DE102011079212A1

DE102011079212A1 - Verfahren und Anordnung zur Verhinderung von Streudampfbeschichtungen beim Sputtern von einem Target in einer Vakuumbeschichtungsanlage

Info

Publication number: DE102011079212A1
Application number: DE201110079212
Authority: DE
Inventors: Volker Linss
Original assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Current assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Priority date: 2011-07-14
Filing date: 2011-07-14
Publication date: 2013-01-17

Abstract

Der Erfindung, die ein Verfahren und eine Anordnung zur Verhinderung von Streudampfbeschichtungen beim Sputtern von einem Target in einer Vakuumbeschichtungsanlage betrifft, wobei in einem Vakuum einer Prozesskammer ein Substrat durch ein von einem Magnetron erzeugten Plasma hindurch bewegt wird und ein Prozessgas, mit dessen Hilfe das Material eines mit dem Magnetron verbunden Targets zerstäubt wird, in die Prozesskammer eingeleitet wird, liegt die Aufgabe zugrunde, die Streudampfausbreitung in Richtung Substrat die zu einer unerwünschten Abscheidung führt, zu unterbinden. Dies wird verfahrensseitig dadurch gelöst, dass das Prozessgas in Substratnähe und in einer in Richtung zum Innenraum der Prozesskammer gerichteten Gasströmung zugeführt wird.. Anordnungsseitig erfolgt die Lösung der Aufgabenstellung dadurch, dass unmittelbar über der Substrattransportebene quer zur Substrattransportrichtung ein Gaseinleitungskanal angeordnet ist, der mit Gasaustrittsöffnungen versehen ist, die mit Gasabsaugöffnung innerhalb der Prozesskammer derart korrespondieren, dass auf dem Substrat eine in Richtung zur Prozesskammer gerichtete und im weiteren Verlauf vom Substrat wegführende Gasströmung bewirkt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verhinderung von Streudampfbeschichtungen beim Sputtern von einem Target in einer Vakuumbeschichtungsanlage, wobei in einem Vakuum einer Prozesskammer ein Substrat durch ein von einem Magnetron erzeugten Plasma hindurch bewegt wird und ein Prozessgas zum Zerstäuben eines mit dem Magnetron verbunden Targets in die Prozesskammer eingeleitet wird. Das Prozessgas kann Reaktivgas und/oder Arbeitsgas beinhalten. Unter Arbeitsgas wird ein Gas verstanden, welches keine chemischen Reaktionen mit anderen Prozess-beteiligten Materialien eingeht (z. B. Ar); unter Reaktivgas wird ein Gas verstanden, welches unter Ablauf einer chemischen Reaktion mit anderen Prozessbeteiligten Materialien (Targetmaterial, andere gasförmige Komponente) ein neues Material bildet.
Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung zur Verhinderung von Streudampfbeschichtungen beim Sputtern von einem Target in einer Vakuumbeschichtungsanlage mit einem quer zu einer Transportrichtung eines Substrats liegenden Magnetron in einer Prozesskammer, die einen Substratein- und einen Substrataustritt aufweist.
Hinsichtlich des Targetmaterials bezieht sich die Erfindung auf das Sputtern sowohl von keramischen als auch von metallischen Targets. Insbesondere bezieht sie sich auf das Sputtern von Zn-haltigen Targets, was reaktiv oder in einem keramischen Prozess erfolgen kann.
Vakuumbeschichtungsanlagen werden mit einer funktionalen und einer physischen Aufteilung definiert.
Die funktionale Aufteilung beschreibt eine durch die Funktion der einzelnen Teile bestimmte Konfiguration einer Vakuumbeschichtungsanlage. Die funktionale Aufteilung ist nicht zwingend sichtbar.
Die Teile der funktionalen Aufteilung sind Kammern und Kompartments.
Eine Kammer ist eine Einheit mit einer oder mehreren zusammenwirkenden Funktionen in den Grenzen einer oder mehrerer verbundener physischer Anlagenkammern.
Die Kammern der funktionalen Aufteilung können auch mit der Bezeichnung der Funktion, der sie hauptsächlich dienen, bezeichnet werden, wie Prozesskammer. Da alle Kammern der Aufnahme von Vakuum dienen, können sie auch allgemein als Vakuumkammern bezeichnet werden.
Auch die Kompartments können mit der Bezeichnung ihrer Funktion benannt werden, z. B. als Pumpkompartment, Sputterkompartment oder Gasseparationskompartment usw.
Ein Kompartment ist eine funktionelle Einheit innerhalb einer Kammer einer längserstreckten Vakuumbeschichtungsanlage, der eindeutig eine Funktion zukommt und die mit anderen derartigen funktionellen Einheiten in Längserstreckung der Vakuumbeschichtungsanlage aufeinander folgend angeordnet ist.
