DE4235953A1 - Sputterquelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Sputterquelle mit einer Hohlkathode zum reaktiven Beschichten von Substraten.

Sputterquellen zum reaktiven Beschichten sind be­ kannt.

So beschreibt K. Ishii, J. Vac. Sci. Technol. A7 (2), S. 256 (1989) ein Beschichtungsverfahren, bei dem mittels Argongasstrom bei einem Druck von 0,25 bis 1 Torr durch eine Hohlkathode abgestäubtes Kathodenma­ terial mit einer hohen Rate auf einem über der Katho­ denöffnung angeordneten Substrat abgeschieden wird.

In der DD 2 94 511 wird ebenfalls ein Verfahren und eine Vorrichtung zum reaktiven Gasflußsputtern vor­ geschlagen. Dabei wird ebenfalls von dem die Hohlka­ thode darstellenden Targets Material abgestäubt, das auf dem Substrat abgelagert wird. Die dazu verwendete Hohlkathode besteht aus mehreren gegeneinander elek­ trisch isolierten Targets, die eine zylindrische Hohlkathode bilden, an deren rückseitigem Ende eine Einströmöffnung für Inertgas oder einer Gaseinstrom­ öffnung für reaktives Gas vorhanden ist.

Mit diesen Hohlkathoden des Standes der Technik ist es aber nur möglich, relativ kleine Substrate zu be­ schichten, da die zu beschichtende Oberfläche von der substratseitigen Öffnung der Hohlkathode abhängt.

Weiterhin sind auch lineare Hohlkathoden bekannt ([1] H. Koch, L.J. Friedrich, V. Hinkel, F. Ludwig, B. Politt, and T. Schurig, J. Vac. Sci. Technol., A9 (1191) 2374; [2] T. Jung, Patentanmeldung der FhG vom 27.03.1992, Titel "Vorrichtung zum reaktiven Hohlka­ thodensputtern", Aktenzeichen P 42 10 125.5) die aus mehreren planaren Targetteilen oder einem oder meh­ reren gekrümmten Targetteilen bestehen.

Nachteilig ist hier, daß mehrere Einzeltargets und/ oder Targetteile in aufwendiger Form erforderlich sind. Besonders nachteilig bei diesen Hohlkathoden, die aus mehreren Einzeltargets bestehen, ist die Kom­ bination mit einer zusätzlichen Wasserkühlung. Diese Wasserkühlung muß dann entsprechend dem unterschied­ lich geformten Targetmaterial ausgebildet sein und ist dementsprechend aufwendig. Diese Hohlkathoden bringen den weiteren Nachteil unerwünschter Ablage­ rungen in Targetnischen mit sich. Isolierstoffe wer­ den dabei oft mitbeschichtet und nehmen dann nach einiger Zeit in unkontrollierter Weise an Entladung und Beschichtung teil.

Es ist auch bekannt bei den vorstehend beschriebenen Hohlkathoden die Hohlkathode durch ein Gehäuse zu umschließen. Die Hohlkathode ist dabei auf der Seite der Arbeitsgaseinströmung offen gegenüber dem Vakuum­ raum oder mittels einer Wand oder eines Hohlraumes verschlossen. Alle sonstigen Targetpotential führen­ den Teile (z. B. Bauteile der Targetaufhängung und Kühlung) sind für Gase und Entladung frei zugänglich oder mit Metallteilen unter Verwendung von Isolier­ stoffen oder nur durch Isolierstoffe abgedeckt.

Durch diese Ausgestaltung kommt es zu spürbaren para­ sitären Arbeitsgasströmen an der Hohlkathode außen vorbei. In dem Fall, wenn die Seite der Arbeitsgas­ einströmung mittels einer Wand verschlossen ist, kommt es zu häufigen Kurzschlüssen durch beschichtete Isolierkörper. Außerdem ist eine vollständig isolie­ rende Abdeckung aller sonstigen Targetpotential füh­ renden Teile aufwendig, ein Verzicht darauf kann je­ doch zu Schichtverunreinigung durch Sputterabtrag und bei Kontakt mit Reaktivgas auch zu unerwünschten Bo­ genentladungen führen.

