DE1765127B2

DE1765127B2 - Vorrichtung zum Dünnfilmaufsprühen mit hochfrequenzangeregter Glimmentladung

Info

Publication number: DE1765127B2
Application number: DE1765127A
Authority: DE
Inventors: Pieter Dirk Poughkeepsie N.Y. Davidse (V.St.A.)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1967-04-10
Filing date: 1968-04-06
Publication date: 1979-01-18
Also published as: US3471396A; FR1560694A; DE1765127A1; GB1149370A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aufsprü- ·»< > hen dünner Filme auf Werkstücke mittels Kathodenzerstäubung in einer hochfrequent angeregten Glimmentladung innerhalb eines abgeschlossenen Gehäuses, das in zwei aneinandergrenzende Kammern unterteilt ist, von denen die eine als Ionisationskammer das zu « beschichtende Werkstück und eine aus dem aufzusprühenden Material bestehende, als Elektrode geschaltete Auftreffplatte enthält.

Bei einer aus der DE-AS 11 22 801 bekannten Vorrichtung dieser Art ist die Ionisationskammer durch so eine Einschnürung in zwei Abteilungen unterteilt In der ersten Abteilung befindet sich die Anode und in der zweiten Abteilung befindet sich die als Auftreffplatte geschaltete Kathode und das zu beschichtende Werkstück. Mit Hilfe einer äußeren Hochfrequenzspule wird in der ersten Abteilung ein hochionisiertes Plasma erzeugt, wobei sich eine Ringentladung ausbilden soll, deren Ionen Atome aus der Auftreffplatte herausschlagen, die dann auf das Werkstück sprühen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der w eingangs genannten Art so auszugestalten, daß die Dünnfilme regelmäßig und in reproduzierbarer Stärke herstellbar sind. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die beiden Kammern nach außen und durch eine Zwischenwand gegeneinander elektrisch < "> abgeschirmt sind, daß die Auftreffplatte über eine gasdicht und elektrisch isoliert durch die Zwischenwand hindurchgeführte elektrische Anschlußleitung mit einem in der zweiten Kammer angeordneten Impedanzanpassungskreis verbunden ist, und daß der Impedanzanpassungskreis über eine geschirmte Leitung an den Ausgang eines Hochfrequenzgenerators angeschlossen ist

Dadurch ergeben sich eine Reihe von Vorteilen. Der in der beschriebenen Weise vorgesehene Impedanzanpassungskreis gestattet es, die zur Anregung der Glimmentladung erforderliche Hochfrequenzenergie in vorbestimmbarer Weise einzukoppeln. Dieser Impedanzanpassungskreis ist in der zweiten Kammer gegen äußere Einwirkungen abgeschirmt und durch die Unterbringung der beiden Kammern in einem gemeinsamen Gehäuse benötigt man auch keine längeren Übertragungsleitungen zwischen dem Impedanzanpassungskreis und er Auftreffplatte. Ein solches Verbindungskabel würde zwangsläufig zu Verlusten führen, die die Ausbeute beeinträchtigen, weil eine verlustfreie Anpassung an die Glimmentladung in der Praxis kaum möglich ist. Solche Verluste sind auch Ursache von Unregelmäßigkeiten, weil sich solche Verluste während des Betriebs nicht konstant halten lassen, wegen der sich ändernden elektrischen Eigenschaften der Entladungsstrecke, und inkonstante Betriebsbedingungen führen zwangsläufig zu Unregelmäßigkeiten im aufgetragenen Dünnfilm. Die praktische Anwendung hat gezeigt, daß die Ausbeute sich um etwa 20 Prozent steigern läßt, allein durch Vermeidung einer längeren Übertragungsleitung zwischen Impedanzanpassungskreis und Auf-

treffplatte, die erforderlich wäre, wenn die beiden Kammern in getrennten Gehäusen untergebracht wärea Eine solche längere Übertragungsleitung würde auch äußere Felder, zum Beispiel öffentliche Rundfunkübertragungen, stören und von äußeren Hochfrequenzquellen, zum Beispiel aus Rundfuakübertragungseinrichtungen. Störungen aufnehmen.

