DE19711347C2

DE19711347C2 - Coating device based on a cathodic arc

Info

Publication number: DE19711347C2
Application number: DE1997111347
Authority: DE
Inventors: Harald Bolt; Freimut Koch; Hubert Schulz; Juergen Engemann
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1997-03-18
Filing date: 1997-03-18
Publication date: 2000-10-05
Anticipated expiration: 2017-03-19
Also published as: DE19711347A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Be schichtung von Substraten, die einen Behälter, eine Ka thode und Anode zur Erzeugung eines kathodischen Licht bogens, eine Substrathalterung, ein Schild, das zwi schen Kathode und Substrathalterung platziert ist, sowie Spulen zur Fokussierung des Plasmas zum Substrat hin aufweist.The invention relates to a device for loading stratification of substrates, a container, a Ka method and anode for generating a cathodic light bogens, a substrate holder, a sign, the two the cathode and substrate holder is placed, as well as coils for focusing the plasma Has substrate.

Aus DE 32 11 264 C2 ist eine Beschichtungsvorrichtung der vorgenannten Art bekannt. Eine becherförmige Anode ist Teil eines Behälters bzw. Gehäuses, in dem sich das zu beschichtende Substrat befindet. Der Behälter ist so beschaffen, daß in ihm ein Vakuum erzeugt werden kann. Mittels eines kathodischen Lichtbogen wird Kathodenma terial verdampft. Es entsteht ein Plasma, welches zum Substrat gelangt und dessen Teilchen sich dort abscheiden.From DE 32 11 264 C2 a coating device is the known type. There is a cup-shaped anode Part of a container or housing in which the coating substrate is located. The container is like that procure that a vacuum can be created in it. A cathodic arc is used to make the cathode material evaporated. A plasma is created which Reaches substrate and its particles separate there.

Mit der Verdampfung der Kathode entstehen unerwünschte Schmelztröpfchen, oder es lösen sich unerwünschte Par tikel. Die Tröpfchen bzw. die Partikel könnten zum Substrat gelangen und dort Störstellen einbauen. Aus DE 32 11 264 C2 ist bekannt, zur Vermeidung der Ab scheidung dieser Tröpfchen oder Partikel auf dem Substrat ein Schild zwischen Substrat und Kathode zu platzieren. Die kürzeste Verbindung zwischen Kathode und Substrat wird folglich durch das Schild unterbrochen und das Substrat gegenüber der Kathode abgeschirmt. Tröpfchen und Partikel können sich somit nicht mehr un mittelbar auf dem Substrat absetzen. The evaporation of the cathode creates undesirable Droplets of melt, or unwanted par dissolve article. The droplets or the particles could Get substrate and install defects there. Out DE 32 11 264 C2 is known to avoid the Ab separation of these droplets or particles on the A shield between the substrate and the cathode place. The shortest connection between cathode and The substrate is therefore interrupted by the sign and shielding the substrate from the cathode. Droplets and particles can no longer settle indirectly on the substrate.

Am Schild ist ferner eine Spule angebracht. Die Spulen wicklungen verlaufen ringförmig entlang des Schildran des. Ferner befindet sich die Spule auf der Seite des Schildes, die der Kathode abgewandt ist. Die Spule wird so gegenüber der Kathode ebenfalls abgeschirmt.A coil is also attached to the shield. The coils windings run in a ring along the shield edge The coil is also on the side of the Shield facing away from the cathode. The coil will shielded from the cathode.

Bei Stromdurchfluß durch die Spule entsteht ein magne tisches Feld. Das magnetische Feld verläuft ringförmig um die Wicklungen der Spule und wird innerhalb der Spu le fokussiert. Die Fokussierung des magnetischen Feld es liegt verhältnismäßig nahe beim Mittelpunkt des Schil des. Die in der Spule "fokussierten Feldlinien" verlaufen dann in etwa parallel zur Flächennormalen der Fläche des Schildes.A magne occurs when current flows through the coil table field. The magnetic field is ring-shaped around the windings of the coil and is inside the Spu le focused. The focus of the magnetic field there is relatively close to the center of the Schil des. The "focused field lines" run in the coil then roughly parallel to the surface normal the area of the shield.

