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I. TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Techniken zur Sputter-Ablagerung aus einem reaktiven
Plasma, um Isolierschichten auf Substraten zu bilden und abzulagern,
und insbesondere ein System und ein Verfahren für die Sputter-Ablagerung eines
Isoliermaterials auf einem Substrat.
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II. TECHNISCHER HINTERGRUND
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Sputtern
ist ein Prozess, bei dem ein Target, das gewöhnlich ein Metall ist, in einer
Position nahe bei einem Plasma (eine Wolke aus Ionen und Elektronen,
die in gleicher Anzahl vorhanden sind) in einer Kammer angeordnet
wird, aus der ein Großteil der
Luft abgezogen wurde. Es werden wohl bekannte herkömmliche
Mittel verwendet, um das Plasma zu erzeugen. An dem Target oder
an der Katode wird eine negative Spannung relativ zu einer getrennten Elektrode,
die als Anode bezeichnet wird, erzeugt, indem die negative Leitung
einer Gleichspannungsleistungsversorgung mit dem Target verbunden
wird. Die negative Spannung an dem Target zieht die Ionen aus dem
Plasma an, die zum Target hin beschleunigt werden. Bei der Ankunft
werden durch die Kollision der Ionen mit dem Target Targetatome
physisch herausgeschlagen. Diese Targetatome bewegen sich von dem
Target zu einem in der Nähe
angeordneten Substrat, das mit ihnen beschichtet wird. Die ausgestoßenen Targetatome
beschichten außerdem
jede andere Oberfläche
in dem System, da sie größtenteils
neutral sind und keine praktische Möglichkeit vorhanden ist, ihren
Weg zu lenken. Wenn Ionen aus dem Plasma abgezogen werden, gibt
es in dem Plasma sofort einen Überschuss
von Elektronen. Diese Überschusselektronen
werden von der positiven Leitung der Gleichspannungsleistungsversorgung,
die zum Erzeugen der Targetspannung verwendet wird, angezogen, wobei
die positive Leitung mit einer separaten Elektrode, die als Anode
bezeichnet wird, oder alternativ mit den Kammerwänden verbunden ist, wobei beide
durch das Sammeln der Elektronen einen Plasmastromfluss erzeugen
und deswegen als die den Plasmastrom erzeugende Elemente betrachtet
werden können.
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Wie
beschrieben wurde, ist dies ein sehr gebräuchlicher Prozess zum Ablagern
von dünnen Schichten
aus Metallen. Er wird weit verbreitet bei der Bearbeitung von Halbleitern
und bei der Erzeugung der reflektierenden Schicht auf Kompaktdisks und
CD-ROMs, aktiven Schichten auf Festplatten für Computerspeichereinrichtungen
und Schichten aus Metallen für
viele andere funktionale und dekorative Anwendungen verwendet.
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Der
oben beschriebene Prozess wird als Gleichspannungs-Sputtern bezeichnet
und erfordert, dass das Target (oder die Katode) leitend ist, da
die Ionen, die am Target eintreffen, in der Lage sein müssen, ein
oder mehrere Elektronen aufzunehmen, damit sie wieder neutral werden,
um ein Aufladen der Targetoberfläche
zu verhindern, was ein Bremspotential erzeugen würde, das den Prozess sehr schnell zum
Erliegen bringen würde.
Isolatoren haben keine freien Elektronen, die für diesen Zweck zur Verfügung stehen,
so dass kein isolierendes Targetmaterial verwendet werden kann.
Man kann dagegen Schichten aus isolierendem Material von einem metallischen
Target ablagern, indem der Isolator durch eine Reaktion mit einem
reaktiven Hintergrundgas chemisch behandelt wird. Dies wird als
reaktives Sputtern bezeichnet. Al2O3 und SiO2 können z. B. aus Aluminium- bzw.
Siliciumtargets erzeugt werden, wenn Sauerstoffgas in geeigneten
Mengen in dem Hintergrundgas, das die Kammer füllt, vorhanden ist.
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Es
besteht ein steigendes Interesse an Prozessen, die die Ablagerung
von derartigen isolierenden Schichten enthalten. Dieses Interesse
rührt zumindest
teilweise von der Anwendung derartiger Prozesse bei der Ablagerung
von verschleißfesten
Beschichtungen, isolierenden Schichten für Mikroschaltungen (einschließlich Vorrichtungen
wie Dünnfilmköpfe) oder
elektronischen Vorrichtungen wie Kondensatoren, Glasbeschichtungen
in der modernen Architektur, Beschichtungen auf Polyesterschichten für architektonische
Glaslaminate oder Sauerstoffsperren für Lebensmittelverpackungen,
wärmereflektierende
Beschichtungen für
Hochleistungslampen oder Wärmeschilder
für Induktionsöfen, Ablagerung
von Sperrschichten und Funktionsschichten für Flachtafelanzeigen, die ITO-Glas
enthalten, das in LCD-Anzeigen verwendet wird, und einer Vielzahl von ähnlichen
funktionellen Anwendungen. Außerdem
gibt es viele reaktive PVD-Prozesse, die verwendet werden, um dekorative
Wirkungen auf einer Vielzahl von Substraten aus Kunststoff, Natur-
und Kunstfasern und Metall.
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In
diesen Fällen
tritt jedoch dann ein Problem auf, wenn das Reaktionsprodukt ein
elektrischer Isolator ist. Da die isolierende Schicht, wie oben
beschrieben wurde, alle Oberflächen
in der Kammer (die eigentlich geeignet ist) beschichtet, wird sie schließlich sicher
auch die Anode beschichten. Wenn dies geschieht, ist der Leitungsweg
für die
Elektronen bedeckt und der Prozess kann nicht aufrechterhalten werden.
Dies wurde als das Problem der "verschwindenden
Anode" bezeichnet.
