DE102014103746A1

DE102014103746A1 - Sputteranordnung und Verfahren zum geregelten reaktiven Sputtern

Info

Publication number: DE102014103746A1
Application number: DE102014103746.4A
Authority: DE
Inventors: Volker Linss
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 ein Verfahren zum geregelten reaktiven Sputtern Folgendes aufweisen: geregeltes Zuführen von mehreren Reaktivgasen und mindestens einem Arbeitsgas in eine Sputter-Prozesskammer, wobei die mehreren Reaktivgase mittels mehrerer Segment-Zuführungen zum Versorgen unterschiedlicher Targetbereiche bereitgestellt werden, wobei die mehreren Reaktivgase gemeinsam in einem jeweiligen Prozessgas durch jede der Segment-Zuführungen geführt werden, wobei das Zuführen der Prozessgase in jeder der Segment-Zuführungen mittels einer jeweiligen Segment-Zuführregelung, die jeweils einer Segment-Zuführung zugeordnet ist, geregelt 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 200 µm oder kleiner als 100 µm, können beispielsweise chemische Gasphasenabscheidungsprozesse oder physikalische Gasphasenabscheidungsprozesse genutzt werden, wie beispielsweise die Kathodenzerstäubung (das sogenannte Sputtern). Modifikationen der Kathodenzerstäubung sind beispielsweise das sogenannte reaktive Sputtern und das reaktive Magnetronsputtern. Beim reaktiven Sputtern 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 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. 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 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, kann von den Gasen (z.B. der Zusammensetzung oder dem Druck des Prozessgases) in der Vakuumkammer abhängig sein. Somit ergeben sich für den Generator sowie für das Zuführen des Prozessgases verschiedene Betriebsarten bzw. Steuermöglichkeiten und/oder Regelungsmöglichkeiten um einen Betriebspunkt (z.B. eine Leistung) einzustellen.
Verschiedene Ausführungsformen basieren beispielsweise auf der Erkenntnis, dass es bei einem reaktiven Sputterprozess mit mehreren beteiligten Reaktivgasen (z.B. Sauerstoff und Stickstoff) notwendig sein kann, für jedes der an dem Sputterprozess beteiligten Gase (die zusammen mit dem Arbeitsgas das Prozessgas bilden) die Verteilung der Gase in einer Sputter-Prozesskammer oder in einem Prozessierbereich (oder Beschichtungsbereich) einer Sputter-Prozesskammer einstellen und/oder anpassen zu können. Dabei kann die Verteilung des Prozessgases in der Sputter-Prozesskammer den Sputterprozess lokal beeinflussen. Als Verteilung des Prozessgases kann beispielsweise die räumliche Dichteverteilung des Prozessgases, die räumliche Partialdruckverteilung des Prozessgases, das Strömungsfeld des Prozessgases, das Konzentrationsfeld des Prozessgases, und/oder die chemische Zusammensetzung des Prozessgases in der Sputter-Prozesskammer verstanden werden.
Anschaulich kann die Sputteranordnung derart eingerichtet sein und/oder betrieben werden, dass die Verteilung des Prozessgases in der Sputter-Prozesskammer oder im Prozessierbereich der Sputter-Prozesskammer eingestellt oder angepasst werden kann, gemäß einer vorgegebenen Verteilung. Mit anderen Worten kann die Verteilung des Prozessgases geregelt werden. Als Stellgröße dieses beispielsweise lokalen Anpassens der Verteilung des Prozessgases kann der Fluss des Prozessgases in verschiedene Bereiche der Sputter-Prozesskammer oder des Prozessierbereichs verwendet werden und/oder die chemische Zusammensetzung des in verschiedene Bereiche der Sputter-Prozesskammer oder des Prozessierbereichs eingeleiteten Prozessgases verwendet werden.
Ein Aspekt verschiedener Ausführungsformen kann anschaulich darin gesehen werden, mittels einer Prozessgaszuführung lokal unterschiedliche Plasmabedingungen auszugleichen bzw. eine lokal angepasste Verteilung des Prozessgases bereitzustellen, um Variationen der Beschichtungsbedingungen oder Sputterbedingungen auszugleichen (z.B. den sogenannten CCE „cross corner effect“ oder CME „cross magnetron effect“) oder andere Einflüsse, welche den Sputterprozess lokal (bezogen auf des Target bzw. das erzeugte Plasma) unterschiedlich beeinflussen können.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Zuführen des Prozessgases (z.B. aufweisend mindestens ein Arbeitsgas und/oder mehrere Reaktivgases) in eine Sputter-Prozesskammer mittels eines in mehrere Segmente unterteilten Gaskanals (oder mittels einer segmentierten Gaszuführung) erfolgen, wobei für mehrere Segmente des Gaskanals eine vordefinierte chemische Zusammensetzung des Prozessgases bereitgestellt werden kann. Dabei kann die chemische Zusammensetzung des Prozessgases angepasst werden, indem beispielsweise der jeweilige Fluss der mehreren Reaktivgase und/oder der Fluss des mindestens einen Arbeitsgases in dem jeweiligen Segment angepasst, eingestellt oder geregelt wird.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Verfahren zum geregelten reaktiven Sputtern Folgendes aufweisen: das geregelte Zuführen von mehreren Reaktivgasen und mindestens einem Arbeitsgas in eine Sputter-Prozesskammer, wobei die mehreren Reaktivgase mittels mehrerer Segment-Zuführungen zum Versorgen unterschiedlicher Targetbereiche bereitgestellt werden, wobei die mehreren Reaktivgase gemeinsam in einem jeweiligen Prozessgas durch jede der Segment-Zuführungen geführt werden; wobei das Zuführen der Prozessgase in jeder der Segment-Zuführungen mittels einer jeweiligen Segment-Zuführregelung, die jeweils einer Segment-Zuführung zugeordnet ist, geregelt wird. Dabei kann ein Targetbereich ein Bereich an dem Target (z.B. zwischen dem Target bzw. der Kathode und einem in der Sputter-Prozesskammer transportierten zu beschichtenden Substrat) bzw. ein Bereich des Prozessierbereichs in der Sputter-Prozesskammer sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann mittels der jeweiligen Segment-Zuführregelung eine chemische Zusammensetzung (das Mischungsverhältnis) des mittels der zugeordneten Segment-Zuführung zugeführten Prozessgases angepasst, eingestellt und/oder geregelt werden. Ferner kann jede der Segment-Zuführungen einen Wirkungsbereich im Prozessierbereich (oder Beschichtungsbereich) der Sputter-Prozesskammer aufweisen bzw. einem Wirkungsbereich zugeordnet sein. Somit kann mittels des Zuführens des Prozessgases zumindest eine Plasmaeigenschaft des in dem Wirkungsbereich erzeugten Plasmas beeinflusst (angepasst, eingestellt und/oder geregelt) werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Plasmaeigenschaft des Plasmas in dem Wirkungsbereich der jeweiligen Segment-Zuführungen eine Führungsgröße für die Segment-Zuführregelung sein. Dabei können die Plasmaeigenschaften lokal (beispielsweise in jedem der Wirkungsbereiche der Segment-Zuführungen) ermittelt, gemessen und/oder analysiert werden, beispielsweise mittels einer optischen Spektroskopie-Messung (OES). Anschaulich kann der Wirkungsbereich einer Segment-Zuführung derart verstanden werden, dass beim Regeln der Segment-Zuführung die Plasmaeigenschaften außerhalb des Wirkungsbereichs innerhalb vorgegebener Grenzen verbleiben. Mit anderen Worten beschreibt der Wirkungsbereich einer Segment-Zuführung den Bereich in dem sich die Plasmaeigenschaften mittels der Segment-Zuführungen verändern lassen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können sich die Wirkungsbereiche der Segment-Zuführungen überlagern oder zumindest teilweise überlagern oder gegenseitig beeinflussen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die jeweilige Segment-Zuführregelung unter Berücksichtigung mindestens einer Plasmaeigenschaft eines mittels des zugeführten Prozessgases beeinflussten Plasmas in der Sputter-Prozesskammer erfolgen.
