DE19756162A1

DE19756162A1 - Sputtereinrichtung

Info

Publication number: DE19756162A1
Application number: DE1997156162
Authority: DE
Inventors: Dietmar Dipl Phys Dr R Schulze; Guenther Dipl Phys Dr Beister; Wolfgang Dipl Ing Erbkamm; Johannes Dipl Phys Struempfel
Original assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Current assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Priority date: 1997-12-17
Filing date: 1997-12-17
Publication date: 1999-07-01
Anticipated expiration: 2017-12-18
Also published as: DE19756162C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Sputtereinrichtung mit zwei neben einander auf einem Trägerkörper angeordneten längserstreckten Magnetrons mit je einem auf einer Targetebene liegenden Tar get, zwischen denen eine Trennwand aus weichmagnetischem Mate rial angeordnet ist und die mit einer abstandsweise angeordne ten, die Targetoberfläche freigebenden Dunkelfeldabschirmung umgeben sind, und einer Gaszuführeinrichtung, welche mit einer Reaktiv- und/oder Inertgasquelle verbunden ist.

Derartige Doppelmagnetron-Sputtereinrichtungen werden in zu nehmendem Maße insbesondere zur Abscheidung von isolierenden Schichten, beispielsweise SiO₂-Schichten, eingesetzt. Sie bestehen üblicherweise aus zwei ebenen längserstreckten Magne trons, die jeweils eigene Magnet- und Kühlsysteme aufweisen und die elektrisch voneinander getrennt in einer Ebene an geordnet sind.

Aus dem deutschen Patent DD 2 52 205 ist es bekannt, daß bei derartigen Doppelmagnetron-Sputtereinrichtungen die beiden Magnetrons jeweils mit einem Pol einer Wechselspannungsquelle oder einer bipolar gepulsten Spannungsquelle verbunden werden. Im Betriebs falle wechseln die Polaritäten der beiden Magne trons gegenseitig, so daß während einer Periode das eine Ma gnetron als Kathode wirkt und gesputtert wird, während das zweite die Funktion einer Anode übernimmt und sich diese Funk tion in einer nachfolgenden Periode umkehrt usw.

In der deutschen Patentanmeldung 196 17 057.5-33 ist eine Doppelmagnetron-Sputtereinrichtung bekannt, die zur weitgehen den magnetischen Entkopplung der einzelnen Magnetrons vonein ander die Anordnung einer Trennwand aus weichmagnetischem Material zwischen den Magnetrons vorsieht.

Aus der Veröffentlichung von S. Kadlec, J. Musil und J. Vyskoil in J. Vac. Sci. Technol. A8(3), Mai/Juni 1990 ist es bekannt, daß ungleichmäßige Gasverteilungen, speziell der Reaktivgaskomponenten bei reaktiven Sputterprozessen, zu Stö rungen der Targetbedeckungen mit Reaktionsprodukten führt, die ungleichmäßigen Targetabtrag, unerwünschte Targetvergiftung und Veränderungen der Schichtzusammensetzungen nach sich zie hen und möglichst vermieden werden sollten.

Eine entscheidende Voraussetzung für die Gleichmäßigkeit der Schichteigenschaften und der Schichtdicke bei reaktiv gesput terten Schichten ist die sehr genau und reproduzierbare Steue rung der Gasverteilung, speziell der Reaktivgasverteilung. Wie aus der europäischen Patentanmeldung 0 502 242 und der deut schen Patentanmeldung 44 12 571 bekannt ist, werden Verteil errohre mit Austrittsöffnungen bzw. Austrittsdüsen mit de finiertem Strömungswiderstand für das Gas bzw. die Gase rund um die gesamte Magnetkonfiguration gelegt oder parallel zu den Längsseiten des Magnetrons in der Targetebene angeordnet. Diese bekannten technischen Lösungen besitzen allerdings den Nachteil, daß insbesondere bei Doppelmagnetron-Sputterein richtungen, bei denen die beiden Targets eine teilweise erheb liche Gesamtbreite besitzen, die Gasverteilung quer zur Rich tung der Verteilerrohre sehr ungleichmäßig ist.

