DE102014103732A1

DE102014103732A1 - Sputteranordnung und Verfahren zum geregelten reaktiven Sputtern

Info

Publication number: DE102014103732A1
Application number: DE102014103732.4A
Authority: DE
Inventors: Volker Linss; Henrik OBST
Original assignee: Von Ardenne GmbH
Current assignee: Von Ardenne Asset GmbH and Co KG
Priority date: 2014-01-09
Filing date: 2014-03-19
Publication date: 2015-07-09

Abstract

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann Verfahren zum geregelten reaktiven Sputtern Folgendes aufweisen: ein geregeltes Zuführen von mehreren Reaktivgasen und mindestens einem Arbeitsgas in eine Sputter-Prozesskammer, wobei die mehreren Reaktivgase in einem vorgegebenen Verhältnis zueinander der Sputter-Prozesskammer zugeführt werden; wobei das geregelte Zuführen eine erste Regelung und eine zweite Regelung aufweist, wobei die erste Regelung unter Verwendung einer Sputterleistung als Regelgröße und einem Gesamtfluss der mehreren Reaktivgase als Stellgröße erfolgt, und wobei die zweite Regelung das vorgegebene Verhältnis der Reaktivgase zueinander während des Zuführens als Regelgröße oder Stellgröße aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sputteranordnung und ein Verfahren zum geregelten reaktiven Sputtern.
Im Allgemeinen können verschiedene Beschichtungsverfahren dazu genutzt werden, Schichten oder Beschichtungen auf ein Substrat oder auf einen Träger aufzubringen. Zum Herstellen dünner Schichten, z.B. mit einer Schichtdicke kleiner als 200 µm oder kleiner als 100 µm, können beispielsweise chemische Gasphasenabscheidungsprozesse oder physikalische Gasphasenabscheidungsprozesse genutzt werden, wie beispielsweise die Kathodenzerstäubung (das sogenannte Sputtern oder die Sputterdeposition). Modifikationen der Kathodenzerstäubung sind beispielsweise das sogenannte reaktive Sputtern und das reaktive Magnetronsputtern. Bei diesen Sputter-Prozessen wird zum einen ein Arbeitsgas (z.B. Ar) verwendet, um die Kathode (das Targetmaterial) zu zerstäuben, wobei das Arbeitsgas nicht in die auf dem Substrat abgeschiedene Schicht eingebaut wird, und zum anderen wird mindestens ein reaktives Gas zugesetzt, so dass das zerstäubte Targetmaterial mit dem Reaktivgas chemisch reagiert und sich die Reaktionsprodukte auf dem Substrat abscheiden.
Beim reaktiven Sputtern kann das Beschichten eines Substrats mit einer Schicht, welche die entsprechenden Schichteigenschaften aufweist, dadurch erfolgen, dass die Sputteranordnung in einen Betriebspunkt (oder Betriebszustand) gebracht und/oder in einem Betriebspunkt stabilisiert wird. Der Betriebspunkt kann mit den notwendigen Betriebsparametern der Sputteranordnung (z.B. eine Substrat-Transportgeschwindigkeit, eine Target-Rotationsgeschwindigkeit, Generatorgrößen, ein Gasdruck, Materialien, usw.) korreliert sein, so dass eine entsprechende Schicht mit den jeweils gewünschten oder benötigten Eigenschaften, oder den Eigenschaften nach einer Vorgabe (z.B. spez. elektrischer Widerstand der Schicht, chemische Zusammensetzung der Schicht, Schichtdickenverteilung der Schicht auf der Oberfläche des Substrats, optische Eigenschaften der Schicht, usw.), hergestellt werden kann. Dabei können Abweichungen des Sputter-Prozesses von einem Betriebspunkt global für den gesamten Sputterprozess mittels einer Regelung ausgeglichen werden und/oder lokal in einem Bereich der Sputter-Prozesskammer mittels eines geregelten Zuführens eines Prozessgases mittels einer Prozessgaszuführung in den betreffenden Bereich der Sputter-Prozesskammer ausgeglichen werden.
Ferner kann die Sputter-Anordnung mindestens einen Generator zum Bereitstellen der elektrischen Spannung an der Kathode und des entsprechenden elektrischen Stroms zwischen der Kathode und einer Anode aufweisen. Der elektrische Strom, I, welcher bei einer jeweils angelegten Spannung, U, zwischen der Kathode und der Anode fließt (Kennlinie), kann von den Gasen (z.B. der Zusammensetzung der Gase oder den Partialdrücken der Gase) in der Vakuumkammer abhängig sein. Somit ergeben sich für den Arbeitspunkt des Generators (z.B. für die Leistung) verschiedene Betriebsarten bzw. Steuermöglichkeiten oder Regelungsmöglichkeiten.
Ein Aspekt verschiedener Ausführungsformen kann anschaulich darin gesehen werden, mittels einer Sputteranordnung einen reaktiven Sputterprozess derart zu regeln, dass mehrere Reaktivgase oder mehrere Prozessgase verwendet werden können und dass der Betriebspunkt der Sputteranordnung mittels einer Leistungsregelung eindeutig eingestellt und/oder gehalten werden kann.
Verschiedene Ausführungsformen basieren beispielsweise auf der Erkenntnis, dass es beim reaktiven Sputtern mit mehreren Reaktivgasen nicht ausreichen kann, die Leistung des Magnetrons einfach über das Stellen des Flusses anzupassen, da beispielsweise verschiedene Reaktivgase unterschiedlich auf das Target und/oder die jeweilige Leistung des Magnetrons (Sputterleistung) reagieren. Anschaulich kann sich bei der Leistungsregelung für jedes Reaktivgas der mehreren Reaktivgase ein unterschiedliches Kennlinienfeld für die Generatorgrößen ergeben, so dass eine einfache Leistungsregelung beim Verwenden mehrerer Reaktivgase und/oder mindestens einem Arbeitsgas oder mehrerer Arbeitsgase keine eindeutige Zuordnung eines Arbeitspunktes des Generators zu einem Betriebspunkt der Sputteranordnung erlaubt. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Verhältnis der Reaktivgase zueinander zusätzlich vorgegeben sein, so dass eine Leistungsregelung eindeutig erfolgen kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann bei der Leistungsregelung eine an der Kathode angelegte Spannung U (als Generatorgröße) vorgegeben sein oder werden, wobei der entsprechende Strom I oder die Leistung (als weitere Generatorgröße) geregelt wird. Dabei kann die Spannung an der Kathode nachgeregelt werden, um den Prozess langzeitstabil zu gestalten.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der jeweilige Fluss der Reaktivgase oder der Prozessgase als Stellgröße der Leistungsregelung mittels mehrerer Massenflussregler eingestellt werden oder mittels eines Massenflussreglers mit mehreren Kanälen eingestellt werden. Dabei kann der Fluss nach einem Sollwert geregelt werden oder direkt von dem Regler gestellt werden. Der Gasfluss eines Prozessgases kann mittels eines Massenflussmessers oder Massendurchflussmessers (z.B. thermisch oder coriolis) ermittelt bzw. gemessen werden. Ferner kann der Gasfluss auch indirekt mittels Druckmessung oder Partialdruckmessung ermittelt werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Druckmessung in der Regelung genutzt werden.
Ein Aspekt verschiedener Ausführungsformen kann anschaulich darin gesehen werden, ein reaktives Sputter-Verfahren und eine entsprechende Sputter-Anordnung zum Herstellen (Abscheiden) von Metallverbindungen oder Halbmetallverbindungen bereitzustellen, bei denen der Betriebspunkt der Sputteranordnung zum Herstellen dieser Schichten mit den entsprechenden Schichteigenschaften nicht eindeutig mittels der zwei Generatorgrößen charakterisiert ist. Anschaulich kann es nicht ausreichend sein, den Generator an einem bestimmten Arbeitspunkt (U, I bzw. Leistung, P) zu betreiben, um die gewünschten Schichteigenschaften beim Betreiben der Sputter-Anordnung zu erreichen, da mehrere Reaktivgase dabei einen zusätzlichen Freiheitsgrad offen lassen. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn ein Metall oder Halbmetall beim reaktiven Sputtern mit mehreren Reaktivgasen chemisch reagiert, wie beispielsweise beim Abscheiden eines Metalloxinitrids oder Halbmetalloxinitrids, z.B. AlO_xN_y oder allgemein MO_xN_y (wobei M aufweisen kann: Al, Ti, Nb, Mo, Ta, Hf, Si, W, oder ein anderes Metall oder Halbmetall).
Anschaulich wurde beispielsweise erkannt, dass eine Leistungsregelung des Generators nur dann geeignet zum Herstellen von Schichten mit den gewünschten Schichteigenschaften sein kann, wenn das Kennlinienfeld des Generators eindeutig einen Betriebspunkt repräsentieren kann. Mit anderen Worten können die Schichteigenschaften der hergestellten Schichten von einer Vorgabe abweichen, wenn der Arbeitspunkt des Generators nicht den notwendigen Betriebspunkt der Sputteranordnung eindeutig repräsentiert.
Ferner kann ein anderer Aspekt verschiedener Ausführungsformen anschaulich darin gesehen werden, dass der reaktive Sputterprozess mittels einer Leistungsregelung erfolgen kann, wobei für die Leistungsregelung das Verhältnis der Reaktivgase zueinander vorgegeben sein kann, so dass ein Betriebspunkt der Sputteranordnung eindeutig mittels der Generatorgrößen und dem vorgegebenen Verhältnis definiert sein kann. Dabei kann das vorgegebene Verhältnis von einer zusätzlichen Regelung gestellt oder geregelt werden.
Anschaulich kann die Regelung notwendig sein, da ein reaktiver Sputterprozess in dem Betriebspunkt, der für die gewünschten Schichteigenschaften der abzuscheidenden Schicht notwendig sein kann, nicht stabil sein kann, beispielsweise kann ein Sputterprozess zum Abscheiden von oxidischen Schichten (z.B. AlO_xN_y) oder transparenten leitfähigen Oxiden (TCO) im ungeregelten Fall entweder im oxidischen Modus oder im metallischen Modus stabil sein, jedoch nicht in dem Übergangsbereich zwischen dem oxidischen Modus und dem metallischen Modus. Für das Abscheiden von derartigen Schichten kann es jedoch notwendig sein, den Sputterprozess in dem Übergangsbereich zwischen dem oxidischen Modus und dem metallischen Modus zu betrieben bzw. stabil zu halten (z.B. aufgrund der hohen Beschichtungsrate und/oder den erzielten Schichteigenschaften), was eine Regelung erfordert.
