DE102014103735A1 - Sputteranordnung und Verfahren zum geregelten reaktiven Sputtern - Google Patents

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Abstract

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Verfahren zum geregelten reaktiven Sputtern aufweisen: ein geregeltes Zuführen von mindestens einem Reaktivgas und mindestens einem Arbeitsgas in eine Sputter-Prozesskammer, wobei das geregelte Zuführen eine erste Regelung und eine zweite Regelung aufweist, wobei die erste Regelung unter Verwendung eines Partialdrucks des mindestens einen zugeführten Reaktivgases als Regelgröße durchgeführt wird, und wobei die zweite Regelung unter Verwendung einer Spektroskopie durchgeführt wird.

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 100 µm, können beispielsweise chemische Gasphasenabscheidungsprozesse oder physikalische Gasphasenabscheidungsprozesse genutzt werden, wie z.B. 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 oder Teile der Sputteranordnung in einen Betriebspunkt oder Betriebszustand gebracht und/oder in einem Betriebspunkt gehalten wird. Der Betriebspunkt kann die notwendigen Betriebsparameter der Sputteranordnung festlegen (z.B. eine Substrat-Transportgeschwindigkeit, eine Target-Rotationsgeschwindigkeit, Generatorgrößen, einen Gasdruck, Materialien, usw.), so dass eine entsprechende Schicht mit den jeweils gewünschten oder benötigten Eigenschaften oder den Eigenschaften nach einer Vorgabe (z.B. der spezifische elektrische 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 und/oder lokal in einem Bereich der Sputter-Prozesskammer durch ein geregeltes Zuführen 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, ein reaktives Sputter-Verfahren und eine entsprechende Sputter-Anordnung zum Herstellen (Abscheiden) von Metallverbindungen oder Halbmetallverbindungen bereit zu stellen, wobei 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. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn ein Metall oder Halbmetall beim reaktiven Sputtern mit mehreren Reaktivgasen chemisch reagiert oder beispielsweise für Materialien wie z.B. Indium-Zinnoxid (ITO).
  • Anschaulich wurde beispielsweise erkannt, dass eine Leistungs-Regelung des Generators nur dann geeignet zur Herstellung von Schichten mit den gewünschten Schichteigenschaften sein kann, wenn das Kennlinienfeld (z.B. Kennlinien bei unterschiedlichem Gasdruck) des Generators eindeutig einen Betriebspunkt repräsentiert. 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 jeweils ein Partialdruck des Reaktivgases oder der mehreren Reaktivgase und/oder des Arbeitsgases oder der mehreren Arbeitsgase bei einem reaktiven Sputterprozess geregelt werden kann, so dass beispielsweise mehrere Reaktivgase verwendet werden können, während der Betriebspunkt der Sputteranordnung eindeutig bestimmt ist.
  • Aufgrund der Regelung der Reaktivgaspartialdrücke (als Regelgröße) kann beispielsweise mittels der Sputter-Anordnung ein Beschichtungsprozess stabil betrieben werden, bei welchem der Betriebspunkt nicht eindeutig durch die Generatorgrößen (Arbeitspunkt des Generators, z.B. U und I) definiert ist. 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. ITO) 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 transparenten Oxiden mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit (sogenannte TCO-Schichten) kann es jedoch notwendig sein, den Sputterprozess in dem Übergangsbereich zwischen dem oxidischen Modus und dem metallischen Modus zu betreiben bzw. stabil zu halten, was eine Regelung (eine erste Regelung) erfordert.
  • Verschiedene Ausführungsformen basieren beispielsweise auf der Erkenntnis, dass, wenn eine globale Leistungsregelung oder Spannungsregelung ungeeignet ist, um Schichten mit den entsprechenden Schichteigenschaften abzuscheiden, der (globale) Partialdruck des Reaktivgases oder jeweils der mehreren Reaktivgase in der Sputter-Prozesskammer als Regelgröße verwendet werden kann und ein Vorgabe-Partialdruck (z.B. eine bestimmte Partialdruck Vorgabe) als Führungsgröße dient, wobei mittels des Flusses (des Massenflusses) des Reaktivgases oder der mehreren Reaktivgase jeweils der Partialdruck eingestellt wird, bzw. wobei der Fluss des Gases in die Sputter-Prozesskammer hinein als Stellgröße verwendet wird. Ferner kann eine weitere Regelung erfolgen, basierend auf einer optischen Messung der Plasmaeigenschaften während des Sputterprozesses, wobei die weitere Regelung in die Regelung (in die erste Regelung) 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 Target-globale Regelung ist, also sich auf globale Prozessparameter bezieht, wie beispielsweise der Gesamtdruck in der Sputter-Prozesskammer oder die Partialdrücke der Gase in der Sputter-Prozesskammer, und der zweite Regelkreis (oder die zweite Regelung) mindestens eine Target-lokale Regelung aufweist, wie beispielsweise eine räumliche Reaktivgasverteilung oder ein Strömungsfeld eines Reaktivgases in der Sputter-Prozesskammer. Die Regelungen können derart eingerichtet sein, dass die Target-globale Regelung nicht von der Target-lokalen Regelung gestört wird, beispielsweise kann die Target-globale Regelung die Gesamtleistung (des Generators bei vorgegebener Spannung) beeinflussen, wobei die Target-lokale Regelung keinen wesentlichen Einfluss auf die Gesamtleistung haben kann (die Target-lokale Regelung kann aber dazu führen, dass eine Leistungsdichte entlang der Kathode unterschiedlich ist und/oder eine räumliche Verteilung der Leistungsdichte beeinflusst werden kann).
  • Bei der Regelung wird der Ist-Wert der Regelgröße (z.B. basierend auf einem Messwert ermittelt) mit einem Führungswert (einem Sollwert oder einer Vorgabe) verglichen und entsprechend kann die Regelgröße mittels eines Stellglieds (unter Verwendung einer Stellgröße) 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 Sputter-Prozesskammer 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 mindestens einem Reaktivgas und mindestens einem Arbeitsgas in eine Sputter-Prozesskammer, wobei das geregelte Zuführen eine erste Regelung und eine zweite Regelung aufweist, wobei die erste Regelung unter Verwendung eines Partialdrucks des mindestens einen zugeführten Reaktivgases als Regelgröße durchgeführt wird, und wobei die zweite Regelung unter Verwendung einer Spektroskopie (z.B. einer optischen Emissionsspektroskopie (OES)) durchgeführt wird. Dabei kann beispielsweise der Partialdruck in der Sputter-Prozesskammer gemessen werden.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Verwenden eines Partialdrucks das Verwenden eines Partialdruckverhältnisses aufweisen, z.B. das Partialdruckverhältnis verschiedener Reaktivgase zueinander oder das Partialdruckverhältnis eines Reaktivgases zu einem Arbeitsgas. Somit können beispielsweise systematische Messfehler ausgeglichen werden.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Reaktivgas mindestens eins von Folgendem aufweisen: Sauerstoff, Stickstoff, Schwefelwasserstoff, Methan, gasförmige Kohlenwasserstoffe, Fluor, Chlor oder ein anderes gasförmiges Material.
