DE19947932C1 - Einrichtung zum Magnetronzerstäuben - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Magnetronzerstäuben, die im Wesentlichen auf einem Vakuumflansch angeordnet ist, der in der Kammerwand einer Vakuumkammer befestigt werden kann. Die Einrichtung besteht aus mindestens einem Target sowie einer Gegenelektrode, die beide innerhalb der Vakuumkammer angeordnet sind, und außerhalb der Vakuumkammer mindestens einem hinter dem Target angeordneten Magnetsystem sowie einer Stromversorgungseinrichtung. Zwischen dem Target (1) und der Gegenelektrode (10) ist eine äußere Plasmaelektrode (9) vorhanden, die an ein erstes wahlfreies Potential gelegt werden kann, die Gegenelektrode (10) kann an ein zweites wahlfreies Potential gelegt werden, im Zentrum des Targets (1) ist eine innere Plasmaelektrode (8) angeordnet, die an ein drittes wahlfreies Potential gelegt werden kann, und auf dem Vakuumflansch (6) ist eine Schirmelektrode (11) vorhanden, welche das Target (1), die Gegenelektrode (10), die äußere Plasmaelektrode (9) sowie die innere Plasmaelektrode (8) umschließt und die an ein viertes wahlfreies Potential gelegt werden kann. An der inneren Plasmaelektrode (8) und/oder der äußeren Plasmaelektrode (9) sind Gasauslassöffnungen (12, 13) vorhanden. An der inneren Plasmaelektrode (8) und/oder der äußeren Plasmaelektrode (9) überdecken Plasmablenden (14, 15) die jeweiligen Spalten (35, 34) zum Target.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Magnetronzer­ stäuben, die im Wesentlichen auf einem Vakuumflansch an­ geordnet ist, der vakuumdicht in der Kammerwand einer Vakuumkammer angeordnet werden kann. Innerhalb der Vakuum­ kammer befinden sich auf dem Vakuumflansch mindestens ein wärmeleitend mit einer Kühlplatte verbundenes Target sowie eine Gegenelektrode. Außerhalb der Vakuumkammer befinden sich zur Erzeugung eines tunnelförmigen, das Target durch­ dringenden Magnetfeldes mindestens ein Magnetsystem und eine Stromversorgungseinheit, mit der das Target und die Gegenelektrode über Stromdurchführungen im Vakuumflansch elektrisch leitend verbunden sind.

Vorzugsweise können zugehörig zum Magnetsystem im Vakuum­ flansch im Bereich der Pole des Magnetsystems ferromagne­ tische Polschuhe vakuumdicht eingelassen sein.

Die Einrichtung zum Magnetronzerstäuben kann in einem breiten verfahrenstechnischen Umfang zur Abscheidung dün­ ner Schichten aus Metallen, Legierungen oder chemischen Verbindungen auf Substraten genutzt werden, um vorteilhaf­ te mechanische, optische oder elektrische Eigenschaften von Schichten auf Substraten zu erzeugen oder derartige Eigenschaften zu verbessern.

Einrichtungen zum Magnetronzerstäuben, auch kurz Magne­ trons genannt, sind nach dem Stand der Technik in vielfäl­ tiger Ausführung bekannt. Dabei sind die einzelnen Ausfüh­ rungen überwiegend an die spezifischen Aufgaben angepasst. Eine große Anzahl von Magnetrons ist derart ausgebildet, dass sie in einer beliebigen Vakuumanlage eingesetzt wer­ den kann. Es sind auch Einrichtungen bekannt, die in die Wand der Vakuumanlage eingebaut werden.

Die EP 0 095 211 A2 beschreibt ein Magnetron, bei dem eine kreisförmige flache Kathode in der Wand einer Plasmakammer angeordnet ist. Ein Substrat liegt der zu zerstäubenden Oberfläche der Kathode gegenüber und eine ringförmige Anode befindet sich koaxial zur Achse zwischen der Kathode und dem Substrat. Zur Beeinflussung eines Magnetfeldes über der Kathode weist die Einrichtung eine zentrale stabförmige Elektrode und mindestens eine äußere zylindrische Elektrode auf, die gegenüber der Kathode isoliert angeordnet sind und an variable Potentiale gelegt werden können. Am Ende der zentralen stabförmigen Elektrode kann eine radial vergrößer­ te Scheibe angeordnet sein, mit der das elektrische Feld zusätzlich beeinflusst wird.

