DE4336830A1

DE4336830A1 - Plasma-Zerstäubungsanlage mit Mikrowellenunterstützung

Info

Publication number: DE4336830A1
Application number: DE4336830A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Prof Dr Latz
Original assignee: Leybold AG
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1993-10-28
Filing date: 1993-10-28
Publication date: 1995-05-04
Also published as: JPH07183098A; US5478459A; NL9401598A; KR950012542A

Description

Die Erfindung betrifft eine Plasma-Zerstäubungsanlage nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Anlagen werden beispielsweise zum Aufbringen dünner Schichten auf Glasscheiben, Kunststoffolien oder dergleichen eingesetzt. Diese dünnen Schichten dienen oft ganz verschiedenen Zwecken. So sollen beschichtete Fenster ganz be stimmt Lichtwellenlängen reflektieren oder durchlassen, während beschichtete Kunststoff-Brillengläser eine härtere Oberfläche erhalten sollen. Bei Compact-Disc- Scheiben steht die Reflexion oder Nicht-Reflexion von Laserstrahlen im Mittelpunkt, die wiederum eine Information über Musik- und Sprachinhalte enthält.

Für das Aufbringen dünner Schichten sind bereits zahlreiche Verfahren vorgeschla gen worden, von denen nur die Galvanotechnik und das Beschichten aus einem Plas ma erwähnt seien.

Bei dem Beschichten aus dem Plasma hat die sogenannte Sputter- oder Zerstäubungs technik eine große Bedeutung erlangt. Hierbei wird an einer Elektrode ein Target aus einem bestimmten Material angeordnet und durch auffliegende geladene Teilchen, z. B. Ionen, zerstäubt. Die zerstäubten Teilchen schlagen sich dann auf einem Sub strat, z. B. einer Glasscheibe, nieder.

Bei einer bekannten Vorrichtung zum Erzeugen einer transparenten und elektrisch leitenden Schichte aus In-O, Sn-O, Zn-O, Cd-Sn-O oder Cd-In-O wird Targetmaterial zerstäubt, wobei die Stärke eines Magnetfelds auf der Oberfläche des Targets bei 600 Oe oder höher liegt und wobei das Target mit einer Gleichspannung versorgt wird, der eine hochfrequente Wechselspannung überlagert ist (EP-A-0 447 850). Von den hierbei verwendeten Target-Materialien ergibt das auf In-O basierende Target mit einem geringen Zusatz von Sn - oft als ITO bezeichnet - eine Schicht mit sehr ge ringem Widerstandswert.

Um den Zerstäubungseffekt zu verbessern, ist es ferner bekannt, Mikrowellen in das Plasma einzuspeisen (US-A-4 610 770, US-A-4 721 553, DE-A-39 20 834, JP-A-62 170 475, JP Patents Abstracts C-469, Januar 16, 1988, Vol. 12, No. 15; JP-A-63 297 557, JP Patents Abstracts C-581, April 4, 1989, Vol. 13, No. 134). Hierbei werden Mikrowellen entweder parallel oder senkrecht zur Substratoberfläche in den Plasma bereich eingeführt.

In nicht vorveröffentlichten Patentanmeldungen wurden überdies vorteilhafte Ein strahlungen von Mikrowellen in das Plasma vorgeschlagen (P 42 30 290.0, P 42 30 291.9). Die Entladespannungen beim Zerstäuben des Targets, insbesondere beim ITO-Sputtern, sind hierbei jedoch noch relativ hoch.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Entladespannungen beim Zer stäubungsprozeß herabzusetzen.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß die Ent ladespannung beim Sputtern erheblich herabgesetzt wird, beim ITO-Sputtern z. B. von -270 Volt auf -100 Volt. Dieser Effekt ergibt sich durch den Einsatz eines Mikro wellen-Ringresonators, dessen Mikrowellen über verschiedene Schlitzanordnungen in den Plasmaraum eingekoppelt werden, wo sie zu einer zusätzlichen Ionisation bei tragen und damit die Entladespannung herabsetzen. Da bei der Erfindung die Mikro welleneinkopplung nicht durch den Dunkelraum der Kathode erfolgt, sondern durch separate Schlitze, wird auch das Arcing vermieden, bei dem Überschläge auftreten. Die erfindungsgemäße Ringresonator-Anordnung ist im Vergleich zu anderen Anord nungen sehr kompakt und einfach aufgebaut. Sie läßt sich leicht mit langen Kathoden kombinieren. Außerdem weist ein Ringresonator den Vorteil auf, daß es sich bei ihm um einen Resonator handelt, der keine störenden Reflexionen an den Endflächen auf weist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Ausschnitt aus einer Plasmakammer mit einer Magnetronkathode in einer Mikrowelleneinstrahlung;

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des Einstrahlungsbereichs der Mikro welle in die Plasmakammer.