  • Ferner kann für die erste Regelung der Fluss (Massenfluss) des mindestens einen Reaktivgases in die Sputter-Prozesskammer hinein als Stellgröße verwendet werden. Dazu kann beispielsweise ein Flussregler, Massenflussregler oder mindestens ein Stellventil genutzt werden. Ferner kann der Fluss des mindestens einen Reaktivgases als Stellgröße der ersten Regelung wiederum eine Führungsgröße für einen Flussregler oder Massenflussregler sein, welche mittels einer Ventilstellung den Massenfluss regelt.
  • Ferner kann bei der ersten Regelung das geregelte Zuführen des mindestens einen Reaktivgases gemäß einem Vorgabe-Partialdruck des mindestens einen Reaktivgases als Führungsgröße (bzw. Sollwert) erfolgen. Dabei kann sich der Vorgabe-Partialdruck auf einen Sollwert für den jeweiligen Partialdruck des Reaktivgases in der Sputter-Prozesskammer oder in einem Prozessierbereich der Sputter-Prozesskammer beziehen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Führungswert für den Partialdruck des mindestens einen Reaktivgases in einem Bereich von ungefähr 10–6 bis ungefähr 10–1 mbar liegen, z.B. in einem Bereich von ungefähr 10–5 bis ungefähr 10–2 mbar.
  • Ferner kann bei der ersten Regelung mindestens ein Partialdruckmesswert zur Regelung des Partialdrucks des mindestens einen zugeführten Reaktivgases verwendet werden, wobei der mindestens eine Partialdruckmesswert einen Reaktivgasgesamtverbrauch während des reaktiven Sputterns berücksichtigt. Anschaulich gesehen kann die erste Regelung eine globale Regelung sein. Der Reaktivgasverbrauch kann sich beispielsweise aus dem Anteil des in die Beschichtung eingebauten Reaktivgases ergeben.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das geregelte Zuführen von mindestens einem Reaktivgas ein geregeltes Zuführen von mehreren Reaktivgasen aufweisen. Dabei kann die erste Regelung unter Verwendung eines vorgegebenen Gesamtpartialdrucks (Summe der jeweiligen Partialdrücke der beteiligten Reaktivgase) der mehreren Reaktivgase als Führungsgröße erfolgen. Alternativ können auch die einzelnen Partialdrücke der verschiedenen Gase mit den zugehörigen Flüssen geregelt werden.
  • Ferner kann die erste Regelung eine Folgeregelung für die Führungsgröße aufweisen. Mit anderen Worten kann der Vorgabe-Partialdruck des Reaktivgases entsprechend an Prozessänderungen angepasst werden, so dass beispielsweise ein langzeitstabiler Beschichtungsprozess (z.B. stabil über mehrere Tage oder Wochen), welcher jeweils das Herstellen einer Beschichtung mit konstanten Schichteigenschaften ermöglicht, durchgeführt werden kann. Anschaulich kann beispielsweise die Verschiebung des Betriebspunktes eines Targets ausgeglichen werden.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Folgeregelung auf Daten der Spektroskopie (OES) (z.B. Atomspektroskopie oder Molekülspektroskopie) basieren. Mit anderen Worten kann die erste Regelung mittels Daten der Spektroskopie, welche beispielsweise die Plasmaeigenschaften repräsentieren, nachgeregelt werden, indem der Führungswert angepasst wird, wobei die Partialdruckregelung eine Stabilisierung des Beschichtungsprozesses im Übergangsbereich ermöglich.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die erste Regelung ferner derart erfolgen, dass der Vorgabe-Partialdruck (Führungswert für den geregelten Partialdruck) des mindestens einen zugeführten Reaktivgases oder der Vorgabe-Gesamtpartialdruck der mehreren zugeführten Reaktivgase unter Verwendung der OES angepasst oder nachgeregelt wird.
  • Ferner kann bei der zweiten Regelung zumindest ein mittels der OES ermittelter Emissionswert (z.B. ein Wert, welcher aus der Emission des Plasmas abgeleitet wird) als Regelgröße gemäß einem Vorgabe-Emissionswert (Sollwert) verwendet werden.
  • Ferner kann bei der zweiten Regelung eine räumliche Reaktivgasverteilung des mindestens einen zugeführten Reaktivgases in der Sputter-Prozesskammer oder in einem Prozessierbereich der Sputter-Prozesskammer als Regelgröße verwendet werden. Mit anderen Worten kann das mindestens eine Reaktivgas derart der Sputter-Prozesskammer zugeführt werden, dass sich innerhalb der Sputter-Prozesskammer eine vordefinierte räumliche Reaktivgasverteilung einstellt. Dies kann beispielsweise dazu genutzt werden, denn CCE („Cross-Corner-Effect“) oder CME („Cross-Magnetron-Effect“) beim Magnetronsputtern auszugleichen.
  • Ferner kann das geregelte Zuführen von dem mindestens einen Reaktivgas und dem mindestens einen Arbeitsgas in die Sputter-Prozesskammer an verschiedenen Orten oder in verschiedene Bereiche mittels mehrerer Gasführungen erfolgen. Dabei kann jede der Gasführungen ein Stellglied aufweisen zum Einstellen des jeweiligen Flusses des mindestens einen Reaktivgases (und/oder Arbeitsgases) durch die entsprechenden Gasführungen hindurch. Ferner kann bei der zweiten Regelung jeweils der Fluss des mindestens einen Reaktivgases (und/oder Arbeitsgases) in den mehreren Gasführungen als Stellgröße verwendet werden. Während die zweite Regelung den jeweiligen Fluss der Prozessgase (Arbeitsgas und/oder Reaktivgas) durch die jeweiligen Gasführungen regelt, kann die erste Regelung den Gesamtfluss der Prozessgase in die Sputter-Prozesskammer hinein regeln.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können bei der zweiten Regelung mehrere Emissionsmesswerte (Messwerte einer Strahlungsemission) als Messgröße für die zweite Regelung verwendet werden, wobei die mehreren Emissionsmesswerte die Plasmaeigenschaften an verschiedenen Orten in der Sputter-Prozesskammer oder in einem Prozessierbereich der Sputter-Prozesskammer während des reaktiven Sputterns repräsentieren. Anschaulich kann die zweite Regelung die Konzentration (oder z.B. den Partialdruck) des mindestens einen Reaktivgases lokal in Bereichen in der Sputter-Prozesskammer oder in Bereichen des Prozessierbereichs der Sputter-Prozesskammer regeln (z.B. anschaulich eine räumliche Verteilung der Reaktivgas-konzentration beeinflussen).
