DE102012110264A1

DE102012110264A1 - Anordnung zur Gasführung an Magnetrons in Vakuumbeschichtungsanlagen

Info

Publication number: DE102012110264A1
Application number: DE201210110264
Authority: DE
Inventors: Volker Linss
Original assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Current assignee: Von Ardenne GmbH
Priority date: 2012-10-26
Filing date: 2012-10-26
Publication date: 2014-04-30

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Gasführung in Vakuumbeschichtungsanlagen mit einem Vakuumraum in dem ein Magnetron mit einem einen Racetrack erzeugenden Magnetsystem angeordnet ist, wobei der Racetrack geschlossen ist und einen Racetrackraum einschließt, mit einem Arbeitsgaskanal, einem Reaktivgaskanal und einer Substratauflage, auf die ein Substrat auflegbar ist. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Reaktivgaszufuhr zu schaffen, die auch den Bereich direkt unter dem Target während des laufenden Prozesses ausreichend mit Reaktivgas versorgt. Die Aufgabe wird durch eine Anordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass ein Reaktivgaszusatzkanal in dem Abstand zwischen dem Target des Magnetrons und der Substratauflage unter der Projektion des Racetrackraumes angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Gasführung in Vakuumbeschichtungsanlagen mit einem Vakuumraum in dem ein Magnetron mit einem einen Racetrack erzeugenden Magnetsystem angeordnet ist, wobei der Racetrack geschlossen ist und einen Racetrackraum einschließt, mit einem Arbeitsgaskanal, mit Reaktivgaskanälen und einer Substratauflage, auf die ein Substrat auflegbar ist.
Beim Magnetronsputtern wird zwischen einem Target und einem zu beschichtenden Substrat ein Plasma gezündet, deren energiereiche positive Ladungsträger aus dem Target Atome herausschlagen (Sputtereffekt), die sich auf dem Substrat niederschlagen und eine feste Schicht bilden. Zur Verstärkung der Plasmawirkung und der Erhöhung der Beschleunigung der Ionen auf die Target-Oberfläche ist auf der dem Plasma abgewandten Seite ein Magnetsystem mit nebeneinander liegenden Magneten örtlich wechselnder Polung angeordnet. Ein solches Magnetsystem ist beispielsweise aus dem Stand der Technik bekannt (1).
Durch die Magnetanordnung kann sich ein tunnelförmiges Magnetfeld entlang einer geschlossenen – wie auch immer geformten Bahn – auf dem Target ausbilden.
Die Elektronendichte ist dabei an der Stelle am höchsten, wo das Magnetfeld parallel zur Target-Oberfläche liegt und bewirkt dadurch eine höhere Ionisation und damit den größten Sputterabtrag auf dem Target unmittelbar unterhalb dieses Bereiches. Bei einem Planartarget bilden sich aufgrund einer fehlenden Relativbewegung zwischen dem ausgebildeten Magnetfeld und dem Target für das Magnetronsputtern typische Erosionsgräben. Wegen ihrer geschlossenen Form und ihrer Ähnlichkeit mit einer Rennbahn, werden sie daher auch als „Racetracks“ bezeichnet.
Zur Vermeidung des selektiven Abtrags des Targetmaterials bei Planartargets und dem damit verbundenen beschleunigten Verschleiß in diesem Bereich, haben sich in der Vakuumbeschichtungstechnologie rotierende Rohrmagnetrons 1 bewährt. Diese sind in 1 und 2 dargestellt. Diese weisen in ihrem Inneren 3 ein längs der axialen Richtung 5 des Rohrtargets 2 quer zur Substrattransportrichtung 10 einer Substratauflage 9 feststehendes Magnetsystem 4 auf. Das Rohrtarget 2 wird beim Sputtervorgang in einer Drehrichtung 6 gedreht, so dass es sich ständig um das feststehende Magnetfeld 7 dreht. Damit kann ein gleichmäßiger Abtrag des Targetmaterials während des Sputterprozesses stattfinden, so dass das Target besser ausgenutzt wird. Der Racetrack 8 ist immer noch vorhanden, verursacht aber keine Erosionsgräben.
Derartige Rohrmagnetrons werden üblicherweise in in-line-Vakuumbeschichtungsanlagen eingesetzt, bei denen sich das Rohrmagnetron 1 quer zur Substrattransportrichtung 10 einer Substratauflage 9 befindet. Durch das Magnetsystem 4 bildet sich somit auf dem Rohrmagnetron 1 ein in Substrattransportrichtung 10 erster Racetrackteil a und ein in Substrattransportrichtung 10 zweiter Racetrackteil b, der sich in Substrattransportrichtung 10 hinter dem ersten Racetrackteil a befindet, aus.
Beim reaktiven Sputtern werden dem inerten Arbeitsgas, wie beispielsweise Argon, auch Reaktivgase, wie beispielsweise Sauerstoff, zugeführt. Das Reaktivgas reagiert am Target, in der Vakuumkammer und/oder am Substrat mit den zerstäubten Targetatomen und bildet neue Materialien, die sich auf der Substratoberfläche abscheiden.
