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DE4025231A1 - Reactive sputtering using multi-part target - with part sputtered in oxidic mode and part sputtered in metallic mode - Google Patents

Reactive sputtering using multi-part target - with part sputtered in oxidic mode and part sputtered in metallic mode

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DE4025231A1
DE4025231A1 DE4025231A DE4025231A DE4025231A1 DE 4025231 A1 DE4025231 A1 DE 4025231A1 DE 4025231 A DE4025231 A DE 4025231A DE 4025231 A DE4025231 A DE 4025231A DE 4025231 A1 DE4025231 A1 DE 4025231A1
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reactive
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central
coating
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Abstract

In a reactive magnetron sputtering appts. for coating a substrate (1) e.g. with SiO2, the novelty is that (a) the target (3) is a multi-part target having a central part (3a) made of a more reactive material than that of the part (3b) surrounding the central part; (b) a screen (24) is provided between the target (3) and the substrate (1) and has a central aperture (24a) of configuration similar to the central target part (3a); (c) the process gas (e.g. Ar) and the reactive gas (e.g. O2) are introduced through separate inlets (20,21) or a common inlet; and (d) the magnetic field of the cathode (5) is designed to effect simultaneous or periodic sputtering of the reactive target material (3a) and the less reactive target material (3b) during the coating process. In a similar appts. the target consists of a radially outer, more reactive part which is sputtered in the oxidic mode and which surrounds a less reactive part sputtered in the metallic mode. Also claimed is a substrate cooling process using the appts. ADVANTAGE - The multi-part target ensures uniform and stable coating and avoids the need for cleaning the appts., without requiring expensive modification of conventional sputtering equipment.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zum reaktiven Beschichten eines Substrats, bei­ spielsweise mit Siliziumdioxid (SiO2), bestehend aus einer Stromquelle, welche mit einer in einer evakuier­ baren Beschichtungskammer angeordneten Elektrode ver­ bunden ist, die elektrisch mit einem Target in Verbin­ dung steht, das zerstäubt wird und dessen zerstäubte Teilchen sich auf dem Substrat niederschlagen, wobei in die Beschichtungskammer ein Prozeßgas einbringbar ist. The invention relates to a method and a device for the reactive coating of a substrate, for example with silicon dioxide (SiO 2 ), consisting of a current source which is connected to an electrode arranged in an evacuable coating chamber, which is electrically connected to a target in conjunction is standing, which is atomized and whose atomized particles are deposited on the substrate, a process gas being able to be introduced into the coating chamber.

Bei bekannten Verfahren zum Beschichten von Substraten mit Hilfe von Kathodenzerstäubung und Materialien mit einer hohen Affinität zum Reaktivgas besteht das Problem, daß nebem dem Substrat selbst auch Teile der Vorrichtung, wie die Innenwand der Prozeßkammer oder Teile von Blenden mit elektrisch nicht oder schlecht leitenden Materialien beschichtet werden, was die häufige Änderung der Prozeßparameter während eines einzigen Beschichtungsprozesses oder auch eine häufige Unterbrechung des Prozesses und auch eine häufige Reinigung oder einen Austausch von Teilen der Vorrich­ tung erforderlich macht.In known methods for coating substrates with the help of cathode sputtering and materials there is a high affinity for reactive gas Problem that in addition to the substrate itself, parts of the Device such as the inner wall of the process chamber or Parts of panels with electrical not or bad conductive materials are coated what the frequent change of process parameters during a single coating process or a common one Process interruption and also a frequent Cleaning or replacing parts of the device necessary.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Sputtern von Materialien mit hoher Affinität zu einem Reaktivgas zu schaffen, das einen gleichmäßigen bzw. stabilen Prozeß ermöglicht und eine Reinigung der Teile der Vorrichtung überflüssig macht, und zwar ohne daß herkömmliche bzw. bereits vorhandene Vorrichtungen oder Anlagen hierfür ungeeignet sind bzw. ohne daß an diesen wesentliche oder kostspielige Umbauten oder Änderungen vorgenommen werden müssen.The present invention is therefore based on the object based, an apparatus and a method for Sputtering materials with high affinity for one To create reactive gas that is uniform or stable process and cleaning of the parts makes the device superfluous, without conventional or existing devices or Systems are unsuitable for this or without this significant or costly conversions or changes must be made.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das zu zerstäubende Target mehrteilig ist, wobei ein mittiger, dem Substrat gegenüberliegender Teil des Tar­ gets aus einem reaktiveren Material gebildet ist als der diesen mittigen Teil umschließenden oder einrahmen­ den Teil, wobei zwischen dem Substrat einerseits und dem mehrteiligen Target andererseits eine Blende vorge­ sehen ist mit einer zentralen Öffnung, die etwa die Konfiguration des mittleren Targetteils aufweist und wobei die Konfiguration des Magnetfelds der Elektrode während des Beschichtungsvorgangs ein Sputtern des reaktiveren Targetmaterials im oxidischen und des weniger reaktiven Targetmaterials im metallischen Mode bewirken. Weitere Einzelheiten und Merkmale sind in den anhängenden Ansprüchen näher gekennzeichnet.This object is achieved in that the target to be atomized is in several parts, with a central part of the tar opposite the substrate gets is made of a more reactive material than that enclose or frame this central part the part, between the substrate on the one hand and the multi-part target, on the other hand, an aperture see with a central opening that is about the same  Configuration of the middle target part and the configuration of the magnetic field of the electrode sputtering of the coating during the coating process more reactive target material in oxidic and des less reactive target material in metallic fashion cause. Further details and features are in the attached claims characterized.

Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausführungsmög­ lichkeiten zu; eine davon ist in der anhängenden Zeich­ nung schematisch näher dargestellt, die den Schnitt durch eine Sputteranlage mit einer Magnetron-Sputter­ kathode zeigt.The invention allows a wide variety of designs opportunities to; one of them is in the attached drawing voltage shown schematically, the cut through a sputtering system with a magnetron sputter cathode shows.

In der Zeichnung ist ein Substrat 1 dargestellt, daß mit einer dünnen Schicht 2 aus einem Oxid (z. B. Sili­ ziumdioxid oder Aluminiumoxid) versehen werden soll. Diesem Substrat 1 liegt ein mehrteiliges Target 3 gegenüber, das zu zerstäuben ist. Das Target 3 steht über eine Platte 4 mit einer Elektrode 5 in Verbindung, die auf einem Joch 6 ruht, welches zwischen sich und dem Element 4 fünf Magnete 7, 8, 9, 30, 31 einschließt.In the drawing, a substrate 1 is shown that is to be provided with a thin layer 2 made of an oxide (e.g. silicon dioxide or aluminum oxide). This substrate 1 is opposite a multi-part target 3 , which is to be atomized. The target 3 is connected via a plate 4 to an electrode 5 , which rests on a yoke 6 , which includes five magnets 7 , 8 , 9 , 30 , 31 between it and the element 4 .

Die auf das Target 3 gerichteten Polaritäten der Pole der fünf Magnete wechseln sich ab, so daß jeweils die Südpole der beiden äußeren Magnete 30, 31 mit den Nordpolen der innenliegenden Magnete 7, 9 etwa kreis­ bogenförmige Magnetfelder durch das Target 3 bewirken. Diese Magnetfelder verdichten das Plasma vor dem Target 3, so daß sie dort, wo die Magnetfelder das Maximum ihrer Kreisbögen besitzen, ihre größte Dichte haben. Die Ionen im Plasma werden durch ein elektrisches Feld beschleunigt, das sich aufgrund einer Gleichspannung aufbaut, die von einer Gleichstromquelle 10 angegeben wird. Diese Gleichstromquelle 10 ist mit ihrem negati­ ven Pol über zwei Induktivitäten 11, 12 mit der Elek­ trode 5 verbunden. Das elektrische Feld steht senkrecht auf der Oberfläche des Targets 3 und beschleunigt die positiven Ionen des Plasmas in Richtung auf dieses Target 1. Hierdurch werden mehr oder weniger viele Atome oder Partikel aus dem Target 3 herausgeschlagen, und zwar insbesondere aus den Gebieten 13, 14, 32, 33, wo die Magnetfelder ihre Maxima haben. Die zerstäubten Atome oder Partikel wandern vorwiegend in Richtung auf das Substrat 1 zu, wo sie sich als dünne Schicht 2 niederschlagen.The polarities of the poles of the five magnets directed at the target 3 alternate, so that the south poles of the two outer magnets 30 , 31 with the north poles of the inner magnets 7 , 9 cause approximately circular arc-shaped magnetic fields through the target 3 . These magnetic fields compress the plasma in front of the target 3 , so that they have their greatest density where the magnetic fields have the maximum of their arcs. The ions in the plasma are accelerated by an electric field that builds up on the basis of a direct voltage that is indicated by a direct current source 10 . This DC power source 10 is connected to its negative pole via two inductors 11 , 12 with the electrode 5 . The electric field is perpendicular to the surface of the target 3 and accelerates the positive ions of the plasma towards this target 1 . As a result, more or fewer atoms or particles are knocked out of the target 3 , in particular from the areas 13 , 14 , 32 , 33 , where the magnetic fields have their maxima. The atomized atoms or particles migrate predominantly towards the substrate 1 , where they are deposited as a thin layer 2 .