  • Ferner kann bei der zweiten Regelung die räumliche Reaktivgasverteilung des mindestens einen Reaktivgases gemäß einer Vorgabe-Verteilung des mindestens einen Reaktivgases in der Sputter-Prozesskammer als Führungswert geregelt werden. Anschaulich kann beispielsweise bekannt sein, welche Reaktivgasverteilung lokal in Bereichen in der Sputter-Prozesskammer oder in Bereichen des Prozessierbereichs der Sputter-Prozesskammer erzeugt werden soll, z.B. um den CCE oder den CME oder andere Störgrößen (bzw. eine ungleichmäßige räumliche Zerstäubungsrate) während des Beschichtens auszugleichen. Ferner kann die Vorgabe-Verteilung des mindestens einen Reaktivgases auch mittels optischer Messungen (z.B. OES) ermittelt 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; eine Gaszuführung; einen mit der Gaszuführung gekoppelten Regler zum geregelten Zuführen von mindestens einem Reaktivgas und mindestens einem Arbeitsgas mittels der Gaszuführung in die Sputter-Prozesskammer; eine Spektrometeranordnung (z.B. optisch) zum Ermitteln von Plasmaeigenschaften, wobei der mit der Gaszuführung gekoppelte Regler einen ersten Regelkreis und einen zweiten Regelkreis aufweist, wobei der erste Regelkreis derart eingerichtet ist, dass ein Partialdruck des mindestens einen zugeführten Reaktivgases in der Sputter-Prozesskammer als Regelgröße geregelt wird, und wobei der zweite Regelkreis derart eingerichtet ist, dass Emissionsmesswerte der Spektroskopie (optische Emissionsspektroskopie (OES)) zum Regeln verwendet werden (oder eine Regelgröße repräsentieren). Ferner kann die Sputteranordnung auch mehrere Gaszuführungen aufweisen, wobei jede der mehreren Gaszuführungen mit einem Regler oder mit mehreren Reglern gekoppelt sein kann. Die Spektroskopie kann unter Verwendung der Spektrometeranordnung erfolgen.
  • Ferner kann der erste Regelkreis derart eingerichtet sein, dass der Partialdruck des mindestens einen zugeführten Reaktivgases in der Sputter-Prozesskammer gemäß einem Vorgabe-Partialdruck als Sollwert unter Verwendung eines Flusses des mindestens einen Reaktivgases in die Sputter-Prozesskammer hinein als Stellgröße geregelt wird.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der erste Regelkreis derart eingerichtet sein, dass der Vorgabe-Partialdruck als Sollwert basierend auf den ermittelten Plasmaeigenschaften nachgeregelt wird.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Gaszuführung mehrere Gaskanäle (mehrere Gaszuführungen) aufweisen. Ferner können die Gaskanäle derart eingerichtet sein, dass das mindestens eine Reaktivgas jeweils in verschiedene Bereiche der Sputter-Prozesskammer eingebracht werden kann.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Spektrometeranordnung derart eingerichtet sein, dass die Plasmaeigenschaften des Plasmas jeweils in den verschiedenen Bereichen der Sputter-Prozesskammer oder in verschiedenen Bereichen des Prozessierbereichs der Sputter-Prozesskammer ermittelt werden können.
  • Ferner kann der zweite Regelkreis derart eingerichtet sein, dass eine Menge oder Dichte (Konzentration, räumliche Verteilung) des mindestens einen Reaktivgases in den verschiedenen Bereichen der Sputter-Prozesskammer geregelt wird, indem jeweils der Fluss des mindestens einen Reaktivgases in den mehreren voneinander separierten Gaskanälen als Stellgröße basierend auf den ermittelten Plasmaeigenschaften in den verschiedenen Bereichen der Sputter-Prozesskammer als Messgrößen gestellt wird.
  • Anschaulich kann das Einführen des Prozessgases durch separate Gaskanäle oder Gasführungen in die verschiedenen Bereiche der Sputter-Prozesskammer ermöglichen, innerhalb der Sputter-Prozesskammer eine entsprechend benötigte räumliche Verteilung des mindestens einen Reaktivgases und/oder des mindestens einen Arbeitsgases (ein Strömungsfeld und/oder ein Konzentrationsfeld des Gases) zu erzeugen.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der zweite Regelkreis derart eingerichtet sein, dass die Menge oder Dichte (Teilchenzahl bzw. Masse oder Gasdichte) des mindestens einen Reaktivgases in den verschiedenen Bereichen der Sputter-Prozesskammer gemäß einer Vorgabe-Verteilung als Führungsgröße geregelt wird.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Sputteranordnung Folgendes aufweisen: eine Sputter-Prozesskammer mit mindestens einem Magnetron innerhalb der Sputter-Prozesskammer zum Beschichten eines Substrats innerhalb eines Beschichtungsbereichs der Sputter-Prozesskammer mittels eines Plasmas; eine Gaszuführung; einen mit der Gaszuführung gekoppelten Regler zum geregelten Zuführen von mindestens einem Reaktivgas und mindestens einem Arbeitsgas mittels der Gaszuführung in die Sputter-Prozesskammer; eine Spektrometeranordnung zum Ermitteln von Plasmaeigenschaften, wobei der mit der Gaszuführung gekoppelte Regler derart eingerichtet ist, dass ein Partialdruck des mindestens einen zugeführten Reaktivgases in der Sputter-Prozesskammer als Regelgröße gemäß einem Vorgabe-Partialdruck als Sollwert unter Verwendung eines Gesamtreaktivgasflusses durch die Sputter-Prozesskammer hindurch als Stellgröße geregelt wird, und wobei der Regler ferner derart eingerichtet ist, dass der Vorgabe-Partialdruck als Sollwert basierend auf den ermittelten Plasmaeigenschaften nachgeregelt wird.
  • Ferner kann die Sputteranordnung mehrere Regler und/oder mehrere Gaszuführungen aufweisen, beispielsweise jeweils einen Regler für jede der Gaszuführungen.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Sputteranordnung Folgendes aufweisen: mindestens ein innerhalb einer Vakuumkammer eingeordnetes Magnetron zum Beschichten eines Substrats innerhalb eines Beschichtungsbereichs der Vakuumkammer mittels eines Plasmas; mehrere Gaszuführungen zum Zuführen eines Reaktivgases in entsprechend mehrere (unterschiedliche) Bereiche des Beschichtungsbereichs; wobei die mehreren Gaszuführungen jeweils ein Stellglied zum Einstellen eines Reaktivgasflusses durch die jeweilige Gaszuführungen aufweisen, eine Spektrometeranordnung zum Ermitteln von Plasmaeigenschaften jeweils in den verschiedenen (unterschiedlichen) Bereichen des Beschichtungsbereichs; einen Regler aufweisend einen ersten Regelkreis und einen zweiten Regelkreis, wobei der erste Regelkreis zum Regeln eines Partialdrucks des Reaktivgases in der Vakuumkammer als Regelgröße eingerichtet ist, unter Verwendung des Reaktivgasflusses durch alle der mehreren Gaszuführungen hindurch als Stellgröße gemäß einem Vorgabe-Partialdruck des Reaktivgases in der Vakuumkammer als Sollwert; wobei der zweite Regelkreis zum Regeln der Reaktivgasverteilung in den verschiedenen Bereichen der Sputter-Prozesskammer als Regelgröße eingerichtet ist, unter Verwendung der ermittelten Plasmaeigenschaften jeweils in den verschiedenen Bereichen des Beschichtungsbereichs als Messgröße und der jeweiligen Reaktivgasflüsse in den mehreren Gaszuführungen als Stellgrößen.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Regler in ein Stellglied und/oder in eine Messvorrichtung integriert sein.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Partialdruckmessung zum Regeln des Partialdrucks außerhalb des Prozessierbereichs erfolgen.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Magnetron an einen Generator gekoppelt sein, wobei der Generator eine vorgegebene Spannung bereitstellt. Die vorgegebene Spannung kann beispielsweise entsprechend der Betriebsdauer des Magnetrons (beispielsweise entsprechend dem Targetverbrauch oder der Targetalterung) nachgeregelt werden.
