DE102015104616A1

DE102015104616A1 - Magnetronanordnung und Verfahren zum Betreiben einer Rohrmagnetronanordnung

Info

Publication number: DE102015104616A1
Application number: DE102015104616.4A
Authority: DE
Inventors: Steffen Mosshammer; Stanley Rehn; Mario Wichtery; Götz Teschner
Original assignee: Von Ardenne GmbH
Current assignee: Von Ardenne Asset GmbH and Co KG
Priority date: 2015-03-26
Filing date: 2015-03-26
Publication date: 2016-09-29

Abstract

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Magnetronanordnung (100) Folgendes aufweisen: eine rohrförmige Kathode (102k), welche sich in Axialrichtung (101) erstreckt; eine innerhalb der rohrförmigen Kathode (102k) angeordnete Magnetanordnung (102m), welche einen in Axialrichtung (101) längserstreckten Plasmabildungsbereich (106) unterhalb der rohrförmigen Kathode (102k) definiert; eine erste Anodenstruktur (108), welche sich in Axialrichtung (101) erstreckt und seitlich neben dem längserstreckten Plasmabildungsbereich (106) und/oder seitlich neben der rohrförmigen Kathode (102k) angeordnet ist; und eine zweite Anodenstruktur (110), welche in Axialrichtung (101) in einem Abstand von dem längserstreckten Plasmabildungsbereich (106) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Magnetronanordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer Rohrmagnetronanordnung.
Im Allgemeinen können Magnetrons zum Beschichten eines Substrats verwendet werden, beispielsweise kann ein so genannter Sputter-Prozess (eine Kathodenzerstäubung) genutzt werden, um ein Substrat oder auch mehrere Substrate in einer Prozesskammer zu beschichten (z. B. als Sputter-Beschichtung oder Sputterdeposition bezeichnet). Magnetrons können derart bereitgestellt sein, dass diese einen Betriebsmodus aus einer Vielzahl von möglichen Betriebsmodi umsetzen können. Die Betriebsmodi, einzeln oder in Kombination, können beispielsweise aufweisen: geregeltes oder ungeregeltes reaktives Sputtern, nicht reaktives Sputtern, Gleichspannungs-Sputtern (DC-Sputtern oder Bipolares-Sputtern), Wechselspannungs-Sputtern (AC-Sputtern oder Bipolares-Sputtern, z. B. MF-(Mittelfrequenz)-Sputtern), gepulstes Gleichspannungs-Sputtern (z. B. Hochleistungs-Impulsmagnetronsputtern; als HiPIMS oder HPPMS abgekürzt). Herkömmlicherweise werden für verschiedene Betriebsarten eines Magnetrons verschiedene speziell an die Betriebsart angepasste Magnetrons bereitgestellt, wobei diese Magnetrons eingerichtet sein können, nur einen speziellen Betriebsmodus optimal umzusetzen.
Beim nicht reaktiven Sputtern kann beispielsweise ein Arbeitsgas (z. B. Argon) verwendet werden, um eine Kathode (bzw. ein Targetmaterial) zu zerstäuben, wobei das Arbeitsgas nicht in die auf dem Substrat abgeschiedene Schicht eingebaut wird. Somit kann beispielsweise eine metallische Schicht oder halbmetallische Schicht auf einem Substrat abgeschieden werden. Beim reaktiven Sputtern wird dem Arbeitsgas mindestens ein reaktives Gas zugesetzt oder zusätzlich mindestens ein reaktives Gas in den Sputterprozess eingebracht, so dass das zerstäubte Targetmaterial mit dem Reaktivgas chemisch reagiert und sich die Reaktionsprodukte auf dem Substrat abscheiden oder auf dem Substrat bilden.
Ferner kann mindestens ein Generator zum Bereitstellen der elektrischen Spannung an der Kathode und des entsprechenden elektrischen Stroms zwischen der Kathode und mindestens einer Anode verwendet werden. 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.
Um den Sputterprozess aufrecht zu halten, wird in der Umgebung der Kathode eine Anode benötigt, so dass sich insgesamt ein Stromfluss zwischen Kathode und Anode ausbildet. Dies ermöglicht beispielsweise eine Leistungsregelung oder Leistungssteuerung des Sputterprozesses. Dabei kann die Leistung beispielsweise von dem Gasdruck im dem jeweiligen Raumbereich abhängig sein, in welchem das Plasma erzeugt wird. Die Sputterleistung kann entlang der Kathode, welche beispielsweise längserstreckt ist (z. B. eine Rohrkathode oder so genanntes Targetrohr eines Rohrmagnetrons), ortsabhängig sein. Dies kann beispielsweise das Schichtdickenprofil der abgeschiedenen Schicht beeinflussen, welches die Ortsabhängigkeit der Sputterleistung und damit die Ortsabhängigkeit der Beschichtungsrate wiederspiegelt. Längserstreckte Kathoden werden üblicherweise mit deren Längserstreckung quer zur Substrattransportrichtung angeordnet, z. B. oberhalb der zu beschichtenden Oberfläche des Substrats. Beispielsweise kann ein Rohrmagnetron derart in einer Beschichtungskammer relativ zu einem Substrattransportsystem angeordnet sein, dass die Rohrachse bzw. Drehachse der Rohrkathode quer zur Substrattransportrichtung ausgerichtet ist.
Beim 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 und/oder Reaktivgases) mittels einer Prozessgaszuführung oder mittels einer Gaszufuhrregelung in den betreffenden Bereich der Sputter-Prozesskammer.
Bei einem längserstreckten Magnetron kann das Prozessgas (das Arbeitsgas und/oder das Reaktivgas) mittels einer entlang der Längserstreckung segmentierten Gaszuführung (einem segmentierten Gaskanal) 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.
Ferner kann beispielsweise die räumliche Anordnung mehrerer Anoden in der Umgebung der Magnetronkathode (z. B. der Rohrkathode eines Rohrmagnetrons) derart erfolgen, dass sich eine homogene räumliche Verteilung der Sputterleistung entlang der Längserstreckung der Magnetronkathode (bzw. entlang der Rohrachse der Rohrkathode) ergibt bzw. dass eine homogene räumliche Verteilung der Sputterleistung entlang der Längserstreckung der Magnetronkathode einfacher bereitgestellt werden kann. Beispielsweise kann das elektrische Potential der mehreren Anoden derart angepasst sein oder werden (z. B. gesteuert oder geregelt werden), dass sich entlang der Längserstreckung der Magnetronkathode eine homogene räumliche Verteilung der Sputterleistung ergibt und somit bei einem Beschichtungsprozess entlang der Breite des beschichtete Substrats eine homogene räumliche Verteilung der Schichtdicke der auf dem Substrat abgeschiedenen Schicht. Anschaulich können mehrere Anoden verwendet werden, um den Betriebspunkt eines Magnetrons einzustellen bzw. anzupassen oder aufrecht zu erhalten.
Beispielsweise kann die Kathode (auch als Magnetronkathode bezeichnet) als rohrförmige Kathode ausgebildet sein, wobei die Magnetanordnung innerhalb der Rohrkathode angeordnet ist. Anschaulich kann die Rohrkathode Teil eines Rohrmagnetrons (auch als Rotatable Single Magnetron, RSM, bezeichnet) oder eines Doppel-Rohrmagnetrons (auch als Rotatable Dual Magnetron, RDM, bezeichnet) sein. Die Rohrkathode kann beispielsweise einen rohrförmigen Träger aufweisen, auf dem (z. B. sprödes und/oder zerbrechliches) Targetmaterial befestigt sein kann oder die Rohrkathode kann ein rohrförmig eingerichtetes Targetmaterial aufweisen (z. B. ein Rohr aus Targetmaterial).