In der Vergangenheit wurde dieser Prozess betrieben, bis dieser
Effekt begann, ernsthafte Probleme zu bewirken, woraufhin das System
geöffnet
wurde, um die störende
Isolierschicht von der Anode mechanisch abzukratzen, um eine neue
metallische Oberfläche
zu schaffen. Dadurch ist ein ununterbrochener Betrieb ohne diese Wartung
nicht möglich.
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Ein
weiterer Nachteil, der die Beschichtung der Anode mit einem Isolator
betrifft, besteht darin, dass sich der Isolator im Allgemeinen auflädt, wenn die
Elektronen versuchen, sich darauf anzusammeln. Diese Ladung kann
ein elektrisches Feld in der isolierenden Schicht auf der Anode
bewirken, das die dielektrische Durchschlagsfestigkeit des Schichtmaterials übersteigen
kann. Wenn dies geschieht, kann ein Lichtboden gebildet werden und
die Energie in diesem Lichtbogen kann bewirken, dass Teile der Schicht
von der Anode ausgeworfen werden, wodurch Partikel erzeugt werden,
die in der Schicht eingeschlossen werden können, die auf dem Substrat gezogen
wird, wodurch wiederum Defekte erzeugt werden, die in dem Endprodukt
unannehmbar sind.
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In
einem Artikel mit dem Titel "A
Quasi-direct-current Sputtering Technique for the Deposition of
Dielectrics at Enhanced Rates" von
Este u. a., der in J. Vac. Sci. Technol. A, Bd. 6, Nr.3 (Mai/Juni
1988) veröffentlicht
wurde, wurde ein Lösungsansatz
für den
Sputterprozess vorgeschlagen, bei dem zwei Targets für die Ablagerung
von dielektrischen oder isolierenden Schichten abwechselnd verwendet
werden. Die Leistungsversorgung, die in diesem Fall einen Ausgang
mit Wechselspannungspotential hat, ist mit den beiden Targets verbunden,
so dass sie gegenseitig abwechselnd positiv und negativ angesteuert
werden. Dies bewirkt, dass jedes Target als eine Anode für das jeweils
andere wirkt. Wenn die Umkehrung ausreichend häufig erfolgt, wird lediglich
eine sehr dünne
Schicht des Isolators auf dem Target, das als Anode wirkt, gebildet
und diese sehr dünne Schicht
kann durch Sputtern entfernt werden, wenn dieses Target an der Reihe
ist, negativ zu sein. Dies ist möglich,
da der Isolator den Sputterprozess nicht plötzlich unterbricht, sondern
infolge von Ladungseffekten wird seine Anwesenheit den Prozess verlangsamen
und schließlich
unterbrechen. Wenn die Schicht sehr dünn ist, kann sie durch Sputtern
entfernt werden, bevor der Prozess anhält. Die gewöhnliche Dauer für eine Umkehrung
beträgt
einige zehn Mikrosekunde, damit eine zu geringe Zeit für die Bildung
einer dicken Schicht vorhanden ist. Siehe außerdem das Dokument von Schiller
u. a. mit dem Titel "Pulsed
Magnetron Sputter Technology",
das in Proceedings of the 1993 International Conference on Metallurgical
Coatings and Thin Films, Surf. Coat. Tech. Bd. 61, (1993), S. 331
veröffentlicht
wurde und einen Lösungsansatz
mit doppeltem Magnetron-Target
behandelt, der dem von Este u. a. dahingehend ähnlich ist, dass jedes der
Targets in einem Zyklus des Ausgangssignals der Leistungsversorgung
einmal als Katode und einmal als Anode wirkt.
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Dies
hat sich größtenteils
als erfolgreicher Lösungsansatz
für das
Problem der "verschwindenden
Anode" erwiesen.
Er besitzt zwar den Teilteil, das zwei Targets erforderlich sind,
wodurch sich die Kosten des Systems erhöhen und außerdem die Wartung komplizierter
wird. Es ist außerdem
schwierig, diesen Prozess mit doppeltem Target an vorhandene Sputtersysteme
anzupassen, da häufig
kein Platz für das
zweite Target vorhanden ist.
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Ein
gravierenderer Nachteil des Lösungsansatzes
mit doppeltem Target wird jedoch durch die Tatsache bewirkt, dass
ein geeigneter Aufbau der Targetbaueinheit gewöhnlich Magnete enthält, um ein
Magnetfeld über
der Targetoberfläche
zu erzeugen, um die Plasmadichte zu vergrößern. Dieses Magnetfeld behindert
den Elektronenfluss zum Target. Deswegen ist ein geeigneter Aufbau
für eine
Katode im Allgemeinen kein guter Aufbau für eine Anode, bei dem eine
ungehinderte Sammlung der Elektronen aus dem Plasma notwendig ist.
In einem Sputtersystem gibt es eine Potentialdifferenz zwischen
dem Plasma und dem Target oder der Katode, die als "Katodenspannungsabfall" bezeichnet wird.
Es gibt gleichfalls eine Potentialdifferenz zwischen dem Plasma
und der Anode, die als "Anodenspannungsabfall" bezeichnet wird.
In einem gut aufgebauten System erscheint nahezu die gesamte Spannung
der Leistungsversorgung als Katodenspannungsabfall und eine geringe
Spannung als Anodenspannungsabfall. In einem typischen Fall könnten der
Katodenspannungsabfall 600 Volt und der Anodenspannungsabfall weniger
als 20 Volt betragen. Bei dem System mit doppeltem Target erhöht sich
der Anodenspan nungsabfall auf viel größere Werte, die häufig 50
bis 100 Volt betragen. Dadurch werden zwei ernsthafte Symptome erzeugt.