Das Target 3 besteht aus einem mittleren Teil 3a aus einem Material hoher Affinität zum Reaktivgas, bei­ spielsweise Si, und einem rahmenförmigen Teil 3b aus einem Material geringer Affinität zum Reaktivgas, bei­ spielsweise Sn. Während des Sputterprozesses tragen diese Konfiguration und Werkstoffauswahl und entspre­ chende Magnetfelder und ein abgestimmtes Verhältnis von Sauerstoff zu Argon dafür Sorge, daß sich an der Blende 24 vorwiegend das Sn als elektrisch leitender Werkstoff niederschlägt, während sich die Schicht 2 auf dem Sub­ strat 1 überwiegend aus reinem SiO2 (Silixiumdioxid) aufbaut.The target 3 consists of a central part 3 a made of a material with high affinity for the reactive gas, for example Si, and a frame-shaped part 3 b made of a material with low affinity for the reactive gas, for example Sn. During the sputtering process, this configuration and material selection and corresponding magnetic fields and a coordinated ratio of oxygen to argon ensure that the Sn 24 predominantly precipitates as an electrically conductive material, while the layer 2 on the substrate 1 predominantly consists of pure SiO 2 (silicon dioxide) builds up.

Für die Steuerung der dargestellten Anordnung kann ein Prozeßrechner vorgesehen werden, der Meßdaten verarbei­ tet und Steuerungsbefehle abgibt. Diesem Prozeßrechner können beispielweise die Werte des gemessenen Partial­ drucks in der Prozeßkammer 15, 15a zugeführt werden. Aufgrund dieser und anderer Daten kann er zum Beispiel den Gasfluß aus den Behältern 16, 17 über die Ventile 18, 19 regeln und die Spannung an der Kathode 5 ein­ stellen. Der Prozeßrechner ist auch in der Lage, alle anderen Variablen, z. B. Kathodenstrom und magnetische Feldstärke, zu regeln. Da derartige Prozeßrechner bekannt sind, wird auf eine Beschreibung seines Aufbaus verzichtet.For the control of the arrangement shown, a process computer can be provided which processes measured data and issues control commands. For example, the values of the measured partial pressure in the process chamber 15 , 15 a can be supplied to this process computer. Based on this and other data, he can, for example, regulate the gas flow from the containers 16 , 17 via the valves 18 , 19 and set the voltage at the cathode 5 . The process computer is also able to control all other variables, e.g. B. cathode current and magnetic field strength to regulate. Since such process computers are known, a description of their structure is omitted.

Die bei der beschriebenen Vorrichtung während des Be­ schichtungsvorgangs auf der Umgebung der Kathode - ins­ besondere der Innenseite der Blende 24 - aufgebrachte, vorwiegend metallische (und damit elektrisch leitende) Schicht trägt dafür Sorge, daß sämtliche Ladungsträger aus der Vakuum- bzw. Sputterkammer 25 abgeführt werden, wodurch dann ein stabiler Sputterprozeß bewirkt wird.The in the device described during the loading process on the area around the cathode - in particular the inside of the screen 24 - applied, predominantly metallic (and thus electrically conductive) layer ensures that all charge carriers are removed from the vacuum or sputtering chamber 25 be, which then causes a stable sputtering process.