Eine Rohrmagnetronanordnung kann beispielsweise Folgendes aufweisen: mindestens eine rohrförmige Kathode (auch als Rohrkathode, Kathodenrohr, rohrförmiges Target, Rohrtarget oder Targetrohr bezeichnet) mit einem zu zerstäubenden Material (auch als Targetmaterial bezeichnet); eine innerhalb der rohrförmigen Kathode angeordnete Magnetanordnung, wobei die Magnetanordnung derart eingerichtet ist, dass außerhalb der rohrförmigen Kathode über der zu zerstäubenden Außenmantelfläche ein (z. B. ringförmig geschlossener) Plasmabildungsbereich bereitgestellt ist, wobei der Plasmabildungsbereich zwei (z. B. nebeneinander verlaufende) längserstreckte Bereiche und zwei die längserstreckten Bereiche ringförmig verbindende (z. B. gekrümmt verlaufende) Umkehrbereiche aufweist. Anschaulich wird der Plasmabildungsbereich auch als Race-Track bezeichnet. Die zwei (z. B. nebeneinander verlaufenden) längserstreckten Bereiche des Plasmabildungsbereichs können als Mittenbereich des Plasmabildungsbereichs bezeichnet sein oder werden. Ferner können die zwei Umkehrbereiche, welche jeweils den Mittenbereich des Plasmabildungsbereichs in Axialrichtung begrenzen, als axiale Endbereiche des Plasmabildungsbereichs bezeichnet sein oder werden. Anschaulich kann sich der Mittenbereich des Plasmabildungsbereichs, in Axialrichtung betrachtet, zwischen den beiden axialen Endbereichen des Plasmabildungsbereichs erstrecken.
Ferner kann eine Rohrmagnetronanordnung eine Gaszuführungsanordnung aufweisen mit mindestens einem Gaseinlass zum versorgen des Plasmabildungsbereichs mit einem Gas (auch als Prozessgas bezeichnet, wobei das Prozessgas das Arbeitsgas und optional mindestens ein Reaktivgas aufweisen kann).
Ferner kann eine Rohrmagnetronanordnung zwei Magnetron-Endblöcke aufweisen zum Halten (bzw. drehbaren Lagern) einer rohrförmigen Kathode (sowie beispielsweise der Magnetanordnung) und zum Versorgen der rohrförmigen Kathode mit beispielsweise Kühlwasser und elektrischer Energie (Leistung) sowie zum Antreiben (bzw. Rotieren) der rohrförmigen Kathode um deren Rohrachse. Die rohrförmige Kathode kann beispielsweise eine Axialrichtung definieren, welche der Rohrachse entspricht, sowie eine Radialrichtung quer zur Axialrichtung, d. h. quer zur Rohrachse.
Beispielsweise kann eine Rohrmagnetronanordnung mit einer Rohrkathode oder mit zwei Rohrkathoden an einem Kammerdeckel (einem so genannten Magnetrondeckel) bereitgestellt sein oder werden. In diesem Fall kann eine Kammergehäuse einer Vakuumkammer eine entsprechende Öffnung aufweisen, welche mittels des Kammerdeckels abgedeckt werden kann, so dass das Kammergehäuse vakuumdicht verschlossen werden kann und die Rohrmagnetronanordnung innerhalb des Kammergehäuses gehalten wird zum Beschichten eines Substrats innerhalb des Kammergehäuses. Alternativ kann eine Rohrmagnetronanordnung mit einer Rohrkathode oder mit zwei Rohrkathoden an einer Kammerwand innerhalb einer Vakuumkammer montiert sein oder werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Magnetronanordnung Folgendes aufweisen: eine rohrförmige Kathode, welche sich in Axialrichtung erstreckt; eine innerhalb der rohrförmigen Kathode angeordnete Magnetanordnung, welche einen in Axialrichtung längserstreckten Plasmabildungsbereich unterhalb der rohrförmigen Kathode definiert; eine erste Anodenstruktur, welche sich in Axialrichtung erstreckt und seitlich neben dem längserstreckten Plasmabildungsbereich und/oder der rohrförmigen Kathode angeordnet ist; und eine zweite Anodenstruktur, welche in Axialrichtung in einem Abstand von dem längserstreckten Plasmabildungsbereich angeordnet ist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Abstand der zweiten Anodenstruktur von dem längserstreckten Plasmabildungsbereich in einem Bereich von ungefähr 5 cm bis ungefähr 50 cm liegen, z. B. in einem Bereich von ungefähr 5 cm bis ungefähr 30 cm, z. B. in einem Bereich von ungefähr 5 cm bis ungefähr 20 cm.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Magnetronanordnung Folgendes aufweisen: eine rohrförmige Kathode, welche eine Axialrichtung definiert; eine innerhalb der rohrförmigen Kathode angeordnete Magnetanordnung, welche einen in Axialrichtung längserstreckten Plasmabildungsbereich unterhalb der rohrförmigen Kathode definiert; eine erste Anodenstruktur, welche sich in Axialrichtung erstreckt und seitlich neben dem in Axialrichtung längserstreckten Plasmabildungsbereich und/oder der rohrförmigen Kathode angeordnet ist; und eine zweite Anodenstruktur, welche in Axialrichtung vor (bzw. hinter) dem Plasmabildungsbereich und/oder vor (bzw. hinter) der rohrförmigen Kathode angeordnet ist zum Versorgen der axialen Endbereiche des in Axialrichtung längserstreckten Plasmabildungsbereichs.
Ferner kann die erste Anodenstruktur elektrisch mit einem Generator gekoppelt sein. Ferner kann die erste Anodenstruktur mindestens ein stabförmiges Anodenelement oder mindestens ein gekrümmt und/oder gewinkeltes flächiges Anodenelement aufweisen.
Ferner kann die erste Anodenstruktur entlang der Axialrichtung segmentiert sein.
Ferner kann die zweite Anodenstruktur mindestens einen Bügel aufweisen. Dabei kann der mindestens eine Bügel mit der Anodenstruktur (z. B. mit dem mindestens einen stabförmigen Anodenelement oder mit dem mindestens einen gekrümmten und/oder gewinkelten flächigen Anodenelement) elektrisch leitfähig verbunden sein. Beispielsweise kann der mindestens eine Bügel an das entsprechend Anodenelement der ersten Anodenstruktur angeschraubt sein, Mit anderen Worten können die erste Anodenstruktur und die zweite Anodenstruktur körperlichen Kontakt zueinander haben. In diesem Fall sind beide Anodenstrukturen im Wesentlichen auf dem gleichen Anodenpotential. Somit kann das Plasma in den axialen Endbereichen des Plasmabildungsbereichs beeinflusst werden. Der Mittenbereich des Plasmabildungsbereichs, welcher sich zwischen den beiden axialen Endbereichen des Plasmabildungsbereichs erstreckt, wird anschaulich mittels der ersten Anodenstruktur beeinflusst.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können beide Anodenstrukturen auf Anodenpotential gebracht sein oder werden, z. B. mittels mindestens eines Generators, z. B. Gleichspannungsgenerators oder Wechselspannungsgenerators. Dabei kann das Anodenpotential ein gegenüber dem Massepotential positives Potential sein. Es versteht sich, dass das Anodenpotential als Referenz auch das Kathodenpotential der Rohrkathode das Magnetrons haben kann, so dass unter Umständen das Anodenpotential negativ gegenüber dem Massepotential sein kann, jedoch positiver als das Kathodenpotential.
