DE102009005512A1

DE102009005512A1 - Verfahren zum Betrieb einer Rohrmagnetronanordnung zum Sputtern

Info

Publication number: DE102009005512A1
Application number: DE200910005512
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr. Rank; Christoph Dr. Köckert; Falk Dr. Milde
Original assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Current assignee: Von Ardenne Asset GmbH and Co KG
Priority date: 2009-01-20
Filing date: 2009-01-20
Publication date: 2010-07-22
Anticipated expiration: 2029-01-21
Also published as: DE102009005512B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Rohrmagnetronanordnung zur Beschichtung bewegter Substrate mittels Sputtern indem über der Targetoberfläche eines rotierenden Rohrtargets fortwährend ein Plasma gezündet wird, welches der Zerstäubung des Targetmaterials dient, und der Zündpunkt des Plasmas mittels eines innerhalb des Rohrtargets angeordneten, fixen Magnetsystems auf ein in sich geschlossenes, fixes und sich längs zur Achse des Rohrtargets erstreckendes Racetrack mit Umkehrbereichen an den Enden des Rohrtargets gezwungen wird. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Magnetsystem anzugeben, welches die Abscheidung äußerst homogener Schichten unter Vermeidung charakteristischer lokaler Schichtdickenabweichungen erlaubt, ohne dabei negative Nebeneffekte bezüglich Targetausnutzung und Prozessstabilität zu generieren. Zur Lösung der Aufgabe wird ein Magnetfeld erzeugt, dessen Stärke der zur Targetoberfläche parallelen Komponente im Bereich zwischen 20 und 40 mT liegt, wobei sie im Umkehrbereich bis maximal 20% niedriger ist als in den Bereichen längs der Achse des Rohrtargets.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Rohrmagnetron-Anordnung, welche zum Sputtern oder zum reaktiven Sputtern von Materialien verwendet wird.
Für die Beschichtung verschiedenster großflächiger Substrate mittels Magnetronsputtern, welches der PVD-Technik zuzurechnen ist, werden unter anderem aus wirtschaftlichen Gründen in großem Umfang Rohrmagnetrons, d. h. Magnetrons mit rotierenden zylindrischen Katoden eingesetzt. Dieser Magnetron-Typ wurde erstmals 1981 in US 4356073 beschrieben.
Während des Sputterbetriebs wird unter Anwesenheit eines inerten Arbeitsgases oder eines Gemisches eines Arbeits- und Reaktivgases über der Targetoberfläche eines rotierenden Rohrtargets, welches als Kathode geschaltet ist, und mittels einer benachbart zum Rohrtarget angeordneten Anode fortwährend ein Plasma gezündet. Das Plasma dient der Zerstäubung des Targetmaterials zu dessen Abscheidung auf einem Substrat, welches dem Rohrtarget gegenüber liegend an diesem vorbei bewegt wird. Mittels eines innerhalb des Rohrtargets angeordneten, fixen, d. h. sich nicht mit dem Rohrtarget drehenden Magnetsystems wird der Zündpunkt des Plasmas auf eine in sich geschlossene, relativ zur Achse des Rohrtargets fi xe, längs zur Achse des Rohrtargets erstreckende Bahn gezwungen, die an ihren Enden Umkehrbereiche aufweist. Eine solche Bahn wird allgemein als Racetrack und deren Form als Rennbahnform bezeichnet.
Im Unterschied zu Magnetrons mit einer ebenen Katodengeometrie ist das Targetmaterial rohrförmig ausgeführt. Man spricht hier von einem Rohrtarget. Das Targetmaterial wird mit geeigneten Methoden auf ein Trägerrohr aufgebracht. In einigen Fällen kann auch das gesamte Rohrtarget aus dem eigentlichen Targetmaterial bestehen. Das Targetmaterial dient als Quelle des für den Beschichtungsprozess notwendigen schichtbildenden Materials.
Während des Beschichtungsprozesses rotiert das Rohrtarget um das in seinem Inneren befindliche, in Ruhe befindliche Magnetsystem. Das Magnetsystem bildet auf der Oberfläche des Rohrtargets einen in sich geschlossenen magnetischen Tunnel. Dieser magnetische Tunnel besteht aus zwei geraden, benachbarten, axial verlaufenden Bereichen und zwei Umkehrbereichen an den Enden des Targetrohres, welche die geraden Bereiche zu einem in sich geschlossenen Tunnel miteinander verbinden. Dieser in sich geschlossene magnetische Tunnel wird auch als Racetrack bezeichnet weil die Elektronen während der Plasmaentladung zu Driftbewegungen entlang des Tunnels gezwungen werden und es damit zu umlaufenden Elektronenströmen kommt.