Die Leitung zum Anschluß der Auftreffplatte wird zweckmäßigerweise dadurch möglichst kurz ausgestaltet, daß die Auftreffplatte auf der der Zwischenwand zugekehrten Seite und das Substrat mit Abstand dazu an der gegenüberliegenden Seite in der Ionisationskammer angeordnet ist Vorteile ergeben sich auch, wenn in der Kammer für den impedanzanpassungskreis ein Kondensator untergebracht ist der zwischen die übrigen, einen Schwingkreis bildenden Teile des Impedanzanpassungskreises und der Anschlußleitung für die Auftreffplatte geschaltet ist Dieser Kondensator gehört dann zum Impedanzanpassungskreis als Anpassungsglied dazu und muß bei dessen Auslegung berücksichtigt werden. Er begünstigt es zudem, die Vorrichtung in Verbindung mit leitenden Auftreffmaterialien zu verwenden.

Bei einer zweckmäßigen Weiterbildung der beschriebenen Vorrichtung sind Mittel zur Erzeugung eines stationären Magnetfeldes in Richtung des Abstandes zwischen dem Substrat und der Auftreffplatte vorgesehen. Durch ein solches stationäres Magnetfeld kann, wie die Erfahrung zeigt, die Glimmentladung stabilisiert werden. Schwankungen in der Glimmentladung, die noch zu Ungleichmäßigkeiten in dem aufzusprühenden Film führen könnten, können auf diese Weise weitgehend unterdrückt werden. Deshalb ist es vorteilhaft, wenn das scheibenförmige Substrat planparallel zur scheibenförmig ausgebildeten Auftreffplatte auf einer Trägerplatte liegt, die mit Abstand zu der der Zwischenwand gegenüberliegenden Seite der Ionisationskammer angeordnet ist, wenn zwischen der Trägerplatte und der ihr zugeordneten Seite der Ionisationskammer torosförmige Permanentmagneten aufgestapelt sind und wenn das durch sie erregte stationäre Magnetfeld senkrecht zu der durch das Substrat beziehungsweise die Auftreffplatte definierten Ebene verläuft

Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert:

In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel und

F i g. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der beschriebenen Vorrichtung.

Die Vorrichtung gemäß F i g. 1 dient dazu, ein elektrisch leitendes Material zu zerstäuben bzw. aufzusprühen. Mit 10 ist ein Ziel aus Sorühmateria! bezeichnet, daß durch eine hochfrequenzangeregte Glimmentladung in der Ionisationskammer 11 versprüht werden soll, so daß sich auf dem Substrat 12, das auf dem Träger 13 liegt, ein Film aus Metall niederschlägt. Mit 14 ist eine Vakuumpumpe bezeichnet, mittels derer die Ionisationskammer 11 über einen Absaugstutzen evakuiert werden kann. Über einen Einlaßstutzen 16 wird bei Betrieb in die Ionisationskammer 11 ionisierbares Gas eingelassen, daß mittels der Vakuumpumpe 14 ständig unter einem bestimmten Betriebsunterdruck gehalten wird. Der Träger 13 ist über einen elektrisch leitenden Halter und den ebenfalls elektrisch leitenden Gehäuseboden 9 an Massenpotential angeschlossen. An das Ziel 10 ist ein in üblicher Weise ausgeführter Hochfrequenzgenerator 18 über einen Impedanzanpassungskreis 19 mit der verstellbaren Kapazität 20 angeschlossen.

Das Gehäuse 21 besteht aus leitendem Material, zum Beispiel Metall und ist an Massenpotential angeschlossen. In dem Gehäuse 21 ist sowohl der Impedanzanpassungskreis 19 als auch die Ionisationskammer 11 untergebracht und zwar vollständig nach außen abgeschlossen. Der geschlossene Innenraum des Gehäuses 21 ist durch eine leitende Zwischenwand 22 in zwei Kammern unterteilt, nämlich in die Ionisations-

It) kammer 11 und eine Kammer 23 für den Impedanzenanpassungskreis.