Ferner kann die Magnetronanordnung zwei Endblockanordnungen aufweisen zum drehbaren Lagern der rohrförmigen Kathode an deren axialen Endabschnitten, wobei die Endblockanordnungen jeweils ein Endblockgehäuse aufweisen, welches eine an dem Endblockgehäuse elektrisch isoliert montierte Abdeckung aufweist. Anschaulich dient diese Abdeckung herkömmlicherweise zum elektrischen Abschirmen (auch als Dunkelfeldabschirmung bezeichnet) des Endblockgehäuses, welches Kathodenpotential aufweist, so dass kein Plasma an Stellen brennt, z. B. an dem Endblockgehäuses, die nicht dafür vorgesehen sind.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die zweite Anodenstruktur bereitgestellt werden, indem jeweils die Abdeckung der zwei Endblockanrdnungen auf Andenpotential gebracht ist. Beispielsweise kann jeweils die Abdeckung der zwei Endblockanordnungen elektrisch mit einem Generator gekoppelt sein oder werden. Somit kann das Plasma in den axialen Endbereichen des Plasmabildungsbereichs gezielt beeinflusst werden, und beispielsweise unabhängig von dem Mittenbereich des Plasmabildungsbereichs, welcher sich zwischen den beiden axialen Endbereichen des Plasmabildungsbereichs erstreckt, beeinflusst werden (z. B. gesteuert oder geregelt werden). Der Mittenbereich des Plasmabildungsbereichs wird anschaulich mittels der ersten Anodenstruktur beeinflusst.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die zweite Anodenstruktur elektrisch mit einem Generator gekoppelt sein oder werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die erste Anodenstruktur in einem Abstand von einer Kammerwand eines Vakuumkammergehäuses angeordnet sein, beispielsweise anschaulich zwischen dem Vakuumkammergehäuse, in welchem die Magnetronanordnung betrieben wird, und der Rohrkathode der Magnetronanordnung.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die zweite Anodenstruktur in einem Abstand von einer Kammerwand eines Vakuumkammergehäuses angeordnet sein, beispielsweise anschaulich zwischen dem Vakuumkammergehäuse, in welchem die Magnetronanordnung betrieben wird, und der Rohrkathode der Magnetronanordnung. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die zweite Anodenstruktur bezüglich der Axialrichtung zwischen dem Vakuumkammergehäuse und der Rohrkathode angeordnet sein oder werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Verfahren zum Betreiben einer Rohrmagnetronanordnung mit mindestens einer Rohrkathode Folgendes aufweisen: Steuern oder Regeln einer ersten Anodenstruktur, welche sich in Axialrichtung der mindestens einen Rohrkathode erstreckt und seitlich neben der mindestens einen Rohrkathode angeordnet ist zum Bereitstellen eines elektrischen Feldes im Bereich zwischen der ersten Anodenstruktur und der mindestens einen Rohrkathode mit einem Feldgradienten quer zur Axialrichtung; und Steuern oder Regeln einer zweiten Anodenstruktur, welche in Axialrichtung in einem Abstand zu dem Plasmabildungsbereich und/oder in einem Abstand zu der mindestens einen Rohrkathode angeordnet ist zum Bereitstellen eines elektrischen Feldes im Bereich zwischen der zweiten Anodenstruktur und der mindestens einen Rohrkathode mit einem Feldgradienten in Axialrichtung.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Verfahren zum Betreiben einer Rohrmagnetronanordnung mit mindestens einer Rohrkathode Folgendes aufweisen: Steuern oder Regeln einer ersten Anodenstruktur, welche sich in Axialrichtung der mindestens einen Rohrkathode erstreckt und seitlich neben der mindestens einen Rohrkathode angeordnet ist zum Bereitstellen eines elektrischen Feldes im Bereich zwischen der ersten Anodenstruktur und der mindestens einen Rohrkathode mit einem Feldgradienten quer zur Axialrichtung; und Steuern oder Regeln einer zweiten Anodenstruktur, welche in Axialrichtung vor dem Plasmabildungsbereich und/oder vor der mindestens einen Rohrkathode angeordnet ist zum Bereitstellen eines elektrischen Feldes im Bereich zwischen der zweiten Anodenstruktur und der mindestens einen Rohrkathode mit einem Feldgradienten in Axialrichtung.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Endblock zum Lagern und/oder Versorgen einer Rohrkathode für einen Kathodenzerstäubungsprozess bereitgestellt werden, wobei ein Teil oder Abschnitt des Endblocks (z. B. eine äußere Abdeckung des Endblocks) als Anode zum Beeinflussen des Kathodenzerstäubungsprozesses verwendet wird.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Metallbügel verwendet werden zum Beeinflussen eines Plasmabildungsprozesses in einem Plasmabildungsbereich beim Betreiben einer Rohrmagnetronanordnung, wobei der Metallbügel an einer Anodenstruktur der Rohrmagnetron-Anordnung befestigt ist und in Axialrichtung vor dem Plasmabildungsbereich angeordnet ist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Prozessieranordnung Folgendes aufweisen: eine Prozesskammer mit mindestens einem Beschichtungsraum (oder Beschichtungsbereich), mindestens eine in der Prozesskammer über dem Beschichtungsraum angeordnete Magnetronanordnung zum Beschichten eines Substrats in dem Beschichtungsraum. Dabei kann die Prozesskammer eine Vakuumprozesskammer sein und mindestens eine Vakuumkammergehäuse aufweisen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Magnetronanordnung genau eine Rohrkathode aufweisen (z. B. als RSM bezeichnet), wobei in diesem Fall die erste Anodenstruktur einen Anodenträger aufweist, wobei der Anodenträger mindestens eine Haltestruktur aufweist zum Halten und elektrischen Versorgen mehrerer Anodenelemente, wobei der Anodenträger oberhalb der Magnetronkathode angeordnet ist. Dabei kann der Anodenträger Kühlkanäle aufweisen, so dass der Anodenträger flüssigkeitsgekühlt, z. B. wassergekühlt, sein kann oder werden kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Magnetronanordnung zwei Rohrkathoden aufweisen (z. B. als RDM bezeichnet), wobei in diesem Fall die erste Anodenstruktur zwei Anodenträger aufweist, wobei jeder der zwei Anodenträger mindestens eine Haltestruktur aufweist zum Halten und elektrischen Versorgen mehrerer Anodenelemente, wobei jeweils ein Anodenträger oberhalb einer der zwei Magnetronkathoden angeordnet ist. Dabei kann jeder der Anodenträger Kühlkanäle aufweisen, so dass die zwei Anodenträger flüssigkeitsgekühlt, z. B. wassergekühlt, sein können oder werden können. Dabei können die zwei Anodenträger elektrisch miteinander gekoppelt sein oder voneinander elektrisch isoliert eingerichtet sein. Anschaulich kann pro Magnetronkathode mindestens ein Andenträger breitgestellt sein oder werden, welcher Teil der ersten Anodenstruktur ist. Der Anodenträger kann elektrisch von der Masse (z. B. der Vakuumkammer oder der Pumpdeckel oder einem anderen Massepotential) getrennt sein und elektrisch nach außen geführt sein, so dass ein elektrisches Potential auf die Anodenträger aufgebracht werden kann. Beispielsweise kann jeder Anodenträger einzeln oder können beide Anodenträger gemeinsam von außerhalb der Vakuumkammer, in welcher die Magnetronanordnung betrieben wird, mit elektrischer Energie versorgt werden, z. B. kann ein gegenüber der Magnetronkathode positives Potential auf die Anodenträger einzeln oder auf beide Anodenträger gemeinsam gebracht werden.
