-
Die Erfindung betrifft eine Magnetronanordnung, eine Prozessieranordnung und ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats.
-
Im Allgemeinen können verschiedene Beschichtungsverfahren dazu genutzt werden, Schichten oder Beschichtungen auf ein Substrat oder auf einen anderen Träger aufzubringen. Zum Herstellen dünner Schichten können beispielsweise chemische Gasphasenabscheidungsprozesse oder physikalische Gasphasenabscheidungsprozesse genutzt werden, wie beispielsweise die Kathodenzerstäubung (das so genannte Sputtern oder die so genannte Sputter-Deposition). Modifikationen der Kathodenzerstäubung sind beispielsweise das reaktive Sputtern und das reaktive Magnetronsputtern. Beim reaktiven Sputtern wird zum einen ein Arbeitsgas (z.B. Argon) verwendet, um die Kathode (das Targetmaterial) zu zerstäuben, wobei das Arbeitsgas nicht chemisch 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 oder auf dem Substrat bilden.
-
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 (z.B. mittels einer Leistungsregelung) und/oder lokal in einem Bereich der Sputter-Prozesskammer ausgeglichen werden, z.B. mittels eines geregelten Zuführens eines Prozessgases (Arbeitsgases oder Reaktivgases) mittels einer Prozessgaszuführung in den betreffenden Bereich der Sputter-Prozesskammer.
-
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 mindestens einer Anode aufweisen. Der elektrische Strom, welcher bei einer jeweils angelegten Spannung zwischen der Kathode und der Anode fließt, kann von den Gasen (z.B. der Zusammensetzung und/oder dem Druck des Prozessgases) in der Sputter-Prozesskammer abhängig sein. Somit ergeben sich für den Generator sowie für das Zuführen des Prozessgases verschiedene Betriebsarten bzw. Steuermöglichkeiten und/oder Regelungsmöglichkeiten, um einen Betriebspunkt einzustellen.
-
Bei einem längserstreckten Magnetron, z.B. bei einem Planarmagnetron oder Doppel-Planarmagnetron oder bei einem Rohrmagnetron oder Doppel-Rohrmagnetron, kann das Prozessgas (das Arbeitsgas und/oder das Reaktivgas) mittels einer entlang der Längserstreckung segmentierten Gaszuführung geregelt dem Magnetron zugeführt werden, wobei der Arbeitspunkt des Magnetrons lokal mittels des zugeführten Gases beeinflusst (eingestellt oder geregelt) werden kann. Anschaulich kann es zum Abscheiden einer homogenen Schicht mittels reaktiven Sputterns notwendig sein, einzelne Abschnitte der Magnetronkathode des Magnetrons mit unterschiedlichen Gasen (z.B. mit unterschiedlicher Gaszusammensetzung und/oder unterschiedlichem Druck bzw. unterschiedlichem Gasfluss) zu versorgen. Mit anderen Worten kann das Prozessgas derart in einen Prozessierraum zwischen einer Magnetronkathode und einem zu beschichtenden Substrat eingebracht werden, dass die räumliche Dichteverteilung (bzw. die räumliche Verteilung) des Prozessgases oder der Bestandteile des Prozessgases eine homogene Schichtabscheidung (z.B. über die gesamte Substratbreite oder über die gesamte Substratfläche) auf dem zu beschichtenden Substrat ermöglichen.
-
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird eine Gaszuführung für ein Magnetron bereitgestellt, zum Betreiben eines reaktiven Sputterprozesses, wobei mittels der Gaszuführung ein an dem Target (an der Magnetronkathode) ablaufender Reaktivprozess von einem an dem Substrat ablaufenden Reaktivprozess separiert werden kann. Die Gaszuführung kann derart bereitgestellt sein oder werden, dass ein Reaktivprozess, welcher an dem Substrat ablaufen würde, wenn das Substrat in Kontakt mit einem Reaktivgas kommt, unterdrückt wird oder wesentlich verringert wird, so dass die schichteigenschaftsbestimmenden Prozesse (z.B. die Reaktivprozesse) nur am Target ablaufen. Ein definiertes Einstellen der Stöchiometrie und/oder der räumlichen Verteilung des Plasmas und somit die erzeugte Stöchiometrie und/oder Homogenität der abzuscheidenden Schicht kann am Target erfolgen, so dass am Substrat eine Schicht mit definierter Stöchiometrie kondensieren kann. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Plasma am Target (an der Magnetronkathode) lokalisiert sein oder werden, d.h. eine Ausbreitung des Plasmas in Richtung Substrat kann unterdrückt sein oder reduziert werden, so dass lokal unterschiedliche Energieeinträge aufgrund von Gradienten in der Anregung der Arbeitsgasteilchen vermieden oder reduziert werden können.
-
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können der Gaseinlass des Prozessgases in die Sputter-Prozesskammer (Vakuumprozessierkammer oder Vakuumkammer) zum Versorgen des Magnetrons und die Saugleistungsverteilung zum Evakuieren der Sputter-Prozesskammer derart bereitgestellt sein, dass die Reaktivprozesse hauptsächlich am Target bzw. in der Nähe des Targets ablaufen, z.B. in einem Abstand von weniger als 20 cm vom Target. Beispielsweise kann die Saugleistung derart angeordnet sein oder werden, dass die Gasteilchen des zugeführten Reaktivgases und/oder Arbeitsgases hinter dem Target abgesaugt werden, so dass diese vom Substrat fern gehalten werden.
-
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Magnetronanordnung Folgendes aufweisen: ein Magnetron mit einer Magnetanordnung und einer Magnetronkathode mit einer zu zerstäubenden Oberfläche, wobei die Magnetanordnung einen Plasmabereich über der zu zerstäubenden Oberfläche der Magnetronkathode definiert; eine erste Gaszuführungsanordnung mit mindestens einem ersten Gaseinlass zum Bereitstellen eines Reaktivgases in und/oder an dem Plasmabereich, wobei die erste Gaszuführungsanordnung eingerichtet ist, den mindestens einen ersten Gaseinlass derart zu steuern und/oder zu regeln, dass das Reaktivgas in und/oder an dem Plasmabereich bereitgestellt wird, so dass ein von der zu zerstäubenden Oberfläche abgetragenes Material, welches sich in Richtung eines Beschichtungsbereichs ausbreitet, zum Beschichten eines Substrats innerhalb des Beschichtungsbereichs mit dem von der ersten Gaszuführungsanordnung bereitgestellten Reaktivgas chemisch reagieren kann; eine zweite Gaszuführungsanordnung mit mindestens einem zweiten Gaseinlass zum Bereitstellen eines Inertgases zwischen dem Plasmabereich und dem Beschichtungsbereich, wobei die zweite Gaszuführungsanordnung eingerichtet ist, den mindestens einen zweiten Gaseinlass derart zu steuern und/oder zu regeln, dass das Inertgas zwischen den Plasmabereich und den Beschichtungsbereich eingebracht wird, so dass eine Ausbreitung des von der ersten Gaszuführungsanordnung bereitgestellten Reaktivgases in den Beschichtungsbereich vermindert wird.
-
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Magnetronanordnung Folgendes aufweisen: eine Magnetronkathode mit einer zu zerstäubenden Oberfläche und eine Magnetanordnung, wobei die Magnetanordnung einen Plasmabereich über der zu zerstäubenden Oberfläche der Magnetronkathode definiert; eine erste Gaszuführungsanordnung mit mindestens einem ersten Gaseinlass zum Bereitstellen eines Reaktivgases in und/oder an dem Plasmabereich, wobei die erste Gaszuführungsanordnung eingerichtet ist, den mindestens einen ersten Gaseinlass derart zu steuern und/oder zu regeln, dass das Reaktivgas in und/oder an dem Plasmabereich bereitgestellt wird, so dass ein von der zu zerstäubenden Oberfläche abgetragenes Material, welches sich in Richtung eines Beschichtungsbereichs ausbreitet, zum Beschichten eines Substrats innerhalb des Beschichtungsbereichs mit dem von der ersten Gaszuführungsanordnung bereitgestellten Reaktivgas chemisch reagieren kann; eine zweite Gaszuführungsanordnung mit mindestens einem zweiten Gaseinlass zum Bereitstellen eines Inertgases zwischen dem Plasmabereich und dem Beschichtungsbereich, wobei die zweite Gaszuführungsanordnung eingerichtet ist, den mindestens einen zweiten Gaseinlass derart zu steuern und/oder zu regeln, dass das Inertgas zwischen den Plasmabereich und den Beschichtungsbereich eingebracht wird, so dass eine Ausbreitung des von der ersten Gaszuführungsanordnung bereitgestellten Reaktivgases in den Beschichtungsbereich vermindert wird.
-
Dabei kann sich der erste Gaseinlass beispielsweise als ein erster Gaskanal entlang der Längserstreckung der Magnetronkathode erstrecken, wobei der erste Gaskanal mindestens eine erste Gasaustritts-Öffnung aufweist. Die mindestens eine erste Gasaustritts-Öffnung kann derart in dem ersten Gaskanal bereitgestellt sein oder werden, dass das Gas aus dem ersten Gaskanal in Richtung des Plasmabereichs und/oder in Richtung der Magnetronkathode austritt. Ferner kann der erste Gaseinlass segmentiert sein, so dass eine lokal gesteuerte oder lokal geregelte Gaszuführung erfolgen kann. Anschaulich kann die räumliche Verteilung des eingebrachten Gases (z.B. des Reaktivgases) angepasst sein oder werden. Beispielsweise können entlang der Längsrichtung einer längserstreckten Magnetronkathode mehrere erste Gas-Austrittsöffnungen oder mehrere erste Gasdüsen bereitgestellt sein oder werden, wobei der jeweilige Gasaustritt aus den mehreren ersten Gas-Austrittsöffnungen oder aus den mehreren ersten Gasdüsen unabhängig gesteuert oder geregelt werden kann.