Der Ausgang des Hochfrequenzgenerators 18 ist über die Leitung 24 an den Impedanzanpassungskreis 19 angeschlossen, der seinerseits über die Kapazität 20 und einen als Durchführung ausgebildeten elektrischen Leiter 15 an das Ziel 10 angeschlossen ist Der Leiter 25 ist in einer Isolierdurchführung 26 durch die Zwischenwand 22 hindurchgeführt Die Isolierdurchführung 26 isoliert elektrisch den Leiter 25 gegenüber der Zwischenwand 22 und dichtet die Ionisationskammer 11 gegenüber der Kammer 23 vakuumdicht ab. Der Leiter 25 ist ein Metallstab, der auch das Ziel 10 haltert

Es sei hier darauf hingewiesen, daß die Leitung 24 verlustfreie Übertragung der Hochfrequenz gestattet, weil sie, wie übliche Übertragungsleitungen dieser Art, außen abgeschirmt ist und zum Beispiel als Koaxialleitung ausgebildet ist. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß es nicht möglich ist, bei bekannten Einrichtungen die Verbindung zwischen dem Impedanzenanpassungskreis und dem Ziel 10 durch Einsetzen einer solchen Koaxialleitung als Übertragungsglied verlustarm zu gestalten, denn eine solche Koaxialleitung hat eine charakteristische Impedanz und die Übertragung ist nur dann verlustarm, wenn der Eingangswiderstand der versorgten Stelle eine entsprechende Impedanz hat. Diese Verhältnisse lassen sich hier nicht herbeiführen, weil die betreffende Impedanz, bedingt durch die Glimmentladung und die beteiligten Elemente, bei Betrieb nicht konstant bleibt Mit einem Leiter

ίο entsprechend dem Leiter 24, läßt sich mithin die Hochfrequenzenergie weder verlustarm noch mit gleichbleibendem Verlust von dem Impedanzenanpassungskreis des Zieles 10 übertragen. Infolge der hier beschriebenen Ausgestaltung der Kammern 23 und 11 stellt sich jedoch im vorliegenden Fall ein entsprechendes Übertragungsproblem nicht.

Bei Betrieb wird die Ionisationskammer 11 über die Vakuumpumpe 14 laufend evakuiert und gleichzeitig ein ionisiertes Gas, zum Beispiel Argon, gedrosselt über den Einlaßstutzen 16 in die Ionisationskammer 11 eingeführt und dort mittels der Vakuumpumpe 14 unter einem Druck von beispielsweise 2 bis 25 χ 10~³ Torr gehalten. Die Gasfüllung der Ionisationskammer 11 kann aus Edelgas, zum Beispiel Argon, Neon usw. oder aus einem reaktionsfähigen Gas, zum Beispiel Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff usw. oder einer Mischung eines Edelgases und eines agierenden Gases bestehen.

Der Sprühweg soll möglichst klein sein, damit die versprühten Teilchen möglichst wenig von den Gasmolekülen abgelenkt werden. Das Ziel 10 kann aus irgend einem leitenden Material, zum Beispiel Aluminium, Molybdän, Gold, Platin, Kupfer oder Legierungen d'eser Metalle bestehen. Es kann aber auch aus Halbleitermaterialien, zum Beispiel Silizium und Ger-

'■> maniumbestehen.

Bei Betrieb gelangt Hochfrequenzenergie aus dem Hochfrequenzgenerator 18 über den Leiter 24 in den Impedanzenanpassungskreis 19, der so abgestimmt

wird, daß er die konstante Impedanz des Generators 18 einschließlich des Leiters 24 auf die sich ändernde Impedanz der Glimmentladung und der daran beteiligten Elemente anpaßt. Der Ausgang des Impedanzenanpassungskreis 19 ist an das Ziel 10 angeschlossen, wodurch in der Ionisationskammer 11 eine Glimmentladung angeregt wird, durch die leitendes Material in dem Ziel 10 versprüht wird, das sich dann als Überzug auf dem Substrat 12 niederschlägt.