Beispielsweise kann jeder Anodenträger einzeln oder können beide Andenträger gemeinsam von außerhalb der Vakuumkammer durch eine Kammerwand der Vakuumkammer hindurch mit elektrischer Energie versorgt werden. Alternativ kann die Magnetronanordnung an einer Deckelplatte montiert sein oder werden, wobei mittels der Deckelplatte eine entsprechende Kammer-Deckelöffnung einer Vakuumkammer vakuumdicht abgedichtet werden kann, so dass die Vakuumkammer evakuiert werden kann und die an der Deckelplatte montierte Magnetronanordnung in der Vakuumkammer angeordnet ist, wobei jeder Anodenträger einzeln oder beide Anodenträger gemeinsam von außerhalb der Vakuumkammer durch die Deckelplatte hindurch mit elektrischer Energie versorgt werden kann.
Im unipolaren Betrieb der Magnetronanordnung wirkt ein Target als Kathode gegen die beiden Anodenstrukturen, wobei nur diese Kathode als Beschichtungsquelle bereitsteht, und die beiden Anodenstrukturen nicht zugleich als Beschichtungsquelle dienen. Die Anode ist ein leitfähiges Konstruktionselement, z. B. ein Metallteil, in der Vakuumkammer. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen werden nicht die Wände der Vakuumkammer („elektrische Masse”) als Anode genutzt. Bevorzugt wird in dieser Variante mit Gleichspannung gearbeitet. Die Kathode ist dabei der negative, die Anode der positive Pol. Dabei können auch mehrere Targets im selben Prozessraum (in der gleichen Vakuumkammer) im unipolaren Modus betrieben werden, z. B. zwei nebeneinander angeordnete Rohrmagnetrons. Dabei fließt Strom von jedem Target zu einer der beiden Anodenstrukturen. Die Anode kann pro Target separat ausgeführt sein oder werden, oder gemeinsam für mehrere Targets bereitgestellt sein oder werden. Jedoch fließt im unipolaren Betrieb kein elektrischer Strom von Target zu Target.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
Es zeigen
1A eine schematische Ansicht einer Magnetronanordnung, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
1B eine schematische Querschnittsansicht einer Magnetronanordnung, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
2A bis 2D jeweils eine schematische Ansicht einer Magnetronanordnung, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
3A und 3B jeweils eine schematische Querschnittsansicht einer Magnetronanordnung, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
4 ein schematische Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer Rohrmagnetronanordnung, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
5 eine schematische Querschnittsansicht einer Prozessieranordnung mit mindestens einer Magnetronanordnung, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
6 eine schematische perspektivische Ansicht einer Magnetronanordnung, gemäß verschiedenen Ausführungsformen; und
7 eine schematische perspektivische Ansicht einer Magnetronanordnung, 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 eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Sputtern in einer Vakuumanlage beschrieben, wobei mindestens eine Magnetronanordnung verwendet werden kann, wie hierin beschrieben ist. Dabei kann die Magnetronanordnung eine erste Anode bzw. eine erste Anodenstruktur aufweisen, z. B. eine so genannte Rinnenanode. Ferner wird, gemäß verschiedenen Ausführungsformen, eine zweite Anode bzw. eine zweite Anodenstruktur, z. B. ein Anodenbügel oder mehrere Anodenbügel, zur Optimierung der Schichtdickenverteilung beim Sputtern von Rohrkathoden verwendet.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Rinnenanode durch einen Anodenbügel in den Endbereichen der Rohrkathode eine verbesserte Verteilung des elektrischen Feldes und somit eine homogene Schichtdickenverteilung beim Sputtern von Rohrkathoden ermöglichen. Mittels des Anodenbügels kann beispielsweise anschaulich eine Art geschlossene Anode gebildet sein oder werden, welche den Plasmabildungsbereich im Wesentlichen ringförmig (ähnlich wie die Form des Racetracks) umgibt.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Endblockhaube (d. h. eine Abdeckung eines Endblockgehäuses) als Anode oder als Teil einer Anode verwendet werden. Diese kann beispielsweise anstelle des Bügels verwendet werden. Dabei wird anschaulich ebenfalls die Rohrkathode allseits von Anodenstrukturen umschlossen. Dabei sind beispielsweise alle benötigten Bauteile bereits vorhanden, da die Endblockhaube zusätzlich zur Funktion der Abdeckung des Endblockgehäuses die Funktion als Anode wahrnimmt. Somit entsteht weder zusätzlicher Aufwand noch entstehen zusätzliche Partikelquellen, wenn ein Teil des Magnetron-Endblocks als Anode verwendet wird.
1A veranschaulicht eine schematische Ansicht einer Magnetronanordnung 100, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Die Magnetronanordnung 100 kann eine rohrförmige Kathode 102k aufweisen, welche sich in Axialrichtung 101 erstreckt. Innerhalb der rohrförmigen Kathode 102k kann eine Magnetanordnung 102m derart bereitgestellt sein oder werden, dass ein in Axialrichtung 101 längserstreckter Plasmabildungsbereich 106 unterhalb der rohrförmigen Kathode 102 bereitgestellt werden kann. Anschaulich definiert die Magnetanordnung 102m zumindest teilweise die Lage und Form des Plasmabildungsbereichs 106 relativ zu der rohrförmigen Kathode 102k während des Betriebs der Magnetronanordnung 100. Die rohrförmige Kathode 102k und die Magnetanordnung 102m können auch gemeinsam als Magnetron 102 oder Teil eines Magnetrons 102 bezeichnet werden.
Ferner kann eine erste Anodenstruktur 108, welche sich in Axialrichtung 101 erstreckt, seitlich neben dem längserstreckten Plasmabildungsbereich 106 und/oder seitlich neben der rohrförmigen Kathode 102k angeordnet sein oder werden. Ferner kann eine zweite Anodenstruktur 110 in Axialrichtung 101 in einem Abstand von dem längserstreckten Plasmabildungsbereich 106 angeordnet sein oder werden.
1B veranschaulicht die in 1A (und/oder ferner jeweils die in 2A bis 2D) dargestellte Magnetronanordnung 100 in einer schematischen Querschnittsansicht (103s), gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
Beispielsweise kann die Magnetronanordnung 100 mindestens eine Magnetronkathode 102k aufweisen, mit einer zu zerstäubende Oberfläche 102o, wobei in 1A eine schematische Draufsicht auf die zu zerstäubende Oberfläche 102o der Magnetronkathode 102k dargestellt ist. Die Magnetronkathode 102k bzw. das Magnetron 102 kann längserstreckt sein, z. B. in die Richtung 101, wobei die Magnetronkathode 102k eine Länge aufweisen kann in einem Bereich von ungefähr 1 m bis ungefähr 5 m. Somit kann beispielsweise ein Substrat mittels der Magnetronanordnung 100 beschichtet werden, wobei das Substrat eine Breite von weniger als der Länge der Magnetronkathode 102k aufweisen kann und senkrecht zur Richtung 101 relativ zu dem Magnetron 102 bewegt wird (z. B. kann ein zu beschichtendes Substrat während eines Sputterprozesses mittels der Magnetronanordnung 100 beschichtet werden, während das Substrat parallel zur Richtung 103 transportiert wird).
Wie in 1B veranschaulicht ist, kann die rohrförmige Kathode 102k drehbar gelagert sein oder werden, z. B. drehbar in eine Umlaufrichtung 111. Dazu kann die Magnetronanordnung 100 beispielsweise mindestens einen Endblock (z. B. einen Endblock oder zwei Endblöcke) aufweisen, mittels dessen die rohrförmige Kathode 102k drehbar gelagert ist (vgl. z. B. 2A und 5). Der mindestens eine Endblock kann eingerichtet sein, die rohrförmige Kathode 102k zu versorgen, z. B. mit Kühlwasser und/oder elektrischer Energie, und die rohrförmige Kathode 102k anzutreiben, z. B. mittels einer Kupplung zu einem Motor.