Ferner kann die jeweilige Segment-Zuführregelung jeweils eine Vorgabe-Zusammensetzung für das mittels der zugeordneten Segment-Zuführung zugeführte Prozessgas als Führungsgröße aufweisen. Mit anderen Worten kann bei der Segment-Zuführregelung beispielsweise das Mischungsverhältnis der Gase, welche das Prozessgas bilden, geregelt oder angepasst werden.
Ferner kann die jeweilige Segment-Zuführregelung jeweils für jedes Reaktivgas der mehreren Reaktivgase einen Fluss des Reaktivgases in die Sputter-Prozesskammer hinein als Stellgröße aufweisen. Ferner kann die jeweilige Segment-Zuführregelung jeweils für jedes Gas (bzw. Bestandteil) des gemischten Prozessgases einen Fluss des Gases in die Sputter-Prozesskammer hinein als Stellgröße aufweisen.
Ferner kann das mindestens eine Arbeitsgas gemeinsam mit den mehreren Reaktivgasen in dem jeweiligen Prozessgas durch jede der Segment-Zuführungen geführt werden. Ferner kann mittels der Segment-Zuführregelung auch das Zuführen des Arbeitsgases geregelt oder der Fluss des Arbeitsgases in die Sputter-Prozesskammer hinein angepasst werden.
Ferner kann die jeweilige Segment-Zuführregelung für das mindestens eine Arbeitsgas einen Fluss des mindestens einen Arbeitsgases in die Sputter-Prozesskammer hinein als Stellgröße aufweisen.
Ferner kann die jeweilige Segment-Zuführregelung unter Verwendung von mindestens einem Messwert erfolgen, welcher die Plasmaeigenschaften in dem entsprechend versorgten Targetbereich repräsentiert. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die jeweilige Segment-Zuführregelung unter Verwendung lokaler Plasmaeigenschaften in der Sputter-Prozesskammer oder in einem Prozessierbereich der Sputter-Prozesskammer erfolgen (lokale Regelung).
Ferner kann der mindestens eine Messwert für die jeweilige Segment-Zuführregelung mittels einer optischen Spektroskopie des Plasmas (z.B. lokal aufgelöst oder räumlich aufgelöst) in den jeweiligen Targetbereichen (oder Wirkungsbereichen der Segment-Zuführungen) ermittelt werden.
Ferner kann das Zuführen des mindestens einen Arbeitsgases in die Sputter-Prozesskammer zumindest teilweise mittels einer (beispielsweise zusätzlichen) Gaszuführung erfolgen. Anschaulich kann zumindest ein Teil des Arbeitsgases als globale (targetglobale, das gesamte Target oder das gesamte erzeugte Plasma betreffend) Arbeitsgasversorgung der Sputter-Prozesskammer zugeführt werden. Mit anderen Worten kann der Wirkungsbereich der targetglobalen Arbeitsgasversorgung das gesamte Target umfassen. Anschaulich gesehen kann bei der Segment-Zuführregelung eine lokale Versorgung (targetlokal, einzelne Bereiche des Targets oder des erzeugten Plasmas betreffend) des Targets mit Prozessgas berücksichtigt werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Verfahren zum geregelten reaktiven Sputtern ferner Folgendes aufweisen: das Regeln eines Gesamtflusses der zugeführten Prozessgase und/oder des mindestens einen zugeführten Arbeitsgases als Stellgröße. Anschaulich kann der Gesamtfluss der zugeführten Prozessgase eine targetglobale Regelung ermöglichen, z.B. nach der Leistung, dem Partialdruck und/oder den globalen Plasmaeigenschaften. Die targetglobale Regelung kann beispielsweise die Kurzzeitstabilität des Sputterprozesses gewährleisten. Anschaulich gesehen kann eine targetglobale Regelung ohne Berücksichtigung lokaler Schwankungen in dem Prozessierbereich erfolgen.
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; mehrere Segment-Zuführungen, wobei die mehreren Segment-Zuführungen zum Versorgen unterschiedlicher Magnetronbereiche (z.B. Bereiche am Magnetron) mit einem Prozessgas eingerichtet sind, und wobei jede der mehreren Segment-Zuführungen mit jeweils einem entsprechend der Segment-Zuführungen zugeordneten Segment-Zuführregler gekoppelt ist; wobei das Prozessgas zumindest mehrere Reaktivgase aufweist, welche gemeinsam in einem jeweiligen Prozessgas durch jede der Segment-Zuführungen geführt werden.
Ferner kann jeder der Segment-Zuführregler derart eingerichtet sein, dass ein Verhältnis der mehreren Reaktivgase zueinander entsprechend einem Vorgabe-Verhältnis (oder einer anderen Führungsgröße) in dem Prozessgas geregelt oder gestellt wird oder sich ein Verhältnis der mehreren Reaktivgase zueinander entsprechend einem Vorgabe-Verhältnis (oder einer anderen Führungsgröße) in dem Prozessgas regeln oder stellen lässt.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen kann ein reaktiver Sputterprozess bereitgestellt werden, wobei eine targetglobale Leistungsregelung erfolgen kann, beispielsweise mit dem Gesamtfluss des Prozessgases in die Sputter-Prozesskammer hinein als Stellgröße oder mit dem Gesamtfluss der mehreren Reaktivgase in die Sputter-Prozesskammer hinein als Stellgröße. Für die Leistungsregelung kann beispielsweise die chemische Zusammensetzung (bzw. das Mischungsverhältnis) des Prozessgases vorgegeben sein, so dass ein Betriebspunkt der Sputteranordnung eindeutig mittels der Generatorgrößen und der vorgegebenen chemischen Zusammensetzung definiert sein kann, wobei die vorgegebene chemische Zusammensetzung von einer zusätzlichen Regelung gestellt bzw. geregelt werden kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Verfahren zum geregelten reaktiven Sputtern Folgendes aufweisen: geregeltes Zuführen von mehreren Reaktivgasen und mindestens einem Arbeitsgas mittels mehrerer Gaszuführungen in eine Sputter-Prozesskammer, wobei zumindest die mehreren Reaktivgase jeweils separat (oder als Reaktivgasgemisch oder als Prozessgas) in den mehreren Gaszuführungen geführt werden und derart mittels der mehreren Gaszuführungen in die Sputter-Prozesskammer eingeleitet werden, dass unterschiedliche Targetbereiche in der Sputter-Prozesskammer mit den mehreren Reaktivgasen und dem mindestens einen Arbeitsgas versorgt werden; wobei das Zuführen der mehreren Reaktivgase in jeder der mehreren Gaszuführungen mittels einer jeweiligen Zuführregelung, die jeweils einer Gaszuführung der mehreren Gaszuführungen zugeordnet ist, geregelt wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
Es zeigen
1 eine schematische Ansicht einer Sputteranordnung und/oder eines geregelten reaktiven Sputterprozesses, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
2A bis 2C jeweils eine schematische Ansicht einer Sputteranordnung und/oder eines geregelten reaktiven Sputterprozesses, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
3 eine schematische Ansicht einer Sputteranordnung und/oder eines geregelten reaktiven Sputterprozesses, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
4 eine schematische Ansicht einer Sputteranordnung und/oder eines geregelten reaktiven Sputterprozesses, gemäß verschiedenen Ausführungsformen; und
5 eine schematische Ansicht einer Sputteranordnung und/oder eines geregelten reaktiven Sputterprozesses, 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.