Außerdem hat es sich bei Doppelmagnetron-Sputtereinrichtungen gezeigt, daß infolge der sehr komplexen elektrischen und ma gnetischen Feldkonfiguration in einigen Bereichen eine deut lich höhere Sputterrate auftritt, die eine gleichfalls erhöhte Gaseinlaßmenge an diesen Stellen erforderlich macht. Bei den bekannten Gaszuführungen ist eine angepaßte Dosierung der Gasmenge an die jeweilige Sputterrate nicht zu erreichen.

Die bekannten Gaszuführungssysteme erfordern bei großen Magne trons von einigen Metern Länge außerdem eine konstruktive Trennung des Gaseinlaßsystems von dem Magnetron, was zu einem erhöhten Montage- und Demontage- und Wartungsaufwand führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Doppel magnetron-Sputtereinrichtungen eine Gaszuführung vorzusehen, die einer seits einen einfachen und kompakten Aufbau aufweist und ande rerseits eine einstellbare Gasverteilung zuläßt.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Trennwand über die gesamte Länge des Magnetrons aus mindestens einem ersten Hohlprofil aus weichmagnetischem Eisen besteht. Im Inneren des Hohlprofils ist die Gaszuführungseinrichtung angeordnet. In der Oberfläche des Hohlprofils sind Öffnungen angeordnet, die einen zumindest mittelbarem Gasaustritt in die Prozeßkammer zulassen.

Durch eine derartige Anordnung wird die Gaszuführeinrichtung in das Doppelmagnetron integriert, wodurch einerseits die Gaszuführung direkt an den Magnetrons erfolgen kann und be reits dadurch besser steuerbar ist und die andererseits durch die Doppelfunktion des Hohlprofils, nämlich als Trageelement für die Gaszuführungseinrichtung und als magnetisch entkop pelnde Trennwand, zusätzliche Bauelemente eingespart werden können, die einen erhöhten Montage- und Demontageaufwand mit sich bringen würden.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Hohlprofil durch zumindest eine Zwischenwand in mindestens zwei gegeneinander abgedichtete Bereiche geteilt ist. Je Be reich ist eine gesonderte Gasversorgungsleitung im Inneren des Hohlprofils geführt und mit je einem äußeren Gasanschluß zur Verbindung mit einer Reaktivgas- und/oder Inertgasquelle ver sehen.

Durch diese Bereichsaufteilung wird es möglich, daß in der Längserstreckung des Magnetrons unterschiedliche Gasmengen zugeführt werden, wodurch die insbesondere bei Doppelmagne trons auftretenden unterschiedlichen Sputterraten durch unter schiedlichen Gasstrom kompensiert werden können.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß über die gesamte Länge des Magnetrons ein zweites Hohl profil mit dem ersten Hohlprofil verbunden ist. Dieses zweite Hohlprofil bildet zusammen mit dem ersten Hohlprofil die Trennwand. Zwischen dem ersten und dem zweiten Hohlprofil sind Gasverteilungsdüsen vorgesehen und in dem zweiten Hohl profil an den den benachbarten Magnetrons zugewandten Seiten flächen mehrere Gasaustrittsöffnungen zum unmittelbaren Gas austritt in die Prozeßkammer eingebracht.

Das zweite Hohlprofil dient bei dieser Ausführungsform als ein zusätzlicher Gasverteilungskanal, der seinerseits ein separa tes Bauteil darstellt und leicht ausgewechselt werden kann. Somit kann dieses zweite Hohlprofil in einfacher Art und Weise durch Veränderungen der Gasaustrittsöffnungen an die erforder lichen Gasführungsmengen angepaßt werden, ohne dabei das erste Hohlprofil mit der gesamten Gaszuführungseinrichtung demontie ren zu müssen.