Zum Erzeugen eines Magnetfeldes kann die innerhalb der rohrförmigen Kathode 102k angeordnete Magnetanordnung 102m beispielsweise zwei äußere Magnetreihen 104a und eine zwischen den äußeren Magnetreihen 104a angeordnete innere Magnetreihe 104i aufweisen. Die äußeren Magnetreihen 104a können eine Magnetisierung mit einer Richtungskomponente in eine Richtung weg von der Rotationsachse der rohrförmigen Kathode 102k aufweisen, wobei die innere Magnetreihe 104i eine Magnetisierung mit einer Richtungskomponente in Richtung der Rotationsachse der rohrförmigen Kathode 102k aufweisen kann.
Der magnetische Fluss des Magnetfeldes, welches die Magnetronkathode 102k durchdringt, kann aus einer der äußeren Magnetreihen 104a austreten, den Mantel der rohrförmigen Kathode 102k durchdringen, und in die innere Magnetreihe 104i eintreten. Ferner kann das Magnetfeld den Plasmabildungsbereich 106 durchdringen, wobei in dem Plasmabildungsbereich 106 das Bilden eines Plasmas mittels des Magnetfeldes unterstützt sein kann oder werden kann.
Die Magnetanordnung 102m kann eine Rückschlussplatte 104r aufweisen, auf welcher die Magnetreihen 104a, 104i befestigt sein können. Die Rückschlussplatte 104r kann ein ferromagnetisches Material aufweisen. Damit kann beispielsweise erreicht werden, dass das von dem Magnetreihen 104a, 104i erzeugte Magnetfeld eine Kraft zwischen den Magneten der Magnetreihen 104a, 104i und der Rückschlussplatte 104r vermittelt, so dass die Magnete der Magnetreihen 104a, 104i mit der Kraft gegen die Rückschlussplatte 104r pressen und so anschaulich befestigt sind (mit anderen Worten haften).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Magnetanordnung 102m die Form und/oder die Lage des Race-Tracks 106 über der zu zerstäubenden Oberfläche 102o (über der Außenmantelfläche der Rohrkathode oder des Rohrtargets) des Targets bzw. der Magnetronkathode 102k (als rohrförmige Kathode 102k bezeichnet) definieren.
Die Form (anschaulich der geometrische Verlauf) des ringförmigen Plasmabildungsbereichs 106 kann von der Geometrie der Magnetanordnung 102m definiert sein. Ist die Magnetanordnung 102m beispielsweise in Axialrichtung 101 längserstreckt, kann auch der Plasmabildungsbereich 106 in Axialrichtung 101 längserstreckt sein und beispielsweise oval oder in Form eines Rechtecks mit abgerundeten Ecken bereitgestellt sein. Die längserstreckte Magnetanordnung 102m kann beispielsweise drei Magnetreihen 104a, 104i aufweisen, von denen eine innen liegende Magnetreihe 104i zwischen zwei außen liegenden Magnetreihen 104a angeordnet ist, wobei die drei Magnetreihen 104a, 104i die längserstreckten Plasmabildungsbereiche 106g erzeugen. Die zwei außen liegenden Magnetreihen 104a können an ihren gegenüberliegenden Endabschnitten jeweils miteinander verbunden sein und dort die zwei gekrümmt verlaufenden Plasmabildungsbereiche (Umkehrbereiche) 106k erzeugen, welche die längserstreckten Plasmabildungsbereiche 106g miteinander zu einem ringförmigen (und geschlossenen) Plasmabildungsbereich 106 verbinden.
Wie beispielsweise in 1A und 1B dargestellt ist, kann die Magnetanordnung 102m derart relativ zu der Magnetronkathode 102k angeordnet sein oder werden, dass über der zu zerstäubenden Oberfläche 102o der Magnetronkathode 102k ein Plasmabildungsbereich 106 (als Race-Track bezeichnet) bereitgestellt ist, wobei der Plasmabildungsbereich 106 zwei parallel nebeneinander verlaufende längserstreckte Bereiche 106g und zwei die längserstreckten Bereiche ringförmig verbindende Umkehrbereiche 106k (Race-Track-Umkehren) aufweist.
Um das Targetmaterial (bzw. die rohrförmige Kathode 102k) effizient auszunutzen, kann die Magnetanordnung 102m derart in der rohrförmigen Kathode 102k bereitgestellt sein oder werden, dass die Umkehrbereiche 106k nahe an dem axialen Endabschnitt 102r der rohrförmigen Kathode 102k bereitgestellt ist oder wird. Ferner kann die rohrförmige Kathode 102k ein Trägerrohr und an dem Trägerrohr befestigtes Targetmaterial aufweisen, wobei das Material des Trägerrohrs verschieden von dem Targetmaterial ist, so dass die Magnetanordnung 102m derart in der rohrförmigen Kathode 102k bereitgestellt sein kann oder werden kann, dass das Targetmaterial effizient ausgenutzt wird und sich der Plasmabildungsbereich 106 nicht über dem Trägerrohr erstreckt.
Ferner kann eine Gaszuführungsanordnung bereitgestellt sein oder werden, um dem Race-Track 106 Gas zuzuführen, z. B. um geregelt (und/oder gezielt) an verschiedenen Stellen des Race-Tracks 106 Prozessgas (Arbeitsgas und/oder Reaktivgas) zuzuführen. Anschaulich kann die Gaszuführungsanordnung seitlich (z. B. einseitig oder beidseitig) neben dem Race-Track, neben der Magnetronkathode 102k bzw. neben dem Magnetron 102 angeordnet sein oder werden (nicht dargestellt). Ferner kann sich die Gaszuführungsanordnung als Gaskanal (beispielsweise als segmentierter Gaskanal) mit mehreren Gaseinlässen parallel zur Längserstreckung des Race-Tracks 106 erstrecken.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die erste Anodenstruktur 108 zwei in Axialrichtung 101 längserstreckte Anodenelemente 108 aufweisen, welche beidseitig neben der rohrförmigen Kathode 102k angeordnet sind. Beispielsweise kann je mindestens ein Anodenelement 108 der ersten Anodenstruktur 108 auf jeder der beiden einander gegenüberliegenden Seiten der rohrförmigen Kathode 102k angeordnet sein. Somit kann sich die erste Anodenstruktur 108 im Wesentlichen parallel zu den längserstreckten Bereichen 106g des Race-Tracks 106 erstrecken.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die zweite Anodenstruktur 110 zwei quer zur Axialrichtung 101 längserstreckte Anodenelemente 110 aufweisen, welche beidseitig vor und hinter der rohrförmigen Kathode 102k angeordnet sind. Beispielsweise kann je mindestens ein Anodenelement 110 der zweiten Anodenstruktur 110 vor dem axialen Endabschnitt 102r der beiden einander gegenüberliegenden axialen Endabschnitte 102r der rohrförmigen Kathode 102k angeordnet sein. Anschaulich kann die Lage und Form der zweiten Anodenstruktur 110 relativ zu dem Race-Track 106 relevant sein, so dass die zweite Anodenstruktur 110 im Wesentlichen die Umkehrbereiche 106k des Race-Tracks 106 beeinflussen kann. Anschaulich können Elektronen, welche den Race-Tracks 106 parallel zur Axialrichtung 101 verlassen, von der zweiten Anodenstruktur 110 abgeführt werden. Mit anderen Worten kann in Axialrichtung 101 gesehen vor und hinter dem Race-Track 106 mindestens ein Anodenelement 110 der zweiten Anodenstruktur 110 bereitgestellt sein oder werden.
In den folgenden 2A bis 2D sind verschiedene Ausführungsformen dargestellt, welche veranschaulichen, wie die zweite Anodenstruktur 110 relativ zu der rohrförmigen Kathode 102k und der Magnetanordnung 102m (und somit auch relativ zu dem Race-Track 106) angeordnet sein kann oder werden kann.
