DE1765625A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung duenner Schichten durch Kathodenzerstaeubung - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung duenner Schichten durch Kathodenzerstaeubung

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    • C23C14/354Introduction of auxiliary energy into the plasma
    • C23C14/355Introduction of auxiliary energy into the plasma using electrons, e.g. triode sputtering

Description

DR.-ING. VONKREISLER DR.-ING. SCHÖNWALD 1765625 DR.-!NG. TH. MEYER DR. FUES
KOLNI1DEICHMANNHAUs
1968
j Seh-Sg/pa
SOCIETE AtSACIENNE DE CONSTRUCTIONS ATOMIQUES, DE TELECOMMUNICATIONS ET D'ELSCTRONIQUE n ALCATEL" 32, rue de Lisbonne - Paris (Prankreich)
Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung dünner Schichten durch K^rftäb
Die Erfindung besieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Hera teilung dünner Schichten durch Katodenaerstäubung.
1 '■■■■■ -
Man hat seit langem vorgeschlagen« die Katodenzerstäubung zur Herstellung von Ablagerungen auf einzelnen Körpern oder Flächen zu verwenden. Die ältesten Verfahren dieser Art bestehen darin, eine aus den Pulvermaterial in noch nicht pulverisiertem Zustand bestehende Κα%&§ zu verwenden und dieses Material über «in leitendes Medium auf eine gegenüberliegende'Anode zu übertragen. Das leitende Medium kann ein Inertes Gas sein, das durch die sich von der Kathode zur Anode bewegenden Elektronen Ionisiert worden ist. Derartige Verfahren benötigen große Energiemengen, da sie mit einer kalten Kathode arbeiten. Dadurch wird es nötig, Spannungen von mehreren 1000 Volt aufzubringen, um einen hinreichenden Elektronenstrom zwIschen Kathode und Anode zu erreichen. Desweiteren wird bei dieser Art der Entladung ein ziemlich hoher Gas-
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druck (0,01 bis 0,1 ma Quecksilber) benötigt.
Eine erste Verbeserung des bekannten Verfahrene, die es erlaubt die zur Bildung des Ionenflusses benötigte Energie herabzusetzen, besteht darin, eine geheiste Kathode SU Verwenden. Es reicht nunmehr ein· geringere Beschleunigungsspannung für die Elektronen von 100 Volt zwischen Anode und Kathode aus, um die Elektronen austreten su lassen. Bei einen derartigen Aufbau sind die Quelle für die das Gas ionisierenden Elektronen und die Quelle für das zu pulverisierende Material voneinander verschieden. Das zu pulverisierende Material wird einer Prallscheibe entnommen, die mit den sieh zwischen Kathode und Anode bildenden Ionen beschossen wird* Die Zonen werden von der Prallacheibe beschleunigt.
Un dl· Elektronendichte in des zu ionisierenden Gas zu vergrößern« hat man weiterhin vorgeschlagen, eine röhrenförmige Anode vor einem auf hohe Temperatur gebrachten Draht anzuordnen und in der röhrenförmigen Anode ein parallel zur Achse der Röhre verlaufendes magnetisches Feld aufzubauen. Die Elektronen und die so entstandenen Ionen folgen dabei schraubenförmigen Flugbahnen, um die Achs· der Elektrode. Um den Ionieationsgrad des Gases noch mehr zu erhöhen, hat man an der röhrenförmigen Elektrode ein· zweit· Elektrode von Hingform zum Herausziehen der Elektronen vorgesehen. Diese zweite Elektrode liegt gegenüber der röhrenförmigen Elektrode auf negativem Potential. Sie stößt die Elektronen zur röhrenförmigen Elektrode zurück und leitet dl« Ionen gegen die Prall-8cheibe,die bombardiert werden soll. Auf diese Weise erhält »an eine ausgezeichnete Konzentration von Elektronen innerhalb des Baumes der röhrenförmigen Elektrode und einen Ionenfluß von erhöhter Dichte am Ausgang der zweiten
