem bestimmten Partialdruck stehendes Gas enthält und die Targets (12, 13) mit einer ersten Stromquelle (3) verbunden und so geschaltet sind, dass sie wechselweise Kathode und Anode der Gasentladung bilden, dadurch gekennzeichnet, dass das Umpolen der Stromrichtung über eine aus vier Schaltern (16 bis 19) gebildete H-Brücke (4) erfolgt, deren Diagonalpunkte mit jeweils einer Magnetronkathode (9 bzw. 10), die je ein Target (12 bzw. 13) trägt, verbunden sind, wobei von dem die Brücke (4) mit der ersten Stromquelle (3) verbindenden ersten Leiter (14) eine Leitung (21) abzweigt, die mit dem Pluspol einer zweiten Stromquelle (5) oder eines Ladungsspeichers (29) verbunden ist, deren Minuspol über einen fünften Schalter (20) mit der Prozesskammer...

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Belegen eines Substrats mit dünnen Schichten von Targets, zwischen denen ein Gasentladungsplasma aufrechterhalten wird, um die zum Beschuss der an Wechselspannung anliegenden Targets erforderlichen Ionen zu erzeugen, wozu die Prozesskammer ein unter einem bestimmten Partialdruck stehendes Gas enthält und die Targets mit einer Stromquelle verbunden und so geschaltet sind, dass sie wechselweise Kathode und Anode der Gasentladung bilden.
  • Es ist eine Vorrichtung zum reaktiven Beschichten eines Substrats bekannt ( DE 41 36 655 A1 ; Zusatz zu DE 40 42 289 A1 ), bei der eine elektrisch von der Vakuumkammer getrennte, als Magnetronkathode ausgebildete, aus zwei elektrisch voneinander getrennten Teilen bestehende Kathode, bei der der Targetgrundkörper mit Joch und Magneten als der eine Teil unter Zwischenschaltung einer Kapazität – an den negativen Pol einer Gleichstrom-Spannungsversorgung und das Target als der andere Teil über eine Leitung und unter Zwischenschaltung einer Drossel und einem dieser parallel liegenden Widerstand an die Stromversorgung angeschlossen ist, wobei das Target über eine weitere Kapazität mit dem Pluspol der Stromversorgung und mit der Anode verbunden ist, die ihrerseits – unter Zwischenschaltung eines Widerstandes – auf Masse liegt, wobei in Reihe zur induktionsarmen Kapazität eine Induktivität die Zweigleitung zum Widerstand und zur Drossel eingeschaltet ist und der Wert für den Widerstand typischerweise zwischen 2 Ω und 10 Ω liegt.
  • Diese ältere Vorrichtung ist so ausgebildet, dass sie die überwiegende Zahl der während eines Beschichtungsprozesses auftretenden Arcs unterdrückt, die Energie der Arcs absenkt und die Wiederzündung des Plasmas nach einem Arc verbessert.
  • Weitere Vorrichtungen und Verfahren zum reaktiven Beschichten von Substraten sind aus DE 40 42 287 A1 , DE 42 37 517 A1 und DE 195 06 515 C1 bekannt.
  • In einer weiteren Patentanmeldung ( DE 41 27 504 A1 ) wurde auch bereits eine Schaltungsanordnung zum Löschen von Lichtbögen in Plasmavorrichtungen geschaffen, um auch beim Sputtern von schwierigen Materialien, z.B. von SiO2, hohe Beschichtungsraten zu ermöglichen. Es wird dabei der Augenblickswert der Spannung der Plasmastrecke mit einem Spannungswert verglichen, der einer über eine vorgegebene Zeit ermittelten mittleren Plasmaspannung entspricht, wobei dann, wenn die Differenz zwischen dem Augenblickswert der Plasmaspannung einen vorgegebenen Wert übersteigt, die Plasmastrecke von der Spannungsquelle getrennt wird.
  • Beim reaktiven Sputtern von Metalloxiden bzw. Metallnitriden kann die Entstehung von mehr oder weniger gut isolierenden Schichten auf der Targetoberfläche nicht vermieden werden. Solche Isolierschichten auf dem Target stehen in Plasmakontakt und laden sich deshalb elektrisch auf. Aufgrund der hohen elektrischen Feldstärke in diesen dünnen Schichten kann es zu elektrischen Durchbrüchen kommen. Auf diese Weise wird ein Arc initialisiert. Die Folgen sind eine punktuelle Zerstörung des Targets und damit Schichtdefekte auf dem Substrat.