Allen vorstehend beschriebenen Sputterquellen ist gemein, daß sie nur bedingt dazu geeignet sind, um großflächige Substrate zu beschichten. Für die groß­ flächige Beschichtung wurden bisher lineare Hohlka­ thoden in Form der eingangs beschriebenen Ausgestal­ tung, d. h. aus mehreren einzelnen unterschiedlich geformten Targetmaterialien verwendet. Die zu beschichtende Fläche entspricht dabei aber immer der durch die Hohlkathode aufgespannten Fläche.

Eine weitere Methode ist die Beschichtung mittels Matrix. Eine Matrix ist jedoch sehr aufwendig, beson­ ders wenn eine Kühlung notwendig ist. Für eine echte zweidimensionale Beschichtung ist deshalb eine Sub­ stratbewegung erforderlich.

Somit sind aus dem Stand der Technik keine Verfahren und Vorrichtungen bekannt, die eine großflächige Be­ schichtung mit einfachen Sputterquellen ermöglichen.

Hier setzt die vorliegende Erfindung ein, deren Auf­ gabe es ist, eine einfache und kostengünstige Sput­ terquelle zur Verfügung zu stellen, die es ermög­ licht, insbesondere großflächiges Substrate zu be­ schichten.

Die Erfindung wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildun­ gen, bezüglich der Ausgestaltung der Sputterquelle, ergeben sich aus den kennzeichnenden Merkmale der Unteransprüche 2 bis 10.

Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich besonders dadurch aus, daß die Hohlkathode aus zwei Targethälf­ ten besteht, wobei die Stirnseiten durch Stirnwände, die gegenüber den Targethälften isoliert sind, ver­ schlossen sind. Durch diese erfindungsgemäße Lösung ist es möglich, Targets in einfacher Form zu verwen­ den. Die Targets können planar sein und z. B. recht­ eckig. Somit sind keine komplizierten Targetformen, wie bisher aus dem Stand der Technik bekannt, notwen­ dig. Günstig hierbei ist, daß die Beschichtung der Stirnwände keinen Einfluß auf die Entladung und die Beschichtung des Substrates hat. Die Stirnwände kön­ nen zudem aus einem billigen Werkstoff, z. B. Metall sein. Dies hat den Vorteil, daß sich die Stirnwände leicht bearbeiten lassen. Die erfindungsgemäß vorge­ schlagene Hohlkathode zeichnet sich weiterhin noch dadurch aus, daß die Targets gleichmäßig abgetragen werden.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird vorge­ schlagen, die Isolierung der Stirnwand gegenüber den Targets dadurch zu erreichen, daß ein Spalt zwischen den Stirnseiten der Targets und der Stirnwand freige­ lassen wird. Bevorzugt hat der Spalt eine Breite von 0,1 mm bis 10 mm. Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß statt der Isolierung durch Inertgas, d. h. durch den Spalt, dieser Spalt mit einem Iso­ liermaterial wie Keramik und/oder Glas und/oder Glim­ mer teilweise oder vollständig ausgefüllt wird. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene lineare Hohlkathode bringt noch den weiteren Vorteil mit sich, daß, be­ dingt durch die einfache planare Konstruktion, sehr leicht eine Targetkühlung angebracht werden kann.

Die Erfindung vereinigt somit zwei wesentliche Vor­ teile gegenüber dem Stand der Technik. Erstens ent­ steht durch die vorgeschlagene Hohlkathode eine sehr einfache und billige Hohlkathode, die den Vorteil hat, daß sie einen gleichmäßigen Abtrag der Targets gewährleistet. Zweitens ist durch die planare Konstruktion das Anbringen einer Targetkühlung äußerst einfach.