Erstens verändert
der größere Anodenspannungsabfall
das Plasmapotential derart, dass ein Bombardement des Substrats
mit höherer
Energie erfolgt. Das kann nützlich
sein, wenn ein Bombardement mit bestimmten Ionen dazu beträgt, dass
die wachsende Schicht dichter wird, eine Substratbombardement ist
jedoch mit einer Substraterwärmung
gleichbedeutend und dies kann ein wesentlicher Nachteil sein, wenn
das Substrat ein wärmeempfindliches
Material, wie etwa Kunststoff, enthält. Da zweitens der Leistungsversorgungsstrom durch
die Anode verläuft,
stellt das Produkt aus dem Anodenspannungsabfall und dem Strom die
Verlustleistung in der Anode dar. Dies kann an sich ein Problem
sein, doch selbst dann, wenn die Anode der Erwärmungswirkung widerstehen kann,
muss die Verlustleistung in der Anode notwendigerweise von der Leistung
der Leistungsversorgung (d. h. die eigentliche Vorrichtung oder
selbst ein Teil der Schaltungsanordnung, die eine Versorgung mit
Leistung für
die entsprechenden Elemente ermöglicht
oder dazu beiträgt)
subtrahiert werden und verringert dadurch die Leistung, die an der
Katode für
Zwecke des Sputterns zur Verfügung
steht. Somit wird die Ablagerungsrate, die gleich jedem Watt Leistung
ist, das von der Leistungsversorgung geliefert wird, um das Verhältnis zwischen
Anodenspannungsabfall und Katodenspannungsabfall verringert. Im
oben genannten Fall für
das Sputtern mit doppelter Katode würde die Anode ein Sechstel
der Leistung aufnehmen (der Strom, multipliziert mit 100 Volt von
den 600 Volt, die von der Leistungsversorgung zur Verfügung stehen) und
die Katode würde
den Rest von fünf
Sechsteln aufnehmen. Dies stellt einen Verlust von 16,7 % der möglichen
Sputterleistung dar, während
ein Anodenspannungsabfall von 10 Volt lediglich 1,7 % der möglichen
Leistung "stehen" würde, um
die Anode zu erwärmen.
Andere Verluste können
natürlich
vorhanden sein, ein wesentlicher Anodenspannungsabfall kann jedoch
die Ablagerungsrate deutlich verringern.
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Demzufolge
besteht ein Bedarf an einem anderen Lösungsansatz, um die oben beschriebenen Nachteile,
die bei Prozessen des reaktiven Sputterns im Stand der Technik vorhanden
sind, zu überwinden.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht
einen Betrieb mit einzelnem Target mit einer separater Anodenbaueinheit
mit einem geringen Anodenspannungsabfall und deswegen geringem Substratbombardement
und guter Ausnutzung der Sputterleistung, wobei das Problem der "verschwindenden Anode" nicht vorhanden
ist.
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Andere
Lösungsansätze haben
ebenfalls versäumt,
die Anforderungen zu erfüllen,
die durch die vorliegende Erfindung eingehalten werden, wobei der
Lösungsansatz,
der im US-Patent Nr. 3.562.142 offenbart ist, ein Verfahren zur
Sputterplattierung enthält,
bei dem mehrere Targets vorhanden sind, bei denen durch die Verwendung
einer verhältnismäßig hohen
Frequenz von 13,56 MHz gleichzeitig durch Sputtern abgelagert wird.
Dieser Systemtyp erzeugt keinen abwechselnd erfolgenden Sputterprozess, der
in der vorliegenden Erfindung offenbart ist, und erzeugt keine selbsttätige Vorspannung
durch die Wirkungen der Unterschiede in der Beweglichkeit von Ionen
und Elektronen, wie in der vorliegenden Erfindung beschrieben ist.
Der Lösungsansatz,
der in der japanischen Patentanmeldung
JP 59 069 266 von Fujitsu offenbart
ist, enthält
in ähnlicher
Weise einen Aufbau, bei dem eine hohe Gleichspannung an das Target
angelegt wird, um seine Ziele zu erreichen. Er offenbart nicht die
Verwendung einer Wechselspannungsfrequenz, die bewirkt, dass die
Katode eine negative selbsttätige
Vorspannung relativ zu dem Plasma annimmt, so dass an der Katode
ein Sputtern ausgeführt
und eine Schicht abgelagert werden kann. Er offenbart ebenfalls
nicht den Aufbau, bei dem die Anoden und die positive Leitung einer
Gleichspannungsversorgung mit einer Sekundärwicklung eines Transformators
verbunden werden, um die abwechselnde Verwendung der Anoden zu ermöglichen,
wie in der vorliegenden Erfindung beschrieben ist. Im Unterschied
zum Literaturhinweis von Fujitsu verwendet die vorliegende Erfindung
einen Aufbau, z. B. unter Verwendung einer mit Abgriffen versehenen
Spule oder eines mit Abgriffen versehenen Transformators in Verbindung
mit Frequenzbereichen seiner Wechselspannungsleistungsversorgung,
um die gewünschten
Ergebnisse zu erreichen.
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Der
Lösungsansatz,
der im Patent
JP 60 256 819 von
Ulvac Corporation beschrieben ist, enthält eine Steuerung der elektrischen
Leistung, um die HF-Spannung
jederzeit auf einem festen Pegel zu halten. Dieser Systemtyp erzeugt
keine Transformatoranordnung, wie in der vorliegenden Erfindung
beschrieben ist.
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III. OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Es
ist deswegen eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anodenfunktion
für Systeme
des reaktiven Sputterns mit Charakteristiken zu schaffen, die einen
verhältnismäßig kleinen
Anodenspannungsabfall relativ zu dem Anodenspannungsabfall, der
in Sputtersystemen mit doppelter Anode beobachtet wird, erzeugen.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Substraterwärmung in
Sputtersystemen unter die Erwärmung
zu senken, die normalerweise in Sputtersystemen mit doppelter Katode
auftritt.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Sputterrate
des Target in einem Sputtersystem für jedes Watt an Leistung, das
durch die Leistungsversorgung der Katode geliefert wird, über den
Wert zu vergrößern, der
normalerweise in Sputtersystemen mit doppelter Katode auftritt.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen ununterbrochenen
Betrieb zu schaffen, indem eine Unterbrechung des Prozesses des reaktiven
Sputterns infolge der Bildung einer isolierenden Schicht an der
Anode (den Anoden) des Systems verhindert wird.