Verschiedene Ausführungsformen basieren beispielsweise auf der Erkenntnis, dass eine globale Leistungsregelung oder Spannungsregelung beim reaktiven Sputtern mit mehreren Reaktivgasen geeignet sein kann, Schichten mit den entsprechenden Schichteigenschaften abzuscheiden, wenn das Verhältnis der Reaktivgase zueinander für die Leistungsregelung vorgegeben ist und als Regelgröße eines zusätzlichen Regelkreises verwendet wird. Die Leistungsregelung kann mittels des Flusses (des Massenflusses) der mehreren Reaktivgase als Stellgröße erfolgen, bzw. wobei der Fluss der Reaktivgase oder Prozessgase in die Sputter-Prozesskammer hinein als Stellgröße der Leistungsregelung verwendet werden kann. Ferner kann eine weitere Regelung erfolgen, basierend auf einer Messung der Plasmaeigenschaften, einer Messung des Drucks in der Sputter-Prozesskammer, einer Messung eines Partialdrucks in der Sputter-Prozesskammer und/oder einer Messung mehrerer Partialdrücke (z.B. der Reaktivgase) während des Sputterprozesses, oder einer Restgasanalyse, wobei die weitere Regelung in die Leistungsregelung eingreift. Anschaulich können zwei gekoppelte Regelkreise verwendet werden, wobei beispielsweise ein gemeinsames Stellglied (welches den Gasfluss in die Sputter-Prozesskammer hinein anpasst) für beide Regelungen genutzt werden kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann in einem Sputterprozess eine Regelung verwendet werden, welche beispielsweise einen ersten Regelkreis und einen zweiten Regelkreis aufweist, oder es können mehrere Regelungen (z.B. eine erste Regelung und eine zweite Regelung verwendet werden) wobei der erste Regelkreis (oder die erste Regelung) eine targetglobale Regelung ist, also sich auf globale Prozessparameter bezieht, wie beispielsweise der Gesamtleistung des Sputterprozesses (Generatorgröße), und der zweite Regelkreis (oder die zweite Regelung) kann beispielsweise derart eingerichtet sein, dass der Betriebspunkt der Sputteranordnung am Arbeitspunkt des Generators eindeutig ist.
Die Regelungen können derart eingerichtet sein, dass die targetglobale Leistungsregelung, welche mittels Stellens des Gesamtflusses der Reaktivgase im vorgegebenen Verhältnis erfolgen kann, nicht von einer targetlokalen Regelung gestört wird, beispielsweise kann die targetglobale Regelung die Gesamtleistung (des Generators bei vorgegebener Spannung) beeinflussen, wobei die targetlokale Regelung keinen wesentlichen Einfluss auf die Gesamtleistung haben kann (die targetlokale Regelung kann aber dazu führen, dass eine Leistungsdichte entlang der Kathode unterschiedlich ist).
Bei der Regelung wird der Ist-Wert der Regelgröße mit einem Führungswert (Sollwert oder mit einer Vorgabe) verglichen (z.B. unter Verwendung einer Messvorrichtung) und entsprechend mittels eines Stellglieds (unter Verwendung einer Stellgröße) kann die Regelgröße derart beeinflusst werden, dass sich möglichst eine geringe Abweichung des jeweiligen Ist-Werts der Regelgröße vom Führungswert ergibt. Für voneinander abhängige Prozessgrößen, wie z.B. dem Gasdruck in der Kammer und dem daraus resultierenden Stromfluss zwischen Kathode und Anode, ergeben sich alternative Möglichkeiten der Regelung, welche allerdings das Wesen der Regelung, also das Anpassen der entsprechenden Regelgröße an eine Vorgabe, nicht verändern.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Verfahren zum geregelten reaktiven Sputtern Folgendes aufweisen: ein geregeltes Zuführen von mehreren Reaktivgasen und mindestens einem Arbeitsgas in eine Sputter-Prozesskammer, wobei die mehreren Reaktivgase in einem vorgegebenen Verhältnis zueinander der Sputter-Prozesskammer zugeführt werden (in die Sputter-Prozesskammer eingeleitet werden), wobei das geregelte Zuführen eine erste Regelung und eine zweite Regelung aufweist, wobei die erste Regelung unter Verwendung einer Sputterleistung als Regelgröße und einem Gesamtfluss der mehreren Reaktivgase als Stellgröße erfolgt, und wobei die zweite Regelung das vorgegebene Verhältnis der Reaktivgase zueinander während des Zuführens als Regelgröße oder Stellgröße aufweist.
Ferner kann für die erste Regelung eine Kathoden-Spannung vorgegeben sein. Dabei kann der Stromfluss als Regelgröße mittels des Gesamtflusses der mehreren Reaktivgase als Stellgröße gemäß einem Vorgabe-Stromfluss als Führungsgröße geregelt werden. Analog kann die Leistung des Generators als Regelgröße mittels des Gesamtflusses der mehreren Reaktivgase als Stellgröße gemäß einer Vorgabe-Leistung als Führungsgröße geregelt werden. Die Leistung ergibt sich als eine vom Strom zwischen der Kathode und einer Anode und der Spannung zwischen Kathode und Anode abhängige physikalische Größe.
Ferner kann für die erste Regelung eine Kathoden-Spannung vorgegeben sein. Dabei kann der Stromfluss mittels des Gesamtflusses der mehreren Reaktivgase als Stellgröße gemäß einem Vorgabe-Gesamtfluss als Führungsgröße geregelt werden.
Ferner kann mittels der ersten Regelung auch der Fluss des mindestens einen Arbeitsgases geregelt werden, wobei die Leistungsregelung mit dem Gesamtfluss der Prozessgase als Stellgröße erfolgen kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die vorgegebene Kathoden-Spannung nachgeregelt oder nachgestellt werden, beispielsweise zum Erreichen einer Langzeitstabilität (mehrere Stunden, Tage oder Wochen) des Sputterprozesses.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann bei der zweiten Regelung das vorgegebene Verhältnis der Reaktivgase zueinander unter Verwendung zumindest eines Messwertes einer Emissionsspektroskopie und/oder einer Massenspektrometrie geregelt werden.
Ferner kann bei der zweiten Regelung das vorgegebene Verhältnis der Reaktivgase zueinander unter Verwendung zumindest eines Messwertes einer Druckmessung und/oder einer Restgasanalyse geregelt werden.
Ferner kann bei der zweiten Regelung das vorgegebene Verhältnis der Reaktivgase zueinander als Regelgröße unter Verwendung des jeweiligen Flusses der mehreren Reaktivgase beim Zuführen in die Sputter-Prozesskammer als Stellgrößen gemäß einem Vorgabe-Verhältnis geregelt werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Sputteranordnung Folgendes aufweisen: eine Sputter-Prozesskammer mit mindestens einem Magnetron zum Beschichten eines Substrats innerhalb der Sputter-Prozesskammer unter Verwendung eines Plasmas; mindestens eine Gaszuführung; einen mit der mindestens einen Gaszuführung gekoppelten Regler zum geregelten Zuführen von mehreren Reaktivgasen und mindestens einem Arbeitsgas mittels der mindestens einen Gaszuführung in die Sputter-Prozesskammer, wobei der mit der mindestens einen Gaszuführung gekoppelte Regler einen ersten Regelkreis und einen zweiten Regelkreis aufweist, wobei der erste Regelkreis derart eingerichtet ist, dass eine Sputterleistung des mindestens einen Magnetrons als Regelgröße und ein Gesamtfluss der mehreren Reaktivgase als Stellgröße verwendet wird, wobei ein Verhältnis der mehreren Reaktivgase zueinander dem ersten Regelkreis vorgegeben ist, und wobei der zweite Regelkreis derart eingerichtet ist, dass das vorgegebene Verhältnis der Reaktivgase zueinander eine Regelgröße des zweiten Regelkreises ist.
Ferner kann die Sputteranordnung mindestens einen Generator aufweisen zum Bereitstellen einer Kathoden-Spannung an dem mindestens einen Magnetron und zum Bereitstellen eines elektrischen Stroms zwischen dem Magnetron und einer Anode.
Ferner kann die Sputteranordnung eine optische Spektrometeranordnung und/oder mindestens ein Massenspektrometer und/oder mindestens ein Druckmesser als Messglied in dem zweiten Regelkreis zum Messen des Verhältnisses der zugeführten Reaktivgase in der Sputter-Prozesskammer aufweisen.
Ferner kann die Sputteranordnung mehrere mit der Gaszuführung verbundene Massendurchflussregler und/oder Stellventile als Stellglieder für den jeweiligen Fluss der mehreren Reaktivgase in dem ersten Regelkreis und/oder in dem zweiten Regelkreis aufweisen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Verfahren zum geregelten reaktiven Sputtern Folgendes aufweisen: ein geregeltes Zuführen von mehreren Reaktivgasen und mindestens einem Arbeitsgas in eine Sputter-Prozesskammer, wobei die Reaktivgase in einem vorgegebenen Verhältnis zueinander der Sputter-Prozesskammer zugeführt werden, wobei das geregelte Zuführen eine Leistungsregelung aufweist, und wobei das vorgegebene Verhältnis der Reaktivgase während des Zuführens der Reaktivgase geregelt wird.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Prozessierbereich der Beschichtungsbereich sein, bzw. der Bereich sein, in welchem sich das von der Kathode gesputterte Material ausbreitet (z.B. in Richtung eines zu beschichtenden Substrats ausbreitet).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die erste Regelung (der erste Regelkreis) und die zweite Regelung (der zweite Regelkreis) miteinander gekoppelt sein, so dass beispielsweise der Gesamtfluss der Prozessgase und der jeweilige Zufluss der Prozessgase korreliert sein können oder werden können.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Regler in ein Stellglied und/oder in eine Messvorrichtung integriert sein.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
Es zeigen
1A und 1B jeweils eine Sputteranordnung und ein geregeltes reaktives Sputtern in einer schematischen Ansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
2A und 2B jeweils ein geregeltes Zuführen mehrerer Gases in eine Sputter-Prozesskammer für ein geregeltes reaktives Sputtern, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
2C und 2D ein geregeltes Zuführen eines Gases oder mehrerer Gase in verschiedene Bereiche einer Sputter-Prozesskammer für ein geregeltes reaktives Sputtern, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
3 eine Sputteranordnung und ein geregeltes reaktives Sputtern in einer schematischen Ansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen; und
4A und 4B jeweils eine Sputteranordnung und ein geregeltes reaktives Sputtern, gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die Teil dieser bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. In dieser Hinsicht wird Richtungsterminologie wie etwa „oben“, „unten“, „vorne“, „hinten“, „vorderes“, „hinteres“, usw. mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten von Ausführungsformen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
Im Rahmen dieser Beschreibung werden die Begriffe "verbunden", "angeschlossen" sowie "gekoppelt" verwendet zum Beschreiben sowohl einer direkten als auch einer indirekten Verbindung, eines direkten oder indirekten Anschlusses sowie einer direkten oder indirekten Kopplung. In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Sputteranordnung, wie hierin beschrieben, eine oder mehrere Vakuumkammern aufweisen, wobei mindestens eine der Vakuumkammern eine Sputter-Prozesskammer sein kann, beispielsweise kann die Sputteranordnung als eine sogenannte Batch-Beschichtungsanlage eingerichtet sein, in welcher Substrate nacheinander schubweise beschichtet werden können. Ferner kann die Sputteranordnung als eine sogenannte In-Line-Beschichtungsanlage eingerichtet sein, wobei ein Substrat (z.B. plattenförmige Substrate oder eine Vielzahl von plattenförmigen Substraten mittels Substrat-Carriern als sogenanntes Endlossubstrat) auf einem Transportsystem durch mehrere Vakuumkammern (oder Kompartments) hindurch geführt werden kann. Das Substrat kann mittels einer Schleusenkammer in die Sputteranordnung eingebracht und/oder aus der Sputteranordnung heraus gebracht werden. Ferner kann die Sputteranordnung als eine sogenannte Luft-zu-Luft (Air-to-Air) Beschichtungsanlage eingerichtet sein oder als eine Bandbeschichtungsanlage, wobei das Substrat beispielsweise von Rolle-zu-Rolle transportiert werden kann.