2A veranschaulicht eine Magnetronanordnung 100 in einer schematischen Ansicht, analog zum vorangehend Beschriebenen, wobei die rohrförmige Kathode 102k an deren axialen Endabschnitten 102r mittels zweier Endblock-Anordnungen 222 gehalten werden kann, z. B. drehbar gelagert werden kann.
Anschaulich zeigt 2A eine Magnetronanordnung 100 in einer Ansicht von unten auf den Race-Track 106.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die zweite Anodenstruktur 110 mindestens zwei Anodenelemente 110 aufweisen, wobei jeweils mindestens ein Anodenelement 110 unterhalb der beiden Endblock-Anordnungen 222 angeordnet ist.
Wie in 2B veranschaulicht ist, kann die zweite Anodenstruktur 110 mindestens zwei Anodenelemente 110 aufweisen, wobei jeweils mindestens ein Anodenelement 110 unterhalb der beiden axialen Endabschnitte 102r angeordnet ist. Dabei ist die zweite Anodenstruktur 110 gesehen in Axialrichtung 101 seitlich außerhalb des Plasmabildungsbereichs 106 angeordnet, damit diese beispielsweise nicht direkt beschichtet wird und/oder das zerstäubte Beschichtungsmaterial nicht aufgrund der zweiten Anodenstruktur 110 vom Substrat abschattet wird.
Wie in 2C veranschaulicht ist, kann die zweite Anodenstruktur 110 mindestens zwei Anodenelemente 110 aufweisen, welche körperlich mit den beiden Anodenelementen 108 der ersten Anodenstruktur 108 verbunden sein können. Wenn die beiden Anodenelemente 108 der ersten Anodenstruktur 108 neben der rohrförmigen Kathode 102k angeordnet sind, können die beiden Anodenelemente 110 der zweiten Anodenstruktur 110 bügelförmig (z. B. gekrümmt und/oder gewinkelt) ausgebildet sein, damit diese einen Abstand zur rohrförmigen Kathode 102k aufweisen und diese nicht berühren (vgl. beispielsweise 7).
Wie in 2D veranschaulicht ist, kann auch ein Teil der jeweiligen Endblockanordnung selbst als zweite Anodenstruktur 110 eingerichtet sein oder verwendet werden, z. B. die Abdeckung des Endblock-Gehäuses (vgl. 6). Anschaulich kann in dem Endblock-Gehäuse ein Lageranordnung abgestützt sein oder werden, mittels derer die rohrförmige Kathode 102k drehbar gelagert wird. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann beispielsweise die Drehachse dieser drehbaren Lagerung die Axialrichtung 101 definieren, welche im Wesentlichen der Rohrachse der rohrförmigen Kathode 102k entspricht.
In den folgenden 3A und 3B sind verschiedene Ausführungsformen dargestellt, welche veranschaulichen, wie die erste Anodenstruktur 108 relativ zu der rohrförmigen Kathode 102k und der Magnetanordnung 102m (und somit auch relativ zu dem Race-Track 106) angeordnet sein kann oder werden kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die erste Anodenstruktur 108 rinnenförmig bereitgestellt sein oder werden, oder anschaulich die rohrförmige Kathode 102k zumindest teilweise umgeben. Dabei kann es unerheblich sein, ob die erste Anodenstruktur 108 eine zusammenhängende Struktur aufweist, wie in 3B in einer Querschnittsansicht veranschaulicht ist, z. B. aus einem Metallblech geformt ist, oder funktionell gleichwertig mehrere Anodenelemente aufweist, wie in 3A in einer Querschnittsansicht veranschaulicht ist, z. B. mehrere Metallbleche. Anschaulich kann von einer derart die rohrförmige Kathode 102k umgebenden ersten Anodenstruktur 108 jeweils nur der Abschnitt 108a funktionell wirksam sein, welche zu dem Racetrack 106 hin freiliegt.
4 veranschaulicht ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens 400 zum Betreiben einer Rohrmagnetronanordnung 100, gemäß verschiedenen Ausführungsformen, wobei das Verfahren 400 aufweisen kann: in 410, Steuern (bzw. Ansteuern) oder Regeln (z. B. mit dem Anodenpotential als Stellgröße oder Regelgröße) einer ersten Anodenstruktur 108, welche sich in Axialrichtung 101 der mindestens einen Rohrkathode 102k erstreckt und seitlich neben der mindestens einen Rohrkathode 102k angeordnet ist zum Bereitstellen eines elektrischen Feldes im Bereich zwischen der ersten Anodenstruktur 108 und der mindestens einen Rohrkathode 102k mit einem Feldgradienten quer zur Axialrichtung 101; und, in 420, Steuern (bzw. Ansteuern) oder Regeln (z. B. mit dem Anodenpotential als Stellgröße oder Regelgröße) einer zweiten Anodenstruktur 110, welche in Axialrichtung 101 vor dem Plasmabildungsbereich und/oder vor der mindestens einen Rohrkathode angeordnet ist (d. h. in Axialrichtung gesehen in einem Abstand zu dem Plasmabildungsbereich angeordnet ist) zum Bereitstellen eines elektrischen Feldes im Bereich zwischen der zweiten Anodenstruktur 110 und der mindestens einen Rohrkathode 102k mit einem Feldgradienten in Axialrichtung 101.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die erste Anodenstruktur 108 mindestens ein stabförmiges Anodenelement 108 oder mindestens ein gekrümmt und/oder gewinkeltes flächiges Anodenelement 108 aufweisen und elektrisch mit einem Generator sowie einer Steuerungsvorrichtung oder einem Regler gekoppelt sein zum Steuern oder Regeln des Plasmabildungsprozesses oder des Zerstäubungsprozesses während des Betriebs der Magnetronanordnung 100.
Dabei kann die erste Anodenstruktur 108 bzw. das jeweilige Anodenelement der ersten Anodenstruktur 108 beispielsweise entlang der Axialrichtung 101 segmentiert sein, so dass verschiedene Bereiche des geradlinig verlaufenden Bereichs 106g des längserstreckten Plasmabildungsbereichs 106 unterschiedlich beeinflusst werden können. In diesem Fall kann beispielsweise mehrere Segmente der segmentierten ersten Anodenstruktur 108 oder des segmentierten Anodenelements der ersten Anodenstruktur 108 separat angesteuert oder separat geregelt werden.
Für eine Regelung kann die Magnetronanordnung 100 beispielsweise eine Sensoranordnung aufweisen, z. B. eine optische Sensoranordnung, welche die Charakteristik des Beschichtungsprozesses zumindest bereichsweise ortsabhängig ermitteln kann. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann mindestens ein optisches Emissionsspektrometer verwendet werden, um Plasmaeigenschaften zu ermitteln (z. B. auch ortsabhängig entlang der Axialrichtung 101) und darauf basierend die erste Anodenstruktur 108 und/oder die zweite Anodenstruktur 110 zu regeln.
5 veranschaulicht eine schematische Querschnittsansicht einer Prozessieranordnung 500 mit mindestens einer Magnetronanordnung 100, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Dabei kann die Prozessieranordnung 500 eine Vakuumprozessierkammer 502 aufweisen, wobei mittels der Vakuumprozessierkammer 502 ein Beschichtungsbereich 510 innerhalb der Vakuumprozessierkammer 502 bereitgestellt wird. Dabei kann mindestens eine Magnetronanordnung 100 (z. B. eine Magnetronanordnung 100 mit einem Rohrmagnetron 102 oder mit mehreren Rohrmagnetrons 102) mit der Vakuumprozessierkammer 502 gekoppelt sein zum Beschichten eines Substrats 520 innerhalb des Beschichtungsbereichs 510 der Vakuumprozessierkammer 502.