Vorzugsweise liegt zwischen dem Impedanzenanpassungskreis 19 und dem Ziel 10 ein Kondensator 20. Durch diesen Kondensator wird es möglich, leitendes Elektrodenmaterial zu versprühen und im Falle eines Zieles 10 aus dielektrischem Material wird durch diesen Kondensator 20 die Qualität des aufgesprühten Filmes verbessert. Die Kapazität 2ö ist im dargestellten Ausführungsbeispiel einstellbar und bildet einen Teil des Impedanzenanpassungskreises 19. Man kann anstelle des einstellbaren Kondensators 20 auch einen festen Kondensator 20 verwenden und zur Einstellung des Impedanzenanpassungskreises den anderen Kondensator dieses Anpassungskreises verstellen, der zu diesem Zweck, wie dargestellt, verstellbar ausgebildet ist, oder aber die Induktivität des Impedanzenanpassungskreises 19 verstellbar ausgestalten, und dort die Einstellung vornehmen. Natürlich sind auch Kombinationen der angegebenen Möglichkeiten ausführbar. Der Kondensator 20 kann auch in Fortfall geraten, wobei die Induktivität des Impedanzanpassungskreis 19 direkt an den Leiter 25 angeschlossen ist. j<>

F i g. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der beschriebenen Vorrichtung. Nach Fig.2 ist mit 30 ein Hochfrequenzgenerator, mit 31 ein Leiter, mit 32 ein Impedanzenanpassungskreis, mit 33 ein verstellbarer Kondensator, mit 34 ein gemeinsames an Masse angeschlossenes Gehäuse aus leitendem Material, mit 35 eine Zwischenwand, mit 36 ein Einlaß und mit 37 eine Vakuumpumpe bezeichnet. Die genannten Teile haben die gleiche Funktion wie beim ersten Ausführungsbeispiel und sind auch entsprechend ausgestaltet. Die Vorrichtung gemäß F i g. 2 dient dazu, dielektrisches Material auf ein auf dem Träger 39 abgelegtes Substrat 38 zu sprühen. Das Ziel 40 besteht aus dielektrischem Material und ist an einer Elektrode 41 befestigt, die über den Leiter 42 am Ausgang des Impedanzenanpassungskreises 32 angeschlossen ist. Der Leiter 42 ist isoliert durch die Zwischenwand 35 hindurchgeführt. Mit 43 ist ein Schirm aus leitendem Material bezeichnet, der an der Zwischenwand 35 befestigt ist und die Elektrode 41 teilweise umgibt, um sicherzustellen, daß kein Elektrodenmaterial versprüht wird. Gelangt Hochfrequenzenergie an die Elektrode 41, so wird dadurch eine Gasentladung in der Ionisationskammer 61 angeregt, die ihrerseits dielektrisches Material aus dem Ziel 40 versprühen läßt, das sich dann als Überzug auf dem Substrat 38 niederschlägt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Stapel torosförmiger Permanentmagnete 44 vorgesehen, wodurch ein magnetisches Feld auf die Glimmentladung ausgeübt wird, das konstant ist und sich in Richtung des in F i g. 2 eingezeichneten Pfeiles senkrecht zur Oberfläche des Zieles 40 erstreckt. Das Vorzeichen der Feldrichtung ist beliebig. Durch ein solches magnetisches Feld wird die Glimmentladung stabilisiert und der Niederschlag auf dem Substrat 38 erfolgt mit größerer Ausbeute.

Die hier beschriebene Anwendung magnetischer Felder ist nicht auf Vorrichtungen zum Versprühen von dielektrischem Material beschränkt. Solche magnetischen Felder können auch beim Versprühen leitender Materialien eingesetzt werden, also auch in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 1 angewendet werden.