Eine Sputteranordnung zum Durchführen eines Kathodenzerstäubungsprozesses (Sputterprozesses) kann beispielsweise mindestens eine Vakuumkammer (z.B. eine Sputter-Kammer, eine Sputter-Prozesskammer, oder ein Kompartment) und mindestens eine Kathode (auch als Target bezeichnet) aufweisen, wobei während des Sputterprozesses Material (Targetmaterial) von der Kathode zerstäubt wird und wobei sich das zerstäubte Material in eine Richtung von der Kathode weg ausbreitet. Der Bereich an der Kathode, in dem sich das zerstäubte Material ausbreitet, kann als Prozessierbereich (oder Prozessbereich) bezeichnet werden. Ferner kann die Sputteranordnung eine Transportvorrichtung aufweisen, mittels derer ein Substrat durch die Vakuumkammer bzw. durch den Prozessierbereich hindurch oder zumindest in den Prozessierbereich hinein geführt werden kann, so dass zumindest ein Teil des Substrats in dem Prozessierbereich beschichtet werden kann. Anschaulich kann sich beispielsweise der Prozessierbereich zwischen mindestens einem Target und mindestens einem zu beschichtenden Substrat in der Vakuumkammer erstrecken.
Während eines Kathodenzerstäubungsprozesses kann in dem Prozessierbereich ein Plasma bereitgestellt sein oder werden, z.B. indem mittels der Kathode ein elektrisches Feld bereitgestellt wird, wobei sich das bereitgestellte elektrische Feld zumindest teilweise in den Prozessierbereich hinein erstreckt. Mittels des Plasmas kann das Target zerstäubt werden (aufgrund des Ionenbeschusses des Targets mit den im Plasma gebildeten Ionen des Prozessgases).
Beim Magnetronsputtern (einem magnetfeldunterstützten Kathodenzerstäubungsprozess) wird die Plasmabildung mittels eines Magnetsystems (oder mittels einer Magnetanordnung) unterstützt, wobei das Magnetsystem derart angeordnet sein kann oder werden kann, dass sich ein mittels des Magnetsystems erzeugtes Magnetfeld zumindest teilweise in den Prozessierbereich erstreckt. Aufgrund einer Überlagerung des bereitgestellten elektrischen Feldes mit dem erzeugten Magnetfeld wird das Bewegen von Elektronen in dem Prozessierbereich derart verändert (z.B. aufgrund der wirkenden Lorentzkraft und einer Driftbewegung der Elektronen), dass die Ionisationsrate des plasmabildenden Gases und damit die Plasmadichte des gebildeten Plasmas erhöht wird. Somit kann beispielsweise der benötigte Druck des plasmabildenden Gases zum Bereitstellen einer vordefinierten Ionisationsrate verringert werden (verglichen mit einem Sputtern ohne Magnetsystem).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Magnetsystem an (in der Nähe) oder über der dem Prozessierbereich abgewandten Oberfläche des Targets (Targetoberfläche) angeordnet sein. Dabei kann das Magnetsystem derart eingerichtet sein oder eine Vielzahl von Magneten kann räumlich derart angeordnet werden, dass im Prozessierbereich ein Ionisierbereich bereitgestellt wird, in welchem sich das Plasma bildet, z.B. kann sich das Plasma stationär ausbilden, wenn die Magnetanordnung stationär ist. Der Ionisierbereich kann auch als Plasmabereich und/oder Race-Track bezeichnet sein oder werden.
Mittels Anpassens des Magnetsystems kann eine vordefinierte Form und/oder Größe des Ionisierbereichs eingestellt werden und die Geometrie des in dem Ionisationsbereich erzeugten Plasmas beeinflusst werden. Beispielsweise können die Magnete der Magnetanordnung derart relativ zueinander angeordnet sein oder werden, dass ein länglicher (sich längs erstreckender) Ionisierbereich entsteht. Ein derartiger sich längs erstreckender Ionisierbereich kann beispielsweise eine Länge in einem Bereich von ungefähr mehreren Zentimetern bis ungefähr mehreren Metern aufweisen, z.B. in einem Bereich von ungefähr 1 m bis ungefähr 4 m. Dabei kann die Form des Ionisierbereichs mit der räumlichen Anordnung und/oder der Lage (bezogen auf die Magnetpole) der Magnete des Magnetsystems korrelieren.
Beim Zerstäuben des Targets bzw. der Targetoberfläche kann der Materialabtrag von der relativen Anordnung des Targets zu dem Ionisierbereich abhängen. Um einen gleichmäßigen Materialabtrag des Targetmaterials zu erreichen, kann beispielsweise die Targetoberfläche relativ zu dem Magnetsystem und dem Ionisierbereich bewegt werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Target rohrförmig sein, wobei das Magnetsystem beispielsweise innerhalb des rohrförmigen Targets (Targetrohr oder Rohrkathode) angeordnet sein kann, und das Targetrohr kann beispielsweise um die Achse des Targetrohrs rotiert werden. Ein Magnetron mit einem rohrförmigen Target oder mit mehreren (z.B. zwei) rohrförmigen Targets wird auch als Rohrmagnetron (z.B. Doppelrohrmagnetron) bezeichnet.
Dabei kann der sich längs erstreckende Ionisierbereich an und/oder über der äußeren Mantelfläche des Targetrohrs im Wesentlichen parallel zur Achse des Targetrohrs verlaufen.
Ferner kann das Target eine ebene (sogenannte planare) Targetoberfläche aufweisen, wobei der Ionisierbereich derart eingerichtet sein kann, dass eine möglichst effiziente Materialausnutzung und/oder eine möglichst homogene bzw. zum Beschichten eines Substrats geeignete räumliche Verteilung des Plasmas entsteht.
Das Magnetsystem kann ferner derart eingerichtet sein oder werden, dass mittels des Magnetsystems ein sich längs erstreckender Ionisierbereich gebildet wird, beispielsweise können mehrere Magnete entsprechend in einer Linie angeordnet sein, wobei zusätzliche Magnete des Magnetsystems derart angeordnet sein können oder werden können, dass mehrere (z.B. zwei) sich längs erstreckende Ionisierbereiche miteinander verbunden werden. Beispielsweise kann das Magnetsystem derart eingerichtet sein oder werden, dass der Ionisierbereich entlang einer geschlossenen Bahn oder entlang mehrerer geschlossener Bahnen verläuft bzw. dass eine gebildete Plasmabahn geschlossen ist. Derartige Bahnen des Ionisierbereichs oder des Plasmas können ringförmig, kreisförmig, C-förmig, U-förmig sein, oder jede andere Form aufweisen. Beispielsweise kann das Magnetsystem derart eingerichtet sein oder werden, dass der Ionisierbereich (in dem das Plasma mit den Ionen des Arbeitsgases und Elektronen erzeugt werden kann) entlang eines mehrseitigen Vielecks (z.B. einem Dreieck, Viereck, Fünfeck, Sechseck, usw.) verläuft, welches beispielsweise abgerundete Ecken aufweisen kann. Eine geschlossene Bahn für den Ionisierbereich oder eine geschlossene Bahn des Plasmas kann als Race-Track bezeichnet werden, entlang dessen anschaulich die Elektronen des Plasmas driften können (Driftbewegung).
In einer Ausführungsform kann der Race-Track zwei lineare Bereiche aufweisen, die an ihren Enden jeweils mittels eines gekrümmten Bereichs miteinander verbunden sind. Dabei kann das Magnetsystem derart eingerichtet sein, dass die linearen Bereiche des Race-Tracks parallel zueinander verlaufen. Bei einer derartigen Anordnung des Magnetsystems kann ein veränderter Materialabtrag in zwei gegenüberliegenden Bereichen jeweils am Übergang vom gekrümmten zum linearen Verlauf des Race-Tracks auftreten (auch als Cross-Corner-Effekt (CCE) bezeichnet). Aufgrund des CCE kann beispielsweise in diesen von dem CCE betroffenen Bereichen ein Materialabtrag vom Target erhöht sein, was den Beschichtungsprozess beeinflussen kann, z.B. kann eine auf einem Substrat abgeschiedene Schicht ein Schichtdickenprofil (oder Schichteigenschaftsprofil) aufweisen, welches den CCE abbildet.
Im Allgemeinen können Magnetron-Sputteranordnungen in einer Vielzahl von verschiedenen Betriebsarten betrieben werden, z.B. im sogenannten DC-Modus (Gleichspannungs-Sputtern), im AC-Modus (Wechselspannungs-Sputtern, wie beispielsweise MF-Sputtern oder HF-Sputtern), im gepulsten Modus (Hochenergieimpulsmagnetronsputtern), unipolar oder bipolar gepulste Entladung, sowohl mit einer Elektrode als auch mit mehreren Elektroden (Kathoden und/oder Anoden). Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Target oder das Targetmaterial auch als Kathode bezeichnet werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können in der Vakuumkammer mehrere Targets gleichzeitig zum Beschichten verwendet werden, beispielsweise zwei, drei oder mehr Targets, wobei sich die mehreren Targets gegenseitig beeinflussen können und zu einer ungleichmäßigen Ionisation oder ungleichmäßigen Verteilung der Ionisationsrate im Prozessierbereich führen (auch als Cross-Magnetron-Effekt (CME) bezeichnet).
Ein inhomogener Materialabtrag entlang eines linear ausgedehnten Ionisierbereichs, wie er z.B. beim CCE oder CME auftreten kann, kann zu einer ungleichmäßig abgeschiedenen Schicht mit ungleichmäßigen Schichteigenschaften führen. Beispielsweise kann der CCE oder der CME zu einem erhöhten Materialabtrag (also eine vom Bereich des Racetracks abhängige Beschichtungsrate) führen, welcher nicht oder nur unzureichend mittels einer Bewegung des Substrats ausgeglichen werden kann.
In einem Sputterprozess kann ein Arbeitsgas verwendet werden, z.B. ein Edelgas, z.B. Ar, wobei das Plasma des Arbeitsgases im Wesentlichen das Zerstäuben der Kathode verursacht. Bei einem reaktiven Sputterprozess kann ferner zusätzlich zum Arbeitsgas ein Reaktivgas dem Prozessierbereich zugeführt werden, wobei das Arbeitsgas und das Reaktivgas ein Prozessgas bilden, wobei das Reaktivgas mittels einer chemischen Reaktion in die abgeschiedene Schicht eingebaut werden kann, z.B. kann ein Metall oder Halbmetall mittels des Arbeitsgases gesputtert werden und mittels eines zugeführten Reaktivgases kann eine Metallverbindung oder Halbmetallverbindung in dem Beschichtungsbereich auf einem Substrat abgeschieden werden, z.B. ein Metalloxid oder Halbmetalloxid mit Sauerstoff als Reaktivgas, ein Metallnitrid oder Halbmetallnitrid mit Stickstoff als Reaktivgas, ein Metalloxinitrid oder Halbmetalloxinitrid mit Sauerstoff und Stickstoff als Reaktivgas oder eine andere Metallverbindung oder Halbmetallverbindung mit einem anderen Reaktivgas.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Prozessgas derart dem Prozessierbereich zugeführt werden, dass die räumliche Dichteverteilung des Prozessgases den CCE oder den CME ausgleicht. Eine Möglichkeit besteht beispielsweise darin, die Verteilung, das Strömungsfeld, Konzentrationsfeld, und/oder die chemische Zusammensetzung des Prozessgases (und/oder des Arbeitsgases) im Prozessierbereich zu kontrollieren und an die entsprechenden Bedingungen anzupassen, so dass eine auf dem Substrat abgeschiedene Schicht ein möglichst gleichmäßiges Schichteigenschaftsprofil aufweist.