-
Ferner kann sich der zweite Gaseinlass beispielsweise als ein zweiter Gaskanal entlang der Längserstreckung der Magnetronkathode erstrecken, wobei der zweite Gaskanal mindestens eine zweite Gasaustritts-Öffnung aufweist. Die mindestens eine zweite Gasaustritts-Öffnung kann derart in dem zweiten Gaskanal bereitgestellt sein oder werden, dass das Gas aus dem zweiten Gaskanal in Richtung eines Spülbereichs außerhalb des Plasmabereichs und/oder in Richtung des zu beschichtenden Substrats austritt. Ferner kann der zweite Gaseinlass segmentiert sein, so dass eine lokal gesteuerte oder lokal geregelte Gaszuführung erfolgen kann. Anschaulich kann die räumliche Verteilung des eingebrachten Gases (z.B. des Arbeitsgases oder des Inertgases) angepasst sein oder werden. Beispielsweise können entlang der Längsrichtung einer längserstreckten Magnetronkathode mehrere zweite Gas-Austrittsöffnungen oder mehrere zweite Gasdüsen bereitgestellt sein oder werden, wobei der jeweilige Gasaustritt aus den mehreren zweiten Gas-Austrittsöffnungen oder aus den mehreren zweiten Gasdüsen unabhängig voneinander gesteuert oder geregelt werden kann.
-
In einer Ausgestaltung kann die Magnetronanordnung ein Gehäuse aufweisen, wobei das Gehäuse die Magnetronkathode zumindest teilweise umgibt. Das Gehäuse kann beispielsweise Teil des Magnetrons sein. Dabei kann das Gehäuse derart bereitgestellt sein oder werden, dass zumindest die zu zerstäubende Oberfläche der Magnetronkathode frei liegt. Anschaulich kann das Gehäuse in Richtung des Beschichtungsbereichs geöffnet sein, so dass mindestens ein Substrat in dem Beschichtungsbereich mit dem zerstäubten Material beschichtet werden kann.
-
Ferner kann das Gehäuse mindestens eine Abpump-Öffnung aufweisen, wobei Gas aus dem Gehäuse durch die Abpump-Öffnung hindurch abgepumpt werden kann. Die Abpump-Öffnung kann sich beispielsweise entlang der Längserstreckung der Magnetronkathode erstrecken. Ferner kann die Abpump-Öffnung segmentiert sein, so dass eine lokal gesteuerte oder lokal geregelte Absaugung erfolgen kann. Anschaulich können die Saugleistung sowie die räumliche Verteilung der Saugleistung angepasst sein oder werden.
-
Ferner kann die Magnetronanordnung eine an die mindestens eine Abpump-Öffnung des Gehäuses gekoppelte Vakuumpumpenanordnung aufweisen. Mit anderen Worten kann Gas aus dem Gehäuse abgepumpt werden oder durch das Gehäuse hindurch abgepumpt werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Gehäuse eine Gasführung um die Magnetronkathode herum bereitstellen.
-
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann sich ein Gasdruck innerhalb des Prozessierraums (z.B. um die Magnetronkathode herum und/oder zwischen der Magnetronkathode und dem zu beschichtenden Substrat oder zwischen der Magnetronkathode und der Transportebene zum Transportieren eines zu beschichtenden Substrats) dynamisch einstellen, als ein Gleichgewicht aus zugeführtem Prozessgas (Arbeitsgas bzw. Inertgas oder Reaktivgas) und abgepumptem Gas.
-
Ferner kann die Magnetronanordnung eine Gasfilteranordnung (z.B. ein geformtes Umlenkblech oder eine Umlenkstruktur, ein so genanntes Baffle) aufweisen zum Filtern von Partikeln aus dem abgepumpten Gas. Somit kann beispielsweise verhindert werden, dass mit dem Gas gemeinsam abgepumptes Targetmaterial oder chemisch reagiertes Targetmaterial in die mindestens eine Vakuumpumpe der Vakuumpumpenanordnung gelangen kann. Anschaulich kann ein Beschichten der an das Gehäuse gekoppelten Pumpenanordnung verhindert oder zumindest reduziert werden.
-
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Gehäuse mindestens einen dritten Gaseinlass aufweisen, durch welchen ein Gas in das Gehäuse eingebracht werden kann. Dabei kann sich der dritte Gaseinlass beispielsweise entlang der Längserstreckung der Magnetronkathode erstrecken. Ferner kann der dritte Gaseinlass segmentiert sein, so dass eine lokal gesteuerte oder lokal geregelte Gaszuführung erfolgen kann. Anschaulich kann die räumliche Verteilung des eingebrachten Gases (z.B. Arbeitsgases) angepasst sein oder werden.
-
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Magnetronanordnung ferner eine an den mindestens einen dritten Gaseinlass des Gehäuses gekoppelte dritte Gaszuführungsanordnung aufweisen, wobei die dritte Gaszuführungsanordnung eingerichtet sein kann, den dritten Gaseinlass derart zu steuern und/oder zu regeln, dass ein Inertgas (z.B. Argon als Arbeitsgas) in das Gehäuse eingebracht wird.
-
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Prozessieranordnung Folgendes aufweisen: eine Vakuumprozessierkammer (eine Sputter-Prozesskammer) mit einem Beschichtungsbereich innerhalb der Vakuumprozessierkammer und mindestens eine Magnetronanordnung zum Beschichten eines Substrats innerhalb des Beschichtungsbereichs der Vakuumprozessierkammer.
-
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Prozessieranordnung ferner Folgendes aufweisen: mindestens eine Öffnung in einer seitlichen Kammerwand der Vakuumprozessierkammer, durch welche die Vakuumprozessierkammer evakuiert werden kann; und mindestens einen weiteren Gaseinlass (z.B. zusätzlich zu den mindestens zwei Gaseinlässen zum Versorgen der Magnetronanordnung mit dem Arbeitsgas (Inertgas) und mit dem Reaktivgas, oder z.B. zusätzlich zu den mindestens drei Gaseinlässen zum Versorgen der Magnetronanordnung mit dem Arbeitsgas (Inertgas) und mit dem Reaktivgas) in der seitlichen Kammerwand der Vakuumprozessierkammer zum Einbringen eines Inertgases (Arbeitsgas) in die Vakuumprozessierkammer.
-
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Prozessieranordnung ferner eine an den mindestens einen weiteren Gaseinlass gekoppelte weitere Gaszuführungsanordnung aufweisen, wobei die weitere Gaszuführungsanordnung eingerichtet sein kann, den weiteren Gaseinlass derart zu steuern und/oder zu regeln, dass ein Inertgas in das Gehäuse eingebracht wird.
-
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Prozessieranordnung Folgendes aufweisen: eine Vakuumprozessierkammer, eine Transportvorrichtung zum Transportieren eines Substrats in einer (planaren oder gekrümmten) Transportebene in der Vakuumprozessierkammer; eine Magnetronkathode (oder ein Magnetron) zum Beschichten eines in der Transportebene transportierten Substrats; eine erste Gaszuführungsanordnung mit mindestens einem ersten Gaseinlass zum Bereitstellen eines Reaktivgases in einen Reaktionsbereich zwischen der Magnetronkathode (oder dem Magnetron) und der Transportebene, wobei die erste Gaszuführungsanordnung eingerichtet ist, den mindestens einen ersten Gaseinlass derart zu steuern und/oder zu regeln, dass das Reaktivgas in den Reaktionsbereich eingebracht wird; eine zweite Gaszuführungsanordnung mit mindestens einem zweiten Gaseinlass zum Bereitstellen eines Inertgases in einen Separationsbereich (Trennbereich oder Spülbereich) zwischen dem Reaktionsbereich und der Transportebene, wobei die zweite Gaszuführungsanordnung eingerichtet ist, den mindestens einen zweiten Gaseinlass derart zu steuern und/oder zu regeln, dass das Inertgas in den Separationsbereich eingebracht wird.
-
Anschaulich kann ein mit einem Inertgas durchspülter Separationsbereich zwischen dem Magnetron und dem zu beschichtenden Substrat derart bereitgestellt sein oder werden, dass das Reaktivgas und somit der Reaktivprozess an der Magnetronkathode des Magnetrons lokalisiert ist und nicht am Substrat abläuft.
-
In einer Ausgestaltung kann der mindestens eine erste Gaseinlass der Prozessieranordnung weiter entfernt von der Transportebene angeordnet sein als der mindestens eine zweite Gaseinlass der Prozessieranordnung, so dass das von der ersten Gaszuführungsanordnung eingebrachte Reaktivgas mittels des von der zweiten Gaszuführungsanordnung eingebrachten Inertgases von einem in der Transportebene transportierten Substrat separiert werden kann.
-
Anschaulich kann innerhalb der Vakuumprozessierkammer der Prozessieranordnung eine räumliche Gasverteilung und/oder eine Gasströmung (oder ein Gasfluss) derart bereitgestellt sein oder werden, dass das Reaktivgas für den reaktiven Sputterprozess von dem zu beschichtenden Substrat fern gehalten wird. Somit kann eine unkontrollierte (ungesteuerte oder ungeregelte) chemische Reaktion des auf dem Substrat abgeschiedenen Materials mit dem Reaktivgas verhindert werden. Dagegen kann die reaktive Abscheidung nahe am Target mittels der Prozessgaszuführung gesteuert und/oder geregelt werden, so dass eine homogene Schicht auf dem Substrat mittels reaktiver Sputterdeposition abgeschieden werden kann.
-
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats in einem Beschichtungsbereich einer Vakuumprozessierkammer Folgendes aufweisen: das Versorgen einer Magnetronkathode eines Magnetrons mit einem Arbeitsgas und mit einem Reaktivgas und Aktivieren der Magnetronkathode (oder des Magnetrons) derart, dass Material von der Magnetronkathode mittels des Arbeitsgases und/oder mittels des Reaktivgases zerstäubt wird und dass das zerstäubte Material mit dem Reaktivgas in einem Reaktionsbereich chemisch reagiert, wobei sich das chemisch reagierte Material in Richtung des Beschichtungsbereichs der Vakuumprozessierkammer ausbreitet; und das Einbringen eines Inertgases in einen Separationsbereich zwischen dem Beschichtungsbereich und dem Reaktionsbereich und/oder Bespülen des Substrats in dem Beschichtungsbereich mittels eines Inertgases derart, dass der Reaktionsbereich von dem Beschichtungsbereich bzw. von dem Substrat mittels des eingebrachten Inertgases separiert wird.
-
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats in einem Beschichtungsbereich einer Vakuumprozessierkammer Folgendes aufweisen: das Versorgen einer Magnetronkathode eines Magnetrons mit einem Arbeitsgas und einem Reaktivgas und Aktivieren der Magnetronkathode (oder des Magnetrons) derart, dass Material von der Magnetronkathode mittels des Arbeitsgases und/oder mittels des Reaktivgases zerstäubt wird und dass das zerstäubte Material mit dem Reaktivgas in einem Reaktionsbereich chemisch reagiert, wobei sich das chemisch reagierte Material in Richtung des Beschichtungsbereichs der Vakuumprozessierkammer ausbreitet; das Evakuieren eines Gehäuses, welches die Magnetronkathode zumindest teilweise umgibt, mittels mindestens einer Abpump-Öffnung innerhalb des Gehäuses, so dass zumindest das Reaktivgas von dem Beschichtungsbereich fern gehalten wird.
