DE69229083T2

DE69229083T2 - Sputteranlage und Ionenquelle

Info

Publication number: DE69229083T2
Application number: DE69229083T
Authority: DE
Inventors: Kenji Atarashiya; Mitsuo Kato; Tadashi Rokkaku; Toshio Taguchi; Kazuya Tsurusaki; Ichiro Yamashita; Kenichi Yanagi
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1991-07-18
Filing date: 1992-07-16
Publication date: 1999-11-11
Anticipated expiration: 2012-07-17
Also published as: DE69229083D1; EP0523695B1; EP0523695A1; US5288386A; US5369337A

Description

Die Erfindung betrifft eine Ionenquelle zum Extrahieren von Ionen aus einem Entladungsplasma zur Verwendung in einer Ionenvorrichtung, sowie eine Sputtervorrichtung und eine kombinierte Vorrichtung aus einer Sputtervorrichtung und einer Ionenquelle für eine Ionenabscheidevorrichtung, welche jeweils für ein langes Objekt geeignet sind.
Fig. 9 zeigt den Aufbau einer herkömmlichen Ionenquelle. In Fig. 9 sind mit dem Bezugszeichen 41 eine Anodenelektrode in Form einer Schachtel, mit 42 Permanentmagnete zur Ausbildung lokaler Magnetfelder 43, mit 44 Drahtkathoden, mit 45 eine Extrahierelektrode zum Extrahieren von Ionen in einer Plasmaerzeugungskammer, welche durch die Anodenelektrode 41 gebildet wird, mit 46 Gaseinbringöffnungen zum Einbringen eines für eine Entladung notwendigen Gases und mit 47 ein Isolator bezeichnet. Die lokalen Magnetfelder 43 werden durch die Permanentmagnete 42 innerhalb einer Wandfläche der Plasmaerzeugungskammer gebildet, welche durch die Anodenelektrode 41 gebildet ist, um eine elektrische Entladung zwischen der Anodenelektrode 41 und den Drahtkathoden 44 zu erzeugen. Von den Drahtkathoden 44 ausgestoßene Elektronen werden mittels der Magnetfelder 43 zurückgehalten, um im Nahbereich der Drahtelektroden 44 die Plasmadichte zu erhöhen, so daß die Ionenerzeugungsleistung erhöht wird. Das für die elektrische Entladung benötigte Gas wird von den Gaseinbringöffnungen 46 eingebracht und Ionen innerhalb der Plasmaerzeugungskammer werden von dem extrahierenden elektrischen Feld extrahiert, welches an die Extrahierelektrode 45 angelegt wird.
Es ist allgemein bekannt, eine Sputtervorrichtung zur Herstellung einer Dünnfilmstruktur zu verwenden.
Das Prinzip einer Sputtervorrichtung wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 10 beschrieben. Fig. 10 stellt den Aufbau einer herkömmlichen Sputtervorrichtung dar.
In Fig. 10 bezeichnen die Bezugszeichen 1 und 2 Elektroden. Ein Ziel 3 ist an einer Elektrode 1 angebracht. Ein Gas 5 zum Sputtern wird in einen Raum 4 zwischen den beiden Elektroden 1 und 2 in Vakuum eingebracht, so daß zwischen den beiden Elektroden 1 und 2 eine elektrische Entladung erzeugt wird. Das eingebrachte Gas 5 wird ionisiert und das ionisierte Gas 5 wird durch eine Potentialkraft bewegt, so daß es auf das Ziel 3 an der Elektrode 1 auftrifft. Wenn Ionen auf das Ziel 3 auftreffen, werden Partikel aus dem Ziel 3 herausgeschlagen (Sputterphänomen). Zu beschichtende Objekte 6 sind an der anderen Elektrode 2 angebracht und die vom Ziel 3 herausgeschlagenen Partikel schlagen sich auf dem Objekt 6 nieder, um hierdurch einen Film auf dem Objekt 6 zu bilden.
Auf der Grundlage des obigen Prinzips werden verschiedene Abwandlungen an der Sputtervorrichtung abhängig von den jeweiligen Anwendungsfällen gemacht.