Ein Kompartment kann oberhalb, unterhalb des Substrattransportbereiches oder den Substrattransportbereich einschließend ausgebildet sein. Vorzugsweise haben Kompartments gleiche Länge.
Die Teile der physischen Aufteilung sind Anlagenkammern und Sektionen. (Zur Unterscheidung der physikalischen von der funktionalen Aufteilung, werden die Kammern als Anlagenkammern bezeichnet.)
Als Anlagenkammer einer Vakuumbeschichtungsanlage wird eine stoffschlüssig verbundene Baueinheit, die Versteifungselemente beinhaltet, bezeichnet. Mit den Versteifungselementen sind Wandungen verbunden, die einen Vakuumraum einschließen. Die Wandungen werden aus Kammerboden, Kammerwänden und Kammerdecke gebildet. Eine Wandung kann auch aus einem auf einer Dichtungsfläche aufgelegten Deckel gebildet sein.
Die Versteifungselemente der Anlagenkammer können innerhalb des Vakuumraumes liegen. Damit ragt dann zumindest ein Teil der Anlagenkammer in den Vakuumraum hinein. Die Anlagenkammer kann auch eine Baueinheit ("Gerippe") darstellen, die auf Versteifungselemente im Vakuumraum verzichtet und damit außerhalb des Vakuumraumes angeordnet ist.
Mehrere Anlagenkammern sind miteinander durch lösbare Verbindungen (über Kammerflansche) verbindbar. Jede Kammer hat dann einen eigenen Vakuumraum. Das Vakuum einander benachbarter Vakuumräume kann ineinander übergehen und damit eine Einheit bilden.
Als Sektion wird ein durch Wände, die quer zur Längserstreckung der Vakuumbeschichtungsanlage in dem Vakuumraum befestigt werden, begrenzter Abschnitt innerhalb eines Vakuumraumes bezeichnet.
Sofern in einer Sektion im Wesentlichen eine Funktion ausgeübt wird, können auch mit der Bezeichnung dieser Funktion, der sie hauptsächlich dienen, bezeichnet werden, wie Prozesssektion, Pumpsektion, Beschichtungssektion o.ä.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der funktionalen Aufteilung beschrieben. Sie bezieht sich auf reaktives und keramisches Sputtern.
Bei der Abscheidung von ZnO als TCO (z. B. ZnO:Al) wird gleichzeitig sowohl eine hohe Transmission als auch eine hohe Leitfähigkeit der Schichten angestrebt. Dabei wurde als eine Ursache für schlechtere optische Eigenschaften Streudampf des Zinks identifiziert. Maßnahmen zur Verringerung des Einflusses des störenden Streudampfes von Zink können in einer Gestaltung einer Blendenanordnung, die das Substrat vor ungewollter Beschichtung mit Zn schützt, zu sehen sein.
Insbesondere bei „kühleren“ Substraten, beispielsweise bis zu 200°C, und bei großflächigen Substraten zeigt es sich, dass diese Maßnahmen nicht ausreichen, weil überschüssiges ungebundenes Zink nicht einfach wieder abdampft, wie das bei Hochtemperaturprozessen (deutlich über 200°C) unter Einbußen der Beschichtungsrate der Fall ist.
Es hat sich gezeigt, dass vor allem der Niederschlag von gestreutem Zinkdampf an Stellen verhindert werden muss, an denen kein angeregter Sauerstoff aus dem Plasma zur Verfügung steht, wobei dieser Sauerstoff aus dem Target stammen kann (keramischer Prozess mit Arbeitsgas) oder zusätzlich über das Prozessgasgemisch zugegeben werden kann (reaktiver und keramischer Prozess). Dies geschieht zum Beispiel an den Durchführungen von einer Vakuumkammer zu einer nächsten Vakuumkammer in inline-Anlagen, wobei hier noch zusätzlich eine kältere Umgebung den Niederschlag des Zn-Dampfes befördert.
Wie in 1 dargestellt, wird ein Substrat 1 in einer Transportebene 2 und in einer Transportrichtung 3 in einer Prozesskammer 4 unter einem Magnetron 5 bewegt. Dabei wird unter Umständen Reaktivgas in Form von O₂ und Arbeitsgas in Form von Ar in die Prozesskammer 4 eingeleitet, wie dies mit dem Pfeil links neben dem Magnetron 5 symbolisch dargestellt ist. Das Magnetron 5 ist mit einem keramischen Target versehen, das mit dem Prozessgas eine Abscheidung auf dem Substrat 1 realisiert.
Das Vakuum in der Prozesskammer 4 wird über ein benachbartes Pumpkompartment 6, an das eine Pumpe 7 angeschlossen ist, gewährleistet.
Es ist im Zusammenhang mit einer ZnO:Al Abscheidung in der Prozesskammer 4 problematisch, dass Streudampf 8, d. h. ungebundenes Zink, sich schichtschädlich auf dem Substrat 1 ablagert, da der Dampf