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Es
ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, die Gleichförmigkeit
der Ablagerung zu verbessern, indem die Ungleichförmigkeit
von elektrischen Feldern, die durch die Bildung von isolierenden
Schichten auf der Anode (den Anoden) des Systems bewirkt wird, vermieden
wird.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, die Bildung von Lichtbögen zu verhindern,
die infolge der Bildung von isolierenden Schichten auf der Anode
(den Anoden) des Systems auftreten können, und dadurch die Verteilung
von Partikeln in der Kammer zu verhindern, die durch die mechanischen
Kräfte
bewirkt werden, die durch diese Lichtbogenbildung erzeugt werden.
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Demzufolge
ist die vorliegende Erfindung auf ein System für die Sputter-Ablagerung eines
isolierenden Materials auf einem Substrat in einer ununterbrochenen
Betriebsart gerichtet. Die vorliegende Erfindung offenbart einen neuartigen
Aufbau für
eine Anodenbaueinheit, um dies zu ermöglichen, wobei die Baueinheit
wenigstens zwei Anoden umfasst, wovon wenigstens eine zu einem beliebigen
Zeitpunkt positiv vorgespannt sein kann (d. h. die entgegengesetzte
Polarität
des Targets), um eine reine positive Anode für das System zu schaffen oder
diese allgemeiner ausgedrückt
in einen "Elektronensammelzustand" zu versetzen, und
wenigstens während
einer bestimmten Zeitperiode in Bezug auf das Plasma negativ vorgespannt
sein kann (d. h. die gleiche Polarität wie das Target aufweist)
oder allgemeiner ausgedrückt
sich in einem "Ionensammelzustand" befindet, so dass
isolierendes Material, das sich darauf abgelagert haben könnte, durch
Sputtern entfernt wird. Dieses Entfernen von isolierendem Material,
das sich auf der Anodenstruktur gebildet haben könnte, ermöglicht deren fortgesetzte wirksame
Verwendung zum Sammeln von Elektronen aus dem Plasma, wenn sie positiv
vorgespannt ist, und somit deren fortgesetzte wirksame Verwendung
als eine Anode für
das System. Dies ermöglicht
den ununterbrochenen Betrieb des Systems. Eine Katodenleistungsversorgung
(d. h. wie oben erwähnt
wurde, die eigentliche vor oder sogar ein Teil der Schaltungsanordnung, der
beteiligt ist oder wirkt, um die Lieferung von Leistung an die Katode
zu ermöglichen)
kann verwendet werden, um ein negatives Potential (Ionensammelpotential)
an der Katode zu erzeugen, wobei diese Versorgung von der Anodenleistungsversorgung
getrennt sein kann und bewirken kann, dass der Zustand der Anoden
zwischen dem Ionensammelzustand und der Elektronensammelzustand
gewechselt wird, wobei die Leistungsversorgung eine Wechselspannungsleistungsversorgung
mit einer Frequenz ist, so dass die Katode ein Potential der selbsttätigen Vorspannung
annimmt, das relativ zu dem Plasma negativ ist.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst ferner die Tätigkeiten des Vorsehens einer
Beschichtungskammer, des Erzeugens eines Plasmas, des Vorsehens einer
Targetkatode, an der ein Sputtern ausgeführt wird, und wenigstens zweier
Anoden, des Haltens der Katode auf einem negativen Potential, sowie
des Umschaltens oder des wechselweisen Versetzens der Anoden in
einen Ionensammelzustand (Sputterzustand) und einen Elektronensammelzustand.
Das Vorhandensein des Elektronensammelzustands ermöglicht bei
diesem Verfahren das Entfernen einer isolierenden Ablagerung auf
den Anoden durch Sputtern und dadurch einen ununterbrochenen Arbeitsvorgang.
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Um
eine Verschmutzung der auf dem Substrat wachsenden Schicht sicher
zu vermeiden, kann die Anode vorzugsweise aus dem gleichen Material wie
das Target hergestellt sein, da ein Teil ihres Materials ebenso
auf dem Substrat abgelagert werden könnte. Wie bereits dargestellt
wurde, wird jedoch ein sehr geringer Teil der Anode tatsächlich gesputtert, und
wenn ein Schutz angeordnet wird, um den Großteil des gesputterten Materials
von der Anode aufzunehmen, so dass es weder an dem Target noch an dem
Substrat ankommt, kann die Verschmutzung minimal gehalten werden
und es können
andere Materialien verwendet werden.
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Eine
derartige Lösung
kann leichter an vorhandene Systeme angepasst werden, da die Anode physikalisch
viel kleiner als ein zusätzliches
Target ist und im Allgemeinen in einem System ein ausreichender
Raum vorhanden ist, um das erforderliche Paar von Anoden anzuordnen.
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Die
vorliegende Erfindung verwendet in einer Ausführungsform zwei Anoden gemeinsam
mit einem einzigen Target, um einen ununterbrochenen Betrieb zu
ermöglichen.
Eine kleine Hilfswechselspannungsleistungsversorgung (die als "Anodenversorgung" bezeichnet wird),
die zwischen die beiden Anoden geschaltet ist, erzeugt eine Wechselspannung
mit einem Spitzenwert in der Größenordnung von
einigen hundert Volt. Wenn eine Anode positiv ist und deswegen als
Anode wirkt, wird bewirkt, dass die andere Anode in Bezug auf das
Plasma negativ ist. Diese negative Spannung zieht Ionen aus dem
Plasma an (der "Ionensammelzustand"), wobei diese Ionen
einen Teil der Anodenoberfläche
durch Sputtern entfernen. Die andere Anode wird währenddessen
in dieser Periode auf einen positiven Wert gesteuert und dieses
Element zieht deshalb die Elektronen aus dem Plasma an und sammelt
diese (der "Elektronensammelzustand"). In abwechselnden
Halbzyklen der Anodenversorgung wirkt jedes Anode abwechselnd entweder
als ein Elektronenkollektor oder als ein Ionenkollektor, wobei die
Anode in dem zuletzt genannten Fall gesputtert wird. Der Sputterprozess
hält die Anode
frei von einer isolierenden Schicht. Das eine sehr geringe Sputterleistung
erforderlich ist, um die dünne
Schicht zu entfernen, die in jedem Halbzyklus gebildet wurde, wird
nur sehr wenig des Anodenmaterials tatsächlich durch Sputtern entfernt
und es kann bewirkt werden, dass die Anode lange hält.