In 1 ist schematisch ein geregelter reaktiver Sputterprozess dargestellt, wobei eine Sputteranordnung 100 zum geregelten reaktiven Sputtern eine Regelung R aufweisen kann. Die Sputteranordnung 100 kann eine Sputter-Prozesskammer 102 mit mindestens einer Kathode 104 (einem Target 104) aufweisen, wobei die Sputter-Prozesskammer 102 und die Kathode 104 derart eingerichtet sein können, 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 104 aufweist) 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. Das Target bzw. die Kathode kann ein planares Target sein (z.B. ein Planarmagnetron) oder ein rohrförmiges Target (z.B. ein Rohrmagnetron oder ein Doppelrohrmagnetron) sein. Ferner kann die Sputter-Prozesskammer 102 auch mehrere Targets 104 aufweisen, welche entsprechend geregelt sein können oder werden können, wie hierin beispielsweise für ein Target beschrieben ist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Sputteranordnung, wie hierin beschrieben, eine oder mehrere Vakuumkammern aufweisen, wobei mindestens eine der Vakuumkammern eine Sputter-Prozesskammer 102 sein kann. Beispielsweise kann die Sputteranordnung 100 als eine sogenannte Batch-Beschichtungsanlage eingerichtet sein, in welcher Substrate nacheinander schubweise beschichtet werden können. Ferner kann die Sputteranordnung 100 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. Dabei kann das Substrat mittels mindestens einer Schleusenkammer in die Sputteranordnung 100 eingebracht und/oder aus der Sputteranordnung 100 heraus gebracht werden. Ferner kann die Sputteranordnung 100 als eine sogenannte Luft-zu-Luft (Air-to-Air) Beschichtungsanlage eingerichtet sein oder als eine Bandbeschichtungsanlage, wobei das Substrat beispielsweise von Rolle-zu-Rolle durch die mindestens eine Sputter-Prozesskammer 102 hindurch transportiert werden kann.
Eine Sputteranordnung 100 zum Durchführen eines Kathodenzerstäubungsprozesses (Sputterprozesses) kann beispielsweise mindestens eine Vakuumkammer 102 (z.B. einer Sputter-Kammer, Sputter-Prozesskammer, oder Kompartment) und mindestens ein Kathode 104 (auch als Target 104 bezeichnet) aufweisen, wobei während des Sputterprozesses Material (Targetmaterial) von der Kathode 104 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 111 (oder Prozessbereich 111) bezeichnet werden. Ferner kann die Sputteranordnung 100 eine Transportvorrichtung aufweisen (nicht dargestellt), mittels derer ein Substrat 120 durch die Sputter-Prozesskammer 102 bzw. durch den Prozessierbereich 111 hindurch oder zumindest in den Prozessierbereich 111 hinein geführt werden kann, so dass zumindest ein Teil des Substrats 120 in dem Prozessierbereich 111 beschichtet werden kann. Anschaulich kann sich beispielsweise der Prozessierbereich zwischen mindestens einem Target 104 und mindestens einem zu beschichtenden Substrat 120 in der Sputter-Prozesskammer 102 erstrecken.
Während eines Kathodenzerstäubungsprozesses (eines Sputter-Prozesses) kann in dem Prozessierbereich 111 ein Plasma 104 bereitgestellt sein oder werden, z.B. indem mittels der Kathode 104 ein elektrisches Feld bereitgestellt wird, wobei sich das bereitgestellte elektrische Feld zumindest teilweise in den Prozessierbereich 111 hinein erstreckt. Mittels des Plasmas 106 kann das Target 104 (die Kathode 104) zerstäubt werden (z.B. aufgrund des Ionenbeschusses des Targets mit den im Plasma gebildeten Ionen). Zum Erzeugen des Plasmas kann mindestens ein Arbeitsgas (z.B. Argon oder ein anderes Edelgas oder ein als Arbeitsgas geeignetes Gas) in der Sputter-Prozesskammer 102 bereitgestellt werden. Ferner kann zum reaktiven Sputtern mindestens ein Reaktivgas in der Sputter-Prozesskammer 102 bereitgestellt werden. Die zum Sputtern verwendeten Prozessgase (ein Arbeitsgas oder mehrere Arbeitsgase und ein Reaktivgas oder mehrere Reaktivgase) können mittels einer Gaszuführung in die Sputter-Prozesskammer 102 eingebracht werden, wobei das Einbringen geregelt erfolgen kann, z.B. mittels der Regelung R, welche einen ersten Regelkreis und einen zweiten Regelkreis aufweisen kann.
Beim Magnetronsputtern (einem magnetfeldunterstützten Kathodenzerstäubungsprozess) wird die Plasmabildung mittels eines Magnetsystems (oder mittels einer Magnetanordnung) unterstützt (nicht dargestellt), wobei das Magnetsystem derart angeordnet sein kann oder werden kann, dass sich ein mittels des Magnetsystems erzeugtes Magnetfeld zumindest teilweise in den Prozessierbereich 111 erstreckt. Aufgrund einer Überlagerung des bereitgestellten elektrischen Feldes mit dem erzeugten Magnetfeld kann das Bewegen von Ladungsträgern (z.B. Elektronen) in dem Prozessierbereich 111 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 111 abgewandten Oberfläche des Targets 104 (Targetoberfläche) angeordnet sein. Dabei kann das Magnetsystem derart eingerichtet sein oder eine Vielzahl von Magneten kann räumlich derart angeordnet werden, dass im Prozessierbereich 111 ein Ionisierbereich bereitgestellt wird, in welchem sich das Plasma 106 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 und somit des erzeugten Plasmas eingestellt werden, und/oder die Geometrie des in dem Ionisierbereich 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, beispielsweise 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 104 bzw. der Targetoberfläche des Targets 104 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 geschlossen 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 entlang 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 oder werden, 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 (Cross-Corner-Effekt (CCE)). 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 kann die Sputteranordnung 100 oder eine ähnliche Sputteranordnung 100 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 104 oder das Targetmaterial auch als Kathode 104 bezeichnet werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können in der Sputter-Prozesskammer 102 mehrere Targets 104 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 ungleichmäßigen 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 oder Halbmetall mittels des Arbeitsgases gesputtert werden und mittels eines zugeführten Reaktivgases kann eine Metallverbindung oder Halbmetallverbindung in dem Beschichtungsbereich auf ein 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 (bzw. Verteilung) des Prozessgases oder der Bestandteile 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 Schichtdickenprofil 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 F 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. Dazu können beispielsweise ein oder mehrere optische Sensoren E (z.B. Spektrometer, z.B. aufweisend einen Kollimator oder ein optisches Element, beispielsweise eine Linse oder ein Spiegel) verwendet werden. Der optische Sensor E oder die mehreren optischen Sensoren E können beispielsweise relativ zu dem Prozessierbereich derart angeordnet und/oder ausgerichtet sein oder werden, dass basierend auf einer Emission 106e des Plasmas beispielsweise Plasmaeigenschaften in einem Bereich des Plasmas 106 oder in verschiedenen Bereichen des Plasmas 106 ermittelt werden können und somit bei der Steuerung oder Regelung der Gaszuführungen berücksichtigt werden können. Anschaulich gesehen kann die Analyse der Emission 106e Rückschlüsse auf die Plasmaeigenschaften in einem Bereich ermöglichen.