a) quasi in Transportrichtung 3 durch strömungsbedingte Diffusion „mitfließt“ (siehe 9),
b) am „kühlen“ Substrataustritt 10 Kondensation stattfindet und
c) kammerinterne Gasströmungen den Streudampf 8 eher durch den Substrataustritt 10 führen anstatt weg von diesen. (z. B.: bei Pumpe 7 in benachbarten Pumpkompartment 6)

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, wodurch die Streudampfausbreitung in Richtung Substrat 1, die zu einer unerwünschten Abscheidung führt, unterbunden wird.
Verfahrensseitig wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass das Prozessgas in Substratnähe und in einer in Richtung zum Innenraum der Prozesskammer gerichteten Gasströmung zugeführt wird.
Damit wird es möglich, die Gasströmung in der Prozesskammer bedingt durch Gaszufuhr bei gleichzeitigem Abpumpen so zu gestalten, dass sie von der Substratoberfläche in Substrateintritt oder -austritt wegführend zumindest in Substratnähe an das Plasma oder an den Bereich mit angeregtem Sauerstoff (O*) angrenzend erfolgt.
Im Bereich mit angeregtem Sauerstoff (O*) kommt es zur Zinkoxidation. Treffen dagegen Zinkionen an Wände, verursachen sie den problematischen Streudampf. Kondensiert der Dampf aufgrund von Abkühlung, bleiben Schichten an Wänden und Substrat haften. Das wird nun auf dem Substrat weitestgehend durch eine Art „Spülung“ verhindert, die der Dampfausbreitung nach dem Stand der Technik entgegen gerichtet ist.
In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass Prozessgas am Substrateintritt entlang des Substrats in Transportrichtung und am Substrataustritt entgegen der Transportrichtung eingeleitet wird. Damit wird wirkungsvoll verhindert, dass Streudampf in die Kammertunnel des Substratein- bzw. -austritts eindringt und dort zu unerwünschten Beschichtungen führt.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Reaktivgas in einem Gemisch zusammen mit einem Arbeitsgas eingeleitet wird. Somit wird es möglich, das „Freispülen“ der Substratoberfläche mit dem Reaktivgas, mit dem Arbeitsgas oder mit beiden zusammen (Prozessgas) zu realisieren.
Die anordnungsseitige Lösung der Aufgabenstellung besteht darin, dass unmittelbar über der Substrattransportebene quer zur Substrattransportrichtung ein Gaseinleitungskanal angeordnet ist, der mit Gasaustrittsöffnungen versehen ist, die mit Gasabsaugöffnungen innerhalb der Prozesskammer derart korrespondieren, dass auf dem Substrat eine in Richtung zum Innenraum der Prozesskammer gerichtete und im weiteren Verlauf vom Substrat wegführende Gasströmung bewirkt wird.
Grundsätzlich kann Streudampf auch am Substrateintritt der Prozesskammer zu schädlichen Ablagerungen führen. Um dies zu verhindern, ist in einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass ein Gaseinleitungskanal am Substrateintritt angeordnet ist.
In gleicher Weise kann eine störende Ablagerung am Substrataustritt verhindert werden, indem ein Gaseinleitungskanal am Substrataustritt angeordnet ist.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Gaseinleitungskanal an einer dem Innenraum der Prozesskammer abgewandten Außenseite der Prozesskammer angeordnet ist, wobei die Gasaustrittöffnungen in die Prozesskammer hinein gerichtet sind. Durch die Richtung der Gasaustrittsöffnungen wird dem Gas bereits eine Strömungsrichtung in die Prozesskammer hinein aufgeprägt und somit die Substratoberfläche im Bereich des Substratdurchtritts, d. h. im Bereich des Substratein- oder des Substrataustritts gespült.
Unterstützt wird die aufgeprägte Gasströmung auch dadurch, dass eine mit einem Gaseinleitungskanal korrespondierende Gasabsaugöffnung zur Substrattransportebene im Wesentlichen senkrecht oberhalb des Gaseinleitungskanals angeordnet ist.