-
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Edelgas (Inertgas) als Arbeitsgas verwendet werden zum Zerstäuben der Magnetronkathode. Als Inertgas kann ferner jedes geeignete Gas verwendet werden, welches nicht mit dem von der Magnetronkathode zerstäubten Material oder nicht mit der Magnetronkathode selbst chemisch reagiert (z.B. welches nicht chemisch zu einem Feststoff reagiert, welcher sich dann auf dem Substrat und/oder auf der Magnetronkathode anlagern könnte). Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Inertgas ein Edelgas oder mehrere Edelgase als Gasgemisch aufweisen. Dabei kann das Inertgas, welches zum Separieren des Reaktivgases von dem Substrat dient, auch das gleiche Gas wie das Arbeitsgas sein oder gleichzeitig als Arbeitsgas fungieren.
-
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Gas oder Gasgemisch als Reaktivgas verwendet werden, welches mit dem von der Magnetronkathode zerstäubten Material oder mit der Magnetronkathode selbst chemisch reagiert, z.B. chemisch zu einem Feststoff reagiert, welcher sich dann auf dem Substrat anlagert. Dabei kann das Reaktivgas beispielsweise Stickstoff aufweisen oder aus Stickstoff bestehen, so dass das Reaktivgas beispielsweise mit einem von der Magnetronkathode zerstäubten Metall oder Halbmetall ein Metallnitrid oder ein Halbmetallnitrid bildet. Ferner kann das Reaktivgas beispielsweise Sauerstoff aufweisen oder aus Sauerstoff bestehen, so dass das Reaktivgas beispielsweise mit einem von der Magnetronkathode zerstäubten Metall oder Halbmetall ein Metalloxid oder ein Halbmetalloxid bildet. Ferner kann das Reaktivgas beispielsweise Sauerstoff und Stickstoff aufweisen oder aus Sauerstoff und Stickstoff (als Gasgemisch) bestehen, so dass das Reaktivgas beispielsweise mit einem von der Magnetronkathode zerstäubten Metall oder Halbmetall ein Metalloxinitrid oder ein Halbmetalloxinitrid bildet.
-
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Magnetronkathode (z.B. aufweisend Aluminium) und das Reaktivgas (z.B. aufweisend Sauerstoff und Stickstoff) derart gewählt sein oder werden, dass Aluminiumoxinitrid (AlOxNy) als Schicht auf einem zu beschichtenden Substrat abgeschieden werden kann.
-
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Magnetronkathode und das Reaktivgas derart gewählt sein oder werden, dass ein transparentes leitfähiges Oxid als Schicht auf einem zu beschichtenden Substrat abgeschieden werden kann, z.B. Indium-Zinn-Oxid (ITO), Fluor-Zinn-Oxid (FTO), Aluminium-Zink-Oxid (AZO) und/oder Antimon-Zinn-Oxid (ATO). Dabei kann die Gaszuführung derart erfolgen, dass beispielsweise das als Schicht abgeschiedene transparente leitfähige Oxid auf der Substratoberfläche homogene Schichteigenschaften aufweist, z.B. eine elektrische Leitfähigkeit mit einer Toleranz von beispielsweise weniger als 5% bezogen auf lokale Abweichungen auf der Schichtoberfläche; z.B. eine Transparenz (bei in einem vordefinierten Wellenlängenbereich) mit einer Toleranz von beispielsweise weniger als 5% bezogen auf lokale Abweichungen auf der Schichtoberfläche.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
-
Es zeigen
-
1A und 1B jeweils eine Magnetronanordnung in einer schematischen Ansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
-
1C und 1D jeweils eine Magnetronanordnung in einer schematischen Ansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
-
2A und 2B jeweils eine Prozessieranordnung mit einer Magnetronanordnung in einer schematischen Ansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
-
3 eine Prozessieranordnung mit einer Magnetronanordnung in einer schematischen Ansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
-
4A und 4B jeweils ein schematisches Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats in einem Beschichtungsbereich einer Vakuumprozessierkammer, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
-
5A und 5B jeweils eine Prozessieranordnung mit einer Magnetronanordnung in einer schematischen Ansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen; und
-
5C eine Prozessieranordnung mit einer Magnetronanordnung 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 werden hierin eine Vorrichtung und ein Verfahren zum reaktiven Sputtern (zur reaktiven Sputterdeposition) von Materialien beschrieben, wobei das abzuscheidende Schichtmaterial eine hohe Bildungsenthalpie aufweisen kann. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen werden hierin eine Vorrichtung und ein Verfahren zum reaktiven Sputtern (zur reaktiven Sputterdeposition) von Materialien beschrieben, wobei das abzuscheidende Schichtmaterial beispielsweise ein Metalloxid, ein Halbmetalloxid, ein Metallnitrid, ein Halbmetallnitrid, ein Metalloxinitrid, ein Halbmetalloxinitrid, ein Metallcarbid und/oder ein Halbmetallcarbid aufweist, wobei dabei das Metall beispielsweise Aluminium, Magnesium, Titan, Zinn, Zink, Indium oder Zirkon aufweisen kann und/oder wobei das Halbmetall beispielsweise Silizium, Bor oder Germanium aufweisen kann.
-
Verschiedene Ausführungsformen basieren beispielsweise darauf, dass beim reaktiven Sputtern die Stöchiometrie der auf dem Substrat aufwachsenden (der auf dem Substrat kondensierenden) Schicht maßgeblich durch Prozesse am Target (an der Magnetronkathode) und am Substrat beeinflusst werden kann. Zum einen können eine Belegung der Targetoberfläche je nach Reaktivgasangebot und/oder die Plasmaanregung am Target die aufwachsende Schicht beeinflussen, und zum anderen können angeregte Reaktivgasspezies aufgrund der Plasmaanregung auch in Substratnähe erzeugt werden und auf der aufwachsenden Schicht kondensieren. Der Reaktivgaseinbau in die aufwachsende Schicht wird dann zum einen vom gesputterten Teilchenstrom beeinflusst, welcher am Target absorbierte Reaktivgasteilchen beinhaltet, und zum anderen von der Dichte aktivierter Reaktivgasteilchen vor dem Substrat. Der Einbau des Reaktivgases in die aufwachsende Schicht kann dann neben dem Angebot an Teilchen auch vom Fassungsvermögen der wachsenden Schicht abhängig sein (z.B. kann es bei Oxiden leichter möglich sein, unterstöchiometrisch abzuscheiden, d.h. zu wenig Sauerstoff in das Kristallgitter einzubauen verglichen mit dem idealen stöchiometrisch ausgeglichenen Kristallgitter, als Schichten mit überstöchiometrischer Zusammensetzung abzuscheiden, da überschüssiger Sauerstoff einfach als Sauerstoffgas desorbieren kann). Für das genaue Einstellen einer vordefinierten Schichtstöchiometrie bzw. vordefinierter Schichteigenschaften kann daher im Allgemeinen die Kontrolle der Mechanismen am Target und auch am Substrat nötig sein, was aufgrund der Interaktion eine große Herausforderung darstellen kann. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen werden eine Vorrichtung und ein Verfahren derart bereitgestellt, dass die Stöchiometrie der auf dem Substrat aufwachsenden Schicht nur an einem Ort bzw. Bereich (z.B. am Target) eingestellt (kontrolliert, gesteuert bzw. geregelt) werden kann.
-
Anschaulich können der Target-Reaktivprozess und der Substrat-Reaktivprozesse entkoppelt werden. Ferner kann die Targetoberfläche mit Argon gespült (bespült) werden und damit kann die Targetoberfläche während des reaktiven Sputterns überwiegend metallisch gehalten werden, was wesentliche Auswirkungen auf das Prozessverhalten haben kann. Eine Target-Spülung mit Argon (oder einem anderen Arbeitsgas) kann für ein Planarmagnetron (mit einem planaren Target bzw. einer planaren Magnetronkathode) sowie für ein Rohrmagnetron (mit einem Rohrtarget bzw. mit einer rohrförmigen Magnetronkathode) verwendet werden. Herkömmlicherweise kann dabei allerdings der so genannte Race-Track definiert mit Reaktivgas versorgt werden und somit kann das Target selbst nicht metallisch gehalten werden. Herkömmlicherweise wird dabei der Race-Track in einer definierten Stöchiometrie eingestellt (z.B. werden die Plasmaeigenschaften bzw. wird die Plasmastöchiometrie geregelt), wobei an verschiedenen Stellen des Race-Tracks unterschiedliche Reaktivgasströme zum Erreichen des Zieles (z.B. zum Abscheiden einer Schicht mit entsprechenden vorgegebenen Eigenschaften) verwendet werden können. Zum Abscheiden einer homogenen Schicht und/oder zum Herstellen einer Schicht mit den gewünschten Schichteigenschaften kann jedoch nicht nur die Reaktivgasverteilung am Target wichtig sein, sondern im Normalfall auch die Reaktivgasverteilung am Substrat, da die Schichteigenschaften im Wesentlichen von den Auftreffverhältnissen der schichtbildenden Teilchen und der Arbeitsgasteilchen (z.B. aufgrund des Energieeintrags) beeinflusst werden.
-
Während am Target der Race-Track (z.B. die zwei Race-Track-Linien oder die zwei längserstreckten Bereiche des Race-Tracks) als Partikelemissionsquellen in gleicher Stöchiometrie brennen sollten, um eine Schicht kontrolliert abscheiden zu können, müsste über dem Substrat die flächige Verteilung der angeregten Reaktivgasspezies sowie der Arbeitsgasteilchen kontrolliert (gesteuert und/oder geregelt) werden, um eine homogene Schichteigenschaftsverteilung zu erreichen. Ein Steuern und/oder Regeln der Verteilung der angeregten Reaktivgasspezies sowie der Arbeitsgasteilchen in Substratnähe zum Abscheiden von Schichten mit einer homogenen Schichteigenschaftsverteilung kann beispielsweise bedeutend schwieriger sein, als in Targetnähe, da in Substratnähe die Saugleistung und der Gaseinlass sehr genau aufeinander abgestimmt sein müssten und die Anordnung der beiden optimiert werden müsste. Ferner kann die Substratfahrt selbst die Verteilung der angeregten Reaktivgasspezies sowie der Arbeitsgasteilchen beeinflussen und somit auch die Geometrie der Anordnung.