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Elektrode. Der βο erhaltene ElektronenfluB hat jedoch die Tendens auaeinandersulaufen,und es ist notwendig, weitere Elektroden vorsusehen, um ihn parallel oder konvergent su halten· Die Vorrichtungen, die dam nötig sind» um ein derartiges Verfahren su realisieren, werden ebenfalls kompliziert, insofern, als es nun erforderlich ist, die Spannungen und die Lagen der Elektroden relativ sueinander sorgfältig einzustellen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren sur Herstellung dünner Schichten durch Kathodenzerstäubung su schaffen, das die Nachteller der bekannten Verfahren vermeidet * und bei dem im wesentlichen ein neutrales Plasma verwendet wird, das in der Form eines parallelen und beständigen Bündels transportiert werden kann. Die Entfernung von der Quelle soll dabei größere Abmessungen einnehmen können, ohne das es nötig ist, komplislerte Montagen an den Elektroden durchzuführen» Diese Aufgabe wird erfindungsgemäS dadurch gelitet, d&ß das zu pulverisierende Material einer Prallscheibe entnommen wird, dag in einer Entfernung von der Pralle cheibe unter Vakuum ein im wesentlichen neutrales Plasma von der Form eines länglichen Bündels erseugt wird, dafr in an sich bekannter Weise ein inertes Gas durch ein Bündel von Elektronen-Strahlen ionisiert wird, daß die Elektronen einem von einer röhrenförmigen in der Nähe eines Lochsehirmes angeordneten Anode erzeugten elektrischen Feld und einem parallel sur Anodenachse und sur Prallscheibe verlaufenden magnetischen Feld ausgesetzt sind, daß die Prallscheibe an negativem Potential liegt, derart, daß das FlasmabÜndel die Prallscheibenoberfläche abträgt, und daß das su Überziehende Objekt in unmittelbarer Hähe der Oberfläche, dieser gegenüberstehend, angebracht wird.
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Ein charakteristischer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß in einer Kammer des evakuierten Raumes das neutrale Plasma gebildet werden kann, wMhrend dl« Prallscheibe in einer anderen Kammer angebracht 1st, in der ein noch stärkeres Vakuum herrscht.
Es ist leicht möglich, die positiven Ionen aus dem Plasma herauszuziehen und sie zu beschleunigen, um sie auf die Prallacheibe auftreffen zu lassen, indem die Profilscheibe an ein negatives Potential von einigen iOO Volt gelegt wird.
Ein Teil der vom Heizdraht auegesandten Elektronen, der die Öffnung des Lochschirmes passiert, befindet sich nicht In der NHhe der röhrenförmigen Anode und vermischt sich mit dem Strom der positiven Ionen, z.B. Argon-Ionen. Auf diese Welse erhält man außerhalb der röhrenförmigen Elektrode ein neutrales Plasma, welches aus Elektronen und positiven Ionen gebildet 1st. Dieses Plasma hat die Form eines Bündels oder Strahles. von nur geringer Querausdehnung.
Die von der röhrenförmigen Anode abgesonderten Elektronen führen in bekannter Welse eine Schraubenförmige Bewegung aus, die von dem zwischen dem Heizdraht und der röhrenförmigen Anode, die gegenüber dem Heizdraht an positivem Potential liegt,und dem parallel zur Achse der röhrenförmigen Anode verlaufenden magnetischen Feld hervorgerufen wird. Das magnetische Feld wird vorteilhaft mit einer außerhalb der evakuierten Kammer angebrachten Spule erzeugt.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren enthält der evakuierte Baum zwei Kammern. Diejenige Kammer, in der das Plasma gebildet wird, 1st mit der die Prallscheibe enthaltenden Kammer durch eine Öffnung mit verhältnismäßig kleinen
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Abmessungen verbunden, die hinreichend groß let, ton das Plasmabündel frei hindurchtreten zu lassen.
Die Erfindung zeigt noch weitere Möglichkeiten der Verbesserung der bekannten Verfahren. Mit ihrer Hilfe kann man Schichten mit einsr Dicke von einigen 10 /a. pro Stunde aufbringen, während die bekannten Verfahren nur Werte in der Größenordnung von 2 bis 2 /u pro Stunde lieferten.
