DE1515309A1 - Verfahren zum Herstellen gleichfoermiger duenner Schichten hoher Guete aus dielektrischem Material durch Kathodenzerstaeubung und Vorrichtung zur Durchfuehrung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zum Herstellen gleichfoermiger duenner Schichten hoher Guete aus dielektrischem Material durch Kathodenzerstaeubung und Vorrichtung zur Durchfuehrung des VerfahrensInfo
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Description
703 BUBLINGEN SINDELFiNGER STRA88E 49
Böblingen, 12. Dezember 1966 si-sto
Anmelder: International Business Machines
Corporation, Armonk, N. Y110504
Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung
Aktenz. der Anmelderin : Docket 14 123
Verfahren zum Herstellen gleichförmiger dünner Schichten hoher Güte
aus dielektrischem Material durch Kathodenzerstäubung und Vorrichtung ,
zur Durchführung des Verfahrens.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes Verfahren zum
Herstellen gleichförmiger dünner Schichten hoher Güte aus dielektrischem Material durch Kathodenzerstäubung und Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens.
Die bisher bekannt gewordenen Zerstäubungssysteme für dielektrische
Materialien weisen eine Reihe von Nachteilen auf. Zunächst ist es schwierig die Hochfrequenzenergiequelle mit der Gasentladungsstrecke des Zerstäubungssystems
als Last in richtiger Weise abzuschließen. Mit anderen Worten, es bestehen Schwierigkeiten, das Stehwellenverhältnis auf einen genügend
geringen Wert herunterzubringen und man beobachtet infolgedessen kleine Funkenüberschläge an den geerdeten Teilen des Vakuumsystems , Von größerer
Bedeutung ist die Tatsache, daß mit Hilfe der bekannten Verfahren hergestellte
Niederschläge im allgemeinen rauh ausfallen und Defekte aufweisen, wobei die
Schichten j π eist ungleichmäßig und mit Löchern durchsetzt sind.
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Diese Mangel machen die mit den bisher bekannten Verfahren
erzeugten Niederschläge als Isolierschichten ungeeignet, es ist z. B. nicht möglich, isolierende Glasschichten mittels
der genannten Verfahren bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen einwandfrei niederzuschlagen. Der vorliegenden
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, welches es erlaubt, unter Benutzung von mit hochfrequenter
Energie betriebener Kathodenzerstäubungssysteme isolierende Materialien wie Gläser usw. niederzuschlagen,
ohne daß hierbei die oben genannten Mängel bisher bekannter Verfahren auftreten. Vielmehr sollen sich glatte, defektfreie isolierende Schichten hoher Qualität mit gleichförmiger
Struktur ergeben.
Das die oben genannte Aufgabe lösende Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die die Kathodenzerstäubung bewirkende
Gasentladung mit Hochfrequenzenergie betrieben wird und daß die Ankopplung der Hochfrequenzenergiequelle an die Gasentladungsstrecke
mittels eines Kondensators erfolgt.
Im folgenden sei das Verfahren anhand eines speziellen Ausführungsbeispieles
in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. In diesen bedeuten:
Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch ein Zerstäu
bungssystem nach der vorliegenden Erfindung in schematischer Darstellung und
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Pig. 2 eine Schaltung eines Hochfrequenzgene
rators, wie er in Verbindung mit dem Zerstäubungssystem der Fig. 1 angewendet
werden kann.
Die Fig. 1 zeigt eine typische Version eines Zerstäubungsapparates, der entsprechend den Prinzipien der vorliegenden
Erfindung aufgebaut ist und im wesentlichen aus einer Gasentladungskammer besteht, die durch eine Rezipientenglocke
10 abgeschlossen ist. Diese besteht aus einem geeignetem Material, beispielsweise aus Pyrexglas und ist abnehmbar auf
die Grundplatte 12 aufgesetzt. Ein Dichtungsring 11, welcher zwischen der Grundplatte und der Rezipientenglocke 10 eingefügt
ist, sorgt für einen vakuumdichten Abschluß. Ein geeignetes Gas, beispielsweise Argon wird in die Vakuumkammer eingeführt
und mittels der Vakuumpumpe 15 ein gewünschter Gesamtdruck
erzeugt. Innderhalb des Vakuumbehälters ist eine
Elektrodenstruktur angebracht, welche insgesamt mit dem Bezugszeichen 16 bezeichnet ist, ferner befindet sich dort eine
Befestigungsvorrichtung mit der Bezugsziffer 18 für das Substrat.