Die Qualität des Films wird oft verbessert, wenn das Sputterphänomen bei einem niedrigen Vakuumdruck auftritt. Es ist jedoch schwierig, eine elektrische Entladung bei einem niedrigen Vakuumdruck aufrecht zu erhalten. Infolgedessen ist es effektiv, mittels eines Permanentmagneten ein Magnetfeld zu erzeugen. Genauer gesagt, normalerweise wird so vorgegangen, daß der Elektroneneinfangvorgang in einem elektrischen Entladungsbereich mittels eines Magnetfeldes verwendet wird, um eine Struktur zu bilden, mit der die elektrische Entladung bei einem Niedervakuumdruck aufrechterhalten wird (Elektronendrehbewegung in Fig. 11).
Um zwischen den Elektroden 1 und 2 die elektrische Entladung aufrecht zu erhalten, wird gemäß Fig. 10 mittels ei ner Energieversorgung 7 den Elektroden 1 und 2 elektrische Leistung zugeführt. Es ergibt sich ein Problem, daß, wenn die Ionenstrahlung und die Strahlung von Sputterpartikeln aus der gleichen Richtung erfolgen, es dann aufgrund von baulichen Einschränkungen unmöglich ist, eine herkömmliche Ionenquelle und Sputtervorrichtung unabhängig voneinander zu verwenden.
Es ist Aufgabe der Ionenquelle und der Sputtervorrichtung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen 1 bzw. 2 definiert sind, dazu in der Lage zu sein, einen Film auf einem langen geraden Objekt auszubilden.
Die hohle Kathode mit dem Ionen-Extrahierauslaß, der sich in Form eines geradlinigen Schlitzes erstreckt, wird dazu verwendet, ein geradliniges Entladungsplasma zu erzeugen und die geradlinige Beschleunigungselektrode wird dazu verwendet, aus dem Entladungsplasma extrahierte Ionen geradlinig zu beschleunigen und um den extrahierten Ionenstrahl mit einem gleichförmigen elektrischen Feld zu beschleunigen.
Es ist Aufgabe der Sputtervorrichtung gemäß Anspruch 3, in der Lage zu sein, eine Ionenbestrahlung und eine Bestrahlung von Sputterpartikeln gleichzeitig aus der gleichen Richtung durchzuführen.
Da die tonenquelle und die Sputtervorrichtung integriert sind, werden die Ionenstrahlung und die Sputterpartikelstrahlung gleichzeitig aus der gleichen Richtung kommend gemacht und ein relativer Winkel der Strahlungsachsen von Ionen und Sputterpartikeln kann zu allen Zeiten festgelegt werden. Da weiterhin der Ionenauslaß der Ionenquelle und der Sputterpartikelauslaß der Sputtervorrichtung so angeordnet sind, daß sie in gleiche Richtung weisen, treten keine Sputterpartikel in die Ionenquelle ein. Zusätzlich können eine Vakuumabdichtvorrichtung, eine Kühlvorrichtung und eine Anodenelektrode gemeinsam benutzt werden.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnung werden exemplarische Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.
Fig. 1 ist eine Seitenansicht auf eine Ionenquelle gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine Draufsicht auf eine Ionenquelle gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ist ein Schaltkreisdiagramm der Ionenquelle;
Fig. 4 ist eine Draufsicht auf eine Ionenquelle in einer Sputtervorrichtung, welche gemäß der vorliegenden Erfindung hiermit integriert ist;
Fig. 5 ist eine seitliche Schnittdarstellung durch eine Sputtervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 ist eine Schnitt-Draufsicht auf eine Sputtervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 ist eine Draufsicht auf eine Sputter-Vorrichtung mit einer hiermit integrierten Ionenquelle gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 ist eine Seitenansicht auf eine Sputtervorrichtung mit einer hiermit integrierten Ionenquelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 9 ist eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Darstellung einer herkömmlichen Ionenquelle;