In der Fig. 1 ist ein Ausschnitt aus einer Plasmakammer 1 dargestellt, dessen Gehäuse 2 nur andeutungsweise gezeigt ist. In diesem Gehäuse 2 befindet sich ein zu beschichtendes Substrat 3 auf einer Unterlage 4, die über eine elektrische Leitung 5 am Pluspol einer Stromversorgung 6 liegt. Es versteht sich, daß die Unterlage 4, die als Halterung für das Substrat 3 dient, nicht ortsfest angeordnet sein muß. Es kann sich hierbei vielmehr auch um einen bewegten Träger handeln, wie dies bei In-Line- Anlagen im allgemeinen der Fall ist. Die Unterlage 4 muß auch nicht auf Pluspoten tial liegen, sondern kann als elektrisch isoliertes Element ausgebildet sein oder an einer besonderen Spannungsquelle liegen. Mit einer besonderen Spannungsquelle läßt sich eine Vorspannung oder Biasspannung einstellen, mit deren Hilfe es möglich ist, die Höhe der Energie der Ionen, die auf das Substrat 3 treffen, etwas zu steuern.

Gegenüber dem Substrat 3 ist eine Sputter- oder Zerstäubungselektrode 7 vorgese hen, die mit einer Kathodenwanne 8 in Verbindung steht. An die Kathodenwanne 8 ist der negative Pol der Stromversorgung 6 angeschlossen. Die Kathodenwanne 8 ruht auf elektrischen Isolatoren 9, 10, die ihrerseits auf einem Resonatorgehäuse 11, 12 ruhen und Dichtungsringe 13, 14 aufweisen.

In der Kathodenwanne 8 sind drei Dauermagnete 15 bis 17 mit einem Joch 18 verbunden. Auf beiden Seiten der Sputterelektrode 7 ist jeweils ein Schlitzsystem vorgesehen, das eine Öffnung des Resonatorgehäuses 11, 12 darstellt. In dem Reso natorgehäuse 11, 12 ist ein Dielektrikum 21, 22 vorgesehen. Die Schlitzsysteme weisen jeweils einen ersten Schlitz 19 bzw. 20 und einen zweiten Schlitz 31 bzw. 33 auf, die jeweils durch eine Trennscheibe 32 bzw. 34 voneinander getrennt sind. Die Trennscheiben 32, 34 bestehen entweder aus einem Metall wie Kupfer, Molybdän oder Aluminium; sie können jedoch auch aus einem für Mikrowellen verlustarmen Dielektrikum wie Teflon, Quarz, Trolon oder Polystyrol bestehen. Die Anzahl der Schlitze 19, 31 bzw. 20, 23 ist nicht auf zwei beschränkt. Je mehr Schlitze vorge sehen sind, um so mehr Mikrowellenenergie kann pro Streckeneinheit aus dem Reso nator in den Plasmaraum eingekoppelt werden. Bei zu vielen Schlitzen wird jedoch zuviel Mikrowelle pro Streckeneinheit ausgekoppelt, so daß es nicht mehr möglich ist, die Mikrowelle mit gleichmäßiger Intensität entlang der Kathode in den Plasma raum auszukoppeln. Auf der anderen Seite kann man diesen Effekt nutzen, wenn man an unterschiedlichen Stellen entlang der Kathode unterschiedlich viel Mikrowelle aus dem Resonator auskoppeln will.

Die Breite der Schlitzöffnungen wird durch den Abstand bestimmt, ab dem ein Plasma in den Schlitzöffnungen zündet. Dieser Abstand liegt je nach Gasdruck und vorhandenem Magnetfeld zwischen 0,5 mm und 3 mm. Die Schlitzbreite muß so ge wählt werden, daß in den Schlitzen kein Plasma brennen kann. Parallel zu diesen Schlitzen verlaufen die Kathoden-Dunkelräume 35 bzw. 36. Die mit 35 und 36 be zeichneten Dunkelräume sind die Dunkelräume zwischen der Kathode und den auf Erdpotential liegenden Außenwänden 11, 12 des Ringresonators.

Die Schlitzsysteme werden durch Reflektorbleche 23, 24 begrenzt, unter denen sich ein Kathodenabschirmkasten 25, 26 befindet, der jeweils einen Elektromagneten 27, 28 einschließt. Mit 29, 30 sind Gaseinlaßrohre bezeichnet.