  • Beim Mittelfrequenzsputtern (wie es beispielsweise in der DE 41 38 793 A1 und DE 41 38 794 A1 beschrieben ist) hat sich gezeigt, dass spontane Arcs mit geringerer Häufigkeit auftreten als beim normalen DC-Sputtern. Die Besonderheit des bekannten Verfahrens ist, daß die Kathoden im Takt der Mittelfrequenz periodisch umgeladen werden.
  • Bekannt ist auch eine Vorrichtung zum beschichten eines Substrats, insbesondere mit elektrisch nicht-leitenden Schichten ( DE 42 02 425 A1 von einem elektrisch leitfähigen Target in reaktiver (z.B. oxydierender Atmosphäre), bestehend aus einer Gleichstromquelle, die mit einer in einer evakuierbaren Beschichtungskammer angeordneten, einen. Magneten einschließenden Kathode verbunden ist, die elektrisch mit dem Target zusammenwirkt, die zerstäubt wird und deren abgestäubte Teilchen sich auf dem Substrat niederschlagen, wobei eine elektrisch von der Sputterkammer getrennte Anode angeordnet ist und eine DC-Magnetronkathode, die an eine DC-Stromquelle angeschlossen ist, mit Hilfe einer angepassten zusätzlichen Schaltung periodisch für kurze Zeitspannen auf ein positives Potential bringbar ist, wobei die Frequenz dieses periodischen Umpolens – abhängig von der abzuscheidenden Schicht – einstellbar ist.
  • Ein Verfahren und eine Schaltung zur bipolaren Energieeinspeisung in Niederdruckplasmen zeigt die DE 44 38 463 C1 auf.
    •
  • Ausgehend von den Erfahrungen mit Vorrichtungen zum Mittelfrequenzsputtern von dünnen Schichten liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung des in Frage stehenden Typs so zu verbessern, dass bei der Beschichtung von sehr großflächigen Substraten ein starkes und gleichmäßiges Ionenbombardement ohne den Einsatz kostspieliger Stromversorgungen erreicht wird, wobei das Ionenbombardement selbst kontrollierbar erfolgen soll.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gelöst, bei der das Umpolen der Stromrichtung über eine aus vier Schaltern gebildete H-Brücke erfolgt, deren Diagonalpunkte mit jeweils einer Magnetronkathode, die je ein Target trägt, verbunden sind, wobei von dem die Brücke mit der ersten Stromquelle verbindenden ersten Leiter eine Leitung abzweigt, die mit dem Pluspol einer zweiten Stromquelle oder eines Ladungsspeichers verbunden ist, deren Minuspol über einen fünften Schalter mit der Prozesskammer verbunden ist, und ein zweiter Leiter die erste Stromquelle mit einer Drossel verbindet und die Drossel mit der Brücke verbunden ist und alle Schalter von einer Steuerschaltung in einem regelmäßigen und einstellbaren Modus betätigt werden.
  • Bei einer alternativen Ausführungsform erfolgt das Umpolen der Stromrichtung über eine aus vier Schaltern gebildeten H-Brücke, deren Diagonalpunkte mit jeweils einer Magnetronkathode, die je ein Target trägt, verbunden sind, wobei von dem die Brücke mit der ersten Stromquelle verbindenden ersten Leiter eine Leitung abzweigt, die mit dem Pluspol einer zweiten Stromquelle oder eines Ladungsspeichers verbunden ist, deren Minuspol über einen fünften Schalter mit der Prozesskammer verbunden ist, und ein zweiter Leiter die erste Stromquelle mit der Brücke verbindet, wobei ein zweiter Ladungsspeicher mit der ersten und zweiten Leitung verbunden ist und alle Schalter von einer Steuerschaltung in einem regelmäßigen und einstellbaren Modus betätigt werden.
  • Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung sind in den Patentansprüchen näher dargestellt und gekennzeichnet.
    •
  • Die Erfindung lässt die verschiedensten Ausführungsmöglichkeiten zu; vier davon sind in den anhängenden Zeichnungen rein schematisch näher dargestellt, und zwar zeigen-
  • 1 das stark vereinfachte Blockschaltbild einer Vorrichtung der in Frage stehenden Art,
  • 2 das Strombild verschiedener Schaltphasen der Schaltung nach 1,
  • 3–5 das elektrische Schaltschema mit einer ersten Stromquelle verbundenen, den beiden Elektroden vorgeschalteten H-Brücke, einer zweiten Stromquelle und einer Drossel im Neutralleiter der Brücke,
  • 6–8 eine Schaltung ähnlich derjenigen nach den 3 bis 5, jedoch mit einer zwischen Stromleiter und Minuspol geschalteten Kapazität,
  • 9–11 eine Schaltung ähnlich derjenigen nach den 6 bis 8, jedoch mit einer zweiten Stromquelle in Gestalt eines Kondensators und
  • 12 eine Schaltung ähnlich derjenigen gemäß den 3 bis 5 mit einer zweiten als Kondensator ausgebildeten Stromquelle.