Fig. 10 ist ein schematisches Diagramm, welches eine herkömmliche Sputtervorrichtung zeigt; und
Fig. 11 ist eine Darstellung, welche schematisch die Idee einer Sputtervorrichtung des planaren Magnetron-Typs darstellt.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung, welche eine Ionenquelle gemäß einer Ausführungsform der ersten und zweiten Ausführungsformen zeigt und Fig. 2 ist eine Draufsicht auf die Ionenquelle von Fig. 1; Fig. 3 ist ein Schaltkreisdiagramm hiervon.
In der Zeichnung ist mit dem Bezugszeichen 51 eine Anodenelektrode bezeichnet, an der eine Hohlkathode 53 mittels einer Kathodenheizung 52 angebracht ist. Ein Ionen-Extrahierauslaß 54 der Hohlkathode 53 erstreckt sich in Form eines geradlinigen Schlitzes und eine Ionen-Extrahierelektrode 55 erstreckt sich in Form eines Bandes und ist vorderhalb des Ionen-Extrahierauslasses 54 angeordnet. Eine Beschleunigungselektrode 56 zur Steuerung der Energie von extrahierten Ionen ist vorderhalb der Ionen-Extrahierelektrode 5 angeordnet und die Beschleunigungselektrode 56 ist schlitzförmig ausgebildet, um an die Form der Hohlkathode 53 angepaßt zu sein. Außerhalb der Anodenelektrode 51 ist ein Permanentmagnet 57 als ein Magnet eines Magnetfelderzeugungsmechanismus angeordnet, um die Gleichförmigkeit und Dichte eines geradlinigen Entladungsplasmas mittels des Permanentmagneten 57 zu verbessern. Die Hohlkathode 53 ist mit einer Gaseinbringöffnung 58 versehen, so daß von der Gaseinbringöffnung 58 ein Entladungsgas in die Hohlkathode 53 eingebracht wird. In Fig. 1 bezeichnet Bezugszeichen 59 einen Heizstrom-Einbringanschluß sowie Bezugszeichen 60 einen Isolator. In Fig. 3 bezeichnet Bezugszeichen 62 einen Anlaßwiderstand, Bezugszeichen 63 einen Heizstrom, Bezugszeichen 64 eine Entladungsenergiequelle, Bezugszeichen 65 eine Energiequelle für die Strahleriergieversorgung, Bezugszeichen 66 eine Energiequelle für die Ionenextraktion, Be zugszeichen 67 eine Energiequelle für die Ionenbeschleunigung und Bezugszeichen 68 einen Ionenstrahl.
Die oben beschriebene Ionenquelle kann ein langes Objekt 69 bearbeiten. Wenn ein Entladungsgas in die Hohlkathode 53 mit dem Ionen-Extrahierauslaß 54 in Form eines geraden Schlitzes durch die Gaseinbringöffnung 58 eingebracht wird, wird die Hohlkathode 53 von der Kathodenheizung 52 zur gleichen Zeit erhitzt und mit Elektronen aufgrund einer Entladung zwischen der Anodenelektrode 51 und der Hohlkathode 53 versorgt, so daß die Entladung zwischen der Anodenelektrode 51 und der Hohlkathode 53 mittels Elektronen aufrecht erhalten wird.
Da der Ionen-Extrahierauslaß 54 der Hohlkathode bandförmig ist, werden Elektroden geradlinig/bandförmig zugeführt, um ein Plasma in Bandform zu erzeugen. Ionen werden in Bandform aus dem bandförmigen Plasma mittels eines elektrischen Extraktionsfeldes extrahiert, welches an die Ionen-Extrahierelektrode 55 angelegt wird. Wenn es notwendig ist, die Energie der Ionen zur Bearbeitung des langen Objektes 69 zu erhöhen, kann ein elektrisches Beschleunigungsfeld an die Beschleunigungselektrode 56 angelegt werden, welche unmittelbar hinter der Ionen-Extrahierelektrode 55 angeordnet ist, um eine bestimmte Ionenenergie zu erhalten. Die Beschleunigungselektrode 56 kann einen Ionenstrahl in Bandform wirksam durch Bereitstellen einer bandförmigen Öffnung beschleunigen. Ein Schaltkreisaufbau der Ionenquelle ist in Fig. 3 gezeigt.