  • 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).
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
  • Es zeigen
  • 1A ein Kennlinienfeld eines Generators einer Sputteranordnung während eines reaktiven Sputterprozesses;
  • 1B ein Kennlinienfeld eines Generators einer Sputteranordnung während eines reaktiven Sputterprozesses;
  • 2A eine Sputteranordnung und ein geregeltes reaktives Sputtern in einer schematischen Ansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
  • 2B ein geregeltes Zuführen eines Gases in eine Sputter-Prozesskammer für ein geregeltes reaktives Sputtern in einer schematischen Ansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
  • 2C bis 2F ein geregeltes Zuführen mehrerer Gase in eine Sputter-Prozesskammer für ein geregeltes reaktives Sputtern in einer schematischen Ansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
  • 3 eine Sputteranordnung und ein geregeltes reaktives Sputtern in einer schematischen Ansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen; und
  • 4 eine Sputteranordnung in einer schematischen Ansicht, 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, beispielsweise kann die Sputteranordnung als eine sogenannte Batch-Beschichtungsanlage eingerichtet sein, in welcher die Substrate nacheinander schubweise beschichtet werden. Ferner kann die Sputteranordnung als eine sogenannte In-Line Beschichtungsanlage eingerichtet sein, vgl. beispielsweise 4, wobei ein Substrat (z.B. plattenförmige Substrate oder eine Vielzahl von plattenförmigen Substraten 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 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 wird.
  • 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 (Sputtern) 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 Beschusses des Targets mit den im Plasma gebildeten Ionen des Arbeitsgases).
  • 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 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 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 des Targets 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, 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 (des Targetrohrs oder der Rohrkathode) angeordnet sein kann, und beispielsweise kann das Targetrohr 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 erstreckender 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, 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 so 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 so eingerichtet werden dass der Ionisierbereich (in dem das Plasma mit den Ionen des Prozessgases 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 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 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).
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Target oder das Targetmaterial auch als Kathode bezeichnet werden.
  • 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 Race-Tracks 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 mittels des Arbeitsgases gesputtert werden und mittels eines zugeführten Reaktivgases kann eine Metallverbindung in dem Beschichtungsbereich auf ein Substrat abgeschieden werden, z.B. ein Metalloxid mit Sauerstoff als Reaktivgas, ein Metallnitrid mit Stickstoff als Reaktivgas oder eine andere Metallverbindung mit einem anderen Reaktivgas.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Prozessgas derart in den Prozessierbereich zugeführt werden, dass die räumliche Dichteverteilung des Prozessgases den CCE oder den CME ausgleicht. Eine Möglichkeit besteht beispielsweise darin die Verteilung, das Strömungsfeld, das 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 Schichtdickenprofil aufweist.
  • Beispielsweise können entlang der Ionisierbereiche 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 Bestandteile des Prozessgases durch die Gaszuführungen 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/kann, 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. 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 beispielsweise im Prozessierbereich derart angeordnet sein oder werden, dass Plasmaeigenschaften in verschiedenen Bereichen des Plasmas ermittelt werden können und somit bei der Steuerung oder Regelung der Gaszuführungen berücksichtigt werden können.
  • Ferner können ermittelte Spektren 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 Ionisierbereich 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 (z.B. weiteren technischen Aufwand) oder weitere zu berücksichtigende Aspekte aufweisen. Die Kosten für ein metallisches Target können 50% oder gar 66% geringer sein als ein vergleichbares keramisches Target (z.B. ein Metalloxid Target).
  • 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 mittels des Zuflusses an Reaktivgas geregelt 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 (der Übergangsbereich) mittels einer Regelung stabilisiert und gehalten 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, so dass auf eine Regelung der Entladungsleistung (Leistung der Plasmaentladung) bei konstanter Spannung mit der Stellgröße Reaktivgasfluss verzichtet werden kann (z.B. für die Kurzzeitstabilität). Ferner kann auch auf eine Regelung der Spannung bei konstanter Leistung des Generators mittels des Reaktivgasflusses als Stellgröße verzichtet werden.
  • Für eine herkömmliche Regelung dagegen, z.B. nach der Leistung, muss ein Zusammenhang zwischen Strom und Spannung des Generators bei konstantem Reaktivgasfluss zumindest eindeutig sein, und die Abhängigkeit der U-I-Kennlinie vom Reaktivgasfluss muss stetig und monoton sein (bzw. das Kennlinienfeld muss eindeutig sein, so dass ein Betriebspunkt eindeutig einstellbar ist). Dies kann beispielsweise für eine reaktive Abscheidung von ZnO:Al zutreffen, wie in 1A veranschaulich ist. Jeder Spannung U ist dabei beispielsweise genau ein Stromwert I zugeordnet (gilt umgekehrt nicht) und mit Erhöhung des Reaktivgasflusses (sccm O2) ändert sich jeweils die Kennlinie stetig und monoton von der rein metallischen zur rein oxidischen Kennlinie. Dagegen kann eine solche eindeutige Relation beispielsweise beim reaktiven Sputtern von ITO nicht auftreten, wie in 1B veranschaulicht ist. Die U-I-Kennlinie pendelt mit zunehmendem Reaktivgasfluss hin und her, wobei Überschneidungen der Kennlinien auftreten können, ferner gibt es keine oxydische Grenzkennlinie. Somit versagt eine Regelung von zwei Generatorgrößen, also eine Leistungsregelung in diesem Fall. Ferner kann selbst bei eindeutiger und sich stetig verändernder Kennlinie keine reine Generatorregelung verwendet werden, wenn mit zwei Reaktivgasen gearbeitet wird, da zum einen das Kennlinienfeld zu komplex wird und auch der Beitrag der einzelnen Gase nicht eindeutig ist, da beide Reaktivgase (in unterschiedlichem Maße) zur Belegung (verändern oder zur Vergiftung, z.B. Bilden einer Oxinitid-Verbindung auf der Targetoberfläche) des Targets beitragen, was allein anhand der Generatorgrößen nicht separiert oder unterschieden werden kann.