Als Pulverisiermaterial kann man Silber, Nickel, Titan, Tantal oder andere Substanzen verwenden, die sich dazu eignen, dünne Schichten au bilden. Die zu überziehenden Objekte können beliebiger Art sein und insbesondere aus Isoliermaterial bestehen, um Schaltkreise mit dünnen Schichten herzustellen. Das zur Bildung des Plasmas verwendete Inertgas kann vorzugsweise Argon sein.
Im folgenden werden zwei Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgeraäßen Verfahrens, beispielsweise, unter Bezugnahme auf die Figuren, näher erläutert.
Pig. 1 zeigt die erste Vorrichtung zur Durchführung des erflndungsgemäflen Verfahrens und
Fig. 2 die zweite Vorrichtung, welcher in der Praxis die größere Bedeutung zukonaiit.
In Fig. i ist mit i ein abgeschlossener evakuierter Raum bezeichnet; der Heizdraht 2 wird durch Stromwärme durch die Leitungen 2a, 2b bis auf eine Temperatur von 2000 bis 3000 °c erhitzt. Der Heizdraht 8 ist in dem gekrümmten Rohr 5 angebracht, de& durch ein Umlaufsystem 4 mit Wasser gekühlt wird. An seiner Oberseite befindet sich ein LochscLtrrn mit dem Loch 5 in der Mitte. Die bei 6b gespeiste
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Anode 6 besteht aus einen an den beiden Stirnselten offenen Kupfggrohr und hat in dem gewühlten Aus fUhrungsbeispiel ein/Durchmesser von 90 mm und eine Höhe von 150 an. Die Spule 7* die koaxial nun Anodenrohr 6 verläuft» erzeugt in diesem Rohr ein magnetisches Feld von 200 bis 500 GauS. Die Prallsehelbe 8 besteht aus dem xu pulverisierenden Material und 1st an einer Vorrichtung 8a oberhalb des Anodenrohres 6 parallel sur Achse des Anodenrohres in der Nähe dieser Achse aufgehängt. Die Prallsoheibo wird durch den öllcreinlauf 9 rückgekühlt, wenn das Material, aus den sie besteht, die auftretenden Temperaturen nicht aushält· Die zu überziehende Platte 10 ist auf einer Halterung 11 aus nichtrostendem Stahl angebracht, die ihrerseits elektrisch an Masse 11a liegt »Ein Einlaßschieber 12 sorgt für die Einführung inerten Gases, wie b.B. Argon, das durch die Leitung 12a in den Raum 1 eindringt. Eine nicht gezeichnete Ansaugpumpe 1st über Rohr 1? mit den zu evakuierenden Raum verbunden»
Bei dieser Vorrichtung werden die Elektronen vom Heizdraht 2 ausgesandt· Dieser weist eine Temperatur von 25OO 0C auf. Durch das Rohr 3 werden die Elektronen zur Anode 6 geleitet, welche auf einen positiven Potential zwischen 50 und 100 Volt liegt. Das magnetisch· Feld der Spule 7 hat eine Stärke zwischen 100 und 500 Gau3 und verläuft parallel zur Achse der Anode 6. Es dient dazu, die Elektronei zur Anodenachse zurückzuführen, indem es eine Drehung um'diese Achse verursacht· Durch das Ventil 12 tritt Argon unter einem Druok von etwa 10 ·* bis 10 Torr ein. Es findet einen in das Anodenrohr 6 eingebohrten Durchgang und wird von den vom Rohr 5 kommenden Elektronen ionisiert. Wegen der NKh* der Elektronen zur Anode wächst das Verhältnis von ionisierten Argonmolekaien pro Volumeneinheit beträchtlich an. Man erreicht einen lonisatlonsgrad von 25 Ji.
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Die Huh· des Anodenstroines liegt in der Größenordnung von 9Α· Es fHeSt ein lonenatrom von etwa 500 bis 500 mA auf die Prallscheibe von 25 om; das entspricht einer Stromdichte von 12 bis 20 mA/ora2. Der Ionenstrom wird von der Prallscheibe, die auf einem negativen Potential von 800 VoIy, eüngezogen. Wenn das zu pulverisierende Material isolierfolie ist, verwendet nan an der Prallscheibe eine alternierend positive und negative Spannung mit einer Frequenz von 1? bis 20 MHs #um die Prallscheibe, welche durch d Ie Bombardierung mit Ionen pulverisiert wird, durch das Auf treffen von Elektronen zu neutralisieren.