  • Die in 1 dargestellte Prinzipschaltung besteht aus einer ersten Stromquelle 3 einer Vakuumkammer 6 mit den darin angeordneten Elektroden 9, 10 mit Targets 12, 13 und dem Substrat 24, einer Schalteranordnung 4 und einer zweiten Stromquelle 5. Der an die Elektrode 9 angeschlossene Stromleiter ist über die Schalteranordnung 4 und die Leitung 21 mit der zweiten Stromquelle 5 und über den Schalter 20 mit der Erde verbunden, wenn die Schalteranordnung 4 in der Phase II (siehe 2) die Stromquelle 3 kurzschließt. In der Phase III sind die Elektroden 9 und 10 mit der Stromquelle 3 verbunden.
  • Die Schaltung gemäß den 3 bis 5 besteht aus dem Stromquelle 3, der mit diesem elektrisch verbundenen Brückenschaltung 4, dem zweiten 5, der Vakuumkammer 6 mit Vakuumpumpe 7, dem Gaseinlassventil 8, den beiden Elektroden 9, 10 mit zugehörigen Targets 12, 13, der Drossel 11, dem Erdleiter 15 und den Schaltern 16 bis 20. Die IGBT-Schalter 16 bis 20 werden während des Sputtervorgangs von einer nicht näher dargestellten Steuerschaltung nach einem regelmäßigen und einstellbaren Modus in der in den Zeichnungen (3 bis 5) dargestellten drei Phasen betätigt, so dass die Targets 12, 13 wechselweise Kathode und Anode der Gasentladung bilden.
  • Wie 3 zeigt, fließt der Strom vom Generator 3 über den Leiter 14 und den Schalter 19 zur Elektrode 10 mit Target 13, während die zweite Stromquelle 5 von den Elektroden 12, 13 abgekoppelt ist, da der in die Zweigleitung 21 eingefügte Schalter 20 und auch der Schalter 18 der H-Brücke 4 geöffnet sind. Der Strom wird in dieser Zeit durch die Drossel 11 in der Stromversorgung begrenzt.
  • In 4 ist die nächste Phase des Sputtervorgangs dargestellt, in der alle Schalter 16 bis 19 der H-Brücke und auch der Schalter 20 kurzgeschlossen sind. Diese Pausenzeit für die Entladung wird ausgenutzt, um die beiden Elektroden 9, 10 durch den Schalter 20 an eine externe Stromquelle 5 anzuschließen. Die Zeitdauer für die Pause und damit die Beschleunigungszeit für die Ionen ist so gewählt, dass die Mehrzahl der Ionen die Strecke von den Elektroden 9, 10 zum Substrat 24 zurückgelegt hat. Da auch die Zeitdauer durch die Ansteuerung der Schalter einstellbar ist, können sowohl die Energie durch die externe Stromquelle 5 als auch die Anzahl der. Ionen durch die Zeitdauer gewählt werden.
  • Die gleiche Schaltung ist auch für einen Spannungspulser realisierbar, wie er in den 6 bis 8 dargestellt ist, wobei sich die zugehörige Schaltung von derjenigen nach den 1 bis 3 dadurch unterscheidet, daß die beiden Stromleiter 14, 23 über eine Leitung 25 mit einer in diese eingeschalteten Kapazität 26 verbunden sind. Darüber hinaus fehlt die den Strom bei der Ausführung nach den 1 bis 3 begrenzende Drossel 11.
  • Die 9 bis 11 zeigen eine weitere Variante, bei der das externe Netzteil 5 durch einen Kondensator 29 ersetzt ist. Während der Sputterzeit wird der Kondensator 29 aufgeladen und in der Pausenzeit wird die im Kondensator 29 gespeicherte Energie benutzt, die Ionen zum Substrat 24 zu beschleunigen. Diese Variante Schränkt die Freiheit in der Beschleunigungsspannung ein, aber für einige Anwendungen besteht so die Möglichkeit für einen kostengünstigeren Aufbau.
  • 12 zeigt die vereinfachte Schaltung mit dem Kondensator 29 in der Strompulser-Version.