Entsprechend dem Stand der Technik (3) werden das Arbeitsgas und das Reaktivgas über einen Arbeitsgaskanal 13 über Zuführleitungen 16 aus einer Arbeitsgasquelle 18 und über Reaktivgaskanäle 12 über Zuführungen 19 aus einer Reaktivgasquelle 21 in die Vakuumkammer eingeleitet. Dabei ist der Arbeitsgaskanal 13 in der Regel auf der der Substratauflage 9 abgewandten Seite des Rohrtargets 2 parallel zu dessen Längserstreckung und quer zur Substrattransportrichtung 10 angeordnet. Die Reaktivgaskanäle 12 können beispielsweise seitlich neben dem Rohrmagnetron 1 beidseitig, vorzugsweise symmetrisch zum Rohrmagnetron 1, mit ihrer Längserstreckung ebenfalls quer zur Substrattransportrichtung 10 und parallel zur Längsachse des Rohrmagnetrons 1 angeordnet sein. Bei früheren Untersuchungen wurde festgestellt, dass beim reaktiven Prozess durch die Substratdurchfahrt Mischschichten abgeschieden werden, wodurch die Schichteigenschaften immer etwas schlechter blieben, als die im keramischen Prozess bei vergleichbarer Temperatur und Druck erzielten.
Um die Gleichmäßigkeit der Stöchiometrie der schichtbildenden Teilchen im Plasma zu optimieren, wurde in DE 10 2010 030 933 A1 eine spezielle Gaskanalanordnung und Gasführung (4) derart gestaltet, dass die beiden Racetrackhälften a, b getrennt voneinander durch Stelleinrichtungen 20 in den Zuführleitungen 19 für Reaktivgas beeinflusst werden können. Durch diese Gaskanalanordnung und ein in DE 10 2010 030 933 A1 offenbartes Verfahren, bei dem durch Mittel 26 OES-Spektren der beiden Racetrackhälften gemessen werden und anhand der Verhältnisse von zwei ermittelten Spektrallinien, die getrennte Steuerung der Reaktivgasflüsse entsprechend erfolgt, konnten zwar die Schichteigenschaften wesentlich verbessert werden, allerdings bleibt das Problem, dass direkt unter dem Target immer noch eine Reaktivgasunterversorgung stattfinden kann. Das zugeführte Reaktivgas wird in dem Racetrack bzw. im Plasma verbrannt und gelangt nur in verminderter Konzentration direkt unter das Magnetron, wodurch beispielsweise bestimmte Schichteigenschaften, insbesondere die Transmission von transparenten Schichten dadurch deutlich reduziert wird. Bei einer bisherigen Lösung wurde für eine transparente Schicht bei einer dynamischen Beschichtung so viel Reaktivgas zugegeben, dass eine gute Transparenz erreicht wird. Das führt allerdings dazu, dass der Substratbereich etwas weiter weg vom Target (also vor 22 und hinter 23 dem Rohrmagnetron in Substrattransportrichtung 10) so stark oxidiert, dass in einigen Beschichtungsfällen kein leitfähiges Material mehr abgeschieden wird.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Reaktivgaszufuhr zu schaffen, die auch den Bereich direkt unter dem Target während des laufenden Prozesses ausreichend mit Reaktivgas versorgt.
Die Aufgabe wird durch eine Anordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass ein Reaktivgaszusatzkanal im Abstand zwischen dem Target des Magnetrons und der Substratauflage unter der Projektion des Racetrackraumes angeordnet ist.
Die Substratauflage ist als Substrattransporteinrichtung ausgebildet, auf der ein Substrat in einer Substrattransportrichtung transportierbar ist und das Magnetron sich quer zur Substrattransportrichtung mindestens über die Substratbreite erstreckt.
Das Magnetron ist als ein rotierendes Magnetron mit einem Rohrtarget ausgebildet.
Der Arbeitsgaskanal ist mit seiner Längserstreckung parallel zur axialen Richtung des Rohrtargets angeordnet.
Auch zwei Reaktivgaskanäle mit ihren axialen Längserstreckungen sind parallel zur axialen Richtung des Rohrtargets und beiderseits des Rohrtargets seitlich neben dem Rohrmagnetron angeordnet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Reaktivgaszusatzkanal zweigeteilt ausgebildet und weist einen ersten Teilkanal und einen zweiten Teilkanal auf.
Dabei ist der erste Teilkanal näher zu dem in Substrattransportrichtung liegenden ersten Racetrackteil und der zweite Teilkanal näher als der erste Teilkanal zu dem in Substrattransportrichtung liegenden zweiten Racetrackteil angeordnet.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die beiden Teilkanäle zu einem Doppelkanal zusammengefasst sind.