Auflistung der EinzelteileList of items

 1 Substrat
 2 Schicht
 3, 3a, 3b Target
 4 Platte, Kupferplatte
 5 Elektrode
 6 Joch
 7 Magnet
 8 Magnet
 9 Magnet
10 Gleichstromquelle
11 Induktivität
12 Induktivität
13 Sputtergraben (Gebiet)
14 Sputtergraben (Gebiet)
15, 15a Beschichtungskammer, Rezipient
16 Gasbehälter
17 Gasbehälter
18 Ventil
19 Ventil
20 Einlaßstutzen, Argoneinlaß
21 Einlaßstutzen, Reaktivgaseinlaß
22 Gaszuführungsleitung
23 Gaszuführungsleitung
24 Behälter
25 Behälter, Vakuumkammer
26 Blende
27 elektrischer Anschluß (Masseleitung)
28 elektrischer Anschluß
29 Kondensator
30 Magnet
31 Magnet
32 Sputtergraben
33 Sputtergraben
34 Kondensator 1 substrate
2 layer
3 , 3 a, 3 b target
4 plate, copper plate
5 electrode
6 yokes
7 magnet
8 magnet
9 magnet
10 DC power source
11 inductance
12 inductance
13 Sputtergraben (area)
14 Sputtergraben (area)
15 , 15 a coating chamber, recipient
16 gas containers
17 gas tanks
18 valve
19 valve
20 inlet connection, argon inlet
21 inlet connector, reactive gas inlet
22 gas supply line
23 gas supply line
24 containers
25 containers, vacuum chamber
26 aperture
27 electrical connection (ground line)
28 electrical connection
29 capacitor
30 magnet
31 magnet
32 Sputter trench
33 Sputter trench
34 capacitor

Claims (6)

