DE3941110A1 - Vakuumeinrichtung zum aufdampfen von schichten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Mikro­ elektronik, insbesondere auf die Technologie des Aufbrin­ gens von dünnen Schichten, nämlich auf eine Einrichtung zum Aufdampfen von Schichten.

Die Einrichtung kann in der elektronischen Industrie bei der Schaffung von Halbleiterbauelementen, integrier­ ten Schaltungen und Geräten der funktionalen Elektronik angewandt werden.

Es ist eine Einrichtung zum Aufdampfen von Schichten auf Substrate bekannt (SU, A, 7 96 248), die einen Auf­ dampfstoff-Verdampfer und einen Halter für Substrate, auf welche der Stoff aufgebracht wird, enthält. An der äuße­ ren Seitenfläche des Halters für Substrate ist ein Gas­ sammler befestigt, der mit einem System zur Reaktionsgas­ zufuhr verbunden ist. Der Aufdampfstoff-Verdampfer stellt eine Quelle von beschleunigten Ionen des auf das Substrat aufzubringenden Materials dar und schießt eine zylin­ drische Kathode, eine Ringanorde und eine Magnetspule ein. Der Halter für Substrate ist gleichachsig mit der Kathode angeordnet. Bei der Zuführung des elektrischen Stroms zum Halter für Substrate und zum Aufdampfstoff-Verdampfer wird in der Aufdampfzone der Schicht ein Plasma angeregt, und es findet infolge einer plasmachemischen Reaktion das Aufdampfen des Materials auf die Substrate statt.

Allerdings gestattet diese Einrichtung es nicht, die Temperatur der Substrate während des Aufdampfens einer Schicht auf dieselben zu überwachen. Die Erwärmung der Substrate während des Aufdampfens geschieht durch Einwirkung des Plasmas, und eine derartige Erwärmung ist instabil und nicht steuerbar. Alles das führt dazu, daß es unmöglich ist, die Eigenschaften von aufzudampfenden Schichten erneut zu reproduzieren.

Das Fehlen einer Vorreinigung der Substrate führt zum Auftreten von Defekten (wie Porosität, fremde schäd­ liche Bestandteile) in der Schicht.

Somit erlaubt diese Einrichtung es nicht, Schichten von hoher Qualität zu erhalten.

Bekannt ist eine Vakuumeinrichtung zum Aufdampfen von Schichten (P. V. Makhrin u. a. "Aggregat zum Aufbringen dünner Schichten von Mehrkomponentenlegierungen durch Magnetron-Zerstäubung", 1980, Verlag TSNII "Elektronika" (Moskau), S. 54), enthaltend eine Vakuumkammer mit einem darin untergebrachten Aufdampfstoff-Verdampfer, der eine Aufdampfzone bildet, und einen Halter für Substrate, der auf dem Tisch eines Planetenkarussells befestigt ist. Über dem Planetenkarussell sind außerhalb der Vakuum­ kammer eine Aufgabekammer und eine Kammer mit Heizern für Sustrate montiert, welche eine Aufgabe- und eine Heizzone bilden.

In dieser Vakuumeinrichtung wird der auf dem Tisch befindliche Halter mit Substraten mittels Vorrichtungen zum Bewegen des Karussells aus der Aufgabezone in die Heizzone und dann in die Aufdampfzone aufeinanderfolgend zu­ geführt. Die Heizzeone und die Zone des Aufbringens von Schichten auf Substrate sind räumlich getrennt, weshalb das Vorhandensein der Vorrichtungen zum Bewegen des Ti­ sches und die Arbeit derselben während des Aufdampfens Verunreinigungen in Form von Metallstaub erzeugen. Außerdem ist es bei dieser Einrichtung ebenso wie bei er eingangs beschriebenen unmöglich, eine Vorreinigung der Substrate durchzuführen, was eine Minderung der Qualität der erzeugten Schichten zur Folge hat.