Zweckmäßigerweise ist die Gasabsaugöffnung mit einer Pumpe verbunden. Dies kann auch dadurch realisiert werden, dass die Gasabsaugöffnung als Öffnung in der Wandung der Prozesskammer ausgebildet und über ein neben der Prozesskammer angeordnetes Pumpkompartment mit der Pumpe verbunden ist.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass beim Substratein- oder -auslass eine Gasschleuse gebildet wird, indem eine mit einem Gaseinleitungskanal korrespondierende Gasabsaugöffnung zur Substrattransportebene in räumlicher Nähe zum jeweilige Gaseinleitungskanal am Substrateintritt und/oder am Substrataustritt angeordnet ist.
Eine weitere Ausgestaltung der Anordnung sieht vor, dass der Gaseinleitungskanal beheizbar ausgebildet ist. Somit kann das Prozessgas vor der Einleitung erwärmt werden, was die Verhinderung der Kondensation von Streudampf unterstützt.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt
1 eine Darstellung des der Erfindung zugrunde liegenden Problems anhand des Standes der Technik,
2 eine schematische Darstellung der Erfindung mit verschiedenen Realisierungsformen,
3 eine schematische Darstellung der Erfindung mit einem gerichteten Gasaustritt und
4 eine schematische Darstellung der Erfindung mit Elementen zum Kondensationsschutz.
In 2 sind verschiedene Möglichkeiten der Realisierung der Erfindung dargestellt. Grundsätzlich ist es möglich, die jeweiligen Ausgestaltungen sowohl am Substrataustritt 10 als auch am Substrateintritt 11 als auch an beiden zu realisieren.
In allen Varianten ist unmittelbar über der Substrattransportebene 2 quer zur Substrattransportrichtung 3 ein Gaseinleitungskanal 12 angeordnet, der mit Gasaustrittsöffnungen versehen ist, die mit einer Gasabsaugöffnung innerhalb der Prozesskammer derart korrespondieren, dass eine in den Prozessraum hinein gerichtete Gasströmung 14 bewirkt wird. Der Gaseinleitungskanal 12 kann zusätzlich zu der normalen Einleitung von Reaktivgas, wie sie mit dem Pfeil links neben dem Magnetron 5 dargestellt ist, angeordnet sein. Dadurch wird erreicht, dass Streudampf in Form von Zn-Dampf in den Innenraum 16 der Prozesskammer 4 zurückgespült wird, um dort zu oxidieren oder abgepumpt zu werden.
Auf der linken Seite von 2 ist der Gaseinleitungskanal 12 am Substrateintritt 11 und auf der rechten Seite am Substrataustritt 10 angeordnet.
Auf der rechten Seite ist dargestellt, dass ein Gaseinleitungskanal 15 an einer dem Innenraum 16 der Prozesskammer 4 abgewandten Außenseite 17 der Prozesskammer 4 angeordnet ist. Diese Anordnung entspricht der Gestaltung in 3, wobei die Gasaustrittöffnungen 18 in die Prozesskammer 4 hinein gerichtet sind. Mit dem Gaseinleitungskanal 15 korrespondierende Gasabsaugöffnung 19 ist zur Substrattransportebene 2 im Wesentlichen senkrecht oberhalb des Gaseinleitungskanals 15 in der Schottwand 20 der Prozesskammer 4 angeordnet. Sie ist über ein neben der Prozesskammer 4 angeordnetes Pumpkompartment 6 mit der Pumpe 7 verbunden.
Wie insbesondere aus 3 ersichtlich, wird damit der Substrataustritt 10 gespült, so dass eventuell dort befindlicher Streudampf 8 in den Bereich des angeregten Sauerstoffs 21 gebracht wird, wodurch sich dieser als störendes Zn nicht auf dem Substrat 1 abscheidet, sondern vielmehr in Reaktion gebracht wird.
Bei dem geschilderten Ausführungsbeispiel wird die ohnehin vorhandene Evakuierungsöffnung in der Schottwand genutzt. Wie aus 2 ersichtlich ist, kann aber auch eine wesentlich tiefer liegende Gasabsaugöffnung 22 gewählt werden, wodurch der Spülweg kleiner wird.
Auf der linken Seite von 2 ist eine mit einem Gaseinleitungskanal 23 korrespondierende Gasabsaugöffnung 24 in räumlicher Nähe zur Substrattransportebene 2 unter Bildung einer Gasschleuse 25 in räumlicher Nähe zum jeweiligen Gaseinleitungskanal 23 am Substrateintritt 11 angeordnet.
In 4 sind zusätzliche Maßnahmen zur Vermeidung einer Kondensation dargestellt. Diese bestehen zum einen in einem Strömungswiderstand in Form eines Spalts 26 am Substrateintritt 11 und in einer die Pumpe 7 schützenden Blende 27 im Pumpkompartment 6.
Bezugszeichenliste