Die DE 41 27 260 C1 beschreibt eine Magnetron-Sputterquel­ le für Hochvakuum- und Ultrahochvakuumanlagen zur Be­ schichtung großer runder Substrate. Die Magnetron-Sputter­ quelle besteht aus einem gekühlten Target, einer Anode und einem Magnetsystem. Das Target ist auf einer Kühlplatte und diese isoliert auf einer Grundplatte angeordnet, wobei das Kühlwasser isoliert durch die Grundplatte hindurch­ geleitet wird. Die Anode umgibt das Target und ist eben­ falls auf der Grundplatte befestigt. Die Grundplatte verschließt vakuumdicht eine Öffnung in der Vakuumanlage, und das Magnetsystem ist atmosphärenseitig auf der Grund­ platte angebracht. In einer Ausführung der Erfindung ist die erste Kühlplatte mit dem Target konzentrisch von einer zweiten Kühlplatte mit einem zweiten Target umgeben. Das System wird vakuumseitig von einem Plasmaschirm als Anode umschlossen. Zum besseren Durchgriff des atmosphärenseitig angeordneten Magnetsystems durch die Grundplatte können in dieser Polschuhe eingelassen sein.

Der Betrieb einer derartigen Einrichtung erfolgt in be­ kannter Weise nach dem unipolaren Prinzip, bei dem das Target oder die Targets auf kathodischem Potential liegt bzw. liegen und für die Plasmaentladung eine gesonderte Anode vorhanden ist.

Eine solche Einrichtung ist insbesondere zum reaktiven Zerstäuben für die Abscheidung isolierender Verbindungs­ schichten nur sehr eingeschränkt einsetzbar, da die Anode nach kurzer Betriebszeit mit isolierenden Schichten be­ deckt ist und ihre Funktion verliert. In dem Maße, wie bei geerdeter Anode andere Teile der Vakuumkammer die Funktion der Anode übernehmen müssen, verändern sich wichtige Betriebsparameter der Magnetron-Zerstäubungseinrichtung wie Impedanz, Plasmaausdehnung und Beschichtungsrate, so dass die Qualität der abgeschiedenen Schichten starken Schwankungen unterworfen ist. Im Falle der Isolation der Anode vom Massepotential verliert die Einrichtung beim genannten Einsatzfall bereits nach kurzer Betriebszeit vollständig ihre Funktionsfähigkeit.

Die DE 37 38 845 A1 gibt eine Zerstäubungkatode nach dem Magnetronprinzip an, die besonders für die reaktive Ab­ scheidung isolierender Schichten vorgeschlagen wird. Sie ist durch eine zusätzliche Mittelelektrode im Bereich der nicht erodierenden Teile des Targets und durch eine Zwi­ schenelektrode zwischen einer Dunkelraumabschirmung und dem Target gekennzeichnet. Durch diese Maßnahmen soll die Gefahr der Ausbildung einer Bogenentladung, die ihren Ursprung in der Aufladung isolierender Schichten auf den nicht erodierenden Targetbereichen haben, reduziert wer­ den. Der langzeitstabile Betrieb beim reaktiven Zerstäuben ist jedoch auch mit dieser Einrichtung nicht gewährlei­ stet, weil die als Anode wirkende Dunkelraumabschirmung durch Beschichtung unwirksam wird und Teile der Vakuumkam­ mer die Anodenfunktion mit den beschriebenen Nachteilen übernehmen müssen. Die technische Gestaltung zweier Ab­ schirmgehäuse, die sich in geringem Abstand voneinander befinden und dem dichten Plasma ausgesetzt sind, ist zudem problematisch. Nachteilig ist weiterhin, dass das Plasma die gesamte Vakuumkammer ausfüllt und mit zunehmender Betriebszeit zu schwer kontrollierbaren Potentialverschie­ bungen führen kann.

In der DE 42 23 505 C1 ist eine Einrichtung zum Aufbringen elektrisch schlecht leitender oder isolierender Schichten durch reaktives Magnetronsputtern angegeben. Dabei ist die Anode isoliert außerhalb eines Plasmaschirmes angeordnet, der das Plasma begrenzt. Alle Teile, die mit dem Plasma in Berührung kommen, außer dem Target, sind einzeln oder gemeinsam dem Anodenpotential gegenüber isoliert angeord­ net. Die vorgeschlagene Einrichtung hat sich jedoch eben­ falls nicht für das langzeitstabile Beschichten durch Zerstäubung bewährt. Es wird eine gehäufte Ausbildung von Bogenentladungen beobachtet, die nicht nur an den nicht erodierenden Targetbereichen, sondern auch an den Seiten­ flächen des Targets auftreten. Weitere gravierende Defizi­ te dieser Einrichtung beziehen sich auf die örtliche Gleichmäßigkeit des Reaktionsgrades, die in der Art des vorgeschlagenen Gaseinlasses für das Reaktivgas direkt in den Plasmaraum ihren Ursprung haben.

Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Magnetronzerstäuben der eingangs beschriebenen Art anzugeben. Insbesondere soll die Einrichtung eine lang­ zeitstabile reaktive Abscheidung dünner isolierender Schichten auf Substraten bei relativ geringem technischen Aufwand ermöglichen. Dabei soll es möglich sein, dass die Einrichtung in universeller Weise für unterschiedliche Plasma-Behandlungs- und Plasma-Beschichtungsverfahren eingesetzt werden kann. Die Einrichtung soll für mittelfre­ quent gepulste Energieeinspeisung sowohl in unipolarer als auch in bipolarer Betriebsweise der zugehörigen Stromver­ sorgungseinrichtung anwendbar sein.