Ferner können mittels einer Druck-Messanordnung P oder mittels einer Partialdruckmessanordnung P die Partialdrücke der mehreren Reaktivgase (oder auch des Arbeitsgases) in der Sputter-Prozesskammer 102 ermittelt werden, so dass die Partialdrücke und/oder das Partialdruckverhältnis der mehreren Reaktivgase in der Regelung verwendet werden können. Anschaulich kann somit das Mischungsverhältnis der mehreren Reaktivgase auch basierend auf einer Druckmessung eingestellt, angepasst oder geregelt werden.
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 Bereich des Race-Tracks bewegt werden, oder bezüglich des Targets in eine Rotation versetzt werden.
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 Zerstäubungsrate (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 dem metallischen Modus und dem isolierenden Modus), so dass dieser a priori instabile Prozessbereich 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 entlang der Längserstreckung des Targets erfolgen.
Beim reaktiven Sputtern kann die Kurzzeitstabilität mittels eines ersten Regelkreises R1 der Regelung R erfolgen, z.B. basierend auf einer Regelung der Leistung des Generators (des Stroms zwischen Kathode und einer Anode) bei konstanter Spannung mit der Stellgröße des Flusses F (Gesamtfluss) des Prozessgases oder der Reaktivgase. Dabei kann beispielsweise ein Flussverhältnis der mehreren Reaktivgase zueinander vorgegeben sein. Die Regelung R1 kann eine targetglobale Regelung sein. Ferner kann die erste Regelung R1 zum Bereitstellen der Kurzzeitstabilität eines reaktiven Sputterprozesses auf einer Regelung des Partialdrucks des Prozessgases oder der Reaktivgase basieren.
Die zweite Regelung R2 kann beispielsweise eine targetlokale Regelung sein und/oder in die erste Regelung eingreifen (also ein Teil der targetglobalen Regelung sein). Die zweite Regelung R2 kann beispielsweise dazu dienen, den Sputterprozess langzeitstabil zu regeln.
Ferner kann die zweite Regelung R2 dazu dienen, eine Verteilung des Prozessgases in dem Prozessierbereich 111 zu beeinflussen, anzupassen, einzustellen und/oder zu regeln.
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 die 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 F des Prozessgases oder der Reaktivgase in die Sputter-Prozesskammer 102 hinein angepasst werden, z.B. in dem zweiten Regelkreis R2 oder in der zweiten Regelung R2.
Alternativ kann das Mischungsverhältnis des Prozessgases oder 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. Massenspektrometer). 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 R1 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 R1, R2 können mehrere Prozessparameter geregelt und/oder gestellt werden, und mehrere Messungen (z.B. Druckmessungen, optische Messungen, oder Generatorgrößen) können bei der Regelung R berücksichtigt werden.
Anschaulich kann die Kurzzeitstabilität (im Zeitbereich von kleiner als einer Sekunde oder kleiner als einer Minute) mittels eines ersten Regelkreises R1 oder mittels einer ersten Regelung R1 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.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Leistung (als Generatorgröße 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 können 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 R2 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.
Es versteht sich, dass sich für die Regelung R des reaktiven Sputterns verschiedene Modifikationen und/oder unterschiedliche Ausgestaltungen ergeben können, wobei ein Aspekt allerdings darauf basieren kann, gemäß verschiedenen Ausführungsformen, eine möglichst effiziente Regelung für das Einleiten des Prozessgases bereitzustellen, welche die Komplexität des reaktiven Sputterprozesses (mit den verschiedenen Störgrößen resultierend aus dem CCE oder CME oder aus anderen Prozessen, welche beispielsweise die Prozessbedingungen (bzw. den Betriebspunkt) lokal beeinflussen können) berücksichtigen.
Anschaulich werden, gemäß verschiedenen Ausführungsformen, eine Regelung und eine Sputteranordnung derart bereitgestellt, dass beispielsweise Folgendes realisiert werden kann: eine Regelung zum Stabilisieren des reaktiven Sputterprozesses, eine Regelung zum Bereitstellen eines langzeitstabilen reaktiven Sputterprozesses, eine targetglobale Regelung (z.B. zum Stabilisieren des reaktiven Sputterprozesses im Übergangsbereich), eine targetlokale Regelung (z.B. zum Ausgleichen von lokalen Störungen oder Prozessschwankungen, z.B. CCE und/oder CME).
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 in einer schematischen Ansicht veranschaulicht ist, können ein erstes Reaktivgas G1, beispielsweise aus einer ersten Reaktivgasquelle, und ein zweites Reaktivgas G2, beispielsweise aus einer zweiten Reaktivgasquelle, der Sputter-Prozesskammer 102 zugeführt werden, beispielsweise mittels einer Gaszuführung 212. Die Gaszuführung 212 kann beispielsweise ein Segment einer Gaszuführung sein bzw. ein Segment (Teil) einer segmentierten Gaszuführung. Dabei können der Fluss F1 des ersten Reaktivgases G1 und der Fluss F2 des zweiten Reaktivgases G2 in die Sputter-Prozesskammer 102 hinein mittels der Regelung R eingestellt oder geregelt werden. Die Reaktivgase G1, G2 können gemeinsam in einem Fluss F an Reaktivgas in die Sputter-Prozesskammer 102 eingebracht werden, wobei der Fluss F an Reaktivgas durch die Gaszuführung 212 hindurch in die Sputter-Prozesskammer 102 hinein fließen kann und ein Bereich des Targets oder zumindest ein Teil des Prozessierbereichs 111 mit Reaktivgas versorgt werden kann. Dabei kann das erste Reaktivgas G1 beispielsweise Sauerstoff und das zweite Reaktivgas G2 beispielsweise Stickstoff sein. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Fluss F an Reaktivgas durch die Gaszuführung 212 hindurch in der Sputter-Prozesskammer 102 aufgeteilt werden, z.B. kann der Fluss F an Reaktivgas mittels eines Segmentes eines Gaskanals in die Sputter-Prozesskammer 102 eingeleitet werden, wobei das Segment des Gaskanals mehrere Gasaustrittsöffnungen aufweisen kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Mischungsverhältnis der Flüsse F1/F2 geregelt werden, beispielsweise als Stellgröße oder Regelgröße des zweiten Regelkreises R2 der Regelung R. Ferner kann jedes der Reaktivgase mittels eines separaten Regelkreises der Sputter-Prozesskammer 102 zugeführt werden.