Beispielsweise kann die Prozessieranordnung 500 ferner eine Transportvorrichtung 510 aufweisen zum Transportieren des Substrats 520 in einer Transportebene 501e in der Vakuumprozessierkammer 502. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Substrat 520 quer zur Axialrichtung 101 durch die Vakuumprozessierkammer 502 hindurch mittels der Transportvorrichtung 510 transportiert werden. Das Substrat 520 kann beispielsweise in der Transportebene 501e in dem Beschichtungsraum 501b oder in dem Beschichtungsbereich 501b transportiert werden.
Ferner kann die Vakuumprozessierkammer 502 einen Eingang (eine erste Schleuse) und einen Ausgang (eine zweite Schleuse) derart aufweisen, dass das Substrat 520 in die Vakuumprozessierkammer 502 hinein und aus der Vakuumprozessierkammer 502 heraus transportiert werden kann oder dass das Substrat 520 durch die Vakuumprozessierkammer 502 hindurch transportiert werden kann (nicht dargestellt).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Vakuumpumpenanordnung (nicht dargestellt) mit der Vakuumprozessierkammer 502 derart gekoppelt sein oder werden, dass die Vakuumprozessierkammer 502 mittels der Vakuumpumpenanordnung evakuiert werden kann. Somit kann beispielsweise in der Vakuumprozessierkammer 502 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.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann mittels der Prozessieranordnung 500 ein geregelter reaktiver Sputterprozess oder ein ungeregelter Sputterprozess durchgeführt werden.
Ferner können die Magnetronkathode 102k und die beiden Anodenstrukturen 108, 110 (welche beispielsweise ein positives elektrisches Potential bezüglich der Magnetronkathode 102k aufweisen) mit einem Generator gekoppelt sein (z. B. elektrisch leitfähig verbunden sein). Mittels des Generators kann an der Magnetronkathode 102k und/oder zwischen der Magnetronkathode 102k und den beiden Anodenstrukturen 108, 110 ein elektrisches Feld zum Erzeugen des Plasmas bereitgestellt sein oder werden.
Beispielsweise kann die Prozessieranordnung 500 als eine so genannte Batch-Beschichtungsanlage eingerichtet sein, in welcher Substrate nacheinander schubweise beschichtet werden können. Ferner kann die Prozessieranordnung 500 als eine so genannte In-Line-Beschichtungsanlage eingerichtet sein, wobei ein Substrat (z. B. ein plattenförmiges Substrat oder eine Vielzahl von plattenförmigen Substraten beispielsweise auch 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 500 eingebracht und/oder aus der Prozessieranordnung 500 heraus gebracht werden. Ferner kann die Prozessieranordnung 500 als eine so genannte 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 502 hindurch transportiert werden kann.
Während eines Kathodenzerstäubungsprozesses kann in dem Plasmabildungsbereich 106k, 106g ein Plasma bereitgestellt sein oder werden, z. B. indem mittels der Magnetronkathode 102k ein elektrisches Feld bereitgestellt wird. Mittels des Plasmas kann die Magnetronkathode 102k zerstäubt werden (z. B. aufgrund des Ionenbeschusses der Magnetronkathode 102k 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 502 bereitgestellt werden. Ferner kann zum reaktiven Sputtern mindestens ein Reaktivgas in der Sputter-Prozesskammer 502 bereitgestellt werden. Die zum Sputtern verwendeten Prozessgase (ein Arbeitsgas oder mehrere Arbeitsgase und ein Reaktivgas oder mehrere Reaktivgase) können jeweils mittels einer Gaszuführung oder mittels mehrerer Gaszuführungen in die Sputter-Prozesskammer 502 eingebracht werden, wobei das Einbringen geregelt erfolgen kann.
Im Allgemeinen kann die Prozessieranordnung 500 oder eine ähnliche Prozessieranordnung 500 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 (Hochenergie-Impuls-Magnetronsputtern), mit unipolar oder bipolar gepulster Entladung, sowohl mit einer Elektrode als auch mit mehreren Elektroden (Kathoden und/oder Anoden). Im bipolaren Betrieb mit zwei gegeneinander arbeiteten Magnetronkathoden können die beiden Anodenstrukturen 108, 110 beispielsweise demontiert, abgedeckt oder funktionslos geschaltet sein oder werden.
6 veranschaulicht eine schematische perspektivische Ansicht einer Magnetronanordnung 100, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Beispielsweise können zwei Endblöcke 222 (bzw. zwei Endblock-Anordnungen 222) nebeneinander auf einem Kammerdeckel 520 montiert sein zum Bereitstellen der ersten Lagerung einer beidseitigen Lagerung für zwei Rohrkathoden 102k. Es versteht sich, dass auf der gegenüberliegenden Seite (nicht dargestellt) zwei weitere Endblöcke 222 bereitgestellt sein können, so dass zwei Rohrkathoden 102k beidseitig an deren axialen Endabschnitten 102r gelagert sein können oder werden können.
Der Kammerdeckel 620 kann beispielsweise eine Dichtungsstruktur 620d aufweisen, so dass der Kammerdeckel 620 eine Deckelöffnung in einem Kammergehäuse einer Vakuumkammer vakuumdicht abdecken kann.
Die erste Anodenstruktur 108 kann beispielsweise zwei Anodenträger 608 aufweisen, wobei jeder der zwei Anodenträger 608 mindestens eine Haltestruktur aufweist zum Halten und elektrischen Versorgen mehrerer Anodenelemente 108 (z. B. rinnenförmmige Anodenelemente) der ersten Anodenstruktur 108, wobei jeweils ein Anodenträger 608 oberhalb einer der zwei Magnetronkathoden 102k angeordnet ist. Dabei können die zwei Anodenträger elektrisch miteinander gekoppelt sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die zweite Anodenstruktur 110 bereitgestellt werden, indem jeweils eine Abdeckung 222h der zwei Endblockanordnungen 222 auf Anodenpotential gebracht ist oder wird. Ferner kann nur ein Abschnitt der Abdeckung 222h auf Anodenpotential gebracht sein oder werden, wobei dieser Abschnitt dann vom Rest der Abdeckung 222h elektrisch isoliert sein muss. Ferner kann auch eine von der Abdeckung 222h elektrisch isolierte zweite Anodenstruktur 110 auf der Abdeckung 222h montiert sein oder werden. Mittels der als Anoden fungierenden Abdeckungen 222h kann der Kathodenzerstäubungsprozess, z. B. hauptsächlich in den Umkehrbereichen 106k des Race-Tracks 106, beeinflusst werden.
7 veranschaulicht eine schematische perspektivische Ansicht einer Magnetronanordnung 100, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Beispielsweise können zwei Endblöcke 222 (bzw. zwei Endblock-Anordnungen 222) nebeneinander auf einem Kammerdeckel 620 montiert sein zum Bereitstellen der ersten Lagerung einer beidseitigen Lagerung für zwei Rohrkathoden 102k. Es versteht sich, dass auf der gegenüberliegenden Seite (nicht dargestellt) zwei weitere Endblöcke 222 bereitgestellt sein können, so dass zwei Rohrkathoden 102k beidseitig an deren axialen Endabschnitten 102r gelagert sein können oder werden können. Der Kammerdeckel 620 kann beispielsweise eine Dichtungsstruktur 620d derart aufweisen, dass der Kammerdeckel 620 eine Deckelöffnung in einem Kammergehäuse einer Vakuumkammer vakuumdicht abdecken kann.