Die Erfindung löst die Aufgabe durch die im kennzeichnen­ den Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet und werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung, einschließlich der Zeichnung, näher dargestellt.

Der Kern der Erfindung besteht darin, dass zwischen dem Target und einer Gegenelektrode eine äußere Plasmaelek­ trode, im Zentrum des Targets eine innere Plasmaelektrode und den Plasmaraum abgrenzend eine, zum Substrat hin offene und das Target, die Gegenelektrode, die äußere Plasmaelektrode und die innere Plasmaelektrode umschlie­ ßend, Schirmelektrode vorhanden sind. Dabei können die äußere Plasmaelektrode an ein erstes wahlfreies Potential, die Gegenelektrode an ein zweites, die innere Plasmaelek­ trode an ein drittes und die Schirmelektrode an ein vier­ tes wahlfreies Potential gelegt werden. Welche Elektrode an welches konkrete Potential gelegt wird, ist von der gewünschten Verfahrensführung abhängig. Dabei können mehrere oder alle Elektroden auch an das gleiche Potential gelegt werden.

Des Weiteren sind an der inneren Plasmaelektrode und/oder der äußeren Plasmaelektrode Plasmablenden vorhanden, die die jeweiligen Spalte zum Target zumindestens teilweise überdecken, sowie an der inneren Plasmaelektrode und/oder der äußeren Plasmaelektrode Gasauslassöffnungen, die mit mindestens einer Gaszuführungseinrichtung verbunden sind.

Die konkrete Festlegung der wahlfreien Potentiale für die erfindungsgemäßen Plasmaelektroden, die Gegenelektrode und die Schirmelektrode erfolgt nach verfahrenstechnischen Gesichtspunkten und richtet sich insbesondere nach der Art des Targetmaterials, des Prozessgases und der in die Magnetroneinrichtung eingespeisten Leistung.

Im einfachsten Fall ist eine Isolation der genannten Elektroden ausreichend, wodurch sich ein frei verschieb­ bares, sogenanntes Floating-Potential entsprechend den Plasmabedingungen einstellt. Vorzugsweise sind die Elek­ troden jedoch mit einstellbaren Spannungsquellen oder gemäß Anspruch 7 mit einem geeignet bemessenem Netzwerk aus Widerständen, Kondensatoren und Induktivitäten zur Einstellung der optimalen Potentiale verbunden.

Die vorgeschlagene Gaszuführungseinrichtung bewirkt eine indirekte homogene verteilte Zufuhr des Arbeitsgases und des Reaktivgases in den Raum der höchsten Plasmadichte.

Die Erfindung weist eine besonders vorteilhafte geringe Neigung zur Ausbildung von Bogenentladungen auf. Auch beim Einsatz der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Abscheidung von Schichten mit kritischen Paarungen von Targetmaterial und Reaktivgas, z. B. mit Aluminium-Sauerstoff oder Silizi­ um-Sauerstoff, wurden über lange Prozesszeiten keine wesentlichen Bogenentladungen registriert.

Die erfindungsgemäßen Blenden zwischen der inneren Plasma­ elektrode und/oder der äußeren Plasmaelektrode und dem Target verhindern das Eindringen des Plasmas mit hoher Plasmadichte in die Spaltbereiche, in denen eine hohe elektrische und magnetische Feldstärke wirksam ist. Die Spaltüberdeckung kann teilweise oder vollständig sein. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können diese Blenden derart ausgebildet werden, dass sie gleich­ zeitig diejenigen Targetbereiche überdecken, in denen keine Erosion, sondern eine Rückstäubung stattfindet.

In der zweckmäßigen Gestaltung gemäß Anspruch 2 ist die Gegenelektrode im Raum zwischen der äußeren Plasmaelek­ trode und der Schirmelektrode so angeordnet, dass die optische Linie zwischen der Gegenelektrode und dem Target durch die äußere Plasmaelektrode unterbrochen ist. Zur Ausbildung der Plasmaentladung zwischen dem Target und der Gegenelektrode werden in der Praxis Spalte von vorzugs­ weise 5 bis 30 mm zwischen der äußeren Plasmaelektrode und der Schirmelektrode vorgesehen. Damit sind die Räume der eigentlichen Plasmaentladung, d. h. der Raum um das Target innerhalb der äußeren Plasmaelektrode und der Raum um die Gegenelektrode miteinander verbunden. Die Gegenelektrode ist somit fast vollständig gegen eine unerwünschte Be­ schichtung geschützt. Eine sich durch die erfindungsgemäße Anordnung ausbildende leistungsschwache Nebenentladung im Bereich der Gegenelektrode fördert die Stabilität der Magnetronentladung. Für diese Ausgestaltung der Erfindung wird die Stromversorgung typischerweise unipolar betrie­ ben.