  • Bekannte Lösungen benutzen, zur Verstärkung des Ionenbombardements entweder separate Ionenquellen, z.B. die APS, oder beim Sputtern eine Biasspannung. Während separate Ionenquellen den Hauptnachteil in der Ionenverteilung haben, d.h. nicht auf große Flächen selektierbar sind, besteht beim Einbringen einer Biasspannung besonders bei großen Glasflächen das Problem, großflächige Hochfrequenzelektroden und entsprechende Leistungen zu installieren. Die genannten Probleme haben verursacht, dass bisher bei der Großflächenbeschichtung keine Ionenunterstützung eingesetzt wurde. Bei der herkömmlichen Mittelfrequenzentladung in der Doppel-Magnetron-Anordnung stellt sich durch die Entladungsparameter eine natürliche Beschleunigungsspannung ein, die nur in engen Grenzen in Abhängigkeit von den anderen Parametern variiert werden kann. Der Variationsbereich ist für viele Anwendungen nicht ausreichend, wo eine drastische Strukturveränderung benötigt wird.
  • Die erfindungsgemäße Lösung hat demgegenüber den Vorteil, dass die Beschleuni gungsspannung unabhängig von anderen Prozessparametern gewählt werden kann, wodurch bestimmte Schichten überhaupt erst großflächig herstellbar werden.
    • 3
    Generator, erste Stromquelle
    4
    Brückenschaltung
    5
    Generator, zweite Stromquelle,
    externes Netzteil
    6
    Vakuumkammer, Prozeßkammer
    7
    Vakuumpumpe
    8
    Gaseinlaßventil
    9
    Elektrode
    10
    Elektrode
    11
    Drossel
    12
    Target
    13
    Target
    14
    Stromleiter
    15
    Erdleiter
    16
    Schalter
    17
    Schalter
    18
    Schalter
    19
    Schalter
    20
    Schalter
    21
    Zweigleitung
    22
    Kondensator
    23
    Stromleiter
    24
    Substrat
    25
    Zweigleitung
    26
    Ladungsspeicher, Kondensator
    27
    Zweigleitung
    28
    Schalter
    29
    Kondensator, Ladungsspeicher
    30
    Schalter
    31
    Zweigleitung

Claims (4)

  1. Vorrichtung zum Belegen eines Substrats (24) mit dünnen Schichten mittels Kathodenzerstäubung von Targets (12, 13), zwischen denen eine Spannung angelegt wird, um ein Gasentladungsplasma aufrechtzuerhalten, um die zur Kathodenzerstäubung erforderlichen Ionen zu erzeugen, wozu die Prozesskammer (6) ein unter einem bestimmten Partialdruck stehendes Gas enthält und die Targets (12, 13) mit einer ersten Stromquelle (3) verbunden und so geschaltet sind, dass sie wechselweise Kathode und Anode der Gasentladung bilden, dadurch gekennzeichnet, dass das Umpolen der Stromrichtung über eine aus vier Schaltern (16 bis 19) gebildete H-Brücke (4) erfolgt, deren Diagonalpunkte mit jeweils einer Magnetronkathode (9 bzw. 10), die je ein Target (12 bzw. 13) trägt, verbunden sind, wobei von dem die Brücke (4) mit der ersten Stromquelle (3) verbindenden ersten Leiter (14) eine Leitung (21) abzweigt, die mit dem Pluspol einer zweiten Stromquelle (5) oder eines Ladungsspeichers (29) verbunden ist, deren Minuspol über einen fünften Schalter (20) mit der Prozesskammer (6) verbunden ist, und ein zweiter Leiter (23) die erste Stromquelle (3) mit einer Drossel (11) verbindet und die Drossel (11) mit der Brücke (4) verbunden ist und alle Schalter (16 bis 19, 20, 28) von einer Steuerschaltung in einem regelmäßigen und einstellbaren Modus betätigt werden.
  2. Vorrichtung zum Belegen eines Substrats (24) mit dünnen Schichten mittels Kathodenzerstäubung von Targets (12, 13), zwischen denen eine Spannung angelegt wird, um ein Gasentladungsplasma aufrechtzuerhalten, um die zur Kathodenzerstäubung erforderlichen Ionen zu erzeugen, wozu die Prozesskammer (6) ein unter einem bestimmten Partialdruck stehendes Gas enthält und die Targets (12, 13) mit einer ersten Stromquelle (3) verbunden und so geschaltet sind, dass sie wechselweise Kathode und Anode der Gasentladung bilden, dadurch gekennzeichnet, dass das Umpolen der Stromrichtung über eine aus vier Schaltern (16 bis 19) gebildete H-Brücke (4) erfolgt, deren Diagonalpunkte mit jeweils einer Magnetronkathode (9 bzw. 10), die je ein Target (12 bzw. 13) trägt, verbunden sind, wobei von dem die Brücke (4) mit der ersten Stromquelle (3) verbindenden ersten Leiter (14) eine Leitung (21) abzweigt, die mit dem Pluspol einer zweiten Stromquelle (5) oder eines Ladungsspeichers (29) verbunden ist, deren Minuspol über einen fünften Schalter (20) mit der Prozesskammer (6) verbunden ist, und ein zweiter Leiter (23), der den Plus-Pol der ersten Stromquelle (3) mit der H-Brücke (4) verbindet, an einen Kondensator (26) gekoppelt ist, dessen anderer Pol an den ersten Leiter (14) angeschlossen ist und alle Schalter (16 bis 19, 20) von einer Steuerschaltung in einem regelmäßigen und einstellbaren Modus betätigt werden.