Beispielsweise können entlang des Race-Tracks eine oder mehrere Gaszuführungen (oder Gasführungen) angeordnet sein oder werden, mittels derer eine Verteilung des Prozessgases in dem Prozessierbereich verändert bzw. angepasst werden kann. Ferner kann die chemische Zusammensetzung des Prozessgases, welches jeweils mit einer entsprechenden Gaszuführung geregelt eingeleitet werden kann, beispielsweise mittels eines Massenflussreglers, mittels eines Stellventils oder mittels mehrerer Stellventile (oder Ähnlichem) angepasst oder verändert werden. Mit anderen Worten kann beim Einleiten des Prozessgases in den Prozessierbereich der Fluss des Prozessgases oder jeweils der Fluss der einzelnen Bestandteile des Prozessgases verändert bzw. angepasst werden. Dabei kann die Gaszuführung der Gase des Prozessgases durch die Gaszuführungen hindurch getrennt voneinander oder gemeinsam erfolgen. Ferner kann das Zuführen des Prozessgases oder jeweils der Bestandteile des Prozessgases geregelt oder gesteuert erfolgen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können weitere Gaszuführungen entlang des Ionisierbereichs angeordnet sein oder werden, mit deren Hilfe zusätzliches Reaktivgas und/oder Arbeitsgas eingeleitet werden können, um die chemische Zusammensetzung und/oder Ausdehnung des Plasmas, die Sputterrate und/oder die Beschichtungsrate anzupassen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Plasmaeigenschaften (z.B. die chemische Zusammensetzung des Plasmas, die Plasmadichte, die Temperatur des Plasmas oder Ähnliches) im gesamten Prozessierbereich oder jeweils in verschiedenen Bereichen des Prozessierbereichs ermittelt oder analysiert werden, wobei dies bei der Steuerung oder Regelung der Gaszuführungen berücksichtigt werden kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können Plasmaeigenschaften beispielsweise mittels Spektroskopie (z.B. optischer Emissionsspektroskopie (OES)) ermittelt werden, z.B. basierend auf einer Analyse von Emissionslinien und/oder Absorptionslinien des Plasmas (von Atomen und/oder Molekülen im Plasma). Dazu können beispielsweise ein oder mehrere optische Sensoren (z.B. Spektrometer, z.B. aufweisend einen Kollimator oder ein optisches Element, beispielsweise eine Linse oder ein Spiegel) verwendet werden. Der optische Sensor oder die mehreren optischen Sensoren können relativ zu dem Prozessierbereich derart angeordnet und/oder ausgerichtet sein oder werden, dass Plasmaeigenschaften in einem Bereich des Plasmas oder in verschiedenen Bereichen des Plasmas ermittelt werden können, und somit bei der Steuerung oder Regelung der Gaszuführungen berücksichtigt werden können.
Ferner können ermittelte Spektren, Intensitäten von Emissionslinien oder Messwerte (z.B. Partialdruckmesswerte) verschiedener Gase auch in ein Verhältnis zueinander gesetzt werden, z.B. um systematische Messfehler auszugleichen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Substrat bezüglich des Targets bewegt werden. Beispielsweise kann das Substrat senkrecht zu dem linear verlaufenden Bereich des Race-Tracks bewegt werden, oder bezüglich des Targets in eine Rotation versetzt werden.
Ferner kann das reaktive Sputtern, z.B. von einer Großkathode mit einer räumlichen Ausdehnung von mehr als einem Meter, schwierig sein und/oder es können weitere zu berücksichtigende Aspekte auftreten. Die Kosten für ein metallisches Target können beispielsweise deutlich geringer sein (z.B. 33% bis 50%) als ein vergleichbares keramisches Target. Ferner kann auch die Sputterrate eines metallischen Targets (z.B. Al) größer sein, als von einem entsprechenden keramischen Target (Al₂O₃ oder AlO_xN_y).
Ferner können sich während eines reaktiven Sputter-Prozesses zumindest Bestandteile eines zugeführten Reaktivgases oder das zugeführte Reaktivgas in mindestens einem Bereich des Targets (z.B. auf der Targetoberfläche) anlagern. Dadurch kann die Targetoberfläche beispielsweise verändert (z.B. oxidiert) werden, wobei diese veränderten Bereiche in dem Zerstäubungsprozess wieder zerstäubt werden können. Die Zerstäubungsrate der veränderten Bereiche kann beispielsweise abhängig von den Plasmaeigenschaften und/oder den Materialeigenschaften des Materials in dem veränderten Bereich sein. Das Bilden der veränderten Bereiche kann beispielsweise vom Partialdruck des Reaktivgases abhängig sein, wobei der Partialdruck beispielsweise durch den Zufluss an Reaktivgas geregelt oder eingestellt werden kann.
Aufgrund einer chemischen Reaktion des Reaktivgases mit dem zerstäubten Material und/oder mit dem auf dem Substrat abgeschiedenen Material kann sich der Partialdruck des Reaktivgases mit zunehmendem Materialabtrag auch bei konstantem Zufluss an Reaktivgas reduzieren. Bei einem oberen kritischen Zufluss (OKZ) an Reaktivgas übersteigt das Bilden der veränderten Bereiche (die Erzeugungsrate) die Zerstäubungsrate. Im Falle eines oxidischen Prozesses kippt (aufgrund der verschiedenen Sputterrate eines Metalls und eines Oxids) der Sputterprozess oberhalb des OKZ in den sogenannten oxidischen Modus. Um wieder in den metallischen Modus zu gelangen, muss ein unterer kritischer Zufluss (UKZ) an Reaktivgas unterschritten werden. Der Bereich zwischen dem UKZ und dem OKZ kann auch Übergangsbereich zwischen dem metallischen Modus und dem oxidischen Modus genannt werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können es die Anforderungen an die Schichteigenschaften der abzuscheidenden Schicht bzw. die Anforderungen an die Beschichtungsraten (Abscheiderate) erfordern, dass der Sputterprozess im Übergangsbereich zwischen dem metallischen Modus und dem oxidischen Modus betrieben wird (oder in einem anderen Übergangsbereich zwischen einem metallischen Modus und einem isolierenden Modus), so dass dieser a priori instabile Prozessbereich (Übergangsbereich) mittels einer Regelung stabilisiert werden soll. Dabei kann man zwischen Kurzzeitstabilität (das Verhindern eines kurzzeitigen Wegkippens des Arbeitspunktes aufgrund des a priori instabilen Übergangsbereich) und Langzeitstabilität (dem Ausgleichen einer langsamen Drift des Arbeitspunktes, z.B. wenn das Target abbrennt) unterscheiden, sowie beispielsweise zwischen dem Ausregeln einer Querverteilung (z.B. zum Ausgleichen des CCE oder CME oder anderer störender Effekte). Diese Stabilität des Prozess kann für eine Produktion notwendig sein. Für die Querverteilungsregelung (Prozessgasverteilung quer zur Substrattransportrichtung) kann ein Abgleich von Emissionslinienintensitäten des Plasmas über die Längserstreckung des Targets erfolgen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen werden ein reaktives Sputterverfahren und eine Sputteranordnung bereitgestellt, welche (z.B. für die Kurzzeitstabilität) eine eindeutige Regelung der Entladungsleistung (des Stroms zwischen Kathode und einer Anode) bei konstanter Spannung mit der Stellgröße des Flusses (Gesamtfluss) mehrerer Reaktivgase ermöglicht. Dabei wird beispielsweise ein Flussverhältnis der mehreren Reaktivgase zueinander vorgegeben.
Das Mischungsverhältnis (Flussverhältnis) selbst kann ferner Auswirkungen auf den Betriebspunkt und damit auf die Schichteigenschaften einer mit der Sputteranordnung in diesem Betriebspunkt abgeschiedenen Schicht haben, weshalb das Mischungsverhältnis selbst geregelt wird. Der Sollwert (die Führungsgröße) des Mischungsverhältnisses der Reaktivgase und somit jeweils die einzustellenden Flüsse der mehreren Reaktivgase kann basierend auf optischer Emissionsspektroskopie ermittelt werden. Dazu können verschiedene Daten (von den entsprechenden Emissionslinien) mathematisch miteinander verknüpft werden (beispielsweise kann ein Quotient gebildet werden). Die Emissionslinien oder Daten können von den Reaktivgasen selbst stammen und/oder vom Arbeitsgas (Inertgas), da die Zugabe von Reaktivgas unmittelbare Auswirkungen auf die Emissionen des Arbeitsgases haben kann (z.B. können reine Stickstofflinien nur sehr schwierig beobachtet werden, eher Molekülbanden, dagegen kann die Zugabe von Stickstoff zum Prozessgas unmittelbare Auswirkungen auf metastabile Zustände des Argons haben, welche optisch analysiert werden können). Ebenso können Emissionslinien eines Materials aus dem Target verwendet werden. Dabei kann das Mischungsverhältnis im Prozessierbereich ortsaufgelöst ermittelt werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine optische Messanordnung E, wie hierin beschrieben, ein oder mehrere optische Spektrometer E oder Atomspektrometer E oder optische Emissionsspektrometer E aufweisen, wobei mittels der optischen Messanordnung E Plasmaeigenschaften des in der Sputter-Prozesskammer 102 erzeugten Plasmas 106 ermittelt werden können. Die Plasmaeigenschaften können beispielsweise unter Verwendung (Messung, Analyse, Auswertung) einer Emission 106e ermittelt werden. Anhand der ermittelten Plasmaeigenschaften kann jeweils der Fluss F1, F2 der Reaktivgase in die Sputter-Prozesskammer 102 hinein angepasst werden, z.B. in dem zweiten Regelkreis R2 oder in der zweiten Regelung R2. Der zweite Regelkreis R2 kann mit dem ersten Regelkreis R1 gekoppelt sein, bzw. die Regelkreise R1, R2 können ineinander greifen.
Alternativ kann das Mischungsverhältnis der Reaktivgase basierend auf der Messung des Partialdrucks der einzelnen Reaktivgase (z.B. Sauerstoff und/oder Stickstoff) (Lambda-Sonde) erfolgen sowie unter Verwendung des Gesamtdrucks, oder basierend auf der Messung der Partialdrücke der einzelnen Reaktivgase mit einem RGA (Restgasanalysator, engl. Residual gas analyzer, bzw. Massensprektrometer). Dabei kann das Mischungsverhältnis nur bedingt im Prozessierbereich ortsaufgelöst ermittelt werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Regelung der Langzeitstabilität, beispielsweise ein Driften des Arbeitspunktes über die Targetlebensdauer, mittels Nachregelns des Führungswerts (Sollwert oder Setpoint) der Kurzzeitregelung realisiert werden, beispielsweise um den geänderten Plasmaanregungsbedingungen Rechnung zu tragen. Dazu können beispielsweise in situ Schichteigenschaften gemessen werden oder optische Emissionsspektren (OES) ausgewertet werden. Für die kurzzeitstabile und langzeitstabile Regelung können mehrere Prozessparameter geregelt werden, wobei beispielsweise einer selbst gestellt werden kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann mittels optischer Emissionsspektroskopie ermittelt werden, wie der Vorgabewert für die Spannung über die Targetlebensdauer verändert werden muss, um konstante Schichteigenschaften zu realisieren. Anschaulich kann der Generator mit einem vorgegebenen Spannungsverlauf betrieben werden, wobei die Spannung allerdings verglichen mit der Regelung der Kurzzeitstabilität als konstant anzusehen ist, wobei als Regelgröße für die Kurzzeitstabilität die jeweils aktuelle Gesamtleistung verwendet werden kann mit dem Gesamtreaktivgasfluss der mehreren Reaktivgase als Stellgröße.
Anschaulich kann die Kurzzeitstabilität (im Zeitbereich von kleiner als einer Sekunde oder kleiner als einer Minute) mittels eines ersten Regelkreises oder mittels einer ersten Regelung geregelt werden, z.B. bei konstanter Generatorspannung, wobei die Generatorspannung zum Erreichen einer Langzeitstabilität (im Zeitbereich von beispielsweise einer Stunde oder bis zu mehreren Tagen) nachgestellt oder nachgeregelt werden kann.