In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 3 wird als Gegenelektrode mindestens ein weiteres Target mit einer zugehörigen Kühlplatte eingesetzt. Dieses weitere Target kann in entsprechender Weise wie das eigentliche Target ausgebildet sein. Auf diese Weise entsteht eine Doppelmagnetron-Anordnung, bei der beide Targets unabhän­ gig voneinander unipolar oder gemeinsam bipolar betrieben werden können. In jedem Falle bildet eines der Targets die Gegenelektrode während der Zerstäubungsphase des anderen Targets. Dazu muss die Stromversorgungseinrichtung mit bekannten Mitteln die notwendige Energieeinspeisung in die Magnetronentladung sichern.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin­ dung nach Anspruch 4 ist ein Lichtsensor außerhalb der Vakuumkammer angeordnet, der mit einer Lichtleiteinrich­ tung verbunden ist, die den Vakuumflansch durchdringt und deren Lichteintrittsöffnung sich innerhalb der Schirmelek­ trode im Wesentlichen rechtwinklig zu einer Linie zwischen der Oberfläche des Targets und dem Substrat befindet. Die Lichtleiteinrichtung kann durch faseroptische Bauelemente gebildet werden. Alternativ eignet sich auch ein Rohr, dessen Innenfläche lichtreflektierend ausgebildet ist, oder ein Spiegel zur Umlenkung des Lichtstrahles. Mit diesem Sensor und ggf. elektronischen Signalaufbereitungs­ einheiten, die zweckmäßigerweise ebenfalls auf dem Vaku­ umflansch außerhalb des Vakuums angeordnet sind, lässt sich der reaktive Zerstäubungsprozess optimal regeln.

Als weitere Ausgestaltung kann zugehörig zum Magnetsystem des Targets ein mechanisch verstellbares Hubsystem au­ ßerhalb der Vakuumkammer am Vakuumflansch vorhanden sein, welches eine bestmögliche Anpassung der Magnetfeldstärke auf der Targetoberfläche im Bereich des magnetischen Tunnels in Abhängigkeit von der Art des Targetmaterials, den Prozessbedingungen und dem Erosionszustand des Targets ermöglicht.

Mit der Einrichtung nach Anspruch 6, bei der am Vakuum­ flansch außerhalb der Vakuumkammer ein Drucksensor an­ geordnet ist, der mit dem von der Schirmelektrode umschlos­ senen Raum in Verbindung steht, ist eine Druckmessung in unmittelbarer Umgebung der Plasmaentladung möglich. Da­ durch wird eine wesentlich bessere Druckmessung erreicht als bei der üblicherweise in der Vakuumkammer durchgeführ­ ten Druckmessung, was sich sehr vorteilhaft bei der Druck­ regulierung im Plasmaraum und damit für die Stabilität der Magnetronentladung auswirkt.

Die erfindungsgemäße Einrichtung ist besonders universell wahlweise für die verschiedenen als solche bekannten Verfahrensvarianten zum Magnetronzerstäuben einsetzbar.

Die Erfindung wird nachstehend an zwei Ausführungsbei­ spielen näher erläutert.

Die zugehörige Zeichnung zeigt in Fig. 1 schematisch die erfindungsgemäße Einrichtung nach Ausführungsbeispiel I. Fig. 2 zeigt die Einrichtung nach Ausführungsbeispiel II.

Ausführungsbeispiel I

Fig. 1 zeigt zugehörig zum Ausführungsbeispiel I eine schematische Schnittdarstellung einer langgestreckten rechteckigen Einrichtung zum Magnetronzerstäuben. Auf einem Vakuumflansch 6 befindet sich vakuumseitig isoliert angeordnet eine Kühlplatte 2 aus Kupfer mit einem Target 1 aus Aluminium, eine Gegenelektrode 10 und eine äußere Plasmaelektrode 9.

Das Target 1 ist durch eine Bondschicht wärmeleitend und elektrisch leitend mit der Kühlplatte 2 verbunden. Die Kühlplatte 2 und das Target 1 sind gleich groß und recht­ eckig. Die Längsausdehnung ist beispielhaft 750 mm und die Ausdehnung in Querrichtung beträgt 130 mm.

Der Vakuumflansch 6 ist vakuumdicht in der Kammerwand 30 einer Vakuumkammer als Beschichtungskammer montiert.

Außerhalb der Vakuumkammer befindet sich ein Magnetsystem 3. Zugehörig sind in den Vakuumflansch 6 Polschuhe 7 eingelassen, wodurch eine höhere und gleichmäßige Feld­ stärke bei der Ausbildung eines tunnelförmigen Magnetfel­ des 4 oberhalb der Oberfläche des Targets 1 erreicht wird.