In der obigen Ionenquelle kann ein gleichförmiger bandförmiger Ionenstrahl stabil über lange Zeit hinweg durch Bereitstellen der Hohlkathode 53 mit der schlitzförmigen Ionen-Extrahierauslaß 54, der Beschleunigungselektrode 56 in Form eines Schlitzes und dem Permanentmagneten 57 erhalten werden und die Ionen können ohne separate Bereitstellung eines Beschleunigungssystems beschleunigt werden.
Der bandförmige Ionenextrahier-Aufbau aus einem Gleichspannungs-Entladungsplasma wurde exemplarisch gezeigt; die bandförmige Ionenextrahierbeschleunigung kann sogar unter Entladung unter Verwendung einer Hochfrequenz (beispielsweise ECR) durchgeführt werden.
Wenn gewünscht wird, daß das lange Objekt 69 von dem Ionenstrahl unter einem festen Winkel bestrahlt wird, ist es ein vorteilhaftes Merkmal der vorliegenden Erfindung, daß die Ionen-Extrahierelektrode 55 und die Beschleunigungselektrode 56 gemäß der Fig. 1 und 2 geneigt werden können, wenn kein Raum im Abscheideraum der Vakuumvorrichtung zur Verfügung steht. In den Fig. 1 und 2 können durch Verschieben einer Phase zwischen den beiden Ionen-Extrahierelektroden 55 Ionen mit einem festen Winkel bezüglich einer Extrahierebene extrahiert werden. Es sei festzuhalten, daß der Ionen-Extrahierwinkel änderbar ist, wie in Fig. 4 gezeigt.
Da die Ionenquelle der vorliegenden Erfindung die Hohlkathode mit dem Ionen-Extrahierauslaß aufweist, der sich in Form eines geradlinigen Schlitzes erstreckt, sowie die geradlinige Beschleunigungselektrode, welche an die Form der Hohlkathode angepaßt ist, um die Energie von extrahierten Ionen zu steuern, wird ein geradliniges Entladungsplasma erzeugt und die Lebensdauer der Elektrode wird verlängert, so daß geradlinige Ionen, welche aus dem Entladungsplasma extrahiert werden, beschleunigt werden können.
Fig. 5 ist eine seitliche Schnittdarstellung durch eine Sputtervorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung und Fig. 6 ist eine Schnitt-Draufsicht auf Fig. 5.
In diesen Figuren bezeichnet Bezugszeichen 11 eine von Elektroden, welche für ein bandförmiges Ziel 12 vorgesehen sind. Die andere Elektrode 13 ist schachtelförmig ausgebildet, um das Ziel 12 zu umschließen und zwischen der Elektrode 13 und dem Ziel 12 ist ein Isolator 14 angeordnet. Eine Sputter-Auslaßöffnung der Elektrode 13 ist auf der gegenüberliegenden Seite der Elektrode angeordnet, um das Ziel 12 zwischen den Elektroden 11 und 13 anzuordnen und ist eng und mit einer kleinen Fläche ausgebildet, wie in Fig. 5 gezeigt. Das Ziel 12 wird mit einer Einbringöffnung 16 ausgebildet und Sputtergas wird in den schachtelförmigen Raum 17, der von der Elektrode 13 umschlossen wird, zwischen dem Ziel 12 und der Öffnung 15 durch die Einbringöffnung 16 eingebracht. Somit wird ein Vakuumdruck innerhalb des schachtelförmigen Raumes 17 hoch gehalten.
Ein Permanentmagnet ist als Magnet auf der gegenüberliegenden Seite des Ziels 12 angeordnet, um die Elektrode 11 zwischen dem Permanentmagneten 18 und dem Ziel 12 anzuordnen, so daß ein Magnetfeld in einem Teil der Elektrode 11 erzeugt wird, in welchem das Ziel 12 durch den Permanentmagneten 18 angeordnet ist. Der Magnet muß kein Permanentmagnet 18 sein und anstelle hiervon kann ein Elektromagnet verwendet werden.
Die Elektroden 11 und 13 werden von einer externen Energieversorgung 19 mit elektrischer Leistung versorgt.