Wir wenden uns nun dem detaillierten Aufbau der Elektrodenanordnung
16 zu. Diese besitzt einen Target 21 aus dielektrischem Material, welches zerstäubt werden soll und das unmittelbar
auf einer Metallelektrode 22 angebracht ist. Die
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Elektrode 22 ist von der hohlen Trägersäule 24 elektrisch isoliert, die ihrerseits am unteren Ende umgebördelt und
auf der Grundplatte 12 angeschraubt ist. Die Säule 24· besteht aus elektrisch leitendem Material und steht daher
über ihre gesamte Ausdehnung hinweg in unmittelbarem elektrischen Kontakt mit der Grundplatte 12, die ihrerseits,
wie aus den Zeichnungen hervorgeht, auf Erdpotential ljegt.
Auf dem oberen, etwas verbreiterten Ende derjzylindrischen Säule 24 befindet sich eine metallische Abschirmung 26,
welche die Elektrode 22 von der unteren Seite her umhüllt und so die Elektrode vor unerwünschten Zerstäubungen nach
unten hin schützt.
Die Durchführung 25 isoliert die Abschirmplatte 26 sowie
die Säule 24 elektrisch von der Elektrode 22. Der Leiter führt in isolierter Weise durch die Grundplatte 12 und ist
leitend mit der Elektrode 22 verbunden. Die Elektrodenanordnung kann auch mit einer Kühlvorrichtung versehen werden,
die in der Zeichnung nicht gezeigt ist und mit der während des Betriebes die Temperatur beeinflußt werden kann. Die
Haltevorrichtung 18 für das Substrat umfaßt die Halterungsplatte 29, auf welcher das Substrat 50 irgendwie befestigt
ist. Die Platte 29 ist an der Unterseite der Platte 51 befestigt,
die ihrerseits wieder durch die Abstandsstäbe 52 getragen wird. Diese sind mit der Grundplatte 12 verschraubt,
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so daß eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Platte 29 und der Grundplatte 12 besteht.
Wenn das zu bestäubende Substrat aus einem Material besteht, welches durch eine erhöhte Temperatur beschädigt wird, kann
eine Kühlvorrichtung während des Kathodenzerstäubungsvorganges benutzt werden. Zum Beispiel kann man eine Kühlschlange
35 so anbringen, daß ein Wärmeaustausch mit der Metallplatte 31 stattfindet. Hierzu läßt man eine Kühlflüssigkeit
durch die Kühlschlange 35 über die Eingangs- und Ausgangszuführungen 36 und 37 zirkulieren.
Beim speziellen Ausführungsbeispiel erwies es sich als vorteilhaft,
die Gasentladung in einem magnetischen Feld zu betreiben. Dieses kann dadurch geschehen, daß man einen Satz
von toroidförmigen Permanentmagneten 90 oberhalb der Platte 31 anordnet, wodurch ein stationäres magnetisches Feld entlang
der vertikalen Symmetrieachse der Gesamtanordnung erzeugt
wird. Hierbei ist die Richtung des magnetischen Feldes unwesentlich.Die Elektrode 22 und der Leiter 27 sind über die
Zuführungsleitung 50 mit der Ausgangsklemme einer Energie quelle für Hochfrequenz 20 verbunden. In Serienschaltung
zwischen der Elektrode 22 und der Ausgangsklemme der Hochfrequenzenergiequelle befindet sich ein Kondensator 60. Die
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Einfügung des Kondensators 60 in das Kathodenzerstäubungssystem
entspricht dem wesentlichen Erfindungsgedanken der vorliegenden Erfindung. Es wurde nämlich festgestellt, daß
bei Benutzung dieses Kondensators dielektrische Schichten besonders hoher Güte von der dielektrischen Quelle 21 zerstäubt
und auf das Substrat J>Q aufgebracht werden können.
Obwohl der genaue W-. rt dieses Kondensators nicht kritisch ist, hängt sein Wert doch etwas von dem speziell benutzten
System ab und es hat sich ergeben, daß Kapazitätswerte von 100 bis 20 000 pP besonders gute Erfolge zeigen.
Zur Energieversorgung des beschriebenen Kathodenzerstäubungssystems
kann eine bekannte Hochfrequenzenergiequelle 20 benutzt werden. Zum Beispiel kann diese Energiequelle, wie aus
Fig. 2 hervorgeht, aus einer bekannteriHochfrequenzenergiestufe
80 und einer Schaltung öl zur Anpassung an die zu betreibende Last bestehen. Der Ausgang der hochfrequenten Energiequelle
20 istjelektrisch mit dem Kondensator 60 und daher auch mit der Elektrode 22 verbunden.
Zur Inbetriebnahme wird die Ionisationskammer, die im wesentlichen
aus dem Rezipienten 10 und der Grundplatte 12 besteht, durch die Vakuumpumpe 15 evakuiert und ein ionisierbares Gas,
beispielsweise Argon, durch die Leitung 1} eingegeben und der
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erforderliche Druck in der Vakuumkammer eingestellt» Eine
Quelle dielektrischen Materials und das zu beschichtende Substrat wird in der Vakuumkammer angebracht, im wesentlichen
in der Weise wie es in der Pig. I dargestellt ist. Die Hochfrequenzenergiequelle wird dann eingeschaltet und
der Ausgang über den Kondensator 60 mit der Elektrode 22 verbunden, welche die dielektrische Materialquelle trägt.