-
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen werden eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitgestellt, mittels derer die Reaktivprozesse am Target und am Substrat voneinander separiert werden können, wobei beispielsweise einer von den beiden Reaktivprozessen im Wesentlichen unterdrückt sein kann oder werden kann, so dass die schichteigenschaftsbestimmenden Prozesse (Reaktivprozesse) nur an einem Ort ablaufen, z.B. am Target. Dazu kann die Stöchiometrie des Reaktivprozesses am Target derart geeignet eingestellt sein oder werden, dass am Substrat Schichten definierter Stöchiometrie kondensieren können. Ferner kann ein Plasma bereitgestellt werden, welches sich nicht in Richtung des zu beschichtenden Substrats ausbreitet, so dass keine lokal unterschiedlichen Energieeinträge durch Gradienten in der Anregung der Arbeitsgasteilchen verursacht werden.
-
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen werden beim reaktiven Sputtern die Gaszuführung (z.B. die Anzahl der Gaseinlässe und die räumliche Anordnung der Gaseinlässe relativ zu der Magnetronkathode sowie die entsprechenden Gaseinlassrichtungen und die verwendeten Gase und Gasflüsse) und die Saugleistungsverteilung (z.B. die Anzahl der Saugöffnungen und die Anordnung der Saugöffnungen relativ zu der Magnetronkathode sowie die jeweilige Saugleistung an den Saugöffnungen) derart bereitgestellt, dass die Reaktivprozesse hauptsächlich am Target ablaufen. Dazu wird beispielsweise die Saugleistung derart angeordnet, dass die Gasteilchen vom Substrat weg hinter dem Target abgesaugt werden. Ferner kann der Reaktivgaseinlass nahe am Race-Track erfolgen, um den Race-Track möglichst lokal beeinflussen zu können.
-
Das Reaktivgas (z.B. Sauerstoff oder jedes anderer verwendete Reaktivgas oder Reaktivgasgemisch) kann beispielsweise hinter dem Target (oder hinter das Target) abgesaugt werden, wobei der Einlass des Arbeitsgases (z.B. Argon oder ein anderes Inertgas) diese Saugrichtung unterstützt, indem es ebenfalls nahe am Race-Track aber mehr in Richtung Substrat eingelassen wird. Somit kann beispielsweise eine zusätzliche Spülwirkung des Reaktivgases weg vom Substrat bereitgestellt sein oder werden, und die Ausbreitung des Plasmas in Richtung des zu beschichtenden Substrats kann ebenfalls aufgrund der Gasströmung behindert werden. Dabei haben die gesputterten Teilchen ausreichend kinetische Energie, um auch gegen die bereitgestellte Strömungsrichtung weg vom Substrat das Substrat zu erreichen und dort zu kondensieren. Die lokale Stöchiometrie des Plasmas kann beispielsweise mittels optischer Emissions-Spektrometrie (OES) ermittelt werden, so dass beispielsweise die Reaktivgasströme und/oder Arbeitsgasströme lokal angepasst werden können (z.B. basierend auf der OES geregelt werden können). Somit können beispielsweise die Prozesse am Target und am Substrat voneinander entkoppelt werden und die Schichtstöchiometrie oder Schichteigenschaften der auf dem Substrat aufwachsenden Schicht kann am Target eingestellt werden.
-
Beim Einlassen eines Reaktivgasgemisches (z.B. aufweisend Sauerstoff und Stickstoff) kann es zudem von Vorteil sein, dass die hauptsächliche Anregung des Reaktivgases direkt am Target erfolgt, was zu definierten Teilchenströmen der Spezies aus den mehr als einem Reaktivgas führt. Damit können Stöchiometrie-Gradienten in einer dynamisch abgeschiedenen Schicht, wie beim reaktiven Sputtern von AlOxNy herkömmlicherweise beobachtet werden kann, unterdrückt werden (z.B. kann herkömmlicherweise unter dem Target ein größeres N/O-Verhältnis beobachtet werden als in der Nähe der Shields, z.B. abgeleitet aus dem Tiefenprofil der Schichtstöchiometrie; was beispielsweise dadurch zustande kommen kann, dass Sauerstoff reaktiver als Stickstoff ist, also im schwächer angeregten Plasma weiter weg von den Race-Tracks bevorzugt gegenüber Stickstoff aktiviert wird und bevorzugt als Sauerstoff in die aufwachsende Schicht eingebaut wird).
-
Beim Betrieb der hierin beschriebenen Magnetronanordnung oder Prozessieranordnung kann es zu einem Gasfluss-Sputtern kommen, wobei mit niedriger Energie emittierte gesputterte Teilchen im Gasstrom mit in Richtung der Pumpen (welche die Saugleistung bereitstellen) befördert werden. Dies kann beispielsweise zum einen zum Besputtern (zum Beschichten) der Gasführungselemente führen und zum anderen zu einer Belastung der jeweilig verwendeten Pumpen mit kondensierbaren oder kondensierenden Teilchen. Dies kann beispielsweise mittels so genannter Baffles verhindert werden.
-
Ferner kann die hierin beschriebene Magnetronanordnung oder Prozessieranordnung derart eingerichtet sein, dass das Target (die Magnetronkathode) möglichst metallisch gehalten wird. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass das Target nur teilweise (möglichst gar nicht) von Reaktivgas umspült wird. Beispielsweise kann das Target (z.B. eine Rohrkathode) zumindest teilweise mit Argon oder einem anderen Inertgas oder Arbeitsgas umspült werden. Dabei kann beispielsweise das eingeleitete Gas von jeder Race-Track-Hälfte (von jedem der beiden linearen Bereiche des Race-Tracks) mittels eines eigenen Absaugwegs weg gepumpt werden (vgl. beispielsweise 1D, 3 und 5C). Ferner kann die lokale Saugleistungsverteilung relativ zu dem Race-Track bzw. relativ zu der Magnetronkathode zum Einstellen der lokalen Race-Track-Stöchiometrie genutzt werden.
-
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Saugleistung der an die Vakuumprozessierkammer angekoppelten Vakuumpumpen mittels großer Strömungswiderstände effektiv eingeschränkt sein oder werden, so dass beispielsweise der zum Sputtern nötige Restgasdruck in der Vakuumprozessierkammer dadurch erreicht werden kann, dass Pumpschlitze in der Vakuumprozessierkammer bereitgestellt sein können oder werden können. Um einem Strom von Reaktivgas in der Vakuumprozessierkammer in Richtung der Pumpschlitze zu unterdrücken, kann während des Sputterns noch ein zusätzlicher Arbeitsgas-Einlass (z.B. Argon-Einlass) nahe der Pumpschlitze bereitgestellt sein oder werden, so dass kein großes Druckgefälle in Richtung des Reaktivgaseinlasses entstehen kann.
-
1A und 1B veranschaulichen jeweils eine Magnetronanordnung 100 in einer schematischen Ansicht, z.B. in einer schematischen Querschnittsansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Dabei ist in 1A eine Magnetronanordnung 100 mit einem Rohrmagnetron 102 mit einer rohrförmigen Magnetronkathode 102k (einem rohrförmigen Target) in einer Querschnittsansicht quer zur Längsachse der Rohrkathode 102k dargestellt, und in 1B ist eine Magnetronanordnung 100 in analoger Weise für ein Planarmagnetron 102 mit einer planaren (ebenflächigen) Magnetronkathode 102k (einem flächigen Target) in einer Querschnittsansicht quer zur Längserstreckung der planaren (ebenflächigen) Magnetronkathode 102k dargestellt.
-
Dabei kann die Magnetronanordnung 100 bzw. das jeweilige Magnetron 102 eine Magnetanordnung 102m aufweisen. Ferner kann die Magnetronanordnung 100 bzw. das jeweilige Magnetron 102 eine Magnetronkathode 102k mit mindestens einer zu zerstäubenden Oberfläche aufweisen. Anschaulich kann die Magnetronkathode 102k das Targetmaterial aufweisen oder daraus bestehen. Die Magnetanordnung 102m kann relativ zu der Magnetronkathode 102k derart angeordnet sein und derart eingerichtet sein, dass diese einen Plasmabereich 101p über der zu zerstäubenden Oberfläche der Magnetronkathode 102k definiert.
-
Bei einem Rohrmagnetron 102 kann die Magnetanordnung 102m innerhalb des Rohrtargets 102k bzw. innerhalb der rohrförmigen Magnetronkathode 102k angeordnet sein. Bei einem Planarmagnetron 102 kann die Magnetanordnung 102m hinter dem flächigen Target 102k bzw. hinter der flächigen Magnetronkathode 102k angeordnet sein, d.h. die Magnetanordnung 102m kann auf der Seite der Magnetronkathode 102k angeordnet sein, welche der zu zerstäubenden Oberfläche gegenüber liegt bzw. die Magnetanordnung 102m kann auf der dem Plasmabereich 101p abgewandten Seite der Magnetronkathode 102k angeordnet sein, wobei das mittels der Magnetanordnung 102m erzeugte Magnetfeld die Magnetronkathode 102k durchdringt.
-
Die Magnetronanordnung 100 kann ferner eine erste Gaszuführungsanordnung 104 mit mindestens einem ersten Gaseinlass 104e zum Bereitstellen eines Reaktivgases 104g in und/oder an dem Plasmabereich 101p aufweisen. Dabei kann der Gaseinlass 104e derart eingerichtet sein, dass das Reaktivgas 104g den Gaseinlass 104e unter einer vordefinierten Austrittsrichtung verlässt. Anschaulich kann das Reaktivgas 104g mittels des ersten Gaseinlasses 104e (mittels einer Düse, oder mittels einer Schlitz-Öffnung) gerichtet als Gasstrahl bereitgestellt werden.
-
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die erste Gaszuführungsanordnung 104 eingerichtet sein oder werden, den mindestens einen ersten Gaseinlass 104e derart zu steuern oder zu regeln, dass das Reaktivgas 104g dem Plasmabereich 101p zugeführt wird. Mit anderen Worten kann die erste Gaszuführungsanordnung 104 derart eingerichtet sein oder werden, dass dem Plasmabereich 101p mittels des mindestens einen ersten Gaseinlasses 104e ein Reaktivgas 104g geregelt zugeführt wird. Somit kann beispielsweise ein von der zu zerstäubenden Oberfläche der Magnetronkathode 102k abgetragenes Material, welches sich in Richtung 112 eines Beschichtungsbereichs 101b zum Beschichten eines Substrats 120 innerhalb des Beschichtungsbereichs 101b ausbreitet, mit dem von der ersten Gaszuführungsanordnung 104 bereitgestellten Reaktivgas 104g chemisch reagieren.