Darüber hinaus wird in dieser Vakuumdichtung der Prozeß des Aufbringens von Schichten auf Substrate mit unkontrollierter Temperatur durchgeführt, weil der Halter mit Substraten zuerst in der Heizzone erwärmt und dann in die Zone des Aufbringens von Schichten bewegt wird, wo die Aufrechterhaltung der vorgegebenen Temperatur der Substrate aufhört. Somit ist auch in diesem Fall praktisch die Möglichkeit zur erneuten Reproduzierung der Eigenschaften von Schichten nicht gegeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Va­ kuumeinrichtung zum Aufdampfen von Schichten zu schaffen, bei der durch maximale Annäherung der Zonen der Erwärmung und Reinigung der Substrate und der Zone des Aufdampfens von Schichten auf Substrate die Notwendigkeit von Vorrichtungen zum Bewegen des Tisches entfällt, auf welchem sich der Halter für Substrate be­ findet, sowie die Möglichkeit besteht, die Bedampfung der Substrate in der Heizzone unter Kontrol­ le der Erwärmungstemperatur vorzunehmen, wodurch eine Erhöhung der Qualität der aufgedampften Schichten unter Ermöglichung der erneuten Reproduzierung ihrer Eigen­ schaften sichergestellt wird.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in der Vakuumeinrichtung zum Aufdampfen von Schichten auf Substrate, enthaltend eine Vakuumkammer mit mindestens einem in derselben angeordneten Aufdampfstoff-Verdampfer, der eine Aufdampfzone bildet, einen Heizer für Substrate, der eine Heizzone bildet, einen Halter für Substrate, der auf einem Tisch zur Unterbringung in der Heizzone und in der Aufdampfzone angeordnet ist, und eine Aufgabekam­ mer zum Legen der Substrate auf den Halter, erfindungs­ gemäß der Tisch in der Vakuumkammer unbeweglich befes­ tigt ist, während die Aufgabekammer unmittelbar auf die Vakuumkammer aufsetzbar ist, wobei die Vakuumeinrichtung mit einem in der Vakuumkammer hin- und herbewegbar relativ zum Halter für Substrate angeordneten Vakuumverschluß versehen ist, in dem der Heizer für Substrate installiert ist, während jeder Aufdampfstoff-Verdampfer mit Möglich­ keit einer hin- und hergehenden Bewegung relativ zum Halter für Substrate an einer Stange zur kinematischen Verbindung mit dem Antrieb der Hin- und Herbewegung angebracht ist.

Es ist zweckmäßig, daß in der erfindungsgemäßen Vakuumeinrichtung zum Bedampfen von Substraten mit erhabener Oberfläche jeder Auf­ dampfstoff-Verdampfer mit der Stange mit Möglichkeit einer fixierten Drehung um einen Winkel von 45 bis 150° in der Vertikalebene verbunden ist.

Es ist sinnvoll, daß in der erfindungsgemäßen Va­ kuumeinrichtung der Tisch mit einem Isolierelement zur elektrischen Isolation von der Wand der Vakuumkammer aus­ gestattet ist und in der Wand der Vakuumkammer ein Kanal für die Zuführung eines Inertgases in die Aufgabekammer ausgeführt ist.

Es ist zulässig, daß in der erfindungsgemäßen Va­ kuumeinrichtung bei der Ausbildung des Vakuumverschlusses in Form eines Bechers in der Wand der Vakuumkammer gegen­ über der Stirnseite des Bechers eine ringförmige Nut aus­ geführt und ein Dichtelement vorhanden ist, welches in der ringförmigen Nut an deren Umfang zur Gewährleistung der hermetischen Abdichtung der Aufgabekammer und des Vakuumverschlusses in einer der Endstellungen desselben angeordnet ist.

Die vorgeschlagene Erfindung gestattet es, die Pro­ zesse des Einbringens, der Erwärmung und Bedampfung der Substrate in einer und derselben Zone durchzuführen, wo­ durch es entbehrlich wird, den Tisch mit dem Halter für Substrate aus einer Zone in die andere zu bewegen, was es möglicht macht, ohne Vorrichtungen zum Bewegen des Tisches, auf dem sich der Halter für Substrate befin­ det, auszukommen und durch reibende Teile dieser Bewe­ gungsvorrichtungen hervorgerufene Verunreinigungen mit Metallstaub zu beseitigen.