Mittels des magnetischen Feldes wird das Plasma einer seits um das Schild herumgelenkt. So soll erreicht wer den, daß sich zwar die freigesetzten Tröpfchen und Par tikel, nicht aber Plasmateilchen auf dem Schild absetzen.The plasma becomes a by means of the magnetic field turned around the shield. So who should be reached the fact that the released droplets and par place particles, but not plasma particles on the shield.

Andererseits hat die "Fokussierung der Feldlinien" zur Folge, daß die Plasmateilchen nicht nur um das Schild herumge führt werden, sondern überwiegend auch entlang der "fokussier ten" Feldlinien auf das Schild gelangen.On the other hand, "focusing the field lines" has As a result, the plasma particles are not just around the shield leads, but mostly also along the "focus field lines on the sign.

Aus der Druckschrift US 5 282 944 ist ferner eine Vorrichtung zur Beschichtung eines Substrats bekannt, die eine als Quelle für Ionen bzw. Elektronen fungierende Kathode umfaßt. Die Katho de ist innerhalb einer Vakuumkammer angeordnet. Spulen sind außerhalb der Vakuumkammer sowie im Bereich der Kathode vorgesehen, um die Ionen in definierter Weise innerhalb der Kammer zu lenken. Zwischen der Kathode und dem Substrat befindet sich ferner eine Abschirmung.From the publication US 5 282 944 is also a device for coating a substrate known as a Source for ions or electrons functioning cathode comprises. The Katho de is arranged within a vacuum chamber. Do the washing up are outside the vacuum chamber as well as in the area of Cathode provided to the ions in a defined way to steer within the chamber. Between the cathode and there is also a shield on the substrate.

Aus der Druckschrift US 5 126 030 ist eine weitere Vorrichtung zur Beschichtung eines Substrats bekannt, die eine Ka thode und Anode zur Erzeugung eines kathodischen Licht bogens innerhalb einer Kammer umfaßt. Zumindest eine Spule ist außerhalb der Kammer vorgesehen, um Ionen ge eignet zum Substrat zu lenken.Another device is known from the publication US Pat. No. 5,126,030 for coating a substrate known that a Ka method and anode for generating a cathodic light arc within a chamber. At least one Coil is provided outside the chamber to ge ions suitable to direct to the substrate.

Aufgabe der Erfindung ist die gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Abschirmung von Substraten vor aus der Kathode austretenden Tröpfchen und größeren Teilchen.The object of the invention is that which is improved compared to the prior art Shielding substrates from out of the Droplets emerging from the cathode and larger particles.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkma len des Patentanspruchs gelöst.The task is accomplished by a device with the characteristics len solved the claim.

Die Erfinder haben erkannt, daß zumindest zwei, geeig net platzierte Spulen erforderlich sind, um eine Ab scheidung des Plasmas auf dem Schild oder auf den Spu len zu verhindern. Hierdurch läßt sich eine wesentliche Steigerung der Beschichtungsrate bei gleichzeitiger Vermeidung der Partikelkontamination erzielen. Es wer den fehlerarme Dünnschichten mit hohen Abscheideraten abgeschieden.The inventors have recognized that at least two, suitable net placed coils are required to make an ab separation of the plasma on the shield or on the spu to prevent len. This allows an essential one Increase in the coating rate with simultaneous Avoid particle contamination. It who the low-error thin films with high deposition rates deposited.

Insbesondere ist neben den aus dem Stand der Technik bekannten Merkmalen eine zusätzliche Spule vorgesehen, die ein derartiges magnetisches Feld zu erzeugen vermag, das das Plasma vom Mittelpunkt des Schildes weglenkt. Nachteilige, beim genannten Stand der Technik auftretende Plasmateilchenabscheidungen im oder nahe dem Mittelpunkt des Schildes werden so vermieden.In particular, in addition to the features known from the prior art an additional coil is provided, which is such magnetic field that can generate the plasma directs away from the center of the shield. Disadvantageous, occurring in the prior art mentioned Plasma particle deposits at or near the center of the Shield are avoided.