Eine Plasmaentladung ist durch das in sich geschlossene Magnetfeld räumlich auf den Bereich des Racetracks begrenzt und wird zudem in seiner Intensität konzentriert. Die für den Sputterprozess charakteristische Zerstäubung des Targetmaterials in Folge der Plasmaentladung findet damit innerhalb des Racetracks statt. Mit Hilfe dieser Technologie lassen sich viele Materialien sputtern. Die Brennspannung der Ent ladung liegt, abhängig von den jeweiligen Prozessbedingungen, im Bereich 350–600 V. Dieser Spannungsbereich kann von den typischerweise dafür eingesetzten Generatoren abgedeckt werden.
Es werden grundsätzlich hohe Magnetfeldstärken angestrebt, da auf diese Weise neben einem günstigeren Zündverhalten des Plasmas auch lange Kampagnendauern der Beschichtung realisierbar sind. Denn hohe Magnetfeldstärken gestatten größere Materialdicke des Targets, so dass auch dann an der Targetoberfläche solche Magnetfeldstärken erzielbar sind, mit denen das Plasma stabil und regulierbar gestaltet werden kann. Da sich mit zunehmender Targetdicke der Abstand der Targetoberfläche vom Magnetsystem vergrößert, muss das Magnetsystem entsprechend ausgelegt sein um die Mindestfeldstärken für das Zünden des Plasmas zu gewährleisten. Beispielsweise werden für die Abscheidung von ferromagnetischen Materialien Magnetsysteme mit sehr hohen Feldstärken ausgelegt ( US 5,865,970 A ).
Die zu beschichtenden Substrate werden im Durchlaufverfahren an den quer zur Transportrichtung ausgerichteten Magnetrons vorbeibewegt. Das Magnetfeld hat einen wesentlichen Einfluss auf die Erosion des Targetrohres und die Homogenität der Schichtdickenverteilung auf dem Substrat. Um eine sehr gute Gleichmäßigkeit der Schicht auf dem Substrat zu erreichen, ist eine sehr gute Homogenität des Magnetfeldes entlang des Magnettunnels erforderlich. Dies wird durch eine weitgehend homogene Magnetanordnung entlang des Targetrohres erreicht, wobei insbesondere die parallele Komponente der magnetischen Feldlinien im geraden Bereich des Magnettunnels von Bedeutung ist. An der Targetoberfläche liegt diese Komponente typischerweise im Bereich zwischen 45 und 60 mT.
Die Umkehrbereiche des Racetracks bedürfen einer gesonderten Gestaltung des Magnetfeldes. An diesen Stellen ist die Targeterosion besonders hoch, weil das Plasma teilweise in Drehrichtung des Rohrtargets verläuft und sich die Sputterwirkung in diesen Bereichen aufsummiert. Es gibt verschiedene Ansätze zur Vermeidung dieser lokal erhöhten Targeterosion.
Das Magnetsystem an den Umkehrbereichen wird deshalb so gestaltet, dass das resultierende magnetische Feld an der Targetoberfläche schwächer ist im Vergleich zu den geraden Bereichen. Zur Beschreibung der Stärke des magnetischen Feldes wird die zur Targetoberfläche parallele Komponente der magnetischen Flussdichte verwendet. Das Verhältnis der Parallelkomponente der magnetischen Flussdichte im geraden Bereich des Racetracks zu jener im Umkehrbereich des Racetracks ist folglich stets größer Eins. Häufig wird ein Verhältnis von Zwei eingestellt, d. h. das Magnetfeld im geraden Bereich des Racetracks ist im Allgemeinen doppelt so stark wie im Umkehrbereich.
Die im Umkehrbereich des Racetracks zu verzeichnende erhöhte Targeterosion widerspiegelt sich auch in einem überhöhten Schichtdickenprofil in dem diesem Targetabschnitt gegenüberliegendem Randbereich des Substrats. Trotz äußerst homogener Magnetfeldprofile entlang der Magnetsysteme zeigen Schichtdickenverteilungen insbesondere bei mit Wechselstrom betriebenen Doppelmagnetron-Anordnungen (AC-Doppelmagnetrons) typische, oft störende Schichtdickenüberhöhungen an den Rändern der Substrate sowie ausgeprägte charakteristische Schichtdicken-Querverteilungsprofile über die gesamte Substratbreite.