Außerdem erfolgt der Aufdampfprozeß in der Heiz­ zone, was es erlaubt, das Aufdampfen auf das Substrat mit kontrollierbarer Erwärmungstemperatur vorzunehmen.

Durch diese Faktoren kann die Qualität der zu be­ dampfenden Substrate erhöht und die Reproduzierbarkeit ihrer Eigenschaften sichergestellt werden.

Diese und andere Vorteile der Erfindung werden kla­ rer aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels derselben unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. In diesen zeigt

Fig. 1 die Gesamtansicht der erfindungsgemäßen Vakuumeinrichtung zum Aufdampfen von Schichten auf Sub­ strate während der Erwärmung und/oder Reinigung der Sub­ strate (Längsschnitt);

Fig. 2 die Gesamtansicht der erfindungsgemäßen Vakuumeinrichtung zum Aufdampfen von Schichten auf Sub­ strate während des Aufdampfens eines Stoffes auf die Substra­ te (Längsschnitt).

Die Vakuumeinrichtung zum Aufdampfen von Schichten auf Substrate hat eine Vakuumkammer 1 (Fig. 1), in deren Innerem ein Aufdampfstoff-Verdampfer 2 unterge­ bracht ist, der beispielsweise in Form eines Magnetrons ausgeführt ist. Der Verdampfer 2 ist an einer Stange 3 befestigt, die in der Vakuumkammer 1 mit Möglichkeit einer hin- und hergehenden Bewegung (Pfeil A), im vorlie­ genden Fall in der Horizontalebene, angeordnet und mit einem (in der Zeichnung nicht gezeigten) Antrieb der Hin- und Herbewegung verbunden ist. In der Vakuumkammer 1 ist ebenfalls hin- und herbewegbar in der Vertikalebene (Pfeil B) ein Vakuumverschluß 4 in Gestalt eines Bechers mit Stirnseite 5 angeordnet, welcher auf einem Kolben 5′ angebracht ist. Auf dem Vakuumverschluß 4 ist ein Hei­ zer 6 für Substrate installiert, der beispielsweise in Form von Quarzlampen infraroter Strahlung ausgeführt ist. Die Vakuumeinrichtung enthält auch einen Halter 7, der Substrate 8 trägt und sich auf einem Tisch 9 gegen­ über dem Heizer 6 für Substrate 8 befindet. Der Tisch 9 ist an einer Wand 9′ der Vakuumkammer 1 unbeweglich be­ festigt und von dieser mit Hilfe eines Isolierelemen­ tes 10 elektrisch isoliert.

Auf derselben Wand 9′ der Vakuumkammer 1 ist gegen­ über dem Halter 7 für Substrate eine Aufgabekammer 11 aufgesetzt, die abnehmbar ausgeführt ist. Die Aufgabe­ kammer 11 ist zum Ein- und Austragen der Substrate 8 vor dem Aufdampfen bzw. nach demselben bestimmt.

Das Isolierelement 10 gestattet es, dem Tisch so­ wohl Gleichspannung als auch Wechselspannung zuzuführen, um eine volle Reinigung der Substrate 8 sowohl vor dem Aufdampfen als auch während des Aufdampfens zu sichern. Die Aufgabekammer 11 und der Vakuumverschluß 4 bilden für die Zeit der Beschickung einen hermetischen Aufgabe­ raum. Die Dichtheit der Aufgabekammer 11 wird dank einem Dichtelement 12 erreicht, das zwischen der Aufgabekam­ mer 11 und der Wand 9′ der Vakuumkammer 1 angeordnet ist. Außerdem ist in dieser Wand 9′ gegenüber der Stirnseite 5 des Vakuumverschlusses 4 eine ringförmige Nut 13 mit einem Dichtelement 14 ausgeführt, das am Um­ fang derselben angeordnet ist. Auf diese Weise wird die Dichtheit des Aufgaberaumes erreicht.

In der Wand 9′ der Vakuumkammer 1 ist ein Kanal 15 für die Zuführung von Inertgas in die Aufgabekammer aus­ geführt.