Ferner können, wie in 2B in einer schematischen Ansicht veranschaulicht ist, ein erstes Reaktivgas G1, beispielsweise aus einer ersten Reaktivgasquelle, und ein zweites Reaktivgas G2, beispielsweise aus einer zweiten Reaktivgasquelle, und ein Arbeitsgas G3, beispielsweise aus einer Arbeitsgasquelle, der Sputter-Prozesskammer 102 zugeführt werden, beispielsweise mittels einer Gaszuführung 212, wie vorangehend beschrieben. Dabei können die mehreren Reaktivgase G1, G2 und das Arbeitsgas G3 als Prozessgas der Sputter-Prozesskammer 102 zugeführt werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Mischungsverhältnis der Flüsse F1/F2, F2/F3, F1/F3 der Gase G1, G2, G3 geregelt werden, beispielsweise als Stellgröße oder Regelgröße des zweiten Regelkreises R2 der Regelung R. Ferner kann jedes der Gase G1, G2, G3 mittels eines separaten Regelkreises der Sputter-Prozesskammer 102 zugeführt werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Mischen der Reaktivgase G1, G2 und/oder des Arbeitsgases G3 vor dem Einleiten in die Sputter-Prozesskammer 102 erfolgen, beispielsweise mittels eines zusätzlichen Mischers, und/oder in der Gaszuführung 212 erfolgen.
Es versteht sich, dass auch mehr als zwei Reaktivgase und/oder mehr als ein Arbeitsgas in der hierin beschriebenen Weise der Sputter-Prozesskammer 102 geregelt zugeführt werden können.
Wie vorangehend beschrieben, können die Flüsse F1, F2, F3 der Bestandteile des Prozessgases mittels der Regelung R gestellt werden, beispielsweise mittels eines Stellgliedes S oder mittels mehrerer Stellglieder S, z.B. mittels mehrerer Ventile V1, V2, wie in 2C beispielhaft für zwei Reaktivgase G1, G2 veranschaulicht ist.
Der Fluss F1 des ersten Reaktivgases G1 kann mittels eines ersten Ventils V1 (oder eines ersten Masseflussreglers V1) gestellt werden. Das erste Ventil V1 kann mit dem Regler R 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. Der Fluss F2 des zweiten Reaktivgases G2 kann mittels eines zweiten Ventils V2 (oder eines zweiten Masseflussreglers V2) gestellt werden. Das zweite Ventil V2 kann mit dem Regler R 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. Dabei kann die Regelung R der Flüsse F1, F2 derart erfolgen, wie hierin beschrieben. In analoger Weise kann auch ein weiteres Reaktivgas und/oder Arbeitsgas oder können auch mehrere weitere Reaktivgase und/oder Arbeitsgase in die Sputter-Prozesskammer 102 eingeleitet werden.
Das Prozessgas kann beispielsweise mittels der Gaszuführung 212 derart in die Sputter-Prozesskammer 102 eingebracht werden, dass zumindest ein Teil des Targets 104 mit Prozessgas versorgt werden kann. Ferner kann die Sputteranordnung 100 eine zusätzliche Gaszuführung aufweisen, zum Einleiten eines Arbeitsgases oder zumindest eines Teil des Arbeitsgases, wobei das Zuführen des Arbeitsgases mittels der zusätzlichen Gaszuführung (nicht dargestellt) targetglobal erfolgen kann.
Wie in 2C 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 gemischt mittels der gemeinsamen Gaszuführung 212 in die Sputter-Prozesskammer 102 eingeleitet werden. Ferner können auch die mehreren Reaktivgase und das mindestens eine Arbeitsgas vor dem Zuführen in die Sputter-Prozesskammer 102 in einer Mischvorrichtung M gemischt werden. In diesem Fall können die mehreren Reaktivgase gemischt mittels der gemeinsamen Gaszuführung 212 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.
Ferner kann die in den 2A bis 2C beschriebene Zuführung des Prozessgases auch mehrmals in der Sputteranordnung 100 verwendet werden, so dass jeweils das Prozessgas geregelt in verschiedene Bereiche der Sputter-Prozesskammer 102 eingebracht werden kann, beispielsweise um die Verteilung des Prozessgases in der Sputter-Prozesskammer 102 zu beeinflussen, wie vorangehend beschrieben.
Es versteht sich, dass sich mehrere Kombinationsmöglichkeiten für das Zuführen und Regeln der Prozessgase unter Verwendung der hierin beschriebenen Regelung R und Zuführung ergeben können.
Die Regelung R 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 100) integriert sein. Zum Bereitstellen einer schnellen Regelung R (z.B. im Sekunden-Bereich oder im Millisekunden-Bereich) kann das Stellglied S, der Regler R oder das Ventil beispielsweise mindestens ein Piezoventil aufweisen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Sputteranordnung 100, wie es beispielsweise für die Sputteranordnung 100 in 3 veranschaulicht ist, derart eingerichtet sein, dass sich eine Gaszuführung 312 im Wesentlichen parallel zu der Kathode 104 oder dem Target 104 erstreckt, so dass das Target bzw. der Race-Track mit Prozessgas versorgt werden kann, wobei die Gaszuführung 312 segmentiert ist, beispielsweise in fünf Segmente 212a, 212b, 212c, 212d, 212e. Alternativ kann die Gaszuführung 312 auch in mehr als fünf oder weniger als fünf Segmente aufgeteilt sein, beispielsweise in Abhängigkeit davon, mit welcher Genauigkeit die Verteilung des Prozessgases in dem Prozessierbereich eingestellt werden soll. Ferner kann die Gaszuführung 312 auch gewinkelt oder gebogen eingerichtet sein, so dass das Prozessgas aus unterschiedlichen Richtungen bereitgestellt werden kann. Ferner können auch mehrere Gaszuführungen 312 in der Sputter-Prozesskammer 102 angeordnet sein, zum Bereitstellen des Prozessgases in verschiedenen Bereichen der Sputter-Prozesskammer 102 oder in verschiedenen Bereichen des Prozessierbereichs der Sputter-Prozesskammer 102.
Dabei kann das Prozessgas separat mit einem jeweiligen Fluss des Prozessgases Fa, Fb, Fc, Fd, Fe dem jeweiligen Segment 212a, 212b, 212c, 212d, 212e der segmentierten Gaszuführung 312 zugeführt werden und aus dem jeweiligen Segment 212a, 212b, 212c, 212d, 212e in die Sputter-Prozesskammer 102 hinein strömen 214a, 214b, 214c, 214d, 214e.
Dabei kann beispielsweise jeder der Flüsse Fa, Fb, Fc, Fd, Fe des Prozessgases wie vorangehend beschrieben geregelt oder gestellt werden, beispielsweise jeweils mittels eines separaten Regelkreises oder mittels einer gemeinsamen Regelung R. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann für jedes Segment 212a, 212b, 212c, 212d, 212e der segmentierten Gaszuführung 312 der Fluss des Prozessgases Fa, Fb, Fc, Fd, Fe sowie die chemische Zusammensetzung (das Mischungsverhältnis der Bestandteile) des Prozessgases angepasst, gestellt oder geregelt werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann jedes der Segmente 212a, 212b, 212c, 212d, 212e der segmentierten Gaszuführung 312 einen unterschiedlichen Bereich des Targets versorgen (bzw. einen unterschiedlichen Wirkungsbereich aufweisen), wobei der versorgte Bereich beispielsweise mit der Gasaustrittsrichtung 214a, 214b, 214c, 214d, 214e des Prozessgases aus der segmentierten Gaszuführung 312 korreliert sein kann.