-
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die erste Gaszuführungsanordnung 104 bzw. der Gaseinlass 104e entsprechend eingerichtete Leitungen, Ventile, Gasreservoirs und eine Steuerung oder Regelung (z.B. ein Massenflussregler, z.B. Sensoren, Aktoren, Steuerelektronik, Druckmesser und/oder Ähnliches) aufweisen.
-
Die Magnetronanordnung 100 kann ferner eine zweite Gaszuführungsanordnung 106 aufweisen mit mindestens einem zweiten Gaseinlass 106e zum Bereitstellen eines Inertgases 106g zwischen dem Plasmabereich 101p und dem Beschichtungsbereich 101b. Dabei kann der Gaseinlass 106e derart eingerichtet sein, dass das Inertgas 106g den Gaseinlass 106e unter einer vordefinierten Austrittsrichtung verlässt. Anschaulich kann das Inertgas 106g mittels des zweiten Gaseinlasses 106e (mittels einer Düse, oder mittels einer Schlitz-Öffnung) gerichtet als Gasstrahl bereitgestellt werden.
-
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die zweite Gaszuführungsanordnung 106 eingerichtet sein oder werden, den mindestens einen zweiten Gaseinlass 106e derart zu steuern oder zu regeln, dass das Inertgas 106g zwischen den Plasmabereich 101p und den Beschichtungsbereich 101b eingebracht wird, so dass eine Ausbreitung des von der ersten Gaszuführungsanordnung 104 bereitgestellten Reaktivgases 104g in den Beschichtungsbereich 101b vermindert wird.
-
Anschaulich kann ein Bereich 101t zwischen dem Plasmabereich 101p und dem Beschichtungsbereich 101b mittels Inertgas oder Arbeitsgas gespült werden. Somit können, wie vorangehend beschrieben, Reaktivprozesse am Target 102k, d.h. an der Magnetronkathode 102k, geregelt werden, wobei der Beschichtungsbereich, in dem das Substrat 120 beschichtet werden kann, im Wesentlichen frei von Reaktivgas 104g bleiben kann. Somit können die Schichteigenschaften der auf dem Substrat 120 aufwachsenden Schicht kontrolliert werden, indem die Reaktivprozesse am Target 102k geregelt werden.
-
Zum Ausregeln des Plasmas in dem gesamten Plasmabereich (entlang des Race-Tracks) können eine Vielzahl von ersten Gaseinlässen 104e entlang der Längserstreckung (z.B. entlang einer Richtung parallel zur Achse der Rohrkathode 102k) des Magnetrons 102 zum lokalen Zuführen des Reaktivgases 104g bereitgestellt sein oder werden. Somit kann eine räumliche Verteilung des Reaktivgases 104g in dem Plasmabereich 101p oder an dem Plasmabereich 101p bereitgestellt werden und diese räumliche Verteilung des Reaktivgases 104g kann mittels der ersten Gaszuführungsanordnung 104 geregelt werden, z.B. basierend auf OES-Messungen und einem entsprechenden Regelkreis. Es versteht sich, dass die Magnetronanordnung 100 in einer Vakuumumgebung derart betrieben wird, dass in dem Plasmabereich ein Plasma 111 erzeugt wird, wobei der Bereich (Race-Track), in welchem das Plasma erzeugt wird, von der Magnetanordnung 102m definiert sein kann.
-
Dabei kann die Magnetanordnung 102m eine Vielzahl von Magneten aufweisen, welche derart angeordnet sind, dass zwei im Wesentlich längserstreckte gerade Bereiche des Race-Tracks erzeugt werden, welche parallel nebeneinander verlaufen und in zwei gegenüberliegenden Umkehrbereichen miteinander zu einem ringförmig umlaufenden Race-Track verbunden sind.
-
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Steuern oder Regeln eines Gaseinlasses das Anpassen des Gasflusses, der Art des Gases, der Gaszusammensetzung und/oder der Gasaustrittsrichtung aufweisen.
-
Wie in 1C ferner in einer schematischen Seitenansicht veranschaulicht ist, kann die Magnetronanordnung 100 oder das Magnetron 102 ein Gehäuse 102g aufweisen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Gehäuse 102g die Magnetronkathode 102k teilweise umgeben oder einhausen. Dabei kann zumindest die zu zerstäubende Oberfläche der Magnetronkathode 102k frei liegen, so dass sich das von der zu zerstäubenden Oberfläche der Magnetronkathode 102k abgesputterte Material 112 in Richtung des zu beschichtenden Substrats 120 (in Richtung des Beschichtungsbereichs 101b) ausbreiten kann. Das von der zu zerstäubenden Oberfläche der Magnetronkathode 102k abgesputterte Material 112 kann beispielsweise in oder an dem Plasmabereich 101p mit dem mittels der ersten Gaszuführungsanordnung 104 bereitgestellten Reaktivgas 104g chemisch reagieren und dann als chemische Verbindung auf dem Substrat 120 kondensieren.
-
Das Gehäuse 102g kann mindestens eine Abpump-Öffnung 102a aufweisen, z.B. auf der dem Plasmabereich 101p gegenüberliegenden Seite der Magnetronkathode 102k, durch welche Gas 114 aus dem Gehäuse 102g abgepumpt werden kann. Das Gehäuse 102g kann sich entlang der Längserstreckung des Magnetrons 102 oder entlang der Längserstreckung der Magnetronkathode 102k erstrecken. Ferner kann das Gehäuse 102g im Wesentlichen gasdicht eingerichtet sein, d.h. als Gasführung fungieren. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Gehäuse 102g ein Blech oder mehrere Bleche aufweisen oder daraus bestehen.
-
Ferner kann eine Vakuumpumpenanordnung an die mindestens eine Abpump-Öffnung 102a des Gehäuses 102g gekoppelt sein oder werden zum Abpumpen des Gases 114 auf dem Gehäuse oder zum Abpumpen des Gases 114 durch das Gehäuse 102g hindurch.
-
Anschaulich können das Reaktivgas 104g und das Arbeitsgas 106g nahe der Magnetronkathode 102k eingeleitet werden und durch das Gehäuse 102g hindurch abgepumpt werden, so dass beispielsweise das Reaktivgas einen Gasfluss bildet, wobei dieser Gasfluss von dem Substrat 120 fern bleibt, so dass das Substrat 120 nicht mit dem Reaktivgas 104g chemisch reagiert und/oder so dass sich das Plasma 111 nicht in Richtung des Substrats 120 ausbreitet, d.h. so dass das Plasma 111 in dem Plasmabereich 101p lokalisiert wird. Dabei kann der Gaseinlass des Inertgases 106g näher an dem Beschichtungsbereich 101b erfolgen als der Gaseinlass des Reaktivgases 104g. Ferner kann die Gaseinlassrichtung für das Reaktivgas 104g in Richtung des Plasmabereichs 101p gerichtet sein und/oder in Richtung der Magnetronkathode 102k, wobei die Gaseinlassrichtung für das Inertgas 106g mehr in Richtung des Beschichtungsbereichs 101b erfolgen kann, z.B. in Richtung des Spülbereichs 101t zwischen dem Plasmabereich 101p und dem Beschichtungsbereich 101b und/oder in Richtung des Beschichtungsbereichs 101b.
-
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann zwischen der Abpump-Öffnung 102a des Gehäuses 102g und der an die Abpump-Öffnung 102a des Gehäuses 102g gekoppelte Vakuumpumpenanordnung eine Filteranordnung (nicht dargestellt) geschaltet werden zum Filtern von Partikeln aus dem abgepumpten Gas 114. Somit kann ein Verschmutzen der Vakuumpumpenanordnung mit Beschichtungsmaterial, welches von dem Gasfluss transportiert wird, verhindert werden.
-
Wie in 1D ferner in einer schematischen Seitenansicht veranschaulicht ist, kann das Gehäuse 102g mindestens einen dritten Gaseinlass 116e aufweisen, durch welchen ein Gas 116g in das Gehäuse 102g eingebracht werden kann. Dabei kann an den mindestens einen dritten Gaseinlass 116e des Gehäuses 102g eine dritte Gaszuführungsanordnung gekoppelt sein (nicht dargestellt), wobei die dritte Gaszuführungsanordnung eingerichtet sein kann, den dritten Gaseinlass 116e derart zu steuern oder zu regeln, dass ein Inertgas 116g in das Gehäuse 102g eingebracht wird.
-
Mittels des von der dritten Gaszuführungsanordnung eingebrachten Inertgases 116g, welches mittels des dritten Gaseinlasses 116e in das Gehäuse 102g eingebracht wird, kann die Magnetronkathode 102k zumindest teilweise mit Inertgas umspült werden und somit weniger von dem Reaktivgas 104g beeinflusst werden. Beispielsweise kann die Magnetronkathode 102k weniger belegen und somit kann der Sputterprozess metallischer erfolgen.
-
Anschaulich kann mittels der hierin beschriebenen Gaszuführungsanordnungen jeweils ein Gas kontrolliert mittels des jeweiligen Gaseinlasses dem Magnetron 102 zugeführt werden. Dabei kann die Gaszuführungsanordnung an die benötigten Gasflüsse oder an die benötigten Gase angepasst sein oder werden.
-
Im Folgenden werden verschiedene Modifikationen und Konfigurationen der Magnetronanordnung 100 und Details zu der Gasführung beschrieben, wobei sich die bezüglich der 1A bis 1D beschriebenen grundlegenden Merkmale und Funktionsweisen analog einbeziehen lassen. Ferner können die nachfolgend beschriebenen Merkmale und Funktionsweisen analog auf die in den 1A bis 1D beschriebene Magnetronanordnung 100 übertragen werden oder mit der in den 1A bis 1D beschriebenen Magnetronanordnung 100 kombiniert werden. Jede der vorangehend beschriebenen Magnetronanordnungen 100 kann beispielsweise Teil einer Prozessieranordnung 200 sein, wobei mittels der Prozessieranordnung 200 zumindest die Vakuumumgebung zum Durchführen eines Sputterprozesses mittels der Magnetronanordnung 100 bereitgestellt wird, vgl. beispielsweise 2A und 2B.