An der Innenfläche der Wand 9′ der Vakuumkammer 1 sind in der Nähe der ringförmigen Nut 13 bewegliche Schirme 16 angebracht, die dazu dienen, eine Verstaubung des Dichtelementes 14 während des Aufdampfens einer Schicht auf die Substrate 8 zu verhindern und ein Un­ dichtwerden der Vakuumkammer 1 beim erneuten Schließen des Vakuumverschlusses 4 zu vermeiden.

In der Seitenwand der Vakuumkammer 1 sind eine Öffnung 17 zum Einfüllen eines Betriebsgases, z. B. Argon, von einer Quelle 18 und eine Öffnung 19 zum Evakuieren des Hohlraumes der Vakuumkammer 1 über eine Rohrlei­ tung 19′ vorhanden.

In Fig. 2 ist die Vakuumeinrichtung während des Aufdampfens eines Stoffes auf die Substrate 8 darge­ stellt. Falls die Substrate 8 eine erhabene Oberfläche aufweisen, ist es erforderlich, daß das Aufdampfen von verschiedenen Seiten her erfolgt, wozu der Aufdampf­ stoff-Verdampfer 2 an der Stange 3 beweglich mit Mög­ lichkeit einer Schwenkung in der Vertikalebene, die durch die Achse der Stange 3 geht, in diesem Fall also in der Zeichnungsebene, angebracht wird. Die Schwenkung des Verdampfers erfolgt um einen fixierten Winkel α, wobei der Wert des Winkels α im Bereich der Werte von 45 bis 135° je nach der Art des Reliefs gewählt wird.

Die beweglichen Schirme 16 verdecken während des Aufdampfens des Stoffes die Nut 13.

Bei der Notwendigkeit, mehrere Stoffe auf die Sub­ strate 8 aufzubringen, können in der Vakuumkammer 1 zu­ sätzliche Verdampfer (in den Zeichnungen nicht gezeigt), beispielsweise Magnetrone, installiert sein. Diese zu­ sätzlichen Verdampfer werden ähnlich wie vorstehend beschrieben angebracht, wobei die Bewegung der Stangen der zusätzlichen Verdampfer in verschiedenen Ebenen je nach der geforderten Technologie erfolgen kann.

Die Vakuumeinrichtung zum Aufdampfen von Schichten arbeitet folgenderweise.

Bei abgenommener Aufgabekammer 11 (Fig. 1) wird der Halter 7 mit den Substraten 8 auf den Tisch 9 ge­ setzt. Die Aufgabekammer 11 wird hermetisch verschlos­ sen. Der Vakuumverschluß 4 befindet sich in der oberen Lage.

In der Vakuumkammer 1 wird durch Auspumpen der Luft über die Öffnung 19 ein Vakuum erzeugt, und der Vakuum­ verschluß 4 wird in die untere Lage (Fig. 2) gebracht. Hierbei wird ein ebensolches Vakuum in der Aufgabekam­ mer 11 über dem Halter 7 für Substrate erzeugt. Danach wird der Heizer 6 eingeschaltet, der die Substrate 8 anwärmt. Gleichzeitig wird Spannung (Wechsel- oder Gleichspannung) dem Tisch 9 und der Aufgabekammer 11 zugeführt, während über den Kanal 15 in der Wand 9′ Argon in den Raum zwischen der Aufgabekammer 11 und dem Tisch 9 zugeführt wird.

Auf diese Weise kommt gleichzeitig mit der Erwär­ mung der Substrate 8 deren Ionenreinigung dank einer Plasmaentladung zustande, die im Raum zwischen dem Hal­ ter 7 und der Aufgabekammer 11 entsteht. Dann führt man der Vakuumkammer 1 über die Öffnung 17 das Inertgas zu, schaltet man den Aufdampfstoff-Verdampfer 2 ein und be­ wegt mit Hilfe der Stange 3 den Verdampfer 2 längs des Halters 7 für Substrate. Dabei ist die Nut 13 in der Wand 9′ der Vakuumkammer 1 durch die Schutzschirme 16 verdeckt, was eine Verstaubung des Dichtelementes 14 verhindert.