Beispielsweise reicht die zusätzliche Spule zumindest teilweise in das Innere der ersten ringförmig ausge stalteten Spule hinein. Einerseits lassen sich so die gewünschten Magnetfelder erzeugen, und es ist anderer seits sichergestellt, daß die zusätzliche Spule eben falls gegenüber der Kathode abgeschirmt und folglich vor Abscheidungen geschützt ist.For example, the additional coil is at least sufficient partially ring-shaped inside the first put the coil into it. On the one hand, the generate desired magnetic fields and it is different ensures that the additional coil is even if shielded from the cathode and consequently is protected from depositions.

Die gewünschten Magnetfelderlassen sich sowohl über den Stromfluß als auch über die Lage und Form der Spu len steuern. Beispielsweise ist es von Vorteil, die zu sätzliche Spule länglich auszugestalten. Der Spulen durchmesser ist dann kleiner als die Länge der Spule. Ferner ist, es von Vorteil, die zusätzliche Spule näher am Schild zu plazieren als die erste Spule, um so auf einfache Weise zum gewünschten Magnetfeld zu gelangen. The desired magnetic fields can be the current flow as well as the location and shape of the spu len control. For example, it is beneficial to additional coil elongate. The coils diameter is then less than the length of the coil. Furthermore, it is advantageous to move the additional coil closer to be placed on the shield as the first spool so as to easy way to get to the desired magnetic field.

Die im Inneren der zusätzlichen Spule bei Stromfluß vorliegenden, "fokussierten magnetischen Feldlinien" ver laufen dann in etwa senkrecht zur Flä chennormalen der Schildfläche. Die Magnetfelder der beiden Spulen addieren sich dann derart, daß eine Fo kussierung - mit anderen Worten eine Zentrierung - der magnetischen Feldlinien in Richtung des Zentrums des Schildes vermieden wird. Das Zusammenwirken der beiden Spulen hat daher zur Folge, daß das Plasma praktisch vollständig um das Schild herumgeführt wird. Hohe Ab scheidungsraten des Plasmas können so auf einem in der Substrathalterung eingespannten Substrat trotz des abschirmenden Schildes erreicht werden.The inside of the additional coil when current flows present, "focused magnetic field lines" ver then run approximately perpendicular to the surface normal of the shield surface. The magnetic fields of the the two coils then add up in such a way that a Fo kissing - in other words centering - the magnetic field lines towards the center of the Shield is avoided. The interaction of the two Coils therefore have the consequence that the plasma is practical is completely led around the sign. High Ab separation rates of the plasma can be so in a Substrate holder clamped substrate despite the shielding shield can be reached.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind weitere Spulen vorzugsweise außerhalb des Vakuumbehäl ters vorgesehen. Diese fokussieren mittels ihrer bei Stromfluß vorliegenden Magnetfelder das Plasma hinter dem Schild sowie vor dem Substrat bzw. der Substrathal terung. So soll sichergestellt werden, daß das Plasma nach seiner durch das Schild verursachten Aufweitung hinter dem Schild wieder zusammengeführt wird. Im zu sammengeführten Zustand gelangt das Plasma dann zwecks Abscheidung der in ihm transportierten Teilchen zum Substrat. Der Wirkungsgrad bezüglich der Abscheidung auf dem Substrat wird so gesteigert.In an advantageous embodiment of the invention further coils preferably outside the vacuum container ters provided. These focus by means of their Current flow present magnetic fields the plasma behind the shield and in front of the substrate or the substrate neck ture. This is to ensure that the plasma after its expansion caused by the shield is merged behind the sign. Im too The plasma is then brought together for the purpose Separation of the particles transported in it to the substrate. The efficiency regarding the deposition on the substrate is so increased.

In einer Ausführungsform sind die vorgenannten weiteren Spulen kreisförmig ausgestaltet. Die Wicklungen verlau fen insbesondere um den Behälter herum. Die im Inneren der weiteren Spulen verursachten Magnetfelder verlaufen dann parallel zur Flächennormalen der zu beschichtenden Substratoberfläche.In one embodiment, the aforementioned are further Coils designed circular. The windings are clear in particular around the container. The inside of the other coils caused magnetic fields then parallel to the surface normal of the surface to be coated Substrate surface.