Der Ionenfluß ist in der NHhe der Achse des nodnrohres konzentriert, und die Prallsohelbe ist nahe bei der Achse * parallel zu dieser, angebracht, um eine möglichst hohe Ionenstromdiohte su erzielen» Normalerwelse ist das zu überziehende Objekt in einer Entfernung von höchstens 5 cm von der Prallscheibe angebracht, derart, daB die freie mittlere WeglHnge der GasmolekÜle größer 1st als dies· Entfernung und das dl· pulverisierten Teilchen nicht aus dem Raum zwischen der Prallsoheibc und den zu übersiehenden Objekt nach außen zurückgeworfen werden.
Hit einen solchen Aufbau erhält man eine Ablagerungsgesehwindlgkeit, die fünf- bis zehnmal so groß ist, wie diejenige, die man mit den Siteren Vorrichtungen erzielen konnte.
Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der erflndungsgemäfien Vorrichtung, die eine Reihe von Abwandlungsmögllohkeiten zuläßt.
Der Vakuumraum wird von zwei Kammern 14 und 15 gebildet, dl· durch ein Verbindungselement 16 miteinander in Verbindung stehen. Die Kammer 14 wird durch ein Umlauf sys tem 17 gekühlt und enthält den über die Leitungen 18a, 18b gespeisten Heizdraht 18 und eine die Anode 19 bildende röhrenförmige Elektrode, die bei 19a gespeist wird. Vor dem Heizdraht 18 ist die mit einer axialen öffnung 22a
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▼ersehene Lochblende 22 angeordnet. Eine Magnetspule 20 oder ein Ringmagnet liegt koaxial zum Anodenrohr 19. Das Ventil 21 dient dazu ein Inertes Gas oder ein beliebiges anderes Gas durch das Rohr 21a einzuführen. Die Kaiser 15 1st an Ihrer Oberseite alt einer abnehmbaren Abdeckung 13a verschlossen. Die Kammer 15 enthält eine bei 2Ja angeschlossene Prallscheibe 23* die durch ein mit öl oder Luft gespeistes Umlaufsystera 24 gekohlt wird und eine Halterung 25 für das eu überelehende Objekt 26. An das Rohr 27 der Kammer 25 1st eine nlchtjgeselohnete Ansaugpumpe angeschlossen.
Die Werte der verschiedenen Parameter, wie Helsfadenteraperatur, Anodenspannung, Anodenstroat, Ionenatroradichte, Prallscheibenspannung und aagnetisches Feld liegen in der gleichen Größenordnung wie bei der Vorrichtung nach Fig. 1.
Diese Parameter können sich bei den beiden aufgeführten AusfUhrungsbelspielen etwa in den folgenden Grenzen bewegen:
Heizfadentemperatur 2000 bis 2800 ° c Anodenspannung 50 bis 200 Volt Anodenstrom 1 bis 10 Aiap&re Ionenstroiadichte bis 20 mA./cm Prallscheibenspannung . 600 bis I500 Volt Magnetisches Feld bis 500 Gau3
Die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung erlaubt es, die Strecke,die das das Anodenrohr verlassende neutrale Placna. durchfließt,tu vergrößern und Objekte von einer bestimmten Größe su beschichten* Zu diesen Zweck sind die Kammern JA, 15 einsein aufgebaut, um die Konstruktion eu vereinfachen. Die Kaiamer 14 hat eine Länge, die lsi wesentlichen gleich der Weglänge des Plasmastroioes ist. Das Volumen der Kammer 15 ist so bemessen, da3 auf der Halterung 25 Objekte mit einer relativ großen Oberfläche angeordnet werden
können. 2 0 9 816/1134
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Di* erfindungsgemKße Vorrichtung bietet die folgenden Vorteile: Einerseits kann die das in Längsrichtung
weisende Feld erzeugende Spule nahe an der Achse des Elektrodenrohres angeordnet werden» andererseits kann in der der Pulverisierung dienenden Kammer ein höheres Vakuum aufgebaut werden als in den» Bereich, in dem sich das Plasma bildet. Auf diese Weise erhält man optimale
Bedingungen für die Pulverisierung und gleichzeitig in der röhrenförmigen Elektrode die günstigsten Bedingungen für die Bildung eines Plasmas von hoher Dichte.