Die Resonatoren 21 bzw. 22 werden bei Mikrowellen-Frequenzen im Giga-Hertz-Be reich betrieben, vorzugsweise bei 2,45 GHz. Um die Abmessungen der Resonatoren 21, 22 klein zu halten, ist ihr Innenraum mit einem für Mikrowellen verlustarmen Dielektrikum ausgefüllt, z. B. mit Teflon, Trolon, Polystyrol oder dergleichen.

Der Mikrowellenresonator 11, 12; 21, 22 liegt auf Erdpotential und ist über einen Teflon-Isolator 9, 10 von der Kathode getrennt, die auf negativem Potential liegt.

Die Mikrowelle wird über die erwähnten Schlitze 19, 31; 20, 33 aus den Resonatoren 21, 22 in den Plasmaraum gekoppelt. Dabei ist entscheidend, daß bei dieser Anord nung keine Mikrowelle durch den Dunkelraum 35, 36 der Kathode 8 ins Plasma ge langt, da diese zu einem Arcing im Dunkelraum 35, 36 führen würde. Es können zu sätzlich noch Elektromagnete 27, 28 eingesetzt werden, welche die Ionisations wirkung der Mikrowelle im Plasma erhöhen, das von einem Kathodenabschirmkasten 25, 26 umgeben ist.

In der Fig. 2 ist die Anordnung der Fig. 1 noch einmal in einer perspektivischen An sicht gezeigt. Hierbei erkennt man deutlich ein Hohlleiter-T-Element 40, mit dem die Mikrowellen eingespeist werden. Dieses T-Element weist einen querverlaufenden Rechteck-Hohlleiter 42 mit einem hierzu senkrecht verlaufenden Rechteck-Hohlleiter 41 auf. Mit 43 sind die in den Hohlleiter 41 eingespeisten Mikrowellen symbolisiert. Der querverlaufende Hohlleiter 42 ist nach unten offen, so daß die aus ihm austreten den Mikrowellen 50, 51 in den darunter liegenden Resonator 11, 12 gelangen. Aus den Schlitzen 19, 31 bzw. 20, 33 treten die Mikrowellen aus, die hier durch ge schlängelte Pfeile 53, 54 bzw. 56, 57, 58 symbolisiert sind.

Der untere Bereich des Resonators ist in der Fig. 2 nicht näher dargestellt, weil er ebenso aussieht wie der obere Bereich. Es fehlt dort lediglich ein Hohlleiter für die Einkopplung der Mikrowellen. Auf diese Weise ergibt sich ein geschlossener Ring.

Da es sich bei der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Kathode um eine Rechteckkathode handelt, ist auch der Ringresonator ein Rechteck-Ringresonator. Würde eine Rund kathode eingesetzt, wäre ein kreisringförmiger Resonator vorteilhafter.

Claims

1. Plasma-Zerstäubungsanlage mit Mikrowellenunterstützung, wobei vorgesehen sind

a) ein Target, das an elektrischem Potential liegt;
b) eine Mikrowellenquelle, deren Mikrowellen in den Plasmaraum vor dem Target eingespeist werden;
c) ein Plasmaraum vor dem Target,

gekennzeichnet durch

d) wenigstens einen Mikrowellen-Ringresonator, der das Target umschließt;
e) ein Schlitzsystem, durch welches die Mikrowellen aus dem Mikrowellen- Resonator in den Plasmaraum eingespeist werden.

2. Plasma-Zerstäubungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringresonator mit einem Dielektrikum gefüllt ist.

3. Plasma-Zerstäubungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum Teflon, Trolon oder Polystyrol ist.

4. Plasma-Zerstäubungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schlitzsystem so ausgebildet ist, daß die Mikrowellen nicht durch den Kathoden- Dunkelraum gelangen.

5. Plasma-Zerstäubungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Target Teil einer Magnetronkathode ist.

6. Plasma-Zerstäubungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellen vorzugsweise eine Frequenz von 2,45 GHz haben.

7. Plasma-Zerstäubungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrowellen-Ringresonator auf Erdpotential liegt.

8. Plasma-Zerstäubungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Mikrowellen-Ringresonator und der Kathode ein Isolator vorgesehen ist.

9. Plasma-Zerstäubungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmaraum seitlich durch Reflektorbleche (23, 24) begrenzt ist.

10. Plasma-Zerstäubungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kathodenabschirmkasten (25, 26) vorgesehen ist, in dem sich Elektromagneten (27, 28) befinden.