Die genauen Daten für Druck, Temperatur, Eingangsenergie usw. sind nicht besonders kritisch und kennen variiert
werden, um so zu einer optimalen Schicht in Verbindung mit dem jeweils benutzten speziellen Aufstaubungssystem zu gelangen.
Wird ein magnetisches Feld benutzt, so reichen Feldstärken von etwa 100 Gauß aus.
Als Beispiel für eine Zerstäubung nach der Lehre der vorliegenden
Erfindung, bei dem glatte, defektfreie dünne Schichten mittels eines Systems nach den Figuren 1 und 2 erzielt
wurden, wurde geschmolzenes Quarz zerstäubt, wobei der Apparatur bzw. dem Versuch folgende Daten zugrunde lagen:
Druck: 5 χ 10"^ Torr
Gasfüllung: 100$ Argon
HF-Energie: 710 Watt
Frequenz: 15*56 MHz
Abstand
Substrat-Target: ca. 2,4 cm
Elektrodendurchmesser: ca. 12 cm
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Bestäubungszeit:
Schichtdicke:
30 Minuten 55,000 A°
Unter ähnlichen Bedingungen, jedoch unter Benutzung von einer HP-Energie von 740 Watt wurde ein Calciumaluminiumsilikatglas
(Corning I9I CB) 50 Minuten lang zerstäubt,
wobei eine glatte defektfreie Schicht mit einer Dicke von 26 000 8 erhalten wurde.
Zum Vergleich der Resultate bei der Kathodenzerstäubung der gleichen Glaszusammensetzung mit und ohne Ankopplungskondensator
wurden die folgenden Zerstäubungsversuche durchgeführt, wobei ein System benutzt wurde, welches im wesentlichen
der Fig. 1 und 2 entspricht. Bei der ersten Versuchsreihe wurde kein Kondensator benutzt und in der zweiten Versuchsreihe
ein solcher mit einer Kapazität von 250 pP.
Elektrodenspannung:
An die Last abgegebene Energie:
Reflektierte Energie:
An der Kathode verfügbare Energie:
Stehwellenverhältnis; Zerstäubungszeit:
Ohne Kondensator |
Mit Kondensator |
2500 v Spitze-Spitze |
2800 v Spitze-Spitze |
470 Watt | 295 Watt |
205 Watt | 5 Watt |
265 Watt | 290 Watt |
5.5 | 1.2 |
40 Min. | 120 Min. |
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Ohne Mit
Schichtdicke: 8,800 8 30,000 8
Niederschlagsrate: 220 8/Min. 250 8/Min.
Schichtqualität: schlecht, ausgezeichnet,
ungleichmäßig gleichförmig
mit Fehlern und ohne Fehler
Der genannte Vergleich zeigt, daß während der Zerstäubung von
dielektrischem Material mit im wesentlich gleichen Nieder schlagsraten
bessere Schichtgüten in einem System erreicht werden, in dem ein Koppelkondensator benutzt wird. Außerdem
ist die Durchführung der Zerstäubung ohne den genannten Kondensator auch deswegen verhältnismäßig ungünstig, weil eine
sehr viel höhere Eingangsenergie erfordert wird, um eine gleiche Energiemenge an die mit dan Target verbundene Elektrode heranzubringen.
Damit hängt auch die Tatsache zusammen, daß man bei Benutzung des Kondensators ein sehr viel geringeres Stehwellenverhältnis
erreichen kann.
Obwohl es für den Fachmann fast selbstverständlich ist, sei hier noch bemerkt, daß in der genannten Weise dünne Schichten
vieler anderer geeigneter dielektrischer Materialien erzeugt werden können entsprechend der Lehre der vorliegende^Erfindung
z. B. geschmolzenes Quarz, Borsilikatgläser, Calciumaluminiumsilikatgläser.
Docket 14 123
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Claims (1)
- Patentansprüche-ΙΟVerfahren zum Herstellen gleichförmiger dünner Schichten aus dielektrischem Material hoher Güte mittels Kathodenzerstäubung, dadurch gekennzeichnet, daß die die Kathodenzerstäubung bewirkende Gasentladung mit Hochfrequenzenergie betrieben wird und daß die Ankopplung der Hochfrequenzenergiequelle an die Gasentladungstrecke mittels eines Kondensators erfolgt.Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in zu den Elektrodenflächen der Gasentladungsstrecke normaler Richtung ein stationäres Magnetfeld aufrechterhalten wird.Docket 14 123Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Ankopplungskapazitat ein Kondensator mit einer Kapazität von 100 pF bis 20 000 pP gewählt wird.909831/1 τ 0 3
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