-
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Prozessieranordnung 200 eine Vakuumprozessierkammer 202 aufweisen, wobei mittels der Vakuumprozessierkammer 202 ein Beschichtungsbereich 101b innerhalb der Vakuumprozessierkammer 202 bereitgestellt wird. Dabei kann mindestens eine Magnetronanordnung 100 (z.B. eine Magnetronanordnung 100 mit einem Rohrmagnetron 102 oder eine Magnetronanordnung 100 mit einem Planarmagnetron 102) mit der Vakuumprozessierkammer 202 gekoppelt sein zum Beschichten eines Substrats 120 innerhalb des Beschichtungsbereichs 101b der Vakuumprozessierkammer 202.
-
Wie in 2A in einer schematischen Querschnittsansicht veranschaulicht ist, kann eine Prozessieranordnung 200 Folgendes aufweisen: eine Vakuumprozessierkammer 202 (eine Sputter-Prozesskammer), eine Transportvorrichtung zum Transportieren eines Substrats 120 in einer Transportebene 101e in der Vakuumprozessierkammer 202; eine Magnetronkathode 102k zum Beschichten eines in der Transportebene 101e transportierten Substrats 120. Ferner kann die Prozessieranordnung 200, analog zum vorangehend Beschriebenen, eine erste Gaszuführungsanordnung 104 mit mindestens einem ersten Gaseinlass 104e aufweisen zum Bereitstellen eines Reaktivgases 104g in einen Reaktionsbereich 101p (Plasmabereich 101p) zwischen der Magnetronkathode 102k und der Transportebene 101e. Dabei kann die erste Gaszuführungsanordnung 104 eingerichtet sein oder werden, den mindestens einen ersten Gaseinlass 104e derart zu steuern oder zu regeln, dass das Reaktivgas 104g in den Reaktionsbereich 101p eingebracht wird. Ferner kann die Prozessieranordnung 200, analog zum vorangehend Beschriebenen, eine zweite Gaszuführungsanordnung 106 mit mindestens einem zweiten Gaseinlass 106e aufweisen zum Bereitstellen eines Inertgases in einen Separationsbereich 101t zwischen dem Reaktionsbereich 101p und der Transportebene 101e. Dabei kann die zweite Gaszuführungsanordnung 106 eingerichtet sein oder werden, den mindestens einen zweiten Gaseinlass 106e derart zu steuern oder zu regeln, dass das Inertgas 106g in den Separationsbereich 101t eingebracht wird.
-
Ferner kann die Vakuumprozessierkammer 202 einen Eingang 202e (eine erste Schleuse) und einen Ausgang 202a (eine zweite Schleuse) derart aufweisen, dass das Substrat in die Vakuumprozessierkammer 202 hinein und aus der Vakuumprozessierkammer 202 heraus transportiert werden kann oder dass ein Substrat 120 durch die Vakuumprozessierkammer 202 hindurch transportiert werden kann.
-
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der mindestens eine erste Gaseinlass 104e weiter entfernt von der Transportebene 101e angeordnet sein als der mindestens eine zweite Gaseinlass 106e, so dass das von der ersten Gaszuführungsanordnung 104 eingebrachte Reaktivgas 104g mittels des von der zweiten Gaszuführungsanordnung 106 eingebrachten Inertgases 106g von einem in der Transportebene 101e transportierten Substrat 120 separiert ist oder wird. Ferner kann das von der ersten Gaszuführungsanordnung 104 eingebrachte Reaktivgas 104g und das von der zweiten Gaszuführungsanordnung 106 eingebrachte Inertgas 106g mittels einer Pumpenordnung derart abgesaugt werden, dass das Reaktivgas 104g im Wesentlichen fern von dem Substrat 120 gehalten wird.
-
Wie ferner in 2B in einer schematischen Querschnittsansicht veranschaulicht ist, kann die Vakuumprozessierkammer 202 mindestens eine Öffnung 218a in einer seitlichen Kammerwand der Vakuumprozessierkammer 202 aufweisen, durch welche die Vakuumprozessierkammer 202 evakuiert 218 werden kann. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Vakuumpumpenanordnung (nicht dargestellt) mit der mindestens einen Öffnung 218a in der seitlichen Kammerwand der Vakuumprozessierkammer 202 derart gekoppelt sein, dass die Vakuumprozessierkammer 202 mittels der Vakuumpumpenanordnung durch die mindestens eine Öffnung 218a hindurch evakuiert 218 werden kann. Somit kann beispielsweise in der Vakuumprozessierkammer 202 ein Prozessdruck von weniger als 0,1 mbar oder weniger als 0,01 mbar bereitgestellt sein oder werden, so dass die Magnetronanordnung 100 betrieben werden kann.
-
Ferner kann die Prozessieranordnung 200 mindestens einen weiteren Gaseinlass 226e in der seitlichen Kammerwand der Vakuumprozessierkammer 202 aufweisen zum Einbringen eines Inertgases 226g in die Vakuumprozessierkammer 202.
-
Dabei kann an den mindestens einen weiteren Gaseinlass 226e eine weitere Gaszuführungsanordnung 226 gekoppelt sein, wobei die weitere Gaszuführungsanordnung 226 eingerichtet sein kann, den weiteren Gaseinlass 226e derart zu steuern oder zu regeln, dass ein Inertgas 226g in das Gehäuse 202 eingebracht wird.
-
Anschaulich kann die in 1C und 1D beschriebene mit dem Magnetron 102 gekoppelte Pumpenanordnung zum Evakuieren des Gehäuses 102g des Magnetrons 102 nicht ausreichen, um die Vakuumprozessierkammer auf einen ausreichend niedrigen Prozessdruck abzupumpen. Dies kann mittels der weiteren Pumpenanordnung erfolgen, welche an die Vakuumprozessierkammer 202, z.B. an die Öffnung 218a in einer seitlichen Kammerwand der Vakuumprozessierkammer 202, gekoppelt ist. Ferner kann die mit dem Magnetron 102 gekoppelte Pumpenanordnung, welche das Gas 114 aus dem Gehäuse 102g des Magnetrons 102 absaugt, zum Regeln der Gasflüsse verwendet werden, wobei die an die Vakuumprozessierkammer 202 gekoppelte weitere Pumpenanordnung den Gesamtdruck in der Vakuumprozessierkammer 202 beeinflussen kann.
-
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann mittels der Prozessieranordnung 200 ein geregelter reaktiver Sputterprozess durchgeführt werden, wobei die Prozessieranordnung 200 dazu mindestens eine Regelung aufweisen kann. Die Prozessieranordnung 200 kann eine Sputter-Prozesskammer 202 mit mindestens einer Magnetronkathode 102k (einem Target 102k) aufweisen, wobei die Sputter-Prozesskammer 202 und die Magnetronkathode 102k derart eingerichtet sein können, dass innerhalb der Sputter-Prozesskammer 202 ein Plasma 111 bereitgestellt werden kann, z.B. zum Beschichten eines Substrats 120 innerhalb der Sputter-Prozesskammer 202. Dabei kann die Magnetronkathode 102k mit einem Generator und einer Anode (welche beispielsweise ein positives elektrisches Potential bezüglich der Magnetronkathode 102k aufweist) gekoppelt sein (z.B. elektrisch leitfähig verbunden sein). Mittels des Generators kann an der Magnetronkathode 102k bzw. zwischen der Magnetronkathode 102k und der Anode ein elektrisches Feld zum Erzeugen des Plasmas 111 bereitgestellt sein oder werden, z.B. gemäß einer Spannung U als eine Generatorgröße. Ferner kann die Prozessieranordnung 200 mindestens eine Magnetanordnung 102m (ein Magnetsystem 102m) zum Magnetronsputtern aufweisen (nicht in den 2A und 2B dargestellt, vgl. beispielsweise 1A bis 1D). Ferner kann die Prozessieranordnung 200 eine Vakuumpumpenanordnung aufweisen (nicht dargestellt), so dass innerhalb der Sputter-Prozesskammer 202 ein Vakuum (z.B. ein Hochvakuum) bereitgestellt werden kann. Ferner kann die Sputter-Prozesskammer 202 auch mehrere Targets 102k (mehrere Magnetronkathoden 102k) aufweisen, welche entsprechend eingerichtet und geregelt sein können, wie hierin beispielsweise für ein Target 102k (bzw. für eine Magnetronkathode 102k) beschrieben ist.
-
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Prozessieranordnung 200 (eine Sputter-Anordnung), wie hierin beschrieben ist, eine Vakuumkammer oder mehrere Vakuumkammern aufweisen, wobei mindestens eine der Vakuumkammern eine Sputter-Prozesskammer 202 sein kann. Beispielsweise kann die Prozessieranordnung 200 als eine so genannte Batch-Beschichtungsanlage eingerichtet sein, in welcher Substrate nacheinander schubweise beschichtet werden können. Ferner kann die Prozessieranordnung 200 als eine so genannte In-Line-Beschichtungsanlage eingerichtet sein, wobei ein Substrat (z.B. plattenförmige Substrate oder eine Vielzahl von plattenförmigen Substraten mittels Substrat-Carriern als so genanntes Endlossubstrat) auf einem Transportsystem durch mehrere Vakuumkammern (oder Kompartments) hindurch geführt werden kann. Dabei kann das Substrat mittels mindestens einer Schleusenkammer in die Prozessieranordnung 200 eingebracht und/oder aus der Prozessieranordnung 200 heraus gebracht werden. Ferner kann die Prozessieranordnung 200 als eine so genannte Luft-zu-Luft (Air-to-Air) Beschichtungsanlage eingerichtet sein oder als eine Bandbeschichtungsanlage, wobei das Substrat 120 beispielsweise von Rolle-zu-Rolle durch die mindestens eine Sputter-Prozesskammer 202 hindurch transportiert werden kann.
-
Eine Prozessieranordnung 200 zum Durchführen eines Kathodenzerstäubungsprozesses (Sputterprozesses) kann beispielsweise mindestens eine Vakuumkammer 202 (z.B. eine Sputter-Kammer, eine Sputter-Prozesskammer, oder ein Kompartment) und mindestens eine Magnetronkathode 102k (auch als Target bezeichnet) aufweisen, wobei während des Sputterprozesses Material (Targetmaterial) von der Magnetronkathode 102k zerstäubt wird und wobei sich das zerstäubte Material 112 in eine Richtung von der Magnetronkathode 102k weg ausbreitet. Der Bereich an der Magnetronkathode 102k, in dem sich das zerstäubte Material ausbreitet, kann als Prozessierbereich (aufweisend den Plasmabereich 101p bzw. Reaktionsbereich 101p und den Beschichtungsbereich 101b und den Separationsbereich 101t) bezeichnet werden. Ferner kann die Prozessieranordnung 200 eine Transportvorrichtung aufweisen (nicht dargestellt), mittels derer das Substrat 120 durch die Sputter-Prozesskammer 202 bzw. durch den Prozessierbereich hindurch oder zumindest in den Prozessierbereich hinein geführt werden kann, so dass zumindest ein Teil des Substrats 120 in dem Prozessierbereich beschichtet werden kann. Anschaulich kann sich beispielsweise der Prozessierbereich zwischen mindestens einem Magnetron 102 und mindestens einem zu beschichtenden Substrat 120 in der Sputter-Prozesskammer 202 erstrecken.