Es gibt verschiedene Ansätze um eine gleichmäßigere Schichtdickenverteilung auf dem Substrat sowie eine optimalere Targetausnutzung durch gleichmäßigere Targeterosion zu errei chen. Diese Ansätze verwenden zum einen die Anordnung oder den Betrieb der der Plasmazündung dienenden Anoden, was sich auf den Elektronenstrom auswirkt, oder zum anderen der Variation des Magnetfeldes.
Maßnahmen zur Variation des Magnetfelds sind beispielsweise die Änderung der Position eines Magneten zu einem benachbarten Magneten oder zur Targetoberfläche oder die Änderung des Abstandes oder die Lage der Pole ( US 5,865,970 A ). Andere Vorschläge sind auf die direkte Änderung der Magnetfeldstärke gerichtet, z. B. durch die Verwendung von Elektromagneten oder die Änderung der Winkeleinstellung zwischen Magnet und Rohrtarget.
Auch Modifikationen des Verlaufs des Racetracks mit gestreckten Umkehrbereichen ( DE 41 17 367 C2 ) oder mit spitzwinkligen ( WO 96/21750 ) oder elliptischen ( WO 99/54911 ) Kehren an den Enden des Rohrtargets sind bekannt.
Alle diese Versuche dienen der Schwächung des Magnetfeldes im Umkehrbereich des Racetracks um das oben genannte Verhältnis der Parallelkomponente der magnetischen Flussdichte im geraden Bereich des Racetracks zu jener im Umkehrbereich von deutlich größer als Eins einzustellen. Allerdings wird auch mit diesen Maßnahmen das angestrebte gleichmäßige Abtragungsprofil des rotierenden Targets und Schichtdickenprofil des Substrats parallel zum Rohrtarget nicht im gewünschten Maß erzielt.
Darüber hinaus treten insbesondere bei reaktiven Prozessen, d. h. der Herstellung transparenter Schichten unter Anwesenheit eines Reaktivgases im Beschichtungsraum, zusätzlich an allen Kanten eines Substrates deutlichere Abweichungen der Schichtdicke vom Mittelwert auf. Das ist insbesondere bei Beschichtungen geteilter Substrate, so genannten Cut Sizes zu beobachten. Diese Abweichungen an den Kanten des Substra tes sind unabhängig von der Lage der Kante relativ zum Magnetron festzustellen (Edge-Effekt). Sie treten an den Kanten sowohl quer zur Transportrichtung und damit parallel zur Achse des Rohrtargets als auch parallel zur Transportrichtung auf. Da diese Effekte einerseits sehr lokal auftreten und andererseits die Position dieser Kanten vom oft variablen Belegungsmuster des Transportbandes der Substrate abhängt, sind die bekannten, oben genannten Maßnahmen nicht anwendbar.
Die Aufgabe der Erfindung besteht folglich darin, ein Magnetsystem zu entwickeln, welches die Abscheidung äußerst homogener Schichten insbesondere mittels AC-Doppelmagnetronsputtern dadurch erlaubt, dass die Ausbildung charakteristischer lokaler Schichtdickenabweichungen reduziert wird, ohne dabei negative Nebeneffekte bezüglich Targetausnutzung und Prozessstabilität zu generieren.
Es hat sich gezeigt, dass entgegen den Erwartungen und in Abkehr von den bisher üblichen Optimierungsversuchen eine deutliche Absenkung der Magnetfeldstärke über der gesamten Targetoberfläche, d. h. sowohl im geraden Bereich des magnetischen Tunnels als auch in den Umkehrbereichen, bei ansonsten ungefähr gleicher Flussdichte entlang des gesamten Racetracks zu einer deutlichen Reduzierung der typischen Schichtdickenüberhöhungen an allen Rändern der Substrate führt. Es wurde überraschenderweise festgestellt, dass eine Absenkung der Magnetfeldstärke auf ein solches Maß, bei welchem die parallele Komponente der magnetischen Flussdichte mit 20 bis 40 mT bei etwa der Hälfte des sonst üblichen Wertes liegt, eine besonders ausgleichende Wirkung auf den oben beschriebenen Kanteneffekt hat.
Die Verringerung des Kanteneffektes zeigt sich sowohl an den Rändern des Substrates am Rande des Beschichtungsbereiches als auch an Kanten geteilter Substrate mitten im Beschichtungsbereich. Eine Verschlechterung der Entladungsbedingungen ist erstaunlicherweise nicht aufgetreten. Die erzielbaren Beschichtungsraten sind gegenüber den bei gleicher Leistung mit nicht modifizierten Magnetfeldern erzielten Werten nicht reduziert. Die typischen Entladungsspannungen erhöhten sich im Mittel um ca. 100 V und liegen damit nach wie vor in einem Spannungsbereich welcher von typischerweise eingesetzten Sputterstromversorgungen bedient werden kann.