  3. Vorrichtung zum Belegen eines Substrats (24) mit dünnen Schichten mittels Kathodenzerstäubung von Targets (12, 13), zwischen denen eine Spannung angelegt wird, um ein Gasentladungsplasma aufrechtzuerhalten, um die zur Kathodenzerstäubung erforderlichen Ionen zu erzeugen, wozu die Prozesskammer (6) ein unter einem bestimmten Partialdruck stehendes Gas enthält und die Targets (12, 13) mit einer ersten Stromquelle (3) verbunden und so geschaltet sind, dass sie wechselweise Kathode und Anode der Gasentladung bilden, dadurch gekennzeichnet, dass das Umpolen der Stromrichtung über eine aus vier Schaltern (16 bis 19) gebildete H-Brücke (4) erfolgt, deren Diagonalpunkte mit jeweils einer Magnetronkathode (9 bzw. 10), die je ein Target (12 bzw. 13) trägt, verbunden sind, wobei von dem die Brücke (4) mit der ersten Stromquelle (3) verbindenden ersten Leiter (14) eine Leitung (21) abzweigt, die mit dem Pluspol eines Ladungsspeichers (29) verbunden ist, dessen Minuspol über einen fünften Schalter (20) mit der Prozesskammer (6) verbunden ist, und ein zweiter Leiter (23) die erste Stromquelle (3) mit der Brücke (4) verbindet, wobei ein zweiter Ladungsspeicher (26) mit der zweiten Leitung (23) und der ersten Leitung (14) verbunden ist, und wobei die die Brücke (4) mit dem Minus- Pol der ersten Stromquelle (3) verbindende zweite Leitung (23) über eine Zweigleitung (27) mit Schalter (30) an den Leiter (15) zur Prozesskammer (6) angeschlossen ist und alle Schalter (16 bis 19, 20, 28, 30) von einer Steuerschaltung in einem regelmäßigen und einstellbaren Modus betätigt werden.
  4. Vorrichtung zum Belegen eines Substrats (24) mit dünnen Schichten mittels Kathodenzerstäubung von Targets (12, 13), zwischen denen eine Spannung angelegt wird, um ein Gasentladungsplasma aufrechtzuerhalten, um die zur Kathodenzerstäubung erforderlichen Ionen zu erzeugen, wozu die Prozesskammer (6) ein unter einem bestimmten Partialdruck stehendes Gas enthält und die Targets (12, 13) mit einer ersten Stromquelle (3) verbunden und so geschaltet sind, dass sie wechselweise Kathode und Anode der Gasentladung bilden, dadurch gekennzeichnet, dass das Umpolen der Stromrichtung über eine aus vier Schaltern (16 bis 19) gebildete H-Brücke (4) erfolgt, deren Diagonalpunkte mit jeweils einer Magnetronkathode (9 bzw. 10), die je ein Target (12 bzw. 13) trägt, verbunden sind, wobei von dem die Brücke (49) mit der ersten Stromquelle (3) verbindenden ersten Leiter (14) eine Leitung (21) abzweigt, die mit dem Pluspol einer zweiten Stromquelle (5) oder eines Ladungsspeichers (29) verbunden ist, deren Minuspol über einen fünften Schalter (20) mit der Prozesskammer (6) verbunden ist, und ein zweiter Leiter (23) die erste Stromquelle (3) mit einer Drossel (11) verbindet und die Drossel (11) mit der Brücke (4) verbunden ist, wobei an der Verbindung zwischen der Drossel (11) und der Brücke (4) ein sechster Schalter (28) angeschlossen ist, der mit dem Minuspol des Ladungsspeichers (29) an der Anschlussstelle des fünften Schalters (20) verbunden ist, und alle Schalter (16 bis 19, 20, 28) von einer Steuerschaltung in einem regelmäßigen Modus betätigt werden.
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