Das Prozessgas kann beispielsweise gerichtet aus den Segmenten (den Segment-Zuführungen) 212a, 212b, 212c, 212d, 212e austreten oder ausströmen, wobei die Schwerpunktsbewegung des ausströmenden Gases die Haupt-Gasaustrittsrichtung 214a, 214b, 214c, 214d, 214e des Prozessgases aus der segmentierten Gaszuführung 312 definieren kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Gasaustrittsrichtung 214a, 214b, 214c, 214d, 214e des Prozessgases aus der segmentierten Gaszuführung 312 eingestellt oder angepasst werden, beispielsweise indem entsprechende Gasaustrittsöffnungen in der segmentierten Gaszuführung 312 bereitgestellt werden.
4 veranschaulicht eine Sputteranordnung 100 mit einer Regelung R1, R2 für mindestens zwei Reaktivgase, die als Prozessgas oder als Teil eines Prozessgases der Sputter-Prozesskammer 102 zugeführt werden, wobei das Prozessgas in verschiedene Bereiche der Sputter-Prozesskammer 102 unter Verwendung mehrerer Flüsse Fa, Fb, Fc, Fd, Fe eingeleitet (eingebracht) wird. Wie vorangehend beschrieben, können die mehreren Reaktivgase und/oder das mindestens eine Arbeitsgas der Sputter-Prozesskammer 102 jeweils gemischt zugeführt werden. Somit kann beispielsweise in dem Prozessierbereich 111 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 Fa des Prozessgases ein erster Bereich 106a des Plasmas 106 beeinflusst werden, mittels eines zweiten Flusses Fb des Prozessgases ein zweiter Bereich 106b des Plasmas 106, mittels eines dritten Flusses Fc ein dritter Bereich 106c des Plasmas 106, mittels eines vierten Flusses Fd ein vierter Bereich 106d des Plasmas 106 und mittels eines fünften Flusses Fe ein fünfter Bereich 106e 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, die Plasmaeigenschaften des Plasmas 106 in dem dritten Bereich 106c mittels eines dritten Spektrometers E3, die Plasmaeigenschaften des Plasmas 106 in dem vierten Bereich 106d mittels eines vierten Spektrometers E4 und die Plasmaeigenschaften des Plasmas 106 in dem fünften Bereich 106e mittels eines fünften Spektrometers E5. Ferner kann eine Spektrometer-Anordnung verwendet werden, um die jeweiligen Plasmaeigenschaften des Plasmas 106 in den lokalen Bereichen 106a, 106b, 106c, 106d, 106e mittels der jeweiligen Emission 106e zu ermitteln. Dazu können beispielsweise einzelne Emissionslinien oder Teile des erfassten optischen Spektrums analysiert werden und basierend darauf kann mittels der ersten Regelung und/oder mittels der zweiten Regelung R2 der jeweilige Fluss Fa, Fb, Fc, Fd, Fe des Prozessgases (mittels des Stellglieds S oder mittels mehrerer Stellglieder) zum Beeinflussen des Plasmas 106 in den verschiedenen Bereichen 106a, 106b, 106c, 106d, 106e angepasst werden.
Das lokale Beeinflussen des Plasmas 106 bzw. das lokale Anpassen der Beschichtungsbedingungen in den verschiedenen Bereichen 106a, 106b, 106c, 106d, 106e kann beispielsweise 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 Fa, Fb, Fc, Fd, Fe 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 Fa, Fb, Fc, Fd, Fe als Stellgröße einer Leistungsregelung R1 oder Partialdruckregelung R1 verwendet werden.
Es versteht sich, dass auch mehr oder weniger als fünf Bereiche des Plasmas 106 derart analysiert und angepasst werden können, z.B. zwei, drei, vier, sechs, sieben, acht, neun, zehn, oder mehr als zehn Bereiche des Plasmas. Ferner können die Bereiche des Plasmas auch als Bereiche des Targets 104, oder als Bereiche des Prozessierbereichs 111 verstanden werden.
Ferner kann eine derartige Regelung und Zuführung 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. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können beispielsweise mehrere segmentierte Gaskanäle beidseitig eines Targets 104 angeordnet sein, beispielsweise zum Ausgleichen des CCE oder CME. Ferner können mehrere segmentierte Gaskanäle (z.B. drei) beidseitig mehrerer Targets 104 angeordnet sein, sowie zwischen zwei Targets 104.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein segmentierter Gaskanal oder können mehrere segmentierte Gaskanäle um ein Target 104 oder um mehrere Targets 104 herum angeordnet sein, so dass das Target 104 oder die mehreren Targets 104 optimal mit Prozessgas versorgt werden können, bzw. so dass die Verteilung des Prozessgases in der Sputter-Prozesskammer 102 optimal eingestellt werden kann.
5 veranschaulicht beispielhaft eine Sputteranordnung 100 mit einem in der Sputter-Prozesskammer 102 angeordneten Target 104, wobei ein erster segmentierter Gaskanal 312 und ein zweiter segmentierter Gaskanal 512 jeweils beidseitig des Targets angeordnet sind. Die Gaskanäle 312, 512 können im Wesentlichen parallel (mit einer maximalen Abweichung von ±10° oder ±5° von einer parallelen Ausrichtung) zur Längserstreckung des Targets 104 (entlang der Richtung 101) angeordnet sein. Dabei können das Target sowie die Gaskanäle eine Länge (entlang der Richtung 101) in einem Bereich von ungefähr 1 m bis ungefähr 4 m aufweisen.
Das Prozessgas kann, wie vorangehend beschrieben, beispielsweise separat mit einem jeweiligen Fluss des Prozessgases Fa, Fb, Fc, Fd, Fe dem jeweiligen Segment 212a, 212b, 212c, 212d, 212e der ersten segmentierten Gaszuführung 312 zugeführt werden und aus dem jeweiligen Segment 212a, 212b, 212c, 212d, 212e in die Sputter-Prozesskammer 102 hinein strömen 214a, 214b, 214c, 214d, 214e. Ferner kann das Prozessgas, analog zur vorangehenden Beschreibung, beispielsweise separat mit einem jeweiligen Fluss des Prozessgases Ff, Fg, Fh, Fi, Fj dem jeweiligen Segment 512a, 512b, 512c, 512d, 512e der zweiten segmentierten Gaszuführung 512 zugeführt werden und aus dem jeweiligen Segment 512a, 512b, 512c, 512d, 512e in die Sputter-Prozesskammer 102 hinein strömen 514a, 514b, 514c, 514d, 514e.