-
Während eines Kathodenzerstäubungsprozesses kann in dem Prozessierbereich (z.B. in dem Plasmabereich 101p) ein Plasma 111 bereitgestellt sein oder werden, z.B. indem mittels der Magnetronkathode 102k ein elektrisches Feld bereitgestellt wird, wobei sich das bereitgestellte elektrische Feld zumindest teilweise in den Prozessierbereich hinein erstreckt. Mittels des Plasmas 111 kann die Magnetronkathode 102k zerstäubt werden (z.B. aufgrund des Ionenbeschusses der Magnetronkathode 102k mit den im Plasma 111 gebildeten Ionen). Zum Erzeugen des Plasmas 111 kann mindestens ein Arbeitsgas 106g, 116g, 226g (z.B. Argon oder ein anderes Edelgas oder ein als Arbeitsgas geeignetes Gas) in der Sputter-Prozesskammer 202 bereitgestellt werden. Ferner kann zum reaktiven Sputtern mindestens ein Reaktivgas 104g in der Sputter-Prozesskammer 202 bereitgestellt werden. Die zum Sputtern verwendeten Prozessgase (ein Arbeitsgas oder mehrere Arbeitsgase und ein Reaktivgas oder mehrere Reaktivgase) können jeweils mittels einer Gaszuführung 104, 106, 226 in die Sputter-Prozesskammer 202 eingebracht werden, wobei das Einbringen geregelt erfolgen kann.
-
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 Plasmabereich 101p erstreckt. Aufgrund einer Überlagerung des bereitgestellten elektrischen Feldes mit dem erzeugten Magnetfeld kann das Bewegen von Ladungsträgern (z.B. Elektronen) in dem Plasmabereich 101p derart verändert sein oder werden (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 Plasmabereich 101p abgewandten Oberfläche der Magnetronkathode 102k angeordnet sein. Dabei kann das Magnetsystem 102m derart eingerichtet sein oder eine Vielzahl von Magneten kann räumlich derart angeordnet werden, dass im Plasmabereich 101p ein Ionisierbereich bereitgestellt wird, in welchem sich das Plasma 111 bildet, z.B. kann sich das Plasma stationär ausbilden, wenn die Magnetanordnung stationär ist. Der Ionisierbereich kann auch als Race-Track bezeichnet sein oder werden.
-
Mittels Anpassens des Magnetsystems kann eine vordefinierte Form und/oder Größe des Ionisierbereichs und somit des erzeugten Plasmas 111 eingestellt werden, und/oder die Geometrie des in dem Ionisierbereich erzeugten Plasmas 111 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.
-
Beim Zerstäuben der Targetoberfläche des Targets 102k kann der Materialabtrag von der relativen Anordnung des Targets 102k 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 (innerhalb des Targetrohrs oder der Rohrkathode) angeordnet sein kann, und das Targetrohr kann beispielsweise um die Achse des Targetrohrs rotiert werden. Dabei kann der sich längs erstreckende Ionisierbereich an und/oder über der äußeren Mantelfläche des Targetrohrs im Wesentlichen parallel zur Achse des Targetrohrs verlaufen.
-
Im Allgemeinen kann die Prozessieranordnung 200 oder eine ähnliche Prozessieranordnung 200 in einer Vielzahl von verschiedenen Betriebsarten betrieben werden, z.B. im so genannten DC-Modus (Gleichspannungs-Sputtern), im AC-Modus (Wechselspannungs-Sputtern, wie beispielsweise MF-Sputtern oder HF-Sputtern), im gepulsten Modus (Hochenergieimpulsmagnetronsputtern), mit unipolar oder bipolar gepulster Entladung, sowohl mit einer Elektrode als auch mit mehreren Elektroden (Kathoden und/oder Anoden).
-
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Prozessgas (z.B. das Arbeitsgas 106g, 116g, 226g und/oder das Reaktivgas 104g) derart dem Prozessierbereich zugeführt werden, dass eine vordefinierte räumliche Dichteverteilung des Prozessgases oder der Bestandteile des Prozessgases erzeugt wird. Eine Möglichkeit besteht beispielsweise darin die Verteilung, das Strömungsfeld, das Konzentrationsfeld, und/oder die chemische Zusammensetzung des Prozessgases (und/oder des Arbeitsgases) im Prozessierbereich (Plasmabereich 101p) zu kontrollieren und an die entsprechenden Bedingungen anzupassen, so dass eine auf dem Substrat abgeschiedene Schicht ein möglichst gleichmäßiges Schichteigenschaftsprofil aufweist.
-
Beispielsweise können entlang des Race-Tracks eine oder mehrere Gaszuführungen (oder Gasführungen) angeordnet sein oder werden, mittels derer eine Verteilung des Prozessgases in dem Prozessierbereich verändert bzw. angepasst werden kann. Ferner kann die chemische Zusammensetzung des Prozessgases, welches jeweils mit einer entsprechenden Gaszuführung geregelt eingeleitet werden kann, beispielsweise mittels eines Massenflussreglers, mittels eines Stellventils oder mittels mehrerer Stellventile (oder Ähnlichem) angepasst oder verändert werden. Mit anderen Worten kann beim Einleiten des Prozessgases in den Prozessierbereich der Fluss des Prozessgases oder jeweils der Fluss der einzelnen Bestandteile des Prozessgases verändert bzw. angepasst werden. Dabei kann die Gaszuführung der Gase des Prozessgases durch die Gaszuführungen hindurch getrennt voneinander erfolgen.
-
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Plasmaeigenschaften (z.B. die chemische Zusammensetzung des Plasmas, die Plasmadichte, die Temperatur des Plasmas oder Ähnliches) im gesamten Plasmabereich 101p oder jeweils in verschiedenen Bereichen des Plasmabereiches 101p 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 einen Spiegel) verwendet werden. Der optische Sensor oder die mehreren optischen Sensoren können beispielsweise relativ zu dem Plasmabereich 101p derart angeordnet und/oder ausgerichtet sein oder werden, dass basierend auf einer Emission des Plasmas beispielsweise Plasmaeigenschaften in einem Bereich des Plasmas 111 oder in verschiedenen Bereichen des Plasmas 111 ermittelt werden können und somit bei der Steuerung oder Regelung der Gaszuführungen berücksichtigt werden können. Anschaulich gesehen kann die Analyse der Emission Rückschlüsse auf die Plasmaeigenschaften in einem lokalen Bereich ermöglichen.
-
Ferner können mittels einer Druck-Messanordnung oder mittels einer Partialdruckmessanordnung die Partialdrücke der mehreren Reaktivgase (oder auch des Arbeitsgases) in der Sputter-Prozesskammer 202 ermittelt werden, so dass die Partialdrücke und/oder das Partialdruckverhältnis der mehreren Reaktivgase in der Regelung verwendet 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.
-
Ferner können sich während eines reaktiven Sputter-Prozesses zumindest Bestandteile eines zugeführten Reaktivgases 104g oder das zugeführte Reaktivgas 104g 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 des Reaktivgases beispielsweise mittels des Zuflusses an Reaktivgas geregelt oder eingestellt werden kann. Aufgrund einer chemischen Reaktion des Reaktivgases mit dem Targetmaterial (mit der Magnetronkathode 102k) kann der Sputterprozess in dem so genannten oxidischen Modus und in dem so genannten metallischen Modus betrieben werden. Das Belegen der Magnetronkathode 102k mit einem oxidischen Material (oder allgemein mit elektrisch isolierendem Material) kann dabei von dem Partialdruck des Reaktivgases abhängig sein.
-
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 Betriebszustand mittels einer Regelung stabilisiert werden sollte. Dabei kann man zwischen Kurzzeitstabilität (das Verhindern eines kurzzeitigen Wegkippens des Arbeitspunktes aufgrund des a priori instabilen Übergangsbereichs) und Langzeitstabilität (dem Ausgleichen einer langsamen Drift des Arbeitspunktes, z.B. wenn das Target abbrennt) unterscheiden, sowie beispielsweise zwischen dem Ausregeln lokaler Einflüsse. Diese Stabilität des Betriebs 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.
-
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Prozessieranordnung 200 derart eingerichtet sein, dass sich der erste Gaseinlass 104e und/oder der zweite Gaseinlass 106e im Wesentlichen parallel zu der Magnetronkathode 102k erstreckt, so dass das Target bzw. der Race-Track mit Prozessgas versorgt werden kann. Dabei können die Gaseinlässe segmentiert sein, beispielsweise in bis zu fünf Segmente oder in mehr als fünf Segmente, beispielsweise in Abhängigkeit davon, mit welcher Genauigkeit die Verteilung des Prozessgases in dem Plasmabereich 101p eingestellt werden soll. Ferner kann der erste Gaseinlass 104e und/oder der zweite Gaseinlass 106e (die Gaszuführung) auch gewinkelt oder gebogen eingerichtet sein, so dass das Reaktivgas 104g und/oder das Arbeitsgas 106g aus unterschiedlichen Richtungen bereitgestellt werden kann.
-
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der erste Gaseinlass 104e mehrere Zuführungen oder mehrere separate Gaskanäle oder einen segmentierten Gaskanal aufweisen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der zweite Gaseinlass 106e mehrere Zuführungen oder mehrere separate Gaskanäle oder einen segmentierten Gaskanal aufweisen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können beispielsweise mehrere segmentierte Gaskanäle 104e, 106e beidseitig der Magnetronkathode 102k angeordnet sein. Dabei können die mehreren segmentierten Gaskanäle 104e, 106e im Wesentlichen parallel neben der Magnetronkathode 102k angeordnet sein. Somit kann beispielsweise die Magnetronkathode 102k optimal mit Prozessgas versorgt werden, bzw. die Verteilung des Prozessgases in der Sputter-Prozesskammer 202 kann optimal eingestellt werden.