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In
einer weiteren Ausführungsform
werden mehrere Anoden in der Kammer angeordnet und jede Anode wird
während
eines bestimmten Abschnitts eines Wechselzyklus negativ angesteuert,
damit ein Sputtern erfolgen kann. Zu jedem Zeitpunkt wird wenigstens
eine der Anoden auf einem positiven Potential gehalten, um Elektronen
aus dem Plasma anzuziehen und zu sammeln. Alternativ können alle
Anoden vorzugsweise während
des Zyklus gleichzeitig negativ angesteuert werden, so dass die
Periode, während
der alle Anoden negativ sind, nicht ausreichend lang ist, um das
Plasma zu löschen,
d. h. dass die Dichte der Ionen und Elektronen in dem Plasma auf
Pegel unter 10 % des stationären
Wertes verringert wird.
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Während die
Konzeption der vorliegenden Erfindung durch die Notwendigkeit einer
reinen Anode beim reaktiven Sputtern von isolierenden Materialien
angeregt wurde, sollte jedoch angemerkt werden, dass es nicht ungewöhnlich ist,
dass Anoden bei einer metallischen Ablagerung mit schwach leitenden Schichten
beschichten werden könne,
die durch das Hintergrundgas auf sie zurückgestreut werden, und deshalb
besitzt die vorliegende Erfindung eine Anwendungsmöglichkeit über das
reaktive Sputtern von Isolatoren hinaus.
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In
allen diesen Ausführungsformen
ist es notwendig, dass die Katode in Bezug auf das Plasma negativ
gehalten wird, so dass sie gesputtert und eine Schicht abgelagert
werden kann. Dies wird mit einer Katodenleistungsversorgung realisiert,
die eine einfache Gleichspannungsversorgung oder eine Hochfrequenzversorgung
sein kann. In dem zuletzt genannten Fall entsteht ein so genanntes "Selbstvorspannungs-" Potential auf der
Targetoberfläche
infolge der asymmetrischen Natur des Plasmas über einen Frequenzbereich,
der durch einen unteren Grenzwert, bei dem die Ionen die Katode
in einem einzelnen Halbzyklus vollständig erreichen können, und
einen oberen Grenzwert, bei dem die Elektronen die Katode in einem
einzelnen Zyklus der wechselnden Signalform nicht erreichen können, definiert
ist. Zwischen diesen beiden Grenzwerten können die Elektronen den Spalt
zwischen dem Plasma und der Katodenoberfläche überqueren, während die
Ionen dies nicht können,
wobei die auf diese Weise erzeugte Asymmetrie das Auftreten einer
selbsttätigen
Vorspannung an der Katode auf eine Weise bewirkt, die einem Fachmann
auf dem Gebiet der Plasmabearbeitung wohlbekannt ist.
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Eine
positive Leitung der Katodenleistungsversorgung ist ferner mit einer
Sekundärwicklung
eines Transformators verbunden, der wenigstens eine Primärwicklung,
die mit der Hilfswechselspannungsversorgung verbunden ist, und wenigstens
eine weitere Sekundärwicklung,
die mit den Anoden verbunden ist, aufweist.
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IV. KURZBESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNG
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1 zeigt
ein herkömmliches
Sputter-System mit einzelnem Target unter Verwendung von Gleichspannungsleistung;
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2 zeigt
ein herkömmliches
Sputter-System mit doppeltem Target unter Verwendung von Wechselspannungsleistung;
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3 zeigt
eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung mit zwei Anoden, die durch eine sinusförmige Spannungsquelle
angesteuert wird, wobei die Spannung an den beiden Anoden um eine Phase
von 180° zueinander
verschoben ist;
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4 zeigt
eine weitere Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung mit drei Anoden, die durch eine sinusförmige Dreiphasen-Spannungsquelle
angesteuert wird, wobei die Spannung an den Anoden um eine Phase
von 120° zueinander
verschoben ist;
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5 zeigt
eine Mehrphasen-Konfiguration mit mehreren Anoden, bei der mehrere
Anoden durch eine gepulste Leistungsversorgung angesteuert werden,
wobei eine Impulsfolgesteuerung die Impulsspannungen an jeder Anode
steuert;
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6 veranschaulicht
eine einzelne Anode, die in einer Kammer angeordnet ist, mit einem
elektrischen Hilfselement, das eine Diode oder ein Kondensator sein
kann, um die elektrischen Wirkungen einer Isolierschicht zu zeigen;
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7 veranschaulicht
eine Konfiguration mit einzelner Anode, wobei das elektrische Element
von 6 durch eine Kurzschlussverbindung ersetzt ist, um
weitere elektrische Wirkungen einer Isolierschicht zu zeigen; und
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8 veranschaulicht
eine Einzelheit von 7 der an den Wänden abgelagerten
Schicht und wie diese einen Ersatzkondensator bildet, um weitere elektrische
Wirkungen einer Isolierschicht zu zeigen.
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V. BESTE ART DER AUSFÜHRUNG DER
ERFINDUNG
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Es
ist leicht verständlich,
dass die grundlegenden Konzepte der vorliegenden Erfindung auf mehrere
Arten ausgeführt
werden können.
Sie enthält
sowohl Prozesse oder Verfahren als auch Vorrichtungen, um dies zu
realisieren. Während
außerdem
eine spezielle Schaltungsanordnung offenbart wird, sollte klar sein,
dass diese nicht nur bestimmte Verfahren darstellt, sondern außerdem auf
mehrere Arten variiert werden kann. Es ist wichtig, dass ebenso
wie all das Vorhergehende alle diese Facetten so verstanden werden
sollte, dass sie durch diese Offenbarung eingeschlossen sind.