Weiterhin ist außerhalb der Vakuumkammer am Vakuumflansch 6 ein mechanisch verstellbares Hubssystem 32 vorgesehen, mit dem der Abstand zwischen dem Magnetsystem 3 und Pol­ schuhen 7 in Abhängigkeit von der Targeterosion, dem Targetmaterial oder den technologischen Erfordernissen des Beschichtungsprozesses eingestellt werden kann. Das Hubsy­ stem 32 ist an einer Montageplatte 25 montiert, die mit­ tels Stützen 26 am Vakuumflansch 6 befestigt ist. Auf der Montageplatte 25 ist ein Positionssensor 19 angeordnet, mit dem die Position des Magnetsystems 3 bestimmt werden kann.

Die Gegenelektrode 10 ist im Beispiel parallel auf beiden Seiten der Kühlplatte 2 mit dem Target 1 in Form von zwei langgestreckten Blechen ausgebildet und isoliert auf dem Vakuumflansch 6 und außerhalb des Bereiches des tunnelför­ migen Magnetfeldes 4 angeordnet.

Eine elektrisch isoliert angeordnete Schirmelektrode 11 umgibt das Target 1 und die Gegenelektrode 10 und schirmt den Raum zwischen dem Target 1 und dem Substrat 27, mit Ausnahme einer Dampfaustrittsöffnung 31 gegen die übrigen Bereiche der Vakuumkammer im Wesentlichen ab.

Im Beispiel ist die Schirmelektrode 11 durch eine Abwinke­ lung derart gestaltet, dass zwischen der Schirmelektrode 11 und der äußeren Plasmaelektrode 9 ein Spalt 33 gebildet wird. Dieser Spalt 33 ist abhängig von den praktischen Gegebenheiten und liegt im Bereich von ca. 5 mm bis 20 mm, im Beispiel beträgt er 8 mm.

Die äußere Plasmaelektrode 9 ist elektrisch isoliert auf dem Vakuumflansch 6 angeordnet. Dabei ist zwischen der Kühlplatte 2 mit dem Target 1 und den beiden parallelen Blechen der Gegenelektrode 10 ein von zwei Teilen der äußeren Plasmaelektrode 9 angeordnet. Vorteilhaft ist es, wenn die äußere Plasmaelektrode 9, die Kühlplatte 2 mit dem Target 1 vollständig umschließt. Im Beispiel betragen die Spalte 34 zwischen der äußeren Plasmaelektrode 9 und der Kühlplatte 2 mit dem Target 1 ca. 3 mm.

Im Zentrum des Targets 1 ist eine innere Plasmaelektrode 8 elektrisch isoliert angeordnet. In Fig. 1 ist zur bes­ seren Übersichtlichkeit das Target 1 im Querschnitt darge­ stellt. Tatsächlich ist das Target 1 einteilig und weist mittig eine Öffnung für die innere Plasmaelektrode 8 auf.

Die innere Plasmaelektrode 8 und die äußere Plasmaelek­ trode 9 weisen eine Vielzahl von Gasauslassöffnungen 12 bzw. 13 auf, die an verschiedene Gaszuführungseinrichtun­ gen mit zugehörigen Gasmesseinrichtungen 21 und Regelven­ tile 22 angeschlossen sind. Die Vielzahl der Gasauslass­ öffnungen 12 bzw. 13 ist in Längsrichung des Targets 1 angeordnet, so dass ein gleichmäßiger Einlass von Argon als Arbeitsgas durch die Gasauslassöffnungen 12 und von Sauerstoff als Prozessgas durch die Gasauslassöffnungen 13 möglich ist. Die Gasauslassöffnungen 12 und 13 sind so angeordnet, dass der Gaseinlass in die Spalte 34 bzw. 35 zwischen der Kühlplatte 2 mit dem Target 1 und der äußeren Plasmaelektrode 9 bzw. der inneren Plasmaelektrode 8 erfolgt. Diese Art des Gaseinlasses erlaubt sehr kurze Reaktionszeiten des Gaseinlasssystems und damit eine sehr gute Prozessstabilität. Es ist jedoch auch möglich, die Gase in den Raum zwischen äußerer Plasmaelektrode 9 und der Schirmelektrode 11 einzulassen.

Weiterhin sind an der inneren Plasmaelektrode 8 Plasma­ blenden 14 und an der äußeren Plasmaelektrode 9 Plasma­ blenden 15 angeordnet, die die Spalte 35 bzw. 34 im Bei­ spiel im Wesentlichen überdecken. Dadurch können Bogenent­ ladungen, deren Ausbildung im Bereich hoher elektrischer und magnetischer Feldstärke besonders wahrscheinlich ist, vermieden werden. Es ist auch vorteilhaft, wenn entspre­ chende Blenden so weit in den Bereich über dem Target 1 reichen, dass die nicht erodierenden Zonen des Targets 1 teilweise oder vollständig überdeckt werden bzw. bis ca. 1 mm an die Erosionszone heranreichen.