Die erste Anodenstruktur 108 kann beispielsweise zwei Anodenträger 608 aufweisen, wobei jeder der zwei Anodenträger 608 mindestens eine Haltestruktur aufweist zum Halten und elektrischen Versorgen mehrerer Anodenelemente 108 (z. B. rinnenförmige Anodenelemente) der ersten Anodenstruktur 108, wobei jeweils ein Anodenträger 608 oberhalb einer der zwei Magnetronkathoden 102k angeordnet ist. Dabei können die zwei Anodenträger elektrisch miteinander gekoppelt sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die zweite Anodenstruktur 110 mindestens einen Bügel 110 aufweisen, welcher mit dem ersten Anodenelement 108 bzw. mit der ersten Anodenstruktur 108 elektrisch leitfähig verbunden ist. Beispielsweise kann ein Bügel an dem ersten Anodenelement 108 bzw. an der ersten Anodenstruktur 108 montiert (z. B. angeschraubt) sein oder werden. Mit anderen Worten kann an jedem axialen Endabschnitt 102r der Magnetronkathoden 102k ein Bügel 110 als zweite Anodenstruktur 110 bereitgestellt sein oder werden, wobei der Bügel 110 die beiden jeweils neben den Magnetronkathoden 102k verlaufenden Anodenelemente 108 der ersten Anodenstruktur 108 miteinander verbindet.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Bügel 110 segmentiert sein. Beispielsweise kann sich ein Spalt zwischen zwei separaten Elementen oder Abschnitten einer Anodenstruktur nur ab einer gewissen Spaltbreite auswirken, so dass beispielsweise Spalte mit einer Spaltbreite von weniger als ungefähr 5 cm, 4 cm, 3 cm, 2 cm oder 1 cm die Funktionsweise der Anodenstruktur unverändert lassen können.
Somit können beispielsweise auch jeweils zwei Bügelsegmente 110 an jedem axialen Endabschnitt 102r der Magnetronkathoden 102k an der ersten Anodenstruktur 108 montiert sein. Mit anderen Worten können an jedem axialen Endabschnitt 102r der Magnetronkathoden 102k zwei Bügel 110 bzw. Bügelsegmente 110 als zweite Anodenstruktur 110 bereitgestellt sein oder werden. Dabei kann jeweils ein Bügel 110 bzw. Bügelsegment 110 an jedem der beiden jeweils neben den Magnetronkathoden 102k verlaufenden Anodenelementen 108 der ersten Anodenstruktur 108 montiert sein oder werden.
Es versteht sich, dass verschiedene konstruktive Ausgestaltungen sowohl für die erste Anodenstruktur 108 als auch für die zweite Anodenstruktur 110 möglich sind, sofern die erste Anodenstruktur 108 derart bereitgestellt wird, dass diese sich seitlich neben der rohrförmigen Kathode 102k in Axialrichtung 101 erstreckt und in einem Abstand bezüglich der Radialrichtung (quer zur Axialrichtung 101) zum Plasmabildungsbereich 106 angeordnet ist zum Beeinflussen der geradlinig verlaufenden Bereiche 106g des längserstreckten Plasmabildungsbereichs 106, und sofern die zweite Anodenstruktur 110 derart bereitgestellt wird, dass diese bezüglich der Axialrichtung 101 vor bzw. hinter dem Plasmabildungsbereich 106 bereitgestellt ist zum Beeinflussen der gekrümmt verlaufenden Bereiche 106k (der so genannten Umkehrbereiche 106k) des längserstreckten Plasmabildungsbereichs 106. Anschaulich kann die Kathodenzerstäubung bzw. Plasmabildung in den gekrümmt verlaufenden Bereichen 106k des längserstreckten Plasmabildungsbereichs 106 verschieden von der in den geradlinig verlaufenden Bereichen 106g des längserstreckten Plasmabildungsbereichs 106 sein, wobei mittels der beiden Anodenstrukturen 108, 110 diese Unterschiede kompensiert werden können, da die beiden Anodenstrukturen 108, 110 jeweils aufgrund der relativen Lage zum längserstreckten Plasmabildungsbereich 106 unterschiedlich auf die gekrümmt verlaufenden Bereiche 106k und geradlinig verlaufenden Bereiche 106g des längserstreckten Plasmabildungsbereichs 106 wirken können.

Claims

Magnetronanordnung (100), aufweisend: • eine rohrförmige Kathode (102k), welche sich in Axialrichtung (101) erstreckt; • eine innerhalb der rohrförmigen Kathode (102k) angeordnete Magnetanordnung (102m), welche einen in Axialrichtung (101) längserstreckten Plasmabildungsbereich (106) unterhalb der rohrförmigen Kathode (102k) definiert; • eine erste Anodenstruktur (108), welche sich in Axialrichtung (101) erstreckt und seitlich neben dem längserstreckten Plasmabildungsbereich (106) und/oder seitlich neben der rohrförmigen Kathode (102k) angeordnet ist; und • eine zweite Anodenstruktur (110), welche in Axialrichtung (101) in einem Abstand von dem längserstreckten Plasmabildungsbereich (106) angeordnet ist.
Magnetronanordnung gemäß Anspruch 1, wobei die erste Anodenstruktur (108) mindestens ein stabförmiges Anodenelement oder mindestens ein gekrümmt und/oder gewinkeltes flächiges Anodenelement aufweist und elektrisch mit einem Generator gekoppelt ist.
Magnetronanordnung gemäß Anspruch 2, wobei die erste Anodenstruktur (108) entlang der Axialrichtung (101) segmentiert ist.
Magnetronanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die zweite Anodenstruktur (110) mindestens einen Bügel aufweist, welcher mit dem ersten Anodenelement (108) elektrisch leitfähig verbunden ist.
Magnetronanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner aufweisend: zwei Endblockanordnungen (222) zum drehbaren Lagern der rohrförmigen Kathode (102k) an deren axialen Endabschnitten (102r), wobei die Endblockanordnungen (222) jeweils ein Endblockgehäuse aufweisen, welches eine an dem Endblockgehäuse elektrisch isoliert montierte Abdeckung (222h) aufweist.
Magnetronanordnung gemäß Anspruch 5, wobei die zweite Anodenstruktur (110) bereitgestellt wird, indem jeweils die Abdeckung (222h) der zwei Endblockanordnungen (222) auf Anodenpotential gebracht ist.
Magnetronanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die zweite Anodenstruktur (110) elektrisch mit einem Generator gekoppelt ist.
Verfahren zum Betreiben einer Magnetronanordnung (100) mit mindestens einer Rohrkathode (102k), das Verfahren aufweisend: • Steuern oder Regeln einer ersten Anodenstruktur (108), welche sich in Axialrichtung (101) der mindestens einen Rohrkathode erstreckt und seitlich neben der mindestens einen Rohrkathode angeordnet ist zum Bereitstellen eines elektrischen Feldes im Bereich zwischen der ersten Anodenstruktur (108) und der mindestens einen Rohrkathode (102k) mit einem Feldgradienten quer zur Axialrichtung (101); und • Steuern oder Regeln einer zweiten Anodenstruktur (110), welche in Axialrichtung (101) in einem Abstand zu dem Plasmabildungsbereich angeordnet ist zum Bereitstellen eines elektrischen Feldes im Bereich zwischen der zweiten Anodenstruktur (110) und der mindestens einen Rohrkathode (102k) mit einem Feldgradienten in Axialrichtung (101).
Endblock (222) zum Lagern und/oder Versorgen einer Rohrkathode (102k) für einen Kathodenzerstäubungsprozess, wobei ein Teil oder Abschnitt des Endblocks als Anode (110) zum Beeinflussen des Kathodenzerstäubungsprozesses verwendet wird.
Verwenden eines Metallbügels (110) zum Beeinflussen eines Plasmabildungsprozesses in einem Plasmabildungsbereich (106) beim Betreiben einer Rohrmagnetronanordnung, wobei der Metallbügel an einer Anodenstruktur (108) der Rohrmagnetronanordnung befestigt ist und in Axialrichtung (101) vor dem Plasmabildungsbereich (106) angeordnet ist.