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Claims (4)

4ΛntMihM*m*-\ — 10 -· * ■ ·■-' Ansprüohe.
1. Verfahren zur Herstellung dünner Schichten durch Kathodenzerstäubung, dadurch gekennzeichnet, daß das zu pulverisierende Material einer Prallseheibe entnommen wird, daB in einer Entfernung ,von der Prallscheibe unter Vakuum ein im wesentlichen neutrales Plasma von der Form eines längliehen Bündele erzeugt wird, daS in sich bekannter Welse ein Inertes Gas durch ein Bündel von
Elektronenstrahlen ionisiert wird, daS die Elektronen
schirme
einem von einer röhrenförmigen In der Nähe eines Loch-/ angeordneten Anode erzeugten elektrischen Feld und einer parallel zur Anodenachse und zur Prallsehelbe verlaufenden magnetischen Feld ausgesetzt sind^ daB die Prallseheibe an negativem Potential liegt, derart, daB das Plasmabündel die Prallsoheibenoberf lache abträgt, und daB das zu übersiehende Objekt in unmittelbarer Nähe der Oberfläche, dieser gegenüberstehend, angebracht wird·
2· Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1» dadurch gekennzeichnet, das ein aus zwei Kammern (14,15) bestehender abgeschlossener evakuierter Raum vorgesehen 1st, daS beide Kammern durch eine Öffnung geringen Querschnitts verbunden sind, daß die erste Kammer (14) Mittel - vorzugsweise einen Heisdraht (18) zur Bildung eines Im wesentlichen neutralen Plasmas enthält, vor denen wenigstens ein Lochschirm {22} angebracht ist, daB wenigstens eine röhrenförmig· Elektrode (1$) vorgesehen ist, deren Achse durch die Mitte des Lochschirmes (22) und die Mitte des Heizdrahtes (18) führt, daB außerhalb der ersten Kammer (14) ein« »in zur Achse paralleles Magnetfeld erzeugend« elektromagnetische Spule (20) vorgesehen ist, dafl ein der Einführung eines inerten Gases in den Rat» zwischen Loohschirm (22) und röhrenförmiger Blektrode (19) dienende Einlaßöffnung (2ia) angebracht ist, so dafl dl« Öffnung zwisbhea den beiden
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Kammern (14,15) sun Durchtritt des Plasmabündels frei ist, daß die «weite Kammer (15) eine am negativen Potential liegende Prallsoheibe (23) und das su übersiehende Objekt (26) enthalt, daß die Prallsehelbenoberflgehe in die Abtragung durch das Plasnabündel ermöglichender Welse In der Nahe der Achse angebracht 1st, und daß das Objekt (26) in unmittelbarer Nane der Oberfläche (23) - dieser gegenüberstehend - angebracht 1st.
3* Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Prallacheibe (23) an einem Potential von einigen 100 Volt liegt.
4. Vorrichtung nach Anspruch, 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Vakuum la der streiten Kammer (15) schwacher ausgebildet ist, als dasjenige der ersten Kammer (H).
£· Vorrichtung nach eine« der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß beide Kamern (1**15) als einseine Baugruppen ausgebildet und sdt einer Dichtung (16) verbunden sind.
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DE19681765625 1967-06-22 1968-06-21 Kathodenzerstäubungsvorrichtung zum Aufbringen dünner Schichten auf ein Werkstück Expired DE1765625C3 (de)

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DE1765625B2 DE1765625B2 (de) 1976-01-29
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US3616452A (en) 1971-10-26
CH473908A (fr) 1969-06-15
DE1765625B2 (de) 1976-01-29
FR1534917A (fr) 1968-08-02
GB1233404A (de) 1971-05-26

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