  • 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 ein Prozessparameter 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 während der Regelung der Kurzzeitstabilität als konstant anzusehen ist, wobei als Regelgröße für die Kurzzeitstabilität der Reaktivgaspartialdruck verwendet werden kann mit dem Reaktivgasfluss 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 Regelung auf zwei Generatorgrößen nicht oder nur unzureichend funktioniert (z.B. bei einer reaktiven ITO-Abscheidung oder reaktiven Abscheidung mit mehr als einem Reaktivgas), oder wenn die U-I-Kennlinien nicht eindeutig sind und/oder sich nicht monoton mit dem Reaktivgasfluss verändern. 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 (z.B. anhand eines Arbeitspunktes des Generators) nicht unterschieden werden kann, durch welchen Anteil der Reaktivgase die Brennspannung bei gegebener Leistung definiert wird.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Reaktivgaspartialdruck als Regelgröße verwendet werden, bzw. können ein relativer Reaktivgaspartialdruck und/oder die Partialdrücke mehrerer Reaktivgase als Regelgröße verwendet werden. Ferner kann der Reaktivgasfluss die entsprechende Stellgröße sein. Ferner kann beispielsweise zum Erreichen der Langzeitstabilität und/oder zum Einstellen der Querverteilung mindestens ein Emissionsspektrum (oder können mehrere Emissionsspektren) ermittelt werden, anhand dessen (derer) der Führungswert (oder die Führungswerte) für den Reaktivgaspartialdruck (oder die Reaktivgaspartialdrücke) angepasst wird oder nachgestellt oder nachgeregelt wird (werden). Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Messung der Partialdrücke in der Regelung unabhängig von der Änderung eines Trimschemas (unabhängig von der Gasverteilung in dem Prozessierbereich oder in der Sputter-Prozesskammer) sein. Dazu kann die Messung des Partialdrucks oder der Partialdrücke nicht direkt im Prozessraum (Beschichtungsbereich oder Prozessierbereich) erfolgen, da in diesem Fall eine Umverteilung des Reaktivgasflusses aufgrund eines Einstellens einer anderen Trimmung auch sofort zu lokalen Änderungen des Partialdrucks führen würde, sondern beispielsweise im Pump-Kompartment oder in der Abgasleitung nach den Pumpen, wo es keine Ortsinformation über den Reaktivgasverbrauch gibt (vgl. beispielsweise 2B und 4).
  • 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 Spektrum der Führungswert der Reaktivgaspartialdruckregelung ermittelt oder definiert werden kann, und wobei die anderen Kollimatoren und Spektrometer dazu dienen können, eine Aufteilung des Reaktivgasgesamtflusses auf mehrere Gaszuführungen zum Einstellen einer Querverteilung (einer Reaktivgasgröße) zu regeln. Mit anderen Worten kann die Kurzzeitstabilität über das Stellen des Reaktivgasgesamtflusses (auch Summe mehrerer Reaktivgase) zur Regelung (mindestens) eines Reaktivgaspartialdrucks gemäß einem Sollwert für den Reaktivgaspartialdruck realisiert sein oder werden, und die Langzeitstabilität kann über das Nachführen des Sollwerts des Reaktivgaspartialdrucks und/oder die Querverteilung kann über das Verteilen des Reaktivgasgesamtflusses über das Target (oder im Prozessierbereich) mit der Regelgröße des OES-Spektrums realisiert sein oder werden.
  • 2A veranschaulicht eine Sputteranordnung 200, gemäß verschiedenen Ausführungsformen, wobei die Sputteranordnung 200 eine Regelung R1, R2 aufweisen kann. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Sputteranordnung 200 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 innerhalb der Sputter-Prozesskammer 102. Dabei kann die Kathode 104 über einen Generator G mit einer Anode 108 (welche beispielsweise ein positives elektrisches Potential bezüglich der Kathode 104 aufweist) gekoppelt sein (z.B. elektrisch leitfähig verbunden sein). Mittels des Generators G kann zwischen der Kathode 104 und der Anode 108 ein elektrisches Feld zum Erzeugen des Plasmas 106 bereitgestellt sein oder werden. Ferner kann die Sputteranordnung 200 mindestens eine Magnetanordnung (ein Magnetsystem) zum Magnetronsputtern aufweisen (nicht dargestellt). Ferner kann die Sputteranordnung 200 eine Vakuumpumpenanordnung aufweisen (vgl. 2B), 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, z.B. kann sich eine räumliche Verteilung der Leistungsdichte einstellen.
  • 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 110a des Arbeitsgases oder den Partialdrücken der mehreren Arbeitsgase und/oder dem Partialdruck 110r 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 (z.B. 10–7 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 (gasförmig) enthalten sein. Mittels Zuführens des Prozessgases oder der Prozessgases 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 können beispielsweise mittels einem Druckmessgerät oder mehreren Druckmessgeräten und/oder mittels eines Massenspektrometers oder mittels mehrerer Massenspektrometer ermittelt werden.
  • Wie in 2A veranschaulicht ist, kann mittels einer Druck-Messanordnung P oder mittels einer Partialdruckmessanordnung P der Partialdruck 110r des mindestens einen Reaktivgases in der Sputter-Prozesskammer 102 ermittelt werden, so dass der Partialdruck 110r des mindestens einen Reaktivgases als Regelgröße mittels der Regelung R1 geregelt werden kann. Mit anderen Worten kann die Regelung zum geregelt Zuführen des Reaktivgases mindestens einen ersten Regelkreis R1 aufweisen.
  • Der Partialdruck 110r des mindestens einen Reaktivgases in der Sputter-Prozesskammer 102 kann mittels des Stellglieds S verändert werden, wobei das Stellglied S mit dem ersten Regelkreis R1 gekoppelt sein kann. Gemäß einem Vorgabe-Partialdruck des mindestens einen Reaktivgases als Sollwert und dem Ist-Partialdruck des mindestens einen Reaktivgases (der jeweils tatsächliche Partialdruck in der Sputter-Prozesskammer 102) als Regelgröße kann mittels des Stellglieds S der Fluss F des mindestens einen Reaktivgases in die Sputter-Prozesskammer 102 hinein angepasst werden, so dass der Ist-Partialdruck des mindestens einen Reaktivgases in der Sputter-Prozesskammer 102 möglichst dem Sollwert entspricht oder dem Sollwert nahe kommt.
  • 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 Menge oder Gasmenge (Teilchenzahl bzw. Gasmasse) pro Zeiteinheit beschreiben.
  • Das Stellglied S für den Fluss F des mindestens einen Reaktivgases in die Sputter-Prozesskammer 102 hinein kann ein Massenflussregler sein bzw. der Fluss F des mindestens einen Reaktivgases in die Sputter-Prozesskammer 102 hinein kann mittels eines oder mehrere Ventile angepasst werden. Das mindestens eine Reaktivgas kann mittels mindestens einer Gaszuführung in die Sputter-Prozesskammer 102 eingelassen werden.