1. Vorrichtung zum reaktiven Beschichten eines Sub­ strats (1), beispielsweise mit Siliziumdioxid (SiO2), bestehend aus einer Stromquelle (10), welche mit einer in einer evakuierbaren Beschich­ tungskammer (15, 15a) angeordneten, Magnete (7, 8, 9, 30, 31) einschließende Kathode (5) verbunden ist, die elektrisch mit einem Target (3) zusammen­ wirkt, das zerstäubt wird und dessen zerstäubte Teilchen sich auf dem Substrat (1) niederschlagen, wobei in die Beschichtungskammer (15, 15a) ein Prozeßgas und ein Reaktivgas, z. B. Argon und Sauerstoff, einbringbar sind, dadurch gekennzeich­ net, daß das zu zerstäubende Target (3) mehrteilig ist, wobei ein mittiger, dem Substrat (1) gegen­ überliegender Teil (3a) des Targets (3) aus einem reaktiveren Material gebildet ist als der diesen mittigen Teil (3a) umschließende oder einrahmende Teil (3b), wobei zwischen dem Substrat (1) einer­ seits und dem mehrteiligen Target (3) andererseits eine Blende (24) vorgesehen ist, mit einer zentra­ len Öffnung (24a), die etwa die Konfiguration des mittleren Targetteils (3a) aufweist und wobei ein Reaktivgaseinlaß (21) und ein Prozeßgaseinlaß (20) oder ein gemeinsamer Einlaß für beide Gase vorge­ sehen sind und das Magnetfeld der Kathode (5) so ausgebildet ist, daß während des Beschichtungsvor­ gangs gleichzeitig oder periodisch ein Sputtern des reaktiveren Targetmaterials (3a) und des weniger reaktiven Targetmaterials (3b) bewirkt wird.1. Device for reactive coating of a sub strate ( 1 ), for example with silicon dioxide (SiO 2 ), consisting of a current source ( 10 ), which is arranged with an evacuable coating chamber ( 15 , 15 a), magnets ( 7 , 8 , 9 , 30 , 31 ) including cathode ( 5 ), which interacts electrically with a target ( 3 ) which is atomized and whose atomized particles are deposited on the substrate ( 1 ), the coating chamber ( 15 , 15 a) a process gas and a reactive gas, e.g. B. argon and oxygen, can be introduced, characterized in that the target to be atomized ( 3 ) is in several parts, with a central, the substrate ( 1 ) opposite part ( 3 a) of the target ( 3 ) formed from a more reactive material than the this central part (b 3), wherein part, and the multi-piece target (3) (3 a) enclosing or framing portion between the substrate (1) of one the other hand, provided a diaphragm (24), with a centra len opening ( 24 a), which has approximately the configuration of the central target part ( 3 a) and wherein a reactive gas inlet ( 21 ) and a process gas inlet ( 20 ) or a common inlet for both gases are provided and the magnetic field of the cathode ( 5 ) is formed in this way that sputtering of the more reactive target material ( 3 a) and the less reactive target material ( 3 b) is effected simultaneously or periodically during the coating process. 2. Vorrichtung zum reaktiven Beschichten eines Sub­ strats (1), beispielsweise mit Siliziumdioxid (SiO2), bestehend aus einer Stromquelle (10) , welche mit einer in einer evakuierbaren Beschich­ tungskammer (15, 15a) angeordneten Kathode (5) verbunden ist, die elektrisch mit einem Target zusammenwirkt, das zerstäubt wird und dessen zer­ stäubte Teilchen sich auf dem Substrat (1) nieder­ schlagen, wobei in die Beschichtungskammer (15, 15a) ein Prozeßgas und ein Reaktivgas, z. B. Argon und Sauerstoff, einbringbar sind, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das zu zerstäubende Target mehr­ teilig ist, wobei ein radial außenliegender, dem Substrat gegenüberliegender Teil des Targets aus einem reaktiveren Material gebildet ist als der von diesem äußeren Teil umschlossener oder einge­ rahmter Teil, wobei zwischen dem Substrat (1) einerseits und dem mehrteiligen Target (3) ande­ rerseits eine Blende vorgesehen ist, die etwa die Konfiguration des mittleren Targetteils aufweist und wobei ein Reaktivgaseinlaß und ein Prozeßgas­ einlaß oder ein gemeinsamer Einlaß für beide Gase vorgesehen ist und das Magnetfeld der Kathode (5) so ausgebildet ist, daß während des Beschich­ tungsvorgangs ein Sputtern des reaktiveren Target­ materials im oxidischen und des weniger reaktiven Targetmaterials im metallischen Mode bewirkt wird. 2. Device for reactive coating of a sub strate ( 1 ), for example with silicon dioxide (SiO 2 ), consisting of a current source ( 10 ) which is connected to an evacuable coating chamber ( 15 , 15 a) arranged cathode ( 5 ) , which cooperates electrically with a target that is atomized and whose zer atomized particles are deposited on the substrate ( 1 ), wherein in the coating chamber ( 15 , 15 a) a process gas and a reactive gas, for. B. argon and oxygen, can be introduced, characterized in that the target to be atomized is more divided, with a radially outer, the substrate opposite part of the target is formed from a more reactive material than that of this outer part enclosed or framed part , wherein between the substrate ( 1 ) on the one hand and the multi-part target ( 3 ) on the other hand, an aperture is provided, which has approximately the configuration of the central target part and wherein a reactive gas inlet and a process gas inlet or a common inlet for both gases is provided and that Magnetic field of the cathode ( 5 ) is formed such that a sputtering of the more reactive target material in the oxidic and the less reactive target material in the metallic mode is effected during the coating process. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Target (3) aus einem zentralen, kreiszylinderförmigen Teil (3a) und einem diesen Teil umschließenden hohlzylinderförmigen, äußeren Teil (3b) gebildet ist, wobei der zentrale Teil (3a) aus einem Material hoher Affinität zu einem Reaktivgas (3b) aus einem Material geringer Affi­ nität zu einem Reaktivgas, z. B. am Zinn (Sn), besteht, wobei beide Teile (3a, 3b) gemeinsam mit jeweils einer ihrer Stirnflächen auf einer Platte (4) fest angeordnet sind.3. Apparatus according to claim 1, characterized in that the target ( 3 ) from a central, circular-cylindrical part ( 3 a) and this part enclosing a hollow cylindrical, outer part ( 3 b) is formed, the central part ( 3 a ) from a material with high affinity for a reactive gas ( 3 b) from a material with low affinity for a reactive gas, e.g. B. on tin (Sn), there being two parts ( 3 a, 3 b) together with one of their end faces on a plate ( 4 ). 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Target (3) aus einem zentralen, parallelepipeden Teil (3a) und einem diesen zen­ tralen Teil (3a) umschließenden, rahmenförmigen Teil (3b) etwa gleicher Dicke gebildet ist, wobei der zentrale Teil (3a) aus einem Material hoher Affinität zu einem Reaktivgas undd der rahmenför­ mige Teil (3b) aus einem Material geringer Affini­ tät zu einem Reaktivgas besteht.4. The device according to claim 1, characterized in that the target ( 3 ) from a central, parallelepiped part ( 3 a) and this central part ( 3 a) enclosing, frame-shaped part ( 3 b) is formed approximately the same thickness , wherein the central part ( 3 a) consists of a material with high affinity for a reactive gas and the frame-shaped part ( 3 b) consists of a material with low affinity for a reactive gas. 5. Vorrichtung nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Behälter für Argon (17) und Sauerstoff (16) vorgesehen sind, wobei beide Gase über Druckleitungen (22, 23) und in diese eingeschaltete Ventile (18, 19) den Ein­ laßstutzen (20, 21) an der Vakuumkammer (25) dosiert und entsprechend den Targetmaterialien zuführbar sind. 5. Device according to the preceding claims, characterized in that a container for argon ( 17 ) and oxygen ( 16 ) are provided, both gases via pressure lines ( 22 , 23 ) and in this switched on valves ( 18 , 19 ) the one let nozzle ( 20 , 21 ) metered to the vacuum chamber ( 25 ) and can be fed according to the target materials. 6. Verfahren zum Beschichten eines Substrats (1), beispielsweise mit Siliziumdioxid (SiO2), mit einer Stromquelle (10), welche mit einer in einer evakuierbaren Beschichtungskammer (15, 15a) ange­ ordneten Kathode (5) verbunden ist, die elektrisch mit einem Target (34) zusammenwirkt, das zerstäubt wird und dessen zerstäubte Teilchen sich auf dem Substrat (1) niederschlagen, wobei in die Be­ schichtungskammer (15, 15a) ein Prozeßgas und ein Reaktivgas, z. B. Argon und Sauerstoff, einbring­ bar sind, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem mehrteiligen Target, bestehend aus mindestens einem Teil aus einem Material mit hoher Affinität zum Reaktivgas und mindestens einem anderen Teil aus einem Material mit geringer Affinität zum Reaktivgas gesputtert wird und der Teil aus dem reaktiveren Material im oxidischen und der Teil aus weniger reaktivem Material im metalischen Mode zerstäubt wird und wobei das reaktivere Material insbesondere auf einem Substrat als Verbindung des Reaktivgases mit dem reaktiveren Targetmaterial niedergeschlagen wird und wobei das weniger reak­ tive Materials als elektrisch leitende Schicht auf einer in der Nachbarschaft des Targets angeordne­ ten Blende niedergeschlagen wird.6. A method for coating a substrate ( 1 ), for example with silicon dioxide (SiO 2 ), with a current source ( 10 ) which is connected to an in an evacuable coating chamber ( 15 , 15 a) arranged cathode ( 5 ), which is electrically cooperates with a target ( 34 ) which is atomized and whose atomized particles are deposited on the substrate ( 1 ), wherein in the loading coating chamber ( 15 , 15 a) a process gas and a reactive gas, for. B. argon and oxygen, are introduced, characterized in that with a multi-part target consisting of at least one part of a material with high affinity for the reactive gas and at least one other part of a material with low affinity for the reactive gas is sputtered and the part is atomized from the more reactive material in the oxidic and the part from less reactive material in the metallic mode and the more reactive material is deposited in particular on a substrate as a compound of the reactive gas with the more reactive target material and the less reactive material as an electrically conductive layer on a in the vicinity of the target arranged aperture is suppressed.
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