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1 zeigt
ein herkömmliches
System mit einzelnem Target. In diesem Fall kann eine diskrete Anode 5 vorhanden
sein oder es kann eine alternative Verbindung hergestellt werden,
wodurch die positive Leitung einer Gleichspannungskatoden-Sputter-Leistungsversorgung 6 mit
der Kammer 1 und nicht mit der Anode 5 verbunden
ist. In diesem Fall kann die Anode 5 weggelassen werden.
Die alternative Verbindung ist in 1 mit gestrichelten
Linien gezeigt. Ionen werden aus dem Plasma zu dem Target 4 angezogen
und bewirken beim Auftreffen auf das Target 4, dass gesputterte
Atome gemäß wohlbekannten
Prinzipien aus dem Target 4 ausgestoßen werden. Diese gesputterten
Atome durchqueren den Raum zwischen dem Target und dem Substrat 3 und werden
dort abgelagert, wodurch sie darauf eine dünne Schicht aus dem Targetmaterial
bilden.
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Wenn
das Target aus Metall ist und das Hintergrundgas (Sputter-Gas) ein
Edelgas, wie etwa Argon, ist, wodurch Metallschichten auf dem Substrat 3 abgelagert
werden, gibt es wenige Probleme mit der in 1 gezeigten
Konfiguration. Wenn jedoch ein reaktives Gas in die Kammer 1 eingeleitet
wird, um auf dem Target eine chemische Verbindung zu erzeugen, und
wenn das Reaktionsprodukt ein elektrischer Isolator ist, treten
Probleme auf. Da die Isolierschicht alle Oberflächen in der Kammer 1 bedeckt,
wird sie schließlich
die Anode (oder bei einer alternativen Verbindung die Kammerwände) bedecken.
Wenn dies geschieht, ist der Leitungsweg für die Elektronen, die aus dem
Plasma 2 strömen,
bedeckt und der Prozess kann nicht aufrechterhalten werden. Dies
wird als das Problem der "verschwindenden
Anode" bezeichnet. Obwohl
die Kammer 1 geöffnet
und die störende
Isolierschicht von der Anode oder den Kammerwänden abgekratzt werden kann,
um eine neue metallische Oberfläche
zu erzeugen, ist dies teuer zeitaufwändig und es wäre wünschenswert,
wenn dies nicht getan werden müsste.
Es wird angenommen, dass dieser Wunsch die Erfindung des in 2 gezeigten
Systems angeregt hat.
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In 2 sind
zwei Targets 7 und 8 in dem Raum angeordnet, der
normalerweise in 1 von einem einzelnen Target 4 eingenommen
wird, und es ist keine separate Anode vorgesehen. Eine Quelle für Wechselspannungsleistung 10 ist
zwischen den beiden Targets 7 und 8 über einen
Trennkatodentransformator 9 angelegt. Auf diese Weise kann
das Target 7 als eine Anode für das Target 8 wirken,
wenn die Spannung zwischen den Targets derart ist, dass das Target 7 positiv
in Bezug auf das Target 8 ist. Das Target 8 kann
gleichfalls als eine Anode für
das Target 7 wirken, wenn die Spannung zwischen den Targets
derart ist, dass das Target 8 positiv in Bezug auf das
Target 7 ist. Das die Leistungsversorgung 10 eine
Wechselspannungsleistungsversorgung ist, wird diese Situation nach
jedem Halbzyklus des Stroms umgekehrt. Wenn diese Umkehrung ausreichend
häufig
erfolgt, wird lediglich eine sehr dünnen Schicht eines Isolators
auf dem Target 7 ausgebildet, wenn es als eine Anode wirkt,
und diese sehr dünnen Schicht
kann durch Sputtern entfernt werden, wenn das Target 7 an
der Reihe ist, negativ zu sein. Das Gleiche gilt für das Target 8.
in Systemen wie das in 2 gezeigte System beträgt die Frequenz
der Leistungsversorgung 10 normalerweise etwa 40 kHz, was
einer Umkehrung nach jeweils 12,5 ms entspricht.
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Wie
oben erwähnt
wurde, hat sich dies als ein erfolgreicher Lösungsansatz erwiesen, besitzt
jedoch den Nachteil, dass zwei Targets 7 und 8 erforderlich
sind, was die Kosten des Systems erhöht und die Wartung verkompliziert.
Außerdem
kann der geeignete Aufbau einer Targetbaueinheit, wie etwa Target 7 oder 8,
die Erzeugung eines Magnetfelds über der
Targetoberfläche
enthalten und dieses Feld kann den Strom von Elektronen zu dem Target
behindern. Dies kann den Anodenspannungsabfall (die Spannung zwischen
dem positiven Target und dem Plasma 2) auf Werte von 100
Volt vergrößern, wodurch wiederum
ein Substratbombardement mit höherer Energie
und eine Substraterwärmung
erzeugt werden. Außerdem
kann die spezifische Ablagerungsrate (Rate pro Watt Leistung) um
den Anteil des Anodenspannungsabfalls an dem Katodenspannungsabfall
(die Spannung zwischen dem negativen Target und dem Plasma 2)
verringert werden.
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Eine
der bevorzugten Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung ist in 3 gezeigt.
In der Kammer 1 sind das Substrat 3, das Target 4 und wenigstens
zwei Anoden 11 und 12 angeordnet. Eine Anodenantriebsversorgung 14 liefert
eine Wechselspannung, die durch einen Anodentransformator 13 getrennt
ist, an die beiden Anoden, so dass dann, wenn die Anode 11 positiv
angesteuert wird, die Anode 12 negativ angesteuert wird
und umgekehrt. Die Sekundärwicklung
des Transformators 13 hat einen "Abgriff', was bedeutet, dass eine Verbindung
mit der Sekundärwicklung
an einem Punkt hergestellt wird, der von den Enden entfernt ist.