Bei der Sputtervorrichtung mit obigem Aufbau ist das Ziel 12 in Form eines Bandes ausgebildet und die andere Elektrode 13 ist so angeordnet, daß sie das Ziel 12 umschließt, so daß das lange Objekt 69 geradlinig besputtert werden kann. Indem die Fläche der Öffnung 15 klein gemacht wird, kann der Druck innerhalb des schachtelförmigen Raumes 17 höher als der Druck eines Abschnittes gemacht werden, in welchem das Objekt 69 angeordnet ist und Atmosphärendruck am Objekt 69 wird niedrig gehalten. In dem Ziel 12 wird durch den Permanentmagneten 18 ein Magnetfeld erzeugt, um die Elektronen in Drehung zu versetzen, so daß eine Entladung bei niedrigem Druck aufrecht erhalten werden kann. Eine Länge der Elektrode 11 oder des Ziels 12 kann auf 0,7 m gesetzt werden und die Fläche der Öffnung 15, welche einen Auslaß für die Sputterpartikel bildet, wird klein gemacht, so daß das Sputtern bei einem Atmosphärendruck von 0,0133 Pa (10&supmin;&sup4; Torr) oder weniger durchgeführt werden kann. In diesem Fall beträgt die magnetische Flußdichte im Nahbereich der Elektrode 11 des Ziels 12 0,02 T (200 Gauss) oder mehr, wenn der Permanentmagnet 18 verwendet wird.
In Fig. 5 sind das Ziel 12 und die Elektrode 11 vom Isolator 14 bedeckt, wohingegen das Ziel und der Isolator in der Kombination gemäß Tabelle 1 unter Verwendung einer Wechselstrom-Typ- oder Gleichstrom-Typ-Energieversorgung als Energieversorgung verwenden werden können.
Wenn weiterhin nicht ausreichend Raum zum Einbau einer Sputtervorrichtung vorhanden ist, um ein langes Objekt in der Sputtervorrichtung zu besputtern, können die Elektrode 11 und das Ziel 12 stufenförmig ausgebildet werden, wie in Fig. 4 gezeigt, um das lange Objekt einzubringen. Dies ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung. Die Bewegungsrichtungen der Sputterpartikel können durch den Aufbau einer Sputtervorrichtung gemäß Fig. 7 geändert werden.
Fig. 8 ist eine Seitenansicht einer Sputtervorrichtung mit einer Ionenquelle, welche integral hiermit kombiniert ist, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Wie bei der Ionenquelle mit der Sputtervorrichtung mit dem Aufbau gemäß den Fig. 1, 2, 4, 5 und 6, so kann die Ionenquelle mit der Sputtervorrichtung und dem Aufbau gemäß Fig. 8 die Richtung der Ionen und der Sputterpartikel neigen, um auf einem langen Objekt eine dünne Schicht auszubilden.
Bei der Sputtervorrichtung mit der integral hiermit kombinierten Ionenquelle kann die Ionenbestrahlung und die Sputterpartikelbestrahlung gleichzeitig aus der gleichen Richtung erfolgen und ein Relativwinkel der Bestrahlungsachsen von Ionen und Sputterpartikeln kann immer festgelegt werden, so daß geeignete Filmausbildungszustände erhalten werden können. Da weiterhin der Ionenauslaß der Ionenquelle und der Sputterpartikelauslaß der Sputtervorrichtung so angeordnet sind, daß sie in gleiche Richtung weisen, treten keine Sputterpartikel in die Ionenquelle ein und die Ionenquelle wird nicht verunreinigt. Die Vakuumabdichtvorrichtung, die Kühlvorrichtung oder die Anodenelektrode 13 können gemeinsam benutzt werden.
Die Ionenquellen und die Sputtervorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung sind separat voneinander verwendbar. Die Sputtervorrichtung mit der hiermit integral kombinierten Ionenquelle gemäß der vorliegenden Erfindung sind jedoch vorteilhaft für ein langes Objekt geeignet, da die Strahlungsöffnungen der Ionenquelle und der Sputtervorrichtung einander benachbart und integriert ausgebildet sind.