Eine andere Möglichkeit ist darin zu sehen, dass der erste Teilkanal und der zweite Teilkanal in Target-Substrat-Richtung übereinander angeordnet sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Reaktivgaszusatzkanal einteilig ausgebildet.
Es hat sich als geeignet herausgestellt, dass Stelleinrichtungen genutzt werden und angeordnet sind, die den Fluss in den Reaktivgaskanälen und den Reaktivgaszusatzkanälen getrennt voneinander ansteuerbar ausgebildet sind, und dass Mittel zum getrennten Messen der Emissionsspektren des in Substrattransportrichtung ersten Racetrackteils und des in Substrattransportrichtung zweiten Racetrackteils angeordnet sind, die mit einer das Verhältnis des Reaktivgasflusses in den beiden Reaktivgaskanälen steuernden Steuereinrichtung verbunden sind.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.
In den zugehörigen Zeichnungen zeigt
1 einen Querschnitt durch ein Rohrmagnetron nach dem Stand der Technik,
2 eine perspektivische Schnittdarstellung durch ein Rohrmagnetron nach dem Stand der Technik,
3 eine Prinzipdarstellung der Gasführung an einem Rohrmagnetron nach dem Stand der Technik,
4 eine Prinzipdarstellung einer aus DE 102010030933 A1 bekannten ersten Ausführung einer Gasführung an einem Rohrmagnetron und
5 eine Prinzipdarstellung einer aus DE 102010030933 A1 bekannten zweiten Ausführung mit einem Gasführungsmittel an einem Rohrmagnetron.
6 eine Prinzipdarstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Reaktivgaszusatzkanalführung als Doppelkanal in dem Abstand zwischen dem Target des Magnetrons und der Substratauflage und unter der Projektion des Racetrackraumes, wobei der erste Teilkanal und der zweite Teilkanal in Substrattransporteinrichtung nebeneinander angeordnet sind.
7 eine Prinzipdarstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Reaktivgaszusatzkanalführung bei der der erste und der zweite Teilkanal in Target-Substrat-Richtung übereinander und in dem Abstand zwischen dem Target des Magnetrons und der Substratauflage und unter der Projektion des Racetrackraumes angeordnet sind.
8 eine Prinzipdarstellung einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Reaktivgaszusatzkanalführung bei der ein einzelner Reaktivgaszusatzkanal in dem Abstand zwischen dem Target des Magnetrons und der Substratauflage und unter der Projektion des Racetrackraumes angeordnet ist.
Beim reaktiven Sputtern von ZnO:Al konnte mittels einer speziellen Gaskanalanordnung und einem Gasführungsmittel 24 das Arbeitsgas über eine Zuführungsleitung 16 und eine Stelleinrichtung 17 aus einer Arbeitsgasquelle 18, über dem Rohrmagnetron 1 derart eingelassen werden, dass eine Oxidation des Targets außerhalb des Racetrackbereiches wirkungsvoll unterdrückt wird. Dabei sind die Reaktivgaskanäle 12 derart angeordnet, dass die beiden Hälften a, b des Racetracks 8 einzeln versorgt werden können. In dieser Anordnung kann die Stöchiometrie zwar getrennt beeinflusst werden, es bleibt aber das Problem, dass direkt unter dem Target zwischen Substratauflage und Rohrmagnetron 1 immer noch eine Reaktivgasunterversorgung stattfinden kann. Dies wurde durch eigene Versuche des Erfinders bestätigt. Um die dadurch eingangs erwähnten Nachteile zu umgehen und auch den Bereich direkt unter dem Target in Richtung der Substratauflage 9 mit genügend Reaktivgas zu versorgen, wird vorgeschlagen, einen, wie in 6 dargestellten, Reaktivgaszusatzkanal 28 unterhalb des Targets, in den Abstand zwischen Rohrmagnetron 1 und Substratauflage 9 zu bringen.
Wahlweise kann dieser Reaktivgaszusatzkanal 28, wie in 6 dargestellt, zweiteilig ausgeführt sein, so dass er einen ersten Teilkanal 28a und einen zweiten Teilkanal 28b aufweist.
Dabei ist der erste Teilkanal 28a näher zu dem in Substrattransporteinrichtung liegenden ersten Racetrackteil a und der zweite Teilkanal 28b näher als der erste Teilkanal 28a zu dem in Substrattransportrichtung 10 liegenden zweiten Racetrackteil b angeordnet. In 6 können diese Teilkanäle wahlweise als Doppelkanal ausgebildet sein. Eine weitere Ausgestaltung ist in 7 dargestellt, bei der die beiden Teilkanäle 28a und 28b übereinander in Target-Substrat-Richtung angeordnet sind.
8 zeigt die Ausgestaltung der Erfindung des Reaktivgaszusatzkanals 28 als Einzelkanal unterhalb des Rohrtargets 2 in dem Abstand zwischen Rohrtarget 2 und Substratauflage 9.
Durch die vorgestellten Anordnungen ist eine deutliche Verbesserung der Schichteigenschaften im Vergleich zu einem keramischen Prozess zu erwarten.
Bezugszeichenliste