Anschaulich gesehen kann die hierin gemäß verschiedenen Ausführungsformen beschriebene Regelung verwendet werden, wenn eine herkömmliche Regelung mittels der Generatorgrößen ohne Berücksichtigung des Mischungsverhältnisses der Reaktivgase nicht oder nur unzureichend funktioniert, beispielsweise wenn die U-I-Kennlinien für mehrere Reaktivgase nicht eindeutig sind. Anschaulich gesehen kann die hierin gemäß verschiedenen Ausführungsformen beschriebene Regelung verwendet werden, wenn mehr als ein Reaktivgas am reaktiven Sputterprozess beteiligt ist, da bei einer Mischung von mehreren Reaktivgasen nicht unterschieden werden kann, durch welchen Anteil der Reaktivgase die Brennspannung bei gegebener Leistung definiert wird.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Leistung (als Geratorgröße basierend auf der Spannung und dem Stromfluss zwischen der Kathode und einer Anode) des Magnetrons als Regelgröße verwendet werden, wobei der Gesamtreaktivgasfluss mehrerer Reaktivgase die entsprechende Stellgröße der Leistungsregelung (Impedanzregelung) sein kann. Als Gesamtreaktivgasfluss kann die Summe der einzelnen Flüsse der Reaktivgase in die Sputter-Prozesskammer oder den Prozessierbereich der Sputter-Prozesskammer hinein verstanden werden. Ferner kann beispielsweise zum Erreichen der Langzeitstabilität, des gewünschten Betriebspunktes und/oder zum Einstellen der gewünschten Querverteilung mindestens ein Emissionsspektrum (oder mehrere Emissionsspektren) ermittelt werden, anhand dessen (derer) der Führungswert (oder die Führungswerte) für das Mischungsverhältnis der mehreren Reaktivgase (also die jeweiligen einzelnen Flüsse der Reaktivgase, welche den Gesamtfluss ergeben) angepasst, nachgestellt oder nachgeregelt werden kann, z.B. mittels einer zusätzlichen Regelung zu der Leistungsregelung.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Leistungsregelung unabhängig von einer Änderung eines Trimmschemas (unabhängig von der räumlichen Prozessgasverteilung in dem Prozessierbereich oder in der Sputter-Prozesskammer) sein, wobei bei der Regelung des Mischungsverhältnisses der Reaktivgase und/oder bei einer Regelung des Zuführens der mehreren Reaktivgase in verschiedene Bereiche des Prozessierbereichs (ein Trimmen) die räumlichen Prozessgasverteilung in dem Prozessierbereich berücksichtigt werden kann, beispielsweise basierend auf den optischem Messungen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können entlang des Targets oder entlang des Beschichtungsbereichs mehrere Kollimatoren und ein oder mehrere Spektrometer verteilt sein, wobei basierend auf zumindest einem ermittelten Spektrum der Führungswert des Mischungsverhältnisses der mehreren Reaktivgase ermittelt oder definiert werden kann, und wobei die anderen Kollimatoren und Spektrometer dazu dienen können, eine Aufteilung des Reaktivgasgesamtflusses auf mehrere Gaszuführungen zum Einstellen der Querverteilung zu regeln. Mit anderen Worten kann die Kurzzeitstabilität über das Stellen des Reaktivgasgesamtflusses (die Summe der jeweiligen Flüsse der mehrerer Reaktivgase) zur Leistungsregelung gemäß einem Sollwert für den Leistung realisiert sein oder werden, die Langzeitstabilität über das Nachführen des Sollwerts des Leistungsregelung und/oder die Querverteilung über das Verteilen des Reaktivgasgesamtflusses auf mehrere Gaszuführungen als Stellgröße mit der Regelgröße des OES-Spektrums.
1A veranschaulicht eine Sputteranordnung 100 sowie ein Regelungskonzept, gemäß verschiedenen Ausführungsformen, wobei die Sputteranordnung 100 eine Regelung R1, R2 aufweisen kann. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Sputteranordnung 100 eine Sputter-Prozesskammer 102 mit mindestens einer Kathode 104 aufweisen, wobei die Sputter-Prozesskammer 102 und die Kathode 104 derart eingerichtet sind, dass innerhalb der Sputter-Prozesskammer 102 ein Plasma 106 bereitgestellt werden kann, z.B. zum Beschichten eines Substrats 120 innerhalb der Sputter-Prozesskammer 102. Dabei kann die Kathode 104 mit einem Generator G und einer Anode 108 (welche beispielsweise ein positives elektrisches Potential bezüglich der Kathode aufweist 104) gekoppelt sein (z.B. elektrisch leitfähig verbunden sein). Mittels des Generators G kann an der Kathode 104 bzw. zwischen der Kathode 104 und der Anode 108 ein elektrisches Feld zum Erzeugen des Plasmas 106 bereitgestellt sein oder werden, gemäß einer Spannung U als eine Generatorgröße. Ferner kann die Sputteranordnung 100 mindestens eine Magnetanordnung (ein Magnetsystem) zum Magnetronsputtern aufweisen (nicht dargestellt). Ferner kann die Sputteranordnung 100 eine Vakuumpumpenanordnung aufweisen (nicht dargestellt), so dass innerhalb der Sputter-Prozesskammer 102 ein Vakuum bereitgestellt werden kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann mittels des Generators G an der Kathode 104 eine vordefinierte Spannung U bereitgestellt sein oder werden, wobei sich der Stromfluss I zwischen Kathode 104 und Anode 108 entsprechend dem Druck 110 in der Sputter-Prozesskammer 102 einstellt. Mit anderen Worten kann die Gesamtleistung (Produkt aus U und I) von dem Druck in der Sputter-Prozesskammer 102 abhängig sein. Dabei kann die Leistung lokal, bezogen auf verschiedene Bereiche der Kathode 104, unterschiedlich sein, beispielsweise in dem Fall, dass die Prozessgasverteilung entlang der Kathode variiert (bei lokalen Druckschwankungen).
Der Druck 110 in der Sputter-Prozesskammer 102 kann die Summe der jeweiligen Partialdrücke der Gase in der Sputter-Prozesskammer 102 sein, wobei sich der Druck 110 oder der Gesamtdruck 110 aus dem Partialdruck des Arbeitsgases oder den Partialdrücken der mehreren Arbeitsgase und/oder dem Partialdruck des Reaktivgases oder den Partialdrücken der mehreren Reaktivgase ergibt. Ferner können weitere Gase mit jeweils weiteren Partialdrücken zum Druck 110 in der Sputter-Prozesskammer 102 beitragen, z.B. Gase, welche beim Evakuieren der Sputter-Prozesskammer 102 in der Sputter-Prozesskammer 102 verbleiben, welche einen Hintergrunddruck bilden können. Anschaulich kann die Sputter-Prozesskammer 102 beispielsweise vor dem Zuführen des Prozessgases bis zu einem Druck 110 von weniger als 10^–6 mbar abgepumpt werden, so dass sich ein Hintergrunddruck (aus dem in der Sputter-Prozesskammer 102 verbleibenden Gasen, wie beispielsweise Wasserdampf) von weniger als 10^–6 mbar ergibt. Ferner können in dem Arbeitsgas oder in den Reaktivgasen Verunreinigungen (gasförmige Verunreinigungen oder Fremdgase) enthalten sein. Mittels Zuführens des Prozessgases oder der Prozessgase während des Sputterns kann der Druck 110 in einem Bereich von größer als 10^–5 mbar (oder 10^–4 mbar) liegen, so dass der Hintergrunddruck bzw. die Partialdrücke der gasförmigen Verunreinigungen in der Sputter-Prozesskammer 102 unwesentlich für den durchgeführten Beschichtungsprozess sein können.
Der Druck 110 und/oder die Partialdrücke der einzelnen Gase in der Sputter-Prozesskammer 102 kann/können beispielsweise mittels einem oder mehreren Druckmessgeräten und/oder mittels eines Massenspektrometers oder mittels mehrerer Massenspektrometer ermittelt werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Sputteranordnung 100 eine erste Regelung R1 und eine zweite Regelung R2 aufweisen, wobei die erste Regelung R1 unter Verwendung der Sputterleistung als Regelgröße und einem Gesamtfluss der mehreren Reaktivgase oder einem Gesamtfluss des Prozessgases als Stellgröße erfolgt, und wobei die zweite Regelung R2 das vorgegebene Verhältnis (z.B. F1 zu F2) der Reaktivgase zueinander während des Zuführens als Regelgröße aufweist. Die erste Regelung R1 und die zweite Regelung R2 können mittels eines gemeinsamen Reglers R erfolgen.
Da der Druck in der Prozesskammer mit dem Fluss F1, F2 (also beispielsweise mit dem Gesamtfluss F (F1 + F2) der Reaktivgase) beeinflusst werden kann, kann der Gesamtfluss F der Reaktivgase in die Sputter-Prozesskammer 102 hinein als Stellgröße für die Leistungsregelung R1 verwendet werden. Dabei kann der Generator derart eingerichtet sein, dass dieser die aktuelle Leistung als Ist-Größe für die erste Regelung R1 bereitstellt. Mit anderen Worten kann der Generator G einen Teil der Leistungsregelung umsetzen, z.B. als Messgerät für die Ist-Leistung. Der Sollwert der Leistung kann für ein vorgegebenes Mischungsverhältnis der Reaktivgase (z.B. F1/F2) vorgegeben sein und den Betriebspunkt der Sputteranordnung 100 definieren bzw. derart vorgegeben werden, dass ein gewünschter Betriebspunkt der Sputteranordnung 100 erreicht wird.
Ferner kann das Mischungsverhältnis der Reaktivgase (z.B. F1/F2) die Regelgröße der zweiten Regelung R2 sein, oder der Fluss eines ersten Reaktivgases F1 und der Fluss eines zweite Reaktivgases F2 in die Sputter-Prozesskammer 102 hinein kann die Regelgröße der zweiten Regelung R2 sein, wobei die Flüsse der Reaktivgase nicht unabhängig voneinander geregelt werden, dass der Gesamtfluss F = F1 + F2 die Stellgroße der ersten Regelung F1 ist.
Das Mischungsverhältnis der Reaktivgase F1, F2 als Regelgröße oder Stellgröße der zweiten Regelung kann unter Verwendung eines Spektrometers E oder einer Spektrometeranordnung E (als Messung) geregelt oder angepasst werden, wobei mittels der Spektrometeranordnung E Plasmaeigenschaften des Plasmas 106 ermittelt werden können. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Sollwert für das Mischungsverhältnis der Reaktivgase als Sollwert für eine Emission 106 des Plasmas 106 bereitgestellt sein oder werden. Mit anderen Worten kann das Mischungsverhältnis der Reaktivgase (also der Relation der Flüsse F1, F2 der mehreren Reaktivgase) mit dem Plasmaeigenschaften korreliert sein, und die Plasmaeigenschaften mit der Emission 106e des Plasmas, und damit können das Mischungsverhältnis, die Plasmaeigenschaften und/oder die Emission des Plasmas als Führungsgröße und/oder Regelgröße für zweite Regelung R2 verwendet werden.