Claims

1. Eine Ionenquelle zum Extrahieren von Ionen aus einem Entladungsplasma, mit:

einer Kathode (53) und einer Anode (13) oder zwei Elektroden (53, 13) in einem Vakuum; einer Gaszufuhrvorrichtung zur Zufuhr von Gas in das Vakuum; einer Gleichstrom- oder Hochfrequenz-Energieversorgung, die mit der Kathode (53) und der Anode (13) oder den Elektroden (53, 13) verbunden ist; einer Ionen-Extrahierelektrode (55) zum Extrahieren von Ionen aus einem zwischen der Kathode (53) und der Anode (13) oder den zwei Elektroden (53, 13) erzeugten Entladungsplasma, um Ionen auf ein Objektsubstrat zu liefern,

dadurch gekennzeichnet, daß:

die Kathode oder Elektrode (53) einen Hohlraum hat;

die Gaszufuhrvorrichtung an der Kathode oder Elektrode (53) als Gaseinbringöffnung (58) zum Einbringen von Gas in den Hohlraum angeordnet ist; die Kathode oder Elektrode (53) einen Ionen-Extrahierauslaß (54) aufweist zum Extrahieren von Ionen aus dem Hohlraum durch deren Anziehung unter Verwendung der Ionen-Extrahierelektrode (55); und die Ionen- Extrahierelektrode (55) und eine Beschleunigungselektrode (56) schräg gegen die Richtung der Achse des Ionen-Extrahierauslasses (54) angeordnet sind, so daß die Ionen den Ionenauslaß schräg verlassen.

2. Eine Sputtervorrichtung mit:

zwei Elektroden (11, 13) in einem Vakuum; einer Gaszufuhrvorrichtung zur Zufuhr von Gas in das Vakuum; einer Gleichstrom- oder Hochfrequenz-Energieversorgung, die mit den Elektroden verbunden ist, um in dem Vakuum eine elektrische Entladung zu erzeugen; und einem Ziel (12), das zwischen den Elektroden (11, 13) angeordnet ist, wobei Elektronen in der elektrischen Entladung auf das Ziel (12) auftreffen, um einen Sputter-Effekt zu bewirken, so daß Sputter-Partikel auf einem Objektsubstrat (20) abgeschieden werden

dadurch gekennzeichnet, daß:

das Ziel (12) als langgestrecktes Band ausgebildet ist und eine Seite hiervon einer Elektrode (11) der Elektroden (11, 13) gegenüberliegt, wobei: die andere Elektrode (13) das Ziel (12) umschließt, so daß die andere Seite des Ziels und die andere Elektrode (13) einen schachtelförmigen Raum (17) bilden; der Raum (17) eine enge, schlitzförmige Auslaßöffnung (15) hat; die Elektrode (11) und das Ziel (12) stufenartig angeordnet sind, so daß die Sputter-Partikel die Öffnung (15) schräg zur Senkrechtenrichtung der Öffnung verlassen; und

daß Permanentmagnete (18) nahe der einen Elektrode (11) angeordnet sind, so daß der Bewegung der Elektronen nahe dem Ziel eine Drehbewegung überlagert wird.

3. Eine kombinierte Vorrichtung aus einer Sputtervorrichtung und einer Tonenquelle,

dadurch gekennzeichnet, daß:

die Sputtervorrichtung eine Vorrichtung nach Anspruch 2 ist;

die Ionenquelle eine Quelle nach Anspruch 1 ist; und

daß sie aufeinander angeordnet sind, so daß die Sputter-Partikel von der Sputtervorrichtung und Ionen von der Ionenquelle auf eine Oberfläche eines Objektsubstrates aus im wesentlichen gleichen Richtungen abgestrahlt werden.