Der Abgriff (der so gezeigt ist, dass er die Katode mit wenigstens
einer Sekundärwicklung
des Transformators verbindet) kann sich in der elektrischen Mitte
des Transformators befinden, um eine gleichmäßige Teilung der Spannung zu
bewirken. Das Target 4 wird negativ in Bezug auf den Abgriff
der Sekundärwicklung
des Transformators 13 durch eine Katodenleistungsversorgung 6 gehalten,
die die Sputterleistung liefert.
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Wenn
der Spannungszyklus der Anodenversorgung 14 derart ist,
dass die Anode 11 positiv in Bezug auf die Anode 12 ist,
wird die Anode 11 Elektronen aus dem Plasma sammeln (d.
h. sie kann als in einem "Elektronensammelzustand" befindlich bezeichnet
werden). Dies wird einen Elektronenstrom in der linken Hälfte der
Sekundärwicklung
des Transformators 13 zu Folge haben, der von der Anode 11 zur positiven
Leitung der Gleichspannungsversorgung 6 fließt. Diese
Elektronen werden mit Ionen kombiniert, die am Target 4 aus
dem Plasma 2 eintreffen, um den Stromkreis zu schließen. Zwischenzeitlich
wird die Anode 12 durch die Wirkung des Transformators 13 und
der Anodenversorgung 14 in Bezug auf das Plasma negativ
angesteuert (d. h., die Anode befindet sich in einem "Ionensammelzustand"). Diese Ionen bewirken
ein Sputtern der Oberfläche
der Anode 12. Dieses Sputtern der Anode 12 entfernt
den Aufbau von isolierenden Materialien, die sich darauf während dem
vorherigen Halbzyklus der Wechselspannungsleistungsversorgung 14 gebildet
haben könnten,
als die Anode 12 positiv und dadurch nahe am Plasmapotential
war.
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Wenn
der Spannungszyklus der Anodenversorgung 14 derart ist,
dass die Anode 12 in Bezug auf die Anode 11 positiv
ist, wird die Anode 12 in ähnlicher Weise Elektronen aus
dem Plasma sammeln. Dies wird einen Elektronenstrom in der rechten
Hälfte der
Sekundärspule
des Transformators 13 bewirken, der von der Anode 12 zu
der positiven Leitung der Gleichspannungsversorgung 6 fließt. Diese
Elektronen werden mit Ionen kombiniert, die aus dem Plasma 2 an
dem Target 4 eintreffen, um den Stromkreis zu schließen. Zwischenzeitlich
wird die Anode 11 durch die Wirkung des Transformators 13 und
der Anodenversorgung 14 in Bezug auf das Plasma negativ
angesteuert und dieses negative Potential zieht Ionen aus dem Plasma
an, was ein Sputtern der Oberfläche
der Anode 11 bewirkt. Dieses Sputtern der Anode 11 entfernt
Ablagerungen von isolierenden Materialien, die sich darauf in dem
vorherigen Halbzyklus der Wechselspannungsleistungsversorgung 14 gebildet
haben könnten,
als die Anode 11 positiv und deswegen nahe am Plasmapotential
war.
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Somit
wirkt jedes der Anodenelemente 11 und 12 abwechselnd
als wahre Anoden (Elektronenkollektoren) und als gesputterte Katoden
(Ionenkollektoren) in Abhängigkeit
von der momentanen Polarität
der Wechselspannungsleistungsversorgung 14.
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Eine
weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist in 4 gezeigt.
In dieser Figur wurde im Vergleich zu 3 eine zusätzliche
Anode 15 in der Nähe
des Target 4 angeordnet. Die drei Anoden 11, 12 und 15 werden über einen
Dreiphasen-Transformator 16, der hier in einer Dreieck-Stern-Schaltung gezeigt
ist, angesteuert. Der Transformator 16 kann natürlich auch
in einer Stern-Stern-Konfiguration konfiguriert sein, wie in der Technik
wohlbekannt ist. Es ist ein Merkmal der Sternschaltung, dass jeweils
eine Leitung von jeder der drei Sekundärwicklungen mit einem gemeinsamen
Punkt verbunden ist, der gewöhnlich
als "neutraler" Punkt bezeichnet
wird. Wie gezeigt ist, ist die Katodenleistungsversorgung 6 mit
ihrer positiven Leitung durch diesen gemeinsamen Punkt mit wenigstens
einer Sekundärwicklung
des Trans formators und seine negative Leitung ist mit der eigentlichen Katode
verbunden.
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5 zeigt
eine andere Ausführungsform.
In diesem Fall sind mehrere Anoden 18 in der Nähe zum Target 4 angeordnet
und werden durch eine gepulste Anodenleistungsversorgung 19 angesteuert (die
möglicherweise
eine Mehrphasenvorsorgung ist). Dabei kann stets wenigstens eine
Anode auf einem positiven Potential sein, damit sie nahe am Plasmapotential
ist und Elektronen sammeln kann oder wenigstens die Periode, während der
alle Anoden in Bezug auf das Plasma negativ sind, wird ausreichend kurz
gehalten, damit das Plasma nicht gelöscht wird. (Es ist hier beabsichtigt
und es ist für
einen Fachmann leicht verständlich,
dass wenigstens eine Anode "stets" in einem "Ionensammelzustand" ist, selbst wenn
es kurze Unterbrechungen gibt, solange das Plasma nicht gelöscht wird.)