Anschaulich kann das Mischungsverhältnis der mehreren Reaktivgase auch basierend auf einer optischen Messung geregelt werden, wobei beispielsweise ein Vorgabe-Emission des Plasmas als Führungsgröße und die Emission des Plasmas als Regelgröße mit den Flüssen der Reaktivgase als von der ersten Regelung abhängige Stellgröße verwendet werden können.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Sputteranordnung 100 ein Massenflussregler S oder eine Ventilanordnung S als Stellglied S der ersten Regelung R1 und der zweiten Regelung R2 aufweisen. Mit anderen Worten können die Regelungen ein gemeinsames Stellglied S aufweisen, zum Einstellen der einzelnen Flüsse F1, F2 der Reaktivgase und somit auch zum Stellen des Gesamtflusses F der Reaktivgase. Dabei kann das Stellglied S mit mehreren Gasreservoirs oder Gasquellen verbunden sein, welche die mehreren Reaktivgase bereitstellen. Als Gasquelle kann beispielsweise ein Druckbehälter, eine Gasflasche, eine Druckgasflasche, ein Flüssiggasflasche oder eine andere geeignete Gasversorgung zum Bereitstellen des entsprechenden Gases dienen. Ferner können die mehreren Reaktivgase vor oder nach dem Einleiten in die Sputter-Prozesskammer 102 gemischt werden, wobei die zweite Regelung R2 das Mischungsverhältnis der mehreren Reaktivgase regelt und die erste Regelung den Fluss F des gemischten Prozessgases mit mehreren Reaktivgasen in die Sputter-Prozesskammer 102 hinein regelt.
Im Folgenden werden verschiedene Modifikationen und Konfigurationen der Sputteranordnung 100 und Details zu der Regelung R beschrieben, wobei sich die bezüglich der 1A beschriebenen grundlegenden Merkmale und Funktionsweisen analog einbeziehen lassen. Ferner können die nachfolgend beschriebenen Merkmale und Funktionsweisen analog auf die in der 1A beschriebene Sputteranordnung 100 übertragen werden oder mit der in der 1A beschriebenen Sputteranordnung 100 kombiniert werden.
Wie in 1B in einer schematischen Ansicht einer Sputteranordnung 100 und eines Regelungsschemas veranschaulicht ist, können mittels einer Druck-Messanordnung P oder mittels einer Partialdruckmessanordnung P die Partialdrücke der mehreren Reaktivgase in der Sputter-Prozesskammer 102 ermittelt werden, so dass die Partialdrücke und/oder das Partialdruckverhältnis der mehreren Reaktivgase in der zweiten Regelung R2 verwendet werden können, z.B. als Regelgröße der zweiten Regelung R2. Anschaulich kann somit das Mischungsverhältnis der mehreren Reaktivgase auch basierend auf einer Druckmessung geregelt werden, wobei beispielsweise ein Vorgabe-Druckverhältnis der Reaktivgase als Führungsgröße und das Druckverhältnis der Reaktivgase als Regelgröße mit den Flüssen der Reaktivgase als von der ersten Regelung abhängige Stellgröße verwendet werden können.
Der Fluss F1 des ersten Reaktivgases kann den Partialdruck P1 eines ersten Reaktivgases beeinflussen (z.B. Sauerstoff) und der Fluss F2 des zweiten Reaktivgases kann den Partialdruck P2 des zweiten Reaktivgases beeinflussen (z.B. Stickstoff), so dass mittels Anpassens der Flüsse F1, F2 der Reaktivgase ein Partialdruckverhältnis (z.B. P1/P2) der Reaktivgase geregelt oder eingestellt werden kann. Die Partialdrücke P1, P2 der Reaktivgase in der Sputter-Prozesskammer 102 können mittels des Stellglieds S verändert werden, wobei das Stellglied S mit dem ersten Regelkreis R1 (der Leistungsregelung) gekoppelt sein kann. Gemäß einem Vorgabe-Partialdruck für jedes der Reaktivgase als Sollwert und den Ist-Partialdrücken der mehreren Reaktivgase (der jeweils tatsächliche Partialdruck der Reaktivgase in der Sputter-Prozesskammer 102) als Regelgröße können die Flüsse F1, F2 der Reaktivgase in die Sputter-Prozesskammer 102 hinein mittels des Stellglieds S angepasst werden, so dass jeweils der Ist-Partialdruck der Reaktivgase in der Sputter-Prozesskammer 102 möglichst dem zugehörigen Sollwert entspricht oder dem Sollwert nahe kommt.
Das Stellglied S für die Flüsse F, F1, F2 der Reaktivgase in die Sputter-Prozesskammer 102 hinein kann ein Massenflussregler sein bzw. die Flüsse F, F1, F2 des mindestens einen Reaktivgases in die Sputter-Prozesskammer 102 hinein können mittels eines oder mehrere Ventile angepasst werden. Das mindestens eine Reaktivgas kann mittels mindestens einer Gaszuführung in die Sputter-Prozesskammer 102 eingelassen werden, vgl. beispielsweise 2C und 2D.
Der Reaktivgaspartialdruck in der Sputter-Prozesskammer 102 kann beispielsweise von Folgendem abhängig sein: dem Fluss F1, F2 der Reaktivgase in die Sputter-Prozesskammer 102 hinein, dem jeweiligen Reaktivgasverbrauch der Reaktivgase während des reaktiven Sputterns und/oder der Pumpleistung einer mit der Sputter-Prozesskammer 102 gekoppelten Vakuumpumpenanordnung zum Evakuieren der Sputter-Prozesskammer 102. Unter Verwendung des Mischungsverhältnisses der Reaktivgase in der zweiten Regelung kann der Betriebspunkt des Sputteranordnung 100 eindeutig definiert sein oder werden. Das Mischungsverhältnis der Reaktivgase kann beispielsweise außerhalb des Prozessierbereichs der Sputter-Prozesskammer 102 ermittelt werden, so dass das ermittelte Mischungsverhältnis der Reaktivgase unabhängig von den lokalen Plasmaeigenschaften des Plasmas oder unabhängig von einer lokalen Reaktivgasverteilung in dem Prozessierbereich der Sputter-Prozesskammer 102 ist. Das Mischungsverhältnis der Reaktivgase kann beispielsweise innerhalb der Vakuumpumpenanordnung ermittelt werden, bzw. in einem Abgaskanal der Vakuumpumpenanordnung.
Ferner kann das tatsächliche Mischungsverhältnis (das Ist-Mischungsverhältnis) der Reaktivgase auch mit einer räumlichen Korrelation in dem Prozessierbereich ermittelt werden und entsprechend mittels der Regelung R und mittels mehrerer Gaszuführungen räumlich in dem Prozessierbereich angepasst werden.
Ferner kann die Sputteranordnung 100, z.B. zusätzlich zu der Druckmessanordnung P, mindestens eine optische Messanordnung E aufweisen, wie vorangehend beschrieben.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann mittels der zweiten Regelung R2 oder mittels des zweiten Regelkreises R2 das Mischungsverhältnis der Reaktivgase geregelt, eingestellt oder definiert werden, wobei dann dieses Mischungsverhältnis von der ersten Regelung R1 (der Leistungsregelung) nicht beeinflusst wird. Anschaulich können die beiden Regelungen R1, R2 den Gesamtfluss F der Reaktivgase in die Sputter-Prozesskammer 102 hinein regeln, sowie die Anteile der Reaktivgase am Gesamtfluss (das Mischungsverhältnis). Anschaulich kann dabei die erste Regelung R1 die Kurzzeitstabilität des reaktiven Sputterprozesses realisieren, also das Anpassen des Reaktivgasgesamtflusses F entsprechend einer Vorgabe-Leistung (oder anderen Generatorgröße) als Sollwert und der Leistung (oder anderen Generatorgröße) als Regelgröße, so dass der reaktive Sputterprozess an dem entsprechenden Betriebspunkt durchgeführt werden kann, z.B. im sogenannten Übergangsbereich. Zum Bereitstellen einer schnellen Regelung R1 (z.B. im Sekunden-Bereich oder im Millisekunden-Bereich) kann das Stellglied S beispielsweise mindestens ein Piezoventil aufweisen. Die zweite Regelung R2 kann dagegen die Langzeitstabilität des reaktiven Sputterprozesses realisieren und/oder das Mischungsverhältnis der Reaktivgase als vorgegebene Größe in der ersten Regelung R1 bereitstellen, also das Anpassen der Reaktivgasflüsse F1, F2 im Verhältnis zueinander basierend auf einer optischen Messung E der Plasmaeigenschaften und/oder Druckmessungen P in der Sputter-Prozesskammer 102.
Es versteht sich, dass die hierin beschriebene Regelung für zwei Reaktivgase auch für mehr als zwei Reaktivgase verwendet und/oder angepasst werden kann, wobei jeweils der Fluss jedes der mehreren Reaktivgase und der Gesamtfluss der Reaktivgase angepasst (geregelt) werden kann. Ferner kann die Regelung R auch zum Anpassen des Flusses des Arbeitsgases verwendet werden.
Wie in 2A veranschaulicht ist, kann ein erstes Reaktivgas mittels einer ersten Reaktivgasquelle Q1 der Sputter-Prozesskammer 102 zugeführt werden, wobei das Zuführen mittels eines ersten Ventils V1 (oder eines ersten Massenflussreglers V1) gestellt werden kann. Das erste Ventil V1 kann mit dem ersten Regler R1 und mit dem zweiten Regler R2 gekoppelt sein oder ein Teil eines Reglers R sein. Das erste Ventil V1 kann mit dem Stellglied S gekoppelt sein oder ein Teil des Stellglieds S sein. Ferner kann ein zweites Reaktivgas mittels einer zweiten Reaktivgasquelle Q2 der Sputter-Prozesskammer 102 zugeführt werden, wobei das Zuführen mittels eines zweiten Ventils V2 (oder eines zweiten Massenflussreglers V2) gestellt werden kann. Das zweite Ventil V2 kann mit dem ersten Regler R1 und mit dem zweiten Regler R2 gekoppelt sein oder ein Teil eines Reglers R sein. Das zweite Ventil V2 kann mit dem Stellglied S gekoppelt sein oder ein Teil des Stellglieds S sein. Die Regelung R1, R2 kann derart erfolgen, wie bereits beschrieben. In analoger Weise kann auch ein weiteres Reaktivgas oder können auch mehrere weitere Reaktivgase in die Sputter-Prozesskammer 102 eingeleitet werden.
Wie in 2B veranschaulicht ist, können die mehreren Reaktivgase vor dem Zuführen in die Sputter-Prozesskammer 102 in einer Mischvorrichtung M gemischt werden. In diesem Fall können die mehreren Reaktivgase mittels einer gemeinsamen Gaszuführung in die Sputter-Prozesskammer 102 eingeleitet werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann jeweils der Gesamtzufluss F der mehreren Reaktivgase in die Sputter-Prozesskammer 102 hinein als Stellgröße in der ersten Regelung R1 verwendet werden und das Mischungsverhältnis der mehreren Reaktivgase kann in der zweiten Regelung R2 geregelt werden, wobei ferner der Gesamtfluss F der Reaktivgase auf mehrere Gaskanäle oder mehrere separate Gaszuführungen aufgeteilt werden kann und/oder wobei ferner das Mischungsverhältnis der Reaktivgase in den mehreren Gaskanälen oder in den mehreren Gaszuführungen verschieden sein kann. Somit kann beispielsweise ein Teil des gemischten Reaktivgases an verschiedenen Positionen in der Sputter-Prozesskammer 102 eingeleitet werden, wobei dennoch der Gesamtfluss in der ersten Regelung als Stellgröße für die Leistungsregelung verwendet werden kann und/oder die Prozessgaszusammensetzung lokal in dem Prozessierbereich angepasst werden kann.