Werden verschiedene Reaktivgase eingesetzt, kann außerdem in diesem zweiten Hohlprofil eine weitere bessere Vermischung der Reaktivgaskomponenten eintreten.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Gaszuführungseinrichtung nur mit einer Reaktivgasquel le verbunden ist. Zur eventuellen Einleitung eines Inertgases ist eine zweite Gaszuführungseinrichtung vorgesehen, die mit der Inertgasquelle verbunden ist und deren Gasaustritt au ßerhalb der Dunkelfeldabschirmung liegt.

Durch eine derartige Trennung zwischen der Gaszuführung von Reaktivgas und der Gaszuführung von Inertgas ist es möglich, den Inertgasstrom konstant zu halten und nur den Reaktivgas strom den jeweiligen Prozeßbedingungen anzupassen und damit zu regeln.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Gasauslaßöffnungen über die Länge des oder der Hohl profile äquidistant gleich verteilt sind und einen gleichen Durchmesser aufweisen. Durch eine derartige Anordnung wird eine über die Länge des Doppelmagnetrons gleichmäßige Gasver teilung erzielt. Alternativ dazu ist es möglich, in den Berei chen, in denen bei Magnetrons lokale höhere Zerstäubungsraten auftreten, größere Durchmesser und/oder geringere Abstände der Gasauslaßöffnungen zu wählen. Dabei wird genau in diesen Be reichen die Gasausströmmenge entsprechend der erhöhten Sput terrate eingestellt und damit die erhöhte Sputterrate kompen siert.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Gasaustrittsöffnungen einen größeren Durchmesser auf weisen als die Gasverteilungsdüsen. Damit wird eine Verringe rung der Strömungsgeschwindigkeit des einzuleitenden Gases oder Gemisches erzielt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Gasaustrittsöffnungen von der Targetebene in Richtung zum Trägerkörper mit einem Abstand angeordnet sind. Dies hat den Vorteil, daß das einzuleitende Gas in den Raum zwischen der Trennwand und dem Magnetron strömt und somit unmittelbar die Targetoberfläche umspült.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß das Hohlprofil und/oder die Hohlprofile eine Wandstärke aufweisen, die eine magnetische Sättigung vermeiden.

Eine weitere Variante der Erfindung besteht darin, das oder die Hohlprofile elektrisch floatend anzuordnen oder mit Masse potential zu verbinden.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbei spieles näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Sputter einrichtung und

Fig. 2 einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Sput tereinrichtung.

Wie in den Figuren dargestellt, ist auf einem gemeinsamen Träger 1 ein erstes Magnetron 2 und ein zweites Magnetron 3 elektrisch separat montiert. Jedes einzelne Magnetron ist mit Kühlkanälen 4 und Magnetsystemen 5 versehen. Weiterhin weisen beide Magnetrons 2 und 3 Targets 6 auf, die mittels Pratzlei sten 7 auf dem Magnetsystem festgespannt sind. Die Oberflächen der Targets 6 liegen auf der Targetebene 8.

Beide Magnetrons 2 und 3 sind mit einer gemeinsamen Dunkel feldabschirmung 9 versehen. Mittig zwischen den beiden Magne trons 2 und 3 ist ein erstes Hohlprofil 10 mit der Dunkelfeld abschirmung 9 verbunden. An dem ersten Hohlprofil 10 ist ein zweites Hohlprofil 11 befestigt. Die beiden Hohlprofile 10 und 11 erstrecken sich über die Länge der beiden Magnetrons 2 und 3, wobei ihre Länge der Länge des Doppelmagnetrons entspricht. Die Hohlprofile 10 und 11 sind aus weichmagnetischem Eisen gefertigt.

In dem ersten Hohlprofil 10 ist eine Gaszuführungseinrichtung angeordnet. Die Gaszuführungseinrichtung besteht aus einer Rohraufnahme 12, die im Inneren des Hohlprofiles 10 befestigt ist. Mit dieser Rohraufnahme 12 ist eine rechte äußere Gaszu führungsleitung 13, eine mittlere äußere Gaszuführungsleitung 14 und eine linke äußere Gaszuführungsleitung 15 fest verbun den.