-
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können ein erster segmentierter Gaskanal 104e und ein zweiter segmentierter Gaskanal 106e jeweils beidseitig der Magnetronkathode 102k angeordnet sein. Die segmentierten Gaskanäle 104e, 106e können im Wesentlichen parallel (mit einer maximalen Abweichung von ±10° oder ±5° von einer parallelen Ausrichtung) zur Längserstreckung der Magnetronkathode 102k angeordnet sein. Dabei können die Magnetronkathode 102k sowie die Gaskanäle 104e, 106e eine Länge in einem Bereich von ungefähr 1 m bis ungefähr 4 m aufweisen.
-
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Fluss (eine strömende Gasmenge (Teilchenzahl bzw. Gasmasse) pro Zeiteinheit) des Reaktivgases 104g durch den ersten Gaseinlass 104e 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. Ferner kann der Fluss des Inertgases 106g durch den zweiten Gaseinlass 106e 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.
-
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können lokal unterschiedliche Plasmabedingungen 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 den mit unterschiedlicher Stöchiometrie brennenden Race-Track-Bereichen 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. 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.
-
3 veranschaulicht eine Prozessieranordnung 200 in einer schematischen Seitenansicht oder Querschnittsansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Anschaulich kann das Zuführen der Prozessgase (des Arbeitsgases bzw. Inertgases 106g, 116g, 226g und des Reaktivgases 104g) sowie das Absaugen 314a, 314b der in die Kammer eingeleiteten Gase derart erfolgen, dass das Substrat 120 nicht oder mit zu vernachlässigenden Mengen Reaktivgas 104g in Kontakt kommt. Somit kann der Reaktivprozess allein an der Magnetronkathode 102k ablaufen und auch dort kontrolliert werden. Ferner kann die Magnetronkathode 102k soweit wie möglich mit Inertgas 116g umspült werden. Ferner kann das Reaktivgas 104g entgegen der Ausbreitungsrichtung 112 des zerstäubten Materials abgepumpt werden.
-
Ferner kann ein weiterer Gaseinlass in den seitlichen Kammerwänden der Vakuumprozessierkammer 202 erfolgen. Ferner kann die Vakuumprozessierkammer 202 mittels Pumpschlitzen in den seitlichen Kammerwänden der Vakuumprozessierkammer 202 evakuiert 314b werden.
-
Wie in 3 veranschaulicht ist, kann die Gasführung um die Magnetronkathode 102k herum mittels des Gehäuses 102g erfolgen, z.B. kann das Gehäuse 102g Schlitze und/oder Öffnungen aufweisen, so dass das Inertgas 116g in das Gehäuse 102g eingeleitet werden kann und so dass Gas 314a (das eingeleitete Inertgas 106g und das eingeleitete Reaktivgas 104g) aus dem Gehäuse 102g abgepumpt werden kann.
-
4A veranschaulicht ein Verfahren 400a zum Beschichten eines Substrats 120 in einem Beschichtungsbereich 101b einer Vakuumprozessierkammer 202 in einem schematischen Ablaufdiagramm, analog zum vorangehend Beschriebenen.
-
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Verfahren 400a zum Beschichten 112 eines Substrats 120 in einem Beschichtungsbereich 101b der Vakuumprozessierkammer 202 Folgendes aufweisen: in 410a, das Versorgen einer Magnetronkathode 102k mit einem Arbeitsgas 106g und einem Reaktivgas 104g und Aktivieren (Bereitstellen einer Kathodenspannung/Leistung) der Magnetronkathode 102k derart, dass Material von der Magnetronkathode 102k mittels des Arbeitsgases 106g und/oder mittels des Reaktivgases 104g zerstäubt wird und dass das zerstäubte Material mit dem Reaktivgas 104g in einem Reaktionsbereich 101p chemisch reagiert, wobei sich das chemisch reagierte Material 112 in Richtung des Beschichtungsbereichs 101b der Vakuumprozessierkammer 202 ausbreitet; und, in 420a, das Einbringen eines Inertgases 106g in einen Separationsbereich 101t (oder Spülbereich) zwischen dem Beschichtungsbereich 101b und dem Reaktionsbereich 101p (dem Plasmabereich) und/oder Bespülen des Substrats 120 in dem Beschichtungsbereich 101b mittels eines Inertgases 106g derart, dass der Reaktionsbereich 101p von dem Beschichtungsbereich 101b bzw. von dem Substrat 120 mittels des eingebrachten Inertgases 106g separiert wird.
-
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats 120 in einem Beschichtungsbereich 101b einer Vakuumprozessierkammer 202 Folgendes aufweisen: das Versorgen einer Magnetronkathode 102k eines Magnetrons 102 mit einem Arbeitsgas 106g und einem Reaktivgas 104g und Aktivieren (Bereitstellen einer Kathodenspannung/Leistung) des Magnetrons 102 derart, dass Material von der Magnetronkathode 102k mittels des Arbeitsgases 106g und/oder mittels des Reaktivgases 104g zerstäubt wird und dass das zerstäubte Material mit dem Reaktivgas 104g in einem Reaktionsbereich 101p chemisch reagiert, wobei sich das chemisch reagierte Material 112 in Richtung des Beschichtungsbereichs 101b der Vakuumprozessierkammer 202 ausbreitet; und das Einbringen eines Inertgases 106g in einen Separationsbereich 101t (oder Spülbereich) zwischen dem Beschichtungsbereich 101b und dem Reaktionsbereich 101p (dem Plasmabereich) und/oder Bespülen des Substrats 120 in dem Beschichtungsbereich 101b mittels eines Inertgases 106g derart, dass der Reaktionsbereich 101p von dem Beschichtungsbereich 101b bzw. von dem Substrat 120 mittels des eingebrachten Inertgases 106g separiert wird.
-
4B veranschaulicht ein Verfahren 400b zum Beschichten eines Substrats 120 in einem Beschichtungsbereich 101b einer Vakuumprozessierkammer 202 in einem schematischen Ablaufdiagramm, analog zum vorangehend Beschriebenen.
-
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Verfahren 400b zum Beschichten 112 eines Substrats 120 in einem Beschichtungsbereich 101b der Vakuumprozessierkammer 202 Folgendes aufweisen: in 410b, das Versorgen einer Magnetronkathode 102k mit einem Arbeitsgas 106g und einem Reaktivgas 104g und Aktivieren der Magnetronkathode 102k derart, dass Material von der Magnetronkathode 102k mittels des Arbeitsgases 106g und/oder mittels des Reaktivgases 104g zerstäubt wird und dass das zerstäubte Material mit dem Reaktivgas 104g in einem Reaktionsbereich 101p chemisch reagiert, wobei sich das chemisch reagierte Material 112 in Richtung des Beschichtungsbereichs 101b der Vakuumprozessierkammer 202 ausbreitet; und, in 420b, das Evakuieren eines Gehäuses 102g, welches die Magnetronkathode 102k zumindest teilweise umgibt, mittels mindestens einer Abpump-Öffnung 102a innerhalb des Gehäuses 102g, so dass zumindest das Reaktivgas 104g von dem Beschichtungsbereich 101b fern gehalten wird (weg gepumpt wird).
-
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Verfahren zum Beschichten 112 eines Substrats 120 in einem Beschichtungsbereich 101b einer Vakuumprozessierkammer 202 Folgendes aufweisen: Versorgen einer Magnetronkathode 102k eines Magnetrons 102 mit einem Arbeitsgas 106g und einem Reaktivgas 104g und Aktivieren des Magnetrons 102 derart, dass Material von der Magnetronkathode 102k mittels des Arbeitsgases 106g und/oder mittels des Reaktivgases 104g zerstäubt wird und dass das zerstäubte Material mit dem Reaktivgas 104g in einem Reaktionsbereich 101p chemisch reagiert, wobei sich das chemisch reagierte Material 112 in Richtung des Beschichtungsbereichs 101b der Vakuumprozessierkammer 202 ausbreitet; und Evakuieren eines Gehäuses 102g, welches die Magnetronkathode 102k zumindest teilweise umgibt, mittels mindestens einer Abpump-Öffnung 102a innerhalb des Gehäuses 102g, so dass zumindest das Reaktivgas 104g von dem Beschichtungsbereich 101b fern gehalten wird (weg gepumpt wird).
-
5A veranschaulicht eine Magnetronanordnung 100 mit einer inversen Gasspülung, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Dabei wird das Reaktivgas 104g (z.B. O2) am Race-Track vorbei geführt und sofort wieder abgesaugt. Ferner wird zusätzlich noch mit Inertgas (z.B. Ar) gespült.
-
Ferner kann bei der inversen Gasspülung, wie in 5B veranschaulicht ist, die Rückseite der Magnetronkathode 102k (gegenüber des Plasmabereichs) oder die Target-Rückseite gleichzeitig mit Arbeitsgas gespült werden, um eine chemische Reaktion (z.B. eine Oxidation) der Magnetronkathode 102k zu verhindern.
-
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Vorderseite und die gegenüberliegende Rückseite der Magnetronkathode 102k aufgrund der Anordnung des Magnetsystems relativ zu der Magnetronkathode 102k definiert sein, wobei über oder auf der Vorderseite der Magnetronkathode 102k das Plasma erzeugt wird und auf der Rückseite der Magnetronkathode 102k keine Zerstäubung erfolgt.
-
5C veranschaulicht eine Magnetronanordnung 100 mit einer inversen Gasspülung, wobei die Magnetronanordnung 100 in eine Vakuumprozessierkammer 202 eingebettet ist.
-
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine zusätzliche Saugleistung mittels eines Pumpschlitzes oder mittels mehrerer Pumpschlitze bereitgestellt sein, so dass ein akzeptabler Restgasdruck in der Vakuumprozessierkammer 202 bereitgestellt werden kann. Ferner können zusätzliche Inertgas-Einlässe (z.B. Argon-Einlässe) bereitgestellt sein zum Verhindern eines Reaktivgasstromes zu den Pumpschlitzen hin.
-
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann mittels der hierin beschriebenen Magnetronanordnung 100 oder Prozessieranordnung 200 der Partialdruck und/oder die Partialdruckverteilung des Reaktivgases und/oder des Arbeitsgases in der Vakuumprozessierkammer mittels einer entsprechenden Saugleistungsverteilung und eines entsprechenden Gaseinlasses eingestellt, gesteuert und/oder geregelt werden. Somit kann ein reaktiver Sputterprozess kontrolliert werden zum Abscheiden einer Schicht mit entsprechend vordefinierten Eigenschaften auf einem Substrat.