Ein weiterer erfindungswesentlicher Aspekt der vor­ geschlagenen Hohlkathode besteht noch darin, daß durch die planare Konstruktion es möglich ist, nicht nur eine Hohlkathode aus zwei Targethälften (Anspruch 5) zu bilden, sondern daß mindestens zwei bis zehn oder auch noch mehr Hohlkathoden parallel angeordnet werden können, wobei jeweils benachbarte Hohlkathoden ein Target gemeinsam haben. Die Stirnwand verschließt dann alle stirnseitige Hohlkathodenöffnungen gemein­ sam. Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung wird nun erreicht, daß entsprechend der Anzahl der paral­ lelen Hohlkathoden große Flächen gleichmäßig be­ schichtet werden können und daß zusätzlich auch noch Targetmaterial gespart wird, weil benachbarte Hohlka­ thoden jeweils nur ein Target gemeinsam haben. Vor­ teilhaft ist bei den vorgeschlagenen parallelen Hohl­ kathoden, daß jeweils auch nur eine gemeinsame Tar­ getkühlung für benachbarte Targets notwendig ist. Die vorgeschlagene Lösung erlaubt somit großflächige Be­ schichtungen in zwei Dimensionen mit hohen Raten und ohne Substratbewegung. Zusätzlich wird Targetmaterial bzw. Kühlvorrichtungen eingespart. Die Sputterquelle besitzt zudem dann einen geringen Platzbedarf. Die Konstruktion bringt weiterhin mit sich, daß ein ge­ ringer Aufwand bei der Abschirmung der Targetkühl- und Befestigungsvorrichtungen notwendig ist.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Hohlkathode und die Einströmvorrichtung für den Inertgasstrom durch ein Gehäuse umschlossen ist. Er­ findungswesentlich ist dabei, daß das Gehäuse so aus­ gelegt ist, daß auf der Seite der substratseitigen Hohlkathodenöffnung ebenfalls eine Öffnung vorhanden ist, die so groß ist, daß sie den Gasstrom zum Sub­ strat nicht oder nur wenig behindert. Eine weitere wesentliche Bedingung ist, daß für den unerwünschten Gasweg, d. h. außen um die Hohlkathode herum, ein hinreichend großer Strömungswiderstand besteht. Dies kann erreicht werden durch einen geringen Querschnitt und/oder lange und verwinkelte Wege, so daß nur ein vernachlässigbarer kleiner Teil des Arbeitsgases die­ sen Weg nimmt und von den anderen Targetpotential führenden Teilen abgetragenes Material auf keinem Weg in unerwünschten Mengen in den Arbeitsgasstrom und mit ihm als Verunreinigung zum Substrat gelangen kann. Das Gehäuse kann dabei teilweise identisch sein mit der äußeren Wand des Vakuumbehälters, in dem die Beschichtung stattfindet. Der Vorteil dabei ist, das Arbeitsgas wird voll genutzt, da es nahezu vollstän­ dig den Weg durch die Hohlkathode nehmen muß. Eine schädliche Beschichtung von Isolierbauteilen tritt nicht ein. Schichtverunreinigungen durch Sputterab­ trag anderer Bauteile können vermieden oder verhin­ dert werden. Die sonstige Targetpotential führenden Bauteile kommen nicht mit eventuellem Reaktivgas in Kontakt.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird noch vorgeschlagen, an der substrat­ seitigen Öffnung des Gehäuses Drosselstellen anzu­ bringen. Die Drosselstelle stellt für den Gasstrom eine Querschnittsverringerung dar, und damit eine Geschwindigkeitssteigerung und somit eine Verringe­ rung der Reaktivgasdiffusion zum Target. Der Quer­ schnitt der Drosselstelle kann dabei in etwa die Grö­ ße des Querschnitts der Hohlkathodenöffnung besitzen.

Eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung sieht vor, daß Vorrichtungen für die Einspeisung von Reak­ tivgas durch ein Mehrfachdüsensystem (z. B. ein oder mehrere Rohre mit hinreichend vielen kleinen seitli­ chen Öffnungen, die z. B. auf das Substrat gerichtet sind), welches außerhalb der Hohlkathode zwischen Hohlkathode und Substrat angeordnet ist, vorgesehen ist. Somit behindert es den Gas- und Targetmaterial­ strom zum Substrat nicht oder nur sehr wenig. Die Mehrfachdüsen müssen außerdem vom Substrat soweit entfernt sein und aus so vielen Einzeldüsen bestehen, daß sie das Reaktivgas hinreichend gleichmäßig in der erforderlichen Konzentration über der Substratober­ fläche verteilen können. Sie müssen weiter von der Hohlkathodenöffnung soweit entfernt ist, daß das ge­ gen den Arbeitsgasstrom diffundierende Reaktivgas an keiner Stelle der aktiven Targetoberfläche eine Kon­ zentration erreichen kann, die eine für das Verfahren bedeutende chemische Umwandlung bewirkt.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorzüge der Erfin­ dung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Zeichnungen.