Die Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine schematisch dargestellte anspruchsgemäße Vorrichtung. Zwischen ei ner Kathode 1 und einem in einer Substrathalterung be findlichen Substrat 2 ist ein Schild 3 plaziert. Das Schild 3 schirmt das Substrat 2 gegenüber der Kathode 1 ab. Partikel und Tröpfchen, die sich von der Kathode bei einer Lichtbogenentladung lösen, können folglich nicht oder zumindest kaum in unerwünschter Weise zum Substrat ge langen. Fig. 1 shows a section through a schematically illustrated device according to the claims. A shield 3 is placed between a cathode 1 and a substrate 2 which is sensitive to a substrate holder. The shield 3 shields the substrate 2 from the cathode 1 . Particles and droplets that detach from the cathode during an arc discharge cannot, or at least hardly, reach the substrate in an undesirable manner.

Benachbart zum Schild 3 ist eine Spule 4 angeordnet. Die Wicklungen der Spule 4 verlaufen ringförmig entlang des Schildrandes. Ferner befindet sich die Spule 4 auf der Seite des Schildes 3, die der Kathode 1 abgewandt ist. Die Spule 4 wird so gegenüber der Kathode 1 abge schirmt.A coil 4 is arranged adjacent to the shield 3 . The windings of the coil 4 run in a ring along the edge of the shield. Furthermore, the coil 4 is located on the side of the shield 3 which faces away from the cathode 1 . The coil 4 is shielded against the cathode 1 abge.

Bildlich betrachtet umkreisen ringförmige, magnetische Feldlinien 5 bei Stromfluß die Wicklungen der Spule 4. Das Plasma wird ins besondere durch die magnetischen Felder der Spule 4 am Schild vorbeigelenkt.Viewed figuratively, annular magnetic field lines 5 circle the windings of the coil 4 when current flows. The plasma is directed in particular by the magnetic fields of the coil 4 past the shield.

Eine Spule 6 befindet sich - von der Kathode 1 aus gesehen - ebenfalls hinter dem Schild 3. Diese ist länglich ausgestaltet und näher am Schild plaziert, als dies bei der Spule 4 der Fall ist. Die zusätzliche Spule 6 reicht teilweise in die Spule 4 hinein.A coil 6 is - seen from the cathode 1 - also behind the shield 3 . This is elongated and placed closer to the shield than is the case with the coil 4 . The additional coil 6 extends partially into the coil 4 .

Bei Stromfluß bilden sich - bildlich betrachtet - um die Wicklungen der längli chen Spule 6 herum verlaufenden Feldlinien 7 aus. Diese verhindern insbesondere, daß Plasmateilchen ins Zentrum des Schildes gelangen. Bei Fehlen der Feldlinien 5 würden Plasmateilchen z. B. in das Innere der Spule 6 oder an die seitlich am Schild 3 angebrachten Begrenzungen ge langen können. Erst das Zusammenwirken zweier Spulen bzw. der magnetischen Felder 5 und 7 sorgt für eine vollständige Abschirmung des Schildes und der Spulen gegenüber dem Plasma.With current flow - figuratively speaking - form around the windings of the elongated coil 6 around field lines 7 . In particular, these prevent plasma particles from reaching the center of the shield. In the absence of field lines 5 , plasma particles would e.g. B. in the interior of the coil 6 or to the side of the shield 3 limits ge long. Only the interaction of two coils or the magnetic fields 5 and 7 ensures complete shielding of the shield and the coils from the plasma.

Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde auf eine voll ständige Darstellung der Vorrichtung in der Figur ver zichtet.For the sake of clarity, a full constant representation of the device in the figure ver ceases.

Claims

Coating device based on a cathodic arc with a direct connection between the cathode ( 1 ) and the substrate ( 2 ) arranged shield ( 3 ) and a first, between this and the substrate ( 2 ) arranged coil ( 4 ), the axis runs parallel to the cathode / substrate connecting path, a second coil ( 6 ) being arranged in the region of the first, the axis of which runs essentially perpendicular to that of the first coil ( 4 ).