Im Beispiel wurde die Gegenelektrode 10 so angeordnet, dass die optische Linie zwischen dem Target 1 und der Gegenelektrode 10 durch die äußere Plasmaelektrode 9 unter­ brochen ist. Dadurch wird eine Beschichtung der Gegenelek­ trode 10 mit beispielsweise isolierenden Aluminiumoxid­ schichten verhindert und eine Langzeitstabilität der elektrischen Funktion der Gegenelektrode 10 erreicht.

Die Kühlplatte 2 mit dem Target 1 und die Gegenelektrode 10 sind über Stromdurchführungen im Vakuumflansch 6 an eine Stromversorgungseinrichtung 5 angeschlossen. Diese Stromversorgungseinrichtung 5 liefert unipolare Pulse mit positiver Polarität an der Gegenelektrode 10 und negativer Polarität an der Kühlplatte 2 mit dem Target 1.

Die elektrisch isoliert angeordnete innere Plasmaelektrode 8 und äußere Plasmaelektrode 9, die Gegenelektrode 10 sowie die Schirmelektrode 11 sind an ein elektrisches Netz­ werk 23 mit geeigneten Widerständen, Kondensatoren, Induk­ tivitäten und Halbleiterbauelementen angeschlossen, wel­ ches eine definierte Potentialeinstellung ermöglicht. Als Bezugspotential dient in dieser Einrichtung der Vakuum­ flansch 6. Die Potentialeinstellung in Abhängigkeit von der Größe des Targets 1 und der eingespeisten Leistung erlaubt eine erhebliche Reduzierung von Bogenentladungen und eine deutliche Verbesserung der Langzeitstabilität beispielsweise bei der Abscheidung von Aluminiumoxid­ schichten. Im Beispiel legt das Netzwerk 23 beim Abschei­ den von Aluminiumoxid mit einer Leistung von 15 kW die Potentiale wie folgt fest: Gegenelektrode 10: +30 V, innere Plasmaelektrode 8: +5 V, äußere Plasmaelektrode 9: +10 V und Schirmelektrode 11: +7 V.

Außerhalb der Vakuumkammer ist ein Lichtsensor 18 angeord­ net, dessen Signal von einer Wandler-Elektronik 24 aufbe­ reitet und als Digitalsignal weitergeleitet wird. Das von der Plasmaentladung oberhalb der Oberfläche des Targets 1 emittierte Licht, tritt in eine Lichteintrittsöffnung 28, eine Bohrung in der äußeren Plasmaelektrode 9 mit einem Durchmesser von ca. 4 mm, ein und gelangt durch ein Licht­ leitrohr 16 und über ein Fenster 17 aus Quarzglas, welches eine Öffnung im Vakuumflansch 6 abdichtet, zum Lichtsensor 18. Die Lichtleiteinrichtung 16 ist in der Form eines innen polierten Metallrohres mit einem freien Innendurch­ messer von ca. 6 mm ausgebildet. Dabei ist die Lichtleit­ einrichtung 16 derart isoliert angeordnet, dass die äußere Plasmaelektrode 9 gegen den Vakuumflansch 6 elektrisch isoliert bleibt.

Außerhalb des Vakuums wird das Licht vom Quarzfenster 17 über Lichtleitfasern zum Lichtsensor 18 geleitet. Als alternative Ausführung können anstelle des Metallrohres der Lichtleiteinrichtung 16 z. B. auch Lichtleitfasern verwendet werden.

Das Ausführungsbeispiel ist weiterhin mit einem Drucksen­ sor 20 ausgerüstet, der über eine Bohrung im Vakuumflansch 6 mit einem Druckrohr 29 verbunden ist. Das Druckrohr 29 hat einen freien inneren Durchmesser von 15 mm und mündet in dem von der Schirmelektrode 11 umschlossenen Plasmaraum zwischen der äußeren Plasmaelektrode 9 und der Gegenelek­ trode 10. Dabei endet die Öffnung des Druckrohres 29 dicht an einer Bohrung mit einem Durchmesser von ebenfalls 15 mm in der äußeren Plasmaelektrode 9, wodurch unmittelbar der Druck im Plasmaraum innerhalb der äußeren Plasmaelektrode 9 gemessen werden kann.

Das Druckrohr 29 ist elektrisch isoliert ausgebildet. Damit ist sichergestellt, dass die äußere Plasmaelektrode 9 elektrisch nicht mit dem Vakuumflansch 6 kontaktiert wird.

Die Messung des Druckes erfolgt vorzugsweise gasartunab­ hängig mittels piezoelektrischer Wandlung.