Es hat sich gezeigt, dass Magnetsysteme mit einem Verhältnis der Parallelkomponente der magnetischen Flussdichte im geraden Bereich des Racetracks zu jener in seinem Umkehrbereich nahe Eins besonders geeignet sind. Versuche ergaben, dass bis zu einem Verhältnis von 1,2 dieser ausgleichende Effekt zu erzielen war.
Bei einer solchen Feldstärke und einem solchen Flussdichteverhältnis ist darüber hinaus auch keine Verschlechterung des Ausnutzungsgrades des Rohrtargets aufgrund lokal stark differenzierter Targeterosion zu beobachten.
Die Verringerung der Magnetfeldstärke des Magnetsystems kann durch den Einsatz schwächerer Permanentmagnete oder die Verwendung kleinerer Magnete, woraus sich ein reduzierter Materialeinsatz ergibt, oder eine der weiteren, oben zum Stand der Technik beschriebenen Maßnahmen erreicht werden, so dass das für die jeweilige Sputteranlage übliche Verfahren zum Betrieb der Anlage und zur Beschichtung der Substrate bei entsprechender Steuerung der erhöhten Entladungsspannung unverändert anwendbar ist.
Aus diesem Grund sind mit dem Verfahren auch die üblichen Materialien sputterbar. Wegen der insbesondere bei mit Wechselstrom betriebenen Doppelmagnetron-Anordnungen mit herkömmlichen Magnetsystemen festgestellten Schichtdickenver teilung ist das beschriebene Magnetsystem besonders geeignet für das reaktive Sputtern zur Herstellung transparenter Schichten wie Siliziumnitrid, Siliziumoxid, Siliziumoxinitrid mit oder ohne Aluminiumdotierung. Hier können wegen des ausgleichenden Effektes solche engen Toleranzbereiche der Schichtdicke auf der gesamten Substratoberfläche eingehalten werden, dass keine sichtbaren Farbschwankungen selbst bei Interferenzschichtsystemen auftreten. Auch weitere reaktive Beschichtungen, wie beispielsweise TiO₂, SnO₂, SnZnO₃, Nb₂O₅, ZnO oder ZrO₂, die ebenfalls eine äußerst homogene Schichtdicke erfordern, sind mit den beschriebenen Betriebsweise von Rohrmagnetrons herstellbar. Eine weitere Anwendung ist das Sputtern von keramischen Targetmaterialien wie beispielsweise TiO_x, ZnO_x, Zn(Al)O_x, ZrO_x und NbO_x.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 4356073 [0002]
- US 5865970 A [0007, 0013]
- DE 4117367 C2 [0014]
- WO 96/21750 [0014]
- WO 99/54911 [0014]

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Rohrmagnetronanordnung zur Beschichtung bewegter Substrate mittels Sputtern indem über der Targetoberfläche eines rotierenden Rohrtargets, welches als Kathode geschaltet ist, und mittels einer benachbart zum Rohrtarget angeordneten Anode fortwährend ein Plasma gezündet wird, welches der Zerstäubung des Targetmaterials dient, und der Zündpunkt des Plasmas mittels eines innerhalb des Rohrtargets angeordneten, fixen Magnetsystems auf eine in sich geschlossene, relativ zur Achse des Rohrtargets fixe, längs zur Achse des Rohrtargets erstreckende und an dessen Enden Umkehrbereiche aufweisende Bahn gezwungen wird, die nachfolgend als Racetrack bezeichnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Magnetfeld erzeugt wird, dessen Stärke der zur Targetoberfläche parallelen Komponente der magnetischen Flussdichte im Bereich zwischen 20 und 40 mT liegt, wobei die parallele Komponente der Flussdichte im Umkehrbereich bis maximal 20% niedriger ist als in den Bereichen längs der Achse des Rohrtargets.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die parallele Komponente der magnetischen Flussdichte bevorzugt im Bereich zwischen 25 und 35 mT liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die parallele Komponente der Flussdichte im Umkehrbereich jener in den Bereichen längs der Achse des Rohrtargets entspricht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Rohrmagnetrons, mit jeweils einem als Kathode geschaltetem und einem als Anode geschaltetem Rohrtarget, ein Magnetsystem sowie eine geeignete, gemeinsame Stromversorgung umfassend, als Doppelmagnetron-Anordnung mit Wechselstrom betrieben wird.