Weiterhin gehört zu der Gaszuführungseinrichtung ein rechtes Gasführungsrohr 16 und ein linkes Gasführungsrohr 17. Das linke Gasführungsrohr 17 dient zur Gasversorgung eines linken Bereiches 18 des ersten Hohlprofiles 10 und das rechte Gasfüh rungsrohr 16 der Gasversorgung eines nicht näher dargestellten rechten Bereiches des ersten Hohlprofiles 10. Die Gasversor gung des mittleren Bereiches 19 des ersten Hohlprofiles 10 erfolgt über einen direkten Gasauslaßkanal 20 in der Rohrauf nahme 12. Die äußeren Gaszuführungsleitungen 13-15 sind über Verbindungskanäle 21 mit den Gasführungsrohren 16 und 17 bzw. mit dem Gasauslaßkanal 20 verbunden.

Zur Trennung des linken Bereiches 18 vom mittleren Bereich 19 ist eine dichtende Zwischenwand 22 vorgesehen. In gleicher Weise trennt eine nicht näher dargestellte Zwischenwand den mittleren Bereich 19 vom ebenfalls nicht näher dargestellten rechten Bereich des ersten Hohlprofiles 10.

Durch diese Gaszuführungseinrichtung wird es möglich, die Gaszuführung zu den einzelnen Bereichen des ersten Hohlprofi les 10 getrennt zu steuern.

In der Verbindungsfläche zwischen dem ersten Hohlprofil 10 und dem zweiten Hohlprofil 11 sind Gasverteilungsdüsen 23 einge bracht. Diese Gasverteilungsdüsen 23 dienen dem Gasübertritt von dem ersten Hohlprofil 10 in das zweite Hohlprofil 11.

In den Wänden des zweiten Hohlprofiles 11, die jeweils dem ersten Magnetron 2 und dem zweiten Magnetron 3 zugewandt sind, sind in einem Abstand von der Targetebene 8 Gasaustrittsöff nungen 24 eingebracht.

Wie in Fig. 2 dargestellt, sind die Gasaustrittsöffnungen auf der Seite, die dem ersten Magnetron zugewandt ist von den Gasaustrittsöffnungen, die auf der Seite, die dem zweiten Magnetron zugewandt ist, derart seitlich versetzt, daß sie sich von der Seite her gesehen jeweils in der Lücke der ande ren Seite befinden. Wie dieser Darstellung weiterhin zu ent nehmen ist, sind bei der Anordnung gemäß diesem Ausführungs beispiel die Gasaustrittsöffnungen 24 in dem zweiten Hohl profil 11 äquidistant gleich verteilt.

Über die Gasaustrittsöffnungen 24 wird das Gas in den Zwi schenraum zwischen dem Magnetron 2 und 3 und den beiden Hohl profilen 10 und 11 geleitet. Von dort aus gelangt es direkt zur Oberfläche des Targets 6 und durch Umspülen des jeweils ersten und zweiten Magnetrons 2 und 3 auch von der anderen Seite direkt auf das Target 6, so daß eine unmittelbare Ein wirkung des Gases auf das Target erreicht wird. Durch die getrennte Steuerung der Bereiche des ersten Hohlprofiles 10 werden auch die Gasführungsparameter im zweiten Hohlprofil 11 eingestellt, so daß eine gesteuerte Gasverteilung über die Gasaustrittsöffnungen 24 entlang des Doppelmagnetrons erreicht werden kann.