Wie in 2C veranschaulicht ist, kann jedes der Prozessgase oder Reaktivgase mittels einer separaten Zuführungen Z1, Z2 verschiedenen Bereichen 114a, 114b des Prozessierbereichs in der Sputter-Prozesskammer 102 zugeführt werden, hier beispielsweise für das erste Reaktivgas aus der ersten Quelle Q1 dargestellt, welches durch zwei oder auch mehr als zwei Zuführungen Z1, Z2 (Gaszuführungen) in verschiedene Bereiche der Sputter-Prozesskammer 102 eingebracht werden kann, z.B. um den CCE, den CME und/oder andere lokale Prozessschwankungen auszugleichen. Dabei kann der Gesamtfluss F, welcher die Summe von dem ersten Fluss F1a des Reaktivgases durch die erste Zuführung Z1 und dem zweiten Fluss F1b des Reaktivgases durch die zweite Zuführung Z2 berücksichtigt als Stellgröße der ersten Regelung R1 verwendet werden. Das Aufteilen des Gesamtflusses F des Reaktivgases auf die mehreren Zuführungen Z1, Z2, z.B. mittels der mehreren Ventile V1a, V1b, kann mittels der zweiten Regelung R2 erfolgen, wie hierin beschrieben, z.B. basierend auf den ermittelten (z.B. lokalen) Plasmaeigenschaften.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Ventile V1a, V1b (oder V1, V2 wie vorangehend beschrieben) selbst das Stellglied der ersten Regelung R1 und/oder der zweiten Regelung R2 sein, oder jeweils ein Teil eines Stellglieds.
Wie in 2D veranschaulicht ist, können mehrere Reaktivgase oder Prozessgase aus mehreren Quellen Q1a, Q2a, Q1b, Q2b (z.B. wie dargestellt gemischt oder auch separat) mittels mehrerer Zuführungen Z1, Z2 verschiedenen Bereichen 114a, 114b des Prozessierbereichs der Sputter-Prozesskammer 102 zugeführt werden.
Dabei kann beispielsweise ein erstes Reaktivgas mittels der mehreren ersten Quellen Q1a, Q1b bereitgestellt werden und ein zweites Reaktivgas mittels der mehreren zweiten Quellen Q2a, Q2b bereitgestellt werden. Ferner können die ersten Quellen Q1a, Q1b auch miteinander verbunden sein oder eine gemeinsame erste Gasquelle Q1 sein. Ferner können die zweiten Quellen Q2a, Q2b auch miteinander verbunden sein oder eine gemeinsame zweite Gasquelle Q2 sein. Mit anderen Worten kann es notwendig sein, jeweils ein Reaktivgas aus mindestens einer Quelle bereitzustellen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Gesamtfluss des ersten Reaktivgases durch die mehreren Zuführungen Z1, Z2 und des zweiten Reaktivgases durch die mehreren Zuführungen Z1, Z2 die Regelgröße der Leistungsregelung R1 sein. Ferner können die einzelnen Flüsse F1a, F1b, F2a, F2b der mehreren Reaktivgase durch die mehreren Zuführungen Z1, Z2 und/oder jeweils das Mischungsverhältnis (F1a/F2a und F1b/F2b) der mehreren Reaktivgase in jeder der Zuführungen Z1, Z2 die Stellgröße oder Regelgröße der zweiten Regelung sein.
Die Regelung R kann mittels eines Stellglieds S oder mittels mehrerer Stellglieder Sa, Sb erfolgen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die mehreren Reaktivgase vor dem Zuführen in die Sputter-Prozesskammer 102 miteinander gemischt werden, z.B. in einem Gasmischer M. Anschaulich können die Flüsse F1a, F2a, und F1b, F2b jeweils gemischt werden und durch die entsprechende Zuführung Z1 und Z2 der Sputter-Prozesskammer 102 zugeführt werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können zwei oder mehr als zwei Reaktivgase auch mittels mehr als zwei Zuführungen der Sputter-Prozesskammer 102 zugeführt werden, z.B. mittels drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht, neun, zehn, oder mehr als zehn Zuführungen. Ferner können auch mehr als zwei Reaktivgase oder zwei Reaktivgase und mindestens ein Arbeitsgas wie hierin beschrieben der Sputter-Prozesskammer 102 geregelt zugeführt werden.
Es versteht sich, dass sich mehrere Kombinationsmöglichkeiten für das Zuführen und Regeln der Prozessgase unter Verwendung der hierin beschriebenen ersten Regelung R1 und zweiten Regelung R2 ergeben.
Die Regelung R1, R2 kann mittels sogenannter PID-(proportional-integral-derivative)-Regler erfolgen oder mittels anderer geeigneter Regler oder Regler-Anordnungen, z.B. computergestützt. Ferner kann der Regler oder kann die Regelung zumindest teilweise in andere Komponenten (z.B. in das Stellglied oder in die Prozessregelung für die gesamte Sputteranordnung 100) integriert sein.
3 veranschaulicht eine Sputteranordnung 100 mit einer Regelung R1, R2 für mindestens zwei Reaktivgase, die als Prozessgas oder Teil eines Prozessgases der Sputter-Prozesskammer 102 zugeführt werden, wobei das Prozessgas in verschiedene Bereiche der Sputter-Prozesskammer 102 mittels mehrerer Flüsse F3a, F3b F3c eingeleitet (eingebracht) wird. Wie vorangehend beschrieben können die mehreren Reaktivgase der Sputter-Prozesskammer 102 jeweils separat oder gemischt zugeführt werden. Somit kann beispielsweise in dem Prozessierbereich oder Plasmabereich eine räumliche Reaktivgasverteilung mittels der zweiten Regelung R2 angepasst, eingestellt und/oder geregelt werden, z.B. zum Ausgleichen des CCE oder CME. Dazu können mehrere Zuführungen oder mehrere separate Gaskanäle oder segmentierte Gaskanäle verwendet werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann mittels eines ersten Flusses F3a des Prozessgases ein erster Bereich 106a des Plasmas 106 beeinflusst werden, mittels eines zweiten Flusses F3b des Prozessgases ein zweiter Bereich 106b des Plasmas 106 und mittels eines dritten Flusses F3c ein dritter Bereich 106c des Plasmas 106. Dabei können die Plasmaeigenschaften des Plasmas 106 in dem ersten Bereich 106a mittels eines ersten Spektrometers E1 ermittelt werden, die Plasmaeigenschaften des Plasmas 106 in dem zweiten Bereich 106b mittels eines zweiten Spektrometers E2 und die Plasmaeigenschaften des Plasmas 106 in dem dritten Bereich 106c mittels eines dritten Spektrometers E3. Ferner kann eine Spektrometer-Anordnung verwendet werden, um die jeweiligen Plasmaeigenschaften des Plasmas 106 in den lokalen Bereichen 106a, 106b, 106c mittels der Emission 106e zu ermitteln. Dazu können beispielsweise einzelne Emissionslinien oder Teile des erfassten optischen Spektrums analysiert werden und basierend darauf kann mittels der zweiten Regelung R2 der jeweilige Fluss F3a, F3b, F3c des Prozessgases (mittels des Stellglieds S oder mittels mehrerer Stellglieder Sa, Sb) zum Beeinflussen des Plasmas 106 in den verschiedenen Bereichen 106a, 106b, 106c angepasst werden.
Das lokale Beeinflussen des Plasmas 106 bzw. das lokale Anpassen der Beschichtungsbedingungen in den verschiedenen Bereichen 106a, 106b, 106c kann dazu dienen, die Schichteigenschaften einer in dem Prozess abgeschiedenen Schicht zu optimieren, z.B. eine möglichst homogene Schichtdickenverteilung und/oder eine möglichst homogene chemische Zusammensetzung der Schicht zu erreichen.
Für die zweite Regelung R2 kann für jede Emission 106e ein Vorgabe-Wert definiert sein (anschaulich können die zu erzeugenden Plasmaeigenschaften vorgegeben sein), so dass aus dem ermittelten Emissionswert (welcher die Plasmaeigenschaften repräsentiert) unter Verwendung der Flüsse F3a, F3b, F3c als Stellgröße die Plasmaeigenschaften oder Beschichtungsbedingungen lokal geregelt, eingestellt oder angepasst werden können. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Gesamtfluss F als Summe der mehreren Prozessgasflüsse F3a, F3b, F3c als Stellgröße der Leistungsregelung R1 verwendet werden.
Es versteht sich, dass auch mehr als drei Bereiche des Plasmas 106 derart analysiert und angepasst werden können, z.B. vier, fünf, sechs, sieben, acht, neun, zehn, oder mehr als zehn Bereiche des Plasmas.
Ferner kann eine derartige Regelung R1, R2 auch für mehrere Plasmen (Race-Tracks) in der Sputter-Prozesskammer 102 durchgeführt werden, z.B. bei einem Doppelrohr-Magnetron oder beim Verwenden mehrerer Kathoden 104 in der Sputter-Prozesskammer 102.
4A zeigt einen schematischen Aufbau eine Sputteranordnung 100 und ein entsprechendes Regelungsschema, gemäß verschiedenen Ausführungsformen, wobei mittels eines ersten Regelkreises R1 (bzw. einer ersten Regelung R1) die Generatorleistung P_ist entsprechend einer vorgegebenen Soll-Leistung P_soll geregelt wird (basierend beispielsweise auf der zwischen der Kathode 104 und einer Anode 108 angelegten Spannung und dem entsprechend fließenden Strom), mit dem Gesamtfluss Σ der mehreren Reaktivgase (oder Prozessgase) als Stellgröße.
Mittels des zweiten Regelkreises R2 (der zweiten Regelung R2) kann das Flussverhältnis F1/F2 (bzw. das Mischungsverhältnis der Reaktivgase oder das Partialdruckverhältnis der Reaktivgase in der Sputter-Prozesskammer 102) der mindestens zwei Reaktivgase eingestellt, angepasst oder geregelt werden.
Dabei kann das Flussverhältnis F1/F2 der mindestens zwei Reaktivgase die Stellgröße der zweiten Regelung R2 sein, wobei die Regelgröße bzw. Führungsgröße beispielsweise auf Folgendem basieren kann: den Plasmaeigenschaften des Plasmas (lokal und/oder des gesamten Plasmas), welche basierend auf einer optischen Messung ermittelt werden können, dem Partialdruckverhältnis der Reaktivgase, welches basierend auf einer Druckmessung ermittelt werden kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann mittels des zweiten Regelkreises R2 ein Regel-Wert X bereitgestellt werden, welcher einen Anteil eines ersten Flusses F1 eines der mehreren Reaktivgase vorgibt und woraus sich somit der Anteil 1-X des zweiten Flusses F2 des verbleibenden Reaktivgases ergibt. Dabei kann der Gesamtfluss F mittels der ersten Regelung bereitgestellt sein oder werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Messung in dem zweiten Regelkreis R2 mittels eines Spektrometers E oder mittels mehrerer Spektrometer E1, E2 erfolgen, wobei eine Emission 106e des zu regelnden Plasmas 106 erfasst werden kann.
Anschaulich kann mittels der zweiten Regelung das Plasma 106 geregelt werden, so dass das Plasma 106 vorgegebene Plasmaeigenschaften aufweist. Das Bereitstellen eines vordefinierten Plasmas zum Abscheiden einer Schicht mit entsprechenden vorgegeben Schichteigenschaften kann dadurch erfolgen, dass die Sputteranordnung 100 in einen entsprechenden Betriebspunkt gebracht wird und/oder in einem entsprechenden Betriebspunkt gehalten wird. Der Betriebspunkt kann mittels der in der ersten Regelung R1 und in der zweiten Regelung R2 verwendeten Parameter, z.B. Leistung (Generatorgrößen) und Reaktivgasverhältnis bzw. Leistung und Mischungsverhältnis der Reaktivgase beim Einleiten in die Sputter-Prozesskammer 102, eindeutig definiert sein.