1: Rohrmagnetron
2: Rohrtarget
3: Innenraum des Rohrtargets
4: Magnetsystem
5: axiale Richtung des Rohrtarget
6: Drehrichtung
7: Magnetfeld
8: Racetrack
9: Substratauflage
10: Substrattransportrichtung
12: Reaktivgaskanal
13: Arbeitsgaskanal
14: Mittelachse
16: Zuführleitung für Arbeitsgase
17: Stelleinrichtung
18: Arbeitsgasquelle
19: Zuführleitung für Reaktivgas
20: Stelleinrichtung
21: Reaktivgasquelle
22: vor dem Rohrmagnetron in Substrattransporteinrichtung
23: hinter dem Rohrmagnetron in Substrattransporteinrichtung
24: Gasführungsmittel
25: Raum zwischen Gasleitungsmittel und Rohrtarget
26: Mittel zum Messen von Emissionsspektren
27: Steuereinrichtung
28: Reaktivgaszusatzkanal
28a: erster Teilkanal
28b: zweiter Teilkanal
a: erster Racetrackteil in Substrattransporteinrichtung
b: zweiter Racetrackteil in Transportrichtung hinter dem
ersten Racetrackteil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010030933 A1 [0009, 0009, 0027, 0028]

Claims

Anordnung zur Gasführung in Vakuumbeschichtungsanlagen mit einem Vakuumraum in dem ein Magnetron, mit einem einen Racetrack (8) erzeugenden Magnetsystem (4) angeordnet ist, wobei der Racetrack (8) geschlossen ist und einen Racetrackraum einschließt, mit einem Arbeitsgaskanal (13), mit Reaktivgaskanälen (12) und einer Substratauflage (9), auf die ein Substrat auflegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reaktivgaszusatzkanal (28) in dem Abstand zwischen dem Target des Magnetrons und der Substratauflage (9) und unter der Projektion des Racetrackraumes angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratauflage (9) als Substrattransporteinrichtung ausgebildet ist, auf der das Substrat in einer Substrattransportrichtung (10) transportierbar ist und dass das Magnetron sich quer zur Substrattransporteinrichtung mindestens über die Substratbreite erstreckt.
Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetron als ein rotierendes Magnetron mit einem Rohrtarget (2) ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsgaskanal (13) mit seiner Längserstreckung parallel zur axialen Richtung des Rohrtargets (2) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Reaktivgaskanäle (12) mit ihren axialen Längserstreckungen parallel zur axialen Richtung des Rohrtargets (2) und beiderseits des Rohrtargets (2) seitlich neben dem Rohrmagnetron (1) angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktivgaszusatzkanal (28) zweigeteilt ausgebildet ist und einen ersten Teilkanal (28a) und einen zweiten Teilkanal (28b) aufweist.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilkanal (28a) näher zu dem in Substrattransportrichtung (10) liegenden ersten Racetrackteil (a) und der zweiter Teilkanal (28b) näher als der erste Teilkanal (28a) zu dem in Substrattransportrichtung (10) liegenden zweiten Racetrackteil (b) angeordnet ist.
Anordnung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teilkanäle zu einem Doppelkanal zusammengefasst sind.
Anordnung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (28a) und der zweite Teilkanal (28b) in Target-Substrat-Richtung übereinander angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktivgaszusatzkanal (28) einteilig ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass Stelleinrichtungen (20) angeordnet sind, die den Fluss in den Reaktivgaskanälen (12) und den Reaktivzusatzkanälen (28) getrennt voneinander ansteuerbar ausgebildet sind, und dass Mittel (26) zum getrennten Messen des Emissionsspektrums des in Substrattransportrichtung (10) ersten Racetrackteils (a) und des in Substrattransportrichtung zweiten Racetrackteils (b) angeordnet sind, die mit einer das Verhältnis des Reaktivgasflusses in den beiden Reaktivgaskanälen sowie den Reaktivgaszusatzkanälen steuernden Steuereinrichtung (27) verbunden sind.