Die spezifische Einrichtung für die Druckmessung bietet durch die direkte Messung im von der Schirmelektrode 11 umschlossenen Beschichtungsraum gegenüber der üblichen Druckmessung in der Vakuumkammer den Vorteil einer größe­ ren Genauigkeit bei geringerer Zeitverzögerung bis zur Ausgabe des Messsignals. Das elektrische Signal des Druck­ sensors 20 wird mittels Wandler-Elektronik 24 in ein Digitalsignal gewandelt und über eine optische Datenüber­ tragungseinrichtung an eine Steuer- und Regelelektronik weitergeleitet.

Ausführungsbeispiel II

Im Ausführungsbeispiel II mit der zugehörigen Fig. 2 ist eine Ausbildung der Erfindung entsprechend Anspruch 3 dargestellt. Als Gegenelektrode 10 gemäß Ausführungsbei­ spiel I ist ein zum Target 1 baugleiches Target 40 an­ geordnet. Erfindungsgemäß sind das Target 1 wie das Target 40, als Gegenelektrode 10, auf einem Vakuumflansch 41 angeordnet.

Eine Schirmelektrode 42 umschließt die gesamte vakuumsei­ tige Anordnung der Einrichtung mit den Targets 1 und 40.

Zur Messung des Druckes ist, entgegen dem Ausführungsbei­ spiel I, lediglich eine Öffnung 36 im Vakuumflansch 41 vorhanden, die im äußeren Bereich innerhalb der Schirm­ elektrode 42 in den Plasmaraum einmündet.

Die Stromversorgungseinrichtung 37 ist geeignet, die Energie in Form von bipolaren Pulsen in die Einrichtung einzuspeisen. Dabei ist jeweils eines der Targets 1 bzw. 40 zumindest zeitweilig als Kathode und das jeweils andere Target 1 bzw. 40 als Anode geschaltet.

Die übrigen Bestandteile der Einrichtung entsprechen im Wesentlichen denen im Ausführungsbeispiel I mit der Fig. 1 und sind mit entsprechenden Positionsnummern versehen.

Die Einrichtung nach dem Ausführungsbeispiel II hat den Vorteil, dass die beiden Targets 1 und 40 zumindest im Bereich der Erosionszonen ihre elektrische Leitfähigkeit langzeitstabil behalten und dadurch die Entladungsbedin­ gungen ebenfalls langzeitstabil sind.

Das Ausführungsbeispiel II kann unter gegebenen Bedingun­ gen auch derart abgewandelt werden, dass die beiden Tar­ gets 1 bzw. 40 auf zwei getrennten Vakuumflanschen an­ geordnet werden. Erfindungsgemäß wird auch dann die gesam­ te Einrichtung innerhalb der Vakuumkammer von einer gemein­ samen Schirmelektrode umgeben. Die einzelnen sonstigen Bauteile der Einrichtung können variabel auf einem der Vakuumflansche angeordnet werden, soweit sie nicht auf beiden Vakuumflanschen erforderlich sind.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die darge­ legten Ausführungen beschränkt. So ist es ohne weiteres möglich, einzelne Bauteile zu variieren oder auch mehr als zwei Targets anzuordnen, wobei diese variabel als Kathode bzw. Anode geschaltet werden können.

Weiterhin ist es ebenfalls möglich, anstelle der langge­ streckten rechteckigen Geometrie der Targets z. B. kreis­ runde, ovale oder dreieckige Targetformen in Anpassung an die Beschichtungsaufgabe zu wählen. Bei kreisrunder Tar­ getgeometrie wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die innere Plasmaelektrode ebenfalls kreisrund ausgebildet. In Anlehnung an Ausführungsbeispiel T wird das Target von der äußeren Plasmaelektrode, der Gegenelek­ trode und der Schirmelektrode ringförmig umgeben.

Liste der verwendeten Bezugszeichen

1

Target

2

Kühlplatte

3

Magnetsystem

4

Magnetfeld

5

Stromversorgungseinrichtung

6

Vakuumflansch

7

Polschuhe

8

innere Plasmaelektrode

9

äußere Plasmaelektrode

10

Gegenelektrode

11

Schirmelektrode

12

Gaseinlassöffnung

13

Gaseinlassöffnung

14

Plasmablende

15

Plasmablende

16

Lichtleiteinrichtung

17

Fenster

18

Lichtsensor

19

Positionssensor

20

Drucksensor

21

Gasmesseinrichtung

22

Regelventil

23

elektrisches Netzwerk

24

Wandler-Elektronik

25

Montageplatte

26

Stützen

27

Substrat

28

Lichteintrittsöffnung

29

Druckrohr

30

Kammerwand

31

Dampfaustrittsöffnung

32

Hubsystem

34

Spalt

35

Spalt

36

Öffnung

37

Stromversorgungseinrichtung

38

39

40

Target

41

Vakuumflansch

42

Schirmelektrode

43

äußeren Plasmaelektrode

Claims (7)