Wie in 4B veranschaulicht ist, kann beispielsweise ein Sauerstoff-Fluss F1 und ein Stickstoff-Fluss F2 in die Sputter-Prozesskammer 102 hinein mittels eines Stellglieds oder mittels mehrerer Stellglieder basierend auf der ersten und zweiten Regelung R1, R2 eingestellt werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann für jedes einzelne Reaktivgas eine Impedanzregelung bzw. eine Leistungsregelung möglich sein, so dass basierend auf einem Anpassen des Mischungsverhältnisses (oder Flussverhältnisses) die Impedanzregelung bzw. eine Leistungsregelung auch für mehrere Reaktivgase erfolgen kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Generator G der Sputteranordnung 100, wie beim Verwenden eines Reaktivgases spannungsgeregelt, stromgeregelt oder leistungsgeregelt betrieben werden. Ferner kann die Leistung des Generators (bzw. des Magnetrons) mittels der Zugabe von Reaktivgas geregelt werden, wenn der Generator spannungs- oder stromgeregelt gefahren wird. Dabei kann ein Flussverhältnis der Reaktivgase vorgegeben sein. Das Mischungsverhältnis (Flussverhältnis) kann Auswirkungen auf den Betriebspunkt oder Arbeitspunkt und damit auf die Schichteigenschaften einer abgeschiedenen Schicht haben, weshalb das Mischungsverhältnis selbst geregelt oder eingestellt werden kann. Die Ableitung zum Verhältnis der Reaktivgasflüsse kann aus optischer Emissionsspektroskopie gewonnen werden. Dazu können beispielsweise verschiedene Emissionslinien mathematisch miteinander verknüpft werden (im einfachsten Fall ein Quotient gebildet werden). Die Emissionslinien können vom Targetmaterial, von den Reaktivgasen selbst und/oder vom Arbeitsgas (Inertgas) stammen, da die Zugabe von Reaktivgas unmittelbare Auswirkungen auf die Emissionen des Arbeitsgases haben kann (z.B. werden reine Stickstofflinien nur sehr schwer beobachtet, eher Molekülbanden, wobei die Zugabe von Stickstoff zum Prozessgas aber unmittelbare Auswirkungen auf die metastabilen Zustände des Argons haben kann). Alternativ kann das Mischungsverhältnis basierend auf einer Messung des Partialdrucks des Sauerstoffs (Lambda-Sonde) und des Gesamtdrucks (Totaldrucks) ermittelt werden, oder mittels Messens der Partialdrücke der einzelnen Reaktivgase mit einem RGA.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein reaktiver Sputterprozess für AlO_xN_y (oder für MO_xN_y; M = Metall), wobei beispielsweise x und y größer als null sein können, in einem geregelten und stabilen Arbeitspunkt betrieben werden (z.B. basierend auf der ersten Regelung) und durch gezieltes Einstellen des Arbeitspunktes können die Eigenschaften der wachsenden Schicht optimiert werden (z.B. unter Verwendung der zweiten Regelung).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Arbeitsgas für den reaktiven Sputter-Prozess ebenfalls derart geregelt zugeführt werden, oder das Arbeitsgas kann mittels einer separaten Arbeitsgaszuführung in die Sputter-Prozesskammer 102 eingebracht werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Fluss des Prozessgases, des Reaktivgases oder des Arbeitsgases in einem Bereich von ungefähr einem Standardkubikzentimeter pro Minute (sccm) bis ungefähr einigen hundert Standardkubikzentimetern pro Minute liegen, oder beispielsweise in einem Bereich von weniger als ungefähr 1 sccm oder mehr als ungefähr 1000 sccm. Der hierin beschriebene Fluss eines Gases kann eine strömende Gasmenge (Teilchenzahl bzw. Gasmasse) pro Zeiteinheit beschreiben.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Verhältnis zweier oder mehrerer Gase zueinander beispielsweise als Masseverhältnis, Stoffmengenverhältnis, Partialdruckverhältnis und/oder Fluss-Verhältnis in die Sputter-Prozesskammer hinein verstanden werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Spektroskopie (Emissionsspektroskopie) des Plasmas derart erfolgen, dass das optische Spektrum der vom Plasma emittierten Strahlung ermittelt wird und eine oder mehrere Spektrallinien genutzt werden, um Eigenschaften des Plasmas zu ermitteln, z.B. die chemische Zusammensetzung des Plasmas (usw.). Dabei kann die Intensität der vom Plasma emittierten Strahlung wellenlängenspezifisch ermittelt oder gemessen werden, wobei das Ermitteln oder das Messen in vordefinierten Zeitabständen erfolgen kann. Ferner kann beim Messen eine zeitliche Mittelung der gemessenen Intensitäten verwendet werden, um kurzfristige Schwankungen in der Messung auszugleichen. Beispielsweise kann bei der Spektroskopie eine Bewegung (z.B. eine Rotation) der Kathode berücksichtigt werden. Beim Sputtern mittels eines Rohrmagnetrons kann die Rohrkathode beispielsweise langsam um deren Längsachse rotieren (z.B. weniger als zehn Umdrehungen pro Minute). Dabei können mittels der auf der Spektroskopie basierenden Regelung Lauftoleranzen (z.B. eine Abweichung vom idealen Rundlauf) ausgeglichen werden, da beispielsweise die Regelung mittels der Spektroskopie in Relation zur Rotationsgeschwindigkeit schnell genug erfolgen kann. Dagegen kann bei einer Rohrkathode, welche schnell um deren Längsachse rotiert (z.B. mit mehr als zehn Umdrehungen pro Minute), die Regelung an sich zu träge sein, um beispielsweise Lauftoleranzen auszugleichen. In diesem Fall kann beispielsweise das Messintervall der Spektroskopie-Messung derart vorgegeben sein, dass das Messintervall der Umlaufzeit der rotierenden Rohrkathode entspricht (z.B. ungefähr 6 s oder weniger als ungefähr 6 s) oder ein ganzzahliges Vielfaches der Umlaufzeit der rotierenden Rohrkathode ist, so dass die Messungen von der Rotation der Rohrkathode nicht oder nur unwesentlich beeinflusst werden. Ferner kann bei der Spektroskopie-Messung über einen Zeitraum gemittelt werden, wobei der Zeitraum der Umlaufzeit der rotierenden Rohrkathode entspricht oder ein ganzzahliges Vielfaches der Umlaufzeit der rotierenden Rohrkathode ist.

Claims

Verfahren zum geregelten reaktiven Sputtern, wobei das Verfahren aufweist: • ein geregeltes Zuführen von mehreren Reaktivgasen und mindestens einem Arbeitsgas in eine Sputter-Prozesskammer, wobei die mehreren Reaktivgase in einem vorgegebenen Verhältnis zueinander der Sputter-Prozesskammer zugeführt werden; • wobei das geregelte Zuführen eine erste Regelung und eine zweite Regelung aufweist, • wobei die erste Regelung unter Verwendung einer Sputterleistung als Regelgröße und einem Gesamtfluss der mehreren Reaktivgase als Stellgröße erfolgt, und • wobei die zweite Regelung das vorgegebene Verhältnis der Reaktivgase zueinander während des Zuführens als Regelgröße oder Stellgröße aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei für die erste Regelung eine Kathoden-Spannung vorgegeben ist und der Stromfluss mittels des Gesamtflusses der mehreren Reaktivgase als Stellgröße gemäß einem Vorgabe-Stromfluss als Führungsgröße geregelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei für die erste Regelung eine Kathoden-Spannung vorgegeben ist und der Stromfluss mittels des Gesamtflusses der mehreren Reaktivgase als Stellgröße gemäß einem Vorgabe-Gesamtfluss als Führungsgröße geregelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei die vorgegebene Kathoden-Spannung nachgeregelt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei bei der zweiten Regelung das vorgegebene Verhältnis der Reaktivgase zueinander unter Verwendung zumindest eines Messwertes einer Emissionsspektroskopie und/oder einer Massenspektrometrie geregelt oder eingestellt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei bei der zweiten Regelung das vorgegebene Verhältnis der Reaktivgase zueinander unter Verwendung zumindest eines Messwertes einer Druckmessung und/oder einer Restgasanalyse geregelt oder eingestellt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei bei der zweiten Regelung das vorgegebene Verhältnis der Reaktivgase zueinander unter Verwendung des jeweiligen Flusses der mehreren Reaktivgase beim Zuführen in die Sputter-Prozesskammer als Stellgrößen geregelt oder eingestellt wird.
Sputteranordnung (100) aufweisend: • eine Sputter-Prozesskammer (102) mit mindestens einem Magnetron zum Beschichten eines Substrats innerhalb der Sputter-Prozesskammer (102) unter Verwendung eines Plasmas (106); • eine Gaszuführung; • einen mit der Gaszuführung gekoppelten Regler (R) zum geregelten Zuführen von mehreren Reaktivgasen und mindestens einem Arbeitsgas mittels der Gaszuführung in die Sputter-Prozesskammer (102); • wobei der mit der Gaszuführung gekoppelte Regler einen ersten Regelkreis (R1) und einen zweiten Regelkreis (R2) aufweist; • wobei der erste Regelkreis (R1) derart eingerichtet ist, dass eine Sputterleistung des mindestens einen Magnetrons als Regelgröße und ein Gesamtfluss (F1 + F2) der mehreren Reaktivgase als Stellgröße verwendet wird, wobei ein Verhältnis (F1/F2) der mehreren Reaktivgase zueinander dem ersten Regelkreis (R1) vorgegeben ist; und • wobei der zweite Regelkreis (R2) derart eingerichtet ist, dass das vorgegebene Verhältnis (F1/F2) der Reaktivgase zueinander eine Regelgröße oder Stellgröße des zweiten Regelkreises (R2) ist.
Sputteranordnung gemäß Anspruch 8, ferner aufweisend: einen Generator (G) zum Bereitstellen einer Kathoden-Spannung an dem mindestens einen Magnetron und zum Bereitstellen eines elektrischen Stroms zwischen dem Magnetron (104) und einer Anode 108.
Sputteranordnung gemäß Anspruch 8 oder 9, ferner aufweisend: eine optische Spektrometeranordnung und/oder mindestens ein Massenspektrometer und/oder mindestens ein Druckmesser als Messglied in dem zweiten Regelkreis (R2) zum Ermitteln des Verhältnisses (F1/F2) der zugeführten Reaktivgase in der Sputter-Prozesskammer (102).
Sputteranordnung gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, ferner aufweisend: mehrere mit der Gaszuführung verbundene Massendurchflussregler oder Stellventile als Stellglieder für den jeweiligen Fluss der mehreren Reaktivgase in dem ersten Regelkreis (R1) und/oder in dem zweiten Regelkreis (R2).
Verfahren zum geregelten reaktiven Sputtern, wobei das Verfahren aufweist: • ein geregeltes Zuführen von mehreren Reaktivgasen und mindestens einem Arbeitsgas in eine Sputter-Prozesskammer, wobei die mehreren Reaktivgase in einem vorgegebenen Verhältnis zueinander der Sputter-Prozesskammer zugeführt werden; • wobei das geregelte Zuführen eine erste Regelung und eine zweite Regelung aufweist, • wobei die erste Regelung unter Verwendung einer Sputterleistung erfolgt, wobei ein Gesamtfluss der mehreren Reaktivgase in die Sputter-Prozesskammer hinein als Stellgröße verwendet wird, und • wobei mittels der zweiten Regelung das vorgegebene Verhältnis der Reaktivgase zueinander während des Zuführens angepasst wird.