Dies könnte
sicherstellen, dass das Plasmapotential in Bezug auf die Kammer
stabil bleibt und der Sputter-Prozess fortgesetzt wird. Die Impulse
an den Anoden können
dabei in einer bestimmten Folge durch die Impulsfolgeschaltungseinheit 20 angeordnet
werden. Die Impulse könnten
so angeordnet werden, dass über
einem Zyklus der Folge, die durch die Impulsfolgeschaltungseinheit 20 erzeugt
wird, jede Anode ein negatives Potential relativ zum Plasma angenommen
haben könnte,
damit sie Ionen anzieht und deswegen gesputtert wird. Diese Aktion
sollte ein Entfernen einer dünnen Materialschicht
von jeder Anode in jedem Zyklus der Impulsfolgeschaltungseinheit 20 bewirken,
wodurch sichergestellt werden könnte,
dass ihre metallische Oberfläche
leitend bleibt, so dass sie eine wirkungsvolle anziehende Einrichtung
für Elektronen
(d. h. die effektiv als eine Anode wirkt) sein kann, wenn sie ihrerseits
durch die gepulste Leistungsversorgung 19 positiv angesteuert
wird. Die Zeit, die die Anode jeweils in einem negativen und einem
positiven Zustand verbringt, muss natürlich nicht gleich sein, und die
Zeit, die in einem Zustand verbracht wird, kann für jede Anode
unterschiedlich sein, wobei diese Zeiten geändert werden können, um
den Prozess zu optimieren, wobei die relative Beweglichkeit der
Ionen und Elektronen neben anderen Faktoren berücksichtigt werden. Ein Fachmann
würde leicht
verstehen, dass eine derartige Impulssteuerung außerdem den Vorteil
einer gleichmäßigeren
Leistungsversorgung des Plasmas z. B. im Vergleich zu einem System
des Typs mit sinusförmigem
Wechsel bieten könnte.
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6 zeigt
einen Aufbau mit einzelner Anode, der den allgemeinen Aspekt einer
Isolierschicht, die in der Schaltung als ein Kondensator wirkt,
veranschaulicht. Dies unterscheidet sich von 1 durch die
Hinzufügung
eines in Reihe geschalteten elektrischen Elements 21, das
die positive Leitung der Katodenversorgung 6 mit der Kammer 1 verbindet.
Dieses Element 21 ist als eine Diode dargestellt, es könnte jedoch
ebenso ein Kondensator sein. Die Anodenleistungsversorgung 14 ist über einen
Trenntransformator 13 mit der Anode 5 in Reihe
geschaltet. Wenn die Polarität
der Anodenleistungsversorgung 14 (die typischerweise eine
Wechselspannungsversorgung ist) derart ist, dass die Anode positiv
angesteuert wird, wird die positive Leitung der Katodenversorgung 6 (die
typischerweise eine Gleichspannungsversorgung ist) negativ angesteuert
und der Katodenstrom fließt
durch die Sekundärwicklung
des Transformators 13 zur Anode 14. Wenn die Polarität der Anodenleistungsversorgung 14 derart
ist, dass die Anode negativ angesteuert wird, wird die positive Leitung
der Katodenversorgung 6 positiv angesteuert und die Diode
leitet, wodurch die Kammer vorübergehend
zu einer Anode gemacht wird.
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Wenn
das elektrische Element 21, das als eine Diode gezeigt
ist, durch einen Kondensator ersetzt wird, wird sich der Kondensator
auf einen mittleren Wert aufladen, der von dem zeitlichen Ablauf der
Anodenversorgung 14 abhängt.
Der Kondensator 21 wird durch den Sputterstrom sowohl der
vom Sputtern der Anode 5 als auch des Targets 4 während der
Periode, wenn die Anode 5 negativ ist, geladen und wird
entladen, wenn die Anode 5 positiv angesteuert wird.
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Es
kann angemerkt werden, dass dann, nachdem die Kammer durch eine
Isolierschicht beschichtet wurde, diese dünne Schicht einen Kondensator
mit dem Plasma bildet und in der gleichen Weise als ein Kondensator
wirkt wie der Kondensator mit dem Bezugszeichen 21. Dies
kann in den 7 und 8 erkannt
werden. Hier ist eine Veranschaulichung mit einzelner Anode für eine Bezugnahme
auf die vergrößerte Ansicht
der Kammerwand dargestellt, die die Kammerwand 22 zeigt,
die mit der abgelagerten Schicht 23 beschichtet ist (die
möglicherweise
isolierend ist), die einen Ersatzkondensator 24 bildet.
Dieser Ersatzkondensator wäre
mit dem elektrischen Element 21, dort wo es in der Schaltung
angeordnet ist, effektiv in Reihe geschaltet, wodurch dieses elektri sche
Element redundant ist. Deswegen ist das elektrische Element in den 7 und 8 durch
eine direkte Verbindung 25 ersetzt worden. Der Ersatzkondensator
nimmt dann die Stelle des kapazitiven elektrischen Elements 21 ein.
In diesem Fall wirkt die Kammer als eine Anode, bis sie beschichtet wird.
Zu diesem Zeitpunkt übernimmt
das Anodenelement die Funktion, da es durch die Sputterwirkung infolge
des periodischen in Bezug auf das Plasma negativen Potentials, das
durch die Wirkung der Anodenleistungsversorgung 14 aufgebracht
wurde, rein gehalten wurde. Beim Aufbau des Transformators 13 muss
in jedem Fall darauf geachtet werden, dass er Gleichstrom in seiner
Sekundärwicklung
ohne Sättigung
bewältigen
kann, da der Strom in der Sekundärwicklung
im Allgemeinen im Mittel nicht null ist.
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Wenn
in allen Ausführungsformen
erwünscht sein
sollte, dass an dem Substrat eine chemische Verbindung gebildet
wird, kann eine Strömung
reaktiven Gases in die Kammer eingeleitet werden, so dass das gesputterte
Material von dem Target mit dem Gas reagieren kann, um eine Verbindung
auf dem Substrat zu bilden. Allgemeine Beispiel können sein:
Sputtern von Silicium in der Gegenwart von Sauerstoff, um SiO2 zu erhalten; Sputtern von Aluminium in
der Gegenwart von Sauerstoff, um Al2O3 zu erhalten; Sputtern von Aluminium in
der Gegenwart von Stickstoff, um AlN zu erhalten usw.