1. Einrichtung zum Magnetronzerstäuben, die auf einem Vaku­ umflansch angeordnet ist, der in der Kammerwand einer Vakuumkammer gegenüber mindestens einem zu beschichten­ den Substrat befestigt ist, und aus mindestens einem wärmeleitend mit einer Kühlplatte verbundenen Target sowie einer Gegenelektrode besteht, die beide auf dem Vakuumflansch innerhalb der Vakuumkammer angeordnet sind, und außerhalb der Vakuumkammer mindestens einem hinter dem Target oder der Kühlplatte angeordneten Mag­ netsystem zur Erzeugung eines tunnelförmigen, das Target durchdringenden Magnetfeldes, vorzugsweise mit ferromagnetischen Polschuhen, welche zugehörig zum Mag­ netsystem im Bereich dessen Pole vakuumdicht im Vaku­ umflansch eingelassen sind, sowie einer Stromversorgungseinrichtung, mit der das Target und die Gegenelektrode über Stromdurchführungen im Vakuumflansch elektrisch leitend verbunden sind, dadurch gekennzeich­ net, dass

• - zwischen dem Target (1) und der Gegenelektrode (10) eine äußere Plasmaelektrode (9) vorhanden ist, die an ein erstes wahlfreies Potential gelegt ist,
• - dass die Gegenelektrode (10) an ein zweites wahlfreies Potential gelegt ist,
• - dass im Zentrum des Targets (1) innerhalb des von der Erosionszone begrenzten Targetbereiches eine innere Plasmaelektrode (8) angeordnet ist, die an ein drittes wahlfreies Potential gelegt ist,
• - dass auf dem Vakuumflansch (6) eine zum Substrat (27) hin offene Schirmelektrode (11) angeordnet ist, die das Target (1), die Gegenelektrode (10), die äußere Plasmaelektrode (9) sowie die innere Plasmaelektrode (8) umschließt und an ein viertes wahlfreies Potential ge­ legt ist,
• - dass an der inneren Plasmaelektrode (8) und/oder der äußeren Plasmaelektrode (9) vorzugsweise eine Vielzahl von Gasauslassöffnungen (12, 13) vorhanden sind, die mit mindestens einer Gaszuführungseinrichtung verbunden sind, und
• - dass an der inneren Plasmaelektrode (8) und/oder der äußeren Plasmaelektrode (9) Plasmablenden (14, 15) vor­ handen sind, die die jeweiligen Spalte (35, 34) zum Target (1) zumindestens teilweise überdecken.

2. Einrichtung zum Magnetronzerstäuben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode (10) und die äußere Plasmaelektrode (9) derart zueinander an­ geordnet sind, dass die optische Linie zwischen der Gegenelektrode (10) und dem Target (1) durch die äußere Plasmaelektrode (9) unterbrochen ist.

3. Einrichtung zum Magnetronzerstäuben nach einem der An­ sprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Ge­ genelektrode (10) mindestens ein weiteres Target (40) vorhanden ist, welches von einer gesonderten äußeren Plasmaelektrode (43) umgeben ist.

4. Einrichtung zum Magnetronzerstäuben nach einem der An­ sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb der Vakuumkammer ein Lichtsensor (18) vorhanden ist, der mit einer Lichtleiteinrichtung (16) verbunden ist, wel­ che den Vakuumflansch (6) durchdringt und deren Licht­ eintrittsöffnung (28) sich im Wesentlichen rechtwinklig zu einer Linie zwi­ schen der Oberfläche des Targets (1) und dem Substrat (27) innerhalb der Schirmelektrode (11) befindet.

5. Einrichtung zum Magnetronzerstäuben nach einem der An­ sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb der Vakuumkammer am Vakuumflansch (6) ein mechanisch verstellbares Hubsystem (32) vorhanden ist, mit dem der Abstand zwischen dem Magnetsystem (3) und den Polschuhen (7) veränderlich ist.

6. Einrichtung zum Magnetronzerstäuben nach einem der An­ sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb der Vakuumkammer ein Drucksensor (20) vorhanden ist, der über eine Druckleitung (29), die den Vakuumflansch durchdringt, mit dem Raum innerhalb der Schirmelektrode (11) verbunden ist.

7. Einrichtung zum Magnetronzerstäuben nach einem der An­ sprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb der Vakuumkammer ein elektrisches Netzwerk (23) vorhan­ den ist, welches aus Widerständen, Kondensatoren, Induk­ tivitäten und/oder aktiven Bauelementen wie Spannungs­ quellen besteht und welches über elektrische Leitungen, die durch elektrische Isolatoren im Vakuumflansch (6) in die Vakuumkammer eingeführt sind, mit der Gegenelektrode (10), der äußeren Plasmaelektrode (9), der Schirmelek­ trode (11) und der inneren Plasmaelektrode (8) verbunden ist.