Hierbei zeigen

Fig. 1 eine lineare Hohlkathode mit zwei Targets und durch Spalt getrennte Stirnwände in
a) der Draufsicht
b) Seitenansicht;

Fig. 2 zeigt gekoppelte lineare Hohlkathoden ohne Targetkühlung mit durch Spalt getrennten Stirnwänden in der Draufsicht;

Fig. 3 zeigt ebenfalls gekoppelte lineare Hohlkatho­ den, hier aber mit einer Targetkühlung;

Fig. 4 zeigt gekoppelte lineare Hohlkathoden in ei­ ner Querschnittdarstellung mit Targetkühlung;

Fig. 5 zeigt eine Hohlkathode bestehend aus zwei Targethälften mit Gehäuse in der Querschnittsdarstel­ lung;

Fig. 6 zeigt eine lineare Hohlkathode nach Fig. 5 mit zusätzlichen Drosselklappen und Reaktivgasdüsen;

Fig. 7 zeigt eine Hohlkathode mit externer Mehrfach­ reaktivgasdüse und Gasdrossel in der Querschnittsdar­ stellung.

Fig. 1 zeigt eine lineare Hohlkathode 1 mit zwei Targets 2 und durch Spalt 3 getrennte Stirnwände 4. In Fig. 1 ist die lineare Hohlkathode 1 isoliert dargestellt. Fig. 1a (Draufsicht) zeigt dabei eine lineare Hohlkathode 1 bestehend aus zwei Targethälf­ ten 2 sowie einer entsprechenden Targetkühlung 5. Die Stirnwand 4 ist dabei durch einen Spalt 3 von den Stirnseiten 6 der Hohlkathode 1 getrennt. Die Isolie­ rung im Beispielsfall nach Fig. 1 wird demnach hier durch Inertgas erreicht. Der Spalt besitzt dabei be­ vorzugt eine Größe von 0,1 mm bis 10 mm. Aus Fig. 1b (Seitenansicht) ist zu ersehen, daß im Beispielsfall nach Fig. 1 die Targets 2 und die Targetkühlung 5 eine rechteckige planare Form besitzen. Das Plasma brennt im Betrieb zwischen den Targets 2.

Fig. 2 zeigt nun gekoppelte lineare Hohlkathoden 1 ohne Targetkühlung 5 in der Draufsicht. Erfindungs­ gemäß haben hier jeweils benachbarte Hohlkathoden 1 nur ein Target 2. In Fig. 2 ist die Stirnwand 4 wie­ derum durch einen Spalt von der Stirnseite 5 der li­ nearen Hohlkathoden 1 getrennt, um eine Isolierung zu bewerkstelligen. Erfindungsgemäß kann die Isolierung aber auch durch Isoliermaterial hergestellt werden.

Fig. 3 zeigt ebenfalls wiederum gekoppelte lineare Hohlkathoden 1 in der Draufsicht, nun hier nur mit einer Targetkühlung 5. Ein erfindungswesentlicher Vorteil bei der hier vorgeschlagenen Lösung besteht darin, daß jeweils zwei benachbarte Hohlkathoden 1 nur eine Targetkühlung 5 benötigen. Dadurch wird nicht nur Platz gespart, sondern die Hohlkathode 1 ist billig und verfahrenstechnisch einfach herzustel­ len.

Fig. 4 zeigt nun gekoppelte lineare Hohlkathoden nach Fig. 3, nun in der Querschnittsdarstellung. Fig. 4 macht sehr schön deutlich, daß durch die er­ findungsgemäße gekoppelte parallele Anordnung der linearen Hohlkathoden eine großflächige Substratbe­ schichtung möglich ist, da sich das Plasma, das durch die einzelnen linearen Hohlkathoden geführt wird, vor dem Substrat vereinigt und so eine großflächige Be­ schichtung ermöglicht. Zum Betrieb strömt dabei aus den Einstromvorrichtungen 8 Inertgas durch die Hohl­ kathoden 1 und trägt Targetmaterial ab, das auf dem Substrat 7 niedergeschlagen wird. In Fig. 4 ist da­ bei eine Anode 9 eingesetzt. Es ist aber auch möglich, einzelne Anoden zu verwenden.