Als dielektrische Materialien, die mit Vorrichtungen der hier beschriebenen Art versprüht werden können, kommen beispielsweise in Frage: Silizium-Nitrid-Quarz, Borsilikat-Gläser, Calcium-Aluminiumsilikat-Gläser, hitzebeständige Metalloxyde, wie zum Beispiel Aluminiumoxyd und Mineralien, wie zum Beispiel MuIIiL

In Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig.2 wurde ein Silizium-Dioxydfilm unter folgenden Bedingungen aufgesprüht:

Hochfrequenz-Eingangsenergie

an der Elektrode

Frequenz

Druck

Atmosphäre

Durchmesser der Elektrode

Durchmesser des Ziels

Niederschlagsrate

Stärke des niedergeschlagenen

3000 Watt
13,57 Mhz
10 χ 10-²Torr
100% Argon

30 cm

31 cm

350 pro Minute

I5OOOA

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Aufsprühen dünner Filme auf Werkstücke mittels Kathodenzerstäubung in einer hochfrequent angeregten Glimmentladung innerhalb eines abgeschlossenen Gehäuses, das in zwei aneinandergrenzende Kammern unterteilt ist, von denen die eine als Ionisationskammer das zu beschichtende Werkstück und eine aus dem aufzusprühenden Material bestehende, als Elektrode geschaltete Auf treffplatte enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kammern (11, 61, 23) nach außen und durch eine Zwischenwand (22, 35) gegeneinander elektrisch abgeschirmt sind, daß die Auftreffplatte (10) über eine gasdicht und elektrisch isoliert durch die Zwischenwand (22, 35) hindurchgeführte elektrische Anschlußleitung (25, 42) mit einem in der zweiten Kammer (23) angeordneten Impedanzanpassungskreis (19, 32) verbunden ist, und daß der fmpedanzanpassungs- -° kreis (19, 32) über eine geschirmte Leitung (24) an den Ausgang eines Hochfrequenzgenerators (18) angeschlossen ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auftreffplatte (10) auf der der Zwischenwand (22) zugekehrten Seite und das Substrat (12) mit Abstand dazu an der gegenüberliegenden Seite in der Ionisationskammer (11) angeordnet ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kammer (23) für den Impedanzanpassungskreis (19) ein Kondensator (20) untergebracht ist, der zwischen die übrigen, einen Schwingkreis bildenden Teile des Impedanzanpassungskreises (19) und der Anschlußleitung (25) für

30 die Auftreffplatte (10) geschaltet ist

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (20) hinsichtlich seiner Kapazität verstellbar ist

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auftreffplatte (40) mit einer an der Anschlußleitung (42) befestigten scheibenförmigen Elektrode (41) hinterlegt ist und daß ein sich zwischen dieser Elektrode (41) und der Zwischenwand (35) erstreckender elektrisch abschirmender Schirm (43) vorgesehen ist, der an der Zwischenwand (35) befestigt ist und mit dieser leitend verbunden ist und die Elektrode (41) wenigstens zum Teil umgibt und abschirmt

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch Mittel (44) zur Erzeugung eines stationären Magnetfeldes in Richtung des Abstandes zwischen dem Substrat (38) und der Auftreffplatte (40).

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das scheibenförmige Substrat (38) planparallel zur scheibenförmig ausgebildeten Auftreffplatte (40) auf einer Trägerplatte (39) liegt, die mit Abstand zu der der Zwischenwand (35) gegenüberliegenden Seite der Ionisationskammer (6i) angeordnet ist, daß zwischen der Trägerplatte (39) und der ihr zugeordneten Seite der Ionisationskammer (61) torosförmige Permanentmagneten (44) aufgestapelt sind, und daß das durch sie erregte stationäre Magnetfeld senkrecht zu der durch das Substrat beziehungsweise die Auftreffplatte definierten Ebene verläuft.