1: Substrat
2: Transportebene
3: Transportrichtung
4: Prozesskammer
5: Magnetron
6: Pumpkompartment
7: Pumpe
8: Streudampf
9: Mitfließen des Streudampfes
10: Substrataustritt
11: Substrateintritt
12: Gaseinleitungskanal
13: Gasabsaugöffnung
14: Gasströmung
15: außen liegender Gaseinleitungskanal
16: Innenraum
17: Außenseite der Prozesskammer
18: Gasaustrittsöffnung
19: Gasabsaugöffnung des außen liegenden Gaseinleitungskanals
20: Schottwand
21: Bereich des angeregten Sauerstoffs
22: tiefer liegende Gasabsaugöffnung
23: Gaseinleitungskanal der Gasschleuse
24: Gasabsaugöffnung der Gasschleuse
25: Gasschleuse
26: Spalt am Substrateintritt
27: Blende

Claims

Verfahren zur Verhinderung von Streudampfbeschichtungen beim Sputtern von einem Target, wobei in einem Vakuum einer Prozesskammer (4) ein Substrat (1) durch ein von einem Magnetron (5) erzeugten Plasma (21) hindurch bewegt wird und ein Prozessgas zum Sputtern des Materials eines mit dem Magnetron (5) verbunden Targets in die Prozesskammer (4) eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas in Substratnähe und in einer in Richtung zum Innenraum (16) der Prozesskammer (4) gerichteten Gasströmung (14) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas am Substrateintritt entlang des Substrats in Transportrichtung und am Substrataustritt entlang des Substrats entgegen der Transportrichtung eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktivgas in einem Gemisch zusammen mit einem Arbeitsgas eingeleitet wird.
Anordnung zur Verhinderung von Streudampfbeschichtungen beim Sputtern von einem Target mit einem quer zu einer Transportrichtung (3) eines Substrats (1) liegenden Magnetron (5) in einer Prozesskammer (4), die einen Substratein- (11) und einen Substrataustritt (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar über der Substrattransportebene (2) quer zur Substrattransportrichtung (3) ein Gaseinleitungskanal (12) angeordnet ist, der mit Gasaustrittsöffnungen (18) versehen ist, die mit einer Gasabsaugöffnungen (13) innerhalb der Prozesskammer (4) derart korrespondieren, dass auf dem Substrat (1) eine in Richtung zum Innenraum (16) der Prozesskammer (4) gerichtete Gasströmung (14) bewirkt wird.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gaseinleitungskanal (12) am Substrateintritt (11) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gaseinleitungskanal (12) am Substrataustritt (10) angeordnet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gaseinleitungskanal (15) an einer dem Innenraum (16) der Prozesskammer (4) abgewandten Außenseite (17) der Prozesskammer (4) angeordnet ist, wobei die Gasaustrittöffnungen (18) in die Prozesskammer (4) hinein gerichtet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit einem Gaseinleitungskanal (12) korrespondierende Gasabsaugöffnung (13) zur Substrattransportebene (2) im wesentlichen senkrecht oberhalb des Gaseinleitungskanals (12) angeordnet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasabsaugöffnung (13) mit einer Pumpe (7) verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasabsaugöffnung (13) als Öffnung in der Wandung (20) der Prozesskammer (4) ausgebildet und über ein neben der Prozesskammer (4) angeordnetes Pumpkompartment (6) mit der Pumpe (7) verbunden ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit einem Gaseinleitungskanal(23) korrespondierende Gasabsaugöffnung (24) zur Substrattransportebene (2) unter Bildung einer Gasschleuse (25) in räumlicher Nähe zum jeweiligen Gaseinleitungskanal (23) am Substrateintritt (11) und/oder am Substrataustritt (10) angeordnet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaseinleitungskanal beheizbar ausgebildet ist.