Bei Erreichen der vorgegebenen Schichtdicke schal­ tet man den Verdampfer 2 ab und führt ihn in die Aus­ gangsstellung (Fig. 1) über. Den Vakuumverschluß 4 bringt man in die obere Endstellung, nachdem man zuvor die Schutzschirme 16 von der Nut 13 abgeführt hat.

Des weiteren wiederholt sich der Zyklus.

Somit sind bei der erfindungsgemäßen Vakuumein­ richtung zum Aufdampfen von Schichten die Arbeitsgänge der Beschickung, der Erwärmung der Substrate, der Rei­ nigung der Substrate und des Aufdampfens der Schichten gekoppelt und werden in ein und demselben Raum ausge­ führt. Hierbei sind mechanische Elemente zum Bewegen des Tisches, auf dem sich der Halter 7 für Substrate befindet, entbehrlich. Die Erwärmung der Substrate 8 erfolgt kontinuierlich während der Reinigung der Sub­ strate 8 und des Aufdampfens von Schichten. Dies bietet die Möglichkeit, Schichten ohne fremde Bestandteile zu erhalten, und gewährleiset die Reproduzierbarkeit der Eigenschaften der Schichten und die Erzielung einer hohen Qualität der aufgedampften Schichten.

Überdies gestatten die erfindungsgemäßen konstruk­ tiven Änderungen, eine Vakuumkammer begrenzten Vo­ lumens zu schaffen, was die Möglichkeit gibt, wirtschaft­ liche Mittel von geringer Leistung zur Vakuumerzeugung zu verwenden.

Claims (4)

1. Vakuumeinrichtung zum Aufdampfen von Schichten auf Substrate, enthaltend eine Vakuumkammer (1) mit min­ destens einem in derselben angeordneten Aufdampfstoff- Verdampfer (2), der eine Aufdampfzone bildet, einen Heizer (6) für Substrate, der eine Heizzone bildet, einen Halter (7) für Substrate, der auf einem Tisch (9) zur Unterbringung in der Heizzone und in der Aufdampf­ zone angeordnet ist, und eine Aufgabekammer (11) zum Legen der Substrate auf den Halter, dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• - der Tisch (9) in der Vakuumkammer (1) unbeweglich befestigt ist,
• - die Aufgabekammer (11) unmittelbar auf der Vakuum­ kammer (1) montiert ist, wobei
• - die Vakuumeinrichtung mit einem in der Vakuum­ kammer (1) hin- und herbewegbar relativ zum Halter (7) für Substrate angeordneten Vakuumverschluß (4) versehen ist, in dem der Heizer (6) für Substrate installiert ist, während
• - jeder Aufdampfstoff-Verdampfer (2) mit Möglich­ keit einer hin- und hergehenden Bewegung relativ zum Halter (7) für Substrate an einer Stange (3) zur kinema­ tischen Verbindung mit dem Antrieb der Hin- und Herbewe­ gung angebracht ist.

2. Vakuumeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bedampfung von Substraten (8) mit erhabener Oberfläche jeder Aufdampfstoff-Verdampfer (2) an der eigenen Stange mit Möglichkeit einer fixierten Drehung um einen Winkel (α) von 45 bis 150° in der Vertikal­ ebene angeordnet ist.

3. Vakuumeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Tisch (9) mit einem Isolierelement (10) zur elektrischen Isolation von der Wand (9′) der Vakuumkam­ mer (1) ausgestattet ist und
• - in der Wand (9′) der Vakuumkammer ein Kanal (15) für die Zuführung eines Inertgases in die Aufgabekam­ mer (11) ausgeführt ist.

4. Vakuumeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Aus­ bildung des Vakuumverschlusses (4) in Form eines Be­ chers in der Wand (9′) der Vakuumkammer (1) gegenüber der Stirnseite (5) des Bechers eine ringförmige Nut (13) ausgeführt und ein Dichtelement (14) vorhanden ist, welches in der ringförmigen Nut (13) an deren Umfang zur Gewährleistung der hermetischen Abdichtung der Aufgabekammer (1) und des Vakuumverschlusses (4) in einer der Endstellungen desselben angeordnet ist.