Dabei kann beispielsweise jeder der Flüsse Fa, Fb, Fc, Fd, Fe, Ff, Fg, Fh, Fi, Fj des Prozessgases wie vorangehend beschrieben geregelt, angepasst oder gestellt werden, beispielsweise jeweils mittels eines separaten Regelkreises oder mittels einer gemeinsamen Regelung R. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann für jedes Segment 212a, 212b, 212c, 212d, 212e der ersten segmentierten Gaszuführung 312 und für jedes Segment 512a, 512b, 512c, 512d, 512e der zweiten segmentierten Gaszuführung 512 der Fluss des Prozessgases Fa, Fb, Fc, Fd, Fe, Ff, Fg, Fh, Fi, Fj sowie die chemische Zusammensetzung (das Mischungsverhältnis der Bestandteile) des Prozessgases angepasst, gestellt oder geregelt werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die segmentierten Gaszuführungen 312, 512 derart eingerichtet sein, dass mittels der segmentierten Gaszuführungen 312, 512 das Target 104 oder die Kathode 104 aus unterschiedlichen Richtungen mit Prozessgas versorgt werden kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Gasaustrittsrichtung 514a, 514b, 514c, 514d, 514e des Prozessgases aus der zweiten segmentierten Gaszuführung 512 eingestellt oder angepasst werden, beispielsweise indem entsprechende Gasaustrittsöffnungen in der zweiten segmentierten Gaszuführung 512 bereitgestellt werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die verschiedenen Segmente der Gaszuführungen 312, 512 auf unterschiedliche Weise mit Prozessgas versorgt werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können mindestens zwei Segmente der Gaszuführungen 312, 512 geregelt mit beispielsweise einem gemischten Prozessgas versorgt werden, wie hierin beschrieben, wobei das Prozessgas mehrere Reaktivgase oder mehrere Reaktivgase und ein Arbeitsgas oder mehrere Reaktivgase und mehrere Arbeitsgase aufweisen kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Reaktivgas oder ein Arbeitsgas (z.B. Sauerstoff, Stickstoff, Argon) nur einem Teil der Segmente der Gaszuführungen 312, 512 zugeführt werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können auch mehrere Segmente der Gaszuführungen 312, 512 einem gemeinsamen Regelkreis (einer gemeinsamen Segment-Zuführregelung) zugeordnet sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Fluss des Prozessgases durch ein Segment der Gaszuführungen 312, 512 hindurch 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 ein reaktiver Sputterprozess mittels einer Großkathode (z.B. mit einer räumlichen Ausdehnung von mehr als einem Meter) bereitgestellt sein oder werden, z.B. zum Sputtern von Aluminium dotiertem Zinkoxid (ZnO:Al) oder Indiumzinnoxid (ITO). Neben den Erscheinungen wie Cross-Corner-Effect (CCE) und Cross-Magnetron-Effect (CME), kann mittels der hierin beschriebenen Sputteranordnung und dem Verfahren zum geregelt reaktiven Sputtern ferner eine unterschiedliche Plasmastöchiometrie ausgeglichen werden, welche bei in Drehrichtung erster und zweiter Race-Track-Linie von Rohrmagnetrons auftreten kann (z.B. bei benachbarten linearen oder geraden (linear verlaufenden) Bereichen des Race-Tracks bei einer rotierenden Kathode). Diese Effekte können zu unterschiedlichen Plasmastöchiometrien an verschiedenen Stellen des Targets führen, sei es durch eine lokal geänderte Magnetfeldstärke und damit Plasmadichte (wie beispielsweise beim CCE) oder elektrische und magnetische Wechselwirkungen der beiden Targets eines Doppelrohr-Magnetrons ebenfalls verbunden mit erhöhter Plasmadichte (wie beispielsweise beim CME), sowie Lage der Anoden (Elektronentemperatur und Plasmadichte) und unterschiedlicher Redeposition mittels beider Racetrackhälften beim Drehen des Rohrtargets (unterschiedliche Plasmastöchiometrie). Im Fall des ZnO:Al wurde beispielsweise erkannt, dass eine gezielte Reaktivgaszufuhr die Effekte deutlich abschwächen bzw. eliminieren kann, so dass der gesamte Race-Track (also beide Linien oder linear verlaufende Bereiche) in einer einheitlichen Zusammensetzung brennt oder in einem einheitlichen Betriebspunkt (z.B. chemische Zusammensetzung oder Temperatur) gehalten werden kann.
In dem Fall, dass ein Sputterprozess mit mehr als einem Reaktivgas gefahren (versorgt) werden soll, ergeben sich die beschriebenen Effekte durch CCE, CME und unterschiedlich brennende Race-Track-Hälften (entlang der Längsausdehnung des Targets gegenüberliegend verlaufende Bereiche des Race-Tracks) in komplizierterer Form. Der Targetoberflächenzustand des Targetmaterials (z.B. die Belegung des Targets mit einem Reaktivgas, wie beispielsweise einem Oxid) kann dann beispielsweise von mindestens zwei Reaktivgasen abhängen, deren Belegung der Targetoberfläche aber von mehreren Prozessparametern abhängig sein kann: z.B. Druck, Leistung, Magnetfeldstärke, Anteil des jeweils anderen Gases, und weitere Parameter. Für empfindliche Prozesse wie das reaktive Sputtern von AlO_xN_y (oder von MO_xN_y; M = Metall), wobei beispielsweise x und y größer als null sein können, kann daher beispielsweise eine einfache Mischung der Reaktivgase in einem festen Verhältnis nicht mehr ausreichen, da sich bei konstantem Flussverhältnis (z.B. 90% N₂ und 10% O₂) aber durchaus unterschiedlicher Trimmung (also Gesamtflussanteilen) in den Reaktivgassegmenten am Target die Arbeitspunkte (Betriebspunkte) je nach Position auf der Racetrackhälfte oder Ausprägung des CCE unterschiedlich einstellen. Ein befriedigend homogener Arbeitspunkt kann somit mit herkömmlichen Sputterverfahren oder herkömmlichen Regelungen nicht über die gesamte Länge des Racetrackumfangs erreicht werden. Anschaulich gesehen lassen sich Abweichung vom vorgegebenen Betriebspunkt entlang des Race-Tracks mittels des Zuführens einer vorgegebenen Prozessgaszusammensetzung in unterschiedliche Bereiche des Race-Tracks nicht zufriedenstellend ausgleichen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können lokal unterschiedliche Plasmabedingungen (z.B. durch CCE und CME bzw. unterschiedlich brennende Race-Track-Hälften) und damit ein lokal unterschiedlicher Reaktivgasverbrauch bei der Regelung des reaktiven Sputterprozesses berücksichtigt werden und der nötige Partialdruck von mehr als einem verwendeten Reaktivgas kann lokal eingestellt oder angepasst werden. Um den Reaktivgaspartialdruck lokal fein genug (gemäß einer benötigten räumlichen Auflösung) einstellen zu können, kann ein unterteilter (segmentierter Gaskanal) verwendet werden. Dabei können auch mehrere Reaktivgaskanäle beiderseits des einen oder der mehreren Targets angeordnet sein, um dem mit unterschiedlicher Stöchiometrie brennenden Race-Track-Hälften Rechnung zu tragen und diese Stöchiometrieunterschiede auszugleichen. Des Weiteren können die beiden Reaktivgaskanäle neben dem Quertrimmen (Anpassen der Gaszuführung entlang der Längserstreckung des Targets quer zu einer Transportrichtung eines Substrats beim Beschichten) dazu verwendet werden, ein Kreuztrimmschema zu realisieren, um beispielsweise den CCE auszugleichen. Da hierbei die verschiedenen Reaktivgase gemäß ihrer unterschiedlichen Anregungs- und Ionisierungsquerschnitte mit unterschiedlichen Kreuztrimmverteilungen eingelassen werden müssen, kann es erforderlich sein, wie hierin beschrieben, für jedes Reaktivgassegment oder zumindest für mehrere Reaktivgassegmente der Reaktivgaskanäle eine eigene Mischung der Reaktivgase zuzulassen. Ferner kann in ein entsprechendes Reaktivgassegment zusätzlich auch ein Anteil (oder vollständig) des Arbeitsgases eingelassen werden, da es beim reaktiven Sputtern auf das Verhältnis von schichtbildenden zu ankommenden Teilchen bzw. ionisierten zu neutralen Teilchen ankommen kann, was von der Ionisierung des Arbeitsgases beeinflusst oder dazu korreliert sein kann. Als Arbeitsgas kann beispielsweise Argon verwendet werden, oder auch (beispielsweise zusätzlich) ein anderes Inertgas wie Krypton oder Helium oder eine Mischung aus Inertgasen. Die Kontrolle des Einstellens der Reaktivgasflüsse kann örtlich aufgelöst erfolgen unter Verwendung optischer Emissionsspektroskopie (OES). Aus verschiedenen (Emissions-)Linien des Plasmas des schichtbildenden Materials sowie des Prozessgases (z.B. können Linien von Elementen aller Gase berücksichtigt oder verwendet werden) können beispielsweise Regelkennzahlen abgeleitet werden, die zum Stellen der Reaktivgas- und Arbeitsgasflüsse verwendet 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.