  • Ferner kann die Sputteranordnung 200 mindestens eine optische Messanordnung E aufweisen, z.B. ein oder mehrere optische Spektrometer E oder Atomspektrometer E oder optische Emissionsspektrometer E, wobei mittels der optischen Messordnung 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 der Fluss F des mindestens einen Reaktivgases in die Sputter-Prozesskammer 102 hinein zusätzlich angepasst werden, z.B. in einem zweiten Regelkreis R2 oder in einer zweiten Regelung R2. Der zweite Regelkreis R2 kann mit dem ersten Regelkreis R1 gekoppelt sein, bzw. die Regelkreise R1, R2 können ineinander greifen.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann mittels der zweiten Regelung R2 oder mittels des zweiten Regelkreises der Sollwert für den Partialdruck 110r des mindestens einen zugeführten Reaktivgases nachgeregelt, eingestellt oder definiert werden. Anschaulich können die beiden Regelungen R1, R2 den Fluss F des mindestens einen Reaktivgases in die Sputter-Prozesskammer 102 hinein regeln. Anschaulich kann dabei die erste Regelung R1 die Kurzzeitstabilität des reaktiven Sputterprozesses realisieren, also das Anpassen des Reaktivgasflusses F in die Sputter-Prozesskammer 102 hinein entsprechend einem Reaktivgaspartialdruck als Sollwert, so dass der reaktive Sputterprozess an dem entsprechenden Betriebspunkt durchgeführt werden kann. 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, also das Anpassen des Reaktivgasflusses F in die Sputter-Prozesskammer 102 hinein basierend auf einer optischen Messung E der Plasmaeigenschaften, wobei beispielsweise der Sollwert für den Reaktivgasfluss der ersten Regelung nachgeregelt bzw. nachgestellt oder angepasst wird.
  • Es versteht sich, dass die hierin beschriebene Regelung für das mindestens eine Reaktivgas auch für mehrere Reaktivgase verwendet werden kann, wobei jeweils über den Partialdruck des entsprechenden Reaktivgases der Fluss F des jeweiligen Reaktivgases angepasst wird. Ferner kann die Regelung auch zum Anpassen des Flusses des Arbeitsgases verwendet werden, z.B. kann der Partialdruck des Arbeitsgases als Regelgröße entsprechend mit dem Fluss des Arbeitsgases als Stellgröße verwendet werden.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die erste Regelung R1 jeweils für ein Reaktivgas mehrerer Reaktivgase einen separaten Regelkreis aufweisen, wobei das Stellglied S derart eingerichtet ist, dass für jedes Reaktivgas der Fluss eingestellt oder angepasst werden kann.
  • Wie in 2B veranschaulicht ist, kann das mindestens eine Reaktivgas mittels einer Reaktivgasquelle Q der Sputter-Prozesskammer 102 zugeführt werden, wobei das Zuführen mittels eines Ventils V (oder eines Massenflussreglers V) gestellt werden kann. Das Ventil V kann mit dem ersten Regler R1 und mit dem zweiten Regler R2 gekoppelt sein oder ein Teil eines Reglers R1, R2 sein. Das Ventil V kann mit dem Stellglied S gekoppelt sein oder ein Teil des Stellglieds S sein. Als Reaktivgasquelle Q (oder allgemein als Gasquelle) kann beispielsweise ein Druckbehälter, eine Gasflasche, eine Druckgasflasche, ein Flüssiggasflasche oder eine andere geeignete Gasversorgung zum Bereitstellen des entsprechenden Gases dienen.
  • Der Reaktivgaspartialdruck 110r in der Sputter-Prozesskammer 102 kann beispielsweise von Folgendem abhängig sein: dem Fluss F an Reaktivgas in die Sputter-Prozesskammer 102 hinein, dem Reaktivgasverbrauch während des reaktiven Sputterns, der Pumpleistung der Vakuumpumpenanordnung 112. Unter Verwendung des Reaktivgaspartialdrucks 110r als Regelgröße kann der Betriebspunkt der Sputteranordnung 200 eindeutig definiert sein oder werden. Der Reaktivgaspartialdruck 110r kann beispielsweise außerhalb des Prozessierbereichs 114 der Sputter-Prozesskammer 102 ermittelt werden, so dass der ermittelte Reaktivgaspartialdruck 110r unabhängig von den lokalen Plasmaeigenschaften des Plasmas oder unabhängig von einer lokalen Reaktivgasverteilung in dem Prozessierbereich 114 der Sputter-Prozesskammer 102 ist. Der Reaktivgaspartialdruck 110r kann beispielsweise innerhalb der Vakuumpumpenanordnung 112 der Sputter-Prozesskammer 102 ermittelt werden, bzw. in einem Abgaskanal der Vakuumpumpenanordnung 112. Der Messwert des Reaktivgaspartialdrucks 110r für die erste Regelung kann unabhängig von lokalen Prozesseigenschaften sein, und somit beispielsweise den gesamten Reaktivgasverbrauch in dem reaktiven Sputterprozess repräsentieren.
  • 2C veranschaulicht eine erste Regelung R1 für mehrere Prozessgase, z.B. ein Reaktivgas oder mehrere Reaktivgase und/oder ein Arbeitsgas oder mehrere Arbeitsgase. Anhand der ermittelten Partialdrücke P1, P2 der mehreren Prozessgase kann der jeweilige Fluss F1, F2 des Prozessgases in die Sputter-Prozesskammer 102 hinein angepasst werden, so dass die Partialdrücke P1, P2 der mehreren Prozessgase mittels der ersten Regelung R1 geregelt werden können. Dabei können die mehreren Prozessgase aus mehreren Quellen Q1, Q2 zugeführt werden, beispielsweise mittels mehrerer Zuführungen (oder alternativ in einer gemeinsamen Zuführung), wobei jede der Zuführungen ein Ventilanordnung V1, V2 oder einen Massenflussregler aufweisen kann.
  • Wie in 2D veranschaulicht ist, können auch mehrere Prozessgase vor dem Zuführen in einer Mischvorrichtung M gemischt werden.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann jeweils der Gesamtzufluss des jeweiligen Reaktivgases in die Sputter-Prozesskammer 102 hinein als Stellgröße in der ersten Regelung verwendet werden. Ferner kann die zweite Regelung R2 derart eingerichtet sein, dass der Gesamtfluss des jeweiligen Reaktivgases auf mehrere Gaskanäle oder mehrere separate Zuführungen aufgeteilt werden kann. Somit kann beispielsweise ein Teil des Reaktivgases an verschiedenen Positionen in die Sputter-Prozesskammer 102 oder in verschiedene Bereiche der Sputter-Prozesskammer 102 eingeleitet werden, wobei der Gesamtfluss in der ersten Regelung als Stellgröße für den Partialdruck des Reaktivgases verwendet werden kann.