Fig. 5 zeigt nun eine Ausführungsform einer erfin­ dungsgemäßen linearen Hohlkathode 1 bestehend aus zwei Targethälften 2 und entsprechenden Targetkühlun­ gen 5 mit einem Gehäuse 10. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Ausgestaltung des Gehäuses 10 wird nun erreicht, daß der durch die Einströmvorrichtungen 8, hier eine Gasdüse, erzeugte Inertgasstrom fast aus­ schließlich durch die Hohlkathode 1 selbst geführt wird, da der Weg links und rechts an der Hohlkathode 1 vorbei durch den engen Querschnitt stark behindert ist.

Fig. 6 zeigt nun ein Sputterquelle nach Fig. 5, jedoch hier mit zusätzlich einer Drosselstelle 11 und Reaktivgasdüsen 12. Die Reaktivgasdüsen 12 sind dabei zwischen der substratseitigen Öffnung und dem Sub­ strat 7 hier außerhalb des Gehäuses 10 angeordnet. Die Drosselstellen 11 bewirken eine Konzentrierung des Inertgasstromes und damit eine Verringerung der Reaktivgasdiffusion zum Target.

Fig. 7 zeigt nun wiederum eine Hohlkathode 1 mit ex­ ternen Mehrfachreaktivgasdüsen 12 und eine Gasdrossel 11 wiederum in der Querschnittsdarstellung. In diesem Ausführungsbeispiel ist kein Gehäuse 10 vorgesehen, sondern lediglich eine Gasdrossel 11 und entsprechen­ de Reaktivgasdüsen 12.

Claims (11)

1. Sputterquelle mit einer linearen Hohlkathode, einer Anode, einer geeigneten Stromversorgung, einer Einströmvorrichtung für den Inertgasstrom und einem Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine lineare Hohlkathode (1) vor­ gesehen ist, die aus planaren, parallel angeord­ neten gleich oder annähernd gleich großen Tar­ gets (2) besteht, so daß substratseitige Öffnun­ gen und gegenüberliegende Öffnungen zum Einspei­ sen des Inertgases entstehen und daß an den Öff­ nungen der Stirnseiten (6) Stirnwände (4) vorge­ sehen sind, die gegenüber den Targets (2) und der Anode (9) elektrisch isoliert sind.

2. Sputterquelle nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die elektrische Isolierung durch Inertgas erreicht wird, indem die Stirnwände (4) durch einen Spalt (3) mit einem Abstand von 0,1 mm bis 10 mm von den Stirnseiten (6) der Kathode (1) getrennt sind.

3. Sputterquelle nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (3) durch ein Isoliermaterial wie Keramik und/oder Glas und/oder Glimmer teilweise oder vollständig ausgefüllt ist.

4. Sputterquelle nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen Targets (2) mit einer Target­ kühlung (5) versehen sind.

5. Sputterquelle nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hohlkathode (1), bestehend aus zwei Targets (2), vorgesehen ist.

6. Sputterquelle nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei bis zehn parallel angeordnete Hohlka­ thoden (1) vorgesehen sind, wobei benachbarte Hohlkathoden (1) jeweils ein Target (2) gemein­ sam haben.

7. Sputterquelle nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jeweils benachbarte Targets (2) durch eine gemeinsame Targetkühlung (5) gekühlt werden.

8. Sputterquelle nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gehäuse (10) vorgesehen ist, das die Targets (2) und die Einströmvorrichtung (8) für den Inertgasstrom umschließt, wobei das Gehäuse (10) so ausgelegt ist, daß der aus der Einström­ vorrichtung (8) austretende Gasstrom fast aus­ schließlich durch die der substratseitigen Öff­ nung gegenüberliegende Öffnung geführt wird, und daß das Gehäuse (10) an der substratseitigen Öffnung ebenfalls eine Öffnung aufweist, die in etwa der Größe der substratseitigen Öffnung selbst entspricht.

9. Sputterquelle nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an der substratseitigen Öffnung Drosselstel­ len (11) vorgesehen sind.

10. Sputterquelle nach Anspruch 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb des Gehäuses (10) und unterhalb des Substrates (7) zusätzlich Einströmvorrich­ tungen (12) für Reaktivgas vorgesehen sind.

11. Verwendung der Sputterquelle nach Anspruch 1 bis 10 zum Herstellen von dünnen Schichten insbesondere zur Herstellung von großflächigen Beschich­ tungen.