Analog zum vorangehend Beschriebenen kann das Mischen der Reaktivgase auch innerhalb der Sputter-Prozesskammer erfolgen, z.B. mittels einer oder mehrerer Düsen, wobei die mehreren Reaktivgase separat geführt werden und erst beim Einleiten in die Sputter-Prozesskammer zu einem Prozessgas gemischt werden. Ferner können auch die mehreren Reaktivgase und das Arbeitsgas separat geführt werden und erst beim Einleiten in die Sputter-Prozesskammer zu einem Prozessgas gemischt werden. Ferner können auch die mehreren Reaktivgase jeweils mit dem Arbeitsgas gemischt separat geführt werden und erst beim Einleiten in die Sputter-Prozesskammer zu einem Prozessgas gemischt werden. Dabei kann jede der Gaszuführungen mittels einer zugeordneten Regelung geregelt werden, so dass das jeweilige Prozessgas lokal in den verschiedenen Targetbereichen angepasst werden kann.

Claims

Verfahren zum geregelten reaktiven Sputtern, wobei das Verfahren aufweist: • geregeltes Zuführen von mehreren Reaktivgasen und mindestens einem Arbeitsgas in eine Sputter-Prozesskammer, wobei die mehreren Reaktivgase mittels mehrerer Segment-Zuführungen zum Versorgen unterschiedlicher Targetbereiche bereitgestellt werden, wobei die mehreren Reaktivgase gemeinsam in einem jeweiligen Prozessgas durch jede der Segment-Zuführungen geführt werden; • wobei das Zuführen der Prozessgase in jeder der Segment-Zuführungen mittels einer jeweiligen Segment-Zuführregelung, die jeweils einer Segment-Zuführung zugeordnet ist, geregelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei bei der jeweiligen Segment-Zuführregelung eine chemische Zusammensetzung des mittels der zugeordneten Segment-Zuführung zugeführten Prozessgases angepasst, eingestellt und/oder geregelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die jeweilige Segment-Zuführregelung unter Berücksichtigung mindestens einer Plasmaeigenschaft eines mittels des zugeführten Prozessgases beeinflussten Plasmas in der Sputter-Prozesskammer erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die jeweilige Segment-Zuführregelung jeweils für jedes Reaktivgas der mehreren Reaktivgase einen Fluss des Reaktivgases in die Sputter-Prozesskammer hinein als Stellgröße aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das mindestens eine Arbeitsgas gemeinsam mit den mehreren Reaktivgasen in dem jeweiligen Prozessgas durch jede der Segment-Zuführungen geführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei die jeweilige Segment-Zuführregelung für das mindestens eine Arbeitsgas einen Fluss des mindestens einen Arbeitsgases in die Sputter-Prozesskammer hinein als Stellgröße aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die jeweilige Segment-Zuführregelung unter Verwendung von mindestens einem Messwert erfolgt, welcher die Plasmaeigenschaften in dem entsprechend versorgten Targetbereich repräsentiert.
Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei der mindestens eine Messwert für die jeweilige Segment-Zuführregelung mittels einer optischen Spektroskopie des Plasmas in den jeweiligen Targetbereichen ermittelt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Zuführen des mindestens einen Arbeitsgases in die Sputter-Prozesskammer zumindest teilweise mittels einer Gaszuführung erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, ferner aufweisend: Regeln eines Gesamtflusses der zugeführten Prozessgase und des mindestens einen zugeführten Arbeitsgases als Stellgröße.
Sputteranordnung (100) aufweisend: • eine Sputter-Prozesskammer mit mindestens einem Magnetron zum Beschichten eines Substrats innerhalb der Sputter-Prozesskammer (102) unter Verwendung eines Plasmas (106); • mehrere Segment-Zuführungen (212), wobei die mehreren Segment-Zuführungen (212) zum Versorgen unterschiedlicher Magnetronbereiche mit einem Prozessgas eingerichtet sind, und wobei jede der mehreren Segment-Zuführungen (212) mit jeweils einem entsprechend der Segment-Zuführungen zugeordneten Segment-Zuführregler (R) gekoppelt ist; • wobei das Prozessgas zumindest mehrere Reaktivgase aufweist, welche gemeinsam in einem jeweiligen Prozessgas durch jede der Segment-Zuführungen (212) geführt werden.
Sputteranordnung gemäß Anspruch 11, wobei jeder der Segment-Zuführregler (R) derart eingerichtet ist, dass ein Verhältnis der mehreren Reaktivgase zueinander entsprechend einem Vorgabe-Verhältnis in dem Prozessgas geregelt oder gestellt wird.
Verfahren zum geregelten reaktiven Sputtern, wobei das Verfahren aufweist: • geregeltes Zuführen von mehreren Reaktivgasen und mindestens einem Arbeitsgas mittels mehrerer Gaszuführungen in eine Sputter-Prozesskammer, wobei zumindest die mehreren Reaktivgase jeweils separat (oder als Reaktivgasgemisch oder als Prozessgas) in den mehreren Gaszuführungen geführt werden und derart mittels der mehreren Gaszuführungen in die Sputter-Prozesskammer eingeleitet werden, dass unterschiedliche Targetbereiche in der Sputter-Prozesskammer mit den mehreren Reaktivgasen und dem mindestens einen Arbeitsgas versorgt werden; • wobei das Zuführen der mehreren Reaktivgase in jeder der mehreren Gaszuführungen mittels einer jeweiligen Zuführregelung, die jeweils einer Gaszuführung der mehreren Gaszuführungen zugeordnet ist, geregelt wird.