  • Wie in 2E veranschaulicht ist, kann ein Prozessgas oder ein Reaktivgas mittels mehrerer Zuführungen Z1, Z2 verschiedenen Bereichen 114a, 114b des Prozessierbereichs 114 in der Sputter-Prozesskammer 102 zugeführt werden. Dabei kann der Gesamtfluss F als Summe von dem ersten Fluss F1 durch die erste Zuführung Z1 hindurch und dem zweiten Fluss durch die zweite Zuführung Z2 hindurch als Stellgröße der ersten Regelung R1 verwendet werden. Das Aufteilen des Gesamtflusses F auf die mehreren Zuführungen Z1, Z2, z.B. mittels der mehreren Ventile V1, V2, kann mittels der zweiten Regelung R2 erfolgen, wie hierin beschrieben, z.B. basierend auf den ermittelten Plasmaeigenschaften.
  • Wie in 2F veranschaulicht ist, können mehrere Prozessgase Q1, Q2 (gemischt oder separat) mittels mehrerer Zuführungen Z1, Z2 verschiedenen Bereichen 114a, 114b des Prozessierbereichs 114 in der Sputter-Prozesskammer 102 zugeführt werden.
  • Dabei kann das Zuführen derart erfolgen, dass mittels der ersten Regelung R1 jeweils basierend auf den Partialdrücken der mehreren Gase der Gesamtfluss des ersten Prozessgases als Summe der jeweiligen Flüsse F1, F3 und/oder F2, F4 durch die mehreren Zuführungen Z1, Z2 hindurch die Partialdrücke der mehreren Prozessgase geregelt werden. Dabei kann das Aufteilen der Flüsse der mehrere Prozessgase auf die mehreren Zuführungen Z1, Z2 mittels der zweiten Regelung R2 erfolgen.
  • 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-Regler (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 200) integriert sein.
  • 3 veranschaulicht eine Sputteranordnung 200 mit einer Regelung R1, R2 für ein Reaktivgas, wobei das eine Reaktivgas in verschiedene Bereiche der Sputter-Prozesskammer 102 mittels mehrerer Flüsse F1, F2, F3 eingeleitet (eingebracht) wird. 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 F1 ein erster Bereich 106a des Plasmas 106 beeinflusst werden, mit einem zweiten Fluss F2 ein zweiter Bereich 106b des Plasmas 106 und mit einem dritten Fluss F3 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 der jeweilige Fluss F1, F2, F3 (mittels des Stellglieds S) zum Beeinflussen des Plasmas 106 in den verschiedenen Bereichen 106a, 106b, 106c angepasst werden. Ferner 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 oder aber auch vom Arbeitsgas (Inertgas), da die Zugabe von Reaktivgas unmittelbare Auswirkungen auf die Emissionen des Arbeitsgases hat (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).
  • 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 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 F1, F2, F3 als Stellgröße die Plasmaeigenschaften oder Beschichtungsbedingungen lokal geregelt, eingestellt oder angepasst werden können.
  • Es versteht sich, dass auch mehr als drei Bereiche des Plasmas 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.
  • 4 zeigt einen schematischen Aufbau eine Sputteranordnung 200 in einer In-line-Konfiguration, wobei ein zu beschichtendes Substrat mittels einer Transportvorrichtung 312 (z.B. aufweisend mehrere Transportrollen) durch die Kompartments (Sektionen oder Vakuumkammern) der Sputteranordnung 200 hindurch transportiert werden kann. Die Sputteranordnung 200 kann beispielsweise ein Planar-Magnetron 302p aufweisen (oder mehrere Planar-Magnetrons 302p). Die Sputteranordnung 200 kann beispielsweise ein Rohr-Magnetron 302r aufweisen (oder mehrere Rohr-Magnetrons 302r). Die Sputteranordnung 200 kann beispielsweise zwischen den Magnetrons 302p, 302r ein sogenanntes Pumpkompartment 304 aufweisen, zum Bereitstellen des Vakuums in der Sputteranordnung 200 und zum Abpumpen 308 der Gase aus den Sputter-Prozesskammern, die die jeweiligen Magnetrons 302p, 302r aufweisen.
  • Das Planar-Magnetron 302p kann beispielsweise eine Planarkathode 302pk (ein flächiges Target) aufweisen und das Rohr-Magnetron 302r kann beispielsweise eine Rohrkathode 302rk (ein rohrförmiges Target) aufweisen.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Messanordnung zum Ermitteln des Partialdrucks des Reaktivgases in mindestens einem der Pumpkompartments 304 der Sputteranordnung 200 angeordnet sein. Anschaulich kann die Messanordnung derart räumlich in der Sputteranordnung 200 angeordnet sein, dass lokale Schwankungen keinen oder nur einen unwesentlichen Einfluss auf die Partialdruckmessung haben.
  • Die Messanordnung zum Ermitteln des Partialdrucks des Reaktivgases kann beispielsweise innerhalb des Pumpkreislaufs, welcher zum Evakuieren der Sputter-Prozesskammer dient, angeordnet sein, beispielsweise zwischen einer Vorvakuumpumpe (Rootspumpe) und einer Hochvakuumpumpe (z.B. Turbomolekularpumpe). Anschaulich kann die Messanordnung zum Ermitteln des Partialdrucks des Reaktivgases in dem sogenannten Rootskreislauf angeordnet sein. Ferner kann die Messanordnung zum Ermitteln des Partialdrucks des Reaktivgases am Ausgang der Pumpenanordnung angeordnet sein, z.B. im Abgaskanal 308k zum Wegführen der abgepumpten Gase. Der Abgaskanal kann beispielsweise mit jeweils beiden an die Sputter-Prozesskammer 102 angrenzenden Pumpkompartments 304 verbunden sein.
  • Ferner kann die Messanordnung zum Ermitteln des Partialdrucks des Reaktivgases eine Restgasanalyse-Anordnung (z.B. aufweisend ein Massenspektrometer, z.B. ein Quadrupol-Massenspektrometer) sein und der Partialdruck kann mittels einer Restgasanalyse ermittelt werden.
  • Ferner kann die Messanordnung zum Ermitteln des Partialdrucks des Reaktivgases auch innerhalb der Sputter-Prozesskammer 102 angeordnet sein. Dabei kann die Vakuumpumpenanordnung auch in das Magnetron oder in den Magnetrondeckel integriert sein.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der jeweilige Fluss des Reaktivgases oder der mehreren Reaktivgase (der Prozessgase) als Stellgröße der ersten Regelung und der zweiten Regelung mittels eines Massenflussreglers oder mittels mehrerer Massenflussregler eingestellt werden oder mittels eines Massenflussreglers mit einem Kanal oder mit mehreren Kanälen eingestellt werden. Dabei kann der Fluss wiederum nach einem Sollwert geregelt werden oder direkt von dem Regler (z.B. dem Regler R1 und/oder R2) gestellt werden. Der Gasfluss eines Prozessgases kann mittels eines Massenflussmessers oder Massendurchflussmessers (z.B. thermisch oder coriolis) ermittelt bzw. gemessen werden.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die erste Regelung (der erste Regelkreis) und die zweite Regelung (der zweite Regelkreis) miteinander gekoppelt sein oder als eine gemeinsame Regelung eingerichtet sein, so dass beispielsweise der Gesamtfluss der Prozessgase und der jeweilige Zufluss der Prozessgase korreliert sein können oder werden können.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Spektroskopie 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 (20)

  1. Verfahren zum geregelten reaktiven Sputtern, wobei das Verfahren aufweist: • ein geregeltes Zuführen von mindestens einem Reaktivgas und mindestens einem Arbeitsgas in eine Sputter-Prozesskammer, • wobei das geregelte Zuführen eine erste Regelung und eine zweite Regelung aufweist, • wobei die erste Regelung unter Verwendung eines Partialdrucks des mindestens einen zugeführten Reaktivgases als Regelgröße durchgeführt wird, und • wobei die zweite Regelung unter Verwendung einer Spektroskopie durchgeführt wird.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei für die erste Regelung der Fluss des mindestens einen Reaktivgases in die Sputter-Prozesskammer hinein als Stellgröße verwendet wird.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei bei der ersten Regelung das geregelte Zuführen des mindestens einen Reaktivgases gemäß einem Vorgabe-Partialdruck des mindestens einen Reaktivgases als Führungsgröße erfolgt.