Bezugszeichenliste

1

Träger

2

erstes Magnetron

3

zweites Magnetron

4

Kühlkanal

5

Magnetsystem

6

Target

7

Pratzleiste

8

Targetebene

9

Dunkelfeldabschirmung

10

erstes Hohlprofil

11

zweites Hohlprofil

12

Rohraufnahme

13

rechte äußere Gasführungsleitung

14

mittlere äußere Gasführungsleitung

15

linke äußere Gasführungsleitung

16

rechtes Gasführungsrohr

17

linkes Gasführungsrohr

18

linker Bereich des ersten Hohlprofiles

19

mittlerer Bereich des ersten Hohlprofiles

20

Gasauslaßkanal

21

Verbindungskanal

22

Zwischenwand

23

Gasverteilungsdüse

24

Gasaustrittsöffnung

Claims

1. Sputtereinrichtung mit zwei nebeneinander auf einem Trä gerkörper angeordneten längserstreckten Magnetrons mit je einem auf einer Targetebene liegenden Target, zwischen denen eine Trennwand aus weichmagnetischen Material an geordnet ist und die mit einer abstandsweise angeordneten, die Targetoberfläche freigebenden Dunkelfeldabschirmung umgeben sind, und einer Gaszuführungseinrichtung, welche mit einer Reaktiv- und/oder Inertgasquelle verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand über die gesamte Länge der Magnetrons (2; 3) aus mindestens einem ersten Hohlprofil (10), aus weichmagneti schem Eisen besteht und in dessen Inneren die Gaszufüh rungseinrichtung angeordnet ist, in dessen Oberflächen Öffnungen (23) zum zumindest mittelbaren Gasaustritt in die Prozeßkammer angeordnet sind.

2. Sputtereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß das erste Hohlprofil (10) durch mindestens eine Zwischenwand (22) in mindestens zwei gegeneinander abgedichtete Bereiche (18; 19) geteilt ist und das je Bereich eine Gasversorgungsleitung (16; 17; 20) im Inneren des ersten Hohlprofiles (10) geführt ist und je einen äußeren Gasanschluß (13; 14; 15) zur Verbindung mit einer Reaktivgas- und/oder Inertgasquelle aufweist.

3. Sputtereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß über die gesamte Länge der Magnetrons (2; 3) ein zweites Hohlprofil (11) mit dem ersten Hohlprofil (10) verbunden ist und mit diesem zu sammen die Trennwand bildet, das zwischen dem ersten (10) und dem zweiten Hohlprofil (11) Gasverteilungsdüsen (23) vorgesehen sind und in dem zweiten Hohlprofil (11) an den den benachbarten Magnetrons (2; 3) zugewandten Seitenflä chen mehrere Gasaustrittsöffnungen (24) zum unmittelbaren Austritt in die Prozeßkammer eingebracht sind.

4. Sputtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß die Gaszufüh rungseinrichtung nur mit einer Reaktivgasquelle verbunden ist und daß eine zweite Gaszuführungseinrichtung vorgese hen ist, die mit einer Inertgasquelle verbunden ist und deren Gasaustritt außerhalb der Dunkelfeldabschirmung (9) liegt.

5. Sputtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß die Gasaus trittsöffnungen (24) über die Länge des oder der Hohl profile (11) äquidistant gleich verteilt sind und einen gleichen Durchmesser aufweisen.

6. Sputtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß die Gasaus trittsöffnungen (24) in Bereichen, in denen bei den Magne trons (2; 3) lokal höhere Zerstäubungsraten auftreten, größere Durchmesser und/oder geringere Abstände zueinander aufweisen.

7. Sputtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da durch gekennzeichnet, daß die Gasaustrittsöffnungen (24) einen größeren Durchmesser aufweisen, als die Gasverteilungsdüsen (23).

8. Sputtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da durch gekennzeichnet, daß die Gasaus trittsöffnung (24) von der Targetebene (8) in Richtung zum Trägerkörper mit einem Abstand angeordnet sind.

9. Sputtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da durch gekennzeichnet, daß das Hohl profil (10) und/oder die Hohlprofile (10; 11) eine eine magnetische Sättigung vermeidende Wandstärke aufweisen.

10. Sputtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da durch gekennzeichnet, daß das Hohl profil (10) und/oder die Hohlprofile (10; 11) elektrisch floatend angeordnet sind.

11. Sputtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da durch gekennzeichnet, daß das Hohl profil (10) und/oder die Hohlprofile (10; 11) mit Massenpo tiential verbunden sind.