  4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei bei der ersten Regelung mindestens ein Partialdruckmesswert zur Regelung des Partialdrucks des mindestens einen zugeführten Reaktivgases verwendet wird, wobei der mindestens eine Partialdruckmesswert einen Reaktivgasgesamtverbrauch während des reaktiven Sputterns berücksichtigt.
  5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, • wobei das geregelte Zuführen von mindestens einem Reaktivgas ein geregeltes Zuführen von mehreren Reaktivgasen aufweist, • wobei die erste Regelung gemäß einem vorgegebenen Gesamtpartialdruck der mehreren Reaktivgase als Führungsgröße erfolgt.
  6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die erste Regelung eine Folgeregelung für die Führungsgröße aufweist.
  7. Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei die Folgeregelung auf Daten der Spektroskopie basiert.
  8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei bei der zweiten Regelung zumindest ein mittels der Spektroskopie ermittelter Wert als Regelgröße gemäß einem Vorgabe-Wert verwendet wird.
  9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei bei der zweiten Regelung eine räumliche Reaktivgasverteilung des mindestens einen zugeführten Reaktivgases in der Sputter-Prozesskammer als Regelgröße oder Stellgröße verwendet wird.
  10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, • wobei das geregelte Zuführen von dem mindestens einen Reaktivgas und dem mindestens einen Arbeitsgas in die Sputter-Prozesskammer an verschiedenen Orten mittels mehrerer Gasführungen erfolgt, • wobei jede der Gasführungen ein Stellglied aufweist zum Einstellen des jeweiligen Flusses des mindestens einen Reaktivgases durch die entsprechenden Gasführungen hindurch; und • wobei bei der zweiten Regelung jeweils der Fluss des mindestens einen Reaktivgases in den mehreren Gasführungen als Stellgröße verwendet wird.
  11. Verfahren gemäß Anspruch 9 oder 10, wobei bei der zweiten Regelung mehrere Emissionsmesswerte als Messgröße für die zweite Regelung verwendet werden, wobei die mehreren Emissionsmesswerte die Plasmaeigenschaften an verschiedenen Orten in der Sputter-Prozesskammer während des reaktiven Sputterns repräsentieren.
  12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei bei der zweiten Regelung die räumliche Reaktivgasverteilung des mindestens einen Reaktivgases gemäß einer Vorgabe-Verteilung des mindestens einen Reaktivgases in der Sputter-Prozesskammer als Führungswert geregelt wird.
  13. Sputteranordnung (200) 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 (R1, R2) zum geregelten Zuführen von mindestens einem Reaktivgas und mindestens einem Arbeitsgas mittels der Gaszuführung in die Sputter-Prozesskammer (102); • eine Spektrometeranordnung (E) zum Ermitteln von Plasmaeigenschaften, • 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 ein Partialdruck des mindestens einen zugeführten Reaktivgases in der Sputter-Prozesskammer als Regelgröße geregelt wird, und • wobei der zweite Regelkreis (R2) derart eingerichtet ist, dass Emissionsmesswerte einer Spektroskopie (E) zum Regeln verwendet werden.
  14. Sputteranordnung gemäß Anspruch 13, wobei der erste Regelkreis (R1) derart eingerichtet ist, dass der Partialdruck des mindestens einen zugeführten Reaktivgases in der Sputter-Prozesskammer (102) gemäß einem Vorgabe-Partialdruck als Sollwert unter Verwendung eines Flusses (F) des mindestens einen Reaktivgases in die Sputter-Prozesskammer (102) hinein als Stellgröße geregelt wird.
  15. Sputteranordnung gemäß Anspruch 13 oder 14, wobei der erste Regelkreis (R1) derart eingerichtet ist, dass der Vorgabe-Partialdruck als Sollwert basierend auf den ermittelten Plasmaeigenschaften nachgeregelt wird.
  16. Sputteranordnung gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die Gaszuführung mehrere Gaskanäle (Z1, Z2) aufweist und wobei die Gaskanäle (Z1, Z2) derart eingerichtet sind, dass das mindestens eine Reaktivgas jeweils in verschiedene Bereiche (114a, 114b) der Sputter-Prozesskammer (102) eingebracht werden kann.
  17. Sputteranordnung gemäß Anspruch 16, wobei die Spektrometeranordnung (E) derart eingerichtet ist, dass die Plasmaeigenschaften des Plasmas (106) jeweils in den verschiedenen Bereichen der Sputter-Prozesskammer (102) ermittelt werden können.
  18. Sputteranordnung gemäß Anspruch 17, wobei der zweite Regelkreis (R2) derart eingerichtet ist, dass eine Menge des mindestens einen Reaktivgases in den verschiedenen Bereichen (114a, 114b) der Sputter-Prozesskammer (102) geregelt wird, indem jeweils der Fluss (F) des mindestens einen Reaktivgases in den mehreren voneinander separierten Gaskanälen (Z1, Z2) als Stellgröße basierend auf den ermittelten Plasmaeigenschaften in den verschiedenen Bereichen der Sputter-Prozesskammer als Messgrößen gestellt wird.
  19. Sputteranordnung gemäß Anspruch 18, wobei der zweite Regelkreis (R2) derart eingerichtet ist, dass die Menge des mindestens einen Reaktivgases in den verschiedenen Bereichen der Sputter-Prozesskammer gemäß einer Vorgabe-Verteilung als Führungsgröße geregelt wird.
  20. Sputteranordnung gemäß einem der Ansprüche 13 bis 19, wobei die Sputteranordnung derart eingerichtet ist, dass das Plasma (106) in einem Prozessierbereich der Sputter-Prozesskammer bereitgestellt wird, wobei eine Messanordnung (P) zum Ermitteln des Partialdrucks des mindestens einen zugeführten Reaktivgases außerhalb